דילמת האסיר של החיידקים

יצורים קטנים - החלטות גדולות. במאמר שהתפרסם היום (ב') בכתב העת המדעי PNAS (רשומות האקדמיה הלאומית האמריקנית למדעים), כותבים פרופ' אשל בן-יעקב מביה"ס לפיסיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת תל-אביב ושותפיו מהמכון לפיסיקה ביולוגית תיאורטית באוניברסיטת קליפורניה בסאן-דייגו כי גם עבור חיידקים החיים מורכבים ולחוצים בו זמנית. כיצד הם מתמודדים עם מצוקה?

חיידקים חיים במושבות גדולות שבהן מספר החיידקים עשוי להגיע עד פי 100 ממספר האנשים על כדור הארץ. המחקר מראה כיצד במצב עקה החיידקים במושבה מתקשרים באמצעות מסרים כימיים כאשר אצל כל חיידק מתבצע תהליך קבלת החלטה מתוחכם, שבו הוא משתמש ברשת מורכבת של גנים וחלבונים לביצוע חישובי סיכוי וסיכון מורכבים תוך שימוש בתורת המשחקים.

חיידקים רבים מגיבים למצבי עקה כגון רעב, רעלים, נזק לדנ"א וכו' באמצעות יצירת נבגים – גרסאות רדומות ועמידות מאוד של החיידק שתוכלנה להתפתח ולהתעורר לחיים כאשר התנאים יישתנו לטובה. בתהליך זה מעורבים למעלה מ-500 גנים, ובחיידקים שנבדקו - ממין Bacillus subtilis, הוא נמשך כעשר שעות.

התהליך מסתיים לרוב במות תא האם כאשר הדנ"א המקורי של החיידק מתפרק, בעוד ששכפול שלו הועתק לתוך נבג, תהליך שאינו קיים אצל יצורים עילאיים יותר - שם יש רק שתי אפשרויות – חיים או מוות. ואולם חלק קטן מהחיידקים עוברים למצב אחר המכונה COMPETENCE (בתרגום חופשי – יכולת). זהו מעין מצב ביניים שבו הדנ"א עטוף במעטפת המאפשרת לו עדיין לקלוט חומרים מהסביבה.

במקרה כזה החיידקים יכולים לקלוט דנ"א של חיידקים שהפכו לנבגים ואשר התפזר בסביבה ולחפש בו למשל רצפים עמידים לאנטיביוטיקה (אם העקה נגרמה כתוצאה מאנטיביוטיקה) או לצרוך אותם כמזון (אם העקה נגרמה כתוצאה מהרעבה). מצב ביניים זה מאפשר למעט החיידקים שבחרו בו לשרוד גם אם הסביבה לא השתנתה, ולחזור מיד לחיים מלאים (כולל רביה באמצעות שכפול) מיד כאשר התנאים חוזרים למצבם הרגיל בלא צורך להפוך לנבגים. היתרון של מצב זה הוא חזרה מהירה למצב נורמלי, החסרון הוא שהם עלולים למות במקרה והתנאים לא משתפרים ואז הדנ"א של החיידק אובד לנצח.

לחיידקים אכן יש דילמה רצינית, אם מעטים מהם יעברו למצב 'יכולת', הם עשויים להינצל במידה והתנאים ישתפרו, כשבינתיים הם ניזונים משרידי חבריהם שהחליטו להפוך לנבגים. אך אם כולם יחליטו לעבור למצב יכולת או אם המזון לא יספיק ותנאי העקה יתגברו, עלולים כל החיידקים למות.

כאן נכנסת לתמונה תורת המשחקים, ובמיוחד משחק פשוט הנכלל במסגרתה – דילמת האסיר. דילמת האסיר הקלאסית מספרת בדרך כלל על שני אסירים שניתנת להם הצעה – אם אחד מהם יודה בפשע והשני לא, זה שהודה יקבל שנתיים מאסר וזה שלא הודה יקבל 6 שנות מאסר. אם שניהם יודו – הם יקבלו 4 שנים, ואם אף אחד מהם לא יודה, שניהם יצאו לחופשי.

לכאורה הפיתוי הוא לא להודות, אך אי אפשר לדעת האם השני הודה ובכך האסיר שלא הודה גרם לכך שחברו ישב יותר זמן בכלא. בניגוד לדילמת האסיר הרגילה, שבה יש שני משתתפים, בתורת המשחקים של החיידקים מספר המשתתפים יכול להיות עד פי 100 ממספר האנשים על כדור הארץ. ושנית – יש להם זמן קצוב לקבלת ההחלטה.

"פה זו דילמת אסיר יותר מורכבת" אומר פרופ' בן-יעקב, "כל חיידק צריך להחליט אם לשתף פעולה (שכולם יהפכו לנבגים) או לא לשתף פעולה (לבחור במצב יכולת) ולנסות להרוויח. אבל להבדיל מהמבחן של דילמת האסיר פה יש שעון שמתקתק. יש להם מעין טימר שמודד כמה זמן יש להם עד שהם חייבים לקבל את ההחלטה האם להפוך לנבג או לא, לפי עוצמת העקה ומסרים כימיים שהם מקבלים מחיידקים אחרים".

בזמן קבלת ההחלטה, כל חיידק שולח מסרים לסביבה שמאותתים על כוונותיו, כלומר, האם הוא מתכוון לעשות ספורמציה (לייצר נבג) או קומפיטנס (יכולת). כל חיידק בוחן מה הכוונות של חיידקים אחרים ומהי העקה שלהם. ואז הוא מחליט אם הוא עובר למצב יכולת או מנסה לייצר נבג.

לדברי פרופ' בן יעקב, החיידקים בדרך כלל לא מרמים את חבריהם ומודיעים להם באמצעים כימיים אם הם הופכים לנבג או עוברים למצב יכולת, ולכן לרמאים יש סיכוי לנצח את המערכת. בנוסף, חיידקים שלא רוצים לרמות, משהים את החלטתם עם טיימר (שמשכו תלוי בעוצמת העקה ועשוי להשתנות אם העקה מחמירה או מוקלת), ובסופו של דבר רואים מה החליטו חבריהם.

במאמר החדש מוצג מודל המפענח כיצד החיידקים משתמשים ברשתות של גנים וחלבונים לחישוב סיכונים על פי עקרונות תורת המשחקים. "מה שהראינו במאמר זה איך החיידקים עושים את החישוב המורכב הזה ועל פי אילו עקרונות", אומר פרופ' בן-יעקב. "למדנו כלל פשוט - כל מי שנדרש לקבל החלטה בזמן לחץ ובייחוד החלטה של חיים ומוות, עדיף שיחכה, יבדוק את מגמות השינוי, יעבד לעומק את הסיכויים והסיכונים לטווח הארון ורק אז יגיב".