הצורה היא ההישרדות

 

מושבות חיידקים ויצורים חיים אחרים מפתחים את תבניות גידולם בדומה להתארגנות של מערכות דוממות. הפיסיקאי פרופ' אשל בן-יעקב מאוניברסיטת תל-אביב ועמיתיו מסבירים וממחישים.

בעשרים השנים האחרונות החלו פיסיקאים להבין כיצד מתהוות צורות בחומר. פרופ' אשל בן-יעקב מבית הספר לפיסיקה ואסטרונומיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר של אוניברסיטת תל-אביב, ראש המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה, פתר את חידת התהוות צורתם של פתיתי שלג, וגילה, שביכולתו לנבא ואף לבנות מודל של התארגנות עצמית של יצורים חיים, כגון מושבות חיידקים, על פי חוקים פיסיקליים, הדומים לאלה החלים על התפתחות התבניות בטבע הדומם.

שוו לנגד עיניכם "שרך" של שלג על חלון קפוא, מולקולות מים נודדות על משטח החלון ייתקלו באקראי בשרך וייצמדו אליו, הסבירות שהמולקולות ייתקלו בחלקיו החיצוניים של השרך וייצמדו אליהם גבוהה יותר, ולפיכך כל אחד מסעיפיו המזדקרים כלפי חוץ ייטה להמשיך ולהתארך. זאת ועוד, מולקולות המים יעדיפו כיווני התמקמות מסוימים על גבי פתית השלג, מאחר שהאוריינטציה שלהן מוכתבת על ידי מבנה גביש הקרח. כך, ובתגובה על תנאי טמפרטורה ולחות מסוימים, נוצר מבנה גבישי מורכב.

מושבת חיידקים שאופן אירגונה העצמי דומה לזה של פתית שלג

מושבות חיידקים ויצורים חיים אחרים מפתחים אף הם את מבני גידולם בתגובה על תנאי מזון, טמפרטורה ולחות מסויימים, בדומה להתארגנות של מערכות דוממות, לדוגמה, מושבת חיידקים יכולה להסתעף על פי עקרונות דומים לאלה המנחים התארגנות של פתית שלג. חיידקים המצויים על גבי מצע מזון קשה מדי יתקשו לנוע לעבר מזונם, אבל מולקולות המזון, שיכולות לנוע באופן דיפוזי בתוך המצע לעבר המושבה, ייטו להיתקל בחיידקים המזדקרים החוצה מתוכה, בדומה למולקולות המים הנצמדות לזיזי גביש הקרח. החיידקים ניזונים, גדלים ומתרבים על ידי התפצלות לשניים. כל התקבצות של חיידקיים תוביל להיווצרות ענף נוסף של המושבה.

הענפים המסתעפים מתחלפים בתלתלים, כשמושבת החיידקים מסוג Paenibacillus dendritiformis גדלה על גבי מצע גידול רך.

מערכות חיות

אולם בניגוד לשרך השלג, החיידקים יכולים לחוש את סביבתם, ו"להעדיף" תבניות גידול מסוימות על פני אחרות, כדי להבטיח את הישרדותם. מושבות חיידקים יכולות ללבוש צורות מורכבות יותר בגלל היותם יצורים חיים. פרופ' בן-יעקב מצא, שאם מגדלים את החיידקים על גבי מצע רך יותר, התבנית המסתעפת הראשונית של המושבה משתנה באופן ספונטני, והופכת לתבנית דמוית תלתלים מסולסלים, המתפשטת במהירות רבה יותר. במיקרוסקופ מבחינים בכך שלהסתלסלות הדגם גם נלווית התארכות ניכרת של כל חיידק יחיד. על אף שהשתנות זאת משפרת בעליל את כושר תנועתם של החיידקים (ולפיכך את נגישותם למזון) לא ידוע בדיוק מה מחולל את ההתארכות.

לא זו בלבד שהחיידקים חשים את סביבתם, מוסיף פרופ' בן-יעקב, ביכולתם אף להשפיע עליה, למשל על ידי יצירת נוזל המאפשר להם לנוע על גבי משטח המזון הקשה, זאת, כשם שביכולתם להשפיע זה על זה למשל על ידי הפרשת כימיקלים המשפיעים על תנועתם, ההופכת מאקראית לתנועה המכוונת על פי מפל הריכוזים של החומר המופרש. החיידקים מגיבים לתנאי סביבה קשים, כמו חוסר מזון או אנטיביוטיקה, על ידי יצירת תקשורת כימית (למשל, הפרשה של כימיקלים הגורמת להפעלה של גנים מסויימים) וגנטית (העברת מידע גנטי), כמו גם יצירת וריאציות חדשות של עצמם.

ביולוגיס העוסקים בשאלה, כיצד אוסף של תאים יחידים הופד לאורגניזם ומתפקד ברמה גבוהה יותר, מסתמכים בעיקר על טכניקות ביוכימיות וגנטיות. יעדם הוא לחשוף את חוקי המשחק המיקרוסקופיים. אבל הפיסיקאים כבר נוכחו לדעת, שהחוקים השולטים ביחסי הגומלין בין "עולם המיקרו" של חלקיקים תת-אטומיים לבין "עולם המקרו" של גופים גדולים יותר, מציגים בעיה מורכבת יותר, שהבנת היצירתיות של החיידקים עשויה לסייע בפתרונה. המאמר מבוסס על כתבת שער, שהתפרסמה בכתב העת Scientific American, אוקטובר 1998, מאת פרופ' בן-יעקב ועמיתו האמריקאי, פרופ' הרברט לוין, פרופסור לפיסיקה באוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו.

על גבי מצע גידול קשה יוצרים חיידקי Paenibacillus vortex מערבולות מסתובבות, המאפשרות למושבה להתקדם ולהתפשט על גבי המצע כמו מכבש כבישים.

צילומים: עמיקם שוב

פורסם ב"תצפית" 6, עמ' 6, יולי-אוגוסט 1999