על מוצא החיים המורכבים

כל היצורים המורכבים, בעלי גרעין תא, נוצרו ממיזוג שהתרחש לפני כמיליארד וחצי שנים בין שני אורגניזמים חד תאיים. מיזוגים נוספים שהתרחשו לאחר מכן העניקו תכונות מיוחדות ליצורים המתפתחים

נעם לויתן

איור של חיים מיקרוסקופיים

איור: Pete Linforth (CCO)

בסיפורי מדע בדיוני רבים האיום הגדול ביותר על החיים כפי שאנו מכירים אותם הוא להיטמע בייצור אחר ולהתמזג בו. המיזוג כמעט תמיד מוצג כמשהו שלילי, שיש להימנע ממנו. ובדרך כלל אף על פי ש"ההתנגדות לא תועיל", הגיבורים מצליחים לחמוק מהמיזוג.

אבל למזלנו, בעולם האמיתי דווקא הפסדנו שוב ושוב בקרב זה והתמזגנו עם האחר. אלמלא כן אנחנו וכל החיים המורכבים האחרים לא היינו קיימים. מיזוג מיוחד שהתרחש לפני מיליארדי שנים ייצר את כולנו. והטמעות ומיזוגים נוספים נתנו לנו ולאחרים עוד כמה תכונות מיוחדות.

את התוצאות של המיזוג שייצר את כולנו אפשר לראות כשמסתכלים מקרוב על היצורים הגדולים שנמצאים סביבנו. על העצים; על בני האדם שמסתתרים בצילם; על הדינוזאורים – או כפי שאנחנו קוראים להם כיום, העופות – שנחים בין ענפיהם; או על הפטריות שצומחות מקליפתם.

כשמתבוננים בתאים של כל אחד מהיצורים האלו מגלים שהם מכילים מבנים שקיימים גם בתאי היצורים האחרים. יש להם גרעין תא – מבנה מוקף בקרום שבתוכו החומר התורשתי, ה-DNA הדו-גדילי של התא, מחולק למספר מולקולות קוויות וארוז במבנים הקרויים כרומוזומים. גרעין התא מגן על ה-DNA ומפקח על ביטוי הגנים המקודדים בו. בנוסף לגרעין קיימים בתאים מבנים נוספים המוקפים בקרום משלהם, מעין "מכונות" בעלות תפקידים שונים. המבנים האלה הם כמו איברים זעירים של התא ולכן מכונים אברונים. האברונים הקשורים לסיפור שלנו הם המיטוכונדריה.

אברונים אלו, שמספרם בתא יכול להגיע לאלפים (תלוי בסוג התא), הם תחנות הכוח של התא. בתוכם מתרחשים התהליכים הדרושים להפקה יעילה של אנרגיה כימית מסוכר תוך כדי צריכת חמצן. האנרגיה המופקת מהנשימה החמצנית הזו משמשת את התאים לבניית חומרים ולהתנעת תהליכים שונים. ובלי האנרגיה הזו החיים על פני כדור הארץ היו נראים אחרת לחלוטין.

איור של עץ החיים. כולל חיידקים, ארכאונים ואיקריוטים

עץ החיים הסבוך. איור: courtesy of Tree of Life Web Project

שואת החמצן

כדי לראות את גודל השפעת המיטוכונדריה, את השינוי שהם חוללו, צריך לחזור אחורה בזמן לתקופה בה התנאים בכדור הארץ התאימו סוף סוף להופעת החיים, עוד לפני שהיה באוויר חמצן.

לפני קצת פחות מארבעה מיליארד שנים הפך כדור הארץ למקום שיש בו חיים. תאים פשוטים, קטנים (בסביבות מיקרון = אלפית המילימטר), שדמו לחיידקים ריחפו להם במים שכיסו את רוב הארץ. הם אכלו והתרבו אך היו פשוטים יחסית – בלי מבנים מורכבים בתוך התא. לא היו להם מיטוכונדריה וגם לא גרעין. החומר הגנטי שלהם היה מולקולת DNA מעגלית אחת שלא מוקפת בקרום.

כשהיצורים האלה הופיעו לראשונה הרכב האטמוספירה היה שונה לגמרי מזה המוכר לנו כיום. היא הכילה מימן, מתאן, חנקן, פחמן דו-חמצני וגזים נוספים, אך לא הכילה חמצן. היצורים הקטנים האלו התפתחו לנצל מקורות מזון שונים, השתנו ופיתחו תכונות מיוחדות. לבסוף הם התפצלו לשתי קבוצות נפרדות הקיימות גם היום: על-ממלכת החיידקים ועל-ממלכת הארכאונים. אפשר לחשוב על על-ממלכות כעל בתי אצולה: הטיירלים והלאניסטרים של עולם הטבע.

חיידקים וארכאונים מזכירים באופן שטחי זה את זה כשמתבוננים בהם תחת מיקרוסקופ, והם דומים לאב הקדמון שלהם בכך שאין להם גרעין ואברונים אחרים. הדמיון ביניהם בלבל חוקרים במשך זמן רב. רק ב-1977, בעקבות ריצוף חלק מהגנום שלהם, התברר כי ארכאונים אינם חיידקים אלא יצורים ששונים מהחיידקים כפי שאנו שונים מהם.

במשך מאות מיליוני השנים שעברו מאז הפיצול התפתחה אצל חלק מהחיידקים והארכאונים היכולת לקלוט אנרגיה מהשמש ולהמיר אותה לאנרגיה כימית. ולפני קצת יותר משלושה מיליארד שנים הופיעה קבוצה של חיידקים כאלו – החיידקים הכחוליים.

אם אי פעם אכלתם ספּירוּלינה אכלתם חיידקים כחוליים. חיידקים אלו קולטים את אנרגיית השמש בעזרת פיגמנט בשם כלורופיל ומשתמשים בה לבניית סוכרים מפחמן דו-חמצני וממים. תוצר הלוואי, הפסולת, של תהליך זה הוא חמצן, שנפלט אל הסביבה. כל התהליך קרוי פוטוסינתזה (חמצנית), או הטמעה.

סטרומטוליטים, מבנים שנוצרו במים רדודים מבוץ שנלכד בשכבות של חיידקים כחוליים, בבריכת המלין, מפרץ הכרישים באוסטרליה המערבית

סטרומטוליטים, מבנים שנוצרו במים רדודים מבוץ שנלכד בשכבות של חיידקים כחוליים, בבריכת המלין, מפרץ הכרישים באוסטרליה המערבית. צילום: Pamela Reid, Ph.D., UM Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science

הופעת החמצן הייתה חדשות רעות מאוד לרוב היצורים החיים. החמצן המזהם נפלט אל הסביבה. בתחילה הוא נמס באוקיינוסים או יצר תרכובות עם הברזל בסלעים, אך לבסוף – לפני כשני מיליארד ושלוש מאות מיליוני שנים – השתחרר חמצן חופשי לאוויר. וחמצן הוא חומר רעיל ביותר לכל היצורים שלא מותאמים אליו. הופעתו גרמה להכחדה המונית, המכונה "אסון החמצן" או "שואת החמצן", של רוב היצורים שלא מסוגלים לחיות בנוכחותו (אל-אווירניים מוחלטים). בקרב השורדים חלק נדחקו למקומות שבהם אין חמצן ואצל אחרים התפתחו מנגנונים המאפשרים לנטרל את השפעתו המזיקה.

בשלב כלשהו הופיעו יצורים שמסוגלים לנצל את החמצן להפקה יעילה של אנרגיה ב"נשימה חמצנית". כמות האנרגיה הכימית המופקת בנשימה חמצנית זו גדולה בערך פי שְׁמוֹנָה עָשָׂר מזו שמופקת ללא חמצן. בזכות האנרגיה הרבה הזו היצורים האווירניים (נושמי החמצן) התפשטו בעולם ותפסו את מקומם של היצורים שנכחדו.

בעוד סוגי מקורות האנרגיה שהם יכולים לנצל גדלו, וכך גם האזורים בהם הם יכולים לחיות, הצורה הבסיסית של מגוון היצורים החד תאיים הפשוטים לא השתנתה יותר מדי במשך כשני מיליארד השנים שחלפו מאז שהופיעו החיים לראשונה. החיידקים והארכאונים עשו מה שעשו בזמן הזה, אך הם לא גדלו יותר מדי ולא הופיעו אצלם מבנים מורכבים, כמו גרעין התא או המיטוכונדריה. ואז… משהו השתנה.

לפתע הופיעו יצורים חד תאיים ענקיים, עד פי עשרת אלפים מגודלם של היצורים שחיו עד עכשיו. ובתוך הענקים האלו נמצאו רכיבים מורכבים: אברונים.

במהלך האבולוציה של היצורים החדשים האלו המורכבות של חלקם גדלה, הקשרים ביניהם השתנו וכך גם גודלם. הצאצאים שלהם הם כל היצורים הרב תאיים שאנחנו רואים היום סביבנו (וגם לא מעט יצורים חד תאיים): עצי הדר, מדוזות, בני אדם, יתושים, דינוזאורים, טחבים, חתולים, פטריות, לוויתנים וצמחי פטוניה.

מה השתנה? איך לאחר שבמשך מיליארדי שנים החיים נותרו בעלי צורה ומבנה פשוטים (יחסית) פתאום הופיעו צורות חיים גדולות ומורכבות.

ההיסטוריה של המיטוכונדריה

רוב העדויות מצביעות על כך שהאירוע שבזכותו התרחש השינוי הוא מיזוג בין שני יצורים שונים.

