אלופי העולם באבולוציה

מדעני מכון ויצמן למדע יזמו תחרות של אבולוציה במבחנה. מתוצאותיה עולה כי מוטציות אקראיות המעניקות יתרון בסביבה אחת, עשויות שלא להועיל בסביבה אחרת – בעוד רבייה מינית עשויה לייצר פתרונות יציבים בתנאים מגוונים

אלופי העולם באבולוציה. איור: יובל רוביצ'ק, עבור מכון ויצמן
אלופי העולם באבולוציה. איור: יובל רוביצ'ק, עבור מכון ויצמן

אבולוציה עשויה להיראות, לפעמים, כמעין תחרות בהסתגלות. לעתים היא מגיעה לכדי משחק הישרדות של ממש (כלומר, לא רק "ריאליטי"). מדענים שמבקשים ללמוד על המנגנונים המניעים את התהליך הזה, נתקלים במשוכה גבוהה – בעולם החי והצומח תהליכים אבולוציוניים נמשכים הרבה מאוד זמן, מעבר למשך הזמן של חיי אדם. אחת הדרכים להתמודד עם הקושי הזה היא ביצוע מחקרים על אורגניזמים שמעגל החיים שלהם קצר ומהיר. למשל, חיידקים ופטריות (דוגמת שמרים).

למחקר שמתבצע על חיידקים במעבדה יש יתרונות נוספים מבחינתם של המדענים: אפשר לגדל קבוצת "בקרה" לצד אוכלוסיית המחקר, ואפשר לשלוט היטב במניפולציות שמפעילים על האורגניזמים הנחקרים (טמפרטורה, מליחות, חומציות). הראשון שביצע אבולוציה במבחנה, היה סול שפיגלמן אשר ביצע במעבדתו אבולוציה של מולקולת אר-אן-אי בודדת אשר רכשה בהדרגה יכולת להשתכפל על-ידי אנזים. ריצ'ארד לנסקי קידם את התחום בניסוי ידוע, שמבוצע כבר 30 שנה ברציפות.

שלב חדש בתחום החל לפני כשלוש שנים, כשפרופ' צחי פלפל, מדענית הסגל ד"ר אורנה דהאן ותלמידת המחקר סיון קמינסקי-שטראוס, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, הציבו אתגר אבולוציוני לפני קהילת חוקרי האבולוציה במבחנה. הם סיפקו לכל מי שהביע נכונות להתמודד עם האתגר (כ-30 מעבדות ברחבי העולם), קבוצה של חיידקי אי-קולי, או שמרים, מאותם קווי גידול, שסומנו לצורך זיהוי. המשתתפים התבקשו לאלץ את החיידקים או השמרים לחיות בסביבה שהטמפרטורה בה קרה בהרבה מהטמפרטורה הנוחה להם. מכאן ואילך, יכולים היו המדענים המשתתפים באתגר לשנות גורמים שונים במערכת, שיסייעו לחיידקים או לשמרים לעבור אבולוציה ולהסתגל לחיים בסביבה הקרה. לפי הגדרת האתגר, אפשר היה רק לסייע ולקדם שיפור עצמי של החיידקים – אך נאסר לפגוע במתחרים.

כעבור שלושה חודשים התבקשו משתתפי האתגר להחזיר את החיידקים שהסתגלו ושרדו את הכפור למעבדתו של פרופ' פלפל. כאן החלו שני טורנירים מקבילים: החיידקים או השמרים, שהגיעו מהמעבדות השונות, ואשר סומנו במעין "ברקוד" גנטי, לצורך זיהוי, הוכנסו לאותה סביבה קרה. המיקרואורגניזמים שהצליחו לשרוד תנאים קשים יותר, העידו על מידת ההצלחה של המדענים ש"אימנו" אותם.

בחיים, כידוע, יש הפתעות: פרופ' פלפל וחברי קבוצת המחקר שלו החליטו לבחון את מידת יכולתם של החיידקים ש"אומנו" לחיות בסביבה קרה יותר מכפי שנקבע באתגר המקורי – ואף הוסיפו קושי נוסף: ההכרח לשרוד בסביבה מלוחה במיוחד

מימין: פרופ' צחי פלפל, ד"ר אורנה דהאן וסיון קמינסקי-שטראוס. הציבו אתגר אבולוציוני. צילום: דוברות מכון ויצמן
מימין: פרופ' צחי פלפל, ד"ר אורנה דהאן וסיון קמינסקי-שטראוס. הציבו אתגר אבולוציוני. צילום: דוברות מכון ויצמן

למקום הראשון במקצה זה הגיעו החיידקים ש"אומנו" בידי תלמיד המחקר ינון בר-און ממעבדתו של פרופ' רון מילוא מהמחלקה למדעי הצמח במכון. הוא חשף את החיידקים "שלו" לדרגות ביטוי שונות של גן אשר משכפל את הדי-אן-אי ברשלנות יחסית, כלומר עם טעויות רבות. אסטרטגיה זו התבססה על אי-הבהירות באשר למידת הדיוק הרצויה בהכפלת הדי-אן-אי. אסטרטגיה זו אפשרה לברור את החיידקים אשר השתמשו – במקרה – במידת דיוק (או רשלנות) אידיאלית. למקום השני הגיעו חיידקים שאומנו בידי מדעניות מאוניברסיטת קייל (פרופ' טל דגן ותלמידת המחקר טניטה ויין). צוות זה ביצע מחזורים רבים של תחרות בין אוכלוסיות משנה, כאשר בכל סבב, הטוב ביותר מועבר הלאה והשאר נכחדים.

בטורניר השמרים הגיעו לשלושת המקומות הראשונים צוותי מחקר מהרווארד, EMBL ואוניברסיטת תל-אביב, אשר נקטו אסטרטגיות שונות של רבייה מינית. הם זיווגו את השמרים המקוריים עם שמרים שונים מהטבע ובררו את הצאצאים המוצלחים ביותר.

עד כאן הכל התנהל כצפוי וכמתוכנן. אלא שבחיים, כידוע, יש הפתעות. במקרה זה, החליטו פרופ' פלפל וחברי קבוצת המחקר שלו לבחון את מידת יכולתם של החיידקים ש"אומנו" בידי המדענים השונים, לעמוד בתנאי החיים בסביבה שהטמפרטורה בה נמוכה עוד יותר מטמפרטורת האתגר (שהייתה ידועה למתחרים, ואשר אליה כיוונו ואימנו את החיידקים "שלהם"). אם לא די בזה, הם הוסיפו תחרות הישרדות אבולוציונית נוספת, שונה מהותית מזו שהייתה ידועה למתחרים: ההכרח לחיות בסביבת חיים שמתאפיינת במליחות רבה.

"רצינו לבחון אם ה'אימונים' שביצעו המתחרים הכשירו את החיידקים 'שלהם' להסתגלות לסביבות חיים קשות באופן כללי", אומר פרופ' פלפל.

במקצה של השמרים, הרבייה המינית המשיכה להוכיח את עצמה. המנצח, גם בתנאים שלא היו ידועים מראש, היה זן שנוצר בדרך של רבייה מינית. בחיידקים, התמונה הייתה מורכבת יותר: בחלק מהתנאים החדשים, אף אחת מהאסטרטגיות לא הוכיחה את עצמה כמועילה; ובאחרים, דירוג ההצלחה השתנה. אחת המסקנות מתוצאות אלה היא שבעוד מוטציות אקראיות, דוגמת אלה שנבררו בחיידקים, מעניקות יתרון בסביבה מסוימת, הן עשויות לא להועיל, ואולי אף להזיק, בסביבות אחרות. בניגוד לכך, רבייה מינית, היוצרת רב-גוניות גנטית רק בדרך של ערבוב מידע גנטי קיים, עשויה לייצר פתרונות יציבים גם בתנאים חדשים.

המדענים אומרים שניסוי זה מספק לקהילת חוקרי האבולוציה מפרט רחב של שיטות נוספות לביצוע ניסויים כאלה בעתיד. השיטות שהוצגו במסגרת זו עשויות גם להועיל בתהליכים ביוטכנולוגיים שונים.

עד כה חיו בעולם בכל התקופות גם יחד כ-100 מיליארד איש. בניסוי אבולוציה במעבדה אפשר לעקוב אחר מספר דומה, ואף גבוה יותר, של חיידקים הנוצרים ומתחרים זה בזה.

עוד בנושא באתר הידען:

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן