الاغتذاء الذاتي

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

الاغتذاء الذاتي

اغتذاء ذاتي

Autotrophy - Autotrophie

الاغْتِذاءُ الذَاتِيّ

الكائنات ذاتية الاغتذاء الذاتي

الكائنات ذاتية الاغتذاء الكيميائي chemoautotrophs

الدور الحيوي للاغتذاء الذاتي

تُوصَف جميع الكائنات الحية بأنها إما أن تكون كائنات مُنتجة producers وإما أن تحيا معتمدة على ما تقدمه الكائنات المنتجة من مركبات عضوية مختلفة تتميز بغناها بالطاقة. والصفة الرئيسة التي تميز الكائنات المنتجة هي أنها ذاتية الاغتذاء autotrophs (من الإغريقية auto ذاتي وtrophos اغتذاء)، نظراً لمقدرتها على تصنيع جزيئات عضوية مختلفة بدءاً من مواد أولية ذات منشأ غير عضوي inorganic مثل غاز ثنائي أكسيد الكربون (CO2) والماء (H2O)، باستخدام الطاقة الضوئية الشمسية وبوجود اليخضور، كما في جميع النباتات الخضراء والطحالب algae، وبعض الزمر البكترية ذاتية الاغتذاء الضوئي photoautotrophs، القادرة على امتصاص الطاقة الضوئية وتحويلها إلى طاقة كيميائية مخزَّنَة من خلال عملية التركيب الضوئي photosynthesis (الشكل 1).

الشكل (1): متعضيات التركيب الضوئي تتضمن:

أ- نباتات مثل Maranta sp.، ب- طحالب مثل kelp Macrocystis integrifolia، ج- بكتريا زرقاء مثل Nostoc sp..

وهناك بعض الزمر البكترية غير القادرة على القيام بعملية التركيب الضوئي نظراً لافتقارها إلى اليخضور، وبالتالي عدم مقدرتها على الاستفادة من الطاقة الضوئية لتصنيع مادتها العضوية، غير أنها تقوم بتصنيع ما تحتاج إليه من جزئيات عضوية بالاعتماد على الطاقة الكيميائية التي يمكنها الحصول عليها نتيجة أكسدة بعض المركبات مثل حمض كبريت الهدروجين (SH2)، كما في البكتريا الكبريتية البيضاء leucothiobacteria، أو مركبات حمض الآزوتي والنشادر كما في بكتريا النترجة مثل nitrobacteria والنترزة مثل nitrosomonas، أو من خلال أكسدة الهدروجين في حالة البكتريا الهدروجينية hydrogenobacteria، أو مركبات الحديدي وتحويلها إلى مركبات الحديد كما في البكتريا الحديدية ferrobacteria، ويطلق على هذا النمط من الاغتذاء اسم الاغتذاء الذاتي autotrophy الذي يتحقق بعملية تركيب كيميائي chemosynthesis، أي إن تلك الزمر البكترية هي ذاتية الاغتذاء الكيميائي chemoautotrophs؛ وذلك على نقيض الحيوانات والفطريات والعديد من الزمر البكترية غير القادرة على التركيب الكيميائي فإنها تصنف كائنات غير ذاتية الاغتذاء heterotrophs أو ذات اغتذاء غيري heterotrophy حيث إنها تستخدم جزيئات عضوية مصدراً للطاقة وللكربون في آن معاً.

الكائنات ذاتية الاغتذاء الذاتي

وتشمل النباتات الخضراء إجمالاً، والطحالب، والبكتريا الزرقاء cyanobacteria مثل النوستوك التي تتميز جميعها باحتواء خلاياها على أصبغة اليخضور chlorophyll (الشكل1) الذي يوجد عادة ضمن عضيات عديسية الشكل هي الصانعات الخضراء chloroplasts. وقد أظهرت دراسة الصانعات الخضراء بالمجهر الإلكتروني أنها تتكون من غشاءين خارجي وداخلي، يحاط الغشاء الداخلي بكتلة لزجة تدعى السُردة stroma التي تحتوي على جميع الإنزيمات الضرورية لاصطناع الكربوهدرات. كما توجد جملة ثالثة من الأغشية - تمتد داخل السردة - هي الصفائح التي تكون على اتصال بشكل ما مع أكياس قرصية مفلطحة وغنية باليخضور تعرف بالتيلاكوئيدات thylakoids، التي تتوضع بعضها فوق بعض كقطع نقود معدنية مشكلة ما يعرف بالحبب grana (مفردها حبيبة granum). ولابد من الإشارة إلى أن الكائنات بدائيات النواة prokaryots لا تحوي في خلاياها صانعات خضراء، غير أنها تحوي تيلاكوئيدات متوضعة في الجانب المحيطي للخلايا كمتضمنات بلازمية غنية بالأصبغة اليخضورية.

تستخدم الخلايا - في أثناء عملية التركيب الضوئي- الطاقة الضوئية الممتصة من قبل اليخضور لتحقيق اصطناع الكربوهدرات (السكاكر). وعموماً يمكن القول إن الاغتذاء الذاتي في النباتات التي تعتمد التركيب الضوئي هو الأساس لجميع المركبات العضوية المعروفة في عالم الأحياء.

الكائنات ذاتية الاغتذاء الكيميائي chemoautotrophs

وهي كائنات خالية من اليخضور، وبالتالي فإنها غير قادرة على الاستفادة من طاقة الضوء، غير أنها تتمكن من استخدام الطاقة الناتجة من أكسدة بعض المركبات الكيميائية التي لم تصل في أكسدتها درجة الاستقرار، لتثبيت CO2 وإرجاعه واصطناع الجزيئات العضوية الضرورية لحياتها. فقد بيّن فينوغرادسكي Winogradsky (0981م) أن أكسدة النشادر تحرر طاقة تقوم باستخدامها بكتريا النترجة لإرجاع CO2، وتحقيق عملية تركيب عضوي بدءاً من هذه الطاقة المتحررة وفق المعادلتين الآتيتين:

$الوصف: D:\d\المجلد الثاني للتقانة اخراج\بوك 2 تقانة\508\Image814310.jpg$

أما البكتريا الكبريتية البيضاء فتؤكسد SH2 محررة طاقة وفق المعادلة:

$الوصف: D:\d\المجلد الثاني للتقانة اخراج\بوك 2 تقانة\508\Image818000.jpg$

كما تقوم البكتريا الهدروجينية بأكسدة الهدروجين الناتج من أوساط التخمر للحصول على الطاقة الضرورية لعملية تثبيت CO2 واصطناع مركبات عضوية.

$الوصف: D:\d\المجلد الثاني للتقانة اخراج\بوك 2 تقانة\508\Image822657.jpg$

أما البكتريا التي تؤكسد مركبات عضوية كالميتان (CH4)، فإنها تصنف مع الكائنات غيرية التغذية، وإن كانت تتميز عنها بأنها ذاتية الاغتذاء تجاه الآزوت، نظراً لمقدرتها على تصنيع حموضها الأمينية وبروتيناتها وإنزيماتها بدءاً من مركبات آزوتية غير عضوية، في حين تحتاج بقية الكائنات غير ذاتية الاغتذاء كالحيوانات مثلاً إلى الآزوت بشكله العضوي (حموض أمينية وبروتينات…)، وذلك من الكائنات المنتجة على نحو مباشر (العاشبات) herbivorous، أو غير مباشر (لواحم carnivora).

الدور الحيوي للاغتذاء الذاتي

يؤكد العلماء أن الخلايا الحية الأولى كانت غالباً غير ذاتية الاغتذاء، ويبدو وفق المعطيات المستحاثية أن تلك الخلايا كانت تحصل على الجزيئات العضوية - التي تشكلت تلقائياً spontaneously formed مثل السكاكر والنوكليوتيدات وحموض أمينية وغيرها - عن طريق تخمير المركبات المأخوذة من الوسط المحيط في تلك الظروف (لأنها كانت عاجزة عن تصنيعها)، وذلك بعمليات تخمر لاهوائي anaerobic fermentation (نظراً لغياب الأكسجين)، وبالتالي فإن الخلايا الأولى التي ظهرت على سطح الأرض إنما كانت لاهوائية anaerobes.

مع تناقص كميات الجزيئات العضوية المتشكلة تلقائياً إلى حد كبير تمكنت بعض وحيدات الخلية من الاستمرار في حياتها نظراً لحدوث طفرات بين أفرادها بحيث سمحت لبعض الخلايا بالحصول على الطاقة مباشرة من ضوء الشمس، من أجل تصنيع الأدينوزين ثلاثي الفسفات (ATP).

ولا يقتصر التركيب الضوئي على استخدام الطاقة الضوئية، وإنما تعد عملية التركيب مصدراً للهدروجين الذي لابد منه لإرجاع CO2؛ لإعطاء الكربوهدرات كما هو موضح أعلاه. وهناك اعتقاد أن الكائن الأول ذاتي الاغتذاء بالتركيب الضوئي قد استخدم الطاقة الضوئية لتحطيم حمض كبريت الهدروجين H2S بغية الحصول على الهدروجين مع طرح الكبريت (وليس الأكسجين) في الوسط. والحقيقة أن البكتريا الكبريتية الخضراء green sulfur bacteria والبكتريا الكبريتية القرمزية purple sulfur bacteria ما زالت حتى الآن تستخدم H2S مصدراً للهدروجين في أثناء عملية التركيب الضوئي البكتري.

أما الكائنات الأولى ذاتية الاغتذاء الضوئي التي حققت عملية التركيب الضوئي بتحطيم جزيئة الماء H2O للحصول على الهدروجين كانت البكتريا الزرقاء cyanobacteria، ذلك أن الماء كان متوفراً بكثرة في جو الأرض الأول (كما هو الآن)، وأن الأكسجين الناتج من عملية التركيب الضوئي قد بدأ يؤكسد المعادن الموجودة في البحار والمحيطات وفي القشرة الأرضية، وبدأ القسم الأكبر من الأكسجين يتجمع في البحر والمحيطات. وتبين لعلماء المستحاثات أن أول الكائنات ذاتية الاغتذاء إنما كانت من أوليات النواة، وربما يكون ذلك قد حدث منذ 3.1 - 3.4 مليار سنة قبل الآن. وهناك صخور تحوي آثار يخضور عمرها مليارا سنة.

وقد صنعت البكتريا الزرقاء كميات كافية من الأكسجين أدت إلى تغيير تركيب الغلاف الجوي atmosphere. أما الكائنات الحيوانية فلم تظهر إلا بعد أن ازداد تركيز الأكسجين في جو الأرض، الأمر الذي أثر في طبيعة الحياة على سطح الأرض؛ فالكائنات اللاهوائية الإجبارية قد تسممت بالأكسجين، ولم يبقَ إلا عدد محدود من الأنواع اللاهوائية التي طورت وسائط لتحييد الأكسجين كي لا يكون ساماً لها.

أما بعضها الآخر فقد أصبح هوائياً، وطوّر ممراً تنفسياً يستخدم الأكسجين لاستخلاص كميات أكبر من الطاقة المخزنة في الغذاء وتحويلها إلى ATP. كما أن هناك كائنات تعيش حتى الآن على سطح الأرض حياة هوائية بالتنفس، أو لاهوائية بالتخمر، كما هو الحال في خميرة الجعة أو غيرها من الكائنات الدنيا.

مراجع للاستزادة:

- P. H. Raven, G. B. Johnson, J. B. Losos and S. R. Singer, Biology, Seven Education, McGraw- Hill Higher Education, 1996.

- E. P. Solomon, L. R. Berg, D. W. Martin and C. Villee, Biology, Saunders College Publishting, 1996.