ל"פרושים של דרווין" (שהם, למעשה, קבוצה של 14 מיני גיבתונים שמקורם באיי הגלפגוס ובאