הישרדות המעטים

השינויים העוברים על אצות חד-תאיות באוקיינוס הינם מהדרמטיים ביותר בכדור-הארץ – פריחות ענק המכסות קילומטרים רבים קורסות בתוך שבועות מבלי להותיר זכר. כשהן פורחות, אצות אלה, המכונות פיטופלנקטון, מספקות כ-50% מהחמצן בעולמנו, יש להן השפעה מכרעת על מחזור הפחמן באוקיינוס והן הבסיס לכל שרשרת המזון הימית. עם זאת, כגודל חשיבותן כן גודל ה"סכנות" האורבות לפתחן – ממחסור במזון, דרך טורפים שונים ועד חיידקים ונגיפים. כאשר הפריחות קורסות, כתוצאה מסכנות אלה, מרבית תאי האצה מתים, אך מעטים מצליחים לשרוד וליצור פריחות חדשות.

"דפוס קולקטיבי זה של פריחות ענק הנעלמות במהירות הוא תולדה של אין-ספור החלטות פרטניות של טריליוני תאים בודדים", אומר פרופ' אסף ורדי, מהמחלקה למדעי הצמח והסביבה במכון ויצמן למדע. "במעבדה שלי, האתגר שלנו הוא להבין כיצד החלטות שמתקבלות ברמת התא הבודד, משפיעות לאורך זמן על תהליכים שמתרחשים ברמה הגלובלית". כדי להבין מדוע תאים מסוימים מתים, בעוד אחרים שורדים, פיתחה קבוצתו של פרופ' ורדי שיטות ניסוי חדשות המאפשרות לצפות בתאים חיים תחת מיקרוסקופ במשך 24 שעות, ולחשוף אותם לסביבה מבוקרת שאליה הוכנסו גורמי עקה (stress) שונים.

בניסוי הנוכחי בחרו החוקרים, בהובלת אביה מזרחי, לבחון זן אצות בשם P. tricornutum, המשתייך למחלקת הצוֹרָנִיּוֹת (דיאטומאות), שכן קיימת כבר ערכת כלים גנטית המאפשרת לחקור את הסתגלותו הייחודית של זן זה לתנאי עקה. החוקרים התמקדו בכימות תרכובות חמצן פעילות (ROS) – רדיקלים חופשיים שעשויים לסייע לתא להסתגל ולשרוד, אך בריכוזים גבוהים עלולים להוביל למותו. כאשר חשפו החוקרים את התאים לרמות מתונות של תרכובות חמצן, התפצלה האוכלוסייה לשתי קבוצות: תאים רגישים, שבתגובה לחשיפה עלו על מסלול של מוות תאי, ותאים שהיו עמידים והצליחו לשרוד. המקור לשונות לא היה הבדלים גנטיים, שכן שתי התגובות הנבדלות לחשיפה באו לידי ביטוי גם בתאים זהים גנטית.

כדי להבין מה המקור להבדלים בתגובות, פנו החוקרים למוקד מרכזי של ייצור תרכובות חמצן באצות: אברונים המכונים כלורופלסטים ומייצרים תרכובות חמצן כתוצר לוואי של פוטוסינתזה. החוקרים שיערו שהכלורופלסטים משמשים לא רק ספקי אנרגיה לתאי האצה, אלא משתתפים גם במנגנוני קבלת ההחלטות בתא. הם החדירו לכלורופלסטים ולאברוני תא אחרים גן מדווח הזוהר בצבעים זרחניים בהתאם לריכוז של תרכובות החמצן, וחשפו את האצות לתנאי עקה הרווחים באזור פני הים – אזור הידוע כמדרבן ייצור מוגבר של רדיקלים חופשיים.

החוקרים גילו כי בתנאי אור חזק, חלק מתאי האצה צברו תרכובות חמצן בכלורופלסטים ומתו, בעוד תאים אחרים הצליחו לשרוד; עם זאת, בתנאי חושך, התאים כולם נהפכו לרגישים ומתו – גם כאשר נחשפו לרמות נמוכות של התרכובות. כלומר, התגובות השונות וסיכויי ההישרדות היו תלויים באור שאליו נחשפו התאים. "האצות זקוקות לאור השמש כדי לשרוד, אך יותר מדי ממנו עלול להזיק להן. מנגד, ללא אור, האצות הופכות רגישות מאוד לתנאי עקה אחרים. ייתכן שלתאים הצפים במים מעט עמוקים יותר – ונחשפים בשל כך לאור חלש יותר – עשויים להיות סיכויים טובים יותר לשרוד. קצב הצמיחה שלהם אמנם יהיה איטי יותר, אך כך גם קצב ייצור תרכובות החמצן בכלורופלסטים", מסבירה מזרחי.

החוקרים ממשיכים לחקור אילו גורמים מאפשרים לתא לשרוד (או לחלופין מכתיבים את מותו), ואילו תוכניות גנטיות מתווכות החלטות אלה בכל תא. ככל הנראה, חשיפה לאור היא גורם אחד כזה; גורמים אחרים עשויים לכלול את המטבוליזם של התא, ההיסטוריה שלו, אותות חיצוניים או היבטים סביבתיים אחרים. "פרשנויות שונות לאותם מסרים התפתחו, ככל הנראה, כדרך ל'פיזור סיכונים'", מסבירים מזרחי ופרופ' ורדי. "באופן כזה, בכל תרחיש ישרוד לפחות שיעור קטן של תאים, ו'הישרדות המעטים' תאפשר למין כולו להמשיך להתקיים".

בסרטון: תהליכי חמצון בתאי האצה בעקבות החשיפה לתרכובות חמצן פעילות. תגובות אלה אפשרו למדענים לדעת 24 שעות לפני אילו תאים ימותו ואילו ישרד