אור לדגים: זהירת חיידקים בים - מרי-אן גורביץ'

מדוע זוהרים יצורים ימיים בלילה?

יצורים רבים בים זוהרים זהירה ביולוגית באור כחלחל. תופעה זו מכונה ביולומינסנציה (bioluminescence), והיא נפוצה בעיקר בקרב אצות חד תאיות ובקרב חיידקים בים העמוק. אצל אצות פלנקטוניות (פיטופלנקטון - יצורים פוטוסינתטיים חד־תאיים המרחפים בגוף המים ומשמשים כבסיס שרשרת המזון באוקיינוס) הזהירה הביולוגית מוקרנת בהבזקים קצרים, הנוצרים כאשר התא מוזז ממקומו על ידי מערבוליות במים או עקב דחיפה מכנית. תזוזה כזו מתרחשת כאשר זואופלנקטון (סרטנים זעירים) מנסה לאכול את הפיטופלנקטון. מכיוון שאכילה זו מתבצעת על ידי סינון הפיטופלנקטון מהמים, הזואופלנקטון יוצר זרמי אכילה ממוקדים, בעזרתם הוא מסיע את המים לעבר איברי סינון הממוקמים על רגליו הקדמיות. כשפיטופלנקטון מהסוג הפולט זהירה נתקל בזרמי אכילה אלה, הוא פולט הבזקי אור הגורמים לזהירת הזואופלנקטון. כאשר האכילה נעשית בלילה מסמנת הזהירה את נוכחות הזואופלנקטון לטורפים הניזונים מהם (דגים) ואלה יכולים לטרוף אותם ביעילות. המנגנון דומה לפעמון האזעקה שאותו אנו מתקינים בבתינו, והמשמש להזעקת המשטרה, שהיא האויב של אויבנו הפורץ. 

אצל החיידקים, לעומת זאת, הזהירה היא רציפה, והתנאי היחיד הדרוש הוא צפיפות מקומית גבוהה, המכונה "צפיפות סף״ - כלומר, נדרשת נוכחות של חיידקים בכמות מסוימת כדי שיזהרו באור. מובן שזהירה זו אינה יכולה לשמש כמנגנון הגנה, מכיוון שאינה מסמנת נוכחותו של טורף.

במחקר שנערך במכון הבין־אוניברסיטאי למדעי הים באילת על ידי תלמידת המחקר מרגריטה זרובין, בהנחיית ראש החוג לאקולוגיה, אבולוציה והתנהגות באוניברסיטה העברית פרופ׳ אמציה גנין ובשיתוף פרופ׳ שמשון בלקין ותלמידו מיכאל יונסקו מהמכון למדעי החיים, ניסו החוקרים להבין מדוע החיידקים מאירים ללא הפסקה, ואיזו תועלת צומחת להם מכך. מהמחקר עולה כי זהירה של חיידקים מסייעת להפצתם ברחבי הים, ובכך תורמת לשרידותם. מנגנון ״צפיפות הסף״ הוא נדבך חשוב בתהליך, שכן הצורך במספר רב של חיידקים כדי שתתרחש זהירה מעלה את כמות החיידקים המופצת עקב הזהירה. המחקר התפרסם לאחרונה בכתב־העת (PNAS (Proceedings of the US National Academy of Sciences. 

להאיר כדי לשרוד 

במחקר נבחנה השערה הפוכה לתפישת ״פעמון האזעקה״. על פי השערה החיידקים מאירים דווקא כדי למשוך את הטורפים ולא כדי להרתיע אותם. בעלי חיים לא מסוגלים לעכל חיידקים מאירים אלו, והם ממשיכים להאיר לאחר שנבלעו, דבר הגורם לחיה הבולעת (בדרך כלל זואופלנקטון - סרטנים זעירים) לזהור במשך כמה שעות, עד שהחיידקים המאירים מופרשים עם יתרת המזון שלא התעכל. הגורם המונע את עיכולם של החיידקים הזוהרים במערכות העיכול של זואופלנקטון ודגים לא ברור עדיין. בניסויים שנערכו בחשיכה מוחלטת ראו דגי לילה את הסרטנים המאירים מרחוק וטרפו אותם ביעילות רבה, לעומת זאת סרטנים שבלעו חיידקים שעברו מוטציה ולכן אינם מאירים, לא התגלו על ידי הדגים. מבדיקה של דגי לילה שונים הניזונים מסרטנים עולה כי בקיבותיהם יש שפע של חיידקים מאירים. ״עבור החיידקים ההגעה לקיבת הדג משולה להגעה אל גן עדן ־ מקום מוגן, מלא במזון, שיכול גם לשמש גם כלי תחבורה להפצה במרחבי הים הפתוח״, מסביר פרופ׳ גנין.

החיידקים הזוהרים. 
צילום: ויקטור קינה

עוד עולה מהמחקר שסרטנים רבים נמשכים לאור החיידקים ולכן מתגודדים סביבם. הדבר נוגד את אינטרס ההישרדות, שכן הוא מעלה את הסיכון של הסרטנים להיטרף. ״צפיפות הסף״ יכולה להסביר את התופעה. הסרטן "יודע״ שהימצאותו של כתם אור משמעותו צפיפות גבוהה של חיידקים, המעידה על מצבור עשיר של חומר אורגני עליו גדלים החיידקים. ״בים העמוק כמות המזון מצומצמת מאוד, ולכן כדאי לסרטן לקחת את הסיכון, משום שהרווח במציאת מזון נדיר הוא רב, בעוד שהסיכון לפגוש דג טורף הוא קטן משום שאין דגים רבים בים העמוק", מפרט פרופ׳ גנין. 

פרופ' אמציה גנין 

צילום: דניאלה גנין

מרי־אן גורביץ', האוניברסיטה העברית

פורסם ב"גליליאו" 164, אפריל 2012

לא טוב היות השמר לבדו - יונת אשחר ונעם לויתן

 

מחקר על האבולוציה של הרב-תאיות עורר הדים בבלוגים וברשתות החברתיות

ויליאם רטקליף (Ratcliff) מאוניברסיטת מיניסוטה ישב יום אחד במשרדו של המנחה שלו, מייקל טרביסנו (Travisano), והשניים תהו איזה ניסוי יוכלו לערוך שישפוך אור על אחת השאלות הגדולות של מדעי החיים. "החלטנו שמוצא החיים (המעבר מחומר דומם לצורת החיים הראשונה) זה מסובך מדי", אמר רטקליף לקרל זימר (Zimmer), סופר וכתב לענייני מדע של ה"ניו-יורק טיימס", "ואז חשבנו – חוץ ממוצא החיים, מה יהיה הכי מגניב?"

שמרים חד-תאיים (שמאל) ו"פתיתי-שלג" רב תאיים (ימין).
צילום מתוך: Ratcliff, W.C. et al. PNAS 109 ©2012.

הכי מגניב, לדעתם של רטקליף וטרביסנו, יהיה לחקור את מוצא החיים הרב-תאיים – איך אורגניזמים חד-תאיים התחילו לשתף פעולה ביניהם, ויצרו מערכים רב-תאיים מורכבים, שבסופו של דבר הובילו לבעלי חיים וצמחים, שבהם מיליארדי תאים ממלאים תפקידים רבים ושונים בגוף אחד. בניגוד למוצא החיים, שרוב החוקרים מאמינים כי התרחש פעם אחת ויחידה (או לפחות, רק צורת חיים אחת שרדה והובילה לכל האורגניזמים הקיימים כיום), המעבר לצורות רב-תאיות התרחש כמה פעמים בשושלות שונות. רטקליף ועמיתיו החליטו לעודד יצירת גופים רב-תאיים ביצור חד תאי – פטריית השמר Saccharomyces cerevisiae.

החוקרים גידלו שמרים חד-תאיים, זהים גנטית, ב-15 מכלים שונים. כל יום, חלק מהתאים הועברו למכל חדש, שם יוכלו להמשיך ולגדול. אך תאים אלו לא נבחרו באקראי – החוקרים אספו את השמרים ששקעו לקרקעית לאחר סיבוב קל של המכל בצנטריפוגה (סרכזת). כיוון שגופים רב-תאיים יהיו גדולים יותר מתאים בודדים וייטו יותר לשקוע, יהיה להם סיכוי טוב יותר להיאסף ולעבור למכל הבא. בשיטה זו יצרו החוקרים לחץ ברירתי על תאי השמר: סביבה המתגמלת את יצירתם של גופים רב-תאיים.

