خاستگاه و تکامل حیات میکروبی

چکیده: پروکاریوت‌ها (Prokaryote) قدیمی‌ترین شکل حیات بوده و امروزه، بیش‌ترین و گسترده‌ترین جانداران روی زمین هستند. آن‌ها سلول‌های بدون هسته و اندامک‌های غشادار را شامل شده و بر اساس توال‌های نوکلئوتیدی (Nucleotide) و سایر خصوصیت‌های سلولی و مولکولی، در دو قلمروی باکتری‌ها و آرکی‌باکتری‌ها (Archaebacteria) طبقه‌بندی می‌شوند.

اتوتروف‌ها (Autotroph)، کربن را از کربن‌ دی‌اکسید (Carbon Dioxide با فرمول شیمیایی CO2) به‌دست می‌آورند و دو نوع هستند؛ فتواتوتروف‌ها (Phototroph) از نور خورشید و شیمیواتوتروف‌ها (Chemoautotroph) از ترکیب‌های آلی به دست می‌آورند. آرکی‌باکتری‌ها به‌طور معمول در محیط‌های افراطی مثل باتلاق‌های بی‌هوازی، دریاچه‌های نمک، چشمه‌های اسیدی داغ و شکاف‌های موجود در عمق اقیانوس و دستگاه‌های گوارشی جانوران یافت می‌شوند. سیانوباکتری‌ها (Cyanobacteria) به روشی مشابه گیاهان فتوسنتز می‌کنند و اغلب در آب آلوده شکوفا می‌گردند.

برای خرید کتاب «حیات هوشمند در کائنات» کلیک کنید

پروکاریوت‌ها به روش‌های گوناگونی تغذیه می‌کنند

زیست‌شناسان زمانی که می‌خواهند جانداران را طبقه‌بندی کنند، اغلب عبارت روش تغذیه را استفاده می‌کنند تا بتوانند توضیح دهند که چگونه یک جاندار دو منبع اصلی، یعنی کربن و انرژی را به‌دست می‌آورد. پروکاریوت‌ها به عنوان یک گروه، در مقایسه با یوکاریوت‌‌ها (Eukaryotes) از گوناگونی تغذیه‌ای بسیار بیشتری برخوردار هستند.

بسیاری از پروکاریوت‌ها اتوتروف (خودغذا‌ساز) می‌باشند؛ یعنی ترکیب‌های آلی را از منابع غیرآلی می‌سازند و اتم‌های کربن (Carbon) خود را از کربن‌ دی‌اکسید به‌دست می‌آورند. آن‌ها انرژی خود را از نور خورشید یا مواد شیمیایی غیرآلی مثل سولفید هیدروژن (Hydrogen Sulfide با فرمول شیمیایی H2S)، گوگرد (Sulfur) به صورت عنصر S یا ترکیب‌های دارای آهن (Ferrum با نماد شیمیایی Fe) به‌دست می‌آورند. اتوتروف‌هایی مثل سیانوباکتری‌ها که از نور خورشید برای به‌دست آوردن انرژی و از Co2 برای کربن استفاده می‌کنند، این عمل را از طریق فتوسنتز انجام داده و به فتواتوتروف‌ها معروف هستند.

جانداران اتوتروفی که انرژی را به جای نور خورشید از مواد شیمیایی غیرآلی به‌دست می‌آورند، شیمیواتوتروف نامیده می‌شوند. بیشتر پروکاریوت‌ها هتروتروف (Heterotroph) هستند و اتم‌های کربن خود را از ترکیب‌های آلی به‌دست می‌آورند. تعدادی از هتروتروف‌ها به نام فتوهتروتروف (Photoheterotroph)، می‌توانند از نور خورشید انرژی کسب کنند. با این وجود بزرگ‌ترین گروه پروکاریوت‌ها از این نظر که انرژی و کربن را از مولکول‌های آلی به‌دست می‌آورند تغذیه‌ای مشابه جانداران دارند؛ این باکتری‌ها که شیمیوهتروتروف (Chemoheterotrophs) نامیده می‌شوند تنوع بسیاری دارند که تقریبا هر مولکول آلی می‌تواند به عنوان غذا برای تعدادی از گونه‌ها عمل کند.

بسیاری از گونه‌ها از قبیل اشریشیا‌ کلی (Escherichia Coli) که در روده‌ انسان است، روی انواعی از غذاهای آلی به خوبی رشد می‌کند. شیمیوهتروتروف‌ها، پروکاریوت‌های غالب امروزی هستند و احتمالا از زمان طلوع حیات بوده‌اند ولی احتمال‌های دیگری نیز وجود دارد.

