חיידקים בלולאה אבולוציונית

מחקר שהתפרסם לאחרונה בכתב העת Nature Microbiology מצא שאוכלוסיות של חיידקים משנות את ה-DNA שלהן – החומר התורשתי – בהתאם לעונות השנה. כך נוצרת מעין לולאה אבולוציונית – תהליך שחוזר על עצמו שוב ושוב באופן מחזורי כבר עשרות שנים, אם לא למעלה מכך.

במהלך המחקר, שנמשך עשרים שנה, אספו החוקרים 471 דגימות של חיידקים מאגם מנדוטה בוויסקונסין שבצפון ארצות הברית. הדגימות נלקחו בכל עונות השנה, שכן אופיה של סביבת המחיה באגם משתנה מאוד לאורך השנה: בחורף פני האגם קופאים והוא מתכסה שכבת קרח עבה, ואילו בקיץ הוא מכוסה אצות. המעקב המתמשך, לאורך שני עשורים, מאפשר לזהות תהליכים מורכבים וממושכים שמתרחשים במערכת האקולוגית הזאת.

שושלת ארוכה בזמן קצר

על בסיס הדגימות ניתחו החוקרים את החומר התורשתי של 2,855 מיני חיידקים ומצאו שכ-80 אחוז מהם עוברים שינויים עונתיים חוזרים ונשנים. אצל חלקם הרכב ה-DNA עצמו משתנה, באופן שמתאים את החיידק לסביבה המשתנה ומאפשר לו לנצל טוב יותר את המזון הזמין לו בכל עונה. אצל מיני חיידקים רבים השינוי ניכר בעיקר בירידה או בעלייה בכמות החיידקים. אצל רבים מהם, כשהעונה משתנה פעם נוספת גם הרכבי החיידקים חוזרים למצב דומה לזה שבו היו באותה עונה שנה קודם לכן.

תהליך חילופי הדורות אצל חיידקים הוא בדרך כלל מהיר מאוד: לרוב, חיידק יתפצל לשני עותקים של עצמו בתוך כמה עשרות דקות או שעות ספורות, והאיטיים מביניהם יסתפקו בחלוקה כל כמה ימים. במהלך החלוקות עשויים לחול שינויים אקראיים ב-DNA, שנקראים מוטציות, ואלה שעוזרים לחיידק לשרוד ולהעביר את התכונות שלו לדור הבא יהפכו שכיחים יותר באוכלוסייה, בתהליך אבולוציוני של ברירה טבעית. קצב החלוקה המהיר של החיידקים מאפשר להם להסתגל במהירות לשינויים בסביבה, ובמחקר הנוכחי יכלו המדענים לעקוב כך אחרי אלפי דורות של חיידקים לאורך שני עשורים, ולעקוב בזמן אמת אחרי התהליכים האבולוציוניים שעוברים עליהם.

החוקרים זיהו כך ש-20 אחוז ממיני החיידקים שנבדקו עברו במשך השנים שינויים גנטיים מצטברים, שנשארו לאורך זמן. לעומת זאת, שינויים גנטיים מהירים, שקורים לא פעם כחלק מהסתגלות מהירה לשינוי מיידי בתנאי הסביבה ויכולים להיות הפיכים, היו נפוצים כפליים. מעקב אחרי האבולוציה הטבעית של יצורים רב-תאיים מורכבים, מבני אדם ועד צמחים, אינו מעשי עבורנו, משום שקצב חילופי הדורות שלהם הרבה יותר איטי. כדי לעקוב אחרי האבולוציה שלהם נחוצים מחקרים מסוגים אחרים, כמו חקר DNA קדום או מאובנים.

גלגל הביולוגיה-סביבה מסתובב

המחקר הראה ששינויים קיצוניים בתנאי הסביבה מביאים גם לשינוי בהרכב אוכלוסיית החיידקים באגם: מינים מסוימים משגשגים והופכים דומיננטיים ואחרים דועכים ומתמעטים, עד שהגלגל מתהפך כשהתנאים משתנים שוב עם חילופי העונות.

שנת 2012 הייתה חמה ויבשה באופן קיצוני באזור המערב התיכון של ארצות הברית. טמפרטורת המים בשכבה העליונה של האגם הייתה גבוהה מהרגיל במהלך האביב והקיץ, בעקבות חודש יולי החם ביותר שתועד באזור מאז 1894, ותקופת קיפאון חורפי קצרה במיוחד. באגם יש שני סוגי פלנקטון – יצורי מים זעירים שמשמשים מזון ליצורים אחרים. הסוג הראשון הוא פיטופלנקטון: יצורים זעירים, ביניהם חיידקים, שעושים פוטוסינתזה, כלומר משתמשים באנרגיית השמש כדי לייצר סוכרים מהפחמן הדו-חמצני שבאוויר, ועל כן משמשים מקור עיקרי לחומר אורגני שממנו ניזונים שאר היצורים באגם. השני הוא הזואופלנקטון – יצורים חיים קטנים שניזונים מפיטופלנקטון ומשמשים מזון לבעלי חיים גדולים מהם.

באביב 2012 רמת הזואופלנקטון באגם הייתה הגבוהה ביותר שנמדדה אי פעם מאז ראשית המדידות בשנת 1994, כנראה כי היו להם יותר חודשים נטולי קרח לשגשג בהם. באותה שנה נמדדה גם כמות פוספט (זַרְחָה) נמוכה במים, כנראה עקב מיעוט המשקעים בשנה הזאת, שצמצם את כמות חומרי המזון הנשטפים מהקרקע וזורמים אל האגם. חיידקים זקוקים לפוספט כדי לשגשג, כך שבדרך כלל כשכמותו מידלדלת אוכלוסיות החיידקים מתכווצות. החוקרים משערים שהמחסור בפוספט וריבוי הטורפים הניזונים מהם (הזואופלנקטון) היו הגורמים העיקריים להידלדלות המשמעותית של אוכלוסיות הפיטופלנקטון באגם, אף על פי שבדרך כלל הם משגשגים בחודשי הקיץ. כך רואים את ההשפעה הדו-כיוונית של הסביבה והביולוגיה זו על זו.

בנוסף, בדגימות שנאספו מהאגם בחודש אוגוסט 2012 הבחינו החוקרים גם בשינוי פתאומי שחל בהרכב הזנים של מין חיידק מסוג Nanopelagicus, וששיעורו היחסי בתוך אוכלוסיית החיידקים באגם נשאר יציב למדי במשך כל תקופת המחקר. במשך השנים ראו החוקרים שזנים שאיבדו חלק מהגֵנים הקשורים לייצור עצמי של חומצות אמינו וחומצות גרעין – אבני הבניין של החלבונים ושל ה-DNA בהתאמה, ובמקום זה שיפרו את יכולתם לקלוט את אותם חומרים מהסביבה החיצונית, נטו לשגשג על חשבון אלה ששמרו על יכולת הייצור שלהם. אך בשנת 2012 השחונה הגלגל התהפך, והזנים שהסתמכו על השגת חומצות אמינו וחומצות גרעין מהסביבה נפגעו בשל כמות הפיטופלנקטון הנמוכה, שממנו החומרים האלה הגיעו למי האגם.

המחקר מדגיש את הקשר המתמיד בין תהליכים אקולוגיים לתהליכים אבולוציוניים. הוא מראה איך שינויים בסביבה מעצבים את המערכות הביולוגיות באגם, לא רק בטווח הארוך אלא גם מעונה לעונה. כדי לקבל תמונה רחבה אף יותר של יחסי הגומלין בין היצורים בסביבת האגם, מחקרים נוספים בעתיד יצטרכו להתחשב גם בשאר חלקי המערכת האקולוגית הרחבה והמסועפת של האגם, על שלל המינים שפועלים בה, על סמך המידע שנאסף בדגימות במשך עשרים השנים האחרונות ומקורות נוספים.