פריחת האוקיינוסים

פיטופלנקטון – יצורים זעירים דמויי צמחים הצפים במי הים – חיוניים לבריאותו של כדור-הארץ. מה קורה כשהם מתרבים ללא שליטה ולאחר מכן קורסים?

פיטופלנקטון – יצורים זעירים דמויי צמחים הצפים במי הים – חיוניים לבריאותו של כדור-הארץ. “למרות שהם מהווים רק מחצית האחוז מהביומסה הצמחית הגלובלית, הם אחראים לכמחצית מהפוטוסינתזה המתקיימת על כוכבהלכת שלנו. לכן, למעשה, עלינו להודות לפיטופלנקטון על כל נשימה שנייה שלנו”, אומר ד”ר אסף ורדי, שהצטרף באחרונה למחלקה למדעי הצמח במכון ויצמן למדע. האצות החד-תאיות האלה – שמקור שמן הוא במלה היוונית “נדידה” – מהוות את הבסיס למארג המזון הימי: ללא הפיטופלנקטון לא היו חיים באוקיינוסים. מסיבות שאינן מובנות לחלוטין, הריבוי שלהם מואץ מדי פעם, וכתוצאה מכך נוצרות פריחות של אצות (blooms) המכסות מאות ואלפי קילומטרים על פני ימים, אגמים ואוקיינוסים, עד שמתחוללת קריסה מתוזמנת המביאה להיעלמותן. במהלך הפריחות האלה – אותן אפשר לזהות אף בצילומי לוויין מן החלל – הפיטופלנקטון משתווים ליערות הגשם בפעילותם הפוטוסינתטית, כלומר ביכולתם לקלוט פחמן דו-חמצני ולשחרר חמצן. בכ-5% ממיני האצות מלווה הפריחה בתופעות חיוביות פחות: במקרים אלה, הקרויים “גאות אדומה” (red tide), נוצרים רעלנים אשר מסוגלים לפגוע בדגים וביונקים הימיים, וכאשר הם מועברים דרך מארג המזון ומי שתייה – הם מרעילים גם חיות משק ובני-אדם.

שאלה מרכזית שמעסיקה מדענים רבים במקומות שונים בעולם היא, כיצד משפיעים שינויי האקלים – העלייה בטמפרטורה ובריכוזי הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה – על גורל הפריחות באוקיינוסים. שינויי האקלים עשויים להעלות את טמפרטורת מי הים, ובכך לגרום להפחתת הערבול בין שכבות המים – ערבול אשר מסייע באספקת חומרים מזינים חיוניים לאצות. בנוסף, מי שופכין עתירי חנקות, פוספטים ומזהמים אחרים, מגבירים כבר היום את פריחת האצות המזיקות באגמים (למשל בכנרת) ובסמוך לחופים. מחקריו של ד”ר ורדי – אשר מובילים אותו משולחן המעבדה עד לים הפתוח – מנסים ללמוד את הביולוגיה התאית, הגנומיקה והאקולוגיה המורכבת של הפיטופלנקטון. הוא עושה זאת באמצעות מחקר גנטי, שנועד לחשוף תהליכים תאיים אשר באמצעותם מתמודדים יצורים אלה עם סביבה שמשתנה מעת לעת, ומתמקד בתהליכים האחראיים לפריחת האצות ולקריסתן. היצורים המככבים במחקריו כוללים את ה”צורניות” (diatoms) – יצורים בעלי קליפה עשויה חומר דמוי זכוכית (סיליקה), בעלי מיגוון אין-סופי של צורות מורכבות – ואת ה”קוקוליתופורים” (coccolithophores), שהצדף שלהם, אשר עשוי מסידן פחמתי, הופך אותם למשתתפים חיוניים במחזור הפחמן.

במחקרו הבתר-דוקטוריאלי גילו ד”ר ורדי ושותפיו למחקר, שנגיפים אחראים לקריסת פריחת האצות. כאשר בחנו מקרוב את הרצפים הגנטיים של פיטופלנקטון ושל נגיפים, הם גילו מספר ממצאים מפתיעים, אשר הובילו אותם לפתח תיאוריות חדשות באשר לאקולוגיה ולאבולוציה של האורגניזמים האלה. כך, לדוגמה, הם גילו עדויות לקיומו של מנגנון תאי המוביל למוות מתוכנת של תאים (אפופטוזיס). האפופטוזיס מתחולל בכל הסוגים של יצורים רב-תאיים: תאים פגומים או זקנים מוציאים את עצמם להורג, כדי שאורגניזם כולו ימשיך לחיות. מדוע שאורגניזם חד-תאי – כמו הפיטופלנקטון – יתאבד, ומהי המשמעות האקולוגית של התאבדות כזו? תשובה אפשרית אחת היא, שהגנים להתאבדות התא התפתחו ביחד באורגניזם המארח ובנגיף, במטרה למנוע הידבקות והתפשטות של הנגיף, שיגרום למוות המוני של המארח – ובעקבותיו גם למות הנגיף. אפשרות אחרת היא, שהנגיפים מגייסים את מנגנוני האפופטוזיס של התא המארח כדי “לבקוע” ממנו, לאחר שהם מסיימים את תהליך ההתרבות שלהם בתוכו. הסבר זה נתמך על-ידי הגילוי, שנגיפי האצות מכילים גנים ומסלולים ביוכימיים שנראו קודם לכן רק באורגניזמים מארחים. ואכן, הגנום שלהם הוא בין הגדולים שהתגלו עד היום בנגיפים, וכולל 500 גנים (לעומת, לדוגמה, תשעה גנים שמכיל נגיף ה-HIV).

קיימת אפשרות נוספת: ייתכן כי תהליכים אבולוציוניים הובילו את הפיטופלנקטון לפתח מנגנוני עמידות בפני הידבקות בנגיפים, ברמת האוכלוסייה. כלומר, במקום מקרה של תא המקריב את עצמו למען היצור השלם, היצור החד-תאי מקריב את עצמו למען ה”קהילה” כולה. בעבר כבר גילו מדענים, כי מספר סוגים של מיקרו-אורגניזמים משתתפים בפעילות קבוצתית מורכבת, תוך שהם מתקשרים זה עם זה באמצעות אותות כימיים. כעת מחפש ד”ר ורדי עדויות לקיומם של אותות כאלה בפיטופלנקטון, ומבודד את חומרים האחראיים לתקשורת ולקביעת גורל התא – להם הוא קורא “אינפו-כימיקלים” (infochemical). כמה מהחומרים שזיהה – חלקם מיוצרים בפיטופלנקטון וחלקם בנגיפים – מופיעים רק בשלבים מסוימים של תהליך ההידבקות. “אנחנו משתמשים בחומרים האלה כסמנים ביולוגיים (ביו-מרקרים), לצורך הבנה ובה יותר של יחסי גומלין ביולוגיים באוקיינוסים”, הוא אומר.

“הסמנים מאפשרים לעקוב אחר מצבן של אוכלוסיות הפיטופלנקטון באוקיינוסים, לזהות את תהליך ההידבקות בזמן אמת, ואת השפעתו על מארג המזון”. כך, לדוגמה, במחקר שביצע באחרונה בפיורדים שבחופי נורווגיה הצליח ד”ר ורדי לגרום להופעת פריחה כזאת בתנאים מבוקרים, והשתמש במתקנים ובאמצעים מיוחדים כדי לחקור את יחסי הנגיף והמאכסן במהלך פריחת האצות. סוגים אחרים של אינפו-כימיקלים עשויים לשמש את הפיטופלנקטון כדי הגן על עצמו מפני מיקרו-אורגניזמים ימיים מתחרים – בדומה לאופן פעולתן של אנטיביוטיקות. ד”ר ורדי סבור, שאף רעלני ה”גאות האדומה” עשויים להיות סוג של אינפו-כימיקל: “ייתכן שהפיטופלנקטון משתמשים בחומרים האלה כאמצעי תקשורת וכסמן לעקה סביבתית, במטרה להתאים את עצמם לתנאים משתנים”. זיהוי אינפו-כימיקלים יאפשר בקרה ביולוגית על פריחות הרעילות על-ידי שיבוש מסלולי התקשורת בין האצות באמצעות חומרים טבעיים שהם מייצרים.

הבנה מדויקת של מרכיבי האיזון הביולוגי היא שלב חיוני בניסיונותינו להשיב את האיזון על כנו, אך למחקר כזה יכולות להיות גם השלכות צפויות פחות. למשל, האינפו-כימיקלים שגורמים לאפופטוזיס עשויים לשמש לטיפולים עתידיים נגד סרטן, או כתרופות אנטי-נגיפיות חדשות. בנוסף, פיענוח הרצפים הגנטיים של פיטופלנקטון בעלי קליפה מורכבת מבחינת ארכיטקטונית – כמו אלה שחוקר ד”ר ורדי – עשוי לספק מידע שימושי למדענים בתחומים נוספים, כמו חוקרי ננו-טכנולוגיה אשר מעוניינים לחקות את העיצוב של מבנים כאלה, או חוקרים העוסקים בפיתוח דלקים ביולוגיים אשר מבוססים על אצות, שמחפשים גנים שיגדילו את כמות השמנים שמייצרת האצה.

אישי

אסף ורדי נולד בחיפה ולמד באוניברסיטה העברית בירושלים. לאחר קבלת תואר שלישי באקולוגיה מולקולרית בשנת 2004, יצא למחקר בתר-דוקטוריאלי ב- Ecole Normale Superieure שבפאריס, ובאוניברסיטת רטגרס שבניו ג’רזי. בשנת 2010 הצטרף למכון ויצמן למדע.

ד”ר ורדי נשוי לאמנית ניבי אלרואי, אשר מקבלת השראה ממושגים ביולוגיים מהמחקר המדעי שלו – כמו אפופטוזיס ותקשורת בין-תאית – ומעניקה להם פרשנות מחודשת בעבודותיה. באחרונה שיתפו השניים פעולה בכתיבת ספר ילדים שמסביר עקרונות ותהליכים אקולוגיים באמצעות הצגת חיי מיקרו-אורגניזמים בטיפה של מי ים.