כדי להפוך למורכב יותר צריך אנרגיה עודפת שאפשר להשקיע בחידושים ובשכלולים. לגדול דורש הרבה מאוד דברים: יותר שטח; יותר פתחים; יותר חלקים; יותר DNA – החומר הגנטי שבו מקודדים ה"תרשימים" לכל זה; עוד מערכות לשכפל, לתחזק ולקרוא את עודף ה-DNA הזה; ועוד מערכות זוללות אנרגיה לבניית חלבונים על פי המידע שב-DNA. כל אלו דורשים הרבה מאוד אנרגיה. הם לא בחינם.

בדיוק כפי שאם תרצו להרחיב את העסק שלכם תצטרכו להשיג הרבה כסף עודף – שתוכלו להשקיע בבנייה, בפרסום ובשכירת עובדים חדשים. או כפי שהמהפכה החקלאית הראשונה (הנאוליתית – לפני כעשרת אלפים שנה) אִפשרה לבני האדם להפסיק לנדוד ולרדוף אחר מחסה ומזון ולעבור ליישובי קבע ולגידול מזון. בזכות התפתחות החקלאות גדלה אוכלוסיית האדם מאוד והמורכבות החברתית עלתה: עודפי המזון תרמו להתפתחות מסחר ולצמיחתם של מקצועות שלא קשורים לייצור מזון.

תוספת האנרגיה שבזכותה יכלו להתפתח יצורים גדולים ומורכבים הגיעה, כאמור, ממיזוג בין שני חד תאיים קדומים וזעירים: חיידק וארכאון. החיידק חדר בדרך כלשהי לתוך הארכאון הגדול ממנו. אולי הוא נבלע על ידו, ואולי החיידק היה טפיל שניסה לתקוף את הארכאון ולנצלו. לא משנה הסיבה או הדרך, בסופו של דבר החיידק מצא את עצמו בתוך הארכאון.

בדרך כלל כשדבר כזה מתרחש החיידק הנבלע מעוכל, או מת מאחר שהוא כלוא בתוך תא אחר. אם החיידק הוא טפיל הוא עלול דווקא לפגוע בתא האחר ואף לגרום למותו. אבל, הפעם, שני היצורים שרדו. התא הקטן הצליח להשיג חומרי מזון מהארכאון והוא לא רק שרד, אלא שגשג. הוא התחלק, שכפל את עצמו, בתוך התא הגדול. מצב שעלול להיות לא נעים לתא הגדול, התא המאכסן, אך עבר בשלום.

למזלו של הארכאון, לחיידק הפולש הקטן הייתה תכונה מיוחדת – הוא ידע לייצר אנרגיה בנשימה חמצנית, והרבה ממנה. עתה, כשבתוך המאכסן הופיעו עותקים רבים של החיידק יוצר האנרגיה, הייתה לארכאון סוף סוף אנרגיה עודפת, שיכלה לתמוך במבנים ובשכלולים שהופיעו במהלך האבולוציה שלו ושל צאצאיו.

מספר הגנים שלו יכל לגדול בלי לגרום לו למות מחוסר אנרגיה. יכלו להופיע עותקים נוספים של ה-DNA. כך שבמקום עותק אחד או שניים של גן פתאום היו עותקים רבים. ועותקים כאלו יכולים לעבור אבולוציה בקלות. כאשר יש רק עותק אחד או שניים של גן כל שינוי שמתרחש עלול להיות מזיק, אך כשיש הרבה עותקים שינוי בחלק מהם (בדרך כלל) לא מפריע לפעילות של העותקים האחרים. כך יכולים להתפתח גנים חדשים, שיוצרים מבנים חדשים, ונותנים תכונות חדשות בלי לשלם על כך מחיר.

איור המייצג את האבולוציה של התאים המורכבים

האבולוציה של התאים המורכבים. איור: Blair Lyons, Stroma Studios, CC-BY-ND

עם הזמן הצטברו השינויים והופיעו מבנים משוכללים – שהמוכר שבהם הוא גרעין התא – וצאצאי המיזוג בין החיידק לארכאון הפכו לעל-ממלכה חדשה בטבע: האֵיקריוטים, יצורים בעלי גרעין. וזאת בניגוד לשתי העל-ממלכות האחרות שמורכבות מפרוקריוטים – יצורים חד תאיים חסרי גרעין.

כל היצורים המורכבים שהזכרתי קודם מממלכת בעלי החיים, הצומח והפטריות ומקבוצות נוספות של יצורים רב תאיים וחד תאיים, שייכים לעל-ממלכת האֵיקריוטים. כולם התחילו במיזוג של שני תאים, חיידק וארכאון, לתא אחד. ורובם המוחלט נושאים בתאיהם את צאצאיו של אותו חיידק, אברונים הקרויים מיטוכונדריה, שממשיכים לספק לתאים שלנו אנרגיה עד היום.

עדויות לפלישה

הרעיון שיש בתאים איקריוטים אברונים שמקורם בחיידקים שחדרו לתאים וחיו בתוכם בקשר הדדי (אנדוסימביוזה הדדית), הועלה מספר פעמים בעבר וזכה להתעלמות. ב-1967 העלתה החוקרת האמריקנית לין מרגוּליס (Margulis) את הרעיון הזה שוב והתעקשה על אמיתותו על אף ההתנגדות הראשונית של רוב הממסד המדעי [PDF]. בתחילה נראה הרעיון כסיפור יפה, אך סיפור טוב הוא לא ראיה מספק במדע. איך אנחנו יודעים שהוא נכון? מה העדויות לכך?

נתחיל בגנים שלנו. בערך 40 אחוז מהגנים ב-DNA שלנו דומים לגנים של ארכאונים או לשל חיידקים. לכל החיים על פני כדור הארץ יש מוצא משותף ולכן הם חולקים קוד גנטי דומה וקיימים בהם גנים משותפים. למרות זאת, אפשר להבחין בבירור על פי הרצף והמבנה בין גנים של חיידקים לשל ארכאונים. ואצלנו אפשר למצוא גם גנים כאלו וגם גנים כאלו. הגנים שמקורם ארכאוני נוטים לפעול בעיקר עם גנים ארכאוניים אחרים והגנים שמקורם חיידקי פועלים בעיקר עם גנים חיידקים אחרים. יש המציגים זאת כמו שתי קבוצות ילדים בגן השעשועים, שלא מכירות זמן רב ולכן ילדי כל קבוצה נוטים לשחק עם הילדים שהם מכירים, מהקבוצה שלהם.

תפקידי הגנים שונים. לגנים הארכאונים, שהיו שייכים לתא המאכסן הגדול, יש תפקידים בסיסיים וחשובים כגון העתקה ותחזוקה של ה-DNA. אם גן כזה נפגע יש סיכוי גדול שהתא ימות. לעומת זאת, גנים חיידקים – שהגיעו מהפולש הקטן – מעורבים בעיקר בתזונה ופגיעה בהם לרוב לא קטלנית. חלוקת תפקידים שנראית הגיונית כשמדובר במהגר חיידקי שהצטרף לתא שכבר הכיל רשתות גנים חשובות.

גם מבנה התאים עצמו תומך במיזוג. אם ניקח תא מעץ ומגופנו, ומציפור ומפטרייה ונבחן אותם, נראה שיש ביניהם דמיון רב. יש להם גרעין תא, שלד תא ומבנים אחרים ויש להם מיטוכונדריה רבים. אפשר אפילו לומר שאחוז נכבד מההרכב שלנו הוא מיטוכונדריה. ואם נתבונן במבנה של מיטוכונדריון בודד (היחיד של מיטוכונדריה הוא מיטוכונדריון) נראה כי הוא דומה לחיידק. יש לו קרום (ממברנת) תא, בדיוק כמו לחיידק. יש לו חומר גנטי נפרד, שהוא מולקולת DNA מעגלית אחת שלא מוקפת בקרום, כמו של חיידק רק קטנה בהרבה. וכמו חיידקים הוא מתרבה בחלוקה, בלי קשר לתא המאכסן, ומעביר לצאצאיו את החומר הגנטי שלו.

בנוסף, אם משמידים את המיטוכונדריה שיש בתא התא לא יכול ליצור חדשים. כל מיטוכונדריון שקיים בתא נוצר בחלוקה ממיטוכנדריון קודם.

מיפוי הגנום של המיטוכונדריה והשוואתו לזה של החיידקים הקיימים כיום חשף שהמיטוכונדריה, ולכן גם אביהם הקדום, משתייכים לאותה קבוצת חיידקים שאליה משתייכים חיידקי וולבכיה וחיידקי ריקציה – חיידקים החיים בתוך תאים אחרים. חיידקי וולבכיה חיים בתאי חרקים ופרוקי רגליים אחרים ומתאימים אותם לצרכיהם וחיידקי ריקציה הם טפילים תוך תאיים שגורמים למחלות כגון טיפוס הבהרות ומועברים על ידי קרציות או חרקים מוצצי דם. זו המחלה ממנה מת ב-1999 הזמר מאיר אריאל.

כמו המיטוכונדריון, גם חיידקים אלו לא יכולים להתקיים מחוץ לתא המאכסן שלהם. יתכן כי גם האב הקדמון של המיטוכונדריון היה טפיל תוך תאי, שמערכת היחסים שלו עם התא המאכסן השתנתה לשיתוף פעולה.

אלי אסגרד

ומי הארכאון בן ימינו שהכי קרוב לארכאון המאכסן הקדמון? בשנת 2015 זוהתה על פי מידע גנטי קבוצה חדשה של ארכאונים שקיבלו את השם לוקי, מאחר שהתגלתו בדגימות מ"טירתו של לוקי" – נביעה הידרותרמית (נביעת מים חמים) באחד מהרכסים התת-ימיים באוקיינוס הקרח הצפוני. המידע הגנטי הראה שלוקי הם הארכאונים בני ימינו הקרובים ביותר לאיקריוטים.

טירתו של לוקי – נביעה הידרותרמית (נביעת מים חמים) בקרקעית האוקיינוס האטלנטי, בין גרינלנד לנורבגיה

טירתו של לוקי – נביעת מים חמים ברכס תת-ימי באוקיינוס הקרח הצפוני. צילום: Centre for Geobiology (University of Bergen, Norway) by R.B. Pedersen, CC-BY-ND

כעבור שנה התגלתה קבוצת ארכאונים הקרובים ללוקי. הפעם הארכאונים נקראו על שם תור, אל הרעם הנורדי. בשנת 2017 התגלו עוד שתי קבוצות קרובות של ארכאונים, שנקראו על שם אבי האלים אודין והאל היימדייל. ארבע הקבוצות האלו מרכיבות יחד קבוצת-על הקרויה אסגרד, על שם מקום מושבם של האלים הנורדים.

מיפוי הגנום של האסגרד וניתוחו הראה שאכן האיקריוטים קרובים מאוד לאסגרד בעץ החיים, ואולי הם (אנחנו) אף חלק מקבוצת-על הזו. ככל הנראה האסגרד בני ימינו הקרובים אלינו ביותר הם לא לוקי, אלא היימדייל.

ממצאים אלו מצביעים על כך שלאיקריוטים ולאסגרד יש אב קדמון משותף. ייתכן גם שהאב הקדמון שלנו, אותו ארכאון שהתמזג עם חיידק קדום, היה אסגרד קדום או לכל הפחות ארכאון שקרוב ביותר לאסגרד.

עליית הצמחים

בתאי צמחים ואצות מוצאים, נוסף למיטוכונדריה, עוד מבנים המזכירים חיידקים: הכלורופלסטים. אלו המבנים המאפשרים לצמחים לבצע פוטוסינתזה – המרת אור שמש, פחמן דו-חמצני ומים לסוכרים ולחמצן.

כל העדויות המצביעות על כך שמקורם של המיטוכונדריה בחיידקים מתקיימות גם בכלורופלסטים: יש להם ממברנת תא, חומר גנטי נפרד והם מתרבים בחלוקה. הם מזכירים קצת את החיידקים הכחוליים שהזכרתי קודם ומיפוי הגנום שלהם הראה שאכן אלו החיידקים שהכי קרובים לכלורופלסטים.

השוואה בין חיידק כחולי וכלורופלסט

חיידק כחולי (מימין) וכלורופלסט (משמאל). איור מבוסס על: Kelvinsong, CC-BY-SA.

על פי העדויות הכלורופלסטים נוצרו כשאיקריוט – תא בעל גרעין ובעל מיטוכונדריה – בלע חיידק כחולי לפני כמיליארד שנה והחיידק לא עוכל. איקריוט זה הוא האב הקדמון של כל הצמחים והאצות בני ימינו.

על אף הדמיון בין מיטוכונדריה וכלורופלסטים לחיידקים עצמאיים, הם כבר מזמן לא כאלו. במהלך האבולוציה המשותפת של החיידקים ושל התאים המאכסנים שלהם נוצר ביניהם קשר הדוק. החיידקים הפכו לאברונים התלויים לחלוטין במאכסן. למשל, רבים מהחלבונים הדרושים לפעילות המיטוכונדריה (או הכלורופלסטים) מקודדים על ידי הגנום של התא. הם מיוצרים על ידי התא ואז מועברים לתוך המיטוכונדריה. מתישהו במהלך האבולוציה הגנים לחלבונים אלו עברו מהאברונים לגנום בגרעין התא.

תהליך זה קרוי "העברת גנים אופקית". בניגוד להעברה אנכית של גנים מהורה לצאצא (הדרך הרגילה שבה אנו מקבלים את הגנים שלנו), העברת גנים אופקית מעבירה גנים מאורגניזמים שאינם חולקים קשר הורים-צאצאים. הם אינם בני משפחה ולעתים אף אינם שייכים לאותו מין ביולוגי.

אורחים ומיזוגים נוספים

האירועים שיצרו את המיטוכונדריה והכלורופסטים היו כנראה חד פעמיים, אך קיימות בטבע כמה דוגמאות לאירועים דומים.

פוֹלינלה כרומטופורה וה"כלורופלסט" שלה

פוֹלינלה כרומטופורה (Paulinella chromatophora) וה"כלורופלסט" שלה. צילום: Eva Nowack

האמבה (איקריוט חד תאי) בשם פוֹלינלה כרומטופורה (Paulinella chromatophora) "רכשה" לאחרונה (בקנה מידה אבולוציוני) חיידק כחולי משלה שמתפקד כמו כלורופלסט.

האצות החומיות עושות פוטוסינתזה ויש להן כלורופלסט, אך המקור שלו הוא לא ישירות בחיידק כחולי אלא באצה חד תאית שנבלעה על ידי האב הקדמון של האצות החומיות.

ויש גם כל מיני שלב ביניים. האיקריוט החד-תאי האטנה (Hatena) חי כטורף עד שהוא מצליח לטרוף אצה ירוקה ממין מסוים. ברגע שהוא עושה זאת הוא עובר לעשות פוטוסינתזה כמו אצה. ה-האטנה לא מסוגל להתרבות ללא האצה והאצה גם עברה מספר שינויים שהופכים אותה לתלויה בהאטנה, כגון אובדן המיטוכונדריה שלה.

הריסנית פרמציום (Paramecium), עוד איקריוט חד-תאי, חיה בשלוליות. אין לה כלורופלסטים משלה אך היא יכולה "לשאול" אותם. היא בולעת אצות שנמצאות בשלולית וקרויות זוּאוֹכלוֹרלוֹת. האצות חיות בתוך הריסנית ומייצרות מזון בשבילה בפוטוסינתזה ובתמורה הן זוכות להגנה וליכולת תנועה.

חשופית הים אליסיה מסוגלת "לגנוב" כלורופלסטים מהאצות שהיא ניזונה מהן. לאליסיה יש גלימה מוארכת שיוצרת מעין כנפיים, או עלים. מערכת העיכול שלה מסתעפת למעין שק, הפרוש לאורך כנפיים אלה ובתוכם היא אוגרת את הכלורופלסטים הגנובים. אברונים אלה מקנים לה את צבעה הירוק.

כאשר תנאי התאורה מתאימים, פורסת האליסיה את "כנפיה" וחושפת את הכלורופלסטים לאור. עם זאת, לא ידוע אם האליסיה מקבלת מהכלורופלסטים מזון או שירות אחר.

חשופית הים אליסיה לאחר שגנבה כלורופלסטים ופרסה את גלימתה

חשופית הים אליסיה (Elysia chlorotica) לאחר שפרסה את גלימתה. צילום: Patrick Krug

גם במעבדה הצליחו לחזות באירוע שבו חיידק טפיל שפלש לתא הפך לדייר קבע, שהמאכסן לא יכול להתקיים בלעדיו. בשנת 1966 חקר קוואנג ג'און (Jeon) אמבות, כשהמושבות שגידל התחילו למות במגפה. האמבות התמלאו באלפי חיידקים קטנים שפגעו באמבות, שלהם קרא ג'און חיידקי אקס. רק מעט מאוד אמבות שרדו.

האמבות אמנם שרדו, אך החיידקים נותרו בתוכן ומצבן היה… לא משהו. לאחר כשנה האמבות המודבקות והצאצאים שלהן חזרו לגדול כרגיל ולאחר כמה שנים וכמה דורות, האמבות נעשו בריאות ביותר אף שחיידקי X היו עדיין בתוכן. כשגו'אן טיפל באמבות האלו באנטיביוטיקה, כדי להרוג את החיידקים, גם האמבות מתו. הן הפכו לתלויות בחיידקים שלהן. הדרך היחידה למנוע את מותן היה להדביק אותן מחדש בחיידקי X. גם החיידקים פיתחו תלות באמבות. נוסף על כך, אמבות שלא תלויות בחיידקים, שהודבקו במכוון בחיידקי X מהאמבות התלויות, פיתחו גם הן תלות בחיידקים תוך 200 דורות (18 חודשים). מערכת היחסים בין האמבות לחיידקים השתנתה ממלחמה לשיתוף פעולה.

ריצוף הגנום של חיידקי X חשף כי הם קרובי משפחה של חיידקי ליגיונלה (Legionella) המסוגלים לפלוש לתאי אדם ושחודרים בטבע לתאי אמבות.

החיידק הנדיב

על אף כל הדוגמאות, מיזוג בין שני יצורים שונים עד להפיכתם ליצור חדש המורכב משניהם אינו נפוץ במיוחד. תופעה נפוצה יותר היא אותה "העברת גנים אופקית" שהזכרתי קודם. ולעתים הגנים העוברים מייצור לייצור ממשיכים להיות פעילים ומועילים בסביבה החדשה שבה מצאו את עצמם.

העברת גנים אופקית נפוצה במיוחד בקרב חיידקים, ושם גם התגלתה. למשל, חיידקים המחליפים ביניהם גנים לעמידות לאנטיביוטיקה וכך מקבלים הגנה מן המוכן ולא צריכים "לקוות" שהיא תתפתח אצלם במהלך האבולוציה.

העברה כזו העניקה ליפנים מסוימים את היכולת לעכל אצות נוֹרי. רוב אוכלי הסושי לא מסוגלים לעכל פחמימות מסוימות הקיימות באצות, אך במעי של בני אדם החיים ביפן חי חיידק שמסוגל לפרק את הפחמימות האלה בשבילם ולעכל את האצות. אותו חיידק קיים גם במעי של אנשים אחרים, אך אצלם הוא לא מסוגל לעכל את האצות.

מאיפה החיידק של היפנים קיבל את היכולות הזו? מחיידקים ימיים החיים על האצות באופן טבעי. החיידקים האלו נמצאים בסושי הנאכל ומגיעים איתו למעי. לרוב לא מתרחשת העברת גנים בין החיידקים, אך בקרב אנשים שאוכלים כמויות עצומות של סושי גם אירוע נדיר עשוי להתרחש.

דוגמה אחרת של העברה אופקית התרחשה לפני יותר ממאתיים וחמישים מיליון שנה. בין ארכאון מייצר מתאן לבין חיידק. הארכאון קיבל מהחיידק גן לאנזים שמשפר את יעילות ייצור המתאן. כתוצאה מכך, ובשילוב עם תנאי הסביבה שהיו באותה תקופה, עלתה מאוד כמות המתאן המשתחררת בכדור הארץ. המתאן, שהוא גז חממה, הגיב עם החמצן במים וגרם למחסור בו ולפליטת פחמן דו-חמצני, עוד גז חממה. המחסור בחמצן ועליית הטמפרטורה בלפחות שש מעלות צלזיוס גרמו להכחדה הגדולה ביותר שידע כדור הארץ אי פעם, שבה נכחדו יותר מ-90% מהיצורים הגדולים שחיו על פניו. אירוע העברת גנים קטנטן – השפעה ענקית.

תרומות נדירות

העברת גנים אופקית לא שמורה לחיידקים בלבד. היא מתרחשת גם באיקריוטים חד תאיים, אך היא נדירה בהם. הסיבה לכך היא שה-DNA שלהם מוגן היטב בגרעין שבכל תא, ולתא יש מנגנונים מיוחדים לזיהוי ולפירוק DNA זר. היא נדירה אף יותר באיקריוטים רב תאיים, כגון בעלי חיים, פטריות וצמחים, מאחר שברוב היצורים האלו לא מספיק שתתרחש העברה של גנים בין תא לתא: כדי שהגן שנרכש בהעברה גנים אופקית יעבור לדור הבא, החומר הגנטי צריך להגיע לתאי הרבייה. רק העברת הגנים לתאים אלו תשפיע על האבולוציה של הרב תאיים ותאפשר למין-ביולוגי אחד להעזר ב"גנֵבת" גנים שהתפתחו במין שונה לחלוטין.

כנימות אפון (Acyrthosiphon pisum) על אפונה

כנימות אפון (Acyrthosiphon pisum) על אפונה. צילום: PLOS Biology cover, February 2010. Shipher Wu (photograph) and Gee-way Lin (aphid provision), National Taiwan University.

דוגמה צבעונית למקרה מוצלח של העברת גנים אופקית כזו היא של כנימת האפון. חרק קטן הניזון מנוזל השיפה של צמחים וצבעו ירוק או אדום. צבע הכנימה אולי לא כל כך מעניין אותנו, אך לכנימות הוא חשוב למדי. מוּשִיוֹת, חיפושיות משה רבנו, נוהגות לצוד את הכנימות האדומות בתדירות גבוהה יותר, ואילו צרעות טפיליות מעדיפות את הירוקות דווקא.

ומה נותן לכנימות את צבען? קָרוֹטֶנוֹאידים, מולקולות הנפוצות למדי בקרב חיידקים, פטריות וצמחים. בעלי חיים מקבלים אותם במזון, וחלק מבעלי חיים מקבלים את הצבע שלהם מהקרוטנואידים שהם צורכים – צבעו הוורוד של הפלמינגו וצבעם של דגי הסלמון. אבל, מתברר כי הכנימות לא מקבלות את צבען בדרך זו. בשיפה שממנה הם ניזונים אין קרוטנואידים; הקרוטנואידים שלהן לא דומים לאלו של הצמחים שהן אוכלות; ונראה כי הצבע הוא בכלל תכונה תורשתית.

מתברר כי בניגוד למה שידוע לגבי בעלי חיים, לכנימות יש גנים המייצרים קרוטנואידים. מיפוי הגנים האלה והשוואתם לגנים של יצורים אחרים הראה שמקורם בפטריות. דמיון רב בין הרצף של גן באורגניזם אחד לרצף של הגן באורגניזם אחר מעיד לרוב על מוצא משותף של הרצפים, ובכך על קשר אבולוציוני. למשל, אפשר למצוא דמיון רב בין גנים רבים של האדם לגנים של שימפנזה, ופחות מכך בין אלו של האדם לאלו של העכבר. אך כמובן שאיש אינו מציע כי כנימות האפון התפתחו מפטרייה – מוצאן האבולוציוני הוא מחרקים קדמונים ואבולוציונית הן קרובות יותר אלינו מאשר לפטריות.

עוד לא ידוע כיצד בדיוק אירעה ההעברה האופקית במקרה של הכנימה והפטרייה, אך מכיוון שכל הגנים שנמצאו אצל הכנימות לקוחים מאותו מִקטע בגנום, הם הסיקו כי פיסת DNA זו עברה כמו שהיא מהפטרייה לכנימה. מאחר שאפשר למצוא גנים אלה גם אצל כנימות האפרסק, ואף הן עשויות להיות ירוקות או אדומות, החוקרים משערים כי מַעבר מִקבץ הגנים התרחש אצל האב הקדמון המשותף של הכנימות. לאחר המעבר, התרחשה מוטציה באחד הגנים האחראי על המרת חלק מהקרוטנואידים הירוקים לאדומים. הכנימות בעלות מוטציה זו מקבלות צבע ירוק, בעוד חסרות המוטציה מייצרות קרוטנואידים אדומים המכסים על צבע זה.

המהנדסים הגנטיים של הטבע

במקרים רבים העברת גנים אופקית נעשית בסיוע של מומחי העברת הגנים של הטבע – הנגיפים. נגיפים מסוימים מכניסים את החומר הגנטי שלהם אל תוך הגנום של היצור שהם מדביקים. הגנים של הנגיף, שהשתלבו בגנום המאכסן, מועתקים ליצירת עוד ועוד נגיפים, ובסופו של דבר נחתכים החוצה מהגנום. שני התהליכים האלו – גם ההעתקה וגם ההוצאה מהגנום אינם תמיד מושלמים. חלק מהגנים של המאכסן יכולים להיות מועתקים ולהוות חלק מהחומר הגנטי של הנגיף (הפגום) החדש. כאשר הנגיף יוצא מהגנום, חלק מהגנים שלו יכולים "להישאר מאחור" ולהפוך לחלק מהגנום של המאכסן. אם מדובר בנגיף שמסוגל להדביק יותר ממין ביולוגי אחד, הוא יכול להעביר כך גנים ממין למין.

דוגמה דרמטית עבורנו של מקרה כזה היא הגן סינסיטין (Syncytin). גן שמבוטא בתאי שליה של יונקים רבים, וחשוב ליצירת הקשר בין השליה לרחם. קשר שדרכו מועברים חומרים מהאם לעובר. לא כל היונקים משתמשים בגן זה לשם כך, אך קבוצות שונות של יונקים – כולל בני האדם – לא מצליחות להסתדר בלעדיו. יונקים אלו לא מסוגלים לפתח שליה מתפקדת ללא הגן. ומה מקור הגן? נגיף. ולא רק נגיף אחד. הגנים לסינסיטין בקבוצות שונות של יונקים הגיעו ממקורות נגיפיים שונים. גרסאות שונות של הגן נמצאות אצל מכרסמים, טורפים, ארנבות ועוד, וגם אצל הפרימטים – הקבוצה שכוללת אותנו. נראה כי לפחות שש פעמים קיבלו יונקים שונים (אבותיהם הקדומים של שושלות היונקים שהזכרתי) את הגן מנגיף שהדביק אותם.

כפי שראיתם כל החיים המורכבים סביבנו – אני, אתם, העובש שבמיזוג, החתולים, העצים שבחוץ, כל צורת חיים שאנחנו יכולים לראות בעין בלתי מזוינת (והרבה יצורים אחרים) – מקורם בתא שנוצר ממיזוג מקרי בין חיידק וארכאון.

וכולנו כוללים חלקים שקיבלנו ממיזוגים עם יצורים אחרים. כשאתם מסתכלים על אדם הנמצא לידכם זכרו כי בתאי גופו יש צאצאי חיידקים. והגנים שלו הם לא רק גנים של בני אדם, אלא גם גנים של חיידקים, נגיפים ואולי של יצורים נוספים. וכך גם כל היצורים על פני כדור הארץ, ברמה זו או אחרת.

האחר הוא אנחנו ואנחנו הוא האחר.

קפטן פיקארד כלוקוטוס הבורג: "ההתנגדות לא תועיל"

"ההתנגדות לא תועיל" – לוקוטוס הבּוֹרְג

מודעות פרסומת

תגיות: , , , , , ,

12 responses to “על מוצא החיים המורכבים”

  1. motior says :

    מעניין מאוד!

  2. שלומי says :

    נהדר!

    רק להדגיש את כותרת המשנה כי זה מעט מבלבל

  3. שלומי says :

    ועוד משהו..
    לזכרוני בנשימה אווירנית מוצרים "רק" פי 8 ATP לעומת נשימה אל-אווירנית

    אני מפספס משהו?
    Typo?

  4. צחי says :

    מעולה! תודה

  5. רון שמש says :

    מרתק, תודה רבה!

  6. מאיר says :

    מרתק מרתק

להשאיר 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: