المُقدّمة
أغمض عينيك وتخيل البكتيريا. ربما تتخيل أمعاءنا كولاي، أو الكرات الذهبية اللامعة للمكورات العنقودية ، أو الحلقات اللولبية لمرض لايم اللولبية. بغض النظر عن الأنواع وشكلها ، من المحتمل أن تكون عين عقلك قد استحضرت خلية واحدة ، أو ربما عدة خلايا حية حرة.
مشكلة هذه الصورة ، يقول عالم الأحياء الدقيقة جوليا شوارتزمان، هو أنه لا يعكس الطريقة التي يحتمل أن تعيش بها معظم البكتيريا. غالبًا ما تستخدم البكتيريا جزيئات لزجة لترسيخ نفسها على السطح وتنمو فيه التجمعات الكبيرة والمستقرة تسمى الأغشية الحيوية. اللويحة على أسنانك عبارة عن غشاء حيوي. وكذلك العدوى على القسطرة ، والأخضر اللزج من حثالة البركة والمادة اللزجة تسد مصرف حوض الاستحمام.
لكن عمل شوارتزمان الأخير ، والذي أجرته كزميلة ما بعد الدكتوراه في مختبر أوتو كورديرو في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، يُظهر أنه حتى البكتيريا العائمة في المحيط المفتوح ، والتي تفتقر إلى نقطة إرساء لتشكيل التكتلات الكبيرة ، توجد في أشكال متعددة الخلايا.
قالت: "لقد رأينا هذه الهياكل التي كانت لا تصدق".
كما أظهر شوارتزمان ، كورديرو وزملاؤهم في الورقة الأخيرة في علم الأحياء الحالي، نشأت هذه الأشكال متعددة الخلايا لأن البكتيريا طورت دورة حياة أكثر تعقيدًا بكثير مما نراه عادة في الكائنات وحيدة الخلية.
شركة للعشاء
توصل شوارتزمان إلى هذه الاكتشافات حول تعدد الخلايا في البكتيريا البحرية أثناء محاولته التعرف على شيء أكثر أهمية: كيف يأكلون.
في المحيطات المفتوحة ، غالبًا ما يكون مصدر الطاقة الوحيد للميكروبات البحرية هو الكربوهيدرات الجيلاتينية التي تسمى الألجينات. على عكس الجلوكوز والفركتوز والسكريات البسيطة الأخرى التي يمكنها عبور غشاء الخلية بسهولة ، يتكون الألجينات من خيوط طويلة ملفوفة غالبًا ما تكون أكبر من البكتيريا التي تتغذى عليها. أراد شوارتزمان أن يعرف المزيد عن كيفية تأكل البكتيريا بكفاءة ، لأن الإنزيمات الهاضمة التي تفرزها لتفكيك الألجينات يمكن بسهولة تخفيفها وجرفها بعيدًا في مياه المحيط المفتوحة.
لهذا السبب بدأت هي وعلي إبراهيمي ، وهو باحث آخر في مرحلة ما بعد الدكتوراة في مختبر كورديرو ، في قياس نمو البكتيريا البحرية المضيئة. الضمة الرائعة في قوارير من المرق الدافئ محملة بالألجينات. في العديد من تجارب علم الأحياء الدقيقة ، قام العلماء بتزويد الميكروبات بمجموعة متنوعة من العناصر الغذائية لتشجيع الخلايا على الانقسام في أسرع وقت ممكن ، لكن قوارير شوارتزمان وإبراهيمي أجبرت الضمة البكتيريا لتعيش على كميات صغيرة نسبيًا من بوليمرات الجينات كبيرة الحجم ، تمامًا كما تفعل في البحر.
ومع ذلك ، عندما بدأت شوارتزمان في جمع البيانات ، اعتقدت أنها ارتكبت خطأ مبتدئًا. عندما تتكاثر البكتيريا ، فإنها تحول مرق الثقافة ذات اللون الكهرماني الشفاف إلى يخنة ضبابية. من خلال قياس الغموض ، تمكن شوارتزمان من استقراء عدد الميكروبات في القارورة وإنشاء منحنى نمو لتقدير مدى سرعة انقسام الخلايا. ظل علماء الجراثيم يقدرون معدلات النمو بهذه الطريقة منذ عقود. بصفتها باحثة ما بعد الدكتوراة ، فقدت شوارتزمان عدد المرات التي قامت فيها بذلك على مر السنين.
منحنى النمو لها الضمة ومع ذلك ، لم تظهر الثقافات الخط الصاعد المعتاد بسلاسة ، بل تظهر تمايلًا وعرًا مثل مسار الأفعوانية. بغض النظر عن عدد المرات التي كررت فيها العملية ، فإن البكتيريا لم تنتج الغيوم المتوقع في المرق.
كرة ثلجية مجهرية
للتحقق مما كان يحدث ، وضع شوارتزمان قطرة من محلول الثقافة على شريحة مجهر زجاجي وأطل من خلال العدسة بتكبير 40 مرة. ما رأته هي وابراهيمي لم يكن حشودًا من الأفراد الضمة بل هي عبارة عن أجرام سماوية ذات طبقات جميلة تتكون من مئات أو آلاف البكتيريا التي تعيش معًا.
قال شوارتزمان: "لم تكن مجرد كتلة من البكتيريا". "إنه شيء كروي ، ويمكنك أن ترى الخلايا تختلط في المنتصف."
أظهر المزيد من العمل أن المجالات المجوفة كانت الضمةحل التحدي المعقد المتمثل في تناول الطعام في البحر. يمكن للبكتيريا الفردية أن تنتج الكثير من الإنزيم فقط ؛ يتحلل الجينات بسرعة أكبر عندما الضمة يمكن أن تتجمع معا. يقول شوارتزمان إنها استراتيجية رابحة - إلى حد ما. إذا كان هناك الكثير الضمة، فإن عدد البكتيريا يفوق الجينات المتاحة.
حلت البكتيريا اللغز من خلال تطوير دورة حياة أكثر تعقيدًا. تعيش البكتيريا في ثلاث مراحل متميزة. في البداية ، تنقسم الخلية الفردية بشكل متكرر وتتجمع الخلايا الوليدة في كتل متنامية. في المرحلة الثانية ، تعيد الخلايا المتكتلة ترتيب نفسها في كرة مجوفة. تلتصق الخلايا الخارجية ببعضها البعض ، وتشكل شيئًا يشبه كرة ثلجية مجهرية. تصبح الخلايا الداخلية أكثر قدرة على الحركة ، وتسبح لأنها تستهلك الجينات المحتبسة. في المرحلة الثالثة ، تتمزق الطبقة الخارجية الهشة ، وتطلق الخلايا الداخلية المغذية جيدًا لبدء الدورة من جديد.
في الواقع، الضمة تصبح خليطًا غير متجانس من الخلايا ، حيث تستخدم البكتيريا جينات مختلفة للتحكم في سلوكها في كل مرحلة. قالت شوارتزمان ، التي تطلق مختبرها الخاص في جامعة جنوب كاليفورنيا في يناير ، إنه عندما تتفاعل الخلايا مع جيرانها في الهيكل ، فإن ما يظهر هو "قدر مذهل من التعقيد". "البكتيريا تأخذ باستمرار المعلومات من بيئتها ، وأحيانًا تستجيب بطرق تغير البيئة."
هذا التعقيد يؤتي ثماره الضمة في عدة طرق. من خلال تغيير دورة حياتها لتشمل مرحلة متعددة الخلايا ، يمكن للبكتيريا هضم الألجينات بكفاءة: تزداد أعدادها ، وتساعد القشرة المجوفة على تركيز الإنزيمات. وفي الوقت نفسه ، يمنع هيكل المجتمع من ولادة عدد كبير جدًا من الخلايا. تفقد الخلايا الموجودة في الغلاف فرصة التكاثر ، لكن الحمض النووي الخاص بها يستمر في الجيل التالي على أي حال ، نظرًا لأن جميع الخلايا في الجرم السماوي مستنسخة.
ما مدى شيوع تعددية الخلايا؟
العمل "ورقة جميلة" حسب جوردي فان جيستل، الذي يدرس تطور تطور الميكروبات في مختبر البيولوجيا الجزيئية الأوروبي ولم يشارك في البحث. يقول فان جستل إن النتائج تدعم فكرة أنه بعيدًا عن كونه استثناءً ، فإن حياة المجموعة الميكروبية هي القاعدة.
وقال: "إنه يوضح بشكل جميل مدى تعقيد دورة الحياة في مثل هذه البكتيريا البسيطة".
أناهيت بنيسيانيقول عالم الأحياء الدقيقة بجامعة ماكواري في أستراليا ، إن عمل شوارتزمان وكورديرو يقدم تحديًا مفيدًا للتصورات المسبقة حول البكتيريا. قالت: "إنه محفور في فهمنا أن الميكروب هو مجرد خلية واحدة" ، ونتيجة لذلك ، لا يبحث الباحثون غالبًا عن السلوكيات المعقدة التي قد تهيمن على الحياة الميكروبية. "الأمر يشبه النظر إلى بذرة نباتية أو بوغ ومحاولة استنتاج شكل النبات بأكمله."
الجديد الضمة يضيف هذا الاكتشاف إلى قائمة متزايدة من الميكروبات التي يمكن أن تصبح متعددة الخلايا لجزء من حياتها على الأقل. في العام الماضي ، أفاد باحثون في معهد جورجيا للتكنولوجيا أن الخمائر وحيدة الخلية في مختبرهم قد تطورت شكل ضخم متعدد الخلايا في غضون عامين فقط. وفي أكتوبر ، قام باحثون في اليابان أعلن اكتشافهم البكتيريا التي تنمو لتصبح هياكل متعددة الخلايا على جدران الكهوف ؛ عندما تنغمس الصخور في مجاري تحت الأرض ، تقذف الهياكل خلايا متخصصة مثل البذور لاستعمار مواقع أخرى.
يعتقد كل من شوارتزمان وفان جستل أن القدرة على التعددية الخلوية تطورت في وقت مبكر من تاريخ الحياة ويتم مشاركتها مع أبناء عموم البكتيريا القدامى ، العتائق ، والتي تبدو أيضًا أحادية الخلية. يعتقدون أنها مجرد مسألة وقت حتى يجد الباحثون أنواعًا أخرى لها خصائص مماثلة - وقد بدأ شوارتزمان بالفعل في البحث.
جيمس شابيرو، عالمة الأحياء الدقيقة المتقاعدة من جامعة شيكاغو ، لديها القليل من الشك في أنها ستجدها.
بدءًا من الثمانينيات ، ظهر Shapiro وغيره من الشخصيات البارزة في علم الأحياء الدقيقة مثل بوني باسلر في جامعة برينستون ، أظهر أن نمط الحياة وحيد الخلية للبكتيريا المدروسة جيدًا كان غالبًا من صنع بيئات القارورة الاصطناعية التي نمت فيها. في مقال 1998 في ال المراجعة السنوية لعلم الأحياء الدقيقة، جادل شابيرو بأن البكتيريا ليست وحيدة الخلية. قال: "لقد توصلت إلى استنتاج مفاده أن جميع البكتيريا هي كائنات متعددة الخلايا".
خلال حياته المهنية التي استمرت أربعة عقود ، رأى شابيرو أن فرضيته تتحول من هرطقة تقريبًا إلى فرضية لا جدال فيها. قال: "في البداية ، حصلت على انتباه مرتبك ، لكن الآن أصبح الأمر حكمة تقليدية". "تعددية الخلايا خاصية متأصلة في البكتيريا."
ملاحظة المحرر: Cordero هو المدير المشارك لـ Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems. تم دعم البحث الذي أجراه شوارتزمان وكورديرو وزملاؤهم من خلال هذا التعاون من قبل مؤسسة سيمونز ، التي ترعى أيضًا هذه المجلة المستقلة عن التحرير.
