מן הרפת בסג’רה לתיבת נח במדבר

השבה לחיים של מינים בסכנת הכחדה, שיבוט בעלי חיים, קפה נמס מגורען ויבול תפוחי האדמה של בני האינקה הקדומים קשורים זה לזה במחקריו המרתקים של פרופסור אמיר ערב

מחצית מבין 5,416 מיני היונקים הידועים בעולם מצויים בסכנת הכחדה. במאה האחרונה קצב ההכחדה של מיני בעלי חיים שונים, ובהם יונקים, עלה פי 100 עד פי 1,000 מן הקצב הטבעי. מה אפשר אפוא לעשות כדי לשמור על המגוון הביולוגי בכדור הארץ? זאת בדיוק השאלה שעליה מנסה לענות פרופסור אמיר ערב, ממנהל המחקר החקלאי שברחובות.

בשיחתי עם פרופסור ערב עלו כמה דרכים: שימור סביבות חיים טבעיות של בעלי חיים המצויים בסכנת הכחדה כך שיוכלו להתרבות בהן, נדידה מלאכותית, כלומר העברת בעלי חיים בסיכון מאזור גאוגרפי אחד לאזור גאוגרפי אחר או הפריה מלאכותית של נקבות במינים שאוכלוסייתן אינה גדולה דיה לריבוי טבעי. כיוון אחר הוא שימור תאי זרע וביציות מופרות של בעלי חיים ב”בנק תאים” כדי להשיבם אל עולמנו אם ייכחדו.

הקפאה היא שיטה מקובלת לעשות זאת. “גן החיות הקפוא” בסאן דייגו שבקליפורניה, למשל, מאחסן במתקן מיוחד את החומר הגנטי של 350 מיני יונקים, עופות וזוחלים. הקפאה בטמפרטורה של חנקן נוזלי יעילה מאוד במקרים כגון שימור פיסות עור המיועדות להשתלה, תאי זרע ואפילו עוברים זעירים, שהם בעצם צברים של 8 תאים הנוצרים מחלוקת הביציות לאחר ההפריה. שימור בדרך זו לאורך זמן יקר מאוד, מפני שהוא דורש תחזוקה בלתי פוסקת, וכרוך בסיכונים של הפסקות חשמל, עליות טמפרטורה בלתי צפויות ופיקוח בלתי מתאים. מלבד זאת, השיטה אינה מתאימה לשימור ביציות בלתי מופרות, החיוניות להפריה המלאכותית של בעלי החיים.

כאן נכנסת לתמונה דרך שימור נוספת, חדשנית, שעונה על הבעיות האלה, ובה עוסק פרופסור ערב: ייבוש בהקפאה. ההשראה לשיטה מגיעה, בין השאר, מתפוחי אדמה שהתייבשו לגמרי לאחר שקפאו בקרח ובאוויר הקר והיבש של ההרים מעל למאצ’ו פיצ’ו, בירת האינקה בפרו, ונותרו חיוניים אחרי מאות שנים. גם גרעיני תמרים יבשים בני אלפיים שנה שנמצאו בחפירות במצדה נבטו בהצלחה כשנחשפו למים. יובש הוא אפוא תנאי חשוב מאוד לשימור תאים, ואם מייבשים אותם בטמפרטורה נמוכה, אפשר לחתום אותם בתוך בקבוקון זכוכית, להחזיר אותם לטמפרטורת החדר ולהפקיד את הבקבוקון על מדף. תעשיית המזון משתמשת כבר מזמן בייבוש בהקפאה, בין השאר בייצורו של קפה נמס מגורען.

הרעיון של שימור ביציות, מופרות או בלתי מופרות, באמצעות ייבוש בהקפאה עלה במוחו של אמיר ערב עוד לפני שעסק במחקר לקראת הדוקטורט שלו באוניברסיטת קליפורניה בברקלי. כנער שובב בטבריה חשב ערב כי לימודים הם בזבוז זמן. מוטב לבלות את הזמן בעבודה ברפת ובשדות של סג’רה, שסבו היה בין מייסדיה ושבה נולד אביו. כשבכל זאת פנה ללימודים אקדמיים, לאחר שזכה בפרס על עבודת גמר בתיכון בתחום הביולוגיה ולאחר שסיים שירות צבאי בצנחנים, פנה כמובן, כיאה לבן משפחת איכרים, לפקולטה לחקלאות. המשך טבעי היו לימודי וטרינריה באיטליה, שבמהלכם נחשף לנושא הקפאת העוברים. גם אם דוקטורט בהנדסה רפואית בברקלי שבקליפורניה הוא לאו דווקא ההמשך המקובל ללימודי וטרינריה, הבין אמיר ערב כי אם הוא רוצה לעסוק בשימור ביציות ועוברים באמצעות ייבוש בהקפאה עליו להתמחות בפיזיקה, וביתר דיוק בתרמודינמיקה, ולהבין לעומק את התהליכים הכרוכים בהקפאת רקמות חיות ובייבושן.

הורדת הטמפרטורה של תאים חיים גורמת לשני נזקים: האחד נגרם בשל האנומליה הידועה של המים. נפחם של המים הקופאים גדל ולכן התאים עלולים להנזק מלחץ מכני. הנזק האחר, חמור לא פחות, נגרם בשל גבישי קרח זעירים הנוצרים בתוך התא, הורסים את הממברנות שלו וגורמים למותו.

בטבע, תאי הגוף של דגים החיים במים הקרים שמתחת לקרח באזור אנטארקטיקה, למשל, עשירים בחלבונים הקרויים “חלבוני אנטי-פריז”. בעבר סברו כי תפקידם העיקרי של החלבונים האלה הוא למנוע את קפיאת המים בתא, בדומה להוספת החומר אתילן-גליקול למי הקירור של מכוניות בארצות קרות. אמיר ערב הצליח לשמר ביציות בטמפרטורה נמוכה לאחר שהשרה אותן בחלבוני אנטי-פריז. הוא גילה כי למעשה ההצלחה לא נבעה ממניעת הקיפאון אלא מכך שחלבוני האנטי-פריז שימרו את מבנה הממברנות. העולם המדעי התקשה לקבל את הרעיון, אבל התברר שממברנות נפגעות בקירור אפילו אם לא מגיעים לטמפרטורת הקיפאון, ולכן תפקיד החלבונים האלה חיוני גם מעל לאפס מעלות צלזיוס. סיבה דומה מקלה גם על שימור תאי זרע בהקפאה: תאי זרע עשירים בכולסטרול השומר על מבנה הממברנות בדרך דומה לחלבוני אנטי-פריז.

הצלחתו של אמיר ערב לשמור על מבנה הממברנות של תאי ביציות, במסגרת עבודת הפוסט-דוקטורט שלו במעבדתו של פרופסור ג’ון קרואו באוניברסיטת קליפורניה בדייוויס, פתחה את הדרך לשימור באמצעות ייבוש בהקפאה. וכך פועלת השיטה: תחילה, מגנים על הממברנות של התאים באמצעות חלבונים מתאימים, ומיד מקררים את התאים במהירות תוך הפחתה ניכרת של הלחץ בתא ההקפאה. הפחתת הלחץ מאפשרת למים הקפואים לעבור באופן ישיר ממצב מוצק למצב גז ותכולת המים יורדת מ-90% ל-40% ואף מתחת לזה. אם התהליך נעשה בתנאים המתאימים התאים שומרים על חיוניותם.

עם חזרתו ארצה לפני 15 שנה הקים פרופסור ערב את חברת IMT המייצרת מכשיר ששמו Vitmaster, המאפשר ויטריפיקציה מהירה (הפיכת נוזל למוצק ללא גיבוש). המכשיר מקרר את הדוגמה מטמפרטורת החדר עד לטמפרטורה של 208 מעלות צלזיוס מתחת לאפס בתוך עשירית שנייה בלבד – קצב קירור של 50,000 מעלות צלזיוס לדקה, הקירור המהיר ביותר הידוע היום.

לשמירת ביצית בלתי מופרות באופן יעיל ובטוח עשויות להיות השלכות מרחיקות לכת בטיפולי פוריות באדם ובמשק החי. למשל, הדבר יאפשר לנשים לשמור ביציות לפני טיפול כימותרפי או אף לפני ניתוחי כריתה, ויסלול את הדרך לבנק ביציות. אבל האם יש כאן מתכון גם לשימור אוכלוסיות נכחדות כמו אוכלוסיית הנמרים בעין גדי?

פרויקט “תיבת נח היבשה” (Dried Noah Ark – DNA) שבחוות האנטילופות שעל יד מושב צופר בערבה מיועד בדיוק למטרה זו. פרופסור ערב וצוותו מרכזים בתיבה דגימות תאים שיובשו בהקפאה, נחתמו בבקבוקונים ואוחסנו בטמפרטורת הסביבה. מטרת הפרויקט לשמר את המורשת הגנטית של מינים ישראלים המצויים בסכנת הכחדה, כמו הערוד, הדישון ואפילו הנמר. בתיבה משמרים לא רק תאי זרע או ביצית, אלא גם תאים רגילים מגוף החיה הנדירה. שיבוט התאים, בטכנולוגיות שהתפתחו אחרי שיבוט הכבשה דולי, והחדרת העובר המשובט לרחמה של אם פונדקאית ממין קרוב, מאפשר קבלת ולדות גם לאחר שנכחד המין. כל מה שצריך לעשות קודם לשיבוט הוא להוסיף מים. אפשר אפילו להשתמש בתאים שנדגמו מגופות של בעלי חיים זמן קצר לאחר מותם.

אך גם האפשרות לשבט נמרים, קרנפים ולווייתנים באמצעות תאים מיובשים שלהם לא תוכל להועיל אם מספר הפרטים של מין כלשהו הוא מצומצם מדי. נמרה בודדת במדבר יהודה, או אפילו זוג בודד של נמרים לא יוכלו להתרבות ולהקים אוכלוסייה בריאה מבחינה גנטית. ד”ר יהודה ערב, אחיינו של אמיר ערב, פיתח אפוא מודל מתמטי שמאפשר לחשב את המספר הדרוש של פרטים ואת היחס בין מספר הנקבות למספר הזכרים שיסיר את סכנת ההכחדה מעל מין מסוים.
וכמראיינת נותרתי עם שאלה אחת ללא תשובה: “כיצד אוספים תאי זרע וביציות מלווייתנים?

ד”ר דבורה יעקבי היא חברת הצוות החינוכי של חמד”ע, המרכז לחינוך מדעי בתל אביב, ועורכת מדעית בסיינטיפיק אמריקן ישראל.