تتطلب عملية التخليق الحيوي للبروتينات والأحماض النووية وجود النيتروجين، إلا أن النيتروجين الجوي غير متاح للكائنات حقيقية النواة للتخليق العضوي. عدد قليل فقط من بدائيات النوى (مثل البكتيريا الزرقاء ، والكلوستريديا ، والعتائق ، وغيرها) لديها القدرة على تثبيت النيتروجين الجزيئي المتوفر بكثرة في الغلاف الجوي . تعيش بعض البكتيريا المثبتة للنيتروجين داخل خلايا حقيقية النواة في علاقة تكافلية تُعرف باسم المتعايشات الداخلية. على سبيل المثال، تُعد البكتيريا الزرقاء Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) متعايشة داخلية مع الطحالب الدقيقة وحيدة الخلية Braarudosphaera bigelowii في البيئات البحرية. يُعتقد أن هذه الظاهرة الطبيعية قد لعبت دورًا حاسمًا في تطور عضيات الخلية حقيقية النواة ، مثل الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء، من خلال دمج البكتيريا المتعايشة الداخلية مع الخلية حقيقية النواة. في دراسة نُشرت مؤخرًا، اكتشف الباحثون أن البكتيريا الزرقاء " UCYN-A " قد اندمجت بشكل وثيق مع الطحالب الدقيقة حقيقية النواة Braarudosphaera bigelowii ، وتطورت من كائن متكافل داخليًا إلى عُضية خلوية حقيقية النواة مُثبِّتة للنيتروجين تُسمى نيتروبلاست. وبذلك، أصبحت الطحالب الدقيقة Braarudosphaera bigelowii أول كائن حقيقي النواة معروف بقدرته على تثبيت النيتروجين. وقد وسّع هذا الاكتشاف نطاق وظيفة تثبيت النيتروجين الجوي من بدائيات النوى إلى حقيقيات النوى.
يعد التكافل، أي أن الكائنات الحية من مختلف الأنواع التي تتقاسم الموائل وتعيش معًا، ظاهرة طبيعية شائعة. قد يستفيد الشركاء في العلاقة التكافلية من بعضهم البعض (التبادلية)، أو قد يستفيد أحدهم بينما يظل الآخر غير متأثر (التعايش) أو يستفيد أحدهما بينما يتضرر الآخر (التطفل). تسمى العلاقة التكافلية بالتعايش الداخلي عندما يعيش أحد الكائنات الحية داخل الآخر، على سبيل المثال، خلية بدائية النواة تعيش داخل خلية حقيقية النواة. تسمى الخلية بدائية النواة، في مثل هذه الحالة، بالتعايش الداخلي.
لعب التعايش الداخلي (أي استيعاب بدائيات النوى بواسطة خلية حقيقية النواة السلفية) دورًا حاسمًا في تطور الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء، وهي العضيات الخلوية المميزة للخلايا حقيقية النواة الأكثر تعقيدًا، والتي ساهمت في تكاثر أشكال الحياة حقيقية النواة. يُعتقد أن البكتيريا الهوائية قد دخلت خلية حقيقية النواة للأسلاف لتصبح تعايشًا داخليًا في وقت أصبحت فيه البيئة غنية بالأكسجين بشكل متزايد. إن قدرة بروتينات التعايش الداخلي على استخدام الأكسجين لإنتاج الطاقة سمحت لحقيقيات النوى المضيفة بالازدهار في البيئة الجديدة بينما انقرضت حقيقيات النوى الأخرى بسبب ضغط الانتقاء السلبي الذي فرضته البيئة الجديدة الغنية بالأكسجين. وفي نهاية المطاف، اندمجت البكتيريا البروتينية مع النظام المضيف لتصبح ميتوكوندريا. وبالمثل، دخلت بعض البكتيريا الزرقاء التي تقوم بالتمثيل الضوئي إلى حقيقيات النوى السلفية لتصبح تعايشًا داخليًا. وفي الوقت المناسب، اندمجت مع النظام المضيف حقيقيات النواة لتصبح البلاستيدات الخضراء. اكتسبت حقيقيات النوى ذات البلاستيدات الخضراء القدرة على تثبيت الكربون في الغلاف الجوي وأصبحت كائنات ذاتية التغذية. كان تطور حقيقيات النوى المثبتة للكربون من حقيقيات النوى السلفية نقطة تحول في تاريخ الحياة على الأرض.
