פלא במעבדה: אבולוציה של שמרי אפייה
אחת התעלומות הגדולות ביותר של האבולוציה היא שאלת ההתפתחות של יצורים רב-תאיים כמו האדם. כלומר, כיצד יצורים בעלי תא אחד זעיר, כמו אמבות, הופכים ליצורים מרובי תאים? מדענים בארה"ב ניסו לענות על התשובה באמצעות שמרי אפייה
כיצד התרחש במהלך האבולוציה התהליך שגרם לתאים בודדים להפוך ליצור גדול יותר, המורכב ממספר רב יותר של תאים? מדענים מאוניברסיטת מינסוטה ניסו לענות לאחרונה על השאלה הזו, ועל הדרך הצליחו לגרום ליצור חד-תאי להתפתח ליצור רב-תאי מורכב.
שמרים רבותי, שמרים
החוקרים החליטו להתרכז ביצור חד-תאי המוכר היטב לכל אדם. זהו שמר האפייה – סוג של פטרייה חד-תאית המסוגלת להתרבות במהירות בתוך הבצק ולהפריש פחמן דו-חמצני שמוסיף ללחם אווריריות וקלילות.
כל 'גופו' עשוי מתא אחד בלבד, קטן כל-כך שלא ניתן לראותו מבלי שימוש במיקרוסקופ. על אף הפשטות, סברו המדענים כי הם עשויים לגרום לו להפוך ליצור רב-תאי באמצעות הדמיה של תהליכים אבולוציוניים במעבדה.
תהליך האבולוציה הוא בעל שני שלבים: בשלב ראשון מתרחשות מוטציות אקראיות שגורמות לכך שהצאצאים יהיו שונים מהוריהם. בשלב השני צריכים הצאצאים להתמודד עם תנאי הסביבה. אלו מהם שהפכו מתאימים יותר לתנאי הסביבה בזכות המוטציות שרכשו, ישגשגו ויתרבו ויעבירו את התכונות החדשות שלהם לצאצאיהם הרבים.
מהי המוטציה, אם כך, הגורמת ליצורים חד-תאיים לזנוח את דרכיהם הבודדות ולגדול ליצור רב-תאי? החוקרים, במפתיע, החליטו שלא לבדוק שאלה זו. הם נקטו בגישה אחרת, הקובעת כי מכיוון שצאצאיו של כל שמר שונים ממנו במקצת, הרי שבאמצעות יצירת תנאי סביבה שיעודדו את ההישרדות של יצורים רב-תאיים, תתרחש אבולוציה בכיוון זה.
לשם כך הם גידלו את השמרים במבחנות, ובכל יום אספו את השמרים ששקעו לתחתית בשל כובד משקלם והעבירו אותם למבחנת גידול נקייה וחדשה שבה יכלו להתרבות ולהעביר את תכונותיהם לצאצאיהם הרבים. למעשה, הם בררו את השמרים ואיפשרו רק לאלו שהתחברו ביחד להתרבות ולהעביר את תכונותיהם לדורות הבאים.
מה השתנה?
שיטה זו אינה חדשה. בני-האדם משתמשים בה כבר שנים רבות כדי ליצור זני כלבים חדשים, באמצעות בחירת ההורים הכלביים בעלי התכונות המתאימות ביותר לצרכיהם וזיווגם. אך איש לא ניסה בעבר – והצליח – לגרום ליצורים חד-תאיים לשנות את דרך חייהם באופן כה דרסטי.
התוצאות עלו על כל הציפיות: תוך שישים ימים, או 350 דורות, חלק מהשמרים חדלו להסתובב לבדם בתמיסה ולבשו צורה גדולה ומורכבת יותר. בדיקה מקרוב הראתה שמדובר בקבוצות שמרים. כל אחת מהקבוצות נוצרה משמר אחד שהתחלק פעמים רבות, וצאצאיו נותרו דבוקים אליו. כל התאים שבקבוצה שיתפו פעולה ביחד לטובת אורגניזם-העל: הקבוצה כולה.
האם זהו יצור רב-תאי? אין ספק שניתן להגדירו ככזה, מכיוון שמדובר כאן בקבוצה של תאים זהים גנטית הפועלים יחדיו להשגת המטרה המשותפת החשובה ביותר: הישרדות.
אם כאן היה מסתיים הניסוי, דיינו. אך החוקרים המשיכו לברור את הקבוצות, וגילו כי לאחר כמה מאות נוספות של דורות, התחילו חלק מקבוצות השמרים לרכוש תכונה חדשה ומפתיעה: השמרים הבודדים שבתוכן הפכו למומחים לתפקידים מסוימים.
חלוקת התפקידים בתוך הגוף היא חלק חשוב במורכבות של רוב היצורים הרב-תאיים. אפילו אצל המדוזה הפשוטה קיימת חלוקת תפקידים: חלק מהתאים מרכיבים את פני-השטח הגמישים של המדוזה, אחרים מרכיבים את מחושיה ומסוגלים לקטול יצורים אחרים שישמשו כמזון. וכמובן, סוג שלישי של תאים יעכל את אותם יצורים בתוך גופה של המדוזה.
גם גופו של האדם הינו מלאכת מחשבת, המורכבת מתאי כבד, תאי שריר לב, תאי עצב ועוד סוגים רבים של תאים, שכל אחד מהם ממוקם בדיוק במקום הנכון כדי לעשות את תפקידו. האם ייתכן שסידור מורכב שכזה נוצר בכוח האבולוציה והברירה הטבעית?
התוצאות מהמחקר הנוכחי מוכיחות שהדבר אכן אפשרי, לפחות בזעיר-אנפין. בתוך קבוצות השמרים המורכבות אימצו חלק מהשמרים 'חלוקת עבודה'. אותם שמרים בודדים עברו מוות מתוכנן מראש – למעשה התאבדו – ובכך יצרו נקודות מהן יכלו תאי הבת להתנתק מהקבוצה.
אותם תאי בת, אליהם ניתן להתייחס כזרעים של צמחים, השתחררו לתמיסה, גדלו ויצרו קבוצות רב-תאיות חדשות של שמרים – שגם בהן נצפתה אותה תופעה. ממצאים אלו תועדו בשבוע האחרון, במפגש של האגודה לחקר האבולוציה באוקלהומה.
יחיד מול רבים
האם המשמעות היא שכל יצור חד-תאי – חיידק או שמר – יכול להפוך ליצור רב-תאי תוך כמה מאות דורות, תחת התנאים הנכונים? התשובה שלילית כנראה. זנים רבים של שמרים יוצרים מושבות באופן טבעי, ואבות-אבותיהם של השמרים המקוריים היו רב-תאיים בעצמם לפני מאות-מיליוני שנים.
מאז הם עברו אבולוציה שגרמה להם להיפרד ליצורים חד-תאיים, אך כנראה שהמנגנונים המאפשרים להם לחיות במושבות נותרו חבויים בתוך הקוד הגנטי. אותם מנגנונים גנטיים עברו אמנם מוטציות ושיבושים רבים לאורך מאות-מיליוני השנים שחלפו מאז, אך הבסיס לקיומם נותר עדיין בתוך התאים, וניתן היה לשחזרם במספר קטן יחסית של מוטציות אקראיות.
כדי לבחון את הנקודה, החוקרים מאוניברסיטת אוקלהומה מתכננים לערוך ניסויים דומים על יצורים חד-תאיים אחרים, שאבות-אבותיהם מעולם לא היו רב-תאיים. באותה העת הם מתכננים להמשיך לגדל ולברור את קבוצות השמרים שלהם, בתקווה לאתר חלוקת עבודה נוספת בתוך הקבוצה.
על אף ההסתייגויות מן המחקר, קשה להתעלם מן העובדה שהחוקרים הצליחו לקחת יצור חד-תאי ולהופכו ליצור רב-תאי בעל סדר פנימי, באמצעות מנגנונים אבולוציוניים המתרחשים בטבע באופן בלתי-פוסק. התפתחות זו מעניקה תשובה חדשה לאתגר אותו נהגו הבריאתנים (אנשים שאינם מקבלים את תורת האבולוציה, בדרך-כלל מסיבות דתיות) להטיל בפני המדענים מזה שנים ארוכות: הדגימו לנו אבולוציה מורכבת באמת ובתמים במעבדה!
רועי צזנה, דוקטורנט לננו-טכנולוגיה בטכניון, חוקר במרכז לחיזוי טכנולוגי באוניברסיטת תל-אביב. בעל הבלוג 'מדע אחר' וכותב בנושאי מדע.
לפנייה לכתב/ת 
