יצירת מופת של האבולוציה: זן אחד, כמה טיפות מי ים, מאות תתי-אוכלוסיות החיות בדו-קיום

מחקר שפורסם ב-SCIENCE בראשותו של ד"ר נדב קשטן שהיה פוסט דוקטורנט ב-MIT גילו את המגוון הגנטי העצום של מיקרואורגניזמים באוקינוסים

היצור הזעיר והנפוץ ביותר באוקינוסים, פרוקלורוקוקוס, הוא חיידק פוטוסינטתי החיוני למערכת האקולוגית. ביליון ביליון ביליון חיידקים כאלו חיים באוקינוסים ומהווים את הבסיס של שרשרת המזון. יערות בלתי נראים אלו של האוקינוסים מבצעים כ50% מסה"כ הפוטוסינתזה על פני כדור הארץ ואחראים לחצי מכמות החמצן באטמוספירה. שינויי האקלים שאנו חווים בשנים האחרונות משפיעים על סביבת המחיה של מיקרואורגניזמים אלו באוקינוסים ( לדוגמא ע"י שינוי טמפ‘ מי הים ורמת החומציות שלהם) ולכן יש חשיבות גדולה להבנה טובה יותר של המערכת האקולוגית הזו. חיידקים אלו חיים במאתיים המטרים העליונים של האוקינוסים והימים (כולל הים התיכון ומפרץ אילת) ומאכלסים טווח רחב של נישות אקולוגיות הנבדלות בטמפרטורה, עוצמת אור, סביבות כימיות ואינטראקציות עם יצורים אחרים. אבל היקף ואופי המגוון הגנטי של היצורים האלו שנחשבים שייכים לזן יחיד הוא בגדר חידה.

כדי לחקור את החידה הזו, מדענים מהמכון הטכנולוגי מסצוסטס (MIT) בראשות החוקר הישראלי ד"ר נדב קשטן ופרופסור סאלי צ‘יסהולם ,ביצעו ניתוח גנטי של אוכלוסיות ממימי האוקינוס על ידי ריצוף גנטי של אלפי תאים בודדים שנדגמו במיליליטר בודד של מי ים, ומצאו מאות אוכלוסיות נבדלות גנטית החיות בדו-קיום.

כל תת-אוכלוסיה מאופיינת באללים(alleles) שונים של קבוצת הגנים המשותפים לכל הזנים) קבוצת גנים זו נקראת קבוצת הליבה) המופיעים יחד עם קבוצה קטנה של גנים המייחדים כל תת-אוכלוסיה – צירוף אותו כינו החוקרים "עמוד השדרה גנטי" – התורם לכל תת-אוכלוסיה התאמה לנישה אקולוגית יחודית.

מאמר המתאר את ממצאי המחקר התפרסם לפני מספר ימים במגזין Science (גליון 25 באפריל 2014). במאמר מעריכים החוקרים כי תתי- האוכלוסיות התמיינו לפני יותר ממספר מליוני שנה ולכן עמוד השדרה הגנטי הוא רכיב עתיק העובר אבולוציה איטית יותר מאשר איזורים אחרים בגנום המכילים סטים של גנים מתחלפים.

המחקר מצא בנוסף שהמספר היחסי של חידקים מכל תת אוכלוסיה משתנה בין דגימות שנלקחו בעונות שונות של השנה (באוקינוס האטלנטי ליד ברמודה) – ממצא המחזק את הטענה שתתי-האוכלוסיות נבדלות לא רק מבחינה גנטית אלא גם מבחינה אקולוגית.

"המגוון הביולוגי העצום של תאי הפרוקלורוקוקוס באוקינוסים הוא כמעט בלתי נתפס, וככל הנראה מהווה נדבך חשוב ביציבות המערכת האקולוגית באוקינוסים" אומרת פרופסור צ‘יסהולם.

לזרמי האוקינוס וטורבולנציה יש חלק חשוב באבולוציה והאקולוגיה של החידקים, כיוון שאלו נישאים באופן פסיבי עם מי הים. בעזרת מודל של מכניקת נוזלים החוקרים הגיעו למסקנה ששני תאי בת שכרגע התחלקו יהיו במרחק של סנטימטרים זה מזה תוך דקות, עשרות מטרים תוך שעה, ובמרחק קילומטרים תוך שבוע.

