علم الأحياء الدقيقة

علم الأحياء الدقيقة ( من اليونانية القديمة μῑκρος ( mīkros ) بمعنى " صغير " ، وβίος ( bíos ) بمعنى " حياة " ، و- λογία ( -logía ) بمعنى " دراسة " ) هو الدراسة العلمية للكائنات الدقيقة ، سواء كانت وحيدة الخلية ، أو متعددة الخلايا (تتكون من خلايا معقدة)، أو لا خلوية (تفتقر إلى الخلايا). ^{[ 1 ] [ 2 ]} يشمل علم الأحياء الدقيقة العديد من التخصصات الفرعية، بما في ذلك علم الفيروسات ، وعلم البكتيريا ، وعلم الأوليات ، وعلم الفطريات ، وعلم المناعة ، وعلم الطفيليات .   

تُصنف الكائنات الحية التي تُشكل العالم الميكروبي إلى بدائيات النوى وحقيقيات النوى. تمتلك الكائنات الحية الدقيقة حقيقية النوى عضيات محاطة بأغشية ، وتشمل الفطريات والطلائعيات ، بينما تُصنف الكائنات بدائية النوى تقليديًا على أنها تفتقر إلى العضيات المحاطة بأغشية ، وتشمل البكتيريا والعتائق . ^{[ 3 ] [ 4 ]} اعتمد علماء الأحياء الدقيقة تقليديًا على الاستزراع والتلوين والفحص المجهري لعزل الكائنات الحية الدقيقة وتحديدها. ومع ذلك، فإن أقل من 1% من الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في البيئات الشائعة يمكن استزراعها بشكل معزول باستخدام الوسائل الحالية. ^{[ 5 ]} مع ظهور التقنية الحيوية ، يعتمد علماء الأحياء الدقيقة حاليًا على أدوات البيولوجيا الجزيئية مثل تحديد الهوية القائم على تسلسل الحمض النووي ، على سبيل المثال، تسلسل جين 16S rRNA المستخدم لتحديد البكتيريا.

صُنفت الفيروسات بشكل متفاوت ككائنات حية ^{[ 6 ]،} إذ اعتُبرت إما كائنات دقيقة بسيطة للغاية أو جزيئات معقدة للغاية. أما البريونات ، التي لم تُصنف قط ككائنات دقيقة، فقد خضعت للدراسة من قبل علماء الفيروسات؛ إلا أنه نظرًا لأن التأثيرات السريرية المنسوبة إليها كانت تُعزى في الأصل إلى عدوى فيروسية مزمنة، فقد أجرى علماء الفيروسات بحثًا معمقًا، فاكتشفوا "بروتينات مُعدية".

تم التنبؤ بوجود الكائنات الدقيقة قبل قرون عديدة من رصدها لأول مرة، على سبيل المثال من قبل الجاينيين في الهند، وماركوس تيرينتيوس فارو في روما القديمة. وكانت أول ملاحظة مسجلة بالمجهر هي للأجسام الثمرية للعفن، على يد روبرت هوك عام 1666، ولكن يُرجح أن الكاهن اليسوعي أثناسيوس كيرشر كان أول من رأى الميكروبات، حيث ذكر أنه لاحظها في الحليب والمواد المتعفنة عام 1658. ويُعتبر أنطوني فان ليفينهوك ولويس باستور من آباء علم الأحياء الدقيقة ، حيث لاحظا الكائنات المجهرية وأجريا عليها تجارب في سبعينيات القرن السابع عشر، باستخدام مجاهر بسيطة من تصميمه. وتطور علم الأحياء الدقيقة العلمي في القرن التاسع عشر بفضل أعمال لويس باستور، وفي علم الأحياء الدقيقة الطبي بفضل روبرت كوخ .

كان وجود الكائنات الدقيقة مفترضًا لعدة قرون قبل اكتشافها الفعلي. وقد افترضت الديانة الجينية ، المستندة إلى تعاليم ماهافيرا ، وجود حياة ميكروبيولوجية غير مرئية منذ القرن السادس قبل الميلاد (599-527 قبل الميلاد). ^{[ 7 ] : 24} ويشير بول دونداس إلى أن ماهافيرا أكد وجود كائنات ميكروبيولوجية غير مرئية تعيش في الأرض والماء والهواء والنار. ^{[ 7 ] : 88} وتصف النصوص الجينية كائنات تُسمى " نيغودا" ، وهي كائنات دون مجهرية تعيش في تجمعات كبيرة ولها دورة حياة قصيرة جدًا، ويُقال إنها تنتشر في كل جزء من الكون، حتى في أنسجة النباتات ولحوم الحيوانات. ^{[ 8 ]} أشار الروماني ماركوس تيرينتيوس فارو إلى الميكروبات عندما حذر من إقامة مسكن بالقرب من المستنقعات "لأن هناك كائنات دقيقة معينة لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة، تطفو في الهواء وتدخل الجسم عن طريق الفم والأنف، وبالتالي تسبب أمراضًا خطيرة." ^{[ 9 ]}

افترض علماء الفرس وجود الكائنات الدقيقة، مثل ابن سينا ​​في كتابه " القانون في الطب" ، وابن زهر (المعروف أيضًا باسم أفينزوار) الذي اكتشف عث الجرب ، والرازي الذي قدم أقدم وصف معروف للجدري في كتابه " الحاوي ". ^{[ 10 ]} يصف كتاب " باوشنغجينغ " الطاوي ، الذي يعود إلى القرن العاشر، "ديدانًا عضوية دقيقة لا حصر لها" تشبه بذور الخضراوات ، مما دفع عالم الصينيات الهولندي كريستوفر شيبر إلى الادعاء بأن "وجود البكتيريا الضارة كان معروفًا لدى الصينيين في ذلك الوقت". ^{[ 11 ]}

في عام 1546، اقترح جيرولامو فراكاستورو أن الأمراض الوبائية ناجمة عن كائنات شبيهة بالبذور قابلة للانتقال، والتي يمكنها نقل العدوى عن طريق الاتصال المباشر أو غير المباشر، أو عن طريق انتقال الوسائط. ^{[ 12 ]}

في عام 1676، لاحظ أنطوني فان ليفينهوك ، الذي عاش معظم حياته في دلفت بهولندا، البكتيريا والكائنات الدقيقة الأخرى باستخدام مجهر أحادي العدسة من تصميمه الخاص . ^{[ 14 ] [ 2 ]} يُعتبر فان ليفينهوك أحد آباء علم الأحياء الدقيقة لاستخدامه مجاهر بسيطة أحادية العدسة من تصميمه. ^{[ 14 ]} على الرغم من أن فان ليفينهوك يُنسب إليه غالبًا كونه أول من لاحظ الميكروبات، إلا أن روبرت هوك سجّل أول ملاحظة مجهرية له، وهي للأجسام الثمرية للعفن ، في عام 1665. ^{[ 15 ]} ومع ذلك، يُرجّح أن كاهنًا يسوعيًا يُدعى أثناسيوس كيرشر كان أول من لاحظ الكائنات الدقيقة. ^{[ 16 ]}

كان كيرشر من أوائل من صمموا الفوانيس السحرية لأغراض العرض، ولذا كان على دراية تامة بخصائص العدسات. ^{[ 16 ]} كتب في عام 1646 بعنوان "حول البنية العجيبة للأشياء في الطبيعة، التي تم فحصها بالمجهر"، قائلاً: "من يصدق أن الخل والحليب يزخران بأعداد لا حصر لها من الديدان؟". كما لاحظ أن المواد المتعفنة مليئة بالحيوانات الزاحفة. ونشر كتابه " فحص الطاعون" ( Scrutinium Pestis ) في عام 1658، مصرحًا بشكل صحيح أن المرض ناجم عن الميكروبات، على الرغم من أن ما رآه كان على الأرجح خلايا دم حمراء أو بيضاء وليس عامل الطاعون نفسه. ^{[ 16 ]}

تأسس علم البكتيريا (الذي أصبح لاحقًا فرعًا من علم الأحياء الدقيقة) في القرن التاسع عشر على يد فرديناند كوهن ، عالم النبات الذي قادته دراساته على الطحالب والبكتيريا الضوئية إلى وصف العديد من أنواع البكتيريا ، بما في ذلك العصوية والبيجياتوا . وكان كوهن أيضًا أول من وضع مخططًا للتصنيف التكسونومي للبكتيريا، وأول من اكتشف الأبواغ الداخلية . ^{[ 17 ]} عاصر لويس باستور وروبرت كوخ كوهن، ويُعتبران غالبًا آباء علم الأحياء الدقيقة الحديث ^{[ 16 ]} وعلم الأحياء الدقيقة الطبي ، على التوالي. ^{[ 18 ]} اشتهر باستور بسلسلة تجاربه التي صُممت لدحض نظرية التولد التلقائي التي كانت سائدة آنذاك ، مما رسّخ مكانة علم الأحياء الدقيقة كعلم بيولوجي. ^{[ 19 ]} يُعتبر أحد طلابه، أدريان سيرتيس، مؤسس علم الأحياء الدقيقة البحرية. ^{[ 20 ]} صمم باستور أيضًا طرقًا لحفظ الأغذية ( البسترة ) ولقاحات ضد العديد من الأمراض مثل الجمرة الخبيثة وكوليرا الدواجن وداء الكلب . ^{[ 2 ]} يُعرف كوخ بمساهماته في نظرية جرثومية الأمراض ، حيث أثبت أن أمراضًا محددة تسببها كائنات دقيقة ممرضة محددة. وقد وضع سلسلة من المعايير التي أصبحت تُعرف باسم مسلمات كوخ . كان كوخ من أوائل العلماء الذين ركزوا على عزل البكتيريا في مزارع نقية، مما أدى إلى وصفه للعديد من البكتيريا الجديدة، بما في ذلك المتفطرة السلية ، المسبب لمرض السل . ^{[ 2 ]}

