البكتيريا

• تصنيف المجموعات الرئيسة للبكتيريا.
• التعرف إلى أشكال البكتيريا.
• الربط بين التراكيب البكتيرية المختلفة ووظائفها.
• المقارنة بين أنواع البكتيريا من حيث طرق التغذية والتنفس والتكاثر.
• توضيح أثر بعض العوامل البيئية على نمو البكتيريا وتكاثرها.
• التعرُّف على المضادات الحيوية، وأثرها على البكتيريا.
• بيان بعض استخدامات البكتيريا في مجال التقانة الحيوية.
• تصميم مجسم ثلاثي الأبعاد لخلية بكتيرية.

البكتيريا: كائنات دقيقة في كل البيئات

البكتيريا كائنات حية دقيقة تعيش في جميع البيئات، ولها تأثير كبير على ما يعيش حولها من إنسان وحيوان ونبات.

• البكتيريا: كائنات حية دقيقة يتراوح قطرها ما بين $0.5 - 5$ ميكرومتر.
• تعيش في جميع البيئات، ولها تأثير كبير على الإنسان والحيوان والنبات.

لوفنهوك: أول من رأى البكتيريا

• البكتيريا مجموعة من الكائنات وحيدة الخلية بدائية النوى.
• تعامل معها الإنسان قديماً دون أن يدرك وجودها، من خلال عمليات التخمر وإنتاج مشتقات الألبان.
• لم تكن البكتيريا معروفة قبل اكتشاف العدسات.
• اكتشف وجودها عام $1674$م الباحث الهولندي لوفنهوك، مخترع أول مجهر بسيط.
• فحص قطرة ماء تحت المجهر، فشاهد مجموعة كبيرة من الكائنات الدقيقة، ورسم بعض الأشكال التي شاهدها.

أنظر إلى شكل (1)، هل ألاحظ أوجه شبه بين رسومات لوفنهوك، وأشكال البكتيريا التي يمكن مشاهدتها بالمجهر المركب؟

أين تعيش هذه الأعداد الهائلة؟

• تُعد البكتيريا من أكثر الكائنات عدداً على سطح الأرض.

ماذا أستنتج؟

ما البيئات التي يمكن أن تتواجد فيها البكتيريا؟

سؤال: كيف أستدل على وجود البكتيريا في وسط غذائي سائل؟

مملكة البكتيريا القديمة: تعيش في بيئات قاسية

• تُصنف بدائية النوى ضمن مملكتين: البكتيريا القديمة والبكتيريا.
• أساس التصنيف: تركيبها، ووظائفها، وتفاعلها مع أنواع معينة من الأصباغ.

• جدرها تخلو من مادة الببتيدوغلايكان.
• تنمو في بيئات شديدة القسوة: المستنقعات، والبحيرات المالحة، والينابيع الحارة.

• ومن الأمثلة على البكتيريا القديمة ما يأتي:
• البكتيريا المنتجة للميثان ⁦(Methanogen)⁩: ظروف لاهوائية، مثل قاع المستنقعات والمياه العادمة وأمعاء الإنسان والحيوان كالأبقار؛ تنتج غاز الميثان.
• البكتيريا المحبة للملوحة العالية ⁦(Extreme Halophiles)⁩: بيئات ذات تركيز ملحي مرتفع جداً مثل البحر الميت في فلسطين والبحيرات المالحة الكبرى غرب الولايات المتحدة الأمريكية.
• البكتيريا المحبة للحموضة والحرارة ⁦(Thermoacidophiles)⁩: حرارة قد تصل إلى $110$ درجة مئوية، وحموضة أقل من (2).

مملكة البكتيريا: ثلاث شعب أهمها

• تشمل معظم أنواع البكتيريا التي تعيش على سطح الأرض، وهي ذات أشكال وأحجام مختلفة.
• أنماطها المعيشية: تعيش حرة في التربة، أو متطفلة على كائنات حية أخرى مسببة لها الأمراض، أو رِمية تُحلل الأجسام الميتة، أو ذاتية التغذية الضوئية أو الكيميائية.
• يمكن تقسيم البكتيريا إلى عدة شعب أهمها:

• شعبة المتقلبات ⁦(Proteobacteria)⁩: أكبر شعب البكتيريا؛ تشمل ذاتية التغذية الكيميائية، والمثبتة للنيتروجين وقد تكون رمية أو متطفلة مثل السالمونيلا التي تصيب أمعاء الإنسان.

• شعبة البكتيريا الخضراء المزرقة ⁦(Cyanobacteria)⁩: ذاتية التغذية، تقوم بعملية البناء الضوئي لإنتاج مواد كربوهيدراتية وإطلاق الأكسجين، لاحتوائها على صبغة كلوروفيل ⁦(a)⁩ وصبغة فيكوسيانين ⁦(Phycocyanin)⁩ الزرقاء.
• تتواجد على شكل مستعمرات في البيئات المائية العذبة والمالحة، والقليل منها يعيش في الينابيع الساخنة والمناطق المتجمدة، ومن أمثلتها النوستوك ⁦(Nostoc)⁩.

• شعبة البكتيريا النباتية ⁦(Prochlorobacteria)⁩: ⁦(Prochlorophyta)⁩ أغشيتها الخلوية فيها طيات داخلية تشبه الثايلاكويدات المتواجدة في البلاستيدات الخضراء.
• تحتوي صبغات الكلوروفيل (⁦a⁩ و ⁦b)⁩، فتقوم بالبناء الضوئي، لذلك تعد مصدراً مهماً للأكسجين في الطبيعة.

ثلاثة أشكال رئيسية: كروية وعصوية ولولبية

• تتباين أشكال البكتيريا باختلاف أنواعها، وطرق معيشتها، والبيئة التي تنشط فيها.

• من النشاط نلاحظ ثلاثة أشكال رئيسية للبكتيريا:
• الكروية ⁦(Cocci)⁩
• العصوية ⁦(Bacilli)⁩
• اللولبية ⁦(Spirilla)⁩

• البكتيريا الكروية: عند انقسام البكتيريا الكروية بعدة مستويات فإنها تأخذ الأنماط الآتية.

• ثنائية التجمع ⁦(Diplococci)⁩: تتجمع على شكل أزواج بعد كل انقسام، مثل المسببة لالتهاب السحايا ⁦(Neisseria meningitides)⁩.
• رباعية وثمانية التجمع ⁦(Tetrads)⁩: تنقسم بمستويين فتبقى متصلة مكونة شكلاً رباعياً مثل ⁦Micrococcus⁩، أو بثلاثة مستويات مكونة شكلاً ثمانياً مثل ⁦Sarcina⁩.
• السبحية ⁦(Streptococcus)⁩: تنقسم بمستوى واحد وتبقى متصلة على شكل سلسلة، مثل المسببة لالتهاب الحلق ⁦(Streptococcus pyogenes)⁩.
• العنقودية ⁦(Staphylococcus)⁩: تنقسم بمستويات مختلفة، فتنتج تجمعات غير منتظمة تشبه عنقود العنب، مثل ⁦Staphylococcus aureus⁩ المسببة للتسمم الغذائي والتهاب الجلد.

• البكتيريا العصوية ⁦(Bacillus)⁩: تختلف في أشكالها وحجومها، فقد توجد مفردة، أو ثنائية التجمع، أو على شكل سلسلة كما في الجمرة الخبيثة، أو واوية الشكل مثل الكوليرا.

• البكتيريا اللولبية ⁦(Spirillum)⁩: بكتيريا عصوية ملتوية بشكل لولبي، وهي من أطول أنواع البكتيريا، ومن أمثلتها ⁦Treponema pallidum⁩ المسببة لمرض الزهري ⁦(Syphilis)⁩.

ماذا ألاحظ؟

قضية للبحث: معظم أنواع البكتيريا ثابتة الشكل، ولكن بعض الأنواع مثل الميكوبلازما المسببة للالتهاب الرئوي الحاد تستطيع أن تغير شكلها. ما السبب في ذلك؟

الجدار الخلوي وصبغة غرام

• تتكون البكتيريا من جدار خلوي، وغشاء خلوي، وسيتوبلازم، ومنطقة نووية.
• أحياناً تحتوي بعض الأنواع على تراكيب إضافية للتكيف مع أنماطها الحياتية الخاصة.

• يتكون في البكتيريا الحقيقية من الببتيدوغلايكان (سلاسل ببتيدية قصيرة وكربوهيدرات).
• وظائفه: يتحكم في مرور المواد الغذائية إلى الخلية، ويحمي الخلية من المواد الكيميائية والعوامل البيئية القاسية، ويعطي الخلية شكلها الخارجي.

• طور الطبيب الدانماركي هانس غرام عام $1884$م طريقة لصبغ البكتيريا سميت Gram stain.
• صنفت البكتيريا اعتماداً على اكتسابها للصبغة وتركيب جدارها الخلوي إلى نوعين:
• موجبة غرام ⁦(Gram Positive)⁩: طبقة سميكة من الببتيدوغلايكان يحيط بالغشاء الخلوي، ويكتسب اللون البنفسجي عند الصبغ.
• سالبة غرام ⁦(Gram Negative)⁩: طبقة رقيقة تنحصر بين الغشاء الخلوي والغشاء الخارجي الذي يحتوي على كميات كبيرة من الليبيدات السكرية ⁦Lipopolysaccharide⁩، ويكتسب اللون الزهري.

المحفظة والغشاء والسيتوبلازم

• أدوار المحفظة: حماية البكتيريا من عملية البلعمة التي تقوم بها خلايا الدم البيضاء، ومساعدتها على الالتصاق بخلايا العائل.

سؤال: ماذا أتوقع أن يحدث لو دُمّر جزء من المحفظة؟

• سمكه ($5 - 10$) نانومتر، يحيط بالسيتوبلازم، ويتكون من طبقتين من اللبيدات المفسفرة.
• يمتد منه انغمادات إصبعية تسمى ميسوسومات ⁦(Mesosomes)⁩ تحتوي على جميع الأنزيمات الخاصة بعملية التنفس.

• يحتوي مكونات مختلفة مثل الرايبوسومات التي تستخدمها البكتيريا لصنع البروتين، والأنزيمات الضرورية لعمليات الأيض.

المنطقة النووية والأسواط والزوائد والبلازميد

• تحوي كروموسوماً واحداً من ⁦DNA⁩ حلقي يرتبط مع بروتين البروتامين الذي يساعد على التفافه.

• الأسواط: زوائد بروتينية رفيعة من بروتين فلاجلين ⁦(Flagellin)⁩، تمتد من الغشاء الخلوي عبر الجدار الخلوي إلى الخارج.
• تقوم بحركة دورانية، فتتحرك البكتيريا في الوسط الذي تعيش فيه.
• البكتيريا التي تفتقر للأسواط لها وسائل أخرى للحركة.
• بعض أنواعها يفرز طبقة من مادة غروية تساعدها على الانزلاق، وأخرى تتحرك حركة لولبية تشبه الزحف بمساعدة جدرانها المرنة، وبعضها لا يتحرك على الإطلاق.

• الزوائد: خيوط بروتينية رفيعة على أسطح بعض الخلايا (خاصة سالبة غرام)، تساعد على الالتصاق بأنسجة العائل.
• الشعيرات الجنسية ⁦(Sex Pili)⁩: نوع خاص من الزوائد، أكبر حجماً من العادية.
• تُستعمل لنقل جزء المادة الوراثية بين الخلايا أثناء الاقتران، ما يؤدي إلى تنوع البكتيريا.

• يحمل جينات إضافية غير أساسية (حوالي $30$ جين)، تساعد البكتيريا على امتلاك خصائص اختيارية جديدة مثل زيادة قدرتها على مقاومة المضادات الحيوية.

قضية للبحث: أبحث عن الأسباب التي جعلت البلازميدات تُستخدم أداة أساسية في علم البيولوجيا الجزيئية وهندسة الجينات.

الأبواغ: كيف تنجو البكتيريا من الظروف القاسية؟

• الأبواغ الداخلية: تراكيب داخلية صغيرة، تكونها بعض الأنواع مثل ⁦Bacillus anthracis⁩ المسببة للجمرة الخبيثة ⁦(Anthrax)⁩.
• تتكون في الظروف غير الملائمة مثل نقص الغذاء وحالات الجفاف الشديد.

• يبدأ تكوين الأبواغ بتضاعف ثم انقسام الكروموسوم البكتيري إلى كروموسومين.
• يبقى أحدهما في الخلية بينما يُحاط الكروموسوم الثاني وجزء من السيتوبلازم بجدار صلب سميك يتكون من كميات كبيرة من حِمض عُضوي قوي ⁦(Dipicolinic Acid)⁩ وكمية من أملاح الكالسيوم.
• عند توفر الظروف المناسبة تنمو الأبواغ ويُنتج كل بوغ خلية بكتيرية واحدة.

سؤال: لماذا لا يُعد تكوين الأبواغ نوعاً من التكاثر؟

ثلاث طرق تنقل الجينات بين الخلايا

• تنتقل المادة الوراثية بين خلايا البكتيريا بثلاث طرق رئيسة تؤدي إلى التنوع الوراثي.

• يتم عن طريق الاتصال المباشر، أو عبر الشعيرات الجنسية ⁦Sex Pili⁩.
• يساعد على التنوع البكتيري واكتساب صفات جديدة، مثل مقاومة المضادات الحيوية.

سؤال: كيف يحدث التحول بالرغم من وجود تراكيب لحماية البكتيريا؟

الانشطار الثنائي وأطوار نمو المزرعة

• إذا توفرت الظروف المناسبة تنمو البكتيريا إلى ما يقارب ضعف حجمها.
• تنقسم الخلايا بالانشطار الثنائي ⁦(Binary Fission)⁩: كل خلية إلى خليتين في فترة ($20-30$ دقيقة) كما في Escherichia coli.

• يمر نمو المزرعة البكتيرية بأربع مراحل تسمى أطوار النمو.

سؤال: على ماذا يعتمد شكل المنحنى في الشكل (17)؟

أربعة عوامل تتحكم بنمو البكتيريا

• تتأثر أنشطة البكتيريا بشكل كبير بعوامل في الوسط المحيط، ومنها: التغذية، ودرجة الحرارة، والأكسجين، والرقم الهيدروجيني.
• التغذية: تصنف البكتيريا بالاعتماد على طرق تغذيتها.
• ذاتية التغذية ⁦(Autotrophs)⁩: تصنع غذاءها من عناصر ومركبات غير عضوية، مثل ثاني أكسيد الكربون أو النيتروجين أو الكبريت.
• الضوئية ⁦(Phototrophic Autotroph)⁩: تستخدم الطاقة الضوئية للبناء الضوئي، مثل البكتيريا الخضراء المزرقة.
• الكيميائية ⁦(Chemotrophic Autotroph)⁩: تستخدم الطاقة الكيميائية الناتجة من أكسدة وتحليل عناصر ومركبات غير عضوية مثل الأمونيا لتثبيت ثاني أكسيد الكربون وصنع الغذاء، كما في Nitrosomonas.
• غير ذاتية التغذية ⁦(Heterotrophs)⁩: تحلل المركبات العضوية كالكربوهيدرات والدهون لتحصل على الغذاء والطاقة، مثل البكتيريا المتطفلة والرمية.

• درجة الحرارة: الزيادة في درجة الحرارة تؤدي إلى زيادة معدل النمو البكتيري حتى تصل لدرجة الحرارة المثلى، وبعد ذلك ينخفض معدل النمو.

• الأكسجين: تتفاوت حاجة البكتيريا للأكسجين الذي تأخذه عن طريق الانتشار، وتُقسم إلى ثلاثة أنواع:
• هوائية إجبارية ⁦(Obligate Aerobes)⁩: تحتاج الأكسجين في التنفس، مثل المسببة لمرض السل ⁦Mycobacterium tuberculosis⁩.
• لاهوائية إجبارية ⁦(Obligate Anaerobes)⁩: لا تعيش إلا في غياب الأكسجين وتقوم بالتنفس اللاهوائي، كما في المسببة للكزاز ⁦Clostridium tetani⁩.
• هوائية اختيارية ⁦(Facultative Aerobes)⁩: تنمو بوجود الأكسجين أو عدمه وتفضل وسطاً به أكسجين، فتقوم بالتنفس الهوائي واللاهوائي، كما في ⁦Escherichia coli⁩.

• الرقم الهيدروجيني ⁦pH⁩: يؤثر في معدل النمو من خلال تأثيره المباشر على الأنزيمات التي تدخل في العمليات الحيوية.
• معظم أنواع البكتيريا تعيش في الأوساط المتعادلة، والقليل منها في الأوساط الحمضية أو القاعدية.

أبحث عن أمثلة أخرى.

أذكر أمثلة أخرى.

لماذا تؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى حد معين إلى زيادة معدل نمو البكتيريا؟

أوضح المقصود بدرجة الحرارة المثلى. هل يمكن تحديد قيمتها على المنحنى؟

لماذا ينخفض معدل نمو البكتيريا بعد الوصول لدرجة الحرارة المثلى؟

سؤال: لديك عينة بكتيرية في وسط غذائي سائل كيف تستطيع أن تحدد نوع البكتيريا الموجودة في العينة بحسب حاجتها للأكسجين؟

خمس طرق لقتل البكتيريا أو ضبطها

• يمكن الوقاية من التلوث البكتيري بضبط أو قتل البكتيريا في أوساط نموها بإحدى الطرق الآتية:

• التسخين: يؤدي ارتفاع درجات الحرارة (إلى ما بعد الدرجة المثلى لنمو البكتيريا وتكاثرها) إلى وقف نمو البكتيريا، وقتلها.
• البسترة: تقتل الخلايا الخضرية على $70$ درجة مئوية لمدة $15$ ثانية.
• ومن الطرق الأخرى المستخدمة في التعقيم: رفع درجة الحرارة إلى درجة الغليان، واستعمال الأفران، وأجهزة الضغط الحرارية ⁦Autoclave⁩.
• الترشيح: تنقية السوائل بمرشحات قطرها أقل من حجم البكتيريا، فتنفصل عن السوائل.
• الأشعة فوق البنفسجية: للتعقيم وقتل الجراثيم في غرف العمليات الجراحية ومختبرات الأبحاث.
• المواد الكيميائية: مثل الكحول واليود الذي يُستخدم لتطهير الجروح، والكلور في معالجة المياه لقتل البكتيريا.
• التجميد والتبريد: تستعمل لحفظ المواد الغذائية، فالبراد الذي يعمل على درجة $4$ مئوية يثبط نمو معظم أنواع البكتيريا.

المضادات الحيوية: فائدتها ومحاذيرها

• اكتشف المضادات الحيوية العالم الإنجليزي فلمنج عام $1928$م أثناء تجاربه على البكتيريا العنقودية.
• عام $1940$م فصل العالمان فلوري وتشين (⁦Flory⁩ & ⁦Chain⁩) البنسلين في صورة بلورات بيضاء نقية.

• تؤثر المضادات الحيوية على البكتيريا بطرق مختلفة:
• الستربتوميسين ⁦(Streptomycin)⁩: يوقف بناء البروتين في الرايبوسومات.
• البنسلين ⁦(Penicillin)⁩: يوقف بناء الجدار الخلوي أثناء الانقسام؛ فتخرج مكونات الخلية وتموت.
• الريفامبين ⁦(Rifampin)⁩: يوقف بناء الحمض النووي ⁦RNA⁩.
• محاذير: آثار جانبية مثل الحساسية التي يسببها البنسلين، أو قتل البكتيريا النافعة، وقد تؤثر على أعضاء مثل الكلى.
• من المخاطر الكبيرة للاستعمال الخاطئ نشوء سلالات مقاومة للمضادات الحيوية يصعب علاجها.

قضية للبحث: تتجه العلاجات الحديثة لاستخدام الخلاصات العشبية في العلاج بديلاً عن المضادات الحيوية، أكتب تقريراً عن بعض النباتات الطبية الموجودة في فلسطين، التي تستخدم في علاج الأمراض البكتيرية.

فوائد البكتيريا في البيئة والزراعة والصناعة

• رغم الأضرار الكثيرة التي تسببها بعض الأنواع (أمراض للإنسان والحيوان والنبات، وفساد للأغذية) يمكن الاستفادة منها في مجالات متعددة.

• في البيئة:
• تسهم مع الفطريات في تحليل الأجسام الميتة، فتزود التربة بعناصر غذائية تزيد من خصوبتها.
• تخلص البيئة من مخلفات المصانع بما فيها من عناصر ثقيلة مثل الرصاص والزئبق، وتعالج المياه العادمة، وتعالج النفايات لإنتاج غاز الميثان المستعمل في إنتاج الطاقة.
• تُستخدم في التخلص من البقع النفطية المتسربة إلى الماء.

• في الزراعة: تنتج بعض الأنواع بلورات سامة مرافقة للأبواغ تستخدم للقضاء على كثير من الحشرات.
• بعضها يثبت النيتروجين الجوي في جذور النباتات البقولية.

• في التكنولوجيا الحيوية والصناعة: للبكتيريا خصائص مميزة مثل تراكيبها الوراثية البسيطة، واحتوائها على البلازميد، وسهولة تنميتها، وسرعة تكاثرها.
• تستخدم بعض أنواعها في الحصول على المضادات الحيوية.
• تستعمل في تخمير المواد العضوية منتجة الكحول الطبي، وأنزيمات هاضمة تستخدم في مواد التنظيف.
• إنتاج اللقاحات والأمصال الطبية والهرمونات بكميات تجارية.
• تخمر سكر اللاكتوز في الحليب لصنع اللبن الرائب والزبدة.
• بكتيريا القولون تعيش معيشة تقايضية في قولون الإنسان، تساعد في هضم الطعام وإنتاج فيتامين ⁦K⁩ و فيتامين ⁦B12⁩.

سؤال: ما السبب في تحلل البترول في مستودعاته الضخمة في المطارات؟

أسئلة الفصل: راجع ما درسته

السؤال الأول: أضع دائرة حول رمز الإجابة الصحيحة: 1. أي الآتية تتميز باحتواء جدارها الخلوي على الببتيدوغلايكان؟

• أ. المنتجة للميثان
• ب. المحبة للملوحة العالية
• ج. المتقلبات
• د. المحبة للحموضة والحرارة

2. ما أكبر شُعب البكتيريا؟

• أ. المتقلبات
• ب. الخضراء المزرقة
• ج. النباتية
• د. المنتجة للميثان

3. ضمن أي مجموعة تصنف بكتيريا النيتروزموناس؟

• أ. ذاتية التغذية الضوئية
• ب. ذاتية التغذية الكيميائية
• ج. متطفلة
• د. مترمّمة

4. أي من الآتية تُستخدم لقتل البكتيريا؟

• أ. أشعة الضوء المرئي
• ب. التسخين
• ج. الزراعة في وسط غذائي
• د. البراد (الثلاجة)

السؤال الثاني: ما الأسس المعتمدة في تصنيف البكتيريا؟

السؤال الثالث: أقارن بين البكتيريا والبكتيريا القديمة من حيث تركيب الجدار الخلوي وظروف المعيشة.

السؤال الرابع: أعطي مثالاً لكل نوع من أنواع البكتيريا الآتية:

• أ. كروية ثنائية التجمع
• ب. كروية سبحية
• ج. عصوية واوية
• د. لولبية

السؤال الخامس: ما أهمية كل مما يأتي في البكتيريا؟ الميسوسومات، الشعيرات الجنسية، الأسواط.

السؤال السادس: أذكر التراكيب التي تُمكن البكتيريا من الالتصاق بأنسجة العائل ومقاومة الظروف البيئية الصعبة.

السؤال السابع: أعلل ما يأتي: 1. تستطيع البكتيريا القديمة العيش في بيئات صعبة.

2. تقوم البكتيريا الخضراء المزرقة بعملية البناء الضوئي رغم عدم احتوائها على بلاستيدات.

3. استخدام البكتيريا في مجال التقانة الحيوية.

4. بالرغم من قدرة المضادات الحيوية على مقاومة البكتيريا الممرضة إلا أنه يجب تناولها من خلال استشارة طبية فقط.

السؤال الثامن: تتفاوت البكتيريا في حاجتها للأكسجين وتتنفس بطرق مختلفة، أذكر هذه الطرق مع إعطاء أمثلة.

السؤال التاسع: الرسم الآتي يشير إلى الخلية البكتيرية. 1. أسمي الأجزاء (1، 3، 4، 5، 6)

السؤال التاسع: 2. صنفت البكتيريا حسب الاختلاف في تركيب الجزء رقم (2) إلى نوعين. أذكرهما، مبيناً الفرق بينهما.

السؤال العاشر: كيف تتمكن البكتيريا ذاتية التغذية الكيميائية من تثبيت ثاني أكسيد الكربون رغم عدم احتوائها على صبغة الكلوروفيل؟

السؤال الحادي عشر: ما الأسباب التي أدت إلى عدم قدرة البكتيريا على التكاثر الجنسي؟