ما هي الخلية حقيقية النواة ؟
كيف يمكن للخلية أن تؤدي وظائفها على أكمل وجه في مثل ذلك المكان الصغير والمزدحم بمختلف العضيات ؟ الخلايا حقيقية النواة هي تلك التي تُشكل معظم ما حولنا من أشجار التفاح وعشبة البرَك وسمك الحلبوت Halibut وأنت! طُورت العديد من الطرق لتقسيم وظائفها المختلفة إلى مناطق مختلفة من الخلية. في الواقع، إن حجرات صغيرة متخصصة تدعى بـالعضيات Organelles توجد ضمن الخلية حقيقية النواة ، وللقيام بهذه الوظيفة (التخصص وتقسيم وظائف الخلية الواحدة إلى عدة مناطق داخلها)
تلعب العضيات المختلفة أدوارًا مختلفة في الخلية، فمثلًا: تنتج المتقدرات Mitochondria الطاقة من جزيئات الطعام ويحلل الجسيم الحال Lysosome العضيات الخلوية والجزيئات الكبرية Macromolecules، أيضًا لدينا الشبكة الإندوبلازمية (السيتوبلازمية الداخلية) Endoplasmic Reticulum التي تساعد في بناء الأغشية ونقل البروتينات في جميع أنحاء الخلية.
الخلية حقيقية النواة
لكن، ما هي السمات التي تجمع كل هذه العضيات؟ ولماذا كان تطور ثلاثة عضيات رئيسية (النواة والمتقدرات والبلاستيدات الخضراء) أساسيًا في تطور حقيقيات النواة الحالية؟
ما الذي يُعرف (يُحدد) العضية؟
بالإضافة إلى النواة، تمتلك الخلايا حقيقية النواة العديد من العضيات الأخرى كالمتقدرات والبلاستيدات الخضراء والشبكة الإندوبلازمية وجهاز جولجي والجسيمات الحالة. كل واحدة من هذه العضيات تقوم بوظيفة محددة وأساسية من أجل بقاء الخلية.
علاوة على ذلك، نجد أن معظم العضيات في الخلايا حقيقية النواة معزولة عن الفضاء الخلوي (أي السيتوبلازما الخلوية) بغشاء يحيط بها، بنفس الطريقة التي تفصل بها الجدران الداخلية الغرف داخل المنزل الواحد، وإن معظم الأغشية التي تحيط بالعضيات الخلوية تتألف بشكل أساسي من طبقة دهنية (ليبيدية) مضاعفة، والتي تكون مشابهة (وليست مطابقة) بشكل كبير للغشاء الخارجي الذي يغلف الخلية بالكامل. وبالمجمل، فإن المساحة الكلية للأغشية الداخلية (التي تُغلف العضيات) تفوق بكثير تلك التي يشغلها الغشاء البلازمي الخارجي (الغشاء الذي يغلف الخلية بالكامل).
وتمامًا كالغشاء الخارجي للخلية، نجد أن أغشية العضيات تعمل بشكل أساسي للحفاظ على المكونات الداخلية والخارجية كل في مكانه. وبفضل هذا التقسيم يُسمح لأنواع مختلفة من التفاعلات البيوكيميائية بالحدوث في العضيات المختلفة.
وبالرغم من أن كل عضية تقوم بوظائف مختلفة متخصصة في الخلية، نجد أن جميع العضيات تعمل معًا في نمط متكامل لتلبية كافة احتياجات الخلية. فمثلًا: تنقل التفاعلات البيوكيميائية في متقدرات الخلية الطاقة من الأحماض الدسمة وجزيئات البيروفات إلى جزيء غني بالطاقة يدعى بـ الأدينوزين ثلاثي الفوسفات ATP.
