العلوم الحياتية

نسخ وتكاثر الكائنات الحية

نسخ وتكاثر الكائنات الحية

ما هو النسخ والتكاثر؟

الاستنساخ هو عملية تتكاثر بها الكائنات الحية، وبشكل عام يعد الاستنساخ أحد أهم المفاهيم في علم الأحياء، فهو يعني عمل نسخة وبالتالي توفير استمرار وجود الأنواع، وعلى الرغم من أن التكاثر غالبًا ما يُنظر إليه فقط من حيث إنتاج النسل في الحيوانات والنباتات، فإن المعنى الأكثر عمومية له أهمية أكبر بكثير للكائنات الحية.

لتقدير هذه الحقيقة يجب النظر في أصل الحياة وتطور الكائنات الحية، ويجب أن تكون إحدى الخصائص الأولى للحياة التي ظهرت في العصور البدائية هي قدرة نظام كيميائي بدائي على عمل نسخ من نفسه، ولذلك في أدنى مستوياته يكون التكاثر هو التكاثر الكيميائي، ومع تقدم التطور لا بد أن تكون الخلايا ذات المستويات الأعلى من التعقيد قد نشأت وكان من الضروري للغاية أن تكون لديها القدرة على تكوين تشابه بين نفسها.

في الكائنات أحادية الخلية تعني قدرة الخلية الواحدة على إعادة إنتاج نفسها تكاثر فرد جديد، ومع ذلك فهذا يعني في الكائنات متعددة الخلايا النمو والتجدد، حيث تتكاثر الكائنات متعددة الخلايا أيضًا بالمعنى الدقيق للكلمة أي أنها تصنع نسخًا من نفسها في شكل ذرية، لكنها تفعل ذلك بعدة طرق ويشتمل العديد منها على أعضاء معقدة وآليات هرمونية معقدة.

مستويات التكاثر:

التكاثر الجزيئي:

يتم تخزين الخصائص التي يرثها الكائن الحي إلى حد كبير في الخلايا كمعلومات وراثية في جزيئات طويلة جدًا من الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA)، في عام 1953 ثبت أن جزيئات الحمض النووي تتكون من خيطين متكاملين، حيث يمكن لكل منهما عمل نسخ من الأخرى، وتشبه الخيوط جانبين من السلم الملتوي بطوله على شكل حلزون مزدوج (زنبرك)، إذ تتكون الدرجات التي تصل بين جانبي السلم من قاعدتين طرفيتين، وهناك أربع قواعد في الحمض النووي: الثايمين والسيتوزين والأدينين والجوانين.

في منتصف كل درجة ترتبط قاعدة من خيط واحد من الحمض النووي برابطة هيدروجينية بقاعدة الخيط الآخر، ولكن لا يمكن أن يقترنوا إلا بطرق معينة: يتزاوج الأدينين دائمًا مع الثايمين، والجوانين مع السيتوزين، وهذا هو السبب في اعتبار خيط واحد من الحمض النووي مكملًا للآخر.

تضاعف الحلزونات المزدوجة نفسها عن طريق الفصل في مكان واحد بين الخيوط وتصبح غير متصلة بشكل تدريجي، وعندما ينفصل أحد الخيطين عن الآخر ويكتسب كل خيط قواعد تكميلية جديدة حتى يصبح كل خيط في النهاية حلزونًا مزدوجًا جديدًا مع حبلا تكميليًا جديدًا ليحل محل الأصلي، ونظرًا لأن الأدينين يقع دائمًا في مكان مقابل الثايمين والجوانين المعاكس للسيتوزين فإن العملية تسمى تكرار القالب، حيث يعمل أحدهما كقالب للآخر، كما يجب إضافة أن الخطوات التي تنطوي على ازدواجية الحمض النووي لا تحدث بشكل تلقائي إذ تتطلب محفزات في شكل إنزيمات تعزز عملية النسخ المتماثل.

يعمل تسلسل القواعد في جزيء (DNA) بمثابة رمز يتم من خلاله تخزين المعلومات الجينية، وباستخدام هذا الكود يقوم الحمض النووي بتخليق خيط واحد من الحمض النووي الريبي (RNA)، وهي مادة تشبه هيكليًا الحمض النووي لدرجة أنها تتشكل أيضًا عن طريق تكرار قالب الحمض النووي، حيث يعمل الحمض النووي الريبي كمرسل لنقل الشفرة الجينية إلى تلك الأماكن في الخلية، حيث يتم تصنيع البروتينات.

إن الطريقة التي يتم بها ترجمة (RNA) المرسال إلى بروتينات معينة هي عملية رائعة ومعقدة، إذ تمكن القدرة على تصنيع الإنزيمات والبروتينات الأخرى الكائن الحي من صنع أي مادة كانت موجودة في الجيل السابق، كما يتم إعادة إنتاج البروتينات مباشرة ومع ذلك يتم إنتاج مواد أخرى مثل الكربوهيدرات والدهون والجزيئات العضوية الأخرى الموجودة في الخلايا، عن طريق سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي يتحكم فيها الإنزيم، ويتم اشتقاق كل إنزيم في الأصل من الحمض النووي عبر الحمض النووي الريبي المرسال، ونظرًا لأن جميع المكونات العضوية التي تصنعها الكائنات الحية مشتقة في النهاية من الحمض النووي، فإن جزيئات الكائنات الحية تتكاثر تمامًا من خلال كل جيل متتالي.

طرق تكاثر الخلايا:

لا يتم إعادة تصنيع المكونات الكيميائية للسيتوبلازم (ذلك الجزء من الخلية خارج النواة) من الحمض النووي في كل مرة تنقسم فيها الخلية، وهذا لأن كل خلية من خليتين ابنتيتين تتشكلان أثناء انقسام الخلي، حيث ترث عادة حوالي نصف المادة الخلوية من الخلية الأم، وهي مهمة لأن وجود الإنزيمات الأساسية يمكّن الحمض النووي من التكاثر حتى قبل ذلك لقد صنعت الإنزيمات اللازمة للقيام بذلك.

تحتوي خلايا الكائنات الحية الأعلى على هياكل معقدة وفي كل مرة تقسم الخلية يجب تكرار الهياكل، إذ تختلف طريقة الازدواجية لكل هيكل وفي بعض الحالات لا تزال الآلية غير مؤكدة، وإحدى الظواهر المدهشة والمهمة هي تكوين غشاء جديد، على الرغم من أن أغشية الخلايا رقيقة جدًا ويبدو أن لها شكلًا وبنية بسيطة، إلا أنها تحتوي على العديد من الإنزيمات وهي مواقع للنشاط الأيضي الكبير، كما أن هذا لا ينطبق فقط على الغشاء المحيط بالخلية، ولكن على جميع الأغشية داخل الخلية، إذ لا يمكن تمييز الأغشية الجديدة التي يبدو أنها تتشكل بسرعة عن الأغشية القديمة.

وبالتالي فإن تكوين خلية جديدة ينطوي على مزيد من التوليف للعديد من المكونات التي كانت موجودة في الخلية الأم، وهذا يعني أن جميع المعلومات والمواد اللازمة لخلية لتتكاثر نفسها يجب أن توفرها المكونات الخلوية والحمض النووي الموروث من الخلية الأم.

الانشطار الثنائي:

من بين الأنواع المختلفة لانقسام الخلايا فإن الأسلوب الأكثر شيوعًا هو الانشطار الثنائي، وهو تقسيم الخلية إلى جزأين منفصلين ومتشابهين ففي البكتيريا (بدائيات النوى)، يتكاثر الكروموسوم (الجسم الذي يحتوي على الحمض النووي والبروتينات المرتبطة به) ثم ينقسم إلى قسمين، وبعد ذلك يتشكل جدار الخلية عبر الخلية الأم الممتدة.

في الكائنات الحية الأعلى (حقيقيات النوى)، يوجد أولاً تكرار متقن ثم فصل للكروموسومات (الانقسام)، وبعد ذلك ينقسم السيتوبلازم إلى قسمين، وفي الخلايا ذات الجدران الصلبة للنباتات العليا تتشكل الصفيحة المتوسطة وتقسم الخلية الأم إلى جزأين في الخلايا الحيوانية التي ليس لها جدار صلب ويقوم غشاء رقيق بقرص الخلية إلى قسمين مثل فصل قطرتين سائلتين، كما توفر خلايا الخميرة الناشئة استثناءً مثيرًا للاهتمام، ففي هذه الفطريات يشكل جدار الخلية فقاعة تصبح محتقنة بالسيتوبلازم حتى تصل في النهاية إلى حجم الخلية الأصلية، ثم تنقسم النواة وتنتقل إحدى النوى البنت إلى البرعم وفي النهاية تنفصل الخليتان.

في بعض حالات الانشطار الثنائي قد يكون هناك انقسام حشوي غير متكافئ مع تقسيم متساوٍ للكروموسومات، إذ يحدث هذا في الواقع في عدد كبير من الكائنات الحية الأعلى خلال الانقسام الاختزالي، وهي العملية التي تتشكل بها الخلايا الجنسية (الأمشاج)، حيث في الأصل يكون كل كروموسوم في الخلية في زوج (ثنائي الصبغيات) وخلال الانقسام الاختزالي يتم فصل هذه الأزواج ثنائية الصبغيات من الكروموسومات بحيث تحتوي كل خلية جنسية على واحد فقط من كل زوج من الكروموسومات (أحادية الصيغة الصبغية).

خلال التقسيمين الانتصائيين المتعاقبين المشاركين في إنتاج البيض يتم تحويل خلية بويضة ثنائية الصبغية البدائية إلى بيضة أحادية العدد وثلاثة أجسام قطبية صغيرة أحادية الصيغة الصبغية (خلايا دقيقة)، وفي هذه الحالة تتلقى البويضة سيتوبلازمًا أكثر بكثير من الأجسام القطبية.

الانشطار المتعدد:

تنقسم بعض الطحالب وبعض الطحالب الأولية وعفن الوحل الحقيقي (Myxomycetes) بانتظام عن طريق الانشطار المتعدد، ففي مثل هذه الحالات تخضع النواة للعديد من الانقسامات الانقسامية، مما ينتج عنه عدد من النوى وبعد اكتمال الانقسامات النووية ينفصل السيتوبلازم وتصبح كل نواة مغلفة في غشاء خاص بها لتشكيل خلية فردية، في (Myxomycetes) ينتج عن اندماج اثنين من الأمشاج أحادية الصيغة الصبغية أو اندماج اثنين أو أكثر من الزيجوتات ثنائية الصبغيات (الهياكل التي تنتج من اتحاد خليتين جنسيتين) تكوين بلازموديوم وهي كتلة متحركة متعددة النوى من السيتوبلازم.

توجد النوى في مخلوط أي لا توجد حدود خلوية وتتدفق النوى بحرية في البلازموديوم المتحرك، وعندما تتغذى تتضخم البلازموديوم وتنقسم النوى بشكل متزامن مرة واحدة كل 24 ساعة، وقد يصبح البلازموديوم كبيرًا جدًا به ملايين النوى، ولكن في النهاية عندما تكون الظروف مناسبة فإنه يشكل سلسلة من النتوءات الصغيرة كل منها يصبح جسمًا صغيرًا مثمرًا (بنية تحمل الأبواغ)، وخلال هذه العملية تخضع النوى للانقسام الاختزالي ثم يتم عزل النوى أحادية الصيغة الصبغية النهائية في جراثيم غير نواة (أجسام تناسلية).

تكاثر الكائنات وحيدة الخلية:

في الكائنات الحية وحيدة الخلية (على سبيل المثال البكتيريا والأوليات والعديد من الطحالب وبعض الفطريات) يكون تكاثر الكائن الحي وتكاثر الخلية مترادفين؛ لأن الخلية هي الكائن الحي بأكمله، حيث تختلف تفاصيل العملية اختلافًا كبيرًا من شكل إلى آخر وإذا تم تضمين الأوالي الهدبية الأعلى فيمكن أن تكون معقدة للغاية.

كما من الممكن أن يكون التكاثر لاجنسي عن طريق الانقسام البسيط، ففي الكائنات أحادية الخلية الجنسية يمكن إنتاج الأمشاج عن طريق الانقسام (غالبًا الانشطار المتعدد كما هو الحال في العديد من الطحالب)، وكما هو الحال في الخمائر عن طريق تحويل الكائن الحي إلى مشيج ودمج نواته مع جار من الجنس الآخر عملية تسمى الاقتران.

في الأوليات الهدبية (على سبيل المثال، Paramecium) تتضمن عملية الاقتران تبادل نوى أحادية العدد، حيث يكتسب كل شريك جهازًا نوويًا جديدًا نصفه مشتق وراثيًا من رفيقه، وتنفصل الخلايا الأم ثم تتكاثر لاحقًا عن طريق الانشطار الثنائي، إذ أن الجنس موجود حتى في البكتيريا البدائية، حيث يمكن نقل أجزاء من كروموسوم خلية إلى أخرى أثناء التزاوج.

السابق
فقر الدم اللاتنسجي الوراثي
التالي
النمط الوراثي