השערת המלכה האדומה - אסף לוי

 

על הקשר בין המלכה האדומה למירוץ חימוש בין צמחים המתגוננים מהחיידקים שמתקיפים אותו?

לפני 50 שנה בדיוק ביולוג אבולוציוני בשם לי ואן ואלן הוציא מאמר שניסה להסביר מתי מינים נכחדים. במאמר הוא טבע את הביטוי: "השערת המלכה האדומה" שנלקח מהספר "מבעד למראה ומה אליס מצאה שם" של לואיס קרול. בספר המלכה האדומה אומרת לאליס "את חייבת לרוץ הכי מהר שאת יכולה כדי להשאר במקום!"

התיאוריה הזו משמשת היום גם לתיאור מצב שאורגניזמים חייבים כל הזמן לעבור אדפטציה לסביבה כי אחרת הם יפסידו לאורגניזמים שיגרמו להם מחלה (פתוגנים) או יכלו את המזון שלהם. כלומר הם לא יכולים לקפוא על השמרים אחרת ייכחדו. התיאוריה הזו מסבירה יפה את האבולוציה המואצת של מערכות חיסון של כל האורגניזמים ושל הפתוגנים שלהם. אזורים הקשורים במירוץ החימוש הזה עוברים שינויים מהירים יותר בגנומים של כל יצור בגלל הלחץ הסלקטיבי החזק ("אם לא תתאים לתוקף - תמות ולא תקים את הדור הבא").

דוגמא: הידעתם שלצמחים יש מערכת חיסון?

כשחושבים על זה הגיוני. צמח נטוע כל חייו במקום בזמן שכל הפתוגנים תופסים עליו טרמפים: פטריות, חיידקים, וירוסים וגם חרקים ותולעים שפשוט נהנים לבלוס אותו.

אבל איך היא עובדת?

מערכת חיסון היא מערכת הגנה ותפקידה לאתר תוקפים שנראים שונה מהצמח. במקרה של צמחים פותחו קולטנים שמזהים תבניות ביולוגיות שיש לפתוגנים למשל השוטון של חיידקים (כמו שוטון של זרע) או כיטין שנמצא בדופן התא של פטריות ועל שלד של חרקים. אלו חומרים שמזהים באופן ייחודי פולש ולא רקמת צמח. כשהקולטנים מאתרים אותם הם מפעילים מסלול איתות ביולוגי שמסתיים בהגברת העמידות נגד הפתוגן.

הפתוגנים הם לא פראיירים ולכן במהלך האבולוציה (המלכה האדומה) פיתחו חלבונים שמדכאים כל שלב במערכת החיסון הצמחית כדי לאפשר אינפקציה של הצמח. הם למעשה הגנב שמכבה את האזעקה. בתגובה צמחים פתחו גנים אחרים שנקראים גנים לעמידות שכל אחד מהם התפתח לקלוט את כלי כיבוי האזעקה. הגנים הללו שימושיים למטפחי זנים שמנסים להחדיר אותם לצמחים כדי להגביר מראש עמידות ספציפית למחלות.

במקרה שגן העמידות של הצמח מאותת לצמח שמדובר בפתוגן עקשן הצמח פותח במדיניות "האדמה החרוכה" (נקרא HR). הוא פשוט משמיד מקומית את כל התאים של האינפקציה כדי לדכא את ההדבקה לפני שכל הצמח יהיה תחת סכנה. בנוסף הוא משתמש בהורמונים כדי לאותת לרקמות שונות של הצמח שיש אויב בפתח ויש להגביר חסינות.

די מגניב. כל הסיפור הזה הוא פרי מחקר בסיסי של שנים רבות על ידי חוקרים מרחבי העולם. יש גם המון דוגמאות מאד יפות של ירוץ חימוש אבולוציוני (או אפקט המלכה האדומה) בין המון מינים אחרים.

מה שנחמד שבמאמר המקורי של ואן ואלן בו הוא טבע את המושג של אפקט המלכה האדומה הוא מודה לקרן הלאומית האמריקאית למדעים על שדחו את כל בקשות המענקים שלו על מחקר על אורגניזמים וכך דחפו אותו לעבודה תאורטית (אני מניח שלא היה לו כסף לניסויים ומלגות סטודנטים). את המאמר הוא כתב לבדו. 

המונח הנ"ל משמש לתיאור יצירת מינים והכחדתם, אבולוציה של גיל ושל זוויגים ותחרות בין מינים כמו שמתואר פה.

אגב, יש הרבה מן המשותף בין מערכת החיסון של צמחים וזו שלנו. גם אצל היונקים התפתחו קולטנים (TLR) שמזהים תבניות של תוקפים שונים.

אחת השאלות הפתוחות היא כיצד אנו והצמחים מאפשרים למיקרוביום הנורמלי שלנו לחיות עלינו (למשל במעי ועל העור שלנו ובשורשי צמחים) מבלי לנסות להלחם איתו. כלומר איך מערכת החיסון מבדילה ממש בין המיקרואורגניזמים המועילים או הנייטרלים למסוכנים.

ד"ר אסף לוי - המחלקה למחלות צמחים ומיקרוביולוגיה, הפקולטה לחקלאות, האוניברסיטה העברית

פורסם בטוויטר (X) של המחבר - אוגוסט 2023