שיתוף פעולה בין שני יצורים חד-תאיים בתחתית אגם מזכיר את התהליך שבו נוצרו כנראה התאים המורכבים שלנו

חוקרים גילו שיתוף פעולה במעמקי אגם בשוויץ בין שני יצורים חד-תאיים: חיידק, שהוא תא חסר גרעין – או פרוקריוטי, ותא גדול יותר, בעל גרעין – או אאוקריוטי. במסגרת שיתוף הפעולה, החיידק שוכן בתוך גופו של היצור המורכב יותר, מספק לו אנרגיה ומקבל בתמורה חומרי מזון בסיסיים. לשיתוף הפעולה הזה יש קווי דמיון רבים לתהליך שבו נוצרו כנראה המיטוכונדריה – האברונים שאחראים על ייצור האנרגיה בתאינו.

היצורים החיים בכדור הארץ ניצבים בפני אתגרים לא פשוטים. רבים מהם מגיבים לקשיים באסטרטגיה שכוללת שיתוף פעולה עם יצור נוסף, ששני הצדדים מרוויחים ממנו. שיתוף פעולה כזה נקרא סימביוזה הדדית, והוא נפוץ מאוד בטבע ואף חיוני לתהליכים רבים.

לדוגמה, חלק ניכר מהעצים מקיימים סימביוזה עם פטריות החיות באדמה, שמספקות להם חומרי הזנה (נוטריינטים) ומקבלות מהעצים בתמורה סוכרים. באופן דומה, מרבית האלמוגים מקיימים סימביוזה עם אצות חד-תאיות ששוכנות בתוך האלמוג ומספקות לו סוכרים שהן מייצרות מאור השמש ומפחמן דו-חמצני. האלמוג ניזון מהם ובתמורה מספק לאצה הגנה.

אגם צוּג בשוויץ | Shutterstock, BalazsSebok
קרקעית האגם היא אזור שאין בו כמעט חמצן, וזה הוביל את היצורים החד תאיים לפתח סימביוזה. אגם צוּג בשוויץ | Shutterstock, BalazsSebok

קירבה אינטימית

בנוסף לסימביוזה שקיימת בטבע בין יצורים נפרדים, קיימת תיאוריה שלפיה התאים בעלי הגרעין עצמם, כמו התאים שלנו ושל כל בעלי החיים והצמחים, נוצרו מסימביוזה בין שני יצורים חיים או יותר. סימביוזה זו הייתה אינטימית עד כדי כך שהם התאחדו לתא אחד.

הסימביוזה המוכרת ביותר מהסוג הזה היא זאת שהולידה את המיטוכונדריה – קבוצת אברונים בתוך התא שאחראים על הפקת אנרגיה על ידי חמצון של חומר אורגני, כלומר המזון שאנו אוכלים. ההשערה הטובה ביותר שקיימת כיום היא שהמיטוכונדריה הם שרידיו של חיידק שנבלע לפני כשני מיליארד שנים בידי יצור חד-תאי הקרוב לארכיאונים - יצורים חד-תאיים חסרי גרעין הנראים דומים לחיידקים אך שונים מהם גנטית. בחלוף הזמן שני היצורים פיתחו תלות הדדית עמוקה, עד כדי כך שכיום הם לא יכולים להתקיים בנפרד, והפכו לתא אחד. התיאוריה הזאת נקראת אנדוסימביוזה, והיא מסבירה גם את היווצרותם של הכלורופלסטים – האברונים בתאי הצמח שאחראים לתהליך הפוטוסינתזה.

מכיוון שאירועי האנדוסימביוזה של המיטוכונדריה והכלורופלסטים התרחשו לפני מיליארדי שנים, ההבנה שלנו לגבי השתלשלות התהליך עדיין מוגבלת מאוד. כדי לקבל מידע נוסף על השאלות הללו אפשר לנסות לזהות אירועי אנדוסימביוזה נוספים שנמצאים עדיין בעיצומם. השוואה בין אירועים כאלה תלמד אותנו עוד על הדינמיקה של התהליך ועל המשותף והשונה בין האירועים. מחקר חדש שהתפרסם בכתב העת Nature מתאר אירוע מהסוג הזה בדיוק, שהתגלה במהלך מחקר על ריסניות (Cilliate), סוג של יצור חד-תאי, במעמקיו של אגם צוּג (Zug) בשוויץ.

קרקעית האגם היא אזור שאין בו כמעט חמצן, ולכן יצורים החיים בו לא מסוגלים להשתמש במיטוכונדריה שלהם להפקת אנרגיה. מין הריסניות שמצאו החוקרים פותר את המחסור הזה בעזרת סימביוזה, שהתגלתה לראשונה, עם חיידק שמסוגל להשתמש בחַנְקָה (ניטרט: NO3) כדי לפרק חומר אורגני, במקום בחמצן. החיידק נבלע בתוך הריסנית ומספק לה אנרגיה. בתמורה היא  מעניקה לו גישה לחומרי בניין בסיסיים כמו חומצות אמינו או ויטמינים.

הסימביוזה הזאת מזכירה את זו שקיימת בין המיטוכונדריה לבין התאים האאוקריוטים, בעלי הגרעין. נראה כי התהליך נמשך כבר דורות רבים, שכן במהלך האבולוציה שלו מאגר החומר הגנטי של החיידק, כלומר הגנום שלו, הצטמצם מאוד, עד כדי כך שהוא לא מסוגל להתקיים מחוץ לתא של הריסנית ולמעשה מתפקד בצורה שאינה שונה מאוד מאברונים כמו המיטוכונדריה. גם מסלול ייצור האנרגיה בחיידק מזכיר מאוד את תהליך החמצון שנעשה במיטוכונדריה, ומכיל חלבונים דומים, כמובן פרט לאלה שאחראים על השימוש בחנקה במקום חמצן.

הממצא הזה ממחיש כי תהליך האנדוסימביוזה עשוי להיות נפוץ יותר מכפי שהעריכו עד כה, וייתכן שיש עוד דוגמאות רבות לקיומו שעדיין לא גילינו. קווי הדמיון והשוני בין הסימביוזה החדשה הזאת לבין התהליך הקדום שבו נוצרו המיטוכונדריה יכולים ללמד אותנו עוד על הביולוגיה הבסיסית של התאים שלנו.