רועש להפליא

כיצד מתפתחות אצבעות העובר, ואיך נוצרים הפסים של הזברה? אחד המודלים שלפיו ניסו להסביר התפתחות תבניות ביולוגיות מורכבות, מאבני בניין פשוטות, היה המודל של המתמטיקאי הבריטי, אלן טיורינג. במודל טיורינג, כל תא בעובר המתפתח "יודע" מה עליו לעשות על ידי חישת התאים האחרים שבסביבתו. מחקר שפורסם לאחרונה, על ידי מדענים ממכון ויצמן למדע ושותפיהם למחקר מאוניברסיטת פירנצה, מראה, כי הפיכת המודל האלגנטי של טיורינג ל"רועש", עשויה להסביר מקרים שבהם המודל הקלאסי אינו מנבא היווצרות תבניות התפתחותיות. ממצאי המחקר מצטרפים לתשתית ראיות גדלה והולכת לכך, שרעש לא רק שאינו מפריע להתפתחות מערכות ביולוגיות, אלא מהווה רכיב בסיסי של מערכות אלה.

פרופ' יואל סטבנס מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון, חיפש מערכת מודל ניסויית, שתאפשר לו לבחון שאלות בסיסיות ביצירת תבניות התפתחותיות. "במערכת מודל אידיאלית אפשר לחקור כל תא בכל שלב התפתחותי באמצעות מספר מצומצם של פרמטרים ורמת בקרה גבוהה. לפיכך, עוברים אנושיים לא מתאימים למטרה זו – התבניות שלהם נוצרות ממאות סוגי תאים שונים. לזבובי פירות, המשמשים מערכת מודל אחרת, המקובלת במחקר התפתחותי, יש כ-60 סוגי תאים שונים. לצורך המחקר שלנו היינו זקוקים למודל ביולוגי בסדר גודל מצומצם הרבה יותר. למרבה המזל, מצאנו את המערכת שחיפשנו בכחוליות רב-תאיות (ציאנובקטריה) מסוימות".

הכחוליות הן מערכה של יצורים השייכים לממלכת החיידקים בטבע. זמן רב בטרם התפתחה בכדור-הארץ צמחייה, העשירו יצורים אלה את שיעור החמצן באטמוספרה וקיבעו את החנקן הדרוש לקיומם של צמחים ובעלי-חיים. מבחינת פרופ' סטבנס, התכונה החשובה ביותר של יצורים אלה היא פשטותם: הם בנויים משני סוגי תאים בסיסיים המסודרים בשרשרת. הכחולית אנבאנה (Anabaena) שחקרו פרופ' סטבנס ועמיתיו בשיתוף פעולה עם פרופ' דוצ'ו פאנלי וקבוצת המחקר שלו, היא אחת הדוגמאות המוקדמות ביותר לרב-תאיות בכדור-הארץ.

במונחים פיסיקליים, מערכות ביולוגיות אינן מגיעות לשיווי משקל – הן צריכות להשקיע אנרגיה בשכפול מדויק של המידע מדור לדור. אנו רואים, כי במערכות אלה, נוסף לתוכנית האב התאית, רעש הוא תנאי הכרחי"

ביצורים אלה התאים הם פוטוסינתטיים, כלומר: הם משתמשים באור השמש כדי לייצר חמצן ולאחסן אנרגיה בצורת פחמימות. תאים אלה צורכים חנקן לשם בניית חלבונים, ולשם כך הם נוטים לנצל חנקן בצורתו הזמינה. בהיעדר מקורות חנקן זמינים, הם מקבעים חנקן מהאטמוספרה בעזרת אנזים ייחודי. עם זאת, החמצן שמשתחרר בתהליך הפוטוסינתזה פוגע בתפקודו של אנזים זה. כדי להתמודד עם הסתירה הפנימית בין שני התהליכים, נוצרת חלוקת עבודה בין התאים: מיעוטם הופכים לתאים הטרוציסטיים, המתמחים בקיבוע חנקן אטמוספרי, בעוד שהאחרים ממשיכים לייצר פחמימות ולשחרר חמצן בתהליך הפוטוסינתזה. כך מתפתחת אחת התבניות הפשוטות ביותר בטבע, שיש בה רצף של כ-10 תאים פוטוסינתטיים בין כל שני הטרוציסטים.

כדי לעקוב אחר היווצרות התבניות ההתפתחותיות ביצורים אלה, סימנו החוקרים גנים המעורבים בתהליך ההתמיינות על ידי צימודם לגנים מדווחים של חלבונים שזורחים פלואורסצנטית. לאחר מכן, חשפו את הכחוליות לתנאים דלי חנקן ועקבו אחר תהליך ההתמיינות לשני סוגי תאים. בתהליך זה נוצרו במשך הזמן התבניות ההתפתחותיות המוכרות, והתאים שהתמיינו להטרוציסטים זרחו תחת המיקרוסקופ.

עד כמה תאמו תהליכי ההתפתחות שנצפו את המודל הקלאסי? המודל של טיורינג הינו דטרמיניסטי. לפי מודל זה מתפתחות תבניות בטווח צר מאוד של ערכי פרמטרים. מכאן נובע, שנדרש כוונון עדין כדי לאפשר היווצרות תבנית. למרות זאת, התבניות ההתפתחותיות בכחוליות אלה נוצרות בטווח תנאים רחב, והביטוי הגנטי שנצפה בתאים רחוק מלהיות דטרמיניסטי. למעשה, הוא  "רועש" מאוד: אפילו תאים שכנים מראים הבדלים גדולים. "לכן הוספנו למודל טיורינג פלוקטואציות אקראיות (תנודות זעירות, לא מחזוריות), כלומר, רעש", אומר פרופ' סטבנס. "הגרסה החדשה של המודל מהווה תיאור רחב יותר מזה של המודל המקורי. יתר על כן, לא נדרש כוונון עדין של פרמטרים". קבוצת המחקר פרסמה באחרונה את עבודתה על "מודל טיורינג הסטוכסטי" בכתב-העת המדעי PLoS Biology.

במקביל לעבודות אחרות שנעשו באחרונה, מחקר זה מציע שתנודות אקראיות אלה הן בלב לבה של התפתחות תבניות, אף כי נוטים לחשוב עליהן כנקבעות מראש. במלים אחרות, הרעש הוא חלק בלתי-נפרד מהמערכת. "במונחים פיסיקליים", מסביר פרופ' סטבנס, "מערכות ביולוגיות אינן מגיעות לשיווי משקל – הן צריכות להשקיע אנרגיה בשכפול מדויק של המידע מדור לדור. אנו רואים, כי במערכות אלה, נוסף לתוכנית האב התאית, רעש הוא תנאי הכרחי לכך שיוכלו לגדול ולהתפתח ולייצר צורות מדויקות, סידורים פנימיים ותבניות".