מעט חינוך אבולוציוני: אבולוציה מול עיניך (חלק ה')

תוכן העניינים של סדרה זאת נמצא במאמר המבוא שלה.

אבולוציה לוקחת זמן רב. גם לשיטתו של סטיבן ג'יי גולד, על פיה מירב השינוי האבולוציוני מתרחש קרוב לזמן בו נוצר מין חדש, היצירה של חידוש אבולוציוני היא תהליך שאורך מספר דורות רב, בדרך כלל בין כמה מאות לכמה אלפי דורות. לכן, לנו, בני תמותה שבמקרה הטוב מאריכים חיים למאה שנה, יש מעט הזדמנויות לחזות במו עינינו בהתפתחות של חידושים אבולוציוניים ביצורים שזמן הדור שלהם ארוך. יש לנו כאלו דוגמאות ואפילו דוגמאות ליצירה של מינים חדשים לחלוטין בטבע, אך הן מועטות.

יצורים שזמן הדור שלהם קצר הם סיפור אחר לחלוטין. שלל מיקרואורגניזמים, יצורים מיקרוסקופיים דוגמת חיידקים, הם משתתפים חשובים בחגיגת האבולוציה הניסויית. קצב הגידול שלהם מדהים. דור חדש שלהם גדל תוך שעות ספורות, לא שנים כמו רוב בעלי החוליות. הגמישות האבולוציונית שלהם מדהימה והודגמה לי היטב בניסוי בסיסי במעבדת סטודנטים בו אני ועמיתיי למעבדה בודדנו זן חיידקים שעמיד לאנטיביוטיקה על ידי הפעלת סלקציה. אבולוציה בצלחת פטרי היא דבר מקסים לעשות, ובצורה שהפתיעה אותי מאד גם קלה לביצוע. מה שאנחנו עשינו הוא משחק ילדים מדעי בהשוואה לתוצאות שהתפרסמו לאחרונה משני ניסויים באבולוציה של מיקרואורגניזמים.

לנסקי

כבר יותר מ-20 שנים מריץ ריצ'רד לנסקי מהמכון לחקר אבולוציה בפעולה באוניברסיטת מישיגן ניסוי מרתק באבולוציה. הוא מגדל תרבית אחרי תרבית של חיידקי אי-קולי תחת סלקציה על מנת להשיג תובנות על האבולוציה שלהם. במעבדה שלו גדל דור אחר דור של חיידקי אי-קולי. לנסקי דואג להקפיא דוגמאות של החיידקים מדי פעם למטרות מחקר. הניסוי שלו השתלם ובגדול ונחשב, בצדק, לאחד הניסויים המרתקים ביותר בביולוגיה אבולוציונית.

בניסוי הרחב הזה גדלו יותר מ-40 אלף דורות של חיידקים לאורך יותר מ-20 שנה. לאורך השנים האלו החיידקים של לנסקי פיתחו שלל תכונות. המפורסמת שבהן פורסמה ב-2008. לנסקי הראה אז שבחיידקים שלו התפתחה היכולת לנצל כמקור פחמן את המולקולה ציטרט, מולקולה בת שש פחמנים שנפוצה בטבע. בלי מקור פחמן כלשהו החיידקים לא מסוגלים לבנות את עצמם. חיידקי אי-קולי רגילים לא מסוגלים לנצל ציטרט כשהם גדלים בסביבה אירובית, סביבה בה יש חמצן. החיידקים בניסוי של לנסקי גדלו בסביבה בה היו מעט מאד פחמן שהם יכולים לנצל, אך שפע של ציטרט. בסביבה כזאת, חיידק שילמד לנצל ציטרט יהנה מיתרון עצום ויוכל להשתכפל יותר בקלות. תוצאות הניסוי הזה היו חיוביות. היכולת לנצל ציטרט התפתחה בקרב החיידקים הללו. בנוסף, לנסקי גילה שדרושה מוטציה שאיפשרה ליכולת לנצל ציטרט להתפתח. בלי המוטציה המאפשרת הזאת, היכולת של החיידקים לנצל ציטרט לא יכולה היתה להיווצר.

אחד המחסומים לניצול ציטרט בחיידקי אי-קולי הוא הצורך להכניס אותו לתוך החיידק. לאי-קולי יש גנים שמאפשרים לו להכניס ציטרט, אך הם לא עובדים בתנאים אירוביים. על סמך המידע שהיה זמין ב-2008, לנסקי ושות' טענו שסביר להניח שהיכולת לנצל ציטרט התפתחה בעקבות מוטציות ששינו את הבקרה על הגנים הללו. הרעיון הזה קיבל אישוש השנה. לנסקי ושות' פירסמו בחודש שעבר מחקר מעקב בו הם מאפיינים חלק ניכר מהמוטציות שאיפשרו לחיידקים בניסוי שלהם לנצל ציטרט. הם ריצפו את כל הגנום של כמה מהחיידקים שפיתחו את היכולת לנצל ציטרט ושל חיידקים שידוע שיש בהם את המוטציה המאפשרת. הם השוו בין הגנומים של שני סוגי החיידקים במטרה לאפיין את המוטציות שיצרו את התכונה החדשה. התוצאות שלהם היו נפלאות.