على الرغم من أن باستور وكوخ يُعتبران مؤسسي علم الأحياء الدقيقة، إلا أن عملهما لم يعكس بدقة التنوع الحقيقي لعالم الميكروبات، وذلك لتركيزهما الحصري على الكائنات الدقيقة ذات الصلة الطبية المباشرة. ولم يتضح النطاق الحقيقي لعلم الأحياء الدقيقة إلا في أواخر القرن التاسع عشر، مع أعمال مارتينوس بييرينك وسيرجي وينوغرادسكي . ^{[ 2 ]} قدم بييرينك إسهامين رئيسيين في علم الأحياء الدقيقة: اكتشاف الفيروسات وتطوير تقنيات الاستزراع المُخصب . ^{[ 21 ]} وبينما أرست دراسته لفيروس تبرقش التبغ المبادئ الأساسية لعلم الفيروسات، كان لتطويره تقنيات الاستزراع المُخصب الأثر الأكبر على علم الأحياء الدقيقة، إذ أتاح استزراع مجموعة واسعة من الميكروبات ذات وظائف فيزيولوجية شديدة التباين. وكان وينوغرادسكي أول من طور مفهوم التغذية الكيميائية الذاتية ، وكشف بذلك عن الدور الأساسي الذي تلعبه الكائنات الدقيقة في العمليات الجيوكيميائية. ^{[ 22 ]} كان مسؤولاً عن أول عزل ووصف لكل من البكتيريا المُنتجة للنيتروجين والبكتيريا المُثبتة له . ^{[ 2 ]} شارك عالم الأحياء الدقيقة الفرنسي الكندي فيليكس ديريل في اكتشاف العاثيات البكتيرية عام 1917، وكان من أوائل علماء الأحياء الدقيقة التطبيقية. ^{[ 23 ]}

كان جوزيف ليستر أول من استخدم مطهر الفينول على الجروح المفتوحة للمرضى. ^{[ 24 ]}

يمكن تصنيف فروع علم الأحياء الدقيقة إلى علوم تطبيقية، أو تقسيمها وفقًا للتصنيف العلمي، كما هو الحال في علم البكتيريا ، وعلم الطفيليات ، وعلم الفطريات ، وعلم المناعة ، وعلم الأوليات ، وعلم الفيروسات ، وعلم الطحالب ، وعلم الوراثة الميكروبية ، وعلم البيئة الميكروبية . يوجد تداخل كبير بين فروع علم الأحياء الدقيقة المختلفة، سواء فيما بينها أو مع تخصصات أخرى، وقد تتجاوز بعض جوانب هذه الفروع النطاق التقليدي لعلم الأحياء الدقيقة. ^{[ 25 ] [ 26 ]} يُطلق على فرع البحث العلمي البحت في علم الأحياء الدقيقة اسم علم الأحياء الدقيقة الخلوي .

على الرغم من أن بعض الناس يخشون الميكروبات لارتباط بعضها بأمراض بشرية مختلفة، إلا أن العديد منها مسؤول أيضاً عن عمليات مفيدة عديدة، مثل التخمر الصناعي (كإنتاج الكحول والخل ومنتجات الألبان ) وإنتاج المضادات الحيوية . وقد استغل العلماء معرفتهم بالميكروبات لإنتاج إنزيمات ذات أهمية في مجال التقنية الحيوية ، مثل بوليميراز Taq ، ^{[ 27 ]} وجينات مُبلِّغة لاستخدامها في أنظمة وراثية أخرى، وتقنيات بيولوجية جزيئية حديثة، مثل نظام التفاعل الثنائي في الخميرة . ^{[ 28 ]}

يمكن استخدام البكتيريا في الإنتاج الصناعي للأحماض الأمينية ، والأحماض العضوية ، والفيتامينات ، والبروتينات ، والمضادات الحيوية ، وغيرها من المستقلبات المستخدمة تجاريًا والتي تنتجها الكائنات الدقيقة. تُعدّ بكتيريا Corynebacterium glutamicum من أهم أنواع البكتيريا، إذ يتجاوز إنتاجها السنوي مليوني طن من الأحماض الأمينية، وخاصةً حمض الجلوتاميك (L-glutamate) وحمض الليسين (L-lysine). ^{[ 29 ]} ونظرًا لقدرة بعض البكتيريا على تصنيع المضادات الحيوية، فإنها تُستخدم لأغراض طبية، مثل بكتيريا Streptomyces التي تُنتج مضادات حيوية من فئة الأمينوغليكوزيدات . ^{[ 30 ]}

تُنتج الكائنات الدقيقة مجموعة متنوعة من البوليمرات الحيوية ، مثل عديدات السكاريد ، والبوليسترات ، والبولي أميدات . وتُستخدم هذه الكائنات في الإنتاج البيوتكنولوجي للبوليمرات الحيوية ذات الخصائص المُخصصة، والتي تُناسب التطبيقات الطبية عالية القيمة، مثل هندسة الأنسجة وإيصال الأدوية. فعلى سبيل المثال، تُستخدم الكائنات الدقيقة في التخليق الحيوي للزانثان ، والألجينات ، والسليلوز ، والسيانوفيسين ، وبولي (حمض جاما-جلوتاميك)، والليفان ، وحمض الهيالورونيك ، والأحماض العضوية، والسكريات قليلة التعدد، وعديدات السكاريد ، وبولي هيدروكسي ألكانوات. ^{[ 31 ]}

تُعدّ الكائنات الدقيقة مفيدةً في التحلل الحيوي أو المعالجة الحيوية للنفايات المنزلية والزراعية والصناعية، بالإضافة إلى التلوث الجوفي في التربة والرواسب والبيئات البحرية. وتعتمد قدرة كل كائن دقيق على تحليل النفايات السامة على طبيعة كل ملوث . ونظرًا لاحتواء المواقع عادةً على أنواع متعددة من الملوثات، فإنّ أنجع طريقة للتحلل الحيوي هي استخدام مزيج من أنواع وسلالات البكتيريا والفطريات، كلٌّ منها متخصص في التحلل الحيوي لنوع واحد أو أكثر من الملوثات. ^{[ 32 ]}

تُساهم المجتمعات الميكروبية التكافلية في تعزيز صحة الإنسان والحيوان، بما في ذلك تحسين الهضم، وإنتاج الفيتامينات والأحماض الأمينية المفيدة، وكبح نمو الميكروبات الممرضة. وقد يُعزى بعض هذه الفوائد إلى تناول الأطعمة المخمرة، أو البروبيوتيك (بكتيريا قد تكون مفيدة للجهاز الهضمي)، أو البريبيوتيك (مواد تُستهلك لتعزيز نمو الكائنات الحية الدقيقة البروبيوتيكية). ^{[ 33 ] [ 34 ]} وتُعدّ دراسة كيفية تأثير الميكروبيوم على صحة الإنسان والحيوان، بالإضافة إلى طرق التأثير عليه، من المجالات البحثية النشطة. ^{[ 35 ]}

أشارت الأبحاث إلى أن الكائنات الدقيقة قد تكون مفيدة في علاج السرطان . إذ يمكن لسلالات مختلفة من المطثيات غير الممرضة أن تتغلغل وتتكاثر داخل الأورام الصلبة . ويمكن إعطاء نواقل المطثيات بأمان، وقد ثبتت قدرتها على توصيل البروتينات العلاجية في العديد من النماذج ما قبل السريرية. ^{[ 36 ]}

تُستخدم بعض أنواع البكتيريا لدراسة الآليات الأساسية. ومن الأمثلة على البكتيريا النموذجية المستخدمة لدراسة الحركة ^{[ 37 ]} أو إنتاج السكريات المتعددة والنمو، بكتيريا ميكسوكوكس زانثوس ^{[ 38 ]} .

• بروسليند، ليندا (2019). علم الأحياء الدقيقة العام . جامعة ولاية أوريغون.

• الوسائط المتعلقة بعلم الأحياء الدقيقة على ويكيميديا ​​كومنز
• اقتباسات متعلقة بعلم الأحياء الدقيقة على موقع ويكي الاقتباس
• موقع nature.com: أحدث الأبحاث والمراجعات والأخبار في علم الأحياء الدقيقة
• موقع Microbes.info هو بوابة معلوماتية لعلم الأحياء الدقيقة تحتوي على مجموعة واسعة من الموارد بما في ذلك المقالات والأخبار والأسئلة المتكررة والروابط المتعلقة بمجال علم الأحياء الدقيقة.
• علم الأحياء الدقيقة في برنامج " في عصرنا" على قناة بي بي سي
• علم المناعة، علم البكتيريا، علم الفيروسات، علم الطفيليات، علم الفطريات، والأمراض المعدية
• المراجعة السنوية لعلم الأحياء الدقيقة، مؤرشفة بتاريخ 20 يناير 2009 على موقع Wayback Machine