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IGNOU BBCET-143 Solved Question Paper PDF
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IGNOU BBCET-143 Previous Year Solved Question Paper in Hindi
Q1. (a) (i) एक चित्र की सहायता से विषाणुओं की सामान्य संरचना को समझाइए। (ii) वाइरोइड्स और प्रिऑन्स में अन्तर बताइए। (b) निम्नलिखित वैज्ञानिकों के योगदान के बारे में संक्षेप में लिखिए : (i) लुई पास्चर (ii) रॉबर्ट कोच
Ans.
(a) (i) विषाणु की सामान्यीकृत संरचना विषाणु अकोशिकीय , अविकल्पी अंतःकोशिकीय परजीवी होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे केवल एक जीवित मेजबान कोशिका के अंदर ही प्रतिकृति बना सकते हैं। एक पूर्ण, संक्रामक विषाणु कण को विरिऑन कहा जाता है। इसकी सामान्य संरचना में निम्नलिखित घटक होते हैं:
1. आनुवंशिक पदार्थ (न्यूक्लिक अम्ल): विषाणु के केंद्र में इसका आनुवंशिक पदार्थ होता है, जो या तो डीएनए (DNA) या आरएनए (RNA) हो सकता है, लेकिन दोनों कभी नहीं। यह न्यूक्लिक अम्ल एक-रज्जुक (single-stranded) या द्वि-रज्जुक (double-stranded), और रैखिक (linear) या वृत्ताकार (circular) हो सकता है। यह विषाणु की प्रतिकृति के लिए सभी आवश्यक जानकारी रखता है।
2. कैप्सिड (Capsid): यह आनुवंशिक पदार्थ के चारों ओर एक प्रोटीन का आवरण होता है। यह कैप्सोमियर्स नामक छोटी प्रोटीन उप-इकाइयों से बना होता है। कैप्सिड का मुख्य कार्य आनुवंशिक पदार्थ की रक्षा करना और मेजबान कोशिका की सतह पर संलग्न होने में मदद करना है। कैप्सिड की सममिति (symmetry) अलग-अलग हो सकती है, जैसे कि हेलिकल (helical), आइकोसाहेड्रल (icosahedral), या जटिल (complex)।
3. आवरण (Envelope): कुछ विषाणुओं, जैसे इन्फ्लूएंजा और एचआईवी, में कैप्सिड के बाहर एक लिपिड द्विपरत का आवरण होता है। यह आवरण मेजबान कोशिका झिल्ली से प्राप्त होता है। इस आवरण में वायरल ग्लाइकोप्रोटीन स्पाइक्स लगे होते हैं, जो मेजबान कोशिका की पहचान और उसमें प्रवेश करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। जिन विषाणुओं में यह आवरण नहीं होता है, उन्हें नग्न विषाणु (naked viruses) कहा जाता है।
चित्र: विषाणु की सामान्यीकृत संरचना ( परीक्षा में, एक आवरणयुक्त विषाणु का चित्र बनाएं जिसमें आनुवंशिक पदार्थ, कैप्सिड, आवरण और ग्लाइकोप्रोटीन स्पाइक्स को स्पष्ट रूप से नामांकित किया गया हो। साथ ही, एक नग्न विषाणु का चित्र भी बना सकते हैं। )
(ii) वाइरोइड्स और प्रिऑन्स में अंतर
- संरचना: वाइरोइड्स केवल छोटे, वृत्ताकार, एक-रज्जुक आरएनए (ssRNA) के अणु होते हैं। इनमें कोई प्रोटीन आवरण (कैप्सिड) नहीं होता है। इसके विपरीत, प्रिऑन्स केवल प्रोटीन के संक्रामक कण होते हैं; इनमें कोई न्यूक्लिक अम्ल (डीएनए या आरएनए) नहीं होता है। ये एक सामान्य कोशिकीय प्रोटीन (PrP C ) के गलत तरीके से मुड़े हुए (misfolded) रूप (PrP Sc ) होते हैं।
- मेजबान: वाइरोइड्स मुख्य रूप से पौधों को संक्रमित करते हैं, जैसे कि पोटैटो स्पिंडल ट्यूबर वाइरोइड। प्रिऑन्स जानवरों और मनुष्यों में रोग पैदा करते हैं, जैसे मनुष्यों में क्रुट्ज़फेल्ड-जैकब रोग (CJD) और मवेशियों में मैड काउ रोग (BSE)।
- कार्यप्रणाली: वाइरोइड्स मेजबान कोशिका के आरएनए साइलेंसिंग मार्ग में हस्तक्षेप करके रोग उत्पन्न करते हैं। प्रिऑन्स सामान्य प्रिऑन प्रोटीन को अपने जैसे गलत मुड़े हुए रूप में बदलने के लिए प्रेरित करते हैं, जिससे मस्तिष्क में प्रोटीन के गुच्छे बन जाते हैं और न्यूरोडीजेनरेशन होता है।
(b) वैज्ञानिकों का योगदान
(i) लुई पास्चर (Louis Pasteur):
- स्वतः जनन सिद्धांत का खंडन: उन्होंने अपने प्रसिद्ध “स्वान-नेक फ्लास्क” प्रयोगों के माध्यम से यह सिद्ध किया कि सूक्ष्मजीव निर्जीव पदार्थों से स्वतः उत्पन्न नहीं होते हैं, बल्कि पहले से मौजूद सूक्ष्मजीवों से आते हैं।
- पाश्चुरीकरण (Pasteurization): उन्होंने दूध और शराब जैसे तरल पदार्थों को खराब होने से बचाने के लिए उन्हें एक निश्चित तापमान पर गर्म करके हानिकारक सूक्ष्मजीवों को मारने की विधि विकसित की, जिसे पाश्चुरीकरण कहा जाता है।
- टीकाकरण (Vaccination): उन्होंने एंथ्रेक्स और रेबीज जैसी बीमारियों के लिए टीके विकसित किए, जिससे इम्यूनोलॉजी के क्षेत्र में क्रांति आ गई।
- किण्वन (Fermentation): उन्होंने प्रदर्शित किया कि किण्वन की प्रक्रिया सूक्ष्मजीवों (जैसे यीस्ट) द्वारा होती है, न कि यह एक विशुद्ध रासायनिक प्रक्रिया है।
उनके इन अपार योगदानों के कारण उन्हें
“सूक्ष्मजैविकी का जनक”
कहा जाता है।
(ii) रॉबर्ट कोच (Robert Koch):
- रोगाणु सिद्धांत (Germ Theory of Disease): उन्होंने निर्णायक रूप से सिद्ध किया कि विशिष्ट सूक्ष्मजीव विशिष्ट रोगों का कारण बनते हैं। उन्होंने एंथ्रेक्स रोग का कारण बैसिलस एन्थ्रेसिस नामक जीवाणु को बताया।
- कॉख की अभिधारणाएं (Koch’s Postulates): उन्होंने किसी सूक्ष्मजीव को किसी विशेष बीमारी का कारण सिद्ध करने के लिए चार मानदंडों का एक सेट विकसित किया। ये अभिधारणाएं आज भी संक्रामक रोगों के अध्ययन में मूलभूत हैं।
- रोगजनकों का पृथक्करण: उन्होंने तपेदिक (टीबी) के जीवाणु ( माइकोबैक्टीरियम ट्यूबरकुलोसिस ) और हैजा के जीवाणु ( विब्रियो कोलेरी ) को सफलतापूर्वक पृथक और पहचाना।
- शुद्ध संवर्धन तकनीकें: उन्होंने प्रयोगशाला में जीवाणुओं को उगाने के लिए ठोस माध्यम (अगर का उपयोग करके) पर शुद्ध संवर्धन (pure culture) प्राप्त करने की तकनीकें विकसित कीं, जो सूक्ष्मजैविकी में एक महत्वपूर्ण प्रगति थी।
Q2. (क) प्रोकैरियोट्स के आण्विक अभिलक्षण के लिए दो जीनोटाइपिक तरीकों की संक्षेप में व्याख्या कीजिए। (ख) एक चित्र की सहायता से बैक्टीरिया में जनन और क्षैतिज जीन स्थानांतरण की चर्चा कीजिए।
Ans.
(क) प्रोकैरियोट्स के आण्विक अभिलक्षण के लिए जीनोटाइपिक तरीके जीनोटाइपिक तरीके सूक्ष्मजीवों के आनुवंशिक पदार्थ (डीएनए या आरएनए) के विश्लेषण पर आधारित होते हैं। ये पारंपरिक फीनोटाइपिक तरीकों की तुलना में अधिक सटीक और विश्वसनीय वर्गीकरण प्रदान करते हैं। दो प्रमुख जीनोटाइपिक तरीके निम्नलिखित हैं:
1. 16S rRNA जीन अनुक्रमण (16S rRNA Gene Sequencing): यह प्रोकैरियोट्स की पहचान और वर्गीकरण के लिए सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली विधि है।
- सिद्धांत: 16S rRNA जीन राइबोसोम का एक घटक है और यह सभी प्रोकैरियोट्स में मौजूद होता है। इस जीन में कुछ क्षेत्र अत्यधिक संरक्षित (conserved) होते हैं (जो सभी प्रजातियों में समान होते हैं) और कुछ क्षेत्र परिवर्तनीय (variable) होते हैं (जो विभिन्न प्रजातियों में भिन्न होते हैं)। इन परिवर्तनीय क्षेत्रों में अनुक्रम भिन्नताओं का उपयोग प्रजातियों की पहचान करने और उनके बीच विकासवादी संबंधों (phylogeny) को निर्धारित करने के लिए किया जाता है।
- प्रक्रिया:
- जीवाणु से कुल डीएनए निकाला जाता है।
- पीसीआर (PCR) का उपयोग करके 16S rRNA जीन को प्रवर्धित (amplify) किया जाता है।
- प्रवर्धित जीन का अनुक्रमण (sequencing) किया जाता है।
- प्राप्त अनुक्रम की तुलना सार्वजनिक डेटाबेस (जैसे NCBI) में मौजूद ज्ञात अनुक्रमों से की जाती है ताकि जीवाणु की पहचान की जा सके।
2. डीएनए-डीएनए संकरण (DNA-DNA Hybridization – DDH): यह विधि दो जीवों के जीनोम के बीच समग्र आनुवंशिक समानता को मापती है। इसे प्रजाति स्तर पर जीवों के बीच संबंध निर्धारित करने के लिए एक ‘स्वर्ण मानक’ माना जाता था।
- सिद्धांत: यह इस तथ्य पर आधारित है कि पूरक डीएनए रज्जुक एक-दूसरे से जुड़कर एक द्वि-रज्जुक अणु बना सकते हैं (संकरण)। दो अलग-अलग प्रजातियों के डीएनए के बीच संकरण की मात्रा उनकी आनुवंशिक निकटता को दर्शाती है।
- प्रक्रिया:
- दो जीवों (A और B) से डीएनए निकाला जाता है।
- जीव A के डीएनए को रेडियोधर्मी रूप से लेबल किया जाता है और उसे एकल रज्जुक में बदलने के लिए गर्म (denature) किया जाता है।
- जीव B के बिना लेबल वाले डीएनए की अधिक मात्रा को भी गर्म करके एकल रज्जुक में बदला जाता है।
- दोनों डीएनए को मिलाया जाता है और ठंडा होने दिया जाता है ताकि वे पुनः जुड़ (reanneal) सकें।
- लेबल किए गए डीएनए (A) और बिना लेबल वाले डीएनए (B) के बीच बने संकर (hybrid) अणुओं की मात्रा को मापा जाता है।
यदि
70% या अधिक संकरण
होता है, तो दोनों जीवों को एक ही प्रजाति का माना जाता है।
(ख) बैक्टीरिया में जनन और क्षैतिज जीन स्थानांतरण (HGT)
जनन (Reproduction): बैक्टीरिया में जनन का प्राथमिक तरीका अलैंगिक होता है, जिसे द्विखंडन (Binary Fission) कहा जाता है। इस प्रक्रिया में, एक एकल कोशिका दो समान संतति कोशिकाओं में विभाजित हो जाती है।
चरण:
- कोशिका अपने आकार में वृद्धि करती है और लंबी हो जाती है।
- कोशिका का एकमात्र वृत्ताकार गुणसूत्र अपनी प्रतिकृति (replicate) बनाता है।
- दोनों गुणसूत्र कोशिका के विपरीत ध्रुवों की ओर चले जाते हैं।
- कोशिका के केंद्र में एक पट (septum) का निर्माण होता है, जो कोशिका को दो भागों में विभाजित करता है।
- अंततः, कोशिका दो आनुवंशिक रूप से समान संतति कोशिकाओं में बंट जाती है।
यह प्रक्रिया बहुत तेज हो सकती है, जिससे बैक्टीरिया की संख्या चरघातांकी रूप से बढ़ती है।
क्षैतिज जीन स्थानांतरण (Horizontal Gene Transfer – HGT): यह जनन से भिन्न एक प्रक्रिया है जिसमें एक जीवाणु से दूसरे जीवाणु में आनुवंशिक पदार्थ का स्थानांतरण होता है। यह बैक्टीरिया में आनुवंशिक विविधता का एक प्रमुख स्रोत है और एंटीबायोटिक प्रतिरोध के प्रसार में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। इसके तीन मुख्य प्रकार हैं:
- रूपांतरण (Transformation): जीवाणु अपने आस-पास के वातावरण से नग्न डीएनए (naked DNA) के टुकड़ों को ग्रहण करता है। यह डीएनए मृत बैक्टीरिया से मुक्त हो सकता है।
- पारक्रमण (Transduction): इसमें एक जीवाणुभोजी (bacteriophage) नामक विषाणु के माध्यम से एक जीवाणु से दूसरे जीवाणु में डीएनए का स्थानांतरण होता है।
- संयुग्मन (Conjugation): इसमें दो जीवाणुओं के बीच सीधे संपर्क के माध्यम से डीएनए का स्थानांतरण होता है। दाता कोशिका (donor cell) एक पाइलस (pilus) का उपयोग करके ग्राही कोशिका (recipient cell) से जुड़ती है और आमतौर पर एक प्लास्मिड (plasmid) को स्थानांतरित करती है।
चित्र: ( परीक्षा में, एक चित्र बनाएं जो द्विखंडन की प्रक्रिया और HGT के तीनों तरीकों- रूपांतरण, पारक्रमण, और संयुग्मन को स्पष्ट रूप से दर्शाता हो। )
Q3. निम्नलिखित में से किन्हीं दो पर टिप्पणियाँ कीजिए : (क) अप्रोटीओबैक्टीरिया (ख) पोलिओ विषाणु (ग) आर्कीबैक्टीरिया
Ans.
(क) अप्रोटीओबैक्टीरिया (Non-Proteobacteria)
अप्रोटियोबैक्टीरिया ग्राम-ऋणात्मक (Gram-negative) बैक्टीरिया का एक बड़ा और विविध समूह है जो प्रोटियोबैक्टीरिया संघ (phylum Proteobacteria) से संबंधित नहीं हैं। आणविक विश्लेषण, विशेष रूप से 16S rRNA अनुक्रमण के आधार पर, उन्हें अलग-अलग संघों में वर्गीकृत किया गया है। इस समूह में चयापचय और पारिस्थितिक रूप से बहुत भिन्न प्रकार के बैक्टीरिया शामिल हैं।
प्रमुख उदाहरण और उनकी विशेषताएं:
- साइनोबैक्टीरिया (Cyanobacteria): इन्हें पहले नीले-हरे शैवाल के रूप में जाना जाता था। ये ऑक्सीजनिक प्रकाश संश्लेषक (oxygenic phototrophs) होते हैं, अर्थात वे प्रकाश संश्लेषण के दौरान ऑक्सीजन का उत्पादन करते हैं। कुछ प्रजातियाँ, जैसे एनाबीना (Anabaena) , वायुमंडलीय नाइट्रोजन का स्थिरीकरण भी कर सकती हैं। वे जलीय पारिस्थितिक तंत्र में महत्वपूर्ण प्राथमिक उत्पादक हैं।
- क्लैमाइडिया (Chlamydiae): ये अविकल्पी अंतःकोशिकीय परजीवी हैं, जिसका अर्थ है कि वे केवल मेजबान कोशिकाओं के अंदर ही जीवित रह सकते हैं और प्रजनन कर सकते हैं। इनका एक अनूठा विकास चक्र होता है जिसमें दो रूप शामिल होते हैं: संक्रामक एलिमेंट्री बॉडी और प्रतिकृति बनाने वाली रेटिकुलेट बॉडी । क्लैमाइडिया ट्रैकोमैटिस (Chlamydia trachomatis) मनुष्यों में ट्रेकोमा (आंखों का संक्रमण) और यौन संचारित रोगों का कारण बनता है।
- स्पाइरोकीट्स (Spirochaetes): ये लंबे, सर्पिल आकार के, और अत्यधिक गतिशील बैक्टीरिया होते हैं। इनकी गति एंडोफ्लैजेला (endoflagella) या अक्षीय तंतुओं के कारण होती है, जो कोशिका भित्ति के भीतर स्थित होते हैं। इस समूह में महत्वपूर्ण रोगजनक शामिल हैं, जैसे ट्रेपोनेमा पैलिडम (Treponema pallidum) , जो सिफलिस का कारण है, और बोरेलिया बर्गडॉरफेरी (Borrelia burgdorferi) , जो लाइम रोग का कारण है।
- बैक्टीरॉइडेट्स (Bacteroidetes): ये मानव आंत में सबसे प्रचुर मात्रा में पाए जाने वाले जीवाणुओं में से हैं। ये ग्राम-ऋणात्मक, अवायवीय छड़ें हैं जो जटिल कार्बोहाइड्रेट को पचाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं।
(ख) पोलियो विषाणु (Polio virus)
पोलियो विषाणु, पोलियोमेलाइटिस नामक बीमारी का कारण है, जो एक गंभीर और संभावित रूप से घातक संक्रामक रोग है।
- वर्गीकरण और संरचना: यह पिकोर्नाविराईडी (Picornaviridae) परिवार के एंटरोवायरस (Enterovirus) जीनस का सदस्य है। यह एक छोटा (लगभग 30 nm), नग्न (non-enveloped) , आइकोसाहेड्रल कैप्सिड वाला विषाणु है।
- जीनोम: इसका आनुवंशिक पदार्थ एक-रज्जुक, धनात्मक-सेंस आरएनए ((+)ssRNA) होता है। इसका मतलब है कि इसका जीनोमिक आरएनए सीधे मेजबान कोशिका के राइबोसोम द्वारा प्रोटीन में अनुवादित हो सकता है (यह mRNA के रूप में कार्य करता है)।
- संचरण और रोगजनन: पोलियो विषाणु का संचरण मुख्य रूप से मल-मुख मार्ग (fecal-oral route) से होता है, आमतौर पर दूषित पानी या भोजन के माध्यम से। शरीर में प्रवेश करने के बाद, विषाणु गले और आंतों में प्रतिकृति बनाता है। फिर यह रक्तप्रवाह (वाइरीमिया) में फैल सकता है और केंद्रीय तंत्रिका तंत्र (CNS) पर आक्रमण कर सकता है। CNS में, यह रीढ़ की हड्डी और मस्तिष्क स्तंभ में मोटर न्यूरॉन्स को नष्ट कर देता है, जिससे मांसपेशियों में कमजोरी और पक्षाघात (paralysis) हो सकता है।
- रोकथाम: पोलियो की रोकथाम टीकाकरण के माध्यम से अत्यधिक प्रभावी है। दो प्रकार के टीके उपलब्ध हैं: निष्क्रिय पोलियो वैक्सीन (IPV, साल्क वैक्सीन) , जो इंजेक्शन द्वारा दिया जाता है, और मौखिक पोलियो वैक्सीन (OPV, साबिन वैक्सीन) , जो बूंदों के रूप में दिया जाता है। विश्व स्वास्थ्य संगठन (WHO) के नेतृत्व में वैश्विक टीकाकरण अभियानों ने दुनिया के अधिकांश हिस्सों से पोलियो का लगभग उन्मूलन कर दिया है।
(ग) आर्कीबैक्टीरिया (Archaebacteria)
आर्कीबैक्टीरिया (या आर्किया) सूक्ष्मजीवों का एक समूह है जो जीवन के एक अलग डोमेन (Domain Archaea) का निर्माण करता है, जो बैक्टीरिया (Bacteria) और यूकेरिया (Eukarya) से अलग है। हालांकि वे प्रोकैरियोटिक कोशिका संरचना वाले होते हैं (केंद्रक नहीं होता), उनमें कई अनूठी विशेषताएं होती हैं जो उन्हें बैक्टीरिया से अलग करती हैं। वे अक्सर चरम वातावरण में पाए जाते हैं, इसलिए उन्हें एक्स्ट्रीमोफाइल्स (extremophiles) भी कहा जाता है।
प्रमुख विशिष्ट विशेषताएं:
- कोशिका झिल्ली: बैक्टीरिया और यूकेरिया में एस्टर-लिंक्ड (ester-linked) लिपिड के विपरीत, आर्किया की कोशिका झिल्ली में ईथर-लिंक्ड (ether-linked) लिपिड होते हैं। यह संरचना उन्हें अत्यधिक तापमान और pH के प्रति अधिक प्रतिरोधी बनाती है। कुछ आर्किया में लिपिड मोनोलेयर भी हो सकती है।
- कोशिका भित्ति: इनकी कोशिका भित्ति में पेप्टिडोग्लाइकन नहीं होता है , जो बैक्टीरिया की कोशिका भित्ति का एक प्रमुख घटक है। इसके बजाय, यह स्यूडोपेप्टिडोग्लाइकन, प्रोटीन या पॉलीसेकेराइड से बनी हो सकती है।
- आनुवंशिकी और आणविक जीव विज्ञान: आर्किया की आनुवंशिक मशीनरी (जैसे आरएनए पोलीमरेज़ और राइबोसोमल प्रोटीन) यूकेरियोट्स के अधिक समान है। उनके कुछ जीनों में इंट्रॉन्स (introns) भी होते हैं, जो बैक्टीरिया में दुर्लभ है।
प्रमुख समूह:
- मेथेनोजेन (Methanogens): ये सख्त अवायवीय जीव हैं जो चयापचय के उप-उत्पाद के रूप में मीथेन (CH₄) का उत्पादन करते हैं। वे दलदल, मवेशियों की आंतों और सीवेज उपचार संयंत्रों में पाए जाते हैं।
- अत्यधिक हेलोफाइल्स (Extreme Halophiles): ये जीव अत्यधिक खारे वातावरण, जैसे ग्रेट साल्ट लेक या डेड सी, में पनपते हैं।
- अत्यधिक थर्मोफाइल्स (Hyperthermophiles): ये जीव बहुत उच्च तापमान (80°C से ऊपर) पर रहते हैं, जैसे कि गर्म झरनों और गहरे समुद्र के हाइड्रोथर्मल वेंट में। इनके एंजाइम (जैसे टैक पोलीमरेज़) जैव प्रौद्योगिकी में बहुत उपयोगी हैं।
Q4. (क) कवकों में लैंगिक जनन की व्याख्या कीजिए। (ख) शैवालों की आर्थिक महत्ता पर चर्चा कीजिए।
Ans.