مطلوب النيتروجين للتخليق العضوي للبروتينات والأحماض النووية ولكن القدرة على تثبيت النيتروجين في الغلاف الجوي تقتصر فقط على عدد قليل من بدائيات النوى (مثل بعض البكتيريا الزرقاء، كلوستريديا، العتيقة، الخ). لا توجد كائنات حقيقية النواة معروفة يمكنها تثبيت النيتروجين في الغلاف الجوي بشكل مستقل. تُرى في الطبيعة علاقات تكافلية داخلية متبادلة بين بدائيات النوى المثبتة للنيتروجين وحقيقيات النوى المثبتة للكربون والتي تحتاج إلى النيتروجين للنمو. أحد الأمثلة على ذلك هو الشراكة بين البكتيريا الزرقاء Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) والطحالب الدقيقة أحادية الخلية Braarudosphaera bigelowii في الأنظمة البحرية.
في دراسة حديثة، تم فحص العلاقة التكافلية الداخلية بين البكتيريا الزرقاء Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) والطحالب الدقيقة وحيدة الخلية Braarudosphaera bigelowii باستخدام التصوير المقطعي بالأشعة السينية اللينة. وكشف تصوير مورفولوجيا الخلية وانقسام الطحلب عن دورة خلوية منسقة، حيث تنقسم البكتيريا الزرقاء المتكافلة بالتساوي تمامًا كما تنقسم البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا في حقيقيات النوى أثناء انقسام الخلية. وأظهرت دراسة البروتينات المشاركة في الأنشطة الخلوية أن جزءًا كبيرًا منها مُشفّر بواسطة جينوم الطحالب. وشمل ذلك بروتينات أساسية للتخليق الحيوي ونمو الخلية وانقسامها. تشير هذه النتائج إلى أن البكتيريا الزرقاء المتكافلة قد اندمجت بشكل وثيق مع النظام الخلوي المضيف، وانتقلت من كونها كائنًا متكافلًا داخليًا إلى عُضية كاملة في الخلية المضيفة. ونتيجة لذلك، اكتسبت الخلية الطحلبية المضيفة القدرة على تثبيت النيتروجين الجوي لتخليق البروتينات والأحماض النووية اللازمة للنمو. وقد سُميت العضية الجديدة بالنيتروبلاست نظرًا لقدرتها على تثبيت النيتروجين.
وهذا يجعل الطحالب الدقيقة وحيدة الخلية Braarudosphaera bigelowii أول كائن حقيقي النواة يثبت النيتروجين. وقد يكون لهذا التطور آثار على الزراعة وصناعة الأسمدة الكيميائية على المدى الطويل.
***
المراجع:
- كول، ث وآخرون. 2024. عضية تثبيت النيتروجين في الطحالب البحرية. علوم. 11 أبريل 2024. المجلد 384، العدد 6692، ص 217-222. معرف الهوية الرقمي: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- ماسانا ر.، 2024. النيتروبلاست: عضية مثبتة للنيتروجين. علوم. 11 أبريل 2024. المجلد 384، العدد 6692. ص 160-161. معرف الهوية الرقمي: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
 have the ability to fix the molecular nitrogen abundantly available in the atmosphere. Some nitrogen-fixing bacteria live inside eukaryotic cells in symbiotic relation as endosymbionts. For example, the cyanobacteria Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) is an endosymbiont of the of the unicellular microalgae Braarudosphaera bigelowii in marine systems. Such natural phenomenon is thought to have played a crucial role in evolution of eukaryotic cell organelles mitochondria and chloroplasts through integration of endosymbiotic bacteria to the eukaryotic cell. In a recently published study, researchers found that the cyanobacteria UCYN-A had closely integrated with the eukaryotic microalgae Braarudosphaera bigelowii and evolved from an endosymbiont to nitrogen-fixing eukaryotic cell organelle called nitroplast. This made microalgae Braarudosphaera bigelowii the first known nitrogen-fixing eukaryote and expanded the function of fixation of atmospheric nitrogen from prokaryotes to eukaryotes.){kind=link}