كيف تتكيّف البكتيريا مع البيئات القاسية؟

ما هو التطور؟

ثمةكائناتحيةمجهريةتعيشفيكلركنمنكوكبناتقريبًا:إنهاالبكتيريا。وثمة حوالي مليار نوع من البكتيريا على سطح الأرض。ولكن،ماالسببوراءالتنوعالهائلللبكتيرياالتيتسكنكوكبنا؟

التطورهوالأساس،حيثتُستخدمكلمةالتطورلوصفالتغيراتفيالكائناتالحيةالتيتحدثعلىمدىأجيالعديدة。وفيعام1831،بدأعالمالطبيعةالإنجليزيتشارلزداروينرحلةمدته5سانواتعلىمتنسفينةالأبحاثالبريطانيةإتشإمإس。بيغل。وقدلاحظداروينأثناءالرحلةأنماطًامثيرةللاهتمامفيتوزيعالعديدمنالكائناتالحيةوخصائصها。وأشارإلىأنهذهالخصائصكانتعبارةعنتغييراتساعدتالكائناتالحيةعلىالتكيّفمعالبيئاتالتيعاشتفيها(شكل1)．وقدساعدتهذهالرحلةداروينفيالتوصلإلىنظريةالتطورالتيأوضحفيهاكيفتتغيرالكائناتالحيةكلجيل،وتتكيفمعظروفبيئتهالكييتسنىلهاالبقاء[1］．

كيف يحدث التطور؟

كانأحدالأسئلةالمهمةالتينشأتمننظريةداروينهوكيفحدثتالتغيراتالتيلاحظها。ونحن الآن نعرف أن هذه التغيرات ناتجة أساسًا منالطفرات．فالطفرات هي تغيرات في جينات الكائن الحي。والجيناتهي تعليمات تمتلكها جميع الكائنات الحية。ويتألف كل جين من مزيج فريد من أربعة جزيئات تُسمىالنوكليوتيدات: الأدينين والسياتوزين والغوانين والثايمين。ويحددترتيبهذهالنوكليوتيدات——التيتُسمىبالتسلسلالجيني——وظيفةكلجين。ويُسمى مجموع كل الجينات في الكائن الحي。بالجينوم．ويحتويالجينومعلىترميزالمعلوماتلجميعخصائصالكائنالحي،لذافإنتغييرفيواحدأوأكثرمنالنوكليوتيداتفيالجين(يُسمىالتغييرالجيني)منشأنهإحداثاضطرابفيسمةمنسماتالكائنالحي،مثللونالعينينأوالطولأوطريقةمعالجةالطعام。وهذهالمعلوماتالجينيةموروثة،بمعنىأنهاتنتقلمنجيللآخر。

ويمكنأنتحدثالطفراتفيالجيناتتلقائيًاأواستجابةلعواملالإجهادفيالبيئة،ولكنجميعالطفراتعشوائيةبغضالنظرعنالسبب[2]،ويعنيهذاأنالتغيراتالجينيةيمكنأنتحدثفيأيموضعفيجينومالكائنالحي。وربمايكونتراكمالطفراتعبرالأجيالمفيدًاأوضارًاأوليسلهتأثيرعلىالبقاء。وقدلخّصداروينجميعهذهالحقائقفيمفهومبسيطهوالانتقاءالطبيعي[1]،فالانتقاءالطبيعيهوعمليةالتراكمالبطيءللطفراتالمفيدةعبرالأجيال،ممايتسببفيتكيّفالكائناتبصورةأفضلمعبيئاتها。وستواجهالكائناتالأقلتكيفًاصعوبةأكبرفيالبقاءمنتلكالتيستواجههاالكائناتالتيساعدتهاطفراتهاعلىالتكيّف。فعندماتتسببالطفراتفيإحداثتغيراتكبيرةفيالكائنالحي،فقدتؤديإلىتطورأنواعجديدة[1］．

أهمية البكتيريا في دراسة التطور

تتمثلالطريقةالكلاسيكيةفيإثباتأنالأنواعتتغيربمرورالوقتفيالسجلالأحفوري。فتوضحالحفرياتكيفتكونتالحياةالبدائية،وإذاحالفناالحظووجدنامايكفيمنالحفريات،فمنالممكنأننرصدكيفتطورالكائنالحيبمرورالوقت。ولكن،إذاكانالسجلالأحفوريغيرمكتمل،فمنالمستحيلرؤيةجميعهذهالتغيراتأومعرفةكيفيةتطورالكائنالحي。ولحلهذهالمشكلة،سيكونمنالأسهلدراسةالتطورمباشرةً،منخلالفحصجميعالتغيراتالجينيةالتيتحدثفيكلجيل。ويستلزمهذاالفحصأنيجدالباحثونأولًاكائنًاحيًامثاليًالدراسته。وتُعدالبكتيرياخيارًاواضحًا،لأنمنالسهلزراعتهافيالمختبر،كماأنهاتتكاثربسرعة،فالإشريكيةالقولونيةأحدأنواعالبكتيرياالخاضعةلدراسةواسعةالنطاقوالتيتسكنالجهازالهضميللإنسانوالحيواناتالأخرىذواتالدمالحار(شكل2)．ولأغراضالمقارنةفقط،إذاأردناإجراءتجربةتطوريةمعالبشر،فسنحتاجإلىالانتظار26عامًافيالمتوسطلنحظىبجيلجديد،فيحينتنتجالإشريكيةالقولونيةجيلًاجديدًافي20دقيقة،أيأقلمنالوقتالذيتستغرقهلطهوالبيتزا!ناهيك عن أنالإشريكيةالقولونيةتحتويعلىجينومصغير،مايجعلهاالخيارالأسهلوالأرخصلدراسةالتغيراتالفعليةفيالنوكليوتيداتالتيتحدثفيكلجيل(شكل2)．وسنصففيالأقسامالتاليةبعضالتجاربالتيأجراهاالعلماءباستخدامالإشريكيةالقولونيةلدراسة عملية التطور في المختبر。

كيف تطورت البكتيريا في مواجهة البرد القارس؟

درست مجموعة من العلماءالإشريكيةالقولونيةفيالمختبرعلىأملأنتفهمالمجموعةكيفيةتكيّفالبكتيريامعالبردالقارس。ولكييتسنىلهمالقيامبهذا،ابتكرواتجربةتعرضتفيهاالإشريكيةالقولونيةلبرودة قارسة لفترات طويلة。وتكونتالتجربةمن150دورةمنالتجميدعندحرارةتبلغ-80درجةمئويةتحتالصفرلمدة22.5ساعة،ثمالذوبانفيدرجةحرارةالغرفةلمدةساعةونصف。والنتيجة؟زادتقدرةالإشريكيةالقولونيةعلى البقاء، لأنها تطورت。

الإشريكيةالقولونيةهي كائن حي له فائدة في تجارب التطور。وثمةالعديدمنالكائناتالحيةيستخدمهاالعلماءعادةًلإجراءجميعالأنواعمنالتجارب。ومنبينالكائناتالأكثرشيوعًانباترشادأذنالفأرومنالقوارضفأرالمنازلودودة الربداء الرشيقة。بيدأنإجراءتجاربعلىالتطوريستلزمأنيجدالعلماءكائنًاحيًايتكاثرفيوقتقصيرولديهجينومصغير。وإذا نظرنا إلى بكتيرياالإشريكيةالقولونيةلوجدناها تتكاثر في 20 دقيقة فقط!وهيمثاليةلإجراءمثلهذهالتجاربفيالمختبراتفيجميعأنحاءالعالمنظرًالمعدلالانقسامالسريعوجينومهاالصغير。وفيهذاالشكل،يمكنكأنترىمعدلالتكاثروحجمالجينوم(بالأزواجالقاعدية)لدىالبشروالكائناتالحيةالأخرىالتييشيعاستخدامهافيالتجاربالعلمية。

عندمادرسالعلماءجينومهذهالبكتيرياالمتطورة،وجدواطفراتتعطلالجينالذيلهدورفيإنتاجالكارديوليبين،وهوجزيءيجعلالغطاءالخارجيللخليةالبكتيريةمتينًاوصلبًا。وقدأثبتمزيدمنالدراساتأنإيقافإنتاجالكارديوليبينساعدعلىالحفاظعلىالحالةالسائلةوالمرنةللغطاءبعدالتجميد،مماأدىإلىتعزيزقدرتهاعلىالبقاء[3.］．

دراسة التطور الأكثر طموحًا

أجرىعالميدعىريتشاردلينسكيدراسةالتطورالأكثرطموحًا。فقد احتفظ لينسكيبالإشريكيةالقولونيةفيزجاجةخاصةبهاسائل——يُسمىالوسط——يحتويعلىعددمحدودمنالمغذيات(شكل3)．وقدنمتالبكتيريابسرعةفيوسطالاستزراعالمذكورولكنهااستنفدتالمغذياتبالسرعةنفسها。ثمدخلتالبكتيريافيحالةمن«الجوعا”ستمرت24ساعة،ونُقلبعدهابعضمنتلكالبكتيرياالجائعةوالمجهدةإلىزجاجةأخرىبهاوسطجديديحتويعلىالمغذياتنفسها。وقد كرر لينسكي هذه العملية مرارًا وتكرارًا。وعلىمدىفترةزمنيةطويلة،أدىالإجهادالذيتعرضتلهالبكتيرياأثناءالعمليةإلىظهورطفرات،والتيأدتبدورهاإلىتطورالتجمعاتالبكتيرية。وقد بدأ لينسكي ومعاونوهتجربة التطور طويلة الأمدهذه في عام 1988 ولا تزال مستمرة [4］．والآن،بعدأكثرمن74000جيل،حدثالعديدمنالأشياءالمثيرةللاهتمام。

النتائج المذهلة لتجربة التطور طويلة الأمد

كانتإحدىأكثرالملاحظاتإثارةللاهتماممنتجربةالتطورطويلةالأمدهيالزيادةالملحوظةوالمستمرةفياللياقةخلال أول 5000 جيل (حوالي عامين)。فما معنى هذا؟تتكيفالكائناتالحيةذاتاللياقةالأعلىبصورةأفضلمعبيئتهاوتنتجنسلًاأكثرمقارنةًبمنافسيهاالأقللياقة。

وقدلاحظلينسكيأنأولعامينمنالتجربةشهداظهورتغيراتجينيةفيبعضالبكتيريا،مماسمحلتلكالبكتيريابالتكيفمعالبيئةوبأنتكونأكثرلياقة[4］．وتكيفتبعضالبكتيرياجدًامعالبيئةلدرجةأنهافقدتوظائفمعينةلمتعدضروريةفيظلالظروفالتجريبية。ويشبههذاماحدثلحيواناتمعينةبعدمئاتأوآلافالسنينمنالعيشفيظلامدامس،كماهوالحالفيالكهوف。فقدتكيفّتهذهالحيواناتبحيثفقدتعيونهافينهايةالمطاف،لأنالعيونليستمفيدةفيتلكالظروفالمظلمةجدًا。

وإحدىالنتائجالمذهلةالأخرىالتيخرجتبهاتجربةالتطورطويلةالأمدأنهفيواحدةمنالتجارب،لميكنهذاالتجمعالمُتكيفمنالإشريكيةالقولونيةهوالتجمعالوحيد،بلتعايشمعهتجمعثانويآخرلأنهطوّرالقدرةعلىالاستفادةمنالأسيتات،وهيمنتجفضاليللتجمعالمهيمن。ويشبههذاالعلاقةبينالأسودوالحيواناتالقمّامة،فتتغذىالأسودعلىالحيواناتالتياصطادتهاوتصبحالبقاياالتيتتركهاطعامًاللحيواناتالأخرى،مثلالضباعأوالنسور。

وكماذكرنافيموضعسابق،تصبحالكائناتالحيةالتيتلحقبهاتغيراتجينيةوبنيويةنوعًاجديدًا。ولكن،هليمكنأنتكونهذهالعمليةقدحدثتفيتجربةالتطورطويلةالأمد؟تمتلكالإشريكيةالقولونيةخصائصمعينةهيماتجعلهاالإشريكيةالقولونيةوليستأنواعًابكتيريةأخرى。ومنبينهذهالخصائصعدمالقدرةعلىاستخداممادةتُسمىالستراتبوصفهامصدرًاللغذاءعندوجودالأكسجين。ومن المثير للدهشة أن العلماء لاحظوا أن أحد تجمعاتالإشريكيةالقولونيةبدأفياستخدامالستراتبوصفهامصدرًاللغذاءبعد31500جيل(أكثرمن12عامًا)(4］．

تُعد القدرة على استخدام السترات نادرة للغاية!فكيف كان هذا ممكنًا؟تمتلكالإشريكيةالقولونيةجميعالجيناتاللازمةلاستهلاكالسترات،لكنهذهالجيناتتتعطلولاتعملإلافيحالةغيابالأكسجين。وعندمالاحظالعلماءجينومالكائناتالمتطورة،أدركواأنثمةطفراتمعينةفعّلتتلكالجينات،ممامكّنالإشريكيةالقولونيةمن استخدام السترات بوصفها مصدرًا للغذاء。إذن،هلمستهلكالستراتهذامنأنواعالإشريكياتالجديدة؟ماذاتعتقد؟

الخاتمة

أثبتتلناجميعدراساتالتطورأنالحياةدائمًاماتجدسبيلًاللاستمرار。ولهذاالسبب،يمكنللجينوماتالبكتيريةالتكيّفبطرقمدهشةعندماتواجهالبكتيرياشدائدبيئية،فتسمحهذهالعمليةللبكتيرياباستعمارأماكنجديدة。وقدأصبحتالإشريكيةالقولونيةالكائنالنموذجيلهذهالدراساتالتطوريةلأنهاتنموبسهولةولديهاجينومصغيرونحننعرفالكثيرعنها。وتساهمالبياناتالمُحصلةمنهذهالتجاربفيدراسةالمسائلالتطوريةالمهمةوسوفتسمحلنابفهمالتطوربلوتوجيههفيالمستقبل。هليمكنكأنتتخيلمستقبلًايمكنأنتعرففيهجميعالجيناتالتيتتحكمفيالخصائصالفيزيائيةلأيكائنحيوالأمراضالتيقدتصيبه؟ربمالسنابعيدينعنذلك،وعندمايحدثهذا،يمكنناأننساعدالكائناتالحيةفيمقاومةالأمراضوربماإيجادطرقأخرىلمساعدةالكائنات——بمافيهاالبشر——علىالتكيّفمعبيئاتها。

مسردللمصطلحات

التطور(进化)：↑يُعرففيعلمالأحياءبأنهتغييرفيأيسمةمنسماتالكائنالحي。وهذهالتغييراتمُستمدةمنالطفراتالتيتحدثعبرالأجيال。

الطفرة(突变)：↑هي تغييرات في تسلسلالنوكليوتيدات في الجينات。

الجين(基因)：↑هو مجموعة محددة من النوكليوتيدات。ويحدد ترتيب هذه النوكليوتيدات ونوعها وظائف الجين。

النوكليوتيدات(核苷酸)：↑هيأربعةجزيئاتعضويةتسمىالأدينينوالسياتوزينوالغوانينوالثايمين،تمثلوحداتتشكيلالحمضالنَّوويالرِّيبيمنقوصالأكسجين(DNA)،وهوالجزيءالأكسجينالحيويالأساسيلجميعأشكالالحياةعلىالأرض。

الجينوم(基因组)：↑هو جميع الجينات التي يمتكلها الكائن الحي。

الانتقاء الطبيعي(自然选择)：↑هوعمليةالتراكمالبطيءللطفراتالمفيدةعبرالأجيال،ممايتسببفيتنحيةالكائناتالحيةالأقلتكيفًاوانقراضهافينهايةالمطاف。

تجربة التطور طويلة الأمد (Ltee)：↑تشير إلى التجارب التي تُجرى لفترات طويلة。

اللياقة(健身)：↑هيمدىتكيّفالكائنالحيمعبيئته،الذييحددعددالنسلالذييمتلكهذلكالكائنالحي。

إقرار تضارب المصالح

يعلنالمؤلفونأنالبحثقدأُجريفيغيابأيعلاقاتتجاريةأوماليةيمكنتفسيرهاعلىأنهاتضاربمحتملفيالمصالح。

إقرار

أتوجه بالشكر إلى دانيال إي。بوستوسديازودياناإيغارسياهيرنانديزعلىمساعدتهمافيالمراجعةالدقيقةوتدقيقاللغويللنسخةالإنجليزيةمنالمقال。وأتوجهبالشكركذلكإلىإريكافيريدياناكروزبونيلاعلىمساعدتهافيإنجازالأشكالالواردةفيهذاالمقال。

---

المراجع

[1]↑达尔文，1859年。论自然选择的物种起源，或在生存斗争中保留优势种族．伦敦:John Murray。

[２]↑福斯特，2007。细菌的胁迫诱变。暴击。学生物化学启。摩尔。杂志。42:373 - 97。doi: 10.1080 / 10409230701648494

[3]↑斯利特，S. C.，奥尔里克，C.，施耐德，D.和伦斯基，R. E. 2008。遗传基础的进化适应大肠杆菌冻结，解冻和生长的压力循环。遗传学180:431-43。doi: 10.1534 / genetics.108.091330

[4]↑巴里克，J. E.，余，D. S.，尹，S. H.，郑，H.， Oh, T. K.， Schneider, D.等。2009。基因组进化与适应的长期实验大肠杆菌。自然461:1243-7。doi: 10.1038 / nature08480