CALM/arwiki huggingface dataset:
تقف ظاهرة الخليط الحماسي ضد فكرة نقاء السلالة. إلا أنه على الجانب الآخر، قد يؤدي الاصطفاء المختلط للحيوانات المختلطة أو الهجينة إلى تراجع الجودة. استفادت الدراسات في علم وظائف الأعضاء التطوري وعلم الوراثة السلوكي ومجالات أخرى من علم الأحياء من الاصطفاء الاصطناعي العمدي، إلا أن طول الزمن الجيلي والصعوبات الكبيرة في الاصطفاء تجعل من هذا المشروع تحد كبير في الفقاريات.
اصطفاء النباتات.
الاصطفاء التقليديّ للنبات.
يُعتب الانتخاب إحدى التقنيات الرئيسة لاصطفاء النبات، أي عملية إنماء نبات معين بصفات مرغوبة والقضاء على الأفراد التي تحتوي على صفات غير مرغوبة. من التقنيات الأخرى للاصطفاء، تقنية التوالد البينيّ (العبور) العمديّ بين أفراد متقاربة أو متباعدة من أجل إنتاج محصول جديد أو خطوط إنتاج بخصائص مرغوبة. تُخلط النباتات لتقديم صفات/جينات من تشكيلة واحدة أو من خط إلى خلفيّة وراثيّة جديدة. على سبيل المثال، البازلاء المقاومة للعفولة يمكن خلطها مع بازلاء غزيرة المحصول ولكنها تُصاب بالعفولة، ويكون الهدف من هذا الخلط هو إنتاج محصول غزير ومقاوم للعفولة في نفس الوقت.
الاصطفاء بمساعدة علامة.
في بعض الأحيان، يمكن أن تؤثِّر مجموعة جينات على الصفة المرغوبة في اصطفاء النبات. يمكن أن نستفيد من العلامات الجزيئيّة والبصمة الوراثيّة من أجل بناء خريطة لآلاف الجينات. يسمح ذلك لمنتخبي النبات أن يمسحوا جماعات كبيرة من النباتات التي تمتلك الصفة محل الاهتمام. يُبنى هذا المسح على حضور أو غياب جين معيَّن، عن طريق العمليات المعمليّة، بدلًا من التعرُّف البصريّ على الصفة المُعبَّر عنها في النبات. إن الغرض من الاصطفاء بمساعدة علامة، أو من تحليل جينوم النبات، هو تحديد موقع ووظيفة (نمط ظاهريّ) للجينات المتنوِّعة خلال الجينوم. لكل النباتات أحجام وأطوال مختلفة للجينوم، بوجود عدد من الجينات تُشفِّر لصنع البروتينات، منها المختلف، ولكن العديد منها متماثل.
الاصطفاء العكسيّ والصيغة الصبغيّة الأحاديّة المزدوجة.
يمكن إنتاج النباتات متماثلة الزيجوت ذات الصفات المرغوبة من نباتات ابتدائيّة مغايرة الزيجوت، إذا كانت الخليّة أحاديّة الصيغة الصبغيّة تحتوي على ألائل لتلك الصفات يمكن إنتاجها، وتُستخدم بعد ذلك لصنع أحاديّ الصيغة الصبغيّة مزدوج. يكون الكروموسوم أحاديّ الصيغة الصبغيّة المزدوج متماثل الزيجوت للصفات المرغوبة. فضلًا عن ذلك، يمكن استخدام نباتين متماثلي الزيجوت مصنوعين بتلك الطريقة لإنتاج جيل (هجين ف1 ) من النباتات حيث يكون له مميزات تباين الزيجوت ومدى أوسع من الصفات الممكنة. ولذلك، فإن الفرد متباين الزيجوت المختار للصفات المرغوبة يمكن تحويله إلى تشكيلة متباينة الزيجوت (هجين ف1) دون ضرورة التكاثر الخضريّ لكن كنتيجة إلى عبور خطين متماثلي الزيجوت/أحدايي الصيغة الصبغيّة مزدوجين مشتقين من النبات المختار أوليًّا. باستخدام هذا النبات يمكن إنتاج أجيال أو خطوط نبات أحاديّ الصيغة الصبغيّة أو أحاديّ الصيغة الصبغيّة مزدوج. يقلل ذلك من التنوُّع الوراثيّ الموجود بين أنواع النبات من أجل اصطفاء الصفات المرغوبة التي ستزيد صلاحيّة أفراد النبات. يقلل استخدام هذه الطريقة من الحاجة إلى توليد أجيال عديدة من النبات من أجل الحصول على الجيل ذي الصفات المرغوبة، وبالتالي توفير الوقت المستهلك في العمليّة.
دور اصطفاء النبات في الزراعة العضويّة.
