חיים ברתיחה - ויל היוולי

בטמפרטורה של 100 מעלות, כשמים הופכים לאדים, וחלבונים - המרכיבים העיקריים של גופנו - הופכים לעיסה, ישנם יצורים שרק מתחילים להתחמם. האם אלה שרידי היצורים הקדומים שאיכלסו את כדור-הארץ כשהיה כוכב צעיר וחם?

מייק אדאמס (Adams) הוא, קרוב לוודאי, החוקר היחיד בצפון אמריקה המגדל מיקרואורגניזמים שיש בכוחם למוטט קירות. הוא לא אוהב כשמבלבלים בין היצורים שלו לבין צורות חיים רגילות. "נקרא להם אורגניזמים", הוא אומר, "משום שהם לא חידקים במובן המקובל של המילה". אבל יש להם כמה הרגלים מגונים, הנובעים, ללא ספק, מן הסביבה שבה הם גדלים. מרביתם הובאו לכאן ממעיינות חמים בקרקעית האוקיינוס - יורות ענק מהבילות ועשירות בגפרית, המתיזות סילוני מים שחומם מגיע לכ-370 מעלות צלזיוס.

בהכנסנו אל החדר שבו גדלים היצורים הזעירים והקשוחים הללו, נטרקת מאחורינו דלת איתנה עשויה מתכת. דלת זו, וכן קירות הבלוקים ורצפת הבטון במקום, משווים לחדר מראה של בונקר. מיכל ההדגרה החדש, בעל קיבולת של 450 ליטר, בוהק בצבעו הכחול ונראה חזק כמו צוללת. איש אינו עובד בקרבת המיכל. צרור חוטים מוביל ממנו אל חדר אטום שבסמוך - חדר הבקרה הממוחשב. הקיר שממול לחדר הבקרה תוכנן כך, שבמקרה של פיצוץ ייהדף כלפי חוץ.

עיקר עיסוקו של אדאמס באורגניזמים המפרקים תרכובות כימיות ומשחררים מימן - גז נפיץ ביותר. מרביתם ניזונים מגפרית ומשחררים מימן גפריתי, המעניק לסביבתם ריח של ביצים סרוחות.

אהבתם לחום, לעומת זאת, היא עניין מהותי ביותר. היצורים של אדאמס נהנים להתבשל ברותחין. זה ההבדל בינם לבין כל צורות החיים האחרות. בטמפרטורה של 100 מעלות מתפרקות המולקולות שאנו וכל יתר היצורים החיים עשויים מהן. תוך שניות מתפרק הדנ"א והחלבונים קורסים. אנו סומכים על יעילותם הרצחנית של המים הרותחים בטיהור מזוננו ובעיקור מכשירים רפואיים. אבל אדאמס יכול להרתיח את יצוריו לעד. הם משגשגים בחום. למעשה, זנים רבים מוצאים שטבילה ב-100 מעלות פושרת מדי עבורם. אמבטיה קצת יותר חמה, נאמר 105 מעלות בסיר לחץ, תעסה להם את המולקולות, תמריץ להם את החלבונים ותעודד אותם להתרבות בקצב מהיר יותר.

יצורים קדומים

אדאמס, ביוכימאי באוניברסיטת ג'ורג'יה, שואף לגלות את סוד חייהם הבלתי אפשריים של יצורים אלה. "אלה הם אורגניזמים חדשים לגמרי, המאיימים לחולל מהפכה בתחום הביוכימיה ובחקר ראשית החיים", הוא טוען. "הם מתפתחים בטמפרטורות קיצוניות כל כך, שלא ייתכן שהם מבצעים בדיוק את אותן הפעולות שמבצעים יתר האורגניזמים. מכאן, שהם פועלים אחרת. עם זאת, הם עושים גם הרבה דברים דומים, ואנחנו עדיין לא מבינים בדיוק איך". כשאדאמס אומר שהאורגניזמים שלו "חדשים", כוונתו שהם חדשים למדע. שכן, הוא מאמין שהם צורת החיים הקדומה ביותר המוכרת לנו, קרוביהם של החד-תאיים הראשונים שהופיעו על פני כדור הארץ, כשהיה כוכב לכת צעיר וחם. אם נכונה השערה זו, שהועלתה לראשונה בשנות ה-80 המוקדמות על ידי המיקרוביולוג קארל ווז (Woese) מאוניברסיטת אילינוי, אזי ניתן יהיה ללמוד ממנגנוני הפעולה של האורגניזמים האלה על התהליכים הביוכימיים של צורות החיים הראשונות - תהליכים המיטיבים לפעול בטמפרטורה גבוהה מ-100 מעלות.

מיקרואורגניזמים המסוגלים לחיות בטמפרטורות גבוהות נחשבו עד כה ליצורים רגילים, שהסתגלו לחום בדרך זו או אחרת. התיאוריה החדשה הופכת את הקערה על פיה ומעלה את הסברה, שמי שהסתגל פה הם אנחנו - ויש בכך משום תפנית דרמטית.

ייתכן מאד, שבתהליך ההסתגלות לסביבה קרירה יותר, התקרבנו לקצה הקר של טווח הטמפרטורות הביולוגי. אם טמפרטורה של 37 מעלות (הנורמלית עבורנו) היא נמוכה, וטמפרטורה של 100 מעלות היא נוחה, מהי הטמפרטורה המירבית שבה ייתכנו חיים? התהליכים הכימיים המתרחשים באורגניזמים שמגדל אדאמס יכולים לספק לנו רמז בכיוון הנכון, וייתכן אף שיובילו אותנו למסקנות בדבר מקומות אחרים ביקום - לאו דווקא כוכבי לכת הדומים לכדור הארץ - שבהם עשויים היו להתפתח חיים.

