שחייה צורנית של קהילות חיידקים

אזור מדברי בצפון מקסיקו הצית את הדמיון של פרופ' יואל סטבנס, פיזיקאי החוקר פיזיקה של תהליכים ביולוגיים ומתעניין בחקר קהילות חיידקים טבעיות. הוא למד על סביבת גידול ייחודית של מקווי מים עם תנאים הדומים לאלה ששררו בכדור-הארץ לפני כ-700 מיליון שנה. באזור זה, אגן קוואטרו סיינגס (מילולית: ארבע הביצות) במדינת קואווילה, יש מגוון יוצא דופן של יצורים, ובהם גם קהילות מיקרוביאליות נדירות אשר משגשגות בתנאים קיצוניים המזכירים את כדור-הארץ של עידן הפרקמבריון.

פרופ' סטבנס וד"ר רינת ארבל-גורן – מדענית סגל מקבוצת המחקר שלו במחלקה לפיזיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע – הצטרפו למשלחות מחקר שהתארגנו לאסוף דגימות מאיזור זה. בהמשך, משחזרו עם חלק מהמינים הקדומים לישראל, הצטרף ממקסיקו גם ד"ר אוסקר גאיירדו-נבארו, מיקרוביולוג המכיר את הסביבה הייחודית.

באחד הניסויים שביצע במסגרת מחקר הפוסט-דוקטורט שלו במכון, הופתע ד"ר גאיירדו-נבארו לגלות שגם אחרי ניסיונות חוזרים, הוא אינו מצליח לפזר את תרבית החיידקים שגדלו במצע הגידול באופן אחיד. בכל פעם שערבב את התרבית וצפה במיקרוסקופ, נוצרו בתוך זמן קצר בתערובת החיידקים, אזורים עכורים ואזורים בהירים בעלי תבניות טיפוסיות לכל מין חיידקים. היווצרות התבניות השפיעה לא רק על הדגימות, אלא על המחקר כולו: במאמר שהתפרסם לאחרונה בכתב-העת המדעי Nature Communications, חשפו חברי קבוצת המחקר, כי מינים שונים של חיידקים ששוחים לעבר חמצן מייצרים תבניות ייחודיות של ארגון עצמי. כלומר, כל אחד ממיני החיידקים שנחקרו יצר תבנית מרחבית ייחודית משלו – חלקם יצרו תבניות דמויות משושים, בעוד אחרים יצרו מבנים מוארכים או מפותלים. ממצאים אלה שופכים אור חדש על הבנת תנועה קולקטיבית המתקיימת במערכות טבעיות שונות – כגון להקות ציפורים, דגים ונמלים, והם רלוונטיים גם לבני-אדם ולרובוטים.

"התבניות המרהיבות, שנצפו הם תוצאה של תהליך שנקרא ביוקונבקציה (bioconvection)", מסביר פרופ' סטבנס. "בין אם באגם או במעבדה, החיידקים שוחים כלפי מעלה, אל פני המים, מכיוון שבאוויר יש ריכוז גבוה יותר של חמצן, והם זקוקים לו לקיומם. ואולם מכיוון ש'חיידקים כבדים ממים' – כלומר הצפיפות שלהם גבוהה יותר מזו של המים, עם הגעתם לשטח הפנים הם שוקעים בחזרה מטה מכוח הכבידה ויוצרים זרמי הסעה. למעשה, פועלים כאן שני כוחות מנוגדים – כוח הכבידה מצד אחד, והצורך הביולוגי של החיידקים בחמצן מצד שני. בנוסף, כמו במעגל קסמים, שחייתם מעלה ומטה מנציחה ומחזקת את עצמה באמצעות זרמי המים הנוצרים".

""בעבר התמקדו חוקרים בחיידקי מעבדה מתורבתים, ואיש לא חשב לבחון לעומק תבניות המאפיינות התנהגות קולקטיבית של מיני חיידקים החיים יחד בטבע"

ביוקונבקציה, כשלעצמה, היא תופעה ידועה בספרות המדעית, אבל במחקר זה, נחשף פן חדש שלה: עושר מרשים של תבניות המאפיינות מינים שונים. "בעבר התמקדו חוקרים בעיקר במודלים של חיידקי מעבדה מתורבתים, ואיש לא חשב לבחון לעומק את התבניות הייחודיות המאפיינות את ההתנהגות הקולקטיבית של חיידקים ממינים וזנים שונים שנאספו מקהילה אחת וחיים יחד בטבע", אומר פרופ' סטבנס.

עיקרון ההפרדה

"מכיוון שהמינים השונים הגיעו מאותו בית גידול ומאותה קהילה, אמרנו לעצמנו – למה שלא נערבב אותם גם במעבדה ונראה מה קורה?", מספרת ד"ר ארבל-גורן. "בשלב זה חיכתה לנו הפתעה גדולה – גילינו שהם לא מתערבבים אלה באלה, ושומרים על הפרדה מרחבית בתרבית." המדענים ערבבו בקפידה מינים שונים של חיידקים ביחסים משתנים, וצפו בהשתאות בהופעת תבניות חדשות של ביוקונבקציה שנוצרו כתוצאה מהשילוב בין התבניות הייחודיות של כל מין בנפרד. הם סימנו את המינים השונים בסימונים פלואורסצנטיים בצבעים שונים ועקבו בדיוק רב אחר מיקומו של כל מין בתוך התבנית הקליידוסקופית המרהיבה שנוצרה.

אבל כיצד ומדוע נוצרת אותה הפרדה מרחבית בין המינים? החוקרים הגיעו למסקנה כי היא אינה נובעת מאינטראקציות ביולוגיות של משיכה או דחייה בין החיידקים; אחרי הכול, כל עוד לא התרחשה ביוקונבקציה, לא היה זכר להפרדה מרחבית. הם גם לא יכלו להסביר זאת בשוני המורפולוגי בין החיידקים השונים שחקרו. הם שיערו שתופעה זו עשויה לנבוע מהמאפיינים הייחודיים של תנועת החיידקים השונים. לכן, פנו לאפיין את דפוסי השחייה של המינים השונים, וגילו שלכל מין יש מהירות ממוצעת ותדירות שינויי כיוון ייחודיות לו. ככל שההבדלים בתכונות השחייה בין שני מיני חיידקים היו מובהקים יותר, כך גם ההפרדה המרחבית שנוצרה בסופו של דבר הייתה גדולה יותר. "זה מדהים לראות איך הבדלים בתנועה בקנה מידה מיקרוסקופי של כ-2 מיקרון באים לידי ביטוי בדפוסים בסדר גודל הגדול יותר מפי 1,000", מתפעל פרופ' סטבנס.

החוקרים משערים כי ההפרדה נוצרה במהלך האבולוציה כדי למזער התנגשויות בין חיידקים השוחים זה לצד זה או כדי לאפשר לכל מין לספק בצורה מיטבית את הצרכים שלו בסביבה המשותפת. לממצאים החדשים יש השלכות לא רק על אותם מינים החיים בגן העדן המיקרוביאלי במקסיקו, אלא על קהילות חיידקים בכל רחבי תבל. יתרה מכך, פרופ' סטבנס מסביר שהממצאים עשויים להיות רלוונטיים לתחום שפיזיקאים מכנים "חומר פעיל" (active matter), כלומר תנועה קולקטיבית כתוצאה מתנועה עצמונית של כל פרט במערכת, והיווצרותה של התנהגות קבוצתית מתוך פעילות של שחקנים בודדים שאינם מתקשרים בהכרח זה עם זה.