מחקר חדש מראה כיצד הגנום הענקי של דגי הריאות עזר לקרוביהם הקדומים לעשות את המעבר מהחיים בים ליבשה

החוקרים שניסו לקבוע את רצף ה-DNA של דג הריאות האוסטרלי ידעו שהם ניצבים לפני אתגר רציני. אמנם, קביעת רצף DNA אינה דבר חדש – בעשרים השנים האחרונות ריצפו חוקרים את החומר הגנטי של מינים רבים, כולל האדם. אבל הגֵנום של דג הריאה, סך כל ה-DNA שלו, גדול במיוחד: בכל אחד מהתאים שלו יש בערך פי 14 חומר גנטי מאשר בתאים שלנו: יותר מלכל בעל חיים אחר, לפחות עד כמה שידוע לנו. כשהחוקרים השלימו את המשימה, הם בחנו את הגנים של הדג והגיעו למסקנה שהגודל יוצא הדופן של הגנום עזר לדגי הריאות ולקרובי משפחתם במעבר האבולוציוני המשמעותי: מהחיים בים לחיים ביבשה.

דג הריאות האוסטרלי (Neoceratodus forsteri) הוא אחד משישה מינים בלבד של דגי ריאות, שכמשתמע משמם, מצוידים בריאות ומסוגלים לנשום באוויר. יש להם גם סנפירים בשרניים ושריריים, הדומים במובנים מסוימים לגפיים של חולייתני יבשה, כמו דו חיים וזוחלים. דג הריאות האוסטרלי, במיוחד, נחשב תחילה לדו-חי בשל דמיונו לסלמנדרה, בשונה מהדגים מקריני הסנפיר, הקבוצה שאליה שייכים כמעט כל הדגים המודרניים, שאיש לא יטעה לחשוב את הסנפירים שלהם למשהו אחר. תיעוד המאובנים מראה שדגי הריאות השתנו מעט מאוד במאות מיליוני השנים האחרונות: מאובנים מלפני כ-400 מיליון שנה נראים כמעט זהים למינים החיים כיום.

היו אלה אותם דגים קדומים, קרוביהם של דגי הריאות, שעלו לראשונה ליבשה, ומהם התפתחו עם הזמן הדו-חיים, ושאר חולייתני היבשה: הזוחלים, היונקים והעופות. מבחינה אבולוציונית, דגי הריאות קרובים יותר אלינו מאשר לדגים מקריני הסנפיר. "מנקודת מבט גֵנומית, הם נמצאים בחצי הדרך בין דג וחולייתן יבשתי", אמר זיגפריד שלוייזינג (Schloissnig), אחד החוקרים שהובילו את המחקר, בריאיון לאתר New Scientist.

דג הריאה האוסטרלי | צילום: IMP/Schedl
גנום יוצא דופן בגודלו, הכולל גנים שקשורים לריאות ולתקשורת כימית. דג הריאה האוסטרלי | צילום: IMP/Schedl

חומר גלם לאבולוציה

המחקר החדש, שהתפרסם לאחרונה בכתב העת Nature, חשף עוד ראיות לקירבה בין דגי הריאות לחולייתני היבשה. בין השאר נמצאו אצל הדגים האלו גנים הקשורים להתפתחות ריאות ולהתפתחות של עצמות הגפיים הדומים לאלו של חולייתני יבשה, אך שונים מאלו של הדגים מקריני הסנפיר.

בנוסף, החוקרים משערים שהגנום הגדול של דגי הריאות עזר לקרוביהם הקדומים להשתנות, וכך להסתגל לחיים על פני היבשה. חלק מהסיבה לגודל יוצא הדופן של הגנום הוא שחלקים ממנו עברו הכפלה, כך שבמקום שבו היה בעבר גֵן אחד יש כיום עותקים רבים שלו. עותקים כאלו הם חומר גלם מצוין לאבולוציה: שינויים אקראיים ברצף, מוטציות, יכולים להתרחש בחלק מהעותקים, בלי לפגוע בתפקוד הרגיל של האורגניזם, כי שאר העותקים התקינים מאפשרים לו לייצר את אותם חלבונים.

החוקרים מצאו כי בחלק מהמקרים האזורים שהוכפלו כללו גנים חשובים לחיים מחוץ למים. ביניהם גנים שקשורים לריאות, וגם גנים שקשורים לזיהוי ריחות, במיוחד לזיהוי פרומונים, מולקולות נדיפות שבעלי חיים רבים מייצרים כדי למשוך בני זוג או להעביר מידע אחר לבני מינם. תקשורת בעזרת פרומונים נפוצה על היבשה, אבל מצומצמת הרבה יותר אצל דגים. בהתאם לכך, לחולייתני יבשה יש הרבה יותר גנים שקשורים אליה. הממצאים החדשים חשפו שהגידול במספר הגנים הקשורים למערכת הזו החל כבר אצל דגי הריאות.

הדגים לא תכננו מראש לעלות ליבשה ולהפוך לסלמנדרות ולצפרדעים, ולא הגדילו את הגנום שלהם כהכנה לכך, אך נראה כי הכפלת הגנים, שהסיבה לה עדיין אינה ברורה, הובילה לכך שהיה להם החומר הגנטי הדרוש כדי להתאים את עצמם לסביבה החדשה, וכך אולי איפשרה את אחת ההתפחויות הדרמטיות ביותר באבולוציה של החולייתנים.

"אין ספק שהרצף של הגנום יחשוף בעתיד עוד מהסודות של החולייתן המוזר הזה", סיכמה אלי טאנאקה (Tanaka), מהחוקרות החתומות על המאמר. "לא רק שהוא יוכל ללמד אותנו על ההתאמות לחיי יבשה, הוא גם עשוי לספק הסברים לגבי איך גנומים מסוימים נהיים גדולים כל כך".

סרטון של המכון למחקר פתולוגי באוסטריה (IMP) על המחקר:

 
https://davidson.weizmann.ac.il/programs/travels_science

מסע בשביל המדע - קורס מקוון וכיפי לילדים סקרנים