إن أصل الحياة على كوكبنا لغز لم يتم حله بشكل نهائي حتى الآن، وكان مصدراً للغموض لعقود من الزمن. علماء من العديد من خطوط العرضبالتأكيد، تشير جميع النظريات إلى عمر لا يقل عن 3.5 مليون سنة لأشكال الحياة الأولى، وتشترك في فكرة أن هذه المظاهر الأولى للكائنات الحية على الأرض أظهرت شكلاً أساسياً من التطور والتفاعل.
ساهمت عدة عوامل في ازدهار ونجاح أول سكان كوكبنا، ومن أبرزها أشكال التكاثر الأكثر ملاءمة، والتي أصبحت شائعة جداً اليوم في... الكائنات الحية الدقيقة وحيدة الخلية لكنها تختلف تماماً عن تلك الموجودة لدى الفقاريات والأنواع الأكبر حجماً.
هذا الشكل الغريب من أشكال التكاثر هو الانقسام الثنائي أو الانشطار الثنائيفي هذه العملية، لا يتطلب تبادل الكروموسومات تفاعل فردين من جنسين مختلفين؛ بل تمتلك الخلية الواحدة القدرة على استنساخ نفسها. فيما يلي، سنوضح جميع تفاصيل الانشطار الثنائي، وهو نمط التكاثر الذي ضمن استمرار الحياة على ما هي عليه اليوم.
ما هو الانشطار الثنائي؟
La من قسمينالانشطار الثنائي، أو ما يُسمى أيضًا بالانشطار الثنائي، هو نوع من أنواع التكاثر عديم الجنس حيث تنقسم الخلية الأم إلى خليتين بنويتين متطابقتين تقريبًا مع بعضهما البعض ومع الخلية الأم. من وجهة نظر وراثية، تتلقى كل خلية بنوية نسخة كاملة من المادة الوراثية، مما يضمن... درجة عالية من الاستقرار الجيني ضمن السكان.
هذه العملية تشبه إلى حد كبير، في هدفها، ما يحدث في الانقسام المتساوي للخلايا حقيقية النواة في الكائنات متعددة الخلايا، تنقسم الخلية الأم لإنتاج خليتين بنتين. ومع ذلك، فإن الانشطار الثنائي هو سمة مميزة للكائنات الحية مثل البكتيريا والعتائق، التي تفتقر إلى نواة محددة وعضيات محاطة بغشاء، بينما يُلاحظ الانقسام المتساوي في الخلايا حقيقية النواة للحيوانات والنباتات والفطريات والطلائعيات. وفي كلتا الحالتين، يكون الهدف واحدًا: تكاثر الخلايا التي تحمل نفس المعلومات الوراثية.
تتمثل الميزة الكبرى لهذا النوع من التكاثر في سرعة حدوثه. ففي ظل الظروف المثلى، تستطيع العديد من البكتيريا مضاعفة أعدادها في فترات قصيرة جدًا، مما يؤدي إلى النمو الأسي من مستعمراتها. يسمح معدل الانقسام هذا للكائنات الدقيقة باستعمار بيئات جديدة، والاستفادة بسرعة من الموارد المتاحة، والمنافسة بفعالية كبيرة.
على الرغم من أن الانشطار الثنائي عملية لا جنسية، إلا أنه لا يعني بالضرورة توقف التطور. أثناء تضاعف الحمض النووي، تحدث الأمور التالية: الطفرات عشوائي، ومعدل الانقسام العالي يعني أنه بمرور الوقت، تظهر متغيرات جينية. بعض هذه المتغيرات ضارة وتختفي، بينما يساهم البعض الآخر. المزايا التكيفية وهم يركزون على السكان، وهو ما يفسر النجاح التطوري الهائل للبكتيريا والعتائق.
انقسام الخلايا
الفرضية الأساسية التي تحكم التكاثر عن طريق الانشطار الثنائي هي أن كل خلية قادرة على الانقسام لتكوين نسيج جديد، وبالتالي إفساح المجال لتجديد الأنسجة التي تعتبر أساسية لبقاء وازدهار الأنواع.
كلاهما في التكاثر الجنسي اللاجنسي تُعدّ عملية انقسام الخلايا أساسية وضرورية، إذ بدونها لا يمكن تكوين فرد جديد. يختلف وقت وظروف انقسام الخلايا اختلافًا كبيرًا: من حوالي عشر دقائق إلى عدة أسابيع، وذلك تبعًا لنوع الخلية والظروف المحيطة. الانشطار الثنائي هو... انقسام خلوي أكثر دقة لأن من خلية جذعية واحدة ينتج نفس النتيجة تمامًا، أو على الأقل بنسبة عالية من التكافؤ.
في الكائنات متعددة الخلايا، يسمح انقسام الخلايا عن طريق الانقسام المتساوي بـ النمو والتطور والإصلاح من الأنسجة. في المقابل، في الكائنات وحيدة الخلية مثل البكتيريا، لا يؤدي الانقسام عن طريق الانشطار الثنائي إلى تجديد الخلية فحسب، بل يشكل بشكل مباشر عملية التكاثر: حيث كان هناك فرد واحد من قبل، أصبح هناك اثنان بعد الانقسام.
يتبع هذا النوع من الانقسام، وخاصة في البكتيريا، سلسلة من المراحل المحددة جيدًا: تكرار الحمض النووينمو الخلايا انفصال الكروموسومات وأخيرا انقسام السيتوبلازم أو الانفصال الفيزيائي إلى خليتين بنتين. على الرغم من أن أسماء الخطوات تذكرنا بالانقسام المتساوي، إلا أن الآلية الجزيئية أبسط، لأن البكتيريا تمتلك كروموسومًا دائريًا واحدًا وتفتقر إلى المغزل الانقسامي.
يُعدّ معدل انقسام الخلايا عاملاً حاسماً في علم البيئة الميكروبية. ففي ما يُسمى بمرحلة النمو اللوغاريتمي أو الأسي، تُضاعف كل دورة من الانشطار الثنائي عدد الأفراد في المجموعة. وهذا يعني أنه في غضون بضعة أجيال فقط، يمكن أن ينتقل عدد الخلايا من كونه نادرًا إلى تصل إلى أرقام هائلةشريطة أن يسمح توافر العناصر الغذائية والظروف البيئية بذلك.
ما هي الكائنات الحية التي تستخدم التقسيم الثنائي؟
تُستخدم هذه الطريقة في التكاثر بشكل أساسي من قِبل الكائنات الحية المجهرية وحيدة الخلية، والتي، كما ذُكر سابقًا، سكنت كوكبنا منذ فجر الحياة. وتشمل هذه الكائنات الحية ما يلي:
بكتيريا
البكتيريا هي شكل من أشكال الحياة التي تُدار من خلال خلية واحدة تؤدي الوظائف الأساسية للحياة، مثل الولادة والنمو والتغذية والتكاثر والموت. هذه الخلايا من النوع بدائيات النوىأي أنها لا تحتوي على نواة محددة أو عضيات غشائية. حجمها متناهي الصغر، ويتراوح طول جناحيها بين 0.5 و 5 ميكرون؛ وتلعب البكتيريا دورًا بالغ الأهمية في العديد من العمليات الحيوية. تحلل المواد العضوية وكذلك في الدورات الأيضية لمركبات مثل الميثان والنيتروجين.
تشير التقديرات إلى أن البكتيريا تمثل نسبة كبيرة جداً من الكتلة الحيوية الأرضيةتأتي البكتيريا في المرتبة الثانية بعد النباتات. فهي موجودة على جميع الأسطح الصالحة للسكن تقريباً، كما أنها تعيش داخل الكائنات الحية الأخرى. فعلى سبيل المثال، تحتوي أمعاء الإنسان على عدد هائل من البكتيريا التي تساعد في تحليل المواد النباتية. الوقاية من العدوى من خلال التنافس مع مسببات الأمراض والمساهمة في تطوير الجهاز المناعي.
تتكاثر معظم البكتيريا عن طريق الانشطار الثنائي. في ظل الظروف المثلى، تتكاثر بعض الأنواع، مثل سلالات معينة من كولاييمكنهم الانقسام كل بضع دقائق تقريبًا، مما يسلط الضوء على إمكانات الانقسام الثنائي في توليد النمو السكاني المتفجرتُعد هذه الاستراتيجية المتمثلة في إعطاء الأولوية للكمية على حساب الجودة أحد مفاتيح نجاحها البيئي.
العتيقة
العتائق هي كائنات دقيقة كان يُعتقد حتى وقت قريب أنها نوع من البكتيريا نظرًا لتشابه وظائفها وبنيتها؛ ومع ذلك، فقد تبين بمرور الوقت أنها تنتمي إلى مجال مختلف تمامًا لأن مبدأ تطورها وشكلها البيولوجي مختلفان.
على الرغم من أنها تشترك مع البكتيريا في غياب النواة والعضيات المحاطة بغشاء، إلا أن العتائق تمتلك خصائصها الفريدة في تركيب غشاء البلازما الخاص بهفي بعض مكونات جدار خلاياها وفي تنظيم مادتها الوراثية. يعيش العديد منها في بيئات قاسية، مثل الفتحات الحرارية المائية، والبحيرات شديدة الملوحة، أو البيئات ذات الرقم الهيدروجيني الحمضي أو القاعدي للغاية، وفي هذه البيئات المعادية تحديدًا يكون التكاثر الفعال عن طريق الانشطار الثنائي أمرًا بالغ الأهمية.
يتبع الانشطار الثنائي في العتائق نمطًا عامًا مشابهًا لنمط البكتيريا: تضاعف الحمض النووي، ونمو الخلية، وانفصال المادة الوراثية، يليه تكوين حاجز يفصل الخليتين البنتين. ومع ذلك، فقد تم اكتشاف بعض الاختلافات. اختلافات خاصة في بعض أنواع العتائق، تكون البروتينات المشاركة في الانقسام أكثر تشابهاً مع تلك الموجودة في حقيقيات النوى، مما يشير إلى وجود صلة تطورية مثيرة للاهتمام.
خمائر الانشطار
هي فطريات عصوية الشكل ذات تراكيب حقيقيات النوى في خليتها. وهي فطر الخميرة الوحيد الذي يتكاثر بالانشطار الثنائي. على عكس أنواع الخميرة الأخرى التي تتكاثر بالتبرعم، تنمو خميرة الانشطار إلى حجم معين ثم تنقسم إلى خليتين متساويتين في الطول من خلال عملية الانقسام الخلوي المركزي.
تُعد هذه الكائنات الحية مفيدة للغاية لأن نماذج الدراسة في علم الأحياء الخلوي والجزيئي، تكتسب هذه الخلايا أهمية بالغة لأنها تشترك في العديد من الخصائص مع الخلايا حقيقية النواة الأكثر تعقيدًا، ولكنها تحافظ على دورة انقسام بسيطة نسبيًا وسهلة الملاحظة. ويتيح تكاثرها عن طريق الانشطار الثنائي إجراء تحليل مفصل لآليات التحكم في دورة الخلية، وتنظيم حجم الخلية، وإصلاح الحمض النووي.
البروتوزون
الأوليات هي كائنات وحيدة الخلية تزدهر في الماء أو البيئة الرطبةيمكن أن تكون هذه الكائنات مفترسة تتغذى على البكتيريا والكائنات الدقيقة الأخرى، أو ذاتية التغذية قادرة على إنتاج غذائها بنفسها. ومن الجدير بالذكر أنها لا تتكاثر لا جنسيًا فحسب، بل أحيانًا يتشاركون المادة الوراثية في نوع من أنواع التكاثر الجنسي أو التبادل الجيني.
في العديد من الأوليات، يترافق الانشطار الثنائي مع اختلافات في مستوى الانقسام (طولي، عرضي، أو مائل)، ويمكن أن يتناوب مع آليات أخرى مثل الاقتران، الذي، على الرغم من أنه لا يُنتج ذرية بمفرده، إلا أنه يسمح بـ إعادة تركيب الجينات بين الأفراد ويزيد من التنوع الجيني.
خطوات الانشطار الثنائي في البكتيريا
في البكتيريا، وهي الكائنات الحية الأكثر دراسة فيما يتعلق بالانشطار الثنائي، يمكن تقسيم الانقسام الثنائي إلى عدة مراحل. المراحل الرئيسيةعلى الرغم من أنها قد تبدو للوهلة الأولى عملية بسيطة للغاية، إلا أنها في الواقع تنطوي على تنسيق دقيق للبروتينات والهياكل الخلوية.
1. تضاعف الحمض النووي
لكي تنقسم البكتيريا إلى خليتين بنتين متطابقتين، يجب عليها أولاً كرر حمضك النوويتحتوي معظم البكتيريا التي تمت دراستها على كروموسوم دائري واحد يقع في منطقة تسمى النواة. يعمل هذا الكروموسوم كـ نسخة مستنسخةأي وحدة من الحمض النووي تحتوي على كل ما يلزم لبدء عملية التضاعف وإكمالها.
تبدأ عملية التضاعف عادةً في أصل محدد من الكروموسوم، حيث ينفتح الحلزون المزدوج ويشكل ما يُعرف بشوكة التضاعف. وتعمل إنزيمات مثل هذه حول هذا التركيب. بوليميرات الحمض النوويوالتي تقوم بتخليق خيوط مكملة جديدة. هذه العملية شبه محافظة: يحتوي كل جزيء DNA نهائي على خيط قديم وخيط جديد، مما يساعد على الحفاظ على الثبات الجيني.
2. نمو الخلايا وانفصال الكروموسومات
أثناء عملية تضاعف الحمض النووي، تستمر الخلية البكتيرية في النمو، منتجةً المزيد من السيتوبلازم والبروتينات ومكونات غشاء الخلية وجدارها. ومع تضاعف الحمض النووي، تُصنع نسخ من الكروموسوم. ينتقلون إلى مناطق متقابلة في الخلية، وهي عملية تسمى فصل الكروموسومات.
على عكس ما يحدث في الانقسام المتساوي للخلايا حقيقية النواة، لا يتشكل مغزل الانقسام المرئي في البكتيريا. بدلاً من ذلك، تكون بروتينات محددة مسؤولة عن التنظيم والتعبئة الكروموسومات المتضاعفة حديثًا، مما يضمن حصول كل طرف من أطراف الخلية النامية على نسخة كاملة من المادة الوراثية.
3. تكوين الحاجز وانقسام الخلايا
بمجرد أن تستقر نسخ الحمض النووي في طرفي السيتوبلازم، يبدأ غشاء الخلية وجدارها بالانغماد نحو مركز الخلية. تتراكم بروتينات مختلفة في الخط الوسطي، مما يؤدي إلى ظهور بنية تُعرف باسم حلقة منقسمة، والتي تنسق عملية تركيب مكونات الجدار والغشاء الجديدة.
مع ترسب هذه المواد، الحاجز الأنفي أو حاجز ينمو إلى الداخل من محيط الخلية. يعمل هذا الحاجز بشكل مشابه للصفيحة الخلوية في الخلايا النباتية أثناء انقسام السيتوبلازم، وبمجرد اكتماله، يفصل فعليًا الخليتين البنتين، ولكل منهما غشاء بلازمي وجدار خلوي خاص بها.
عند انتهاء انقسام الخلايا، تصبح كلتا البكتيريتين الناتجتين هيئات مستقلة، جاهزة لبدء دورة النمو والانقسام مرة أخرى كلما كانت الظروف البيئية مواتية.
أنواع التقسيم الثنائي
على الرغم من أن المبدأ العام للانشطار الثنائي يبقى واحداً (انقسام خلية واحدة إلى خليتين)، إلا أنه يمكن تصنيف العملية وفقاً لـ خطة التقسيم وتناظر القطع. يؤثر هذا التباين على الشكل النهائي للخلايا الوليدة والتجمعات التي تشكلها.
منحرف - مائل
يحدث هذا تحديدًا عندما يبدأ انقسام الخلية طوليًا ثم ينتقل إلى مرحلة بين الانقسام الطولي والعرضي. يمكن أن يحدث هذا النمط في الأوبالينيدات، وهي كائنات دقيقة تستفيد هذه الكائنات من العيش في أمعاء بعض البرمائيات والرخويات.تتميز الأوبالينيدات بخلايا متخصصة للغاية تحتوي على أنوية متعددة. ولها صفوف مائلة من الأهداب، مما يُسهّل هذا النوع من الانشطار الثنائي ويؤدي إلى أنماط مميزة من التنظيم الخلوي.
مستعرض
يحدث هذا في بعض الأوليات الهدبية ذات الشكل البيضاوي والحجم المجهري، والقادرة على التغذي على البكتيريا والطحالب. في بعض الحالات، تمتلك هذه الأوليات حجم لا يصل إلى ميكرون واحدويحدث التكاثر اللاجنسي عندما ينقسم السيتوبلازم بشكل عمودي إلى المحور الرئيسي للخلية (محور المغزل). والنتيجة هي خليتان بنويتان تقعان بجوار بعضهما البعض، مع توزيع مميز لهياكلهما الداخلية.
في البكتيريا الكروية، مثل المكورات العنقودية الذهبيةكما تم وصف مستوى تقسيم، والذي يمكن أن يكون عموديًا على مستوى التقسيم السابق (متعامدًا). ينتج عن هذا الترتيب ما يلي: تجمعات من الخلايا يشبه عنقود العنب، وهو شكل نموذجي لتنظيم هذا الجنس البكتيري.
طولي
يحدث عندما تنقسم الخلية طوليًا وليس عرضيًا. ومن الأمثلة الواضحة على هذا التقسيم الجلد ذو الهياكل تسمى السوط داخل جسمك أو على سطحها، وهي سمة مميزة للخلايا حقيقية النواة. في هذا النوع من الانشطار الثنائي، يمتد مستوى القطع على طول المحور الرئيسي للخلية، بحيث تحتفظ كل خلية ابنة بمجموعة كاملة من تراكيب الحركة.
منتظم
إنه انقسام متماثل هذا النوع من الانشطار الثنائي، الذي يضمن تكوين خليتين متساويتين في الحجم وخصائص متشابهة للغاية، متطابقتين تقريبًا، هو الأكثر شيوعًا في البكتيريا التي تنمو وتنقسم في بيئات مستقرة نسبيًا، ويضمن أن تحتوي كلتا الخليتين البنتين على كميات متوازنة من السيتوبلازم والبروتينات والمادة الوراثية.
يمكن تكرار مستوى التقسيم دائمًا بنفس الاتجاه أو تغييره في التقسيمات المتتالية، مما يؤثر على شكل المجموعات البكتيريا: سلاسل، رباعيات، عناقيد، مكعبات، إلخ. هذه التكوينات، بدورها، هي سمات مهمة للتحديد الميكروبيولوجي.
أنواع أخرى من التكاثر اللاجنسي
الانشطار الثنائي ليس الطريقة الوحيدة القابلة للتطبيق لإنشاء كائن حي جديد لا جنسيًا؛ فهناك أنواع عديدة من التكاثر من خلال الجينات. تملك الفردسنرى في الأسطر التالية بعض الأنواع الأخرى التي تتنافس مع الانشطار الثنائي والتي تحدث في مجموعة واسعة ومتنوعة من الكائنات الحية.
التوالد العذري
التوالد العذري هو عملية لا تحتاج فيها البويضة أو الخلية التناسلية الأنثوية إلى إخصاب صريح لبدء مرحلة من النمو والانقسام الخلوي التي ستؤدي إلى نشوء كائن حي آخر. ويتم تحفيز هذا التكاثر بواسطة عوامل معينة مثل الدورات الهرمونيةالفترات الموسمية و الظروف الجويةويُلاحظ ذلك في أنواع مثل الحشرات، وبعض السحالي، والبرمائيات، وبعض الطيور.
في هذه الدورة يمكن للمرء أن يلاحظ غياب تام للكروموسومات الذكرية إن التدخل في التطور الجيني يعني أن النسل يمتلك مادة وراثية مشابهة جدًا لتلك الموجودة لدى الأم. ومع ذلك، في بعض الحالات، قد تحدث تراكيب مختلفة من كروموسومات الأم، مما يساهم في بعض التباين.
تعدد الأجنة
يحدث هذا بشكل خاص عندما يتم تكوين أكثر من جنين واحد في الزيجوت أو الخلية الناتجة عن التكاثر الجنسي لأن الجنين الأصلي ينقسم. تجزأ إلى العديديضمن هذا نجاح النوع بأقل تدخل من الذكور. يُعتبر هذا النوع من التكاثر تكاثرًا جنسيًا غير مباشر، ويُلاحظ في الحشرات والثدييات، بما في ذلك البشر في حالات التوائم المتطابقة.
تجمع ظاهرة تعدد الأجنة بين مرحلة الإخصاب الجنسي وآلية الانقسام اللاحقة التي تولد عدة أفراد متطابقين وراثيًا. متطابقة مع بعضها البعضوهو أمر قابل للمقارنة، بمعنى ما، بالاستنساخ الطبيعي.
التجرثم
تستخدم عملية التبوغ عناصر تسمى جراثيمصُممت هذه الكائنات لتنتشر وتتكاثر في البيئة. وسيعتمد ذلك على العوامل المناخية و الرطوبة المناسبة أن هذه الجراثيم لديها القدرة على تكوين فرد جديد.
يُلاحظ هذا النوع من التكاثر بشكل متكرر في بعض النباتات والفطريات والطحالب والبكتيريا، لكن العملية مثيرة للاهتمام بشكل خاص في النباتات لأنها تستطيع بسهولة التبديل بين تلقيح (آلية جنسية) والتكاثر بالأبواغ (لا جنسي). في البكتيريا، بالإضافة إلى كونها وسيلة للانتشار، تعمل العديد من الأبواغ كهياكل لـ مقاومة في مواجهة الظروف البيئية المعاكسة.
تجزئة
التجزؤ هو شكل من أشكال التكاثر حيث تنقسم الكائنات متعددة الخلايا إلى عدة أجزاء، لتشكل كائناً حياً جديداً. كل جزء من الأجزاء الناتجة لديه القدرة على إكمال دورة تجديد. التطوير الكامل يؤدي ذلك إلى التحول إلى كائن حي محدد. وتُعد ديدان الأرض ونجم البحر والديدان المسطحة أمثلة واضحة على هذه الطريقة التكاثرية.
يرتبط هذا النوع من التكاثر أيضًا بـ تجديدبما أن الأجزاء المنفصلة من الكائن الحي يجب أن تعيد بناء التراكيب المفقودة، ففي بعض الحالات يكون التفتت عملية يحفزها الكائن الحي نفسه كاستراتيجية للبقاء أو التكاثر، بينما في حالات أخرى قد يحدث بعد إصابة عرضية.
يُظهر تنوع آليات التكاثر اللاجنسي، بما في ذلك الانشطار الثنائي، أن الحياة قد وجدت طرقًا متعددة لـ تكاثر وتكيف إلى البيئات المتغيرة. من انقسام خلية واحدة إلى خليتين إلى دورات أبواغ معقدة أو أجنة متعددة، تشترك كل هذه العمليات في نفس الهدف: ضمان استمرارية الأنواع باستخدام الموارد الجينية المتاحة لكل كائن حي.
إن فهم الانشطار الثنائي وأنماط التكاثر اللاجنسي الأخرى يتيح تقديرًا أفضل لدور البكتيريا والعتائق والفطريات والأوليات والنباتات والحيوانات في النظم البيئية، بالإضافة إلى فهم ظواهر ذات صلة مثل العدوى البكتيرية المقاومة للمضادات الحيوية، توازن الدورات البيوجيوكيميائية أو القدرة التجديدية لبعض الكائنات الحية.