חיפש אנזים - מצא חידק מוזר

בינתיים נמנע אדאמס מלהפליג בהרהורים על אודות חיים בכוכבי-לכת רחוקים; היצורים הארציים במעבדתו זרים לו דיים. הוא התחיל להתעניין בהם ב-1981, כשעבד במעבדות המחקר של חברת אקסון (Exxon) בניו-ג'רזי. אדאמס, דוקטור לביוכימיה מאוניברסיטת לונדון, הגיע לאקסון לאחר שעבד זמן מה באוניברסיטת פרדיו שבאינדיאנה. בחברת אקסון חקר אדאמס הידרוגנאז (hydrogenase) - אנזים חידקי המסוגל לנתק מימן ממולקולות מים. בחברת אקסון קיוו, ככל הנראה, שאנזים זה יוכל לשמש בתהליך זיקוק הנפט. אך ב-1986 קצצה אקסון בתקציבי המחקר בביולוגיה, ואדאמס החליט לעזוב.

הוא עבר לאוניברסיטת ג'ורג'יה, ושם החל לתור אחר מיקרואורגניזמים המשתמשים במימן בתהליך חילוף החומרים שלהם, זאת בתקווה למצוא בהם פעילות הידרוגנאז או אנזימים דומים. במסגרת סקירת ספרות שערך, מצא מספר דיווחים מאת מיקרוביולוג גרמני בשם קארל סטטר (Stetter) על אורגניזמים מוזרים שגילה ב-1982 במעיינות חמים בסיציליה, המשגשגים בטמפרטורה גבוהה מ-100 מעלות. מאוחר יותר נמצאו מיקרואורגניזמים כאלה גם במעמקי האוקיינוס, בפתחים געשיים שעומקם מגיע לחמישה קילומטרים מתחת לפני המים. חידקים המסוגלים לחיות בטמפרטורה של כ-90 מעלות, כגון חידקי מעיינות המים החמים בפארק ילוסטון (Yellowstone) בארה"ב, היו ידועים כבר לביולוגים, וכונו תרמופילים (thermophiles) - אוהבי חום. אבל האורגניזמים החדשים חרגו הרבה מעבר לכך - אלה זכו לכינוי היפרתרמופילים (hyperthermophiles) - אוהבי חום קיצוני.

"האורגניזמים האלה היו בנמצא" מסביר אדאמס, "אך לא נחקרו דיים. איש לא בודד מהם אנזימים כלשהם, איש לא ידע עליהם דבר. והם אכן קשרו מימן. העיתוי היה מושלם. חשבתי לעצמי, הרי לא ייתכן שכל כך קשה לגדל אותם, גם אם הם זקוקים לטמפרטורות קיצוניות כאלה'". אדאמס הזמין שני סוגים של חידקים אלה מאוסף תרביות בגרמניה, ושניהם התפתחו. למרות שקרא ולמד אודותם, הפעילות הכימית יוצאת הדופן שלהם הדהימה אותו. היצורים הללו אמנם היו מצויידים באנזים הידרוגנאז, אבל בגירסה שונה, עמידה בטמפרטורות גבוהות במיוחד. "בודדנו מהם את האנזים ובדקנו את פעילותו בטמפרטורה של 100 מעלות. למיטב ידיעתי, זהו האנזים הראשון שבודד מאורגניזם היפרתרמופילי".

אנזימים הם ה"מזיזים דברים" באורגניזם החי. אלה הם חלבונים המזרזים פעולות כימיות המתקיימות ביצורים חיים. אדאמס החליט להניח לאנזימים להנחות אותו במסעו אל העולם הזר והמוזר של החיים מעל לנקודת הרתיחה. עולם שופע מינים אקזוטיים, השוכן מעבר לגבולות המוכרים לנו. אם יתחקה אחר האנזימים, חשב, יגלה את סודם של האורגניזמים אוהבי החום.

התחקות אחר מהות האנזימים

הצעד הראשון בניקוי אנזים מתאים חיים הוא לבקע גוש של תאים: ניתן למעוך אותם בלחץ, לפרק את דפנותיהם בעזרת אנזימים, או לרסק אותם באמצעות גלי קול. אחר כך מסרכזים אותם. בתום שעה של סירכוז מהיר נערמים שרידי דפנות התאים בקרקעית המבחנה, ואילו האנזימים מרחפים בתמיסה. על מנת למיין אותם, שופתים את התמיסה לתוך עמודה (קולונה), ובה חומר שאינו מאפשר מעבר למולקולות גדולות דוגמת האנזימים. המולקולות הגדולות ביותר, בעלות המטען החשמלי הגבוה, נוטות להיצמד אל החומר המסנן, והן שוקעות לאט יותר. התהליך המייגע הזה אורך מספר שעות, ולעתים קרובות, על מנת לנקות אנזימים דומים המסרבים להיפרד, יש צורך לחזור עליו כמה פעמים. בכל שלבי התהליך מישהו צריך להיות נוכח, ביום ובלילה, כדי לאסוף את האנזימים המופרדים מן העמודה.

"לגמרי במקרה", מספר אדאמס, "במהלך ניקוי אחד האנזימים, הבחנו במולקולה שצבעה אדום בוהק. ביקשתי מאחד הסטודנטים לבדוק במה העניין. הצבע האדום עורר בי את החשד שמדובר בתרכובת המכילה מתכת, כמו הם (heme)". הם היא מולקולה המכילה אטום ברזל, ומהווה חלק חיוני בחלבון ההמוגלובין המצוי בכדוריות הדם האדומות. אטום הברזל הוא הקושר את החמצן. קשר זה, אגב, משווה לדם את צבעו האדום. אדאמס מגלה עניין רב במתכות. לעתים קרובות, המתכות הן המקנות לאנזים את יכולתו להאיץ תגובה כימית, כמו הברזל שבהמוגלובין. לאחר שערכו באנזים בדיקה לאיתור מתכות, אמנם מצאו בו ברזל. להפתעתם, הם מצאו גם טונגסטן.

התלהבותו של אדאמס נבעה מן העובדה, שטונגסטן היא מתכת נדירה ביותר אצל רוב היצורים החיים - רק אנזים אחד המכיל טונגסטן בודד עד אז מיצור חי. מאז שהחלו אדאמס וחבריו לעבוד ב"פס-הפירוק" המולקולרי, מצאו טונגסטן על כל צעד ושעל. באחד מכל חמישה אורגניזמים שהצליחו לגדל מצאו אנזימים המכילים את המתכת, אנזימים שמעולם לא ראו כדוגמתם. דומה היה שזרזים אלה לוקחים חלק בסדרה של תגובות כימיות בלתי ידועות עד אז, בהן מפרקים האורגניזמים סוכרים וחלבונים לייצור אנרגיה, ותוך כך משחררים מימן. יתרה מכך, התברר כי תוספת טונגסטן למצע הגידול ממריצה את התרבותם של היצורים הללו.

נראה, אם-כך, כי חילוף החומרים של יצורים מוזרים אלה שונה מזה של רוב של היצורים החיים. נזכיר כי בתהליך חילוף החומרים בגוף מתפרקים שומנים חלבונים ופחמימות לאבני בניין פשוטות, ותוך כך משתחררת אנרגיה המשמשת בתהליכים צורכי אנרגיה. בכל תהליכי הפרוק וההרכבה משתתפים אנזימים. בדיקות נוספות העלו, שבנוסף לאנזימים המכילים טונגסטן, מצויידים יצורים אלה גם באנזימים המכילים מתכות כמו ברזל. אלה אותם אנזימים המשתתפים בתהליכי חילוף חומרים ברוב היצורים החיים. נראה, אם-כך, כי היצורים של אדאמס מסוגלים להשתמש בשני מסלולים לחילוף חומרים: המסלול המקובל אצל רוב היצורים החיים, והמסלול הייחודי להם, בהם משתתפים אנזימים בלתי מוכרים, הפועלים בטמפרטורות גבוהות. מקומו של הטונגסטן במערכת לא היה ברור. האם מילא תפקיד בתהליכים כימיים קדומים יותר, המיטיבים לפעול בחום? האם מאוחר יותר התפתחו אנזימים המסוגלים להתמודד עם טמפרטורות נמוכות? ואם כן, כיצד זה לא התפרקו בטמפרטורות גבוהות, כפי שמתפרקים האנזימים שלנו?

חקר המוזרויות שבמולקולות

אדאמס הבין שהגיע הזמן להעמיק בנושא: לרדת מרמת התגובות בין המולקולות ולחקור את המולקולות עצמן. נראה היה לו שביסוד הדברים עומדת השאלה: מה מקנה למולקולות הללו את יציבותן? שהרי כשמרתיחים חלבון, הוא הופך לבלתי יציב, מתפרק, ושוקע. "חלבון חייב להיות בתמיסה", מסביר אדאמס. "אפשר אף לומר, שהמים מהווים חלק מהמבנה שלו". מולקולות מים זעירות נעות בין שרשראות ארוכות של חומצות אמיניות, המרכיבות את מולקולות החלבון. בטמפרטורה מתאימה מתפתלות מולקולות החלבון בתמיסה, ומתעקלות כפקעות של חוטי צמר. אולם כשהמים חמים מדי, מתחזקות תנודותיהן של מולקולות המים; הן הולמות בפתילי החלבון המעוקלים ומתירות אותם. שאריות פתילי החלבון מסתבכות זו בזו ושוקעות. חלבון ביצה בטמפרטורת החדר הוא תמיסה עשירה של פקעות פתילי חלבון. לאחר ההרתחה, הן נקרשות, מתגבבות ומתערבבות זו בזו.

מדוע אין החלבונים העמידים בחום מתנהגים כמו חלבון הביצה? השערתו של אדאמס הייתה, שסלילי החלבונים הללו מתקשרים זה עם זה במקומות רבים יותר. ההתקשרות נעשית באמצעות קשרים כימיים חלשים המכונים "קשרי צילוב" (cross links), במקומות שבהם מתעקלים הפתילים קרוב זה לזה. קשרים אלה עשויים למנוע את התפרקות החלבון בטמפרטורות גבוהות. מספר הקשרים תלוי ברצף החומצות האמיניות השונות המרכיבות את החלבון. מיקומן של החומצות האמיניות בחלבון הוא הקובע כיצד יתעקלו הפתילים סביב עצמם, הואיל וקשרי הצילוב נוצרים בין מרכיבי החומצות האמיניות.

על מנת לקבל תמונה ברורה יותר, פנה אדאמס לחלבון רוברדוקסין (Rubredoxin). "רוברדוקסין הוא חלבון קטן מאוד, המכיל רק 53 חומצות אמיניות," מסביר אדאמס, "הוא בודד מכתריסר אורגניזמים רגילים, והמבנה שלו ידוע. אנחנו בודדנו רוברדוקסין מאחד האורגניזמים ההיפרתרמופילים שלנו, ותיארנו את מבנהו בשיטות מתאימות".

רוברדוקסין רגיל בנוי מפתיל ארוך אחד, המתפתל לפקעת דמויית כדור. שלושה אזורים בפתיל, המכונים "מעטפות ביתא", סדורים זה לצד זה כאשר האנזים מעוקל, ושומרים על יציבות המבנה. למעטפת האמצעית יש מעין "זנב".

תרשים של האנזים רוברדוקסין, שהוא האנזים הראשון שבודד מאורגניזם היפרתרמופילי (ששמו Pyrococcus furiosus). מבנה האנזים מורה מדוע אין הוא מתפרק במים רותחים. מרכיביו העיקריים הם אטום ברזל (אדום), ארבעה אטומי גופרית (צהוב), ארבעה אטומי פחמן(לבן) ושלוש "מעטפות ביתא"- אזורים השומרים על יציבות המולקולה. המעטפת האמצעית מסתיימת במעין "זנב" (צהוב). ברוברדוקסין הפעיל בטמפרטורות נמוכות יחסית(סביב 37 מעלות), ה"זהב" ארוך יותר, ותנודות המים הרותחים מטלטלות האותו אנה ואנה. בעקבות זאת הקצה נמשך, המעטפת משתחררת והאנזים נהרס. באנזים העמיד בחום, הזנב קצר יותר ואינו מגיב לתנודות של מולקולות המים החמים.

החלבון העמיד בחום היה שונה במקצת. קצה המעטפת האמצעית חסר חומצה אמינית אחת, ולכן לא בלט מן המולקולה. "השערתנו היא", סבור אדאמס, "שכאשר מחממים את החלבון הרגיל, תנועת מולקולות המים מנענעת את קצה ה"זנב" שנתלש לבסוף, מושך אחריו את "מעטפת הביתא" והמולקולה כולה מתפרקת. תהליך זה לא מתרחש בחלבון העמיד לחום, משום שה"זנב" קצר יותר, אינו מתנועע כתגובה לתנועת מולקולות המים, ולא מביא, לפיכך, לפרוק הפקעת."

"קצת הופתענו מהדמיון הרב במבנה שני סוגי הרוברדוקסין" אומר אדאמס. "הגירסה הרגילה של החלבון, והגירסה העמידה בפני חום היו דומות דיין כדי לבצע את אותן פעולות כימיות. באופן כללי, המבנה התלת-מימדי שלהן דומה, ובכל זאת קיים מספר קטן של הבדלים מהותיים". אדאמס מאמין, שייתכן שהבדלים דקים אלה במבנה, אחראים גם ליציבותן של יתר המולקולות הרגילות, לכאורה, באורגניזמים אוהבי החום. "סבורני שאנו עתידים לגלות כי לכל חלבון מנגנון ייחודי משלו, וההבדלים הקטנים בין הגירסה הרגילה לגירסה העמידה יימצאו בנקודות התורפה של החלבון".

למראית עין מנפצת השערה זו את המיסתורין האופף את האורגניזמים אוהבי החום, לפיו עמידותם יוצאת הדופן נובעת לכאורה מהסתגלות שולית. "זו אינה הסתגלות שולית כלל ועיקר", אומר אדאמס, "שינויים קטנים במבנה החלבון יכולים לחולל שינויים מופלגים ביציבותו".

לפי דעתו של אדאמס, התהליך היה הפוך. במקום שנקודת המוצא תהייה חלבונים, שהפכו יציבים תוך הסתגלות לחיים בטמפרטורות גבוהות, הוא משוכנע שהיו אלה החלבונים אוהבי החום שהפכו יציבים פחות תוך הסתגלות לחיים בטמפרטורות נמוכות. התקררות כדור הארץ לא הותירה בפניהם ברירה. בטמפרטורה של כ-16 מעלות, שהיא הטמפרטורה הממוצעת על פני כדור הארץ, נוטה חלבון המצוייד בקשרי צילוב רבים בין סליליו להתקשח. אנזים קשיח אינו יכול להשתתף בתגובות כימיות, שכן אינו גמיש דיו להתקרב לאתרי הפעולה שלו במולקולות. הויתור על כמה קשרי צילוב גרם להגמשת האנזימים ופתר את הבעיה, אך גם הפך אותם לחלשים מכדי לשרוד בטמפרטורות גבוהות.

חלבונים בראי האבולוציה

אם מקבלים את השתלשלות העניינים כפי שהציג אדאמס, הרי חלבונים הדוקים הם קדומים יותר, וחלבונים רופפים - מאוחרים יותר. במוקדם או במאוחר בתהליך ההתפתחות, עשוי חלבון שהותר להתפצל למספר מולקולות נפרדות, וכל אחת מהן "תתמחה" בתפקיד מצומצם בתוך שרשרת של תגובות כימיות. רעיון זה יש בו כדי להסביר דפוסי התנהגות של כמה אנזימים הפעילים בטמפרטורות גבוהות. חלק מהאנזימים האלה פשוטים הרבה יותר מכאלה שניתן למצוא ביצורים מפותחים יותר, והם נראים כאבותיהם של האחרונים. כך, למשל, פירובאט אוקסידו-רדוקטאז (Pyruvate oxidoreductase) הוא אנזים עמיד בחום, המבצע מספר תגובות גם יחד. בגופנו מבוצעות תגובות אלו על-ידי מספר מולקולות שונות. אפשר לראות כאן ריכוזיות מסויימת: מצד אחד ריכוז של מסלולי חילוף החומרים בטמפרטורות גבוהות, ומצד שני דחיסות והידוק של החלבונים העמידים המשתתפים בתהליך. ברמה המולקולרית, זוהי למעשה הגירסה הביולוגית של המפץ הגדול: ככל שהעבר רחוק יותר, כך הביוכימיה חמה יותר ודחוסה יותר.

אדאמס מצרף את פיסות המידע שפיענח עד כה לסיפור תולדות החיים עלי אדמות: בראשית התקיימו על-פני תבל אורגניזמים עמידים בטמפרטורות גבוהות, ממש כפי שטוען ווז. עם התקררות כדור הארץ, השילו מעליהן מולקולות החלבון קשרי צילוב על מנת לשמור על גמישות ועל יכולת תיפקוד. במקביל, "נטשו" מרבית האורגניזמים את הטונגסטן לטובת יסוד אחר - מוליבדן (Molybdenum) - הנפוץ בכל האורגניזמים האחרים. ייתכן שמולקולות חלבון המכילות מוליבדן תיפקדו טוב יותר בטמפרטורות נמוכות או בנוכחות חומרים מסויימים, בעוד שחלבונים מכילי טונגסטן היטיבו לפעול בתגובות כימיות בטמפרטורות גבוהות, שבהן מעורבים חומרים כגון מימן וגפרית. היצורים ההיפרתרמופילים הם צאצאי אותם האורגניזמים שלא ויתרו על הטונגסטן. האחרים התפתחו והיו לאבותיהם של מרבית היצורים הקיימים היום - למן הצמחים והתולעים ועד לאדם.

התיאוריה מתקבלת על הדעת, אך ייקח זמן רב להוכיח אותה. "אני מזכיר לעצמי כל הזמן לא לייחס חשיבות יתר לעניין", אומר אדאמס. הידע בתחום זה נזיל מאוד; מתברר, שהכימיה של החיים בחום העז מסובכת מכפי ששיערו תחילה. "אלה אינם אורגניזמים פשוטים", הוא מדגיש, "התהליכים הכימיים שהם מקיימים מסובכים כמו אלה של חידקים."

מכל מקום, וללא קשר לפרטי התמונה, המסגרת הכללית שהתווה ווז בדבר התפתחות החיים מן החם אל הקר טרם הכזיבה את אדאמס. "אני משתמש בתיאוריה שלו כתבנית, לצקת לתוכה את נתוני המבנה והשימוש בטונגסטן. יש עדיין חוקרים הקוראים עליה תגר, אך העדויות המאששות הולכות ומצטברות".

העדויות שסיפק הרוברדוקסין מסקרנות במיוחד. אם שינוי מבני קטן, הגורם לדלדול קצה המולקולה, מאפשר לה לתפקד בטמפרטורה של 16 מעלות במקום ב-100 מעלות, מה היה קורה אילו היה קצה המולקולה קצר עוד יותר? האם הייתה מולקולה כזו מסוגלת לתפקד בטמפרטורה של 150 מעלות? ומה בדבר שינויים מרחיקי-לכת יותר? יש חוקרים המאמינים, שכדור הארץ מאכלס עדיין אורגניזמים המתפתחים בטמפרטורות גבוהות בהרבה מ-150 מעלות.

בדיעבד, קל היום להווכח בעובדה, ש-100 מעלות, נקודת הרתיחה של מים בגובה פני הים בלחץ של אטמוספרה אחת, היא גבול שרירותי. חמישה קילומטרים מתחת לפני הים, בלחץ של 300 אטמוספרות ומעלה, חיים מיקרואורגניזמים בפתחים געשיים חמים כל כך, שפשוט איננו יכולים להתקרב אליהם. האם ייתכן שאי-שם קיימים יצורים קדומים עוד יותר ועמידים עוד יותר בפני חום? אדאמס מאמין שכן: "לא השקענו מספיק מאמצים בחיפוש אחר יצורים כאלה. איך זה שאורגניזם המסוגל לחיות במים רותחים התגלה רק ב1982-? פשוט מאוד, לפני כן אף אחד לא חיפש! אני חושב שצפויות פריצות דרך דרמטיות בקרוב," הוא מוסיף. "זה מדהים, לפני 20 שנה, אילו היית שואל מה הטמפרטורה הגבוהה ביותר שבה ייתכנו חיים, היינו בוודאי אומרים שהיא נמוכה מ100- מעלות. מי יודע מה תהייה התשובה בעוד 20 שנה?"

תרגמה: סימונה סרמוניטה

הכתבה המקורית (באנגלית) כאן.

ויל היוולי (Will Hively) עורך ספרים וכותב מאמרים בכתבי עת. עורכו הקודם של כתב העת במדע פופולרי דיסקאוור (Discover).

פורסם ב"גליליאו" גיליון 5, יולי/אוגוסט 1994.

חיסון לריפוי מחלות - רוני ליפשיץ

מאז נסיונותיו הראשונים של לואי פסטר ב-1885 לפתח נסיוב חיסוני, האמינו המדענים כי חיסון יכול למנוע מחלות, אך לא לרפאן. לאחרונה מתעורר ויכוח חדש: חוקרים הציגו חיסונים המרפאים צרעת והרפס, והמדענים נחלקים בדעותיהם כיצד להסביר את התוצאות.

חיסונים, ככל הנראה, הורידו את התמותה האנושית יותר מכל התערבות רפואית אחרת, למעט אולי משמירה על היגיינה. אלא שכיום יש חוקרים הטוענים, כי השימוש בחיסונים יכול לסייע לנו אף יותר; החיסון, לדעתם, אינו רק יעיל במניעת מחלות - הוא יכול גם לרפא אותן.

רעיון זה צבר תנופה כתוצאה מנסיונות שנעשו להגביר את פעילות המערכת החיסונית של אנשים אשר נפגעו מנגיף האיידס, אף על פי שבמקרה זה הנסיונות לא הוכתרו בהצלחה. ההנחה המסורתית הנקוטה בידי החוקרים, עד היום, היא שלא ניתן להשפיע על עוצמת פעילות המערכת החיסונית. מרגע שהאדם נפגע במחלה, אומרים רוב החוקרים, המערכת החיסונית תוקפת את גורמיה בעוצמה המקסימלית. אם היא נכשלת במשימה, יש צורך להשתמש בתרופות התוקפות ישירות את הפולשים הזרים.

לאחרונה דיווחו חוקרים העוסקים בנסיונות חיזוק המערכת החיסונית אצל בני אדם החולים בהרפס, צרעת, לישמניאזיס (שושנת-יריחו) ושחפת, כי התוצאות הראשונות מלמדות שניתן לחזק את המערכת החיסונית של בני אדם שכבר נפגעו במחלות אלה.

נגיפי HSV במיקרוסקופ אלקטרונים חודר
CDC/Dr. Erskine Palmer

נגיף ההרפס סימפלקס מסוג HSV-2) 2) תוקף 20 אחוזים מהמבוגרים בארצות הברית. הוא מועבר באמצעות יחסי מין וגורם להופעת פצעים על אברי המין אשר נרפאים מעצמם בתקופות מסוימות, ומתפרצים מחדש.

לפני שנה הציגו קורי (Corey) ושטראוס (Straus), שני חוקרים מאוניברסיטת וושינגטון,תוצאות ניסוי של טיפול חדשני בחולי הרפס. ל-98 חולים הוזרק נגיף ההרפס-2 שעבר מספר שינויים, אשר הפחיתו ב-30 אחוזים את רמת חזרת פצעי המחלה. החוקרים, עם זאת, מציינים, כי יש להתייחס בזהירות לתוצאות המתאימות.

התרופה המקובלת לטיפול בהרפס היא אציקלוויר ויעילותה גדולה פי שלושה מהטיפול באמצעות הנגיף, שכן, לאחר קבלת התרופה חלה ירידה של (90 אחוזים בחזרת הפצעים).

אולם לתרופה זו, למרות יעילותה, יש גם חסרונות. "כדי לקבל תוצאות טובות יש לקחת את התרופה פעמיים ביום במשך כל החיים", אומרים שטראוס וקורי. "לאנשים רבים, האפשרות של קבלת זריקה פעם או פעמיים בשנה בלבד, מועדפת בהרבה".

האם נפתחים אופקים חדשים במחקר האימונולוגי (תורת החיסון)? קשה לומר בוודאות שכן. ויכוח עירני מתנהל על משמעות התוצאות. לאחרונה הודיעו גם כמה יצרניות תרופות על כוונתן לתרום למחקרים אלה. סביר להניח, שמעורבות החברות המסחריות תעודד את המשך הוויכוח האקדמי, כך שתוצאותיו תהיינה השלכות כלכליות, ולא רפואיות בלבד.

פורסם ב"גליליאו" 5, יולי-אוגוסט 1994

נא להכיר: הסטרפ הבריטי - צבי עצמון

על פי כותרות העיתונים נדמה היה שכבר ניחת עלינו יום הדין העתידי, או להיפך - שחזרנו לשחר ההיסטוריה, כשקדמונינו מצאו מותם בניביהן של חיות טרף. הכל החל בדיווחים בריטיים אודות "חיידק טורף". מורים התלחשו אודות תלמידים מבוהלים המציירים חיידקי ענק בעלי מלתעות; הורים סיפרו על ילדים החוששים להירדם פן יופיע החיידק האימתני. ואנו, אנשי "גלילאו", שמנו נפשנו בכפנו ופסענו הישר לתוך גוב האריות - מעבדה העוסקת בזיהוי ובחקר חיידקים, שגם אם אינם נמנים בדיוק על אותו זן "טורף" של סטרפטוקוקוס-A (ובקיצור: סטרפ-A), הרי שהם לפחות שארי בשר קרובים שלו. סטרפטוקוקים הם חיידקים נפוצים, בעלי דופן עבה וקשיחה, הגורמים להרס כדוריות הדם האדומות. צורתם כרגיל כדורית, לעיתים ביצית, והם מסודרים לעיתים קרובות בצורת שרשרות. הסטרפטוקוקים מצוידים בחלבון מיוחד, חלבון-M, שמעכב את בליעתם על ידי התאים הבולעניים, המגינים על גופנו מפני פולשים זרים. רבים מהם מייצרים קופסית (קפסולה), העוטפת את דופנותיהם מבחוץ, ואף היא, כנראה, שומרת עליהם מפני בליעה.

סטרפטוקוקים שונים נבדלים בכושרם להרוס תאי-דם אדומים, כלומר - לגרום להמוליזה ("פירוק דם"). אלה הגורמים הרס של תאי-הדם האדומים תוך יציאת ההמוגלובין מתוכם מכונים ביתא-המוליטים. ביניהם מבחינים במספר רב של קבוצות, ונוהגים לסמנן באותיות אנגליות, ומכאן כינוי הסלבריטי שלנו - סטרפטוקוקוס-A.

מושבות חיידקי סטרפטוקוקוס A על מצע גידול המכיל דם. קל להבחין בפירוק כדוריות הדם האדומות (המוליזה) שגורמות המושבות סביבן. ניתן להבחין בין מושבות ריריות, של חיידקים בעלי קופסית (משמאל), לבין חיידקים חסרי קופסית (מימין). התמונה מתוך מחקר של ד"ר אלון מוזס.

 סטרפטוקוקים-A נפוצים, כאמור, בטבע. הם גורמים לדלקות גרון ולוע, לדלקות בעור ולפצעים מוגלתיים, ל"שושנה", למחלת השנית (סקרלטינה), ועוד. הם מפרישים אנזימים ורעלנים (טוקסינים), בעלי השפעה מזיקה לגוף. כך, למשל, הרעלן הגורם לפריחה האופיינית למחלת השנית.

לזיהום הנגרם על ידי סטרפטוקוקים עלולות להיות לעיתים תוצאות בריאותיות חמורות ארוכות-טווח, גם לאחר שהזיהום עצמו חוסל: פגיעה בכליות, וכן פגיעה במפרקים ובלב (קדחת השיגרון). תופעות אלו נובעות מהתגובה החיסונית של הגוף לזיהום.

קשה, אם כן, להתרשם לטובה מאופיים של סטרפטוקוקים-A, אך האם יש ביניהם "טורפים" של ממש? - כך שאלנו את הד"ר אלון מוזס מהמחלקה למיקרוביולוגיה קלינית ומחלות זיהומיות בבית החולים "הדסה" עין-כרם ובית הספר לרפואה של האוניברסיטה העברית. ובכלל - מה משפיע על מידת אלימותו של החיידק? ד"ר מוזס מונה גורמים אחדים: החלבון המקנה לחיידק עמידות בפני תאיו הבולעניים של הגוף - ככל שיש לחיידק יותר חלבון-M כך הוא אלים יותר, פוגע יותר ומסוכן יותר; גם אנזימים ורעלנים שמפריש החיידק פוגעים ברקמות ומקילים על התפשטותו.

ואנחנו ממשיכים לשאול בשם הציבור שוחר הדעת ורדוף החרדה - האמנם קיימים סטרפטוקוקים "טורפים"? ובכן, משיב ד"ר מוזס, שעסק בעצמו בחקר הסטרפטוקוקים, זיהום בסטרפ-A יכול להתבטא בצורות שונות: אצל אחד בדלקת גרון, אצל שני בזיהום ברגל, ואצל ביש המזל בנמק. המשתנים האחראים להבדלים באופי הזיהום הם, בין היתר, האתר שאליו פלשו הסטרפטוקוקים והשתכנו בו, מצבו הכללי והחיסוני של החולה, ותכונותיו הייחודיות של החיידק.

ובכן, מה בדבר הנמק? הוספנו להקשות. מתברר כי מצבי נמק כתוצאה מזיהום בסטרפ-A מוכרים למיקרוביולוגים הקליניים. מדי שנה מטפלים ב"הדסה" בכ-20 חולים הלוקים בפלישה חודרנית של חיידק זה, עד כדי אלח-דם כללי. מדי שנה יש מקרים - בודדים אמנם, של נמק קשה מאוד שנגרם על-ידי סטרפ-A, המצריכים טיפולים ניתוחיים עד כדי כריתה. ד"ר מוזס אינו מוכן לקבוע מסמרות בעניין אותם מקרים שזכו לכותרות בעיתונים, שאותם לא בחן בעצמו. אולם, הוא משער כי סטרפטוקוקוס-A, הגורם לנמק מהיר במיוחד הוא, חיידק שבו חוברים יחד כמה גורמים אלימים, כמו למשל קופסית, כמות רבה של חלבון-M ורעלנים.

נחמה פורתא, ואולי אפילו נחמה רבה, ניתן למצוא בכך שסטרפטוקוקים-A רגישים בדרך-כלל לאנטיביוטיקה המוכרת לכולנו - פניצילין, ובמקרים אחרים אפשר להיעזר באריתרומיצין ובצפלוספורינים. וגם זאת: בדורות האחרונים חלה ירידה ניכרת בשכיחות המחלות השיגרוניות (ראומטיות) שמקורן זיהום בסטרפ-A.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 5, יולי/אוגוסט 1994.

כריית מחצבים בעזרת חיידקים - רועי שפירא

בניגוד לרפואה ולחקלאות, הכרייה כמעט ולא השתנתה בבסיסה משחר התרבות האנושית: עפרות שונות נחפרות מן האדמה, מרוסקות, והמחצב המבוקש מחולץ מהן על-ידי עינויין בחום יוקד או ברעלים חריפים. אולם, יתכן ונהיה עדים, עוד בתקופתנו, להיעלמו של אחד הדימויים הקמאיים ביותר המלווים את מלאכת הכרייה מאז ימי קדם: חום, לכלוך ושאגתם של כבשנים לוהטים שסביבם עמלים המוני אדם מיוזעים. בשנים האחרונות פנתה תעשיית הכרייה לשיטה עדינה יותר, "ידידותית לסביבה" יותר, והחשוב מכל - יעילה יותר, כדי לאלץ את אמא אדמה לוותר על אוצרותיה: ביו-כרייה.

לפני כ-2000 שנה פעל בריו-טינטו (Rio-Tinto) שבספרד מכרה נחושת רומאי. הרומאים הבחינו בצבעם הכחול של המים הניגרים מערימות העפרה שנערמו סביב המכרה, וגילו כי על ידי אידוים של המים מתקבלים מלחי נחושת. רק בשנות החמישים של המאה העשרים התברר, כי הנחושת חולצה מן העפרה אל המים בגלל פעולתו של החיידק Acidithiobacillus (Thiobacillus) ferrooxidans.

 Acidithiobacillus  ferrooxidans.
המקור - Riken center, Japan

חיידק זה, המצוי באופן טבעי בעפרות המכילות תרכובות גופרית, מקבל את האנרגיה הדרושה לקיומו באמצעות חימצון חומרים אי-אורגנים, כמו תרכובות של נחושת וגופרית. כתוצאה ממטבוליזם זה נוצרת חומצה המכילה יוני ברזל, אשר שוטפת את הנחושת מן העפרה. הפטנט הראשון לחילוץ נחושת מעפרה בעזרת החיידק הוענק בשנת 1958 לחברה אמריקנית, והתהליך אומץ חיש מהר על ידי תעשיית הנחושת העולמית.

הגילוי בא בעיתו, שכן רוב מרבצי הנחושת האיכותיים בעולם נדלדלו זה מכבר. אפשר אומנם להפיק נחושת מהעפרות הנותרות, שאיכותן ירודה, על ידי התכתן בחום גדול. אולם, זהו תהליך "מלוכלך", מורכב, ויקר - עלות בנייתו של מתקן התכה מודרני מתקרבת למיליארד דולר! למעשה, שורר מחסור עולמי במתקני התכה, שכן הקיימים "סתומים" בכמויות ענק של עפרות ירודות. לעומת זאת, הטכנולוגיה של ביו-כרייה פשוטה, זולה, וידידותית לסביבה.

בשיטת הביו-כרייה נערמת העפרה בסמוך למכרה. כדי לעודד את רבייתו של החיידק, מושקית העפרה תדיר בחומצה גופרתית. החיידקים עושים את פעולתם, והנחושת מופקת מן התמיסה הזולגת מן המערומת. את החומצה הגופריתית ניתן לחלץ מן התמיסה ולעשות בה שימוש חוזר. רבע מתפוקת הנחושת העולמית השנתית, בשווי של מיליארד דולר, מופקת בשיטה זו.

"שימוש זה", אומר דייויד הולמס (Holmes) מאוניברסיטת קלארקסון שבמדינת ניו יורק, "הוא אולי השימוש התעשייתי החשוב ביותר של ביו-טכנולוגיה בעולם בימינו". אך לחיידק "זולל המתכות" שימושים נוספים, חשובים אף יותר.

בתחילת שנות השמונים של המאה הנוכחית דלדל המין האנושי כמעט את כל מרבצי הזהב באיכות גבוהה הסמוכים לפני כדור הארץ. נותר כמובן זהב רב, אך הוא טמון במרבצים עמוקים יותר, ורובו מצוי בתרכובות גופרתיות.

הפקת זהב היא תהליך יקר, מסובך, ומזיק לסביבה מאין כמותו - קרוב לוודאי כי קשה היה להמציא תהליך הפקה מזיק ומסוכן יותר לאורגניזמים חיים. ראשית, יש להיפטר מן הגופרית על ידי שריפת העפרה או "בישולה" בלחץ גבוה בסביבה עשירה בחמצן. מאחר שריכוז הזהב בעפרה נמוך מאוד, יש לעבד כמויות עפרה גדולות; לפיכך, צריכת האנרגיה גבוהה מאוד. התוצאה המיידית של שריפת דלקים מחצביים היא שחרור גזי-חממה לאטמוספרה וזיהום האוויר בתרכובות גופרית - הגורם העיקרי לגשם חומצי. (ראו גליליאו, גיליון 2 , עמ' 3).

לאחר שלב מקדים זה יש להפיק את הזהב עצמו מהעפרה. לשם כך שוטפים אותה בציאניד או בכספית - שני רעלים חזקים והרסניים ביותר. הכספית והציאניד מוצאים את דרכם לקרקע ולמקווי מים, דרך משקעים או במעבר ישיר ומשם לגופם של בעלי-חיים וצמחים. יש הזוקפים את רוב הזיהום העולמי בכספית לחובת תהליכי הפקת כסף וזהב, בעיקר מאז הכיבוש הספרדי את דרום אמריקה.

ביו-כרייה מאפשרת לוותר על שלב "הבישול המוקדם". גם כאן גיבור המעשה הוא זן של A. ferrooxidans. יתרה מזאת, כאשר פתחה חברת גנקור (Gencor) את המפעל הראשון לביו-כרייה בדרום אפריקה בשנת 1986, התברר עד מהרה, כי הנצולת של התהליך החדש מגיעה ל95%-, לעומת 70% ניצולת בשיטה הקלאסית. כיום מוקמים מפעלים דומים באוסטרליה, בברזיל ובגאנה. למעשה, התהליך כה יעיל שאפשר להפיק באמצעותו זהב ממחצבים שאיכותם נחשבה ירודה מדי עד לפני שנים ספורות.

מחצבים כגון נחושת, זהב ואורניום (שאף אותו אפשר להפיק באמצעות ביו-כרייה), הם בעלי ערך סגולי גבוה. מחצבים אחרים, כגון תרכובות זרחניות, חומר הגלם העיקרי לדשנים, אינם כאלה. בישראל, אחת היצרניות הגדולות בתבל, מפיקים בשיטות הקלאסיות, יותר משישה מיליון טונות פוספטים בשנה מהמכרות אשר באתרים צין, אורן ורותם. השיטות הקיימות להפקת פוספטים, כרוכות בזיהום סביבתי רב. לאחרונה, לאחר בדיקת מאות מינים וזנים, נתגלו שני חיידקים: Pseudomonas cepacia E37 ו-Erwinia herbicola, המסוגלים לשחרר את הפוספט מן המחצב הגולמי. ואכן, בקרוב יוחל בארצות הברית בהקמת מפעל נסיוני לביו-כרייה של פוספטים.

ההתלהבות רבה, אך ביו-כרייה היא טכנולוגיה שטרם הבשילה. לדברי הולמס, "דומה הדבר למצב שבו היינו משתמשים בפניצילין טבעי, או בחיטת בר". האתגר כעת הוא לשפר את "ביצועי" החיידקים הטבעיים באמצעות הנדסה גנטית.

זו אינה משימה קלה. פעולתם של החיידקים יוצרת חום כה רב, עד שיש בו כדי להאט את פעולתם ואף להורגם. פול נוריס (Norris) מאוניברסיטת וורוויק שבאנגליה מנסה, בשיתוף פעולה עם חברת הכרייה האוסטרלית (CRA), לפתח זנים עמידים לחום. ברצונו לבודד זנים היפרתרמופיליים, המשגשגים בטמפרטורות שמעל מאה מעלות צלזיוס (ראו "חיים ברתיחה", בגיליון זה), ולהעניק להם את היכולות הדרושות. נוסף על כך, יש מי שמנסים להקנות לחיידקים עמידות בפני מתכות כבדות כגון קדמיום וכספית, שנוכחותן בעפרה מרעילה את החיידקים.

יחסית ל"חיידק העבודה" של הגנטיקאים, Escherichia coli, מעט מאוד ידוע על הגנטיקה של אורגניזמים אלו. לכן, לדברי ברוס קלי מ-CRA, "יעברו לפחות חמש שנים עד למהפכה הבאה בביו-כרייה". אך זהו פרק זמן קצר יחסית לזה שחלף מימי הרומאים חדי האבחנה בריו-טינטו ועד לשנות החמישים של המאה העשרים.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 5, יולי/אוגוסט 1994.

יחסי המין ותולדות האנושות - אלכס כהן

מתי התחילו בני המין האנושי לקיים יחסי מין פנים אל פנים?

התשובה לשאלה זו באה ממקור בלתי צפוי. במחקר נגיפי השלבקת (herpes), נמצאו אצל האדם שני זנים של הנגיף. הזן האורלי - זה התוקף את השפתיים והפה, והזן הגניטלי - התוקף את אברי המין. אצל הקופים קיים רק הנגיף הגניטלי.

דגם תלת-מימדי של הנגיף Herpes simplex 1
Thomas Splettstoesser - Wikimedia commons

מכיוון שאצל רוב הקופים, כמו אצל יונקים אחרים, בזמן קיום יחסי מין הזכר נמצא תמיד מאחורי הנקבה (מלבד קופי הבונובו. ראו גליליאו 1, 1993) ומכיוון שההדבקה בנגיף השלבקת דרך הפה קיימת רק אצל האדם, הרי שזמן הפיצול בין שני מיני הנגיף מאפשר לקבוע ממתי התפצל המין האנושי מהפרימאטים האחרים.

בדיקה שנערכה בחומצות הגרעין והחלבונים של שני מיני הנגיף הראתה שהפיצול התרחש לפני כ-10 מיליון שנה.

את המחקר ערכו גץ גנטרי (Gentry) ועמיתיו מאוניברסיטת מיסיסיפי, והוא פורסם בכתב -עת היוקרתי: ״רשומות
האקדמיה הלאומית למדעים״ היוצא בארצות הברית, כרך 85 עם׳ 2658.

המאמר המקורי ב-PNAS

פורסם ב"גליליאו" 5, יולי אוגוסט 1994,