وبالتالي، تستخدم بقية العضيات الخلوية هذا الـ ATP كمصدر للطاقة التي تحتاجها للقيام بوظائفها. وبفضل الأغشية التي تحيط بمعظم المعضيات، تكون هذه العضيات واضحة البنية عند التكبير وسهلة التصور، فمثلًا: يستخدم العلماء المجهر الإلكتروني عالي الدقة لأخذ لقطات خلال مقاطع عرضية رقيقة أو شرائح رقيقة من الخلية، وبهذه الطريقة يمكنهم رؤية التفاصيل البنيوية (الهيكلية) والسمات الرئيسية للعضيات المختلفة كالحجرات الطويلة والرقيقة من الشبكة الإندوبلازمية أو الكروماتين المطوي داخل النواة.
وبالتالي فإن صورة مجهرية إلكترونية تزودنا بمخطط متقن عن البنى الداخلية للخلية. كما ساعدت العديد من التقنيات المجهرية الأقل قوة من المجهر الإلكتروني ولكن مترافقة مع صبغات (ملونات) خاصة بكل عضية الباحثين على رؤية بنية كل عضية بشكل أوضح، بالإضافة إلى توزع مختلف العضيات ضمن الخلية.
الخلايا الحية
رغم تشابه العضيات ضمن الخلية مع الغرف في المنزل، إلا أنها وعلى عكس الغرف، غير ثابتة، فبدلًا من ذلك تكون العضيات في حركة مستمرة، إما إلى مكان محدد ضمن الخلية، أو تندمج أحيانًا مع عضيات أخرى، كما يمكن أن تنمو بزيادة أو نقصان في الحجم. يمكن لهذا التغيير في البنى الخلوية أن يُلاحظ بتقنيات الفيديو المجهرية، والتي توفر أفلامًا لكن منخفضة الدقة للعضيات كافة أثناء حركتها داخل الخلية.
لماذا النواة مهمة جدًا؟
من بين جميع العضيات الخلوية، نجد أن النواة هي الأكثر أهمية. في الواقع، إن مجرد وجود النواة هو أحد السمات الرئيسية التي تميز الخلايا حقيقية النواة.
وتعود أهمية النواة إلى كونها مكان وجود الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين DNA فضلًا عن كونها مكان نسخه أيضًا.
نعلم أن الـ DNA يملك المعلومات الوراثية المطلوبة لبناء البروتينات الخلوية، وفي حقيقيات النواة، نجد أن الغشاء الذي يحيط بالنواة – والذي يدعى بـ الغلاف النووي Nuclear Envelope – يفصل الـ DNA عن آليات تركيب البروتين في الخلية، والتي تحدث في السيتوبلازما Cytoplasm، إلا أن ثقوبًا صغيرة في الغلاف النووي تدعى بـ المسام النووي Nuclear Pores تسمح لاحقًا بشكل انتقائي لبعض الجزيئات الكبرية بالدخول والخروج من النواة متضمنة جزيئات الـ RNA التي تحمل المعلومات من الـ DNA النووي إلى مراكز تصنيع البروتين في السيوبلازما.
هذا الفصل بين مكان وجود الـ DNA ومكان آليات اصطناع البروتين يزود الخلايا حقيقة النواة برقابة تنظيمية أكثر تعقيدًا على إنتاج كل من البروتينات والـ RNA. في المقابل، نجد أن DNA الخلايا بدائية النواة Prokaryotic Cells مبعثر بشكل حر في السيتوبلازما جنبًا إلى جنب مع آليات اصطناع البروتين. يسمح هذا التقارب لبدائيات النواة بالاستجابة السريعة للتغيرات البيئية من خلال التغيير السريع لنوع وكمية البروتينات المصطنعة في الخلية.
في الواقع، من المرجح أن حقيقيات النواة قد تطورت نتيجة علاقة تكافئية بين خليتين من بدائيات النواة (اندماج خليتين بدائيتي النواة؛ خلية مندمجة وخلية مُضيفة)، والتي من خلالها تمكنت المادة الوراثية DNA لخلية بدائية النواة (الخلية المندمجة) من الانعزال عن السيتوبلازما من خلال تشكيل غلاف نووي، وفي النهاية تشكيل النواة. وبمرور الوقت، يمكن لأجزاء من DNA الخلية بدائية النواة الأخرى (الخلية المضيفة) المنتشرة في السيتوبلازما أن تتحد مع النواة الجديدة للخلية حقيقية النواة الجديدة المتشكلة، ويمكن أن تبقى منفصلة.
