עש ועשן

נחשף הבסיס הגנטי לשינוי הצבע של עש הפלפל – אולי הדוגמה המוכרת ביותר לברירה טבעית

יונת אשחר ונעם לויתן | גליליאו

עש פלפל בהיר. צילום: nutmeg66, CC-BY-NC-ND.

את הסיפור הזה אפשר למצוא כמעט בכל ספר לימוד על אבולוציה: זהו הסיפור על עש הפלפל (עש נקוד, Biston betularia), שצבעו האפור בהיר-מנומר הסווה אותו בהצלחה כשהוא נח על עצי שַׁדָּר ("ליבנה") באנגליה מולדתו. במאה ה-19 החלו להופיע פרטים בעלי צבע כהה אחיד – ואלו היו לנפוצים יותר ויותר. השינוי בצבע יוחס לשינוי בצבעם של העצים: עקב המהפכה התעשייתית וזיהום האוויר שהתלווה אליה, הפכו הגזעים והענפים לשחורים, והעשים הבהירים בלטו למרחוק כשנחתו עליהם, כמו פרסומת לארוחת בוקר בעבור ציפורים. העשים השחורים שרדו טוב יותר וכך הגֶן לצבע שחור התפשט באוכלוסייה. רק מאמצע שנות החמישים של המאה הקודמת, כשהפרלמנט הבריטי העביר תקנות לשמירה על אוויר נקי, חזרו העצים לאטם למצבם המקורי, דבר ששימש מעין "ניסוי טבעי" ואפשר למדענים לחזות מראש מה יקרה לעש הפלפל: ואכן, כפי שחזו, הצבע המנומר חזר והתפשט באוכלוסייה. תופעה דומה נצפתה גם בארצות אחרות, כמו הולנד וארצות-הברית, שבהן התקבלו תקנות למניעת זיהום אוויר. כך עבר עש הפלפל אבולוציה מהירה בצורה יוצאת דופן, שאפשרה לחוקרים בני הזמן לתעד אותה בשעת התרחשותה ממש – והיה לאחת העדויות המפורסמות ביותר לברירה טבעית.

אבל לְמה בעצם מתכוונים כשאומרים "הגן לצבע שחור" התפשט באוכלוסייה? אף ששינוי הצבע היה ידוע ומוכר במשך עשרות שנים, הבסיס הגנטי לתופעה הצליח לחמוק מעיני החוקרים. מקורו של הצבע השחור בהצטברות של החלבון מֶלָנין (האחראי לעור ולשיער כהים גם בבני אדם), ומכאן שם התופעה – מלניזם תעשייתי. אך מחקרים קודמים הראו שהמוטציה האחראית לצבע השחור אינה קשורה אף לא לאחד מהגנים הידועים כגורמים לעודף מלנין בחרקים.

עש פלפל על עץ. צילום: Drinker Moth, CC-BY-NC-SA.

במחקר שהתפרסם בשבועון Science, אריין ואנט הוף (van’t Hof) מאוניברסיטת ליברפול וחוקרים נוספים מאנגליה ומצ'כיה נקטו גישה שונה כדי לזהות את הגן האחראי לשינוי. הם הכליאו בין עש בהיר לעש כהה, וחיפשו מקטע גנטי השונה בין העשים הכהים לבהירים. מקטע כזה נמצא בכרומוזום מס' 17 (לעש הפלפל 31 זוגות כרומוזומים): מוטציה בגן אחד באזור זה אחראית ככל הנראה לצבע השחור, אם כי עדיין לא ידוע מה תפקידו של הגן ואיך הוא קשור למלנין.

לאחר שזיהו את המקטע הגנטי, ערכו החוקרים סקר גנטי מקיף בשתי אוכלוסיות שונות של עש הפלפל, ובנוסף לכך בדקו עשים שנשמרו במוזאונים בכל רחבי בריטניה, מ-1925 ועד היום. בשני המקרים נבדקו עשים בהירים וכהים. כשבדקו החוקרים את המידע הגנטי שנמצא ליד המוטציה בעשים השחורים, הם מצאו שלא היתה כמעט שונות במקטע שנבדק בין העשים מאזורים שונים, ואפילו מזמנים שונים. דבר זה מצביע על כך שמוטציה יחידה, שמקורה בעבר הלא רחוק, היא שאחראית לכל המקרים של צבע שחור שנבדקו. אם המוטציה היתה ממקור עתיק יותר, ועוד יותר מכך – אם הצבע השחור נובע מיותר ממוטציה אחת באוכלוסייה – היינו מצפים לראות שונות גנטית גדולה יותר אצל העשים השחורים. מוטציה יחידה המתפשטת במהירות באוכלוסייה אופיינית למקרה של לחץ ברירתי חזק, כלומר לפרטים המוטנטים היה יתרון גדול על פני חסרי המוטציה. לחץ כזה אפשר למצוא כשההתנאים הסביבתיים משתנים במהירות, כפי שאכן קרה במקרה של עש הפלפל.

עש בהיר ועש כהה ביער נקי מזיהום. צילום: Martinowksy from nl, CC-BY-SA.

הצעד הבא יהיה לזהות את הגן שבו התרחשה המוטציה, ולהבין כיצד היא גורמת להצטברות יתר של מלנין. לאחר שיזהו את הגן, החוקרים מתכוונים לבדוק את עש הפלפל הצפון אמריקאי, שגם בו התפשט (ואז כמעט ונעלם) הצבע השחור, כדי לראות אם מוטציה באותו גן אחראית לשינוי הצבע גם שם.

החוקרים מקווים שזיהוי הגן יעזור לפענח את הגנטיקה מאחורי צבעיהם של העשים ושל קרוביהם הצבעוניים יותר – הפרפרים – בנוסף לחשיפת המנגנון העומד בבסיסה של אחת הדוגמאות המוכרות ביותר לברירה טבעית.

למידע נוסף

המאמר המקורי [PDF]:

van't Hof, A.E. et al. Industrial melanism in British peppered moths has a singular and recent mutational origin. Science 332, 958-960 (2011). doi: 10.1126/science.1203043

סרטון אנימציה נחמד (באנגלית) המסביר מהי ברירה טבעית:

הכתבה המקורית מופיעה במגזין גליליאו גיליון 154, יוני 2011