يدعي منتقدو الزراعة العضويّة أنها قليلة المحصول لدرجة لا تمكنها من أن تكون بديلة للزراعة التقليديّة. ربما يكون جزء من هذا الأداء الضعيف نتيجة لزراعة تشكيلة سيئة التكيُّف. تُقدَّر نسبة 95% من الزراعة العضويّة بأنها مبنية على تشكيلة متكيِّفة تقليديًّا، إلا أن بيئات الإنتاج وجدت أن المزارع التقليديّة تختلف عن المزارع العضويّة بصورة شاسعة؛ بسبب ممارساتها التحكُّميّة المميزة. حيث يمتلك المزارعون العضويّون مدخلاتٍ أقل من المزارعين التقليديّين للتحكُّم في بيئات إنتاجهم.
هناك القليل من برامج الاصطفاء حاليًا موجهة لتحسين الزراعة العضويّة، وحتى وقت قريب كانت البرامج التي تخاطب هذا القطاع معتمدة على الانتخاب غير الموجَّه (انتخاب بيئات تقليديّة لصفات كانت تُعتبر مهمة للزراعة العضويّة). ولأن الاختلاف بين البيئات العضويّة والتقليديّة كبير، ربما يؤدي النمط الوراثيّ أداءً مختلفًا كليًّا في كل بيئة بسبب التفاعل بين الجينات والبيئة. وإذا كان هذا التفاعل شديد بما فيه الكفاية، ربما لا تظهر الصفة المهمة المطلوبة للبيئة العضويّة في البيئة التقليديّة، مما يؤدي إلى انتخاب أفراد ضعيفة التكيُّف. ولضمان التعرُّف على التشكيلات الأكثر تكيُّفًا، يدعم مؤيدو الاصطفاء العضويّ استخدام الانتخاب الموجَّه.
هناك العديد من التقنيات الكلاسيكيّة والحديثة للاصطفاء يمكن استخدامها من أجل تحسين المحصول في الزراعة العضويّة بالرغم من الحظر الواقع على الكائنات المُعدَّلة وراثيًّا. على سبيل المثال، تسمح التعابرات المضبوطة بين الأفراد بالحصول على تنوُّعٍ جينيٍّ مرغوبٍ ليُخلط ويُنقل إلى سلالة البذور خلال العمليات الطبيعيّة. يمكن توظيف الاصطفاء بمساعدة العلامات كأداة تشخيصيّة لتسهيل انتخاب السلالة التي تحتوي على الصفات المرغوبة، مما يُسرِّع عمليات الاصطفاء. أثبتت هذه التقنية نفعها لجينات المقاومة وإدخالها إلى خلفيّة وراثيّة جديدة، بالإضافة إلى الانتخاب الكفء لجينات المقاومة في الفرد الواحد. لسوء الحظ، العلامات الجزيئيّة ليست متاحة حاليًا للعديد من الصفات المهمة، خاصة الصفات المُعقَّدة التي يتحكَّم بها العديد من الجينات.
الاصطفاء الاصطناعي في الأحياء المائية.
يقدم الاصطفاء الاصطناعي آمالا كبيرة في التحسينات الجينية للأسماك والمحار. على عكس الأجناس الأرضية، لم يدرك البشر الفوائد الممكنة للاصطفاء الاصطناعي حتى وقت قريب. كان هذا بسبب معدل الوفاة المرتفع الذي أدى إلى اصطفاء أجناس قليلة فقط والذي بدوره أدى إلى انخفاض التوالد الداخلي، والذي أجبر المزارعين على استخدام الأجناس البرية. كان هذا واضحا في برامج الاصطفاء الاصطناعي من أجل تسريع معدل النمو، والذي أدى إلى إبطاء النمو وزيادة معدل الوفاة.
كان التحكم في دورة التكاثر أحد الأسباب الرئيسية حيث أنه مطلب أساسي لبرامج الاصطفاء الاصطناعي. لم يتحقق التكاثر الاصطناعي بسبب صعوبات التفقيس أو إطعام بعض أنواع المزارع مثل الأنقليدس ومزارع الأسماك صفراء الذيل. أحد الأسباب المشكوك فيها وراء الإدراك المتأخر لنجاح برامج الاصطفاء الاصطناعي في الأحياء المائية هو تعليم الناس المعنية والباحثين والموظفين الاستشاريين ومزارعي الأسماك. أولى تعليم علماء الأحياء المائية اهتماما أقل لعلم الجينات الكيفي ولخطط الاصطفاء الاصطناعي.
سبب آخر هو الفشل في توثيق المكاسب الجينية في الأجيال المتتابعة. هذا أدى بدوره إلى الفشل في التحديد الكمي للفوائد الاقتصادية الناتجة من برامج الاصطفاء الناجحة. توثيق التغيرات الجينية هو أمر هام للغاية حيث أنه يساعد في تنظيم مخططات الاصطفاء بشكل أفضل.
صفات الجودة في الأحياء المائية.
تُربى الأحياء المائية من أجل صفات معينة مثل معدل النمو ومعدل النجاة وجودة اللحوم ومقاومة الأمراض والعمر عند النضج الجنسي والخصوبة وصفات الصدفة مثل الحجم واللون، إلخ.
استجابة الأسماك للاصطفاء.
السلمونيات.
أظهر جيدريم (1979) أن اصطفاء سلمون الأطلسي أدى إلى زيادة في وزن الجسم بنسبة 30% لكل جيل. قام مركز الجينات بالنرويج بدراسة للمقارنة بين أداء بعض أنواع السلمون الأطلسي التي أُجري عليها الاصطفاء الاصطناعي وبين السمك البري. اشتملت الدراسة على صفات معدل النمو واستهلاك الطعام واستبقاء البروتين والاحتفاظ بالطاقة وكفاءة تحويل الطعام. كان للإسماك المصطفاة اصطناعيا ضعف معدل النمو، و40% زيادة في استهلاك الطعام، وزيادة الاحتفاظ بالبروتين والطاقة. أدى ذلك إلى زيادة 20% في كفاءة تحويل الطعام الكلية مقارنة بالأنواع البرية. تم اصطفاء السلمون الأطلسي أيضا من أجل زيادة مقاومة الأمراض البكتيرية والفيروسية. تمت عملية الاصطفاء من أجل زيادة مقاومة فيروس النخر البنكرياسي المعدي. أظهرت النتائج وجود نسبة وفيات 66.6% في الأنواع منخفضة المقاومة، بينما أظهرت الأنواع مرتفعة المقاومة نسبة وفيات 29.3% مقارنة بالأنواع البرية.
أظهر سلمون قوس قزح المرقط تحسينات كبيرة في معدل النمو بعد الاصطفاء بسبعة إلى عشرة أجيال. أظهر كينكيد (1977) أنه من الممكن الوصول إلى زيادة في معدل النمو تبلغ 30% من خلال اصطفاء سلمون قوس قزح المرقط لثلاثة أجيال. سجل كاوس (2005) زيادة 7% في النمو لكل جيل من سلمون قوس قزح المرقط.
في اليابان، تم تحقيق مقاومة مرتفعة لفيروس النخر البنكرياسي المعدي في سلمون قوس قزح المرقط من خلال الاصطفاء الاصطناعي لهذه الأنواع. أظهرت الأنواع المقاومة متوسط معدل وفيات 4.3% بينما تظهر الأنواع البرية مرتفعة الحساسية معدل وفيات 96.1%.
أظهر سلمون كوهو زيادة في الوزن بلغت أكثر من 60% بعد أربعة أجيال من الاصطفاء الاصطناعي. في تشيلي، أجرى نيرا (2006) تجارب على سلمون كوهو بعد وضع البيض حديثا. بعد الاصطفاء الاصطناعي للأسماك لأربعة أجيال، أصبح ميعاد وضع البيض مبكرا من 13 إلى 15 يوما.
الشبوطيات.
تشمل برامج الاصطفاء الاصطناعي للشبوط الشائع تحسينات في النمو والشكل ومقاومة الأمراض. استخدمت التجارب في الاتحاد السوفيتي تداخلات من الأنواع المهجنة لزيادة التنوع الجيني ومن ثم اختاروا الأنواع بناء على صفاتها مثل معدل النمو والصفات الخارجية والحيوية والتكيف مع الظروف البيئية مثل التغير في درجات الحرارة. اصطفى كيربشنيكوف (1974) وبابوشكيني (1987) الشبوطيات من أجل سرعة النمو وتحمل البرودة. أظهرت النتائج 30-40% إلى 77.4% تحسينات في تحمل البرودة ولكن لم تقدم أي بيانات عن معدل النمو. لوحظت زيادة في معدل النمو في الجيل الثاني في فيتنام. أظهر مواف وفولفارث (1976) نتائجا إيجابية عند اصطفائهم من أجل معدل النمو البطئ لثلاثة أجيال مقارنة بالاصطفاء من أجل معدل النمو السريع. أظهر شابيركلاوس (1962) مقاومة لمرض الاستسقاء كما أن الأجيال المصطفاة أظهرت معدل وفيات منخفض (11.5%) مقارنة بالأنواع البرية (57%).
سلور القنوات.
يزداد معدل النمو بنسبة 12-20% في سمك السلور عند اصطفائه اصطناعيا. حديثا، أظهر سمك سلور القنوات المصطفى اصطناعيا لتحسين معدل النمو زيادة بلغت 80% أو 13% لكل جيل.
استجابة المحار للاصطفاء.
الصدف.
أظهر اصطفاء صدف المحيط الهادئ تحسينات تتراوح من 0.4% إلى 25.6% مقارنة بالأجناس البرية. أظهرت أصداف صخرة سيدني 4% زيادة بعد جيل واحد و15% زيادة بعد جيلين. أظهرت الأصداف التشيلية المصطفاة اصطناعيا من أجل تحسين الوزن وطول الصدفة 10-13% زيادة في جيل واحد. بوناميا أوستريا هي إحدى الطفيليات التي تسبب خسائر كارثية قد تصل إلى 98% في الأصداف الأوروبية المسطحة. هذه الطفيليات وبائية للأصداف في ثلاثة مناطق من أوروبا. أظهرت برامج الاصطفاء الاصطناعي أن مقاومة الأصداف الأوروبية المسطحة تختلف باختلاف المنطقة في أوروبا. أظهرت دراسة قام بها كولوتي أن أصداف روزمور في ميناء كورك بأيرلندا تتمتع بمقاومة أكبر مقاومة بباقي الأجناس الأيرلندية. تستخدم دراسة اصطفاء اصطناعي في ميناء كورك أجناسا عمرها 3-4 سنوات من الناجين والتي تستمر مراقبتها حتى تصل نسبة معينة منها إلى حجم الأسواق. مع مرور السنوات أظهرت أصداف روزمور مقاومة أعلى لعدوى ب. أوستريا كما انخفضت نسبة الوفيات. اصطفى راجونى كالفو (2003) اصطناعيا الأصداف الشرقية بسبب مقاومتها ضد الطفيليات المنتشرة وقتها المعروفة باسم هابلوسبورديوم نلسون وبركنسوس مارينوس. حققت الأصداف مقاومة ثنائية للمرض في أربعة أجيال من الاصطفاء الاصطناعي. أظهرت الأصداف معدل نمو أسرع ومعدل نجاة أكبر كما كانت عرضة أقل للعدوى. عند نهاية التجربة، أظهر نوع س. فيرجينيا المصطفى اصطناعيا 34-48% زيادة في معدلات النجاة.
جمبري بانايد.
أظهر اصطفاء جمبري بانايد من أجل النمو نجاحا كبيرا. شهد برنامج اصطفاء اصطناعي زيادة 18% في معدل النمو بعد الجيل الرابع و21% زيادة بعد الجيل الخامس. أظهرت سلالة مارسوبينايوس جابونيكاس زيادة 10.7% في معدل النمو بعد الجيل الأول. قام أرجو (2002) بتجارب اصطفاء اصطناعي على جمبري المحيط الهادئ الأبيض في معهد المحيط في وايمانالو بالولايات المتحدة الأمريكية من 1995 إلى 1998. سجل الفريق استجابات هامة للاصطفاء مقارنة بأنواع الجمبري البرية. بعد جيل واحد، لوحظت زيادة 21% في معدل النمو و18.4% في معدل النجاة ومقاومة فيروس متلازمة تاورا. يسبب فيروس متلازمة تاورا وفيات تصل إلى 70% أو أكثر في الجمبري. في كولومبيا، قاموا باصطفاء الناجين من المرض من بحيرات بها العدوى واستخدموهم كآباء للجيل التالي. حققوا نتائج مرضية في جيلين أو ثلاثة بينما اقتربت معدلات النجاة من حالتها قبل اندلاع المرض. دفعت الخسارات الكارثية (وصلت إلى 90%) بسبب عدوى فيروسات تحت جلدية وفيروس النخر الدموي المعدي عددا من شكرات مزارع الجمبري إلى البدء في اصطفاء أنواع الجمبري المقاومة للمرض اصطناعيا. أدت النتائج الناجحة إلى ظهور الجمبري الخارق وهو أحد أنواع الجمبري المقاومة لفيروس النخر الدموي المعدي. أكد تانغ (2000) ذلك بأن أظهر عدم وجود أي وفيات في صفوف الجمبري الخارق عند تعرضها لفيروس النخر الدموي المعدي.
الأحياء البحرية في مقابل الأنواع الأرضية.
تظهر برامج الاصطفاء الاصطناعي للأحياء البحرية نتائجا أفضل مقارنة بالأنواع الأرضية. يمكن إرجاع هذه الاستجابة الأعلى لاصطفاء الأحياء البحرية في المزارع إلى التالي:
يحقق الاصطفاء الاصطناعي في الأحياء البحرية فوائد اقتصادية ملحوظة، أهمها هو أنه يقلل من تكاليف الإنتاج بسبب معدل دورات الأجيال السريع. هذا بسبب معدل النمو السريع وانخفاض معدلات الإعالة، وارتفاع استبقاء الطاقة والبروتين، وارتفاع جودة الإطعام. تطبيق مثل برامج التحسين الجيني هذه على الأحياء البحرية سيؤدي إلى ارتفاع الإنتاج من أجل تحقيق المطالب المتزايدة بسبب ارتفاع عدد السكان.
الاصطفاء الاصطناعي هو طريقة مباشرة لتحديد ما إذا كانت صفة ما ستتطور استجابة للاصطفاء. طريقة الجيل الواحد ليست دقيقة ولا مباشرة. العملية أيضا أكثر فاعلية وأسهل من عملية تحليل النسل. الاصطفاء الاصطناعي أفضل بالنسبة للصفات مثل علم وظائف الأعضاء والسلوك لكونه صعب القياس لأنه يحتاج عددا أقل للاختبار من اختبار جيل واحد.
إلا أنه هناك عيوب في هذه العملية. لأن التجربة الواحدة التي تتم في الاصطفاء الاصطناعي لا يمكن استخدامها لتقييم مجموعة كاملة من المتغيرات الجينية، لا بد أن تتم تجارب فردية لكل صفة مطلوبة. أيضا بسبب ضرورة تجارب الاصطفاء الاصطناعي فلا بد من الإبقاء على الكائنات الحية في مختبر أو دفيئة زراعية مما يجعل الأمر غير عملي عند استخدامه مع أكثر من كائن. حالات التزاوج المحكومة صعبة في هذه الحالة وهي مكون ضروري للاصطفاء الاصطناعي.
جدول التوجيه هو وسيلة مهمة تستخدم في شبكات الانترنت. حيث تقوم الموجهات (routers) بعمل مهم جداً في الشبكات ذات الفروع المتعددة إذ إنها تقوم:
1- بإرسال الإشارات من شبكة إلى أخرى حتى لو كانت هذه الشبكات مفصولة بعدد من الشبكات الفرعية.
2- توضيح أفضل الطرق من أجل الوصول السريع للجهاز المطلوب.
ويوجد في الموجهات جدول توجيه(routing table) يعتمد على عناوين الشبكات مثل أرقام بروتوكول إنترنت وفيه خارطة للمسار السريع بين الفروع والموجهات الأخرى والمسافات الفاصلة بينها.
الغرض من router هو اختبار البيانات القادمة إليه لكي يختار أحسن مسار لها ويقوم بتوجيهها معتمدا" على بروتوكول إنترنت address إضافة إلى أنه يقوم بربط تكنولوجيا الطبقة الثانية datalink layer
المختلفة مثل Ethernet و token-ring وهذه أحد أهم وظائفه.
جداول التوجيه.
يحتوي جدول التوجيه على جميع عناوين الشبكة وكيفية الاتصال بالشبكات الأخرى(بشكل مباشر أو غير مباشر)
إضافة إلى المسارات المتوفرة بين موجهات الشبكة وتكلفة إرسال البيانات عبر هذه المسارات.
تتعرف الموجهات على أرقام الشبكات التي تسمح لها بالتحدث مع غيرها من الموجهات على الشبكة، وتتعرف كذلك على عناوين الشبكات التي تنتمي لها كل بطاقة شبكة.
أنواع مداخل الموجهات.
1-Directly attached network Ids:
2- Remote network Ids:
3- Host routers:
لامانع من وضع عنوان الـ host في حقل net ID وذلك في حال كان هذا الـ host هام ونريد الاحتفاظ بطريق سهل له
حقول مداخل جدول التوجيه.
يضم كل مدخل الحقول التالية:
بحالة Directly attached network IDs نضع قيمة metric تساوي الواحد أو الصفر على اعتبار أنه لايوجد موجه بين المرسل والمستقبل
الذي يقوم ببناء الجدول.
[Route[-f][-p][command[destination][mask Netmask][Gateway][metric Metric ]if Interface
يتم إهمال هذا المتحول مع بقية الأوامر
لتحديد ما هو المدخل المستخدم للإرسال.
1- من أجل كل مدخل بجدول التوجيه نقوم بعملية and بين IP الوجهة والـ network mask ونقار النتيجة مع network ID
2- نأخذ المدخل ذو التطابق الأعلى والذي سيكون أكثر تحديدا" لعنوان الوجهة(مقدار التطابق يتمثل بعدد البتات الواحدية في (network mask)) وفي حال وجود أكثر من مدخل لهم مقدار التطابق نفسه نأخذ المدخل ذو الكلفة الأقل(أي ذو الـ metric الأقل) وفي حال وجود أكثر من مدخل لهم أصغر قيمة metric عندها يكون الموجة حر باختيار المدخل
3- لذلك كلما زاد عدد مداخل جدول التوجيه كلما صار أبطأ لذلك يمكن أحيانا" استخدام تقنية SuperNetting (SIDR).
التخمر والتخمير، عملية استخلاص الطاقة من تفاعلات الأكسدة- الاختزال للمركبات الكيميائية، والتي منها الكربوهيدرات، وباستخدام قابل إلكترون ذاتي، والذي غالباً ما يكون مركب عضوي. على النقيض، يتم منح الإلكترونات في عملية التنفس لقابل إلكترون خارجي، ومثل الأكسجين، وذلك من خلال سلسلة نقل الإلكترون. وهنا تلعب عملية التخمر دوراً مهماً في أجواء الظروف اللاهوائية، حيث لا توجد أية فسفرة تأكسدية للحفاظ على إنتاج أدينوسين ثلاثي الفوسفات بواسطة عملية التحلل. كما يتم تمثيل البيروفات إلى العديد من المركبات المختلفة في أثناء عملية التخمير. حيث تعبر عملية التخمر اللبني عن إنتاج الحامض اللبني من البيروفات؛ في حين تُعَبِّر عملية التخمر الكحولية عن تحول البيروفات إلى إيثانول وثاني أكسيد الكربون؛ إلا أن عملية التخمير اللبني المغاير هي إنتاج الحمض اللبني (اللاكتيك) بالإضافة إلى الأحماض الأخرى والكحوليات. وليس من الضروري أن يتم إجراء أو تنفيذ عملية التخمر في بيئةٍ لاهوائية. فعلى سبيل المثال، وحتى مع وجود الأكسجين الوفير، تفضل خلايا الخميرة التخمرية بصورةٍ كبيرةٍ عملية التخمر على عملية الفسفرة التأكسدية.
وتمثل السكريات الركيزة الأكثر شيوعاً لعملية التخمر، ومن أشهر الأمثلة على منتجات عملية التخمر كلٌ من الإيثانول، حمض اللاكتيك، والهيدروجين. على الرغم من ذلك، فهناك الكثير من المركبات الغريبة يمكن إنتاجها بواسطة عملية التخمر والتي منها الأسيتون. تستخدم الخميرة في عملية تخمير (المواد الغذائية) لإنتاج الإيثانول في صناعة البيرة، الخمور والمشروبات الكحولية الأخرى، والتي تسير جنباً إلى جنب مع إنتاج كمياتٍ ضخمةٍ من ثنائي أكسيد الكربون. كما تحدث عملية التخمير في عضلات الثدييات خلال فترات ممارسة النشاطات المكثفة، عندما تصبح مصادر الأكسجين محدودة، مما يؤدي إلى إنتاج حمض اللاكتيك.
ويحدث التخمر بفعل ميكروبات مثل البكتيريا والعفن والخميرة .
وعلى سبيل المثال نجد أن الفطريات أو العفن، تعمل على خليط السكر مع الأملاح المعدنية فينتج البنسلين .
وتقوم الخميرة بتحليل السكر الناتج عن الحبوب المنقوعة في الماء إلى غاز الكحول الإيثيلي وثاني أكسيد الكربون عند صناعة البيرة . وأيضا يتحلل السكر في عصير العنب بنفس الطريقة عند صناعة النبيذ. وكذلك يُعتبر التخمر جوهرياً في إنتاج الخُبز والجُبن واللبن الرائب . ولكنه قد يكون مُضرًّا في بعض الحالات، مثلما يحدث عندما يصبح الحليب المتخمر حليباً فاسداً. و تُصنع المُنتجات المُخْتمرة النافعة لبني البشر بكمياتٍ كبيرةٍ. وبالرغم من أن أنواعاً مختلفة من المواد تُنْتَج بواسطة عملية التخمُّر، إلا أن العمليات الأساسية المُتَّبعة في ذلك تبقى متماثلة.
فأولاً، تُملأ صهاريج كبيرة من الفولاذ المُقاوم للصدأ، بمحلولٍ مائيٍ من المواد الغذائية. ويْعقَّم هذا المحلول بالبخار لقتل الجراثيم غير المرغوبة، ثم تُضاف ميكروبات معيّنة إلى المحلول، لتقوم بتخمير المواد الغذائية خلال بضعة أيامٍ. هذا ويتحكم المشرفون على عملية التخمير في درجة حرارة ونوعية حمض المواد في داخل الصهاريج. وأخيراً تُصفَّى الصهاريج من السائل، وتُفْصل المُنتجات المرغوب فيها عن بقية الخليط، إما بواسطة الاستخلاص أو الترشيح، أو ببعض الوسائل الأخرى. وفي معظم الحالات تُشَكِّل المنتجات المرغوب فيها حوالي 5% فقط من الخليط الموجود في الصهاريج، ولذلك تُعتبر عملية التنقية ـ في الغالب ـ عمليةً معقدةً إلى حدٍ بعيدٍ.
كيميائية التخمر.
تحتوى منتجات التخمر على طاقةٍ كيميائيةٍ (في تتسم بأنها ليست مؤكسدة تماماً)، إلا أنها تُعتبر منتجات نفايات، حيث أنها لا يمكن تمثيلها أكثر من ذلك بدون استخدام الأكسجين (أو أي متقبلات الإلكترون عالية الاكسدة الأخرى). نتيجةً لذلك فإن إنتاج أدينوسين ثلاثي الفوسفات من خلال عملية التخمر تكون أقل كفايةٍ من الفسفرة التأكسدية، في حين يتأكسد البيروفات تماماً إلى ثاني أكسيد الكربون.
تخمر الإيثانول.
يُكَسِّرُ تخمر الإيثانول (تنفذه الخميرة وأنواعٍ أخرى من البكتريا) حمض البيروفك إلى الإيثانول وثاني أكسيد الكربون. وهو يلعب دوره الهام في صناعة الخبز، تخمر الجعة، وكذلك صناعة النبيذ. وغالباً ما يُفضل واحداً من المنتجات؛ فعلى سبيل المثال في صناعة الخبز، يستخرج الكحول من الخبز، وفي إنتاج الكحول، ينطلق ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي المحيط أو يُسْتَخْدَم لكربنة المشروبات المنعشة. وعندما يكون للبكتين تركيزاً عالياً في المخمر، يتم إنتاج كمياتٍ صغيرةٍ من الميثانول.
حيث تلخص المعادلة الكيميائية بالأسفل عملية تخمر الجلوكوز، وصيغته الكيميائية هي كالتالي: C6H12O6. حيث يتحول جزيء واحد من الجلوكوز إلى جزيئين من الإيثانول وجزيئين آخرين من ثاني أكسيد الكربون:
ونلاحظ أن الصيغة الكيميائية للإيثانول هي: C2H5OH
حيث قبل وقوع عملية التخمر، يتم تكسير جزيء جلوكوز واحد إلى جزيئين من حمض البيروفك. وتعرف تلك العملية باسم التحلل السكري.
تخمر حمض اللاكتيك.
تعبر عملية تخمر حمض اللاكتيك أو حمض اللبن عن أبسط صور التخمر. حيث أنها أساساً عبارة عن صورة من صور تفاعلات الأكسدة- الاختزال وهي تحدث في ظروف لا هوائية ولكن الاكسدة تحدث في ظروف هوائية. ففي ظل الأجواء اللاهوائية، تتمثل الآلية الأساسية لإنتاج أدينوسين ثلاثي الفوسفات في عملية التحلل السكري. حيث تقلص- تحول عملية التحلل السكري الإلكترونات إلى – NAD+، مما يكون NADH. على الرغم من ذلك، لا يتوافر سوى موردٍ محدودٍ للـ NAD+ في الخلية. ومن أجل استمرار عملية التحلل السكري، يجب أن يتم أكسدة NADH – أي يتم أخذ الإلكترونات بعيداً عنها – بهدف إعادة إنتاج NAD+. وغالباً من تقع تلك العملية من خلال سلسلة نقل الإلكترون ضمن عمليةٍ يطلق عليها الفسفرة التأكسدية؛ على الرغم من ذلك، بدون توفير الأكسجين لا يمكن إتمام تلك العملية.
بدلاً من ذلك، يمنح NADH الإلكترونات الإضافية الزائدة لجزيئات حمض البيروفك والتي تكونت خلال عملية التحلل السكري. وبما أن NADH يفقد إلكتروناته، يعاد إنتاج NAD+ والذي يصبح متاحاً مرةً أخرى لعملية التحلل السكري. وهنا يتكون حمض اللاكتيك، والذي سميت تلك العملية باسمه، من خلال تقليل أو تقلص حمض البيروفك.
ولا يتحول سوى جزيء واحد لحمض البيروفك إلى لاكتات في عملية تخمر حمض اللكتيك المغاير؛ في حين يتحول الجزيء الآخر إل إيثانول وثاني أكسيد الكربون. أما في عملية تخمر حمض اللاكتيك المماثل، فإن كلا جزئي حمض البيوفك تتحول إلى لاكتات. مما يجعل من عملية تخمر حمض اللاكتيك الصرف عمليةً فريدةً بسبب أنها واحدةٌ من عمليات التنفس والتي لا تنتج غازاً كمنتجٍ ثانويٍ.
تُكَسِّر عملية تخمر اللاكتيك الصرف حمض البيروفك إلى اللاكتات . وتقع في عضلات الحيوانات عندما تحتاج إلى طاقةٍ أسرع من الدم الذي يمدها بالأكسجين. كما أنها قد تقع كذلك في بعض أنواع البكتريا (مثل بكتريا العصيات اللبنية ) وبعض أنواع الفطريات. فهي تعبر عن ذلك النوع من البكتريا الذي يقوم بتحويل اللاكتوز إلى حمض اللاكتيك في اللبن الرايب، والذي يُكْسِبَه نكهته ومذاقه الحامضين. ويمكن تصنيف بكتريا الحامض اللاكتيكي تلك كبكتريا تخمرية صرفة، حيث يكون المنتج النهائي في أغلب الأحيان اللاكتات، أو كبكتريا تخمرية مغايرة، حيث يستقلب أو يتمثل بعضاً من اللاكتات أبعد من ذلك، وينتج عن ذلك إنتاج ثاني أكسيد الكربون، الخلات وبعض المنتجات المؤيضة الأخرى.
تتلخص عملية تخمر حمض اللاكتيك باستخدام الغلوكوز، حيث يتحول جزيء واحد فقط للغلوكوز، في عملية التخمر اللبني الصرف، إلى جزيء واحد فقط حمض اللاكتيك، جزيء واحد فقط من الإيثانول، وجزيء واحد آخر من ثاني أكسيد الكربون، كما يلي:
ثم تتقدم عملية التفاعل ضمن التخمر اللبني الصرف، وذلك مع تحول جزيءٍ واحدٍ فقط من الغلوكوز إلى جزيءٍ واحدٍ فقط من حمض اللاكتيك، جزيءٍ واحدٍ فقط من الإيثانول وكذلك جزيءٍ واحدٍ فقط من ثاني أكسيد الكربون، كما يلي:
مع ملاحظة أنه قبيل وقوع عملية التخمر اللبني الصرف، يجب انقسام جزيء الغلوكوز إلى جزيئين من حمض البيروفك. ويطلق على تلك العملية التحلل السكري.
التحلل السكري.
لاستخلاص الطاقة الكيميائية من الغلوكوز، لابد من انقسام الغلوكوز إلى جزيئين من البيروفات. تسفر تلك العملية كذلك عن إنتاج جزيئين من أدينوسين ثلاثي الفوسفات كحصيلةٍ للطاقة الفورية بالإضافة إلى جزيئين من ثنائي نيكليوتيدة الأدنين وأميد النيكوتنك (ثنائي نوكليوتيد الأدنين وأميد النيكوتين).
وتتمثل الصيغة الكيميائية لحمض البيروفات في CH3COCOO−. حيث يشير Pi إلى الفوسفات غير العضوي. وكما ظهر أمامنا في المعادلة التفاعل الكيميائية، يسبب التحلل السكري تقلصٍ لجزيئين من NAD+ إلى NADH. هذا ويتحول جزيئين من أدينوسين ثنائي الفوسفات إلى جزيئين من أدينوسين ثلاثي الفوسفات وجزيئين ماء من خلال عملية فسفرة على مستوى الركازة .
التنفس الهوائي.
يتأكسد البيروفات الناتج عن عملية التحلل السكري تماماً، في التنفس الهوائي، منتجاً أدينوسين ثلاثي الفوسفات إضافياً وكذلك ثنائي نيكليوتيدة الأدنين وأميد النيكوتنك (NADH) في دورة حمض الستريك ومن خلال الفسفرة التأكسدية. على الرغم من ذلك، لا يقع هذا إلا في وجود الأكسجين. ويتسم الأكسجين بأنه سام للكائنات الحية اللاهوائية، والغير مطلوبة من قِبَل الكائنات الحية اللاهوائية اختياراً. ففي غياب الأكسجين، تقع إحدى مسارات التخمر للسماح بإنتاج ثنائي نيكليوتيدة الأدنين وأميد النيكوتنك ( NAD+)؛ وتُعَدُ عملية تخمر حمض اللاكتيك إحدى تلك المسارات.
إنتاج غاز الهيدروجين في عملية التخمر.
يُنْتَج غاز الهيدروجين في العديد من عمليات التخمر (تخمر الحمض المختلط )، تخمر حمض بوتريك ، تخمر الكابروات ، تخمر الغليوكسيلات وتخمر البوتانول )، وذلك كطريقةٍ لإنتاج NAD+ من NADH. وتنتقل الإلكترونات إلى الفيريدوكسين، والتي تتأكسد بدورها بواسطة الهيدروجيناز، مما يُنْتِج جزيء الهيدروجين H2. وهنا يُسْتخدم غاز الهيدروجين كركيزةٍ لمولدات الميثان ومقللات السلفات، والتي تحافظ على تركيز الهيدروجين منخفضاً بصورةٍ كافيةٍ للسماح بإنتاج مثل ذلك المركب الغني بالطاقة.
ظهر أول دليلٍ ملموسٍ على وجود الطبيعة الحية للخميرة فيما بين عامي 1937 و1938 عندما ظهرت ثلاثة اصداراتٍ منشورةٍ بواسطة كاغنيارد دي لا تور، تي سوان، و إف كوتزنج، حيث توصل كلٌ منهم على حدة كنتيجةٍ لأبحاثٍ استقصائيةٍ وفحوصاتٍ مجهريةٍ أن الخميرة كانت كائناً حياً أنتجتها عملية التبرعم . وترجع جذور كلمة خميرة ، كما يجب أن نلاحظ جميعاً، إلى الكلمة اللاتينية والتي تعني الغليان (بويلنغ). وذلك ربما بسبب أن الخمر، الجعة أو البيرة، و الخبز كانوا من الطعمة الأساسية في أوروبا، وأن غالبية الدراسات الأولى عن التخمر أُجريت على الخميرة، والتي كان يتم تصنيعها (الأطعمة السابقة) بها. كما أنه تم اكتشاف البكتريا لاحقاً؛ حيث استخدم المصطلح لأول مرةٍ باللغة الإنجليزية في أواخر الأربعينيات من القرن التاسع عشر، إلا أنه لم ينتشر استخدامها بصورةٍ عامةٍ إلى مع حلول السبعينات من نفس القرن، ثم استخدمت في علاقةٍ وطيدةٍ مع نظرية الجرثومة المسببة للمرض بعد ذلك.