למה להרביע כשאפשר לרבֵּע?

כיצד שורדים ומשגשגים הרוטיפרים, המתרבים רק ברבייה אל-זוויגית, בזכות גנום מרובע

נעם לויתן ודינה וולודרסקי | גליליאו

מינים אחדים של רוטיפרים

מינים אחדים של רוטיפרים. צילום: דייגו פונטאנטו (Fontaneto), מתוך: Fontaneto, D. et al. PLOS Biol. 5, e87 (2007).

אחד מבעלי-החיים המוזרים ביותר בעולם הוא חסר-חוליות מיקרוסקופי המתקיים באופן שעלול להיראות מַשְׁמִים למדי – הוא מתרבה אך ורק ברבייה אל-זוויגית, כלומר בלא סקס, ועושה זאת כבר למעלה מ-80 מיליון שנה. חסר-חוליות זה, ומאות מינים-ביולוגיים אחרים כמותו, מרכיבים מחלקה מסוימת של רוטיפרים (גלגליות, Bdelloidea), שייחודה בכך שכל המינים-הביולוגיים השייכים אליה מתרבים ברביית בתולין, בלא כל צורך בזכרים: האם מטילה ביצים לא-מופרות, שמהן מתפתחות בנות שהן השיבוט שלה.

רבייה אל-זוויגית אינה ייחודית לרוטיפרים; יש חיות רבות המתרבות בצורה זו – חרקים, נחשים, דרקון קומודו, ולפני מספר שנים דיווחו על כרישה בשבי שהשריצה צאצאים בלא נוכחות זכר. ואולם, בניגוד לרוטיפרים שתמיד מתרבים ברבייה אל-זוויגית, כל החיות האלו מתרבות גם ברבייה זוויגית.

לחיה המתרבה אך ורק ברבייה אל-זוויגית יש יתרון על אחיותיה המתרבות ברבייה זוויגית. כל צאצאיה של חיה כזו יהיו נקבות המסוגלות להתרבות, בעוד שמחצית מצאצאי אחיותיה הם זכרים, שאינם מטילים או משריצים כשלעצמם. במקרה זה קצב ההתרבות של המין-הביולוגי האל-זוויגי יהיה כפול משל המין המתרבה ברבייה זוויגית, ובמהרה כל האוכלוסייה תורכב מבעלי-חיים אל-זוויגיים. אולם, ניצחון האל-זוויגיים הוא קצר. בלא רבייה זוויגית, אין נוצרת השונות הגנטית המגדילה את סיכויו של מין-ביולוגי לשרוד במהלך שינויים בסביבה ולהתמודד עם טפילים. לפי נתוני מאובנים, רוב היצורים שהתרבו רק באופן אל-זוויגי נכחדו לאחר כמה אלפי דורות. אם כך, כיצד הרוטיפרים – המתנזרים מסקס כבר מיליוני שנים – מצליחים לשרוד ולשגשג?

שני מחקרים של אותה קבוצת מחקר, שפורסמו בשנת 2008 זה לצד זה בכתב-העת המדעי PNAS מציגים פתרון לשאלה זו.

רוטיפרים המתרבים ברביית בתולין חיים בסביבות מימיות בנות-חלוף, כגון שלוליות מים מתוקים, וכן בקרקעות לחות ועל גבי טחבים, חזזיות וקליפות עצים. הצלחת הרוטיפרים באכלוס סביבות אלה, שבהן המים עלולים להתאדות ולהיעלם במהירות, תלויה ביכולתם להיכנס – בכל שלב בחייהם – למצב של חיות מושהית עם התייבשות המים. הרוטיפרים מסוגלים לשרוד במצב זה, הקרוי אנהידרוביוזה ("חיים בלא מים" ביוונית), במשך שנים, ולהתעורר לחיים עם שוב הלחות. על פי קבוצת החוקרים שערכה את המחקרים, ההתאמות שהתפתחו ברוטיפרים ומאפשרות להם לשרוד במהלך תקופות היובש, הן האחראיות לשגשוגם המפתיע.

עמידות לקרינה

במחקר הראשון, יוג'ין גלדישב (Gladyshev) מאוניברסיטת הרווארד ומתיו מסלסון (Meselson) מהרווארד ומהמעבדה לביולוגיה ימית בוודס הול, מסצ'וסטס, הראו כי רוטיפרים הם בעלי-החיים העמידים ביותר לקרינה מייננת.

קרינה מייננת היא קטלנית ליצורים חיים. היא חודרת לתאים חיים וגורמת נזק ל-DNA, לרוב לשבירתו לחלקים. מנת הקרינה הנספגת נמדדת ביחידות גריי (Gray, ספיגת ג'אול אחד של אנרגיה בקילוגרם אחד של חומר). החוקרים הקרינו פרטים משני מינים-ביולוגיים של רוטיפרים המתרבים ברבייה אל-זוויגית ומין של רוטיפר הנמנה עם מחלקה אחרת, המתרבה ברבייה זוויגית, ברמות הולכות וגדלות של קרינת גמא – סוג של קרינה מייננת – ובדקו כיצד הקרינה השפיעה על החיוּת ועל יכולת ההתרבות של הרוטיפרים.

ברמת קרינה של 200 גריי, פוריות הרוטיפרים המתרבים ברבייה זוויגית ירדה פי 10, אך פוריותם של מיני הרוטיפרים האחרים לא הושפעה כלל! רק כשרמת הקרינה הוגדלה למעל 1,000 גריי נצפתה ירידה של פי 10 ברמת הפוריות של הרוטיפרים האל-זוויגיים. הרוטיפרים המשיכו לחיות לאחר שהוקרנו, אף שרמות הקרינה הגבוהות יצרו שברים ב-DNA שלהם. ברמת קרינה של 560 גריי נמצאו 500 שברים ב-DNA בממוצע לתא, ואילו ברמה של 1,000 גריי נמצאו יותר מ-1,000 שברים ב-DNA. לשם השוואה, רמת קרינה של 6 גריי מספיקה כדי להרוג אדם.

ממחקרם של גלדישב ומסלסון עולה כי הרוטיפרים הם בעלי עמידות יוצאת מהכלל לקרינה מייננת, אך מאחר שהם לא התפתחו בסביבה בעלת רמות קרינה כה גבוהות, החוקרים משערים כי יכולתם לתקן ולחבר מחדש את ה-DNA שלהם היא תופעת לוואי של עמידותם לתנאי יובש, שגם גורמים שברים ב-DNA. אכן, גם החיידק העמיד לקרינה Deinococcus radiodurans (שפירוש שמו "גרגר איום עמיד לקרינה"), המסוגל לתקן שברים ב-DNA שלו בעקבות קרינה מייננת של יותר מ-10,000 גריי, הוא בעל עמידות לתנאי יובש.

גנום מרובע

אחד ממאפייני הרוטיפרים העשוי להסביר את יכולת תיקון נזקי ה-DNA המדהימה שלהם מתואר במחקר השני, שבו מסלסון, דייוויד מארק וֶלץ' (Welch) ועמיתיהם מהמעבדה לביולוגיה ימית מתארים את סידור הכרומוזומים של הרוטיפרים. החוקרים מצאו כי גן מסוים ברוטיפרים קיים בארבעה עותקים (ארבעה אללים), כל עותק בכרומוזום נפרד. הגנים השכנים לכל עותק –באותו כרומוזום – זהים בכיוונם ובמיקומם בכרומוזום לגנים השכנים לעותקים של הגן שבכרומוזומים האחרים, כלומר ארבעת הכרומוזומים הם הומולוגים. בבדיקה מעמיקה יותר הראו החוקרים כי ארבעת הכרומוזומים הם אמנם הומולוגים, ולכן דומים זה לזה, אך אפשר לחלקם לשני זוגות, כאשר בכל זוג הכרומוזומים דומים זה לזה יותר מאשר לאלה שבזוג האחר. הדמיון מתבטא במספר הגנים ובמיקומם בכל כרומוזום.

מסקנת החוקרים היתה כי לרוטיפרים, כמו לחיות רבות, היו שני עותקים מכל כרומוזום. ואולם, בזמן כלשהו במהלך התפתחותם הוכפל כל הגנום שלהם, כך שהתקבלו ארבעה עותקים מכל כרומוזום ולכן גם מכל גן. במהלך הדורות, חלק מהגנים הכפולים נעלמו מאחד הזוגות, אך סדר הגנים על הכרומוזומים נשמר. סידור הגנום של הרוטיפרים קרוי טטרפלואידי מנוון, וקיים גם בשמר האפייה, למשל.

החוקרים טוענים כי כאשר כרומוזום אחד נפגע בעקבות יובש או קרינה, העותקים העודפים משמשים כתבנית לשחזור של המידע הגנטי בעת תיקון שברי ה-DNA.

תיקון במקום סקס

יכולת התיקון המדהימה של הרוטיפרים מאפשרת להם לשרוד בתנאים קשים ביותר, אך היא גם מעניקה להם את השונות הדרושה על מנת לפתח התאמות לשינויים ו"לפצות" על כך שהם מתרבים ברבייה אל-זוויגית. בעת שבירת ה-DNA ותיקונו יכול להיווצר מצב שבו הגן המתוקן יהפוך לזהה לגן המתקן (המרה גנית). אם הגן המתקן מכיל במקרה מוטציה מועילה, יצירת עותק נוסף של המוטציה עשויה לגרום לביטויה – כפי שקורה ברבייה זוויגית כאשר ההורים מעבירים לצאצא שני עותקים של אלל רצסיבי (אלל המתבטא רק כאשר הוא קיים בפרט בשני עותקים, ולא לצד אלל אחר, דומיננטי).

נוסף על כך, יכולת התיקון של הרוטיפרים מאפשרת להם ככל הנראה להיפטר ממזיקים הפולשים ל-DNA שלהם, כגון רטרוטרנספוזונים – קטעי DNA "אנוכי" או טפילי הפולשים ל-DNA ומשכפלים את עצמם בעוד ועוד מקומות בגנום, עד שבמקרים מסוימים – בייחוד ביצורים אל-זוויגיים – הם עלולים לגרום להכחדה. בגנום שלנו, של בני-האדם, יש לא מעט רטרוטרנספוזונים, אך בגנום של הרוטיפרים הם אינם קיימים כלל.

ולץ' סבור כי המרה גנית וסילוק המזיקים (כגון רטרוטרנספוזונים) מהגנום, המלווים את תיקון ה-DNA, מעניקים לרוטיפרים מספיק מהיתרונות שהסקס מספק ליצורים המתרבים ברבייה זוויגית כדי שישרדו וישגשגו. נוסף על כך, לדעתו, אם יכולות אלו אפשרו לרוטיפרים לוותר על סקס, ייתכן כי אלה – יצירת מגוון ועמידות למזיקים – הם היתרונות שרבייה זוויגית מעניקה לבעלי-החיים שבהם היא מתקיימת. ייתכן שהרוטיפרים האל-זוויגיים ובעלי-החיים הזוויגיים מייצגים שני פתרונות שונים שהתפתחו במהלך האבולוציה להשגת מטרות אלו.

המאמרים המקוריים:

Gladyshev, E. & Meselson, M. Extreme resistance of bdelloid rotifers to ionizing radiation. PNAS 105, 5139-5144. doi:10.1073/pnas.0800966105

Mark Welch, D. B. Mark Welch, J. L. & Meselson, M. Evidence for degenerate tetraploidy in bdelloid rotifers. PNAS 105, 5145-5149 (2008). doi:10.1073/pnas.0800972105

הכתבה המקורית מופיעה בגליליאו גיליון 118,  יוני 2008

מודעות פרסומת

תגיות: , , , ,

כתיבת תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

%d בלוגרים אהבו את זה: