الأحياء البيئية الدقيقة(ENS307) المحاضرة الأولى

نشأه علم الميكروبيولوجي وتطوره تعريف علم الميكروبيولوجي : علم الميكروبيولوجي هو علم دراسة الكائنات الحية الدقيقة ، التي لا تري بالعين المجردة ، ولكن يستلزم الاستعانة بالميكروسكوب لتكبير تلك الأحياء حتي يمكن رؤيتها والتعرف علي أشكالها المختلفة ، ومن المعروف أن العين البشرية المجردة لا تستطيع أن تري الأشياء التي قطرها 0.1 ملليمتر أو أقل ، كما لا تستطيع أن تميز تفاصيل الأشياء التي قطرها 1 ملليمتر . وينطبق هذا التعريف علي مجموعة متباينة من الأحياء تشمل البكتريا والفطريات والطحالب والبروتوزوا كما تشمل أجساماً حيه ليس لها تركيب خلوى من الفيروسات كما سنوضح فيما بعد . الهدف من دراسة علم الميكروبيولوجي: الهدف الأساسي من دراسة علم الميكروبيولوجي ، هو التعرف على طبيعة وخصائص تلك الأحياء الدقيقة وفهم الدور الذي تلعبه سواء لصالح الإنسان ورفاهيته أو الأضرار به ، وبذلك يمكن .التحكم في نشاطها لتعظيم الاستفادة من الأنواع المفيدة ومنع أو تقليل الضرر الذي تسببه الأنواع الضارة منها .

اكتشاف الميكروبات وتطور علم الميكروبيولوجي : نظرا لصغر حجم الكائنات الدقيقة فان اكتشافها ودراستها جاء متأخراً بعد اكتشاف الميكروسكوب وتطويره مما مكن العلماء من رؤيتها ووصفها وتتبع طريقة نموها وتكاثرها ومعيشتها. وليس معنى ذلك أن الكائنات الحية الدقيقة لم تكن معروفة قبل ذلك ولكنها كانت معروفة من الناحية النظرية فقد كان فلاسفة اليونان وعلماء العرب الأولين يدركون أن الأمراض تنتقل عن طريق كائنات دقيقة لا يمكن رؤيتها بالعين. وعموما فان أول من اكتشف الميكروبات ووصفها ورسمها هو الهولندي انتونى فان ليفنهوك Antony Van Leeuwenhock (1632-1723) الذى كان يهوى الاشتغال بالعلوم وكان من هواة صناعة العدسات التى مكنته من رؤية الميكروبات ووصفها. وبالرغم من دقة الملاحظات التى نشرها ليفنهوك Leeuwenhock إلا أن الميكروسكوب الذى استخدمه كانت قوة تكبيره محدوده لم تتعد 50 – 300مرة بحيث لم يكن من الممكن إجراء دراسات أكثر دقة لهذه الكائنات الدقيقة المتناهية فى الصغر إلا بعد تطور الميكروسكوب البسيط المستخدم فى هذا الوقت وصناعة الميكروسكرب المركب (قوة تكبيرة حـوالى 1000 مرة ) وتطويره ولقد أخذ هذا مدة قرن كامل بعد وفاة ليفنهوك .

أصل الكائنات الحية الدقيقة: وبعد اكتشاف الميكروبات بدأ التفكير فى أصل او مصدر هذه الكائنات وفى هذا الوقت انقسم المهتمون بهذه الدراسة الى قسمين هما : المدرسة الاولى وهى تعتقد أن هذه الحيوانات الصغيرة animal-cules (كما كانوا يسمونها فى هذا الوقت) تتكون ذاتيا أى بدون أصل حى . ولقد أطلق على نظريتهم أسم نظرية التوالد الذاتى . Spontaneous generation أما المدرسة الثانية فكان أصحابها يعتقدون أن هذه الكائنات لابد لها من أصل حى أو germ أو بذرة seed حتى يمكنها النمو وأن هذه البذور موجودة فى الهواء وبذلك فان نظريتهم يمكن أن يطلق عليها اسم نظرية الجراثيم Germ theory. ولقد كان أصحاب نظرية التوالد الذاتي شديدى التعصب لنظريتهم بل كانوا يعتقدون أن معارضتها يعتبر نوعا من الإلحاد ولم يكن اعتمادهم بالتوالد الذاتي ينصب على الميكروبات فقط بل كانوا يعتقدون أن كثيرا من النباتات والحيوانات تتوالد ذاتيا وطبقوا ذلك على الديدان التى تتواجد فى الأغذية على سبيل المثال . هدم نظرية التوالد الذاتي: كان الايطالى سبالانزانى Lazzaro Spallanzani سنة 1765 أول من وضع شواهد أكيدة ضد نظرية التوالد الذاتى للميكروبات حيث أظهرت تجاربه أن غليان السوانل العضوية وأحكام غلقها يمنع نمو الكائنات الدقيقة فيها ، وفسادها وان كانت مدة التسخين اللازمة تختلف حسب نوعية السوانل وظروفها . كما فسر فساد بعض السوائل بعد غليها على أساس أن الأغطية غير محكمة الغلق مما يسهل دخول الهواء المحمل بالميكروبات داخلها ثانية .

وفى حوالي منتصف القرن التاسع عشر بدأ العلماء يدركون وجود علاقة بين نمو الميكروبات فى السوائل العضوية وبين التغيرات الكيماوية التى تحدث فيها وأن الميكروبات هى العامل المؤثر الذى يحدث هذه التغيرات الكيماوية . ولقد كان رائد هذه الدراسات هو العالم لويس باستير Louis Pasteur (1822-1895) ولقد أجرى هذا العالم دراسات كثيرة قيمة ، وكان من أول الأمور التي اهتم بها هو هدم نظرية التوالد الذاتى للميكروبات . ولقد أمكنة التأكد من وجود ألميكروبات في الهواء . كما أثبت أن إضافة جزء من سائل ملوث بالميكروبات الى سائل مغلى يؤدى إلي نمو الميكروبات في السائل المعقم . كما أثبت أن السوائل يمكن أن تبقى معرضة للهواء بدون أن تنمو فيها الميكروبات طالما أمكن منع وصول الميكروبات إلى السائل. ولقد وضعت دراسات باستير حدا لنظرية التوالد الذاتي وأثبتت أن الميكروبات لابد لها من أصل حي حتى تنمو وتحدث تغيرات كيماوية في السوائل العضوية . وقد تمكن باستير من عزل الخميرة كما تمكن من منع فساد الخمور وذلك بتسخينها الى درجة حرارة تقترب من الغليان ، ويطلق على هذه العملية أسم البسترة Pasteurization نسبة الى أسمه كما اكتشف ميكروب الجمرة الخبيثة Bacillus anthracis الذى كان يقضى على قطعان كبيرة من الأغنام وتمكن من معالجته . كما أمكنه تحضير لقاح لمرض الكلب Rabiesوكوليرا الدجاج . كل هذه البحوث وغيرها أرست قواعد علم الميكروبيولوجي مما أدى الى أن كثيرا من العلماء يعتبرون باستير المؤسس الحقيقى لعلم الميكروبيولوجي

وطبعا لم يكن معروف شيئ عن وجود الجراثيم Spores الشديدة المقاومة للحرارة والتي لا تقتل بالغليان ولقد أدى ذلك إلى حدوث نمو للميكروبات في سوائل غليت جيدا وأحكم غلقها مما كان يجعل أصحاب نظرية التوالد الذاتي يؤكدون على أن نظريتهم صحيحة . ولذلك فقد قام العالم Tyndall (1820-1893) بدراسات قيمة فى هذا الموضوع ولقد أدت بحوثه القيمة فى النهاية الى اكتشافا وجود الجراثيم Spores الشديدة المقاومة للحرارة وأن الغليان لا يكفى للتخلص منها ولهذا فان النمو الميكروبي فى السوائل المغلية والمغطاة يعزى لوجود هذه الجراثيم وبالتخلص منها يمكن حفظ السوائل بدون نمو الميكروبات الى مالا نهاية واكثسف نظرية التعقيم المتقطع بالبخار Tyndallization وبذلك هدمت نظرية التوالد الذاتي تماماً . أن هدم نظرية التوالد الذاتي كان ضروريا جدا لتطور علم الميكروبيولوجي فبهدمها عرف أن نمو الميكروبات لابد أن له من أصل حى وانه يمكن حفظ السوائل من الفساد بمنع وصول الميكروبات اليها ويمكن منع الإمراض بمنع وصول الميكروبات المرضية الى الأغذية أو الى الانسان والحيوان وطرق العدوى وطرق الوقاية من الميكروبات المرضية . العالم روبرت كوخ Robert Kouh وضع أسس التحضيرات البكتريولوجية وصبغها لتسهيل دراستها. كما اكثسف بيئات الجيلاتين والتى يمكن بواسطتها تنمية مستعمرات البكتريا على وسط صلب واستخدام الاجار فى تصليب البيئات مما سهل عمليات عزل البكتريا وتنقيتها. كما اكتشف ميكروب السل وميكروب الكوليرا كما وضع مقترحات كوخ Koch's Postulates للتعرف على الميكروب المسبب لمرض ما

التطورات الحديثة لعلم الأحياء البيئية: ومع اكتشاف الميكروسكوب الالكتروني فى الأربعينات من هذا القرن ، تطورت دراسة علم الميكروبيولوجيا بدرجة كبيرة ( قوة تكبير الميكروسكوب الألكترونى تصل حاليا الى حوالى 400000 الى مليون مرة ) وبعد ذلك بدأ الاهتمام بالبيولوجيا الجزئيةMolecular biology حيث توصل العالمان واتسن وكريك Watson and Crick فى عام 1953 إلى نموذج جزىء الحامض النووى DNA وأمكن تفسير كيفية حدوث التكاثر والطفرات فى المادة الوراثية. وفى منتصف السبعينات ظهرت سلسلة من الدراسات البيوكيميائية على البكتريا وتم استخدام تكنولوجيا حديثة لإجراء إتحادات المادة الوراثية Recombinant DNA Technology وأمكن إدخال مادة وراثية مستخلصة من خلية الى خلية ميكروبية أخرى ، وقد أدت نتائج تلك الدراسات إلى امكانية الاستفادة التطبيقية من هذه العملية فى كثير من المجالات الزراعية والصناعية والطبية وهو ما يعرفا حاليا باسم الهندسة الوراثية Genetic Engineering .وقد تمكن الأمريكى روبرت جاللو Robert Gallo والفرنسى لوك مونتانيه L-Montagnier فى عام 1984 من التعرف على الفيروس المسبب لمرض نقص المناعة المكتسب المعروف باسم الإيدزAIDS, Acquired Immunodeficiency أهمية الميكروبات : يرتبط ذكر الكائنات الدقيقة أو الميكروبات بالأمراض ، إلا أن دور الميكروبات فى إحداث الأمراض للإنسان أو الحيوان والنبات ، بالرغم من أهميته لا يمثل إلا دورا ضئيلاً جداً لمجموعة محدودة من الميكروبات مقارنة بالعدد الضخم لأنواع الميكروبات المعروفة .

أولاً : النواحي المفيدة : دور الميكروبات فى تحلل المواد العضوية فى التربة: تلعب الميكروبات الدور رئيسى فى تحلل المواد العضوية من بقايا نباتية أو حيوانية فى التربة أو البحار والمحيطات وعملية التحلل هذه لاغنى عنها لاستمرار الحياة . مما يمنع من تراكم المواد العضوية بعد حصاد المحاصيل وبقايا الحيوانات وبعد فترة تغطي الأراضي الزراعية وتصبح الزراعة مستحيلة. كما أن تحلل هذه المواد العضوية يؤدي إلي تحول كثير من العناصر الموجودة فى هذه المواد إلي صورة صالحة لتغذية النباتات ويزيد من خصوبة التربة. دور الميكروبات فى توازن دورة الكربون في الطبيعة: بدون هذا الدور لأنعدمت الحياة على الأرض من وقت طويل فمن المعروف أن نسبة ثانى أكسيد الكربون فى الهواء الجوى حوالى0.03% وبالرغم من أنها نسبة ضئيله إلا أنه لاغنى عنها لأن عملية ألتمثيل الضوئى Photosynthesis وبالتالي بناء أنسجة النبات تعتمد على وجود ثانى أكسيد الكربون فى الجو ، ويعتمد الإنسان والحيوان على النباتات فى غذائه وبقائه ولو تخيلنا أن دورة الكربون غير مستمرة فإن كميات ثانى أكسيد الكربون الموجودة فى الجو تستتفذ فى وقت ضئيل ولكن الواقع أن عمليات الاحتراق والتنفس للكائنات الحية تعيد بعض CO2 الى الجو ( حوالي 10%) أما الجزء الأكبر من CO2 فانه يعود خلال عمليات تحلل المواد العضوية واكسدتها بواسطة الميكروبات وكميات CO2 التي تعود الى الجو عن هذا الطريق ضخمة جدا تعادل النقص فى CO2 الذى يستهلك عن طريق التمثيل الضوئى للنباتات مما يعيد الاتزان لدورة الكربون فى الطبيعة .

المعدنه :Mineralization تقوم الميكروبات بتحويل كثير من العناصر الغذائية الموجودة فى الأرض من صورة غير صالحة (الصورة العضوية) الى صورة صالحة (صور معدنية) لإستفادة النباتات . كما أن كثيرا من العناصر المعدنية تكون فى صورة غير ذائبة فى الأرض ويلعب النشاط البيولوجى للميكروبات دورا فى تحولها الى صورة ذائبة . تثبيت النيتروجين الجوى: تقوم بذلك بعض أنواع الميكروبات فى التربة مما يزيد من مستوى هذا العنصر الضرورى للنباتات ومن أمثلة هذه الميكروبات الـ Azotobacter كما أن بكتريا العقد الجذرية التابعة لجنس الـ Rhizobium تثبت النيتروجين فى العقد الجذرية للنباتات البقولية مما يجعلها لا تحتاج الى تسميد نيتروجينى كما يزيد من خصوبة التربة . تثبيت النيتروجين الجوى: تقوم بذلك بعض أنواع الميكروبات فى التربة مما يزيد من مستوى هذا العنصر الضرورى للنباتات ومن أمثلة هذه الميكروبات الـ Azotobacter كما أن بكتريا العقد الجذرية التابعة لجنس الـ Rhizobium تثبت النيتروجين فى العقد الجذرية للنباتات البقولية مما يجعلها لا تحتاج الى تسميد نيتروجينى كما يزيد من خصوبة التربة . انتاج كثير من المواد الكيماوية: ذات الأهمية الصناعية والطبية والزراعية من خلال التخمرات الميكروبيولوجية . مثل انتاج الكحول والخل والأسيتون ، البيوتانول وأحماض البيوتريك واللاكتيك والستريك والبروبيونيك . وإنتاج الفيتامينات وإنتاج المضادات الحيوية المختلفة ذات القيمة الكبيرة فى علاج الأمراض المعروفة.

إنتاج الغذاء فى العالم: الأمل معقود على الميكروبات فى حل مشكلة الغذاء وخصوصا مشكلة نقص البروتين . وأهمية الميكروبات تأتي من أن الميكروبات سريعة النمو جدا بينما النباتات والحيوانات تحتاج الى شهور لمضاعفة حجمها أو وزنها ، وممكن لكثير من الميكروبات أن تبنى أجسامها من مواد بسيطة وقد أمكن بواسطة الميكروبات انتاج بروتين له قيمة غذائية عالية لتغذية الانسان والحيوان والبحوث فى هذا المجال لاتزال جارية ثانياً: أضرار الميكروبات : تسبب بعض أنواع الميكروبات أمراضا كثيرة للإنسان كما تسبب تلوث الجروح مما يؤخر التآم الجروح. تسبب أمراضا هامة للحيوانات والنباتات مما يسبب خسائر كبيرة . تسبب فساد الأغذية والمشروبات المصنعة والطازجة مما يسبب خسائر كبيرة كما نحتاج الى احتياطات كبيرة لمنع نمو البكتريا أو التخلص منها فى الأغذية . يسب نمو البكتريا فى الأغذية الى تكون سموم Toxins ويؤدي تعاطي الأغذية التى تحتوى على هذه السموم الى ظهور أعراض التسمم على من يتعاطى هذه الأغذية وبعض أنواع هذه التسممات مميت.

Thank You