מתוסכלים בסיבוב

מדען מכון ויצמן ושותפיו למחקר פיתחו מודל ממוחשב המסביר תנועה קולקטיבית של תאי

כאשר חברים בקבוצה מתקשים להגיע להחלטה משותפת, וכל אחד מושך לכיוון אחר, התוצאה עלולה להיות תסכול וחוסר מעש. לעתים מתוך התסכול נולדת פשרה שמחלצת את הקבוצה מהמבוי הסתום ומובילה אותה בדרך חדשה שאיש מהחברים לא כיוון אליה. זה נשמע כמו משל חברתי, אבל אלה ממצאים חדשים על נדידת תאים של צוות מדענים בין-לאומי, ובהם פרופ’ ניר גוב מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון ויצמן למדע. המחקר פורסם באחרונה בכתב-העת המדעי Science Advances.

בדומה לאופן שבו דגים או ציפורים נודדים בלהקות בתבניות מתואמות, גם תאים בגופנו נודדים ב”להקות” ומייצרים תבניות נדידה. נדידת תאים בגוף היא חלק מההתפתחות הטבעית, למשל בעובר, או נועדה למטרות “תחזוקה שוטפת”, כגון ריפוי פצעים, אך עלולה לאפיין גם מצבי מחלה, כגון היווצרות גרורות סרטניות. תצפיות במבחנה על סוג מסוים של תאים נודדים – תאים סרטניים של המערכת החיסונית – העלו כי כאשר הם מתקדמים בקבוצה (צבר תאים) הם נעים בשלוש תבניות מובחנות: “ריצה” קדימה בכיוון מסוים, תנועה סיבובית של הקבוצה סביב צירה או תנועה אקראית ולא מתואמת שבמהלכה הקבוצה כמעט שאינה מתקדמת. “המעברים בין התבניות השונות נראים לכאורה אקראיים לחלוטין. 40% מהזמן התאים ‘רצים’ קדימה, כרבע מהזמן נעים במעגלים – ובזמן הנותר נעים באקראי”, מתאר פרופ’ גוב. “תצפיות על להקות דגים העלו שלוש תבניות דומות: שחייה משותפת בכיוון אחד, תנועה מעגלית או תנועה אקראית. עם זאת, בדגים, המעבר בין המצבים התרחש כתוצאה מהתנגשות במכשול, למשל בדופן האקווריום, ואילו התאים בתצפית החליפו לכאורה תבניות באופן ספונטני”.

כדי להבין מדוע התאים עוברים בין המצבים השונים ובאילו נסיבות, יצרו המדענים מודל ממוחשב שבו כל תא הוא יחידה בעלת כיוון מסוים שמנסה להתאים את כיוון תנועתה לממוצע של התאים סביבה. מודל זה הניב שתי תבניות נדידה אפשריות – מצב של סדר ו”ריצה” קדימה או אי-סדר ותנועה אקראית, אך לא תנועה סיבובית. המעברים בין התבניות השונות הושפעו מרמות הרעש במודל – מעל רמת רעש מסוימת התאים לא הצליחו להיות מתואמים ונעו באקראי. “תא הוא יצור רועש. תהליכים אקראיים בתוך התא גורמים לכך שלפעמים הוא ינוע קצת ימינה, לפעמים קצת שמאלה, אך אף פעם לא באותו כיוון כל הזמן”, אומר פרופ’ גוב ומוסיף: “לאחר שהרצנו את המודל, שאלנו את עצמנו מדוע לא הצלחנו לחזות גם את התנועה הסיבובית”.

לשם כך יצרו המדענים מודל חדש שבו המערכת אינה אחידה: לתאים במעטפת החיצונית של הקבוצה יש יכולת תנועתית גבוהה יותר מאשר לתאים הנמצאים בליבה. במודל זה רמת הרעש עשויה להיות גבוהה מכדי לאפשר לתאי הליבה להיות מתואמים, אך נמוכה מספיק כך שהתאים החיצוניים מצויים במצב מסודר ו’רוצים’ לרוץ קדימה. הפער שנוצר במערכת זו בין התאים החיצוניים לפנימיים מייצר מצב של תסכול. אומר פרופ’ גוב: “אם התאים החיצוניים היו ‘לבדם בעולם’ הם היו ‘רצים קדימה’, אבל הם ‘תקועים’ עם התאים הפנימיים בצבר. אם התאים החיצוניים לא מצליחים לדחוף את תאי הליבה קדימה, והקבוצה כולה מתוסכלת, האפשרות השנייה הכי טובה מבחינת תאי המעטפת היא לנוע בסיבובים – כך הם שומרים על תנועתיות גבוהה וגם על מידה מסוימת של תיאום עם התאים הסמוכים להם. הם רצים במעגל, ותאי הליבה נסחבים אחריהם”.

ההחלטה של המדענים לייצר הבדל במודל בין התאים במעטפת החיצונית לתאי הליבה לא הייתה שרירותית. ידוע כי תנועתיות של תאים פוחתת ככל שהם מוקפים בשכנים. כך למשל תאים שמייצרים ביחד רקמה – לא אמורים לנוע לשום מקום; עם זאת, ברגע שיש סביבם חלל ריק – למשל כשנפער פצע – התנועתיות שלהם גוברת. לכן הניחו המדענים שהתאים במעטפת החיצונית תנועתיים יותר, היות שאינם מוקפים בשכנים מכל עבר.

המדענים התמקדו במחקר בתאים סרטניים, אך הנחת העבודה היא כי הממצאים תקפים לנדידת תאים באופן כללי. המחקר הוא פרי שיתוף פעולה בין פיסיקאים לביולוגים והובילה אותו תלמידת המחקר קתרין קופנהאגן מהקבוצה של פרופ’ אג’אי גופינתן מאוניברסיטת קליפורניה במרסד.

“מודלים של תנועה קולקטיבית מניחים בדרך כלל התנהגות אחידה של פרטים. במחקר זה ראינו כי ברגע שהמערכת אינה אחידה, נוצרות התנהגויות חדשות – גם כאשר חוקי המערכת נותרים בעינם. אחד המנגנונים שיכולים לייצר התנהגות חדשה הוא ‘תסכול'”, מסכם פרופ’ ניר גוב, פיסיקאי החוקר תנועה קולקטיבית של יצורים חיים. “בעלי-חיים שנעים בלהקות, יכולים לראות את חבריהם ללהקה, או לחוש אותם בדרכים אחרות, לעבד את המידע במוחם – ולבחור דרך פעולה רצויה. אבל תאים, בניגוד לדגים או לעופות, אינם ‘רואים’, ואין להם ‘מוח’ שיכול לעבד מידע. אם כך כיצד הם יודעים להתאים עצמם לשכניהם? במסגרת המחקר שלנו לקחנו את היכולת הזאת כמובנת מאליה. מחקרים עתידיים עשויים לפצח גם את המנגנונים המולקולריים שמאפשרים לתאים לנדוד ב’להקות'”.