در همین رابطه بخوانید: سیاره‌های مناسب برای حیات

نخستین سلول‌ها برای کسب کربن و انرژی احتمالا از مواد شیمیایی استفاده می‌کردند

در این مقاله می‌خواهیم راجع به منشا حیات صحبت کنیم. می‌دانیم که اولین موجودات زنده که پروکاریوت‌ها بودند از مجموعه‌های مولکولی همکار محصور در غشا مشتق شدند. نخستین پروکاریوت دارای سوخت‌وسازی (Metabolism) بسیار ساده بوده و فقط به تعداد کمی آنزیم نیاز داشته است. در محیط آن، تقریبا هیچ اکسیژنی وجود نداشته؛ پس این متابولیسم آن بی‌هوازی بوده است.

بعید است که ابتدایی‌ترین جانداران قادر بودند از نور خورشید به عنوان منبع انرژی استفاده کنند. چون انجام چنین عملی به یک سری آنزیم‌های پیچیده نیاز دارد. بیشترین احتمال این است که شکل‌های اولیه‌ حیات به آسانی کربن و انرژی خود را از یک سوپ غنی از مولکول‌ها و یون‌هایی که در آن تکامل پیدا کرده‌اند به‌دست آورند.

دو فرضیه درباره‌ ابتدایی‌ترین انواع متابولیسم انرژی را مطرح می‌کنیم؛ هر دو فرضیه روی این حقیقت تمرکز دارند که همه‌ شکل‌های جدید جانداران از آدنوزین تری‌فسفات (ATP سرواژه Adenosine Triphosphate) به عنوان انرژی اصلی رایج استفاده می‌کنند. فرضیه A مطرح می‌کند که یک منبع قابل توجه از ATP در سوپ اولیه‌ مولکول‌های آلی وجود داشته است. در این سناریو ابتدایی‌ترین شکل حیات یک شیمیوهتروتروف بوده که از طریق جذب مولکول‌های آلی از جمله ATP از محیط خود همه‌ نیاز کربن و انرژی خود را برطرف کرده است.

این شکل از حیات برای تبدیل مولکول‌های آلی جذب‌شده به سایر ترکیب‌ها و برای تجزیه‌ ATP و استفاده از انرژی آزادشده، آنزیم‌هایی داشته است. بعدها با یافتن آنزیم‌هایی که با استفاده از انرژی آزادشده از تجزیه‌ سایر مواد آلی، می‌توانست با استفاده از  ادنوزین دی‌فسفات (ADP سرواژه Adenosine Diphosphate)، ATP را بازسازی کند.

فرضیه‌ B که احتمال بیشتری دارد فرض می‌کند که محیط اولیه، مولکول‌های آلی کمتری داشته و ابتدایی‌ترین شکل حیات یک شیمیواتوتروفی بوده است که ATP را خود می‌ساخت. سلول ابتدایی امکان دارد انرژی خود را از واکنش‌های شیمیایی مشتمل بر گوگرد و ترکیبات آهن دار غیرآلی که فراوان بودند، به‌دست آورده باشد. یک آنزیم غشایی امکان دارد از انرژی و گاز هیدروژن (H2) آزادشده حاصل از واکنش این مواد غیرآلی استفاده کرده باشد تا یون‌های مثبت هیدروژن (+H) را دقیقا در خارج سلول تولید کند. همچنین این امکان وجود دارد که ATP از طریق یک شکل ابتدایی از شیمیواسمز (Chemiosmosis) ساخته شده باشد. Co2 یا شاید مولکول‌های آلی با منشا غیرزیستی ممکن است به عنوان کربن عمل کرده باشند.

در همین رابطه بخوانید: زیست‌پذیری سیاره‌های فراخورشیدی

آرکی‌باکتری‌ها در محیط‌های افراطی به خوبی رشد می‌کنند

آرکی‌باکتری‌ها در خیلی از جاها از جمله محل‌هایی که تعداد کمی از جانداران می‌توانند زنده بمانند زیاد می‌باشند. آرکی‌باکتری‌ها ساکن محیط افراطی، دارای پروتئین‌هایی غیر معمول و سایر سازگاری‌های مولکولی هستند. آن‌ها می‌توانند به‌طور موثر متابولیسم و تولید مثل کنند و چند گروه می‌باشند.

یک گروه از آرکی‌باکتری‌ها که هالوفیل‌های (Halophile) افراطی (نمک‌دوست) نام دارند، در مکان‌های خیلی شور مانند دریاچه‌های بزرگ نمک و حوضچه‌های تبخیر آب دریا که برای تولید نمک استفاده می‌شوند، به خوبی رشد می‌کنند. گروه دیگری از آرکی‌باکتری‌ها، هیپرترموفیل یا حرارت‌دوست (Hyperthermophile) در آب خیلی داغ به خوبی رشد می‌کنند. بعضی حتی نزدیک منافذ عمق اقیانوس، جایی که دما بالای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد، یعنی بالاتر از نقطه‌ جوش آب در سطح دریاست، زندگی می‌کنند.

سایر هیپرترموفیل‌ها در اسید به خوبی رشد می‌کنند. تعداد زیادی از استخرهای اسیدی داغ در پارک ملی یلو استون (Yellowstone) چنین آرکی‌باکتری‌هایی را پرورش می‌دهند که باعث رنگ مایل به سبز روشن استخر می‌شود. نام یکی از این جانداران سولفولوبوس (Sulfolobus) است که از طریق اکسید کردن سولفور (گوگرد) یا ترکیب‌های حاوی سولفور و آهن، می‌تواند انرژی کسب کند.

متانوژن‌ها (Methanogen) گروه سوم آرکی‌باکتری‌ها هستند که در محیط‌های بی‌هوازی زندگی می‌کنند و گاز متان (Methane) را به عنوان یک ماده زائد پس می‌دهند. بسیاری در گل ته دریاچه‌ها و باتلاق‌ها در شرایط بی‌هوازی به خوبی رشد می‌کنند. احتمالا شما متان را که گاز مرداب نیز نامیده می‌شود و به صورت حباب از یک باتلاق خارج می‌شود، دیده باشید.
تعداد زیادی از متانوژن‌ها نیز ساکن لوله‌ گوارشی جانوران هستند. در انسان، گاز روده‌ای به میزان زیادی در نتیجه‌ متابولیسم آن‌ها می‌باشد. از همه مهم‌تر اینکه متانوژن‌ها به گوارش در گاوها، گوزن‌ها و سایر جانورانی که برای تغذیه به سلولز (Cellulose) وابسته هستند، کمک می‌کنند. این جانداران به‌طور طبیعی باد نمی‌‌کنند، چون این به‌طور منظم، حجم‌های زیادی از گاز تولیدشده توسط متانوژن‌ها و سایر میکروارگانیسم‌هایی (Microorganisme) آن‌ها را قادر می‌سازد تا از سلولز استفاده کنند، را آروغ می‌زنند.

در همین رابطه بخوانید: منشا و تاریخچه تکاملی حیات

تنوع خصوصیت‌های ساختاری به پروکاریوت‌ها کمک می‌کند تا تقریبا در همه جا به خوبی رشد کنند

می‌خواهیم به شرح بعضی از خصوصیت‌های ساختاری بپردازیم که در پروکاریوت‌ها، یعنی باکتری‌ها و آرکی‌باکتری‌ها مشاهده می‌شود. تعداد زیادی از آرکی باکتری‌ها، مجهز به تاژک‌هایی (Flagellum) هستند که به آن‌ها توانایی حرکت را در اطراف می‌دهد. پروکاریوت‌های دارای تاژک می‌توانند به سمت مکان‌های مطلوب‌تر بروند و یا از مکان‌هایی که کمتر مطلوب هستند دور شوند.

تاژک‌ها امکان دارد روی تمام سطوح پخش یا در یک یا دو انتهای سلول متمرکز شده باشند. در کل از نظر ساختاری با تاژک سلول‌های یوکاریوتی متفاوت هستند. تاژک پروکاریوتی، یک ساختار پروتئینی برهنه است که فاقد میکروتوبول‌ها (Microtubule) است. تاژک از طریق یک سامانه حلقه‌های چرخان که در غشای پلاسمایی و دیواره‌ سلول جای گرفته، به سطح سلولی متصل است.

پیلی (Pili) ضمایمی کوتاه‌تر از تاژک‌ها هستند و به باکتری‌ها کمک می‌کند که به یکدیگر و به سطوحی مثل صخره‌ها در نهرهای جاری یا به پوشش روده انسان متصل شوند. برای آغاز جفت‌گیری باکتری‌ها (هم‌یوغی)، پیلی خاصی به نام پیلی جنسی مورد نیاز است. تعداد پیلی جنسی کمتر و اندازه‌ آن‌ها طویل‌تر از پیلی معمولی می‌باشد.

