האבולוציה שבתוך האבולוציה

משחק הוא אוסף הכללים המגדירים אותו – שינוי כללי המשחק עשוי להוליד תוצאות חדשות. כללי ה"משחק" של האבולוציה, כפי שנוסחו על-ידי צ'ארלס דארווין וממשיכי דרכו, חלים על אוכלוסיות של מינים ועל תהליכי ההסתגלות המתרחשים באוכלוסייה לאורך דורות. אך מה קורה כאשר כל פרט באוכלוסייה מארח בתוכו אוכלוסייה המשתייכת למין אחר? ומה קורה כאשר זמן הדור של המארח הוא 20 שנה, בעוד זמן הדור של האורחים הוא 20 דקות, כמו במקרה של בני-האדם וחיידקי המעי שלהם? מדעני מכון ויצמן למדע, בשיתוף עם אוניברסיטת בר-אילן, ניסו להשיב על שאלות אלה מבלי לחרוג מכללי המשחק המקובלים של האבולוציה הדארוויניסטית. מממצאיהם עולה כי גם כאשר מקפידים על כללים אלה, מתקבלים תרחישים שנחשבו בלתי-אפשריים במסגרת האבולוציה הדארוויניסטית, כגון רכישת הסתגלות חדשה העוברת בתורשה מהורה לצאצא וברירה של תכונות קבוצתיות.  

הכל מתחיל בשאלה האם צאצא יכול "להרוויח" מהניסיון המר (או המתוק) של הוריו? חוקר הטבע הצרפתי יליד המאה ה-18, ז'אן-בטיסט דה למארק, טען כי הפרט יכול להסתגל לשינויים בסביבתו ולהעביר הסתגלויות אלו לצאצאיו. במשך שנים רבות, ההשקפה ה"למארקית" נדחתה על ידי התפיסה המקובלת של הסתגלות דארוויניסטית באמצעות ברירה טבעית של מוטציות אקראיות המופיעות ללא קשר לתנאי הסביבה. עם זאת, בשנים האחרונות נשמעים קולות הקוראים לחשיבה מחודשת, המביאה בחשבון אפשרויות המבוססות על תגליות בתחומי האפיגנטיקה (שינוי בביטוי או בהפעלה של גנים ללא שינוי ברצף הגנטי) והמיקרוביום – אוסף היצורים המיקרוסקופיים החיים בתוכנו ומשפיעים על מצבנו.

פרופ' יואב סואן מהמחלקה למדעים ביומולקולריים במכון ושותפיו למחקר מאוניברסיטת בר-אילן (פרופ' יצחק רבין, פרופ' דויד קסלר וד"ר דינו אוסמנוביץ’) ביקשו לקדם את הדיון ללא תלות בהכרעה בין הדארוויניסטים לקוראי התיגר. לשם כך, הם הציגו מודל מתמטי הנמנע מהשערות שנויות במחלוקת באמצעות היצמדות לכללי המשחק האבולוציוניים המקובלים של ברירה טבעית. עם זאת, בניגוד למודלים המסורתיים של "גנטיקה של אוכלוסיות", המודל מביא בחשבון תהליכי אבולוציה בשתי רמות של ברירה טבעית: ברירה של הפרט המארח, וברירה מהירה הרבה יותר הפועלת על היצורים המיקרוסקופיים בגוף. יחסי הגומלין בין שתי הרמות תומכים בתרחישים שנחשבו עד כה לבלתי-אפשריים בתהליכי ברירה עם רמה אחת בלבד. "ראינו מיד כי צאצא עשוי להתמודד טוב יותר עם חשיפה לרעלן, אך ורק בזכות העובדה שההורה שלו נחשף לרעלן זה – אפקט למארקי מובהק", מפרט פרופ' סואן. על מנת לבחון מנגנוני הסתגלות למארקית, הגדירו החוקרים את הלמארקיות באמצעות גודל כמותי המודד את השיפור בהסתגלות הצאצאים כתוצאה מניסיון ההורים (להבדיל מברירה טבעית של "שיפור" גנטי). הגישה הכמותית אפשרה להם לזהות מנגנונים נפרדים התורמים לתהליך הסתגלות למארקי. בנוסף, נמצא כי מידת הלמארקיות אינה תלויה אך ורק בתכונות האורגניזם, אלא גם בלחץ הסביבתי.

יותר מ-100 שנה נטען בתוקף שהורשת תכונות נרכשות מהורה לצאצא אינה אפשרית בתמונת עולם דארוויניסטית. הראינו שזה אפשרי מבלי לחרוג מכללי המשחק המקובלים"

רכישה והורשה של ההסתגלות המהירה מתאפשרות הודות לפער הגדול בזמני דור של החיידקים לעומת המארח  והיכולת להעביר את האוכלוסייה החיידקית מהורה לצאצא: כך למשל, הסתגלות המארח לחשיפה לרעלן יכולה להתקבל באמצעות אבולוציה חיידקית במהלך זמן דור של המארח ואף לעבור ישירות לצאצאים. כאשר הלחץ הסביבתי נמשך לאורך כמה דורות של המארח, הבחינו החוקרים באפקט נוסף החורג מהתפיסה המסורתית – "ברירה קבוצתית". במלים אחרות, אם למארח יש אוכלוסייה חיידקית שמתמודדת טוב יותר עם הלחץ הסביבתי, המארח נהנה מיתרון על-פני מארחים בעלי מיקרוביום פחות מותאם ללחץ. "במקרה זה לא מדובר בברירה של חיידק מסוים על בסיס התכונות האינדיבידואליות שלו, אלא בסלקציה על-פי ממוצע התכונות בקולקטיב החיידקי", מסביר פרופ' סואן.

המודל שהציגו החוקרים שמר על פשטות מרבית הכוללת זן יחיד של חיידקים, המועברים "אנכית" מהורה לצאצא, וללא השפעת המארח על עיצוב התכונות החיידקיות. מחקרים עתידיים בתחום יוכלו להביא בחשבון משתנים רבים נוספים, ובהם תהליכים אפיגנטיים המשפיעים על ביטוי הגנים במארח ובמיקרוביום. "משתנים אלה צפויים להגביר פי כמה את הלמארקיות של המערכת", אומר פרופ' סואן. "יותר מ-100 שנה נטען בתוקף שהורשת תכונות נרכשות מהורה לצאצא אינה אפשרית בתמונת עולם דארוויניסטית. הראינו שזה אפשרי מבלי לחרוג מכללי המשחק המקובלים. כיום אין לי ספק שרובן המוחלט של ההסתגלויות החדשות מתרחשות במהלך חייו של הפרט (עם או בלי 'קיבוע' באמצעות מוטציות נבחרות לאורך דורות). הסתגלות לא מחכה ולא יכולה להרשות לעצמה לחכות עד שתתרחש מוטציה כלשהי בפרט מסוים. היא מתרחשת כל הזמן – לאו דווקא במרחב הגנומי שלה".