משניים יוצא אחד

בטבע יש מינים רבים שחיים בצוותא ומשתפים פעולה זה עם זה, כך שלפחות אחד מהם מפיק תועלת מהקשר ואילו השני לא ניזוק – ולפעמים נהנה אף הוא. למצב הזה קוראים סימביוזה הדדית, או הדדיות. דג הנקאי, למשל, שותף לסימביוזה שבה כולם מרוויחים: הוא שוחה ליד דגים טורפים וגדולים ממנו, סורק את גופם וניזון מטפילים ומעורם המת. כך הדגים הגדולים מתנקים והנקאי מרוויח ארוחה.

לעיתים סימביוזה הדדית יכולה לעלות שלב. במהלך האבולוציה קרה מדי פעם שיצור אחד השתלב באחר, ושיתוף הפעולה המוצלח אך הזמני ביניהם נהיה קבוע. כאשר השילוב כולל כניסה ממש לתוך התא של המארח, התופעה מכונה אנדוסימביוזה. היצור שנטמע בתוך התא המארח מאבד את עצמאותו והופך לאברון – רכיב חיוני המבצע תפקיד מסוים בתא. מדענים רבים סבורים, למשל, שכך נוצרו לפני מיליוני שנים אברוני המיטוכונדריה בתאיהם של בעלי חיים, שייעלו מאוד את הפקת האנרגיה בתאים. משערים שאותו דבר קרה גם עם הכלורופלסטים בתאי צמחים, שמאפשרים להם לנצל את אור השמש. בשני המקרים ההשערה היא שהמיטוכנדריה והכלורופלסטים היו פעם חיידקים עצמאיים, והפכו עם הזמן לאברונים.

צוות הדוק מאוד

במחקר חדש הציגו חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה בסנטה קרוז סימביוזה נוספת כזאת, שכנראה הפכה קבועה. מדובר באצה החד-תאית B. bigelowii, שמארחת בתוכה את החיידק Candidatus Atelocyanobacterium thalassa. החיידק נהנה מאספקה שוטפת של חומרים מועילים מהאצה, שהוא אינו מסוגל להשיג אותם בדרך אחרת – למשל תרכובות פחמן. האצה, מצידה, יוצאת נשכרת מיכולתו של החיידק לקבע חנקן – דבר שהיא אינה מסוגלת לעשות בכוחות עצמה.

אצה חד-תאית שמארחת בתוכה את חיידק. צילום מיקרוסקופ של האצה, החץ השחור מצביע לעבר האברון, שהיה פעם חיידק | Tyler Coale

חנקן הוא יסוד חשוב, הנחוץ לתפקודם של כל היצורים החיים. זמינותו בכדור הארץ נשענת על פעילותם של יצורים חד-תאיים מסוימים, ביניהם כמה מינים של חיידקים, שיכולים לקלוט גז חנקן מהאוויר ולהמיר אותו למולקולות שיצורים אחרים יכולים לצרוך - תהליך שמכונה קיבוע חנקן. בזכות שיתוף הפעולה עם החיידק, האצה נהנית ממקור ישיר יותר של חנקן מקובע, שמשפר את יכולת ההישרדות שלה.

הסימביוזה של האצה והחיידק החלה כנראה לפני כמאה מיליון שנה. זה אולי נשמע הרבה, אך אבולוציה היא תהליך איטי, שלוקח זמן רב. לשם ההשוואה, ההטמעה של המיטוכונדריה בתאי בעלי חיים התרחשה כנראה לפני יותר ממיליארד שנה. במחקר הנוכחי ביקשו החוקרים לאפיין את הסימביוזה של השניים, ולראות אם היא כבר עברה את הגבול והפכה להתאחדות מלאה של שני המינים.

לא תמיד פשוט להבין מתי מצב כזה מתרחש, והיכן בדיוק עובר הגבול בין שיתוף פעולה לאיחוד. עם זאת, על פי כותבי המאמר יש כמה קריטריונים עיקריים שלפיהם אפשר למדוד אם יצור עצמאי הפך לאברון בתוך יצור אחר. קריטריון חשוב אחד הוא שהחלוקה של האברון ושל התא המארח אותו תיעשה בתיאום. כדי שתא יוכל להתחלק לשני תאים מתפקדים, עליו לשכפל את ה-DNA שלו, ולהכפיל את אברוניו ואת ממדיו. כשהתא יתפצל לשני תאים חדשים, כל אחד מהם יקבל את כל האברונים הנחוצים לו. אברון, אם כן, נדרש לזהות מתי התא עומד להתחלק, ולהשתכפל מבעוד מועד, כדי שבשני התאים יהיה לפחות עותק אחד שלו.

קריטריון חשוב אחד הוא שהחלוקה של האברון ושל התא המארח אותו תיעשה בתיאום. תא האצה מתחלק, עם חיידקים, בתכלת, בשני תאי הבת | Valentina Loconte

קריטריון חשוב נוסף שכותבי המאמר הצביעו עליו הוא שאברון נדרש להשתמש בחלבונים שמפיק התא המארח. זה נחוץ משום שכשהיצור נטמע בתא, הוא מפתח התמחות בתפקידו החדש ומאבד בהדרגה מקטעי DNA עודפים. את חלק מהחלבונים החיוניים להישרדותו הוא מקבל כעתמהתא המארח, ולכן אין לו צורך יותר בגנים האחראים על יצירתם של אותם חלבונים.

גם הקריטריון הזה התממש: החוקרים מצאו שחלק מהחלבונים שהאצה יוצרת מועברים לחיידק, שמשתמש בהם לצרכיו. מכאן הסיקו שהחיידק כבר מסתמך על מנגנוני האצה לצורכי קיומו, והפך לאברון בתוכה שמקבע חנקן. את האברון הזה כינו המדענים "ניטרופלסט" (Nitroplast).

לטענת החוקרים, אפשר כבר לקבוע שבזכות הניטרופלסט שלה, האצה שחקרו מסוגלת לקבע חנקן. זהו חידוש משמעותי – הדוגמה הראשונה ליצור מורכב שמסוגל לקבע חנקן. זו עשויה גם להיות המחשה מרשימה של תהליך אבולוציוני ממושך מאוד שכעת שאנו עדים לתוצרו: יצור מתוחכם המותאם היטב לסביבתו.

סביר להניח שבטבע מסתתרות דוגמאות נוספות לאנדוסימביוזה, ושעם הזמן נלמד להכיר עוד מהן ונבין טוב יותר איך יצורים משלבים כוחות והופכים במהלך האבולוציה ליצור חדש. בשל חשיבותו של החנקן בדשנים, יכול להיות שבעתיד נוכל להשתמש במידע החדש גם כדי לתמוך בחקלאות העולמית.