التخليق الحيوي لل البروتينات و حمض نووي تطلب نتروجين لكن النيتروجين الجوي غير متوفر حقيقيات النواة للتوليف العضوي. عدد قليل فقط من بدائيات النوى (مثل البكتيريا الزرقاء, كلوستريديا, العتيقة الخ) لديها القدرة على تثبيت النيتروجين الجزيئي المتوفر بكثرة في الغلاف الجوي. بعض تثبيت النيتروجين بكتيريا تعيش داخل الخلايا حقيقية النواة في علاقة تكافلية مثل التعايش الداخلي. على سبيل المثال، البكتيريا الزرقاء Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) هو تعايش داخلي للطحالب الدقيقة أحادية الخلية برارودوسفيرا بيجيلوي في الأنظمة البحرية. ويُعتقد أن مثل هذه الظاهرة الطبيعية لعبت دورًا حاسمًا في تطور حقيقيات النوى الخلية عضيات الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء من خلال دمج البكتيريا التكافلية الداخلية في الخلية حقيقية النواة. وفي دراسة نشرت مؤخرا، وجد الباحثون أن البكتيريا الزرقاء “يوسين-أ"لقد اندمجت بشكل وثيق مع الطحالب الدقيقة حقيقية النواة برارودوسفيرا بيجيلوي وتطورت من تعايش داخلي إلى عضية خلية حقيقية النواة مثبتة للنيتروجين تسمى نيتروبلاست. هذا جعل الطحالب الدقيقة برارودوسفيرا بيجيلوي أول حقيقيات النوى المعروفة المثبتة للنيتروجين. وقد أدى هذا الاكتشاف إلى توسيع 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 دراسة العلاقة التكافلية الداخلية بين البكتيريا الزرقاء Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) والطحالب الدقيقة أحادية الخلية Braarudosphaera bigelowii باستخدام التصوير المقطعي بالأشعة السينية الناعمة. كشف تصور مورفولوجيا الخلية وانقسام الطحالب عن دورة خلية منسقة تنقسم فيها البكتيريا الزرقاء المتعايشة داخليًا بالتساوي بنفس الطريقة التي تنقسم بها البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا في حقيقيات النوى أثناء انقسام الخلايا. كشفت دراسة البروتينات المشاركة في الأنشطة الخلوية أن جزءًا كبيرًا منها تم تشفيره بواسطة جينوم الطحالب. وشمل ذلك البروتينات الضرورية للتخليق الحيوي ونمو الخلايا والانقسام. تشير هذه النتائج إلى أن البكتيريا الزرقاء المتعايشة داخليًا قد اندمجت بشكل وثيق مع النظام الخلوي المضيف وانتقلت من المتعايش الداخلي إلى عضية كاملة للخلية المضيفة. ونتيجة لذلك، اكتسبت خلية الطحالب المضيفة القدرة على تثبيت النيتروجين في الغلاف الجوي لتخليق البروتينات والأحماض النووية اللازمة للنمو. تم تسمية العضية الجديدة نيتروبلاست بسبب قدرته على تثبيت النيتروجين.
وهذا يجعل الطحالب الدقيقة وحيدة الخلية برارودوسفيرا بيجيلوي أول حقيقيات النوى المثبتة للنيتروجين. قد يكون لهذا التطور آثار على زراعة وصناعة الأسمدة الكيماوية 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}