מסתבר שהאבולוציה של ניצול הציטרט קרתה בשלושה שלבים. בראשון, נוצרה המוטציה שאיפשרה את היצירה של היכולת הזאת. בשלב הבא, נוצר חיידק שמסוגל להשתמש בציטרט כמקור פחמן, אך לא ביעילות רבה. לחיידק כזה היה יתרון אבולוציוני זעום מאד על פני עמיתיו שלא מנצלים ציטרט. למעשה, יותר מחיידק אחד כזה התפתח והמוטציות שהובילו לכל אחד מהם היו שונות. את המוטציות הללו לנסקי ושות' אפיינו די טוב. הרעיון הכללי בכולן היה זהה. הגן שמקודד ליכולת להכניס ציטרט לחיידק הועתק לאיזור אחר בגנום שמבוקר על ידי רצף אחר. תחת הבקרה הזה, הגן הזה היה פעיל מעט במצב אירובי ואיפשר לחיידקים להכניס לתוכם ציטרט. בשלב השלישי והאחרון, מוטציות נוספות הגבירו מאד את היכולת של החיידקים הללו לצרוך ציטרט. זה קרה, בין השאר, על ידי יצירת כמה עותקים מהגן שמכניס ציטרט לתא ויחידת הבקרה החדשה שלו. יותר עותקים שלהם איפשרו להם לפעול יותר בעוצמה ולהכניס יותר ציטרט אל החיידק.

בבירור, המחקר הזה הוא רק התחלה. לנסקי ושות' לא אפיינו את כל המוטציות שהיו מעורבות ביצירת היכולת לנצל ציטרט של החיידקים בניסוי הזה. הבסיס הגנטי של השלב בו נוצרה המוטציה המאפשרת לא אופיין היטב וחלקים מהשלב בו התגברה פעילות הגן לוטים בערפל. ממה שכבר ידוע נראה שמדובר בתכונה שדרשה מספר רב של מוטציות כדי להיווצר. עדיין, תחת סלקציה מתאימה, המוטציות הנכונות נבררו והתכונה המבוקשת התפתחה. למרות שהאיפיון של המוטציות עדיין חלקי, המחקר הזה מהווה מחזק את המסקנה שלתהליכים אבולוציוניים יש יכולת מדהימה להתאים אורגניזמים לסביבה דוחקת על ידי שילוב של מוטציות וסלקציה.

ורק שבוע שעבר…

שבוע שעבר פורסם בכתב העת Science מחקר נוסף שבחן אבולוציה בחיידקים. החוקרים הציעו מודל לאבולוציה מולקולרית. המודל מתחיל מגן בעל פונקציה אחת דומיננטית ופונקציה אחת חלשה. נניח שהאורגניזם לו שייך הגן הזה חי בתנאים בהם הפונקציה החלשה של הגן הזה נותנת לו יתרון. בתנאים אלו, תיווצר סלקציה לטובת פרטים בהם הגן השתכפל ויש ממנו שני עותקים בגנום של החיידק. שני עותקים יאפשרו יותר ביטוי של החלבון לו הגן הזה מקודד. יותר מהחלבון שמבצע פונקציה כלשהי בצורה חלשה, יוביל לכך שבכלליות הפרט יוכל לבצע את הפונקציה הזאת חזק יותר. שני העותקים של הגן זה יוכלו כעת לעבור אבולוציה בנפרד אחד מהשני. עותק אחד יוכל להישאר כפי שהוא ולהמשיך לבצע בחוזקה את הפונקציה הדומיננטית שלו. העותק השני יעבור אבולוציה במסלול אחר, לכיוון שיפור התכונה החלשה, כך שהיא תהיה חזקה יותר בפני עצמה (המודל מוסבר באיור בצורה גרפית).

את המודל הזה הם בחרו לבחון בעזרת גן שמעורב ביצור חומצה אמינית כלשהי. יש 20 חומצות אמינו סטנדרטיות. כולן הכרחיות לחיידקים. אם חיידקים לא מסוגלים לייצר חומצה אמינית כלשהי מהחומרים שזמינים להם, הם חייבים לקבל אותן מהסביבה שלהם. אם החומצה האמינית לא זמינה בסביבה שלהם, הגדילה של החיידקים תיעצר. החוקרים התחילו במחיקת הגן שהכרחי ליצור החומצה האמינית טריפטופן וגידלו את החיידקים הללו בתנאים שיוצרים סלקציה לטובת חיידקים שדווקא כן מייצרים טריפטופן. במילים אחרות, בתנאים האלו נצפה שיתפתחו חיידקים שמסוגלים במידה כלשהי לייצר את החומצה האמינית טריפטופן. הסלקציה הזאת עודדה את האבולוציה של הגן שמעורב ביצור החומצה האמינית היסטידין. שתי מוטציות קרו בו, אחת אחרי השניה. אחריהן, הגן הזה עדיין היה יכול לייצר היסטידין, אך רכש יכולת חלשה מאד של יצור טריפטופן.

החוקרים העבירו את הגן הזה לחיידק מאותו מין שבו הם "התקינו" כמה מערכות דיווח מולקולריות שמאפשרות לעקוב בקלות אחר האבולוציה שלו. הגן שהתפתח מתאים לדרישות המודל שלהם. הוא בעל פונקציה אחת שהוא מבצע היטב ופונקציה שניה שהוא מבצע חלש. כפי שצפוי מהמודל שלהם, המוטציה הבאה שקרתה היתה הכפלה של מספר העותקים של הגן הזה בגנום. כאמור, בזכות ההכפלה הזאת, יותר חלבון מיוצר מהגן הזה, וכך הפונקציה החלשה מתבצעת טוב יותר. בדיוק כפי שהמודל שלהם חוזה, שני העותקים של הגן הזה התפתחו לכיוונים שונים.

למעשה, התוצאה הסופית היתה מעט שונה ממה שחוזה המודל ולדעתי יותר מעניינת . בחזרות על הניסוי הזה, העותקים הלכו לכיוונים שונים לחלוטין. בחלק מהמקרים התפתח גן שמסוגל ליצור טריפטופן בצורה מעולה, והוא פעל יחד עם הגן שמסוגל ליצור היסטידין. במקרים אחרים נוצר גן שמסוגל ליצור טריפטופן והיסטידין גם יחד, אך עושה זאת ביעילות בינונית, לא טובה ולא רעה. כשנוצר גן כזה, לעתים הוא שוכפל ושני העותקים שלו עברו עוד אבולוציה כך שלבסוף כל אחד מהעותקים "התמחה" ביצור חומצה אמינית אחת בלבד, האחד טריפטופן והשני היסטידין. במילים אחרות, המחקר הזה הוא עוד עדות חזקה לכוח של סלקציה על מוטציות ליצור גנים חדשים.

סוף דבר

בשני הניסויים שסקרתי כאן רואים את התהליכים האבולוציוניים בפעולה. קודם מתרחשות מוטציות בגנום הקיים. כך, מהמידע הגנטי הקיים, נוצר מגוון גדול של חיידקים, כל אחד מהם מחזיק במוטציות אחרות. על החיידקים המגוונים הללו עובדת הברירה הטבעית. היא מנטרלת את החיידקים שצברו מוטציות שלא מאפשרות להם להתמודד היטב עם הסביבה שלהם ומעלה את תפוצתם של אלו שכן. על ידי מוטציות והברירה הטבעית התפתחו בחיידקים תכונות חדשות בניסויים הללו. נוצרו חלבון שמבצעים תפקודים חדשים ומערכת בקרה על ביטוי גנים.

אין לי ספק שאפילו ניסויים כאלו לא ישכנעו את הרבנים שמתנגדים לתיאוריית האבולוציה ולא את שאר אישי הציבור שמכחישים את נכונותה. הבריאתנים הללו ימשיכו להיאחז בקשים. מבחינתם, כל דבר שעדיין לא חזינו בהתפתחות האבולוציונית שלו, הוא טיעון נגד תיאוריית האבולוציה. אם חזינו ביצירה של חלבונים בעלי תפקוד חדש או רצפי בקרה חדשים וודאי שאבולוציה יכולה לעשות זאת, אך ליצור יונקים, זוחלים ועכברים היא וודאי עדיין לא יכולה. הם יסתתרו מאחורי מסך העשן הזה כדי להימנע מהמסקנה הרציונלית היחידה: תיאוריית האבולוציה היא תיאוריה מבוססת ראיות שהמנגנונים שלה אף נצפו בפעולה. כפי שאני מקווה שהמאמר הזה מבהיר, המציאות כל כך הרבה יותר מגניבה מהקישקושים שלהם.

מקורות

• Blount, Z. D., Borland, C. Z., & Lenski, R. E. (2008). Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli. Proceedings of the National Academy of Sciences, 105(23), 7899–7906.
• Blount, Z. D., Barrick, J. E., Davidson, C. J., & Lenski, R. E. (2012). Genomic analysis of a key innovation in an experimental Escherichia coli population. Nature, advance on.
• Näsvall, J., Sun, L., Roth, J. R., & Andersson, D. I. (2012). Real-Time Evolution of New Genes by Innovation, Amplification, and Divergence. Science, 338(6105), 384–387.
• איור המודל שהוצע במחקר מ-Science הותאם לעברית מתוך איור מספר 1 במחקר עצמו.