(क) कवकों में लैंगिक जनन कवकों में लैंगिक जनन आनुवंशिक विविधता उत्पन्न करने का एक महत्वपूर्ण साधन है, जो उन्हें बदलते परिवेश के अनुकूल होने में मदद करता है। यह प्रक्रिया आमतौर पर प्रतिकूल परिस्थितियों में होती है। कवकों में लैंगिक जनन में तीन मुख्य चरण शामिल होते हैं:
1. प्लाज्मोगैमी (Plasmogamy): यह पहला चरण है जिसमें दो संगत (compatible) हाइफी (hyphae) या युग्मकों (gametes) के कोशिका द्रव्य (cytoplasm) का संलयन होता है। इस संलयन के परिणामस्वरूप एक ही कोशिका में दो अगुणित (haploid, n) केंद्रक एक साथ आ जाते हैं।
2. कैरियोगामी (Karyogamy): यह दूसरा चरण है जिसमें प्लाज्मोगैमी के बाद दो अगुणित केंद्रकों का संलयन होता है। इस प्रक्रिया से एक द्विगुणित (diploid, 2n) जाइगोट (zygote) केंद्रक का निर्माण होता है। कुछ कवक समूहों, जैसे एस्कोमाइसिटीज और बेसिडियोमाइसिटीज में, प्लाज्मोगैमी और कैरियोगामी के बीच एक लंबा अंतराल हो सकता है। इस मध्यवर्ती अवस्था को डाइकैरिओटिक अवस्था (n+n) कहा जाता है, जिसमें प्रत्येक कोशिका में दो अलग-अलग अगुणित केंद्रक होते हैं।
3. अर्धसूत्रीविभाजन (Meiosis): यह अंतिम चरण है जिसमें द्विगुणित जाइगोट केंद्रक अर्धसूत्रीविभाजन द्वारा विभाजित होकर अगुणित लैंगिक बीजाणुओं (sexual spores) का निर्माण करता है। ये बीजाणु आनुवंशिक रूप से अपने माता-पिता से भिन्न होते हैं और अनुकूल परिस्थितियों में अंकुरित होकर नए माइसीलियम का निर्माण करते हैं।
विभिन्न कवक समूहों में विशिष्ट लैंगिक बीजाणु और संरचनाएं बनती हैं:
- जाइगोमाइसिटीज (Zygomycetes): ये जाइगोस्पोर (zygospore) बनाते हैं, जो एक मोटी दीवार वाली विश्राम संरचना है।
- एस्कोमाइसिटीज (Ascomycetes): ये एस्कोस्पोर (ascospore) बनाते हैं, जो एक थैली जैसी संरचना जिसे एस्कस (ascus) कहते हैं, के अंदर बनते हैं।
- बेसिडियोमाइसिटीज (Basidiomycetes): ये बेसिडियोस्पोर (basidiospore) बनाते हैं, जो एक क्लब के आकार की संरचना जिसे बेसिडियम (basidium) कहते हैं, पर बाह्य रूप से उत्पन्न होते हैं।
(ख) शैवालों की आर्थिक महत्ता शैवाल (Algae) सरल, जलीय, प्रकाश संश्लेषक जीवों का एक विविध समूह है जिनका मनुष्यों और पर्यावरण के लिए अत्यधिक आर्थिक महत्व है। इनके महत्व को सकारात्मक और नकारात्मक दोनों पहलुओं में देखा जा सकता है।
सकारात्मक महत्व (Beneficial Importance):
- प्राथमिक उत्पादक: शैवाल जलीय खाद्य श्रृंखलाओं का आधार हैं। प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से, वे पृथ्वी की ऑक्सीजन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा (लगभग 50%) उत्पन्न करते हैं।
- खाद्य स्रोत: कई शैवाल प्रजातियों को सीधे भोजन के रूप में उपयोग किया जाता है क्योंकि वे विटामिन, खनिज और प्रोटीन से भरपूर होती हैं। उदाहरण: पोर्फिरा (Porphyra) (नोरी, सुशी में प्रयुक्त), स्पिरुलिना (Spirulina) और क्लोरेला (Chlorella) (पोषण पूरक के रूप में)।
- औद्योगिक उत्पाद (Phycocolloids):
- अगर (Agar): लाल शैवाल (जैसे गेलिडियम और ग्रेसिलेरिया ) से प्राप्त होता है। इसका उपयोग सूक्ष्मजीव विज्ञान में कल्चर मीडिया को ठोस बनाने, और खाद्य उद्योग में जेली और डेसर्ट बनाने के लिए किया जाता है।
- कैरेगीनन (Carrageenan): लाल शैवाल से प्राप्त होता है। इसका उपयोग डेयरी उत्पादों (आइसक्रीम), टूथपेस्ट और सौंदर्य प्रसाधनों में एक गाढ़ा करने वाले और स्थिर करने वाले एजेंट के रूप में किया जाता है।
- एल्गिनेट्स (Alginates): भूरे शैवाल (जैसे केल्प) से प्राप्त होता है। इसका उपयोग खाद्य उद्योग में थिकनर के रूप में और दंत चिकित्सा में इंप्रेशन सामग्री बनाने के लिए किया जाता है।
- उर्वरक: समुद्री शैवाल खनिजों से भरपूर होते हैं और इन्हें कृषि में जैविक उर्वरक के रूप में उपयोग किया जाता है।
- जैव ईंधन: कुछ शैवाल प्रजातियाँ लिपिड से भरपूर होती हैं, और उनका उपयोग बायोडीजल जैसे जैव ईंधन के उत्पादन के लिए अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र है।
- डायटोमेसियस अर्थ (Diatomaceous Earth): डायटम (एक प्रकार का शैवाल) के जीवाश्म अवशेषों से बनी यह सामग्री फिल्टर, अपघर्षक (abrasives) और कीटनाशकों में उपयोग होती है।
नकारात्मक महत्व (Harmful Importance):
- शैवाल प्रस्फुटन (Algal Blooms): जब जल निकायों में पोषक तत्वों (जैसे नाइट्रोजन और फास्फोरस) की अधिकता हो जाती है, तो शैवाल की अनियंत्रित वृद्धि होती है। जब ये शैवाल मरते हैं, तो उनके अपघटन की प्रक्रिया में पानी में ऑक्सीजन की कमी हो जाती है, जिससे मछलियों और अन्य जलीय जीवों की मृत्यु हो जाती है।
- विषाक्त पदार्थ (Toxins): कुछ शैवाल प्रजातियाँ (जैसे डायनोफ्लैजेलेट्स) शक्तिशाली विषाक्त पदार्थों का उत्पादन करती हैं। इससे “लाल ज्वार” (Red Tides) जैसी घटनाएं होती हैं, जो शेलफिश में जमा हो सकती हैं और मनुष्यों में पक्षाघातकारी शेलफिश विषाक्तता (Paralytic Shellfish Poisoning) जैसी गंभीर बीमारियों का कारण बन सकती हैं।
Q5. (क) यूबैक्टीरिया की प्रारूपिक संरचना के लक्षणों का वर्णन कीजिए। (ख) रिकेट्सिया के वर्गीकरण के बारे में बताइए। रिकेट्सिया द्वारा होने वाली बीमारियों के नाम बताइए।
Ans.
(क) यूबैक्टीरिया की प्रारूपिक संरचना यूबैक्टीरिया (Eubacteria), जिन्हें ‘सच्चे बैक्टीरिया’ भी कहा जाता है, प्रोकैरियोटिक जीव हैं। एक प्रारूपिक जीवाणु कोशिका की संरचना में निम्नलिखित घटक शामिल होते हैं:
बाह्य संरचनाएं (External Structures):
- ग्लाइकोकैलिक्स (Glycocalyx): यह कोशिका भित्ति के बाहर एक चिपचिपा, जिलेटिनस परत है। यदि यह परत सुसंगठित और दृढ़ता से जुड़ी हो तो इसे कैप्सूल (Capsule) कहा जाता है, और यदि यह ढीली और असंगठित हो तो इसे अवपंक पर्त (Slime Layer) कहा जाता है। यह आसंजन, निर्जलीकरण से बचाव और भक्षकाणुक्रिया (phagocytosis) से सुरक्षा में मदद करता है।
- कशाभिका (Flagella): ये लंबी, धागे जैसी उपांग हैं जो बैक्टीरिया को गतिशीलता (motility) प्रदान करती हैं।
- पाइली और फिम्ब्री (Pili and Fimbriae): ये छोटे, बालों जैसे उपांग हैं। फिम्ब्री सतहों और कोशिकाओं से जुड़ने में मदद करते हैं। एक विशेष प्रकार का पाइलस, जिसे सेक्स पाइलस कहते हैं, संयुग्मन (conjugation) के दौरान डीएनए स्थानांतरण में शामिल होता है।
कोशिका आवरण (Cell Envelope):
- कोशिका भित्ति (Cell Wall): यह कोशिका झिल्ली के बाहर स्थित एक कठोर परत है जो कोशिका को आकार प्रदान करती है और परासरणी lysis से बचाती है। यूबैक्टीरिया में, इसका मुख्य घटक पेप्टिडोग्लाइकन है। पेप्टिडोग्लाइकन की संरचना के आधार पर, बैक्टीरिया को दो मुख्य समूहों में बांटा गया है:
- ग्राम-धनात्मक (Gram-positive): इनमें पेप्टिडोग्लाइकन की एक मोटी परत होती है जिसमें टेकोइक अम्ल (teichoic acids) होते हैं।
- ग्राम-ऋणात्मक (Gram-negative): इनमें पेप्टिडोग्लाइकन की एक पतली परत होती है जो एक बाह्य झिल्ली (outer membrane) से ढकी होती है। बाह्य झिल्ली में लिपोपॉलीसेकेराइड (LPS) होता है।
- कोशिका झिल्ली (Cell Membrane): यह एक फॉस्फोलिपिड द्विपरत है जो कोशिका के आंतरिक भाग को घेरती है। यह चयनात्मक रूप से पारगम्य होती है और पोषक तत्वों के परिवहन, ऊर्जा उत्पादन (इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला) और एंजाइमों के स्राव जैसे महत्वपूर्ण कार्यों का स्थल है।
आंतरिक संरचनाएं (Internal Structures):
- कोशिका द्रव्य (Cytoplasm): यह कोशिका झिल्ली के अंदर का जेली जैसा पदार्थ है जिसमें सभी आंतरिक घटक होते हैं।
- न्यूक्लियॉइड (Nucleoid): यह कोशिका द्रव्य का वह क्षेत्र है जहां बैक्टीरिया का एकल, वृत्ताकार गुणसूत्र स्थित होता है। इसके चारों ओर कोई केंद्रक झिल्ली नहीं होती है।
- राइबोसोम (Ribosomes): ये प्रोटीन संश्लेषण के स्थल हैं। बैक्टीरिया में 70S प्रकार के राइबोसोम होते हैं (जो यूकेरियोटिक 80S राइबोसोम से छोटे होते हैं)।
- अंतर्वेश (Inclusions): ये कोशिका द्रव्य में पाए जाने वाले संग्रहण कणिकाएं हैं, जो पोषक तत्वों जैसे ग्लाइकोजन, फॉस्फेट या सल्फर का भंडारण करती हैं।
- प्लास्मिड (Plasmids): ये छोटे, वृत्ताकार, अतिरिक्त-गुणसूत्रीय डीएनए अणु होते हैं जो मुख्य गुणसूत्र से स्वतंत्र रूप से प्रतिकृति बनाते हैं। वे अक्सर एंटीबायोटिक प्रतिरोध या विषाक्तता जैसे अतिरिक्त गुण प्रदान करते हैं।
(ख) रिकेट्सिया का वर्गीकरण और रोग रिकेट्सिया (Rickettsiae) छोटे, ग्राम-ऋणात्मक, अविकल्पी अंतःकोशिकीय परजीवी बैक्टीरिया का एक समूह है। वे आमतौर पर आर्थ्रोपॉड वाहकों (vectors) जैसे कि किलनी (ticks), जूं (lice), और पिस्सू (fleas) द्वारा मनुष्यों में फैलते हैं।
वर्गीकरण:
रिकेट्सिया जीनस रिकेट्सिएसी (Rickettsiaceae) परिवार और रिकेट्सिएल्स (Rickettsiales) गण का हिस्सा है। पारंपरिक रूप से, और नैदानिक सुविधा के लिए, रिकेट्सिया जीनस को मुख्य रूप से दो प्रमुख समूहों में विभाजित किया गया है:
1. स्पॉटेड फीवर समूह (Spotted Fever Group – SFG):
- वाहक (Vector): मुख्य रूप से किलनी (ticks)।
- रोगजनकता: ये बैक्टीरिया कोशिका के कोशिका द्रव्य और केंद्रक दोनों में बढ़ते हैं।
- उदाहरण और रोग: इस समूह का सबसे प्रमुख सदस्य रिकेट्सिया रिकेट्सी (Rickettsia rickettsii) है, जो रॉकी माउंटेन स्पॉटेड फीवर (RMSF) का कारण बनता है। यह एक गंभीर बीमारी है जिसमें तेज बुखार, सिरदर्द और कलाई और टखनों से शुरू होने वाले दाने होते हैं।
2. टाइफस समूह (Typhus Group – TG):
- वाहक (Vector): जूं (lice) या पिस्सू (fleas)।
- रोगजनकता: ये बैक्टीरिया केवल कोशिका के कोशिका द्रव्य में बढ़ते हैं।
- उदाहरण और रोग:
- रिकेट्सिया प्रोवाजेकी (Rickettsia prowazekii) : यह शरीर की जूं द्वारा फैलता है और एपिडेमिक टाइफस (Epidemic Typhus) का कारण बनता है। यह भीड़भाड़ और खराब स्वच्छता की स्थिति में फैलता है और इसमें तेज बुखार, प्रलाप और दाने होते हैं।
- रिकेट्सिया टाइफी (Rickettsia typhi) : यह चूहे के पिस्सू द्वारा फैलता है और एंडेमिक (या म्यूराइन) टाइफस (Endemic/Murine Typhus) का कारण बनता है, जो एपिडेमिक टाइफस का एक हल्का रूप है।
संबंधित जीनस ओरिएंटिया (Orientia) स्क्रब टाइफस का कारण बनता है।
रिकेट्सिया द्वारा होने वाली प्रमुख बीमारियाँ:
- रॉकी माउंटेन स्पॉटेड फीवर (Rocky Mountain Spotted Fever)
- एपिडेमिक टाइफस (Epidemic Typhus)
- एंडेमिक (म्यूराइन) टाइफस (Endemic (Murine) Typhus)
- रिकेट्सियलपॉक्स (Rickettsialpox)
- मेडिटेरेनियन स्पॉटेड फीवर (Mediterranean Spotted Fever)
- स्क्रब टाइफस (Scrub Typhus – Orientia tsutsugamushi द्वारा)
Q6. निम्नलिखित में से किन्हीं दो के बारे में समझाइए : (क) प्रोटोजोआ में पोषण (ख) लिशमैनिएसिस (ग) प्रोटोजोआ में लैंगिक जनन
Ans.
(क) प्रोटोजोआ में पोषण सभी प्रोटोजोआ कीमोहेटरोट्रॉफिक (chemoheterotrophic) होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे ऊर्जा और कार्बन दोनों के लिए कार्बनिक यौगिकों पर निर्भर रहते हैं। वे अपने भोजन को विभिन्न तरीकों से प्राप्त करते हैं:
1. होलोज़ोइक पोषण (Holozoic Nutrition): यह विधि ठोस खाद्य कणों, जैसे बैक्टीरिया, शैवाल या अन्य प्रोटोजोआ, को निगलने पर आधारित है। इसे फैगोसाइटोसिस (phagocytosis) भी कहा जाता है।
- अमीबा (Amoeba) में, भोजन को स्यूडोपोड्स (pseudopods) द्वारा घेरा जाता है और एक खाद्य रिक्तिका (food vacuole) के अंदर बंद कर लिया जाता है।
- पैरामीशियम (Paramecium) जैसे सिलिएट्स में, एक निश्चित मुख जैसी संरचना होती है जिसे साइटोस्टोम (cytostome) कहा जाता है, जिसके माध्यम से भोजन ग्रहण किया जाता है।
एक बार खाद्य रिक्तिका बनने के बाद, यह लाइसोसोम के साथ मिलकर एक फैगोलाइसोसोम (phagolysosome) बनाती है, जहाँ एंजाइम भोजन को पचाते हैं। पचे हुए पोषक तत्व कोशिका द्रव्य में अवशोषित हो जाते हैं, और अपशिष्ट पदार्थ साइटोप्रोक्ट (cytoproct) या कोशिका सतह के माध्यम से बाहर निकाल दिए जाते हैं।
2. सैप्रोजोइक पोषण (Saprozoic Nutrition): इस विधि में, प्रोटोजोआ अपने परिवेश से घुले हुए कार्बनिक पोषक तत्वों को सीधे अपनी कोशिका सतह (प्लाज्मा झिल्ली) के माध्यम से अवशोषित करते हैं। इस प्रक्रिया को ऑस्मोट्रॉफी (osmotrophy) भी कहा जाता है। यह पोषण का तरीका कई परजीवी प्रोटोजोआ में आम है, जो अपने मेजबान के शरीर के तरल पदार्थों या ऊतकों से पोषक तत्व प्राप्त करते हैं, जैसे कि ट्रिपैनोसोमा (Trypanosoma) ।
3. मिक्सोट्रोफिक पोषण (Mixotrophic Nutrition): कुछ प्रोटोजोआ, जैसे यूग्लीना (Euglena) , मिक्सोट्रोफिक होते हैं। प्रकाश की उपस्थिति में, वे क्लोरोप्लास्ट का उपयोग करके प्रकाश संश्लेषण (स्वपोषी) कर सकते हैं। अंधेरे में, वे हेटरोट्रॉफिक रूप से व्यवहार करते हैं और पर्यावरण से कार्बनिक यौगिकों को ग्रहण करते हैं।
(ख) लिशमैनिएसिस (Leishmaniasis) लिशमैनिएसिस एक परजीवी रोग है जो लिशमैनिया (Leishmania) जीनस के प्रोटोजोआ परजीवियों के कारण होता है। यह रोग मुख्य रूप से उष्णकटिबंधीय और उपोष्णकटिबंधीय क्षेत्रों में पाया जाता है।
- वाहक और संचरण: यह रोग संक्रमित मादा फ्लेबोटोमाइन सैंडफ्लाई (phlebotomine sandfly) के काटने से फैलता है। जब एक संक्रमित सैंडफ्लाई किसी व्यक्ति को काटती है, तो वह परजीवी को त्वचा में इंजेक्ट कर देती है।
- जीवन चक्र: लिशमैनिया का जीवन चक्र दो चरणों में पूरा होता है:
- प्रोमैस्टिगोट (Promastigote): यह परजीवी का गतिशील, कशाभिकायुक्त (flagellated) रूप है जो सैंडफ्लाई की आंत में पाया जाता है और काटने के दौरान मानव मेजबान में स्थानांतरित होता है।
- एमास्टिगोट (Amastigote): यह परजीवी का गैर-गतिशील, अंतःकोशिकीय रूप है। मानव शरीर में प्रवेश करने के बाद, प्रोमैस्टिगोट्स मैक्रोफेज (एक प्रकार की प्रतिरक्षा कोशिका) द्वारा ग्रहण कर लिए जाते हैं और एमास्टिगोट्स में बदल जाते हैं, जहाँ वे गुणा करते हैं।
- रोग के रूप: लिशमैनिएसिस के तीन मुख्य रूप हैं:
- त्वचीय (Cutaneous) लिशमैनिएसिस: यह सबसे आम रूप है। इसमें सैंडफ्लाई के काटने की जगह पर त्वचा पर घाव या अल्सर बन जाते हैं। ये घाव आमतौर पर निशान छोड़कर ठीक हो जाते हैं।
- म्यूकोक्यूटेनियस (Mucocutaneous) लिशमैनिएसिस: यह एक दुर्लभ रूप है जिसमें परजीवी त्वचा से नाक, मुंह और गले की श्लेष्मा झिल्ली में फैल जाते हैं, जिससे गंभीर और विकृत करने वाले घाव होते हैं।
- आंतरिक (Visceral) लिशमैनिएसिस (काला-अजार): यह सबसे गंभीर रूप है और अगर इलाज न किया जाए तो घातक हो सकता है। परजीवी यकृत, प्लीहा (spleen) और अस्थि मज्जा जैसे आंतरिक अंगों में चले जाते हैं। इसके लक्षणों में बुखार, वजन कम होना, प्लीहा और यकृत का बढ़ना (हेपेटोस्प्लेनोमेगाली) और एनीमिया शामिल हैं।
इसका निदान ऊतक के नमूनों में एमास्टिगोट्स की सूक्ष्मदर्शी पहचान द्वारा किया जाता है।
(ग) प्रोटोजोआ में लैंगिक जनन हालांकि अधिकांश प्रोटोजोआ अलैंगिक रूप से (आमतौर पर द्विखंडन द्वारा) जनन करते हैं, कई समूहों में आनुवंशिक पुनर्संयोजन (genetic recombination) के लिए लैंगिक प्रक्रियाएं भी होती हैं। ये प्रक्रियाएं आनुवंशिक विविधता को बढ़ाती हैं, जो प्रजातियों के अस्तित्व के लिए महत्वपूर्ण है। दो मुख्य प्रकार की लैंगिक प्रक्रियाएं हैं:
1. सिंगैमी (Syngamy): यह प्रक्रिया उच्च जीवों में निषेचन के समान है। इसमें दो अगुणित (haploid) युग्मकों (gametes) का पूर्ण संलयन होता है, जिससे एक द्विगुणित (diploid) जाइगोट (zygote) का निर्माण होता है। ये युग्मक या तो समान आकार के (आइसोगैमेट्स) हो सकते हैं या भिन्न आकार के (एनआइसोगैमेट्स)। यह प्रक्रिया प्लाज्मोडियम (मलेरिया परजीवी) जैसे जीवों में देखी जाती है।
2. संयुग्मन (Conjugation): यह एक जटिल लैंगिक प्रक्रिया है जो पैरामीशियम (Paramecium) जैसे सिलिएट्स में होती है। यह एक पुनर्संयोजन प्रक्रिया है, न कि जनन की, क्योंकि इससे सीधे नए जीव नहीं बनते हैं।
संयुग्मन की प्रक्रिया:
- दो संगत (compatible) पैरामीशियम अस्थायी रूप से एक-दूसरे से जुड़ते हैं।
- प्रत्येक कोशिका में द्विगुणित माइक्रोन्यूक्लियस (micronucleus) अर्धसूत्रीविभाजन द्वारा विभाजित होकर चार अगुणित माइक्रोन्यूक्लियस बनाता है।
- इनमें से तीन नष्ट हो जाते हैं, और बचा हुआ एक समसूत्रीविभाजन द्वारा विभाजित होकर दो अगुणित माइक्रोन्यूक्लियस बनाता है।
- दोनों कोशिकाएं एक-एक अगुणित माइक्रोन्यूक्लियस का आदान-प्रदान करती हैं।
- कोशिकाएं अलग हो जाती हैं।
- प्रत्येक कोशिका के भीतर, उसका अपना और प्राप्त किया गया माइक्रोन्यूक्लियस आपस में मिलकर एक नया, आनुवंशिक रूप से पुनर्संयोजित, द्विगुणित माइक्रोन्यूक्लियस बनाते हैं।
- पुराना मैक्रोन्यूक्लियस (macronucleus) नष्ट हो जाता है, और नए माइक्रोन्यूक्लियस से एक नया मैक्रोन्यूक्लियस विकसित होता है।
इस प्रक्रिया के बाद, पैरामीशियम द्विखंडन द्वारा अलैंगिक रूप से विभाजित होकर अपनी संख्या बढ़ाते हैं।
Q7. (क) सूक्ष्मजीवी वृद्धि पर पर्यावरण सम्बन्धी कारकों के प्रभाव का वर्णन कीजिए। (ख) सूक्ष्मजीवी वृद्धि के नियन्त्रण के लिए प्रयोग किए जाने वाले तरीकों को विस्तार से समझाइए।
Ans.
(क) सूक्ष्मजीवी वृद्धि पर पर्यावरणीय कारकों का प्रभाव सूक्ष्मजीवों की वृद्धि और उत्तरजीविता उनके भौतिक और रासायनिक वातावरण से बहुत प्रभावित होती है। प्रमुख पर्यावरणीय कारक निम्नलिखित हैं:
1. तापमान (Temperature):
- प्रत्येक सूक्ष्मजीव की वृद्धि के लिए एक न्यूनतम, इष्टतम (optimum) और अधिकतम तापमान सीमा होती है। इष्टतम तापमान पर वृद्धि दर सबसे अधिक होती है।
- तापमान के आधार पर सूक्ष्मजीवों को वर्गीकृत किया जाता है:
- साइक्रोफाइल्स (Psychrophiles): ठंडे तापमान (0-20°C) में पनपते हैं।
- मीसोफाइल्स (Mesophiles): मध्यम तापमान (20-45°C) में पनपते हैं। अधिकांश मानव रोगजनक इसी श्रेणी में आते हैं।
- थर्मोफाइल्स (Thermophiles): उच्च तापमान (45-80°C) में पनपते हैं।
- हाइपरथर्मोफाइल्स (Hyperthermophiles): बहुत उच्च तापमान (80°C से ऊपर) में पनपते हैं, जैसे गर्म झरनों में।
2. pH:
- pH किसी जीव के एंजाइमों और झिल्ली प्रोटीनों की संरचना और कार्य को प्रभावित करता है।
- pH वरीयता के आधार पर सूक्ष्मजीव हैं:
- एसिडोफाइल्स (Acidophiles): अम्लीय वातावरण (pH < 5.5) में वृद्धि करते हैं।
- न्यूट्रोफाइल्स (Neutrophiles): उदासीन pH (5.5 – 8.5) के आसपास वृद्धि करते हैं। अधिकांश बैक्टीरिया इसी श्रेणी में आते हैं।
- एल्कलिफाइल्स (Alkaliphiles): क्षारीय वातावरण (pH > 8.5) में वृद्धि करते हैं।
3. ऑक्सीजन (Oxygen):
- ऑक्सीजन की आवश्यकता और सहनशीलता के आधार पर सूक्ष्मजीवों को वर्गीकृत किया जाता है:
- अविकल्पी वायवीय (Obligate Aerobes): वृद्धि के लिए ऑक्सीजन आवश्यक है।
- वैकल्पिक अवायवीय (Facultative Anaerobes): ऑक्सीजन की उपस्थिति या अनुपस्थिति दोनों में वृद्धि कर सकते हैं।
- अविकल्पी अवायवीय (Obligate Anaerobes): ऑक्सीजन इनके लिए विषाक्त होती है।
- वायु-सहिष्णु अवायवीय (Aerotolerant Anaerobes): ऑक्सीजन का उपयोग नहीं करते, लेकिन इसकी उपस्थिति में जीवित रह सकते हैं।
- सूक्ष्मवायुरागी (Microaerophiles): वृद्धि के लिए कम सांद्रता में ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है।
4. जल की सक्रियता (Water Activity – a w ) और परासरणी दाब (Osmotic Pressure):
- सभी सूक्ष्मजीवों को चयापचय के लिए जल की आवश्यकता होती है। उच्च विलेय सांद्रता (जैसे नमक या चीनी) वाले वातावरण में, कोशिका से पानी बाहर निकल जाता है (प्लाज्मोलाइसिस), जिससे वृद्धि रुक जाती है।
- हेलोफाइल्स (Halophiles) ऐसे जीव हैं जिन्हें वृद्धि के लिए उच्च नमक सांद्रता की आवश्यकता होती है। ऑस्मोटोलरेंट (Osmotolerant) जीव उच्च परासरणी दाब को सहन कर सकते हैं।
(ख) सूक्ष्मजीवी वृद्धि के नियंत्रण के तरीके सूक्ष्मजीवी वृद्धि का नियंत्रण संक्रमण को रोकने, भोजन को संरक्षित करने और संदूषण को रोकने के लिए आवश्यक है। नियंत्रण के तरीकों को भौतिक और रासायनिक तरीकों में वर्गीकृत किया जा सकता है।
I. भौतिक तरीके (Physical Methods):
- ऊष्मा (Heat): यह सबसे आम और प्रभावी तरीकों में से एक है।
- नम ऊष्मा (Moist Heat): यह शुष्क ऊष्मा से अधिक प्रभावी है क्योंकि यह प्रोटीनों को तेजी से विकृत (denature) करती है।
- ऑटोक्लेविंग (Autoclaving): दाब के तहत भाप (121°C, 15 psi, 15-20 मिनट) का उपयोग किया जाता है। यह बीजाणुओं (spores) सहित सभी प्रकार के सूक्ष्मजीवों को नष्ट कर देता है, इसलिए यह निर्जमीकरण (sterilization) का सबसे विश्वसनीय तरीका है।
- पाश्चुरीकरण (Pasteurization): दूध जैसे तरल पदार्थों को एक निश्चित तापमान पर गर्म करके रोगजनकों को मारा जाता है, लेकिन यह निर्जमीकरण नहीं है।
- उबालना (Boiling): 100°C पर उबालने से अधिकांश वानस्पतिक कोशिकाएं मर जाती हैं, लेकिन कुछ बीजाणु जीवित रह सकते हैं।
- शुष्क ऊष्मा (Dry Heat): जैसे हॉट एयर ओवन (160-170°C, 2 घंटे) या भस्मीकरण (incineration)।
- नम ऊष्मा (Moist Heat): यह शुष्क ऊष्मा से अधिक प्रभावी है क्योंकि यह प्रोटीनों को तेजी से विकृत (denature) करती है।
- निम्न तापमान (Low Temperature): प्रशीतन (Refrigeration) और हिमीकरण (freezing) सूक्ष्मजीवों की वृद्धि को धीमा कर देते हैं (जीवाणुस्थैतिक), लेकिन उन्हें मारते नहीं हैं।
- निस्यंदन (Filtration): इसका उपयोग ऊष्मा-संवेदनशील तरल पदार्थों (जैसे टीके) या हवा (HEPA फिल्टर) को निर्जमीकृत करने के लिए किया जाता है। फिल्टर के छिद्र इतने छोटे होते हैं कि सूक्ष्मजीव उनसे गुजर नहीं पाते।
- विकिरण (Radiation):
- आयनीकरण विकिरण (Ionizing Radiation): एक्स-रे और गामा किरणें डीएनए और अन्य कोशिकीय घटकों को नुकसान पहुंचाती हैं। इनका उपयोग चिकित्सा उपकरणों और कुछ खाद्य पदार्थों के निर्जमीकरण के लिए किया जाता है।
- गैर-आयनीकरण विकिरण (Non-ionizing Radiation): यूवी (UV) प्रकाश डीएनए में थाइमिन डाइमर बनाकर उसे नुकसान पहुंचाता है। यह सतहों और हवा के कीटाणुशोधन के लिए प्रभावी है, लेकिन इसकी भेदन क्षमता कम होती है।
- निर्जलीकरण (Desiccation): पानी को हटाने से सूक्ष्मजीवों का चयापचय रुक जाता है।
II. रासायनिक तरीके (Chemical Methods): इनमें कीटाणुनाशक (disinfectants), एंटीसेप्टिक्स (antiseptics) और स्टेरिलेंट (sterilants) शामिल हैं।
- अल्कोहल (Alcohol): इथेनॉल और आइसोप्रोपेनॉल (70% सांद्रता में) प्रोटीन को विकृत करके और लिपिड को घोलकर काम करते हैं। ये अच्छे एंटीसेप्टिक हैं।
- हैलोजन (Halogens): क्लोरीन (पानी के कीटाणुशोधन में) और आयोडीन (टिंचर के रूप में एक एंटीसेप्टिक) शक्तिशाली ऑक्सीकारक एजेंट हैं।
- फिनोल और फिनोलिक्स (Phenols and Phenolics): ये कोशिका झिल्लियों को बाधित करते हैं और प्रोटीन को विकृत करते हैं। (जैसे, लाइजोल)।
- एल्डिहाइड (Aldehydes): फॉर्मेल्डिहाइड और ग्लूटेराल्डिहाइड प्रोटीन और न्यूक्लिक एसिड के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। ग्लूटेराल्डिहाइड एक रासायनिक स्टेरिलेंट है जिसका उपयोग चिकित्सा उपकरणों के लिए किया जाता है।
- चतुर्धातुक अमोनियम यौगिक (Quaternary Ammonium Compounds – Quats): ये सतह-सक्रिय एजेंट हैं जो कोशिका झिल्लियों को बाधित करते हैं।
Q8. (क) सहजीवी और गैर-सहजीवी N₂ स्थिरीकरण बैक्टीरिया का वर्णन कीजिए। (ख) खाद्य उद्योग में सूक्ष्मजीव विज्ञान के अनुप्रयोगों का विवरण दीजिए।
Ans.
(क) सहजीवी और गैर-सहजीवी N₂ स्थिरीकरण बैक्टीरिया नाइट्रोजन स्थिरीकरण (Nitrogen fixation) वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा वायुमंडलीय नाइट्रोजन गैस (N₂) को अमोनिया (NH₃) में परिवर्तित किया जाता है, जो पौधों और अन्य जीवों द्वारा उपयोग किया जा सकने वाला एक रूप है। यह प्रक्रिया नाइट्रोजिनेज (nitrogenase) एंजाइम द्वारा उत्प्रेरित होती है, जो ऑक्सीजन के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है। इस महत्वपूर्ण प्रक्रिया को करने वाले बैक्टीरिया को दो मुख्य समूहों में बांटा जा सकता है:
1. सहजीवी N₂-स्थिरीकरण बैक्टीरिया (Symbiotic N₂-fixing Bacteria): ये बैक्टीरिया एक मेजबान पौधे के साथ एक पारस्परिक (mutualistic) संबंध स्थापित करते हैं। बैक्टीरिया पौधे के लिए नाइट्रोजन का स्थिरीकरण करते हैं, और बदले में, पौधा बैक्टीरिया को कार्बोहाइड्रेट (ऊर्जा) और नाइट्रोजिनेज एंजाइम के लिए एक संरक्षित, कम-ऑक्सीजन वाला वातावरण प्रदान करता है।
- राइजोबियम (Rhizobium) और फलीदार पौधे (Legumes): यह सबसे प्रसिद्ध उदाहरण है। राइजोबियम बैक्टीरिया मटर, सेम, सोयाबीन जैसे फलीदार पौधों की जड़ों को संक्रमित करते हैं और जड़ ग्रंथिकाओं (root nodules) का निर्माण करते हैं। ग्रंथिकाओं के भीतर, बैक्टीरिया बैक्टीरॉइड्स (bacteroids) में बदल जाते हैं और नाइट्रोजन का स्थिरीकरण करते हैं। ग्रंथिकाओं में लेगहीमोग्लोबिन (leghemoglobin) नामक एक प्रोटीन होता है जो ऑक्सीजन को बांधता है, जिससे नाइट्रोजिनेज के लिए एक अवायवीय वातावरण बना रहता है।
- फ्रैंकिया (Frankia) और गैर-फलीदार पौधे: फ्रैंकिया , जो एक एक्टिनोमाइसिटी है, एल्डर (alder) जैसे गैर-फलीदार पौधों के साथ सहजीवी संबंध बनाता है और जड़ ग्रंथिकाओं का निर्माण करता है।
- एनाबीना (Anabaena) और एजोला (Azolla) : एनाबीना (एक साइनोबैक्टीरियम) एजोला नामक जलीय फर्न की पत्तियों में गुहाओं में रहता है और नाइट्रोजन का स्थिरीकरण करता है। इसका उपयोग अक्सर चावल के खेतों में जैव-उर्वरक के रूप में किया जाता है।
2. गैर-सहजीवी (असहजीवी) या मुक्त-जीवी N₂-स्थिरीकरण बैक्टीरिया (Non-symbiotic or Free-living N₂-fixing Bacteria): ये बैक्टीरिया मिट्टी या पानी में स्वतंत्र रूप से रहते हैं और किसी मेजबान पौधे के साथ संबंध बनाए बिना नाइट्रोजन का स्थिरीकरण करते हैं।
- वायवीय (Aerobic) मुक्त-जीवी:
- एजोटोबैक्टर (Azotobacter) : यह मिट्टी में पाया जाता है और अपने नाइट्रोजिनेज एंजाइम को ऑक्सीजन से बचाने के लिए बहुत उच्च श्वसन दर और एक मोटी अवपंक पर्त (slime layer) का उपयोग करता है।
- अवायवीय (Anaerobic) मुक्त-जीवी:
- क्लोस्ट्रीडियम (Clostridium) : यह एक सख्त अवायवीय जीवाणु है और केवल ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में ही नाइट्रोजन का स्थिरीकरण करता है।
- वैकल्पिक अवायवीय (Facultative Anaerobic):
- क्लेबसिएला (Klebsiella) : यह केवल अवायवीय परिस्थितियों में ही नाइट्रोजन का स्थिरीकरण करता है।
- प्रकाश संश्लेषक (Photosynthetic):
- साइनोबैक्टीरिया (Cyanobacteria): नोस्टॉक (Nostoc) और मुक्त-जीवी एनाबीना (Anabaena) जैसी प्रजातियों में हेटरोसिस्ट (heterocysts) नामक विशेष कोशिकाएं होती हैं, जिनमें नाइट्रोजन स्थिरीकरण होता है। इन कोशिकाओं में मोटी दीवारें होती हैं जो ऑक्सीजन को अंदर आने से रोकती हैं।
(ख) खाद्य उद्योग में सूक्ष्मजीव विज्ञान के अनुप्रयोग सूक्ष्मजीव विज्ञान खाद्य उद्योग में एक दोहरी भूमिका निभाता है: एक ओर, सूक्ष्मजीवों का उपयोग विभिन्न प्रकार के खाद्य पदार्थों के उत्पादन के लिए किया जाता है, और दूसरी ओर, वे खाद्य खराब होने और खाद्य जनित बीमारियों का कारण भी बनते हैं, इसलिए उनके नियंत्रण का अध्ययन महत्वपूर्ण है।
लाभदायक अनुप्रयोग (Beneficial Applications):
- किण्वित खाद्य और पेय पदार्थ (Fermented Foods and Beverages): किण्वन एक चयापचय प्रक्रिया है जिसमें सूक्ष्मजीव शर्करा को एसिड, गैसों या अल्कोहल में परिवर्तित करते हैं। यह भोजन को संरक्षित करता है और उसे एक विशेष स्वाद और बनावट प्रदान करता है।
- डेयरी उत्पाद: दही ( लैक्टोबैसिलस बुल्गारिकस, स्ट्रेप्टोकोकस थर्मोफिलस ), पनीर (लैक्टिक एसिड बैक्टीरिया और विभिन्न कवक जैसे पेनिसिलियम ), और मक्खन ।
- पके हुए उत्पाद: ब्रेड को फुलाने के लिए बेकर का यीस्ट ( सैकरोमाइसीज सेरेविसी ) का उपयोग किया जाता है।
- मादक पेय: बीयर और शराब यीस्ट द्वारा शर्करा के किण्वन से बनाए जाते हैं। सिरका एसिटिक एसिड बैक्टीरिया ( एसिटोबैक्टर ) द्वारा इथेनॉल के ऑक्सीकरण से बनता है।
- अन्य किण्वित खाद्य पदार्थ: साउरक्राउट (Sauerkraut), किमची (Kimchi) (लैक्टिक एसिड बैक्टीरिया द्वारा), और सोया सॉस ( एस्परजिलस कवक और यीस्ट द्वारा)।
- प्रोबायोटिक्स (Probiotics): ये जीवित लाभकारी सूक्ष्मजीव हैं जिन्हें स्वास्थ्य लाभ के लिए भोजन (जैसे दही) में मिलाया जाता है। ये आंत के स्वास्थ्य को बेहतर बनाने में मदद करते हैं। उदाहरण: लैक्टोबैसिलस और बिफीडोबैक्टीरियम प्रजातियाँ।
- खाद्य पूरक और एंजाइम: सूक्ष्मजीवों का उपयोग व्यावसायिक रूप से विटामिन (जैसे, विटामिन B12), अमीनो एसिड (जैसे, ग्लूटामिक एसिड MSG के लिए), और एंजाइम (जैसे, पनीर बनाने के लिए रेनेट) के उत्पादन के लिए किया जाता है।
खाद्य सुरक्षा और संरक्षण (Food Safety and Preservation):
- खाद्य संदूषण (Food Spoilage): सूक्ष्मजीव भोजन में अवांछनीय परिवर्तन ला सकते हैं, जिससे उसका स्वाद, गंध और बनावट खराब हो जाती है, और वह उपभोग के लिए अनुपयुक्त हो जाता है।
- खाद्य जनित रोग (Foodborne Illness): रोगजनक सूक्ष्मजीव (जैसे साल्मोनेला, ई. कोलाई O157:H7, लिस्टेरिया ) या उनके विषाक्त पदार्थ (जैसे स्टैफिलोकोकस ऑरियस, क्लोस्ट्रीडियम बोटुलिनम द्वारा उत्पादित) भोजन को दूषित कर सकते हैं और गंभीर बीमारियों का कारण बन सकते हैं।
- नियंत्रण में भूमिका: सूक्ष्मजीव विज्ञान खाद्य संरक्षण तकनीकों (जैसे पाश्चुरीकरण , कैनिंग, प्रशीतन) को विकसित करने और समझने में मदद करता है। खाद्य उत्पादों में सूक्ष्मजीवों की उपस्थिति का पता लगाने के लिए गुणवत्ता नियंत्रण परीक्षण (Quality control testing) सूक्ष्मजीव विज्ञान पर आधारित हैं। HACCP (हैजर्ड एनालिसिस एंड क्रिटिकल कंट्रोल पॉइंट्स) जैसी खाद्य सुरक्षा प्रणालियाँ सूक्ष्मजीवों के खतरों की पहचान और नियंत्रण पर केंद्रित हैं।
IGNOU BBCET-143 Previous Year Solved Question Paper in English
Q1. (a) (i) With the help of a diagram, explain the generalised structure of viruses. (ii) Differentiate between Viroids and Prions. (b) Write in brief about the contribution of the following scientists : (i) Louis Pasteur (ii) Robert Koch
Ans. (a) (i) Generalised Structure of a Virus Viruses are acellular , obligate intracellular parasites , meaning they can only replicate inside a living host cell. A complete, infectious virus particle is called a virion . Its generalised structure consists of the following components: 1. Genetic Material (Nucleic Acid): At the core of a virus lies its genetic material, which can be either DNA or RNA , but never both. This nucleic acid can be single-stranded or double-stranded, and linear or circular. It contains all the information necessary for the virus to replicate. 2. Capsid: This is a protein coat that surrounds the genetic material. It is composed of smaller protein subunits called capsomeres . The primary functions of the capsid are to protect the genetic material and to help in attachment to the host cell surface. The capsid can have different symmetries, such as helical , icosahedral , or complex . 3. Envelope: Some viruses, such as the influenza virus and HIV, have a lipid bilayer envelope outside the capsid. This envelope is derived from the host cell membrane. Embedded in this envelope are viral glycoprotein spikes , which play a crucial role in recognizing and entering the host cell. Viruses that lack this envelope are called naked viruses . Diagram: Generalised Structure of a Virus ( In an exam, draw a diagram of an enveloped virus clearly labelling the Genetic Material, Capsid, Envelope, and Glycoprotein Spikes. A diagram of a naked virus can also be included for comparison. ) (ii) Differentiation between Viroids and Prions
- Composition: Viroids are small, circular, single-stranded RNA (ssRNA) molecules. They do not have a protein coat (capsid). In contrast, Prions are infectious protein particles only; they contain no nucleic acid (DNA or RNA). They are misfolded forms (PrP Sc ) of a normal cellular protein (PrP C ).
- Host: Viroids primarily infect plants , causing diseases like potato spindle tuber disease. Prions cause diseases in animals and humans , such as Creutzfeldt-Jakob disease (CJD) in humans and Bovine Spongiform Encephalopathy (BSE or “mad cow disease”) in cattle.
- Mechanism of Action: Viroids cause disease by interfering with the host cell’s gene expression, possibly through RNA silencing pathways. Prions induce normal prion proteins to misfold into the infectious form, leading to the aggregation of these proteins in the brain, causing neurodegeneration.
(b) Contribution of Scientists
(i) Louis Pasteur:
- Disproval of Spontaneous Generation: Through his famous “swan-neck flask” experiments, he demonstrated that microorganisms do not arise from non-living matter but come from pre-existing microorganisms.
- Pasteurization: He developed the process of heating liquids like milk and wine to a specific temperature to kill harmful microbes, thus preventing spoilage. This process is named pasteurization in his honor.
- Vaccination: He developed vaccines for diseases such as anthrax and rabies, revolutionizing the field of immunology.
- Fermentation: He showed that fermentation is a biological process caused by microorganisms (like yeast), not a purely chemical one.
For his immense contributions, he is often called the
“Father of Microbiology”
.
(ii) Robert Koch:
- Germ Theory of Disease: He provided definitive proof that specific microbes cause specific diseases. He established that the bacterium Bacillus anthracis was the cause of anthrax.
- Koch’s Postulates: He developed a set of four criteria to establish a causal relationship between a microbe and a particular disease. These postulates remain fundamental in the study of infectious diseases.
- Isolation of Pathogens: He successfully isolated and identified the bacteria responsible for tuberculosis ( Mycobacterium tuberculosis ) and cholera ( Vibrio cholerae ).
- Pure Culture Techniques: He developed techniques for obtaining pure cultures of bacteria on solid media (using agar), a critical advance for microbiology that allowed for the isolation and study of individual microbial species.
Q2. (a) Describe briefly two genotypic methods for molecular characterization of prokaryotes. (b) Discuss with the help of a diagram, reproduction and horizontal gene transfer in bacteria.
Ans. (a) Genotypic Methods for Prokaryote Characterization Genotypic methods are based on the analysis of the genetic material (DNA or RNA) of microorganisms. They provide a more accurate and reliable classification than traditional phenotypic methods. Two key genotypic methods are: 1. 16S rRNA Gene Sequencing: This is the most widely used method for the identification and classification of prokaryotes.
- Principle: The 16S rRNA gene is a component of the ribosome and is present in all prokaryotes. This gene contains both highly conserved regions (similar across all species) and variable regions (different between species). The sequence variations in these variable regions are used to identify species and determine their evolutionary relationships (phylogeny).
- Procedure:
- Total DNA is extracted from the bacterium.
- The 16S rRNA gene is amplified using PCR (Polymerase Chain Reaction).
- The amplified gene is sequenced.
- The resulting sequence is compared to known sequences in public databases (like NCBI) to identify the bacterium.
2.
DNA-DNA Hybridization (DDH):
This method measures the overall genetic similarity between the genomes of two organisms. It was considered the ‘gold standard’ for defining a species at the genomic level.
- Principle: It is based on the fact that complementary DNA strands can pair up (hybridize) to form a double-stranded molecule. The extent of hybridization between DNA from two different species reflects their genetic closeness.
- Procedure:
- DNA is extracted from two organisms (A and B).
- DNA from organism A is radioactively labelled and denatured (heated to separate into single strands).
- An excess of unlabelled DNA from organism B is also denatured.
- The two DNA samples are mixed and allowed to cool and reanneal.
- The amount of hybrid DNA formed between the labelled DNA (A) and unlabelled DNA (B) is measured.
If
70% or more hybridization
occurs, the two organisms are considered to belong to the same species.
(b) Reproduction and Horizontal Gene Transfer (HGT) in Bacteria
Reproduction:
The primary mode of reproduction in bacteria is
asexual
, through a process called
Binary Fission
. In this process, a single cell divides into two identical daughter cells.
Steps:
- The cell elongates and increases in size.
- The cell’s single circular chromosome is replicated.
- The two chromosomes move to opposite poles of the cell.
- A septum forms in the center of the cell, dividing the cytoplasm.
- Eventually, the cell splits into two genetically identical daughter cells.
This process can be very rapid, leading to exponential growth in the bacterial population.
Horizontal Gene Transfer (HGT):
This is a process, distinct from reproduction, in which genetic material is transferred from one bacterium to another. It is a major source of genetic diversity in bacteria and plays a key role in the spread of traits like antibiotic resistance. The three main mechanisms are:
- Transformation: The uptake of naked DNA fragments from the surrounding environment. This DNA may be released from dead bacteria.
- Transduction: The transfer of DNA from one bacterium to another via a virus called a bacteriophage.
- Conjugation: The transfer of DNA through direct cell-to-cell contact. The donor cell uses a structure called a pilus to connect to the recipient cell and typically transfers a plasmid.
Diagram:
(
In an exam, draw a diagram illustrating the process of binary fission and the three mechanisms of HGT: transformation, transduction, and conjugation.
)
Q3. Write notes on any two of the following : (a) Non-Proteobacteria (b) Polio virus (c) Archaebacteria
Ans. (a) Non-Proteobacteria Non-Proteobacteria is a large and diverse group of Gram-negative bacteria that do not belong to the phylum Proteobacteria. Based on molecular analysis, especially 16S rRNA sequencing, they are classified into several distinct phyla. This group includes bacteria with very different metabolic and ecological characteristics. Key Examples and Their Features:
- Cyanobacteria: Formerly known as blue-green algae, these are oxygenic phototrophs , meaning they produce oxygen during photosynthesis. Some species, like Anabaena , can also fix atmospheric nitrogen. They are crucial primary producers in aquatic ecosystems.
- Chlamydiae: These are obligate intracellular parasites , meaning they can only survive and reproduce inside host cells. They have a unique developmental cycle involving two forms: the infectious elementary body and the replicating reticulate body . Chlamydia trachomatis causes trachoma (an eye infection) and sexually transmitted infections in humans.
- Spirochaetes: These are long, spiral-shaped, and highly motile bacteria. Their motility is due to endoflagella , or axial filaments, which are located within the cell wall. This group includes important pathogens such as Treponema pallidum , the cause of syphilis, and Borrelia burgdorferi , the cause of Lyme disease.
- Bacteroidetes: These are among the most abundant bacteria in the human gut. They are Gram-negative, anaerobic rods that play a crucial role in digesting complex carbohydrates.
(b) Polio Virus
The poliovirus is the causative agent of
poliomyelitis
, a serious and potentially fatal infectious disease.
- Classification and Structure: It belongs to the genus Enterovirus within the family Picornaviridae . It is a small (about 30 nm), non-enveloped virus with an icosahedral capsid.
- Genome: Its genetic material is a single-stranded, positive-sense RNA ((+)ssRNA) . This means its genomic RNA can be directly translated into protein by the host cell’s ribosomes (it acts as an mRNA).
- Transmission and Pathogenesis: Poliovirus is transmitted primarily through the fecal-oral route , typically via contaminated water or food. After entering the body, the virus replicates in the throat and intestines. It can then spread to the bloodstream (viremia) and invade the central nervous system (CNS). In the CNS, it destroys motor neurons in the spinal cord and brainstem, leading to muscle weakness and paralysis .
- Prevention: Polio is highly preventable through vaccination. Two types of vaccines are available: the Inactivated Polio Vaccine (IPV, Salk vaccine) , given by injection, and the Oral Polio Vaccine (OPV, Sabin vaccine) , given as drops. Global vaccination campaigns led by the World Health Organization (WHO) have nearly eradicated polio from most of the world.
(c) Archaebacteria
Archaebacteria (or Archaea) are a group of microorganisms that constitute a distinct
domain of life (Domain Archaea)
, separate from Bacteria and Eukarya. Although they have a prokaryotic cell structure (no nucleus), they possess many unique features that distinguish them from bacteria. They are often found in extreme environments and are thus also known as
extremophiles
.
Key Distinguishing Features:
- Cell Membrane: Unlike the ester-linked lipids in bacteria and eukarya, Archaea have ether-linked lipids in their cell membranes. This structure makes them more resistant to extreme temperatures and pH. Some archaea can even have lipid monolayers.
- Cell Wall: Their cell walls lack peptidoglycan , which is a key component of bacterial cell walls. Instead, it may be composed of pseudopeptidoglycan, proteins, or polysaccharides.
- Genetics and Molecular Biology: The genetic machinery of Archaea (e.g., RNA polymerase and ribosomal proteins) is more similar to that of eukaryotes than bacteria. They also have introns in some of their genes, a feature rare in bacteria.
Major Groups:
- Methanogens: These are strict anaerobes that produce methane (CH₄) as a metabolic byproduct. They are found in swamps, the guts of cattle, and sewage treatment plants.
- Extreme Halophiles: These organisms thrive in extremely salty environments, such as the Great Salt Lake or the Dead Sea.
- Hyperthermophiles: These organisms live at very high temperatures (above 80°C), such as in hot springs and deep-sea hydrothermal vents. Their enzymes (like Taq polymerase) are very useful in biotechnology.
Q4. (a) Describe sexual reproduction in fungi. (b) Discuss the economic importance of algae.
Ans. (a) Sexual Reproduction in Fungi Sexual reproduction in fungi is an important means of generating genetic variation, which helps them adapt to changing environments. This process typically occurs under adverse conditions. Sexual reproduction in fungi involves three main stages: 1. Plasmogamy: This is the first stage, involving the fusion of the cytoplasm of two compatible hyphae or gametes. This fusion brings two haploid (n) nuclei together in the same cell. 2. Karyogamy: This is the second stage, in which the two haploid nuclei that were brought together during plasmogamy fuse. This process results in the formation of a diploid (2n) zygote nucleus. In some fungal groups, such as Ascomycetes and Basidiomycetes, there can be a long delay between plasmogamy and karyogamy. This intermediate stage is called the dikaryotic stage (n+n) , where each cell contains two distinct haploid nuclei. 3. Meiosis: This is the final stage, in which the diploid zygote nucleus undergoes meiosis to produce haploid sexual spores. These spores are genetically different from their parents and, upon germination under favourable conditions, develop into new mycelia. Different fungal groups produce specific sexual spores and structures:
- Zygomycetes: They form a zygospore , which is a thick-walled resting structure.
- Ascomycetes: They produce ascospores , which are formed inside a sac-like structure called an ascus .
- Basidiomycetes: They produce basidiospores , which are borne externally on a club-shaped structure called a basidium .
(b) Economic Importance of Algae
Algae are a diverse group of simple, aquatic, photosynthetic organisms that have immense economic importance for humans and the environment. Their importance can be viewed in both positive and negative aspects.
Beneficial Importance:
- Primary Producers: Algae form the base of most aquatic food webs. Through photosynthesis, they produce a significant portion (about 50%) of the Earth’s oxygen.
- Food Source: Many algal species are consumed directly as food because they are rich in vitamins, minerals, and protein. Examples: Porphyra (nori, used in sushi), Spirulina , and Chlorella (as nutritional supplements).
- Industrial Products (Phycocolloids):
- Agar: Obtained from red algae (e.g., Gelidium and Gracilaria ). It is used as a solidifying agent for culture media in microbiology, and in the food industry for jellies and desserts.
- Carrageenan: Obtained from red algae. It is used as a thickening and stabilizing agent in dairy products (ice cream), toothpaste, and cosmetics.
- Alginates: Obtained from brown algae (e.g., kelp). They are used as thickeners in the food industry and to make impression materials in dentistry.
- Fertilizers: Seaweeds are rich in minerals and are used as organic fertilizers in agriculture.
- Biofuels: Some algal species are rich in lipids, and their use for producing biofuels like biodiesel is an active area of research.
- Diatomaceous Earth: This material, made from the fossilized remains of diatoms (a type of algae), is used in filters, abrasives, and insecticides.
Harmful Importance:
- Algal Blooms: When there is an excess of nutrients (like nitrogen and phosphorus) in water bodies, it leads to uncontrolled growth of algae. When these algae die, their decomposition depletes the water of oxygen, leading to the death of fish and other aquatic life.
- Toxins: Some algal species (e.g., dinoflagellates) produce potent toxins. This can lead to events like “Red Tides,” where the toxins can accumulate in shellfish and cause serious illnesses in humans, such as Paralytic Shellfish Poisoning.
Q5. (a) Discuss the features of typical structure of eubacteria. (b) Give the classification of Rickettsiae. Enlist diseases caused by Rickettsiae.
Ans. (a) Features of a Typical Eubacterial Structure Eubacteria, also known as ‘true bacteria’, are prokaryotic organisms. The structure of a typical bacterial cell includes the following components: External Structures:
- Glycocalyx: This is a sticky, gelatinous layer outside the cell wall. If it is well-organized and firmly attached, it is called a Capsule ; if it is loose and unorganized, it is called a Slime Layer . It aids in attachment, protection from dehydration, and evasion of phagocytosis.
- Flagella: These are long, thread-like appendages that provide motility to the bacteria.
- Pili and Fimbriae: These are short, hair-like appendages. Fimbriae help in attaching to surfaces and cells. A special type of pilus, the sex pilus , is involved in DNA transfer during conjugation.
Cell Envelope:
- Cell Wall: This is a rigid layer outside the cell membrane that provides shape and protects the cell from osmotic lysis. In eubacteria, its main component is peptidoglycan . Based on the structure of peptidoglycan, bacteria are divided into two major groups:
- Gram-positive: They have a thick layer of peptidoglycan containing teichoic acids.
- Gram-negative: They have a thin layer of peptidoglycan covered by an outer membrane. The outer membrane contains lipopolysaccharide (LPS).
- Cell Membrane: This is a phospholipid bilayer that encloses the cytoplasm. It is selectively permeable and is the site of important functions like nutrient transport, energy production (electron transport chain), and secretion of enzymes.
Internal Structures:
- Cytoplasm: The jelly-like substance within the cell membrane that contains all internal components.
- Nucleoid: This is the region within the cytoplasm where the bacterium’s single, circular chromosome is located. It is not enclosed by a nuclear membrane.
- Ribosomes: These are the sites of protein synthesis. Bacteria have 70S type ribosomes (which are smaller than eukaryotic 80S ribosomes).
- Inclusions: These are storage granules found in the cytoplasm, storing nutrients such as glycogen, phosphate, or sulfur.
- Plasmids: These are small, circular, extrachromosomal DNA molecules that replicate independently of the main chromosome. They often carry genes for additional traits like antibiotic resistance or virulence.
(b) Classification of Rickettsiae and Diseases
Rickettsiae are a group of small, Gram-negative,
obligate intracellular parasitic
bacteria. They are typically transmitted to humans by arthropod vectors such as ticks, lice, and fleas.
Classification:
The genus
Rickettsia
is part of the family Rickettsiaceae and the order Rickettsiales. Traditionally, and for clinical convenience, the genus
Rickettsia
is divided into two major groups:
1.
Spotted Fever Group (SFG):
- Vector: Primarily ticks.
- Pathogenicity: These bacteria grow in both the cytoplasm and nucleus of the cell.
- Example and Disease: The most prominent member of this group is Rickettsia rickettsii , which causes Rocky Mountain Spotted Fever (RMSF) . This is a severe illness characterized by high fever, headache, and a rash that begins on the wrists and ankles.
2.
Typhus Group (TG):
- Vector: Lice or fleas.
- Pathogenicity: These bacteria grow only in the cytoplasm of the cell.
- Examples and Diseases:
- Rickettsia prowazekii : Transmitted by the body louse, it causes Epidemic Typhus . It spreads in conditions of overcrowding and poor hygiene and is characterized by high fever, stupor, and a rash.
- Rickettsia typhi : Transmitted by the rat flea, it causes Endemic (or Murine) Typhus , which is a milder form of typhus.
A related genus,
Orientia
, causes Scrub Typhus.
List of Diseases Caused by Rickettsiae:
- Rocky Mountain Spotted Fever ( R. rickettsii )
- Epidemic Typhus ( R. prowazekii )
- Endemic (Murine) Typhus ( R. typhi )
- Rickettsialpox ( R. akari )
- Mediterranean Spotted Fever
- Scrub Typhus (caused by Orientia tsutsugamushi )
Q6. Explain any two of the following: (a) Nutrition in Protozoa (b) Leishmaniasis (c) Sexual reproduction in Protozoa
Ans. (a) Nutrition in Protozoa All protozoa are chemoheterotrophic , meaning they depend on organic compounds for both energy and carbon. They acquire their food in several ways: 1. Holozoic Nutrition: This method involves the ingestion of solid food particles, such as bacteria, algae, or other protozoa. It is also known as phagocytosis .
- In Amoeba , food is engulfed by pseudopods and enclosed within a food vacuole .
- In ciliates like Paramecium , there is a fixed mouth-like structure called a cytostome through which food is ingested.
Once a food vacuole is formed, it fuses with a lysosome to form a
phagolysosome
, where enzymes digest the food. The digested nutrients are absorbed into the cytoplasm, and waste products are egested through a
cytoproct
or the cell surface.
2.
Saprozoic Nutrition:
In this method, protozoa absorb dissolved organic nutrients directly from their environment across their cell surface (plasma membrane). This process is also called
osmotrophy
. This mode of nutrition is common in many parasitic protozoa, which absorb nutrients from the body fluids or tissues of their host, e.g.,
Trypanosoma
.
3.
Mixotrophic Nutrition:
Some protozoa, such as
Euglena
, are mixotrophic. In the presence of light, they can perform photosynthesis (autotrophic) using their chloroplasts. In the dark, they behave heterotrophically, ingesting organic compounds from the environment.
(b) Leishmaniasis
Leishmaniasis is a parasitic disease caused by protozoan parasites of the genus
Leishmania
. The disease is found mainly in tropical and subtropical regions.
- Vector and Transmission: The disease is transmitted by the bite of infected female phlebotomine sandflies . When an infected sandfly bites a person, it injects the parasite into the skin.
- Life Cycle: The life cycle of Leishmania involves two stages:
- Promastigote: This is the motile, flagellated form of the parasite found in the gut of the sandfly and transferred to the human host during a bite.
- Amastigote: This is the non-motile, intracellular form of the parasite. After entering the human body, promastigotes are engulfed by macrophages (a type of immune cell) and transform into amastigotes, where they multiply.
- Forms of the Disease: There are three main forms of leishmaniasis:
- Cutaneous Leishmaniasis: This is the most common form. It causes skin sores or ulcers at the site of the sandfly bite. The sores usually heal, leaving scars.
- Mucocutaneous Leishmaniasis: This is a rarer form where the parasites spread from the skin to the mucous membranes of the nose, mouth, and throat, causing destructive lesions.
- Visceral Leishmaniasis (Kala-azar): This is the most severe form and is fatal if left untreated. The parasites migrate to internal organs such as the liver, spleen, and bone marrow. Symptoms include fever, weight loss, enlargement of the spleen and liver (hepatosplenomegaly), and anemia.
Diagnosis is made by microscopic identification of amastigotes in tissue samples.
(c) Sexual Reproduction in Protozoa
Although most protozoa reproduce asexually (typically by binary fission), sexual processes occur in many groups to achieve genetic recombination. These processes increase genetic diversity, which is crucial for the survival of the species. The two main types of sexual processes are:
1.
Syngamy:
This process is analogous to fertilization in higher organisms. It involves the complete fusion of two haploid gametes to form a diploid zygote. The gametes can be of equal size (isogametes) or different sizes (anisogametes). This process is seen in organisms like
Plasmodium
(the malaria parasite).
2.
Conjugation:
This is a complex sexual process that occurs in ciliates like
Paramecium
. It is a process of recombination, not reproduction, as it does not directly result in new individuals.
The process of conjugation:
- Two compatible Paramecia temporarily pair up.
- The diploid micronucleus in each cell undergoes meiosis to produce four haploid micronuclei.
- Three of these disintegrate, and the remaining one divides by mitosis to form two haploid micronuclei.
- The two cells exchange one haploid micronucleus each.
- The cells separate.
- Within each cell, its own and the received micronucleus fuse to form a new, genetically recombinant, diploid micronucleus.
- The old macronucleus degenerates, and a new one develops from the new micronucleus.
After this process, the Paramecia multiply their numbers by asexual binary fission.
Q7. (a) Discuss the effect of environmental factors on microbial growth. (b) Describe in detail the methods used for control of microbial growth.
Ans. (a) Effect of Environmental Factors on Microbial Growth The growth and survival of microorganisms are greatly influenced by their physical and chemical environment. The major environmental factors are: 1. Temperature:
- Each microbe has a minimum, optimum, and maximum temperature range for growth. The growth rate is highest at the optimum temperature.
- Based on temperature, microbes are classified as:
- Psychrophiles: Thrive in cold temperatures (0-20°C).
- Mesophiles: Thrive in moderate temperatures (20-45°C). Most human pathogens fall into this category.
- Thermophiles: Thrive in high temperatures (45-80°C).
- Hyperthermophiles: Thrive in very high temperatures (above 80°C), such as in hot springs.
2.
pH:
- pH affects the structure and function of an organism’s enzymes and membrane proteins.
- Based on pH preference, microbes are:
- Acidophiles: Grow in acidic environments (pH < 5.5).
- Neutrophiles: Grow best around neutral pH (5.5 – 8.5). Most bacteria are in this category.
- Alkaliphiles: Grow in alkaline environments (pH > 8.5).
3.
Oxygen:
- Based on their oxygen requirement and tolerance, microbes are classified as:
- Obligate Aerobes: Require oxygen for growth.
- Facultative Anaerobes: Can grow in the presence or absence of oxygen.
- Obligate Anaerobes: Oxygen is toxic to them.
- Aerotolerant Anaerobes: Do not use oxygen but can survive in its presence.
- Microaerophiles: Require oxygen at low concentrations for growth.
4.
Water Activity (a
w
) and Osmotic Pressure:
- All microorganisms require water for metabolism. In environments with high solute concentrations (e.g., salt or sugar), water is drawn out of the cell (plasmolysis), inhibiting growth.
- Halophiles are organisms that require high salt concentrations for growth. Osmotolerant organisms can tolerate high osmotic pressure.
(b) Methods for Control of Microbial Growth
Controlling microbial growth is essential for preventing infections, preserving food, and avoiding contamination. Control methods can be classified into physical and chemical methods.
I. Physical Methods:
- Heat: This is one of the most common and effective methods.
- Moist Heat: More effective than dry heat as it denatures proteins more rapidly.
- Autoclaving: Uses steam under pressure (121°C, 15 psi, 15-20 min). It destroys all types of microbes, including spores, and is thus the most reliable method of sterilization .
- Pasteurization: Heats liquids like milk to a specific temperature to kill pathogens, but it is not sterilization.
- Boiling: Boiling at 100°C kills most vegetative cells, but some spores can survive.
- Dry Heat: Such as a hot air oven (160-170°C for 2 hours) or incineration.
- Moist Heat: More effective than dry heat as it denatures proteins more rapidly.
- Low Temperature: Refrigeration and freezing slow down microbial growth (bacteriostatic) but do not kill them.
- Filtration: Used to sterilize heat-sensitive liquids (e.g., vaccines) or air (HEPA filters). The pores of the filter are too small for microbes to pass through.
- Radiation:
- Ionizing Radiation: X-rays and gamma rays damage DNA and other cellular components. Used for sterilizing medical equipment and some foods.
- Non-ionizing Radiation: UV light damages DNA by forming thymine dimers. It is effective for surface and air disinfection but has poor penetration power.
- Desiccation: Removal of water stops microbial metabolism.
II. Chemical Methods:
These include disinfectants, antiseptics, and sterilants.
- Alcohols: Ethanol and isopropanol (at 70% concentration) work by denaturing proteins and dissolving lipids. They are good antiseptics.
- Halogens: Chlorine (in water disinfection) and iodine (as a tincture antiseptic) are powerful oxidizing agents.
- Phenols and Phenolics: They disrupt cell membranes and denature proteins (e.g., Lysol).
- Aldehydes: Formaldehyde and glutaraldehyde react with proteins and nucleic acids. Glutaraldehyde is a chemical sterilant used for medical instruments.
- Quaternary Ammonium Compounds (Quats): These are surface-active agents that disrupt cell membranes.
Q8. (a) Discuss symbiotic and non-symbiotic N₂ fixing bacteria. (b) Describe the applications of Microbiology in food industry.
Ans. (a) Symbiotic and Non-symbiotic N₂-fixing Bacteria Nitrogen fixation is the process by which atmospheric nitrogen gas (N₂) is converted to ammonia (NH₃), a form that can be used by plants and other organisms. This process is catalyzed by the enzyme nitrogenase , which is highly sensitive to oxygen. The bacteria that perform this vital process can be divided into two main groups: 1. Symbiotic N₂-fixing Bacteria: These bacteria establish a mutualistic relationship with a host plant. The bacterium fixes nitrogen for the plant, and in return, the plant provides the bacterium with carbohydrates (energy) and a protected, low-oxygen environment for the nitrogenase enzyme.
- Rhizobium and Legumes: This is the most well-known example. Rhizobium bacteria infect the roots of leguminous plants like peas, beans, and soybeans, inducing the formation of root nodules . Within the nodules, the bacteria differentiate into bacteroids and fix nitrogen. The nodules contain a protein called leghemoglobin , which binds oxygen, maintaining an anaerobic environment for nitrogenase.
- Frankia and Non-leguminous plants: Frankia , which is an actinomycete, forms symbiotic relationships with non-leguminous plants like alder, also forming root nodules.
- Anabaena and Azolla : Anabaena (a cyanobacterium) lives in cavities in the leaves of the aquatic fern Azolla and fixes nitrogen. It is often used as a biofertilizer in rice paddies.
2. Non-symbiotic (Free-living) N₂-fixing Bacteria:
These bacteria live freely in the soil or water and fix nitrogen without establishing a relationship with a host plant.
- Aerobic free-livers:
- Azotobacter : Found in soil, it uses a very high respiration rate and a thick slime layer to protect its nitrogenase enzyme from oxygen.
- Anaerobic free-livers:
- Clostridium : A strict anaerobe, it only fixes nitrogen in the absence of oxygen.
- Facultative Anaerobic:
- Klebsiella : It only fixes nitrogen under anaerobic conditions.
- Photosynthetic:
- Cyanobacteria: Species like Nostoc and free-living Anabaena have specialized cells called heterocysts where nitrogen fixation occurs. These cells have thick walls that prevent oxygen from entering.
(b) Applications of Microbiology in the Food Industry
Microbiology plays a dual role in the food industry: on one hand, microbes are used to produce a variety of foods, and on the other, they cause food spoilage and foodborne diseases, so studying their control is crucial.
Beneficial Applications:
- Fermented Foods and Beverages: Fermentation is a metabolic process where microbes convert sugars into acids, gases, or alcohol. This preserves the food and imparts a unique flavour and texture.
- Dairy Products: Yogurt ( Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus thermophilus ), cheese (lactic acid bacteria and various fungi like Penicillium ), and buttermilk .
- Baked Goods: Baker’s yeast ( Saccharomyces cerevisiae ) is used for leavening bread .
- Alcoholic Beverages: Beer and wine are made by the fermentation of sugars by yeast. Vinegar is produced by the oxidation of ethanol by acetic acid bacteria ( Acetobacter ).
- Other Fermented Foods: Sauerkraut, kimchi (by lactic acid bacteria), and soy sauce (by Aspergillus mold and yeasts).
- Probiotics: These are live beneficial microorganisms added to foods (like yogurt) for their health benefits. They help improve gut health. Examples include Lactobacillus and Bifidobacterium species.
- Food Supplements and Enzymes: Microbes are used to commercially produce vitamins (e.g., vitamin B12), amino acids (e.g., glutamic acid for MSG), and enzymes (e.g., rennet for cheesemaking).
Food Safety and Preservation:
- Food Spoilage: Microbes can cause undesirable changes in food, affecting its taste, smell, and texture, making it unfit for consumption.
- Foodborne Illness: Pathogenic microbes (e.g., Salmonella, E. coli O157:H7, Listeria ) or their toxins (e.g., produced by Staphylococcus aureus, Clostridium botulinum ) can contaminate food and cause serious diseases.
- Role in Control: Microbiology helps in developing and understanding food preservation techniques (e.g., pasteurization , canning, refrigeration). Quality control testing to detect the presence of microbes in food products is based on microbiology. Food safety systems like HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Points) are focused on identifying and controlling microbial hazards.
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