لماذا البلاستيدات الخضراء والمتقدرات عضيات مميزة؟
إلى جانب النواة، تلعب المتقدرات والبلاستيدات الخضراء دورًا مهمًا بشكل خاص في الخلايا حقيقية النواة، وتُحاط هذه البنى المميزة بغشاء مضاعف، ومن المعتقد أن نشأتها تعود إلى الزمن الذي كانت فيه جميع الأحياء على الأرض متعضيات وحيدة الخلية!
في ذلك الوقت، قامت بعض الخلايا حقيقية النواة كبيرة الحجم وذات الأغشية المرنة باجتياح الجزيئات والخلايا الأصغر وأكلها وبذلك يعتقد العلماء أن المتقدرات والبلاستيدات الخضراء نشأت نتيجة لهذه العملية.
وعلى وجه الخصوص، يعتقد الباحثون بأن بعض هذه الخلايا حقيقية النواة الـ(مُلتهِمة) كان اجتياحها على الخلايا بدائية النواة الأصغر حجمًا، وتدريجيًا بمرور الزمن، نشأت علاقة تكافئية بينهما.
عندما تُلتهم الخلية طلائعية النواة، فإنها تستمر في توليد الطاقة والقيام بوظائفها الخلوية الضرورية، وفي نفس الوقت، تبدأ الخلية حقيقية النواة المُلتهِمة لها بالاعتماد على هذه المساهمة من الخلية المُلتهَمة.
وعلى مدى الأجيال، تبدأ الأنسال الجديدة من الخلايا حقيقية النواة بتطوير الآليات المناسبة من أجل التكيف الأمثل مع هذه العملية، ويتزامن ذلك مع خسارة الخلية طلائعية النواة قدرتها على النجاة بنفسها، متطورةً إلى ما يُعرف اليوم بالمتقدرات والبلاستيدات الخضراء. يُعرف هذا المنشأ المُقترح عن أصل المتقدرات والبلاستيدات الخضراء بـ نظرية النشوء التعايشي Endosymbiotic Hypothesis.
الخلايا حقيقية النواة
بالإضافة إلى الأغشية المضاعفة، تحتفظ المتقدرات والبلاستيدات الخضراء أيضًا بجينوم Genome صغير يتشابه مع ذلك الموجود لدى بدائيات النواة الحالية، وهو ما يُعتبر دليلًا إضافيًا على أن أصل هذه العضيات يعود إلى كائنات حيّة وحيدة الخلية مكتفية ذاتيًا!
اليوم، يمكنك أن تجد المتقدرات في كل من الفطريات والنباتات والحيوانات، إذ تقوم باستهلاك الأكسجين وإنتاج الطاقة على شكل جزيئات ATP، والتي تستخدمها الخلية للقيام بوظائفها. وبذلك، يعتقد العلماء أن المتقدرات قد تطورت من طلائعيات نواة هوائية Aerobic (أي مستهلكة للأكسجين).
بالمقابل، نجد البلاستيدات الخضراء في الخلايا النباتية وبعض الطحالب، إذ تقوم بتحويل الطاقة الشمسية إلى سكاكر خازنة للطاقة كالجلوكوز. وكما هو معلوم فإن البلاستيدات الخضراء تنتج الأكسجين، ما يجعلها ضرورية لجميع أشكال الحياة على الأرض.
وبذلك، يعتقد العلماء أن الصانعات الخضراء قد تطورت من بدائيات نواة ضوئية (أي تقوم بعملية التركيب الضوئي) مشابهة لـ البكتيريا الزرقاء Cyanobacteria في يومنا هذا. واليوم، فنحن نصنف بدائيات وحقيقيات النواة بالاعتماد على الاختلاف في محتواها الخلوي.
كيف تتعامل الخلايا حقيقية النواة مع الطاقة؟
تتمكن الخلايا حقيقية النواة بفضل المتقدرات من القيام باستهلاك أكثر فعالية لجزيئات الطعام من نظيرتها طلائعيات النواة، وذلك بسبب قدرة هذه المتعضيات على توسيع مساحة الغشاء المستخدم في إنتاج الطاقة بشكل كبير.
إضافةً إلى ذلك، تستخدم المتقدرات آلية تدعى بـ الاستقلاب الهوائي Oxidative Metabolism من أجل تحويل الطعام إلى طاقة، وينتج الاستقلاب الهوائي طاقة أكبر بكثير من أجل كل جزيئة طعام منه في حالة الاستقلاب اللاهوائي. وبالإضافة أيضًا، نجد أن الخلايا التي تملك متقدرات يمكنها تحمل كبر الحجم أكثر منه في حالة الخلايا الخالية من المتقدرات.
داخل الخلايا حقيقية النواة، تؤدي المتقدرات إلى حد ما دور البطارية، إذ تقوم بتحويل الطاقة من شكل إلى آخر؛ من عناصر غذائية في الطعام إلى جزيئات ATP. وفقًا لذلك، فإن الخلايا ذات الحاجة الاستقلابية العالية يمكنها تلبية احتياجاتها العالية للطاقة من خلال زيادة عدد المتقدرات لديها، فمثلًا: تمتلك الخلايا العضلية لدى الأشخاص الذين يتمرنون بانتظام أعدادًا أكبر من المتقدرات منه في حالة الأشخاص كثيري الجلوس.
من ناحية أخرى، لا تمتلك بدائيات النواة المتقدرات من أجل إنتاج الطاقة، لذلك سيكون عليها الاعتماد على بيئتها الحالية من أجل تأمين الطاقة القابلة للاستخدام.
تستخدم طلائعيات النوى إجمالًا سلاسل نقل الإلكترون ETC على غشائها البلازمي لتأمين معظم الطاقة التي تحتاجها، وإن الجهات المانحة والمستقبلة لسلاسل نقل الإلكترون هذه تختلف كثيرًا بشكل يعكس البيئة التي تعيش فيها الخلية بدائية النواة.
وبسبب التحديات المرتبطة بإنتاج الطاقة، نجد أن حجم بدائيات النواة محدود، فبنمو الخلية وزيادة حجمها، ستزداد احتياجاتها للطاقة أيضًا. وكذلك فإنه عند زيادة حجم الخلية، ستزداد مساحة سطحها وبالتالي تزداد المساحة التي يتم من خلالها استهلاك المواد الغذائية ونقل الإلكترونات، إلا أنه بالرغم من ذلك، فإن هذه الزيادة في مساحة السطح لا تتناسب مع الزيادة الحاصلة في الحجم، وبالتالي، نجد أن الخلايا بدائية النواة تميل لأن تكون صغيرة الحجم من أجل تحقيق التوازن بين الطاقة المُنتَجة وما تحتاجه منها.
الخلاصة
تختص العضيات بوظائف مختلفة ضمن الخلية حقيقية النواة، مثل: إنتاج الطاقة، والتركيب الضوئي، وبناء الأغشية. معظم هذه العضيات هي عضيات غشائية تحدث عندها أنواع محددة من التفاعلات البيوكيميائية.
للنواة أهمية خاصة في الخلية حقيقية النواة؛ لأنها مخزن المادة الوراثية DNA في الخلية. لدينا أيضًا المتقدرات والبلاستيدات الخضراء التي تلعب دورًا مهمًّا في تحويل الطاقة والتي يُعتقد أن لها أصلًا تطوريًا كمتعضيات وحيدة الخلية.
اقرأ أيضًا:
- كيف يكون انتحار الخلية جزءًا أساسيًا لاستمرار الحياة؟
- العلماء يشهدون تطور طحالب وحيدة الخلية إلى متعضيات متعددة الخلايا
- علماء يكتشفون الساعة الداخلية للخلايا الحية
ترجمة: وائل المشنتف
تدقيق: ماجدة زيدان
