המוח הוא צרכן האנרגיה הראשי של הגוף, והוא זקוק לצורך פעילותו לאספקה מתמדת של חמצן. אדם השוקל 63 ק”ג צורך בממוצע 250 מיליליטר של חמצן בדקה בלחץ אטמוספרי. אצל בני אדם מספיקה עצירה של הנשימה לדקות ספורות כדי לגרום נזק בלתי הפיך למוח ולתאי העצב שבתוכו. במחקר חדש הצליחו כעת מדענים לספק לראשני צפרדע מקור חמצן חלופי - באמצעות אצות חד-תאיות שהחדירו למוחם.
האוויר שאנחנו נושמים מכיל 21% חמצן, וחלק ניכר מהיצורים החיים כיום בכדור הארץ משתמשים בחמצן הזה כדי להפיק את רוב האנרגיה הנחוצה להם. לכן מפליא להבין שעד לפני מיליארד שנה לא היה כמעט חמצן באטמוספרה של כדור הארץ. הוא התחיל להצטבר רק אחרי שהופיעו היצורים הראשונים שידעו לבצע פוטוסינתזה.
בתהליך הפוטוסינתזה, היצור קולט מהאוויר פחמן דו-חמצני ונעזר באנרגיית השמש ובמים כדי לייצר ממנו סוכר. תוצר הלוואי של התהליך הזה הוא חמצן, שנפלט לאטמוספרה של כדור הארץ. במשך מיליוני שנים שינו אט-אט היצורים הפוטוסינתטיים, שכללו בתחילה בעיקר חיידקים כחוליים ואצות חד-תאיות, את הרכב האטמוספרה בעולמנו. בהדרגה, ככל שהצטבר יותר חמצן באוויר, החלו להופיע יצורים המשתמשים בו להפקת אנרגיה בתהליך הנשימה. היום רוב היצורים החיים סביבנו, וכמובן גם אנחנו, זקוקים לאספקה מתמדת של חמצן כדי לשרוד. בעלי חיים קולטים חמצן מהסביבה בעזרת ריאות, זימים או בספיגה דרך העור.
מפעל חמצן עצמאי
על פי דיווח ב-The Scientist, המחקר נולד בעקבות שיחה שהתנהלה במהלך ארוחת הצהריים משותפת של הנוירוביולוג הנס סטארקה (Starka) מאוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן ועמיתו חוקר האצות החד-תאיות יוֹרְג ניקלסן (Nickelsen). השניים החליטו לשלב כוחות כדי לבחון אם אצות חד-תאיות יוכלו לספק חמצן למוח. לבדיקת השאלה השתמשו החוקרים בראשנים של צפרדע רפואית מצויה (Xenopus laevis) והזריקו ללב שלהם אצה חד-תאית ירוקה או חיידקים כחוליים מבצעי פוטוסינתזה. היות שגופם של הראשנים שקוף ברובו, החוקרים יכלו לעקוב די בקלות אחרי התפשטות האצות, מנימי הדם ועד המוח.
כדי לבחון אם האצות אכן מספקות חמצן למוח, הורידו החוקרים את כמות החמצן במים בעזרת הזרמה מתמשכת של חנקן, והחדירו למוח הראשנים אלקטרודות כדי לעקוב אחרי הפעילות המוחית שלהם ורמות החמצן במוחותיהם. טיפול דומה נעשה לראשונים נטולי אצות ולקבוצת ראשונים שהוזרקו להם אצות שעברו שינוי גנטי שלא מאפשר להם להפיק חמצן.
בחושך, וללא חמצן, המוח של כל הראשנים הפסיק לעבוד. כשהדליקו את האור, מצבם של הראשונים בשתי קבוצות הביקורת נותר ללא שינוי, ואילו מוחות הראשנים שאליהם הוחדרו האצות הפעילות חזרו לתפקד. לא נמצא הבדל משמעותי בין השפעת האצות להשפעת החיידקים הכחוליים. כך שנראה שהפוטוסינתזה שעשו האצות אכן סיפקה למוח את החמצן הדרוש לו. כשהחוקרים כיבו מחדש את האור, הפעילות המוחית חדלה, והתחדשה כשהתאורה חזרה לפעול פעם נוספת. החוקרים אף ציינו שהשפעת האצות על פעילות המוח הייתה מהירה יותר מההשפעה המקבילה של העלאת רמת החמצן במים מחדש, כנראה משום שהאצוות סיפקו את החמצן ישירות למוח, ללא מעורבות של מערכת הנשימה.
יחסי גומלין בין בעלי חוליות לאצות קיימים בטבע אצל מין מסוים של סלמנדרות (Ambystoma maculatum), שאצות חד-תאיות נמצאות בביצים שלהן ובאיברי המין של הפרט הבוגר. אולם זאת הפעם הראשונה שבה נעשה שימוש בחמצן שהן מייצרות כדי להשיב לתפקוד את המוח של בעל חוליות.
התגלית אומנם מסקרנת, אך ספק רב אם יהיה ניתן לנצל אותה בעתיד לטיפול במוח האנושי. ראשית, בניגוד לראשנים, אנחנו איננו שקופים, וקשה לדמיין איך נוכל להחדיר אור למוחנו. שנית, אין כרגע דרך לשלוט בכמויות החמצן שהאצה מפיקה, ועודף חמצן עלול להיות רעיל. ולבסוף, קיים החשש שנוכחות האצה בגוף תעורר תגובה מסוכנת של מערכת החיסון.
עם זאת, קבוצות מחקר כבר מנסות לבחון את השימוש באצות חד-תאיות ובפוטוסינתזה כדי לספק מענה למחלות ובעיות מגוונות, כגון מחסור בחמצן הנגרם מכשל נשימתי ואף כטיפול תומך בסרטן השד. נכון להיום המחקר בתחום נמצא עדיין בחיתוליו ומוגבל לניסויים בחיות מעבדה כמו עכברים ודגי זברה.
אורי ברמן, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