"השאלה המעניינת היא , מדוע יש כל כך הרבה תתי-אוכלוסיות ?" אומר קשטן. "זרמי האוקינוס והטורבולנציה ,יחד עם צפיפות גבוהה של 10 מליום תאים בכל ליטר מי ים, יוצרים מצב שבו גודל האוכלוסיה העובר סלקציה על ידי ברירה טבעית הוא ענק. זה מצביע על כך שהמגוון הגנטי האדיר והדרך בה הוא מאורגן אינו אקראי, אלא יצירת מופת של האבולוציה."

קשטן וצ‘יסהולם אומרים כי מספר כה גדול של תתי אכלוסיות החיות בדו-קיום הן כנראה תופעה נפוצה אצל מיקרואורגניזמים עם אוכלוסיות גדולות מאוד בסביבות המתאפיינות בערבוב תדיר.

"המחקר הנ"ל קובע שיא חדש בהתקדמות במחקר המיקוביולוגי – וזאת על ידי ניתוח של שלוש טיפות בלבד של מי ים" אומר רמונס סטפנאוסקס, חבר בצוות המחקר ,ממכון המחקרBigelow שבמדינת מיין.

ד"ר קשטן, חזר לא מזמן לארץ לאחר פוסט דוקטורט בMIT, ואשר את הדוקטורט והתואר שני עשה במכון וייצמן למדע בהנחייתו של פרופ אורי אלון וסיים קודם לכן את תואר ראשון במדעי המחשב באוניברסיטת תל אביב. בראיון לאתר הידען הוא מסביר: "המרחק הגנטי בין תתי-האוכלוסיות במחקר (שהן כולן שייכות לאקוטיפ אחד של פרוקלורוקוקוס שנקרא Light II (High- הוא בסדר הגודל של המרחק הגנטי (בין מקטעי הגנים המקודדים) בין כל קופי האדם (Apes) . המגוון הגנטי של כל זני הפרוקולורוקוקוס הוא גדול הרבה יותר, ככה"נ יותר מכל היונקים.

באותו נושא באתר הידען:

• יצור חי מלאכותי למחצה: מדענים יצרו את החיידק הראשון המתרגם צמד אותיות DNA מלאכותיות
• העברה רוחבית של גנים בארכיאות יכולה להעיד על תקופה של אבולוציה מהירה

איפה נמצאים החיידקים בתקופות שבהם הזן שלהם לא שכיח?
"כל הזנים נמצאים במאתיים מטר העליונים של האוקיאנוסים, השכיחות שלהם משתנה גיאורפית עם עונות השנה ועם העומק. האוכלוסיות הן אדירות בגודלן וככה"נ הזנים שאנחנו מזהים כפחות שכיחים (בדגימה של 1 מיליליטר) הם עדיין מיצגים אוכלוסיות מאוד גדולות (כדי להמחיש – זן שמהווה רק עשירית אחוז מדגימה מיצג לפחות 100 טריליון חיידקים ב-10 קמר מי אוקינוס). הערבוב המסיבי של מי האוקינוס ככה"נ תורם לכך שהסביבה עושה סלקציה ו"בוחרת" איזה זנים יהיו יותר שכיחים ואיזה פחות בכל בנקודות שונות באוקינוס (הכוונה למיקום ג"ג עומק וזמן).

ושאלה כללית לגבי הציאנובקטריות, האם יש חשש מהגברת תופעת המדבריות הימיים, וכיצד זה ישפיע על ייצור החמצן וקליטת ה-CO2?
"זו אחת הסיבות לחשיבות הגדולה של מחקרים על היערות הנסתרים של האוקינוסים – שחלק נכבד מהן הוא ציאנובקטריות. אנחנו לא יודעים היום מספיק כדי לחזות איך האוכלוסיות מגיבות להתחממות מי האוקינוס והתחמצנותם, ואיך זה ישפיע על יצור החמצן וקליטת C02."

להודעה של MIT