هرچند تعداد کمی از باکتری‌ها می‌توانند در محیط‌های افراطی که برای بسیاری از آرکی‌باکتری‌ها مناسب است به خوبی رشد کنند. باکتری‌های چند سرده (Genus) با تشکیل سلول‌های خفته‌ ویژه می‌توانند برای دوره‌های طولانی در شرایط خیلی سخت زنده بمانند. باسیلوس آنتراسیس (Bacillus Anthracis)، باکتری است که باعث بروز بیماری سیاه زخم (Anthrax) در گله‌های گاو، گوسفندان و انسان می‌شود.

در حقیقت دو سلول وجود دارد، یکی درون دیگری. اندوسپور یک پوشش ضخیم محافظ دارد و سیتوپلاسم (Cytoplasm) آن آب خود را از دست داده و واکنش‌های متابولیکی را انجام نمی‌دهد. در شرایط سخت، سلول خارجی امکان دارد تجزیه شود، ولی اندوسپور در هر نوع شرایط سخت از جمله نبود آب و مواد غذایی، سرما یا گرمای بیش از حد و بیشتر مواد سمی زنده می‌ماند. وقتی که محیط بهتر می‌شود، اندوسپور آب جذب می‌کند و رشد را از سر می‌گیرد. بعضی اندوسپورها می‌توانند قرن‌ها خفته بمانند. حتی آب جوش هم نمی‌تواند اغلب این سلول‌های مقاوم را بکشد.

یک گروه از باکتری‌ها به نام اکتینومایست‌ها (Actinomyces) هستند که در خاک، یعنی در مکانی که مواد آلی را تجزیه می‌کنند، بسیار معمول هستند. رشته‌ها به جاندار این توانایی را می‌دهد که بین قسمت‌های خشک موجود در بین ذره‌های خاک پل بزنند. استرپتومایسس (Streptomyces)، یک جاندار معمولی خاک می‌باشد. استرپتومایسس‌ها، آنتی بیوتیک (Antibiotique) استرپتومایسین (Streptomycin) و تعدادی از آنتی بیوتیک‌های دیگر را ترشح می‌کنند که از رشد باکتری‌های رقیب جلوگیری می‌کنند. شرکت‌های دارویی از گونه‌های مختلف اکتینومایست‌ها برای تولید بسیاری از آنتی بیوتیک‌ها استفاده می‌کنند. زنجیره‌های سلولی منشعب غیرمعمول هستند، ولی خیلی از پروکاریوت‌های دیگر مانند باکتری‌ها و آرکی‌باکتری‌ها هر دو به صورت زنجیره‌های بدون انشعاب رشد می‌کنند.

در همین رابطه بخوانید: بررسی ۵ ادعای مهم درباره زیست فرازمینی

گاهی سیانوباکتری‌ها در محیط‌های آبی شکوفا می‌شوند

سیانوباکتری‌ها، یک گروه از باکتری‌های فتوسنتزکننده را تشکیل می‌دهند. آن‌ها در دریاچه‌ها، آبگیرها و اقیانوس‌های مناطق گرمسیری هستند. شکوفایی سیانوباکتری‌ها در یک دریاچه، معمولا وضعیت آلوده‌ آب را نشان می‌دهد. وقتی مقدار زیادی از زباله‌های آلی حاصل از شست‌و‌شوی زمین‌های کشاورزی وارد آب شده باشد، فسفات‌ها (Phosphate) و نیترات‌های (Nitrate) حاصل از زباله‌ها به عنوان کود عمل کرده و باعث تکثیر انفجاری سیانوباکتری‌ها می‌شوند.

این وضعیت دریاچه امکان دارد یادآور عصر سیانوباکتری‌ها، یعنی زمانی باشد که پروکاریوت‌ها در زمین غالب بودند. سیانوباکتری‌های قدیمی، نخستین پوشش مایل به سبز خود را به زمین داد. بعضی از ماشین‌های مولکولی که برای فتوسنتز در سیانوباکتری‌های امروزی وجود دارد، امکان دارد بسیار شبیه آن مورد باشد که برای اولین بار گاز اکسیژن را به جو زمین اضافه کرده است.

نتیجه‌گیری: بیشترین احتمال این است که نخستین سلول‌ها، شیمیواتوتروف بوده‌اند که ممکن است انرژی را از ترکیب‌های گوگرد و آهن به‌دست آورده باشند.