התוצאות לא איחרו לבוא. כעבור 60 יום, בכל 15 המכלים נמצאו גופים רב-תאיים, שהחוקרים כינו "פתיתי-שלג" על שם צורתם. הגופים נוצרו על ידי חלוקה לא שלמה של תאי השמר. במצבם המקורי שמרים אלו מתחלקים על ידי "הנצה", כלומר, תא-הבת נוצר מתוך תא-האם ואז נפרד ממנו. בזנים החדשים תאי-הבת לא ניתקו לחלוטין מתא-האם אלא נשארו צמודים אליו. דבר זה יצר גופים רב-תאיים, המורכבים מתאים זהים זה לזה מבחינה גנטית. התאמת השמרים לחיים רב-תאיים לא הסתיימה עם היווצרות גופים אלו. השמרים פיתחו את מה שהחוקרים תיארו כגרסה פשוטה של חלוקת עבודה בתוך הגוף – כאשר "פתית השלג" מגיע לגודל מסוים, הוא נשבר לשניים, ותאים מסויימים צריכים למות כדי לאפשר זאת. התאים הללו הורגים את עצמם, בתהליך הנקרא אפופטוזיס, כדי לאפשר את הגדילה וההתרבות של הגוף כולו. החוקרים סבורים שתהליכים מעין אלו היו עשויים להתרחש כאשר אורגניזמים חד-תאיים הפכו לרב-תאיים לראשונה, לפני מאות מיליוני שנים. הקלות בה התפתחו גופים רב-תאיים בניסוי זה עשויה להעיד שזו תכונה שקל למדי לפתח בסביבה המתאימה לכך.

החוקרים פרסמו את ממצאיהם בכתב-העת המדעי PNAS. אך זה לא היה סוף הסיפור. למעשה, פרסום המחקר הוא לעולם לא סוף הסיפור – לפחות לא בכל הנוגע למחקרים מוצלחים ומעניינים. מחקרים טובים אמורים לעורר דיון בקהילה המדעית, והמגזינים המדעיים מלאים בתגובות למחקרים קודמים. אך הזמנים משתנים, והדיון המדעי עובר אט-אט גם למחוזות אחרים; הרשתות החברתיות השונות והאינטרנט באופן כללי – מתחילים למלא תפקיד גם בשטח זה.

מדע חברתי

התגובות הראשונות הגיעו – איך לא – דרך טוויטר. עקב המאמר של זימר בניו-יורק טיימס, צייצו כמה חוקרים, ביניהם לאוניד קרוגילק (Kruglyak) מאוניברסיטת פרינסטון ומייקל אייזן (Eisen) מאוניברסיטת ברקלי, את הסתייגותיהם מהמאמר. השמרים, העירו, הם במקורם רב-תאיים – וייתכן שבניסוי הם פשוט חזרו למצב קדום יותר (נציין שהמאמר של רטקליף התייחס לעניין זה). הם גם תהו מדוע החוקרים לא רִצפו את הגנום של הזנים החדשים כדי לבדוק אלו מוטציות בדיוק הובילו למצב החדש. זימר ענה להם כמיטב יכולתו, ולאחר מכן העביר את השיחה אל רטקליף, וזה החזיר לו תשובה מפורטת: לטענתו, גם אם כמה זנים של שמרים אכן יוצרים גופים רב תאיים, הזן שבו הם השתמשו אינו כזה. הרב-תאיות שהתפתחה בניסוי אינה חזרה למצב קדום, אלא תוצאה של מוטציה ששיבשה את ההיפרדות של תא-הבת מתא-האם.

זימר פרסם את הציוצים הביקורתיים ואת התשובה של רטקליף בבלוג המדעי-פופולרי שלו, The Loom. ואז החל השלב השני. אחד הקוראים של הבלוג פירט את דעתו ואת הסתייגויותיו מאספקטים מסוימים במאמר בהערה לפוסט, ורטקליף עצמו הגיב וענה באריכות על כל הנקודות שהעלה. כך התפתח דיון מעניין בין כמה קוראים לבין רטקליף, כאשר טרבסינו – המנחה של רטקליף – הצטרף גם הוא בשלב מסוים.

האם העובדה שהדיונים המדעיים עוברים מהמגזינים לבלוגים ולרשתות החברתיות הוא שינוי שיש לברך עליו? האם אפשר בכלל לנהל דיון מעמיק בפורמט כזה?

אנחנו סבורים שהתשובה היא חיובית. כמובן, הדבר תלוי במידה רבה באכסניה בה מתנהל הדיון, ויותר מכל – הוא תלוי במשתתפים. המגיבים בבלוג של זימר היו בקיאים בנושא, התייחסו בכבוד זה לזה, ובבירור הצטרפו מתוך סקרנות ורצון ללמוד. אין צורך לציין שזה לא בהכרח המצב בכל הדיונים הנערכים באינטרנט. מצד שני, דיונים כאלו מאפשרים לציבור שאינו קורא את המגזינים המדעיים להיחשף לחילוקי דעות בין מדענים, ולפן של העבודה המדעית שאינו מוצג בדרך כלל לציבור הרחב. רטקליף ראוי להערכה על כך שהיה מוכן להקדיש מזמנו ולענות לקוראים בטוויטר ובבלוג של זימר. אנחנו מקווים שיותר ויותר מדענים יבינו את החשיבות שבחשיפת המחקר שלהם לציבור, ולא יחששו להיכנס לדיונים עם קוראים – מומחים ושאינם מומחים – בזירות שונות, במקום להישאר במתחם הסגור של המגזין המדעי.

המאמר המקורי: Ratcliff, W.C. et al. PNAS 109

פורסם ב"גליליאו" 164, אפריל 2012 ובתיבת נעם. 

חיידקים ופטריות: גשרים בין עולמות – אורנה כהן

מחקר של פרופ' אשל בן-יעקב מאוניברסיטת תל-אביב חושף שיתוף פעולה מפתיע ברמה המיקרוסקופית: נחילי חיידקים בעלי 'תבונה חברתית' מצילים פטריות ממקומות מסוכנים בעבורן, ובתמורה משמשות הפטריות כגשר על פני תהומות שהחיידקים אינם מסוגלים לעבור בעצמם.

תמונה חיידקים חוצים תהום תוך כדי שימוש בתפטיר (הקורים שהפטרייה יוצרת) של פטרייה כגשר טבעי

צילום: אשל בן-יעקב

החיים בטבע אינם קלים, התחרות על המשאבים גדולה, ויצורים שונים, ביחד ולחוד, נוקטים אסטרטגיות הישרדות רבות ומגוונות. באחרונה גילו חוקרים באוניברסיטת תל-אביב, בשיתוף עם אוניברסיטת ואחניגן שבהולנד, שיתוף פעולה מפתיע בין שני סוגי מיקרואורגניזמים: נחילי חיידקים מסוג Paenibacillus vortex ופטריות עובש נטולות יכולת תנועה עצמית מהמין Aspergillus fumigatus, שמסייעים זה לזה לנדוד ולהתרחק מאזורי סכנה. המאמר הופיע לאחרונה בכתב-העת PNAS - Proceeding of the National Academy of Science.

אין נסיעות חינם

במעבדה, מבעד למיקרוסקופ האלקטרונים, נגלתה לעיני המדענים פעילות רוחשת: החיידקים, שהוכרו באחרונה כזן בעל התנהגות חברתית מתוחכמת במיוחד, נקשרו אל הפטריות הגדולות מהם פי כמה, ונשאו אותן למרחקים גדולים - עשרות ס"מ, המשתווים לעשרות ק"מ בקנה מידה של אדם, ובמהירות עצומה – דומה לזו של מטוס סילון בקנה המידה שלנו; תנועת החיידקים נעשית באמצעות שוטונים.

תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים של חיידקים המסיעים נבג פטרייה (משמאל)  ונבג של החיידקים (מימין) 

צילום אשל בן-יעקב

כך סייעו החיידקים לפטריות, שאינן מסוגלות לנוע בכוחות עצמן, להתרחק ממקומות שבהם טפטפו החוקרים חומר רעיל לפטריות. פרופ' בן-יעקב מאוניברסיטת תל-אביב מתאר זאת באופן ציורי במיוחד: "החיידקים פעלו ממש כמו הגמדים שעקדו את גוליבר הענק ברשת של חבלים, כדי להעביר אותו ממקום למקום."

אך החיידקים החכמים, כך שיערו החוקרים, אינם עובדים בחינם... כדי לברר כיצד הפטריות מסייעות לחיידקים בתמורה על "שירותי ההסעה", חתכו החוקרים את מצע הגידול בצלוחית שבה שהו האורגניזמים, ויצרו תהומות שהחיידקים אינם מסוגלים לעבור בעצמם. ואכן, כך התברר עד מהרה, הפטריות יוצרות בעבור החיידקים "גשר על פני תהום", שמאפשר להם לחצות את המכשול ולהמשיך בדרך. אפשר לשער כי גם בסביבתם הטבעית עוזרים שני האורגניזמים זה לזה באופן דומה.

"חשפנו מנגנוני 'עזרה הדדית' שבאמצעותם חיידקים ופטריות יכולים להתפשט ביעילות, ולפלוש לטריטוריות חדשות", מסכם בן-יעקב. "אפשר להניח שמנגנונים דומים משרתים את האורגניזמים הללו בסביבות מגוונות, כמו באדמה, בקרבת שורשי צמחים, בתוך גוף האדם ובבתי חולים. לכן הממצאים שלנו עשויים להיות רלוונטיים ביותר גם לתחומי החקלאות והרפואה. למשל, לממצא זה יכולות להיות השלכות ביחס למנגנוני חדירתם לגוף של חיידקים ופטריות."

אורנה כהן, דוברת אוניברסיטת תל-אביב.

המאמר - ב-PNAS

פורסם ב"גליליאו" 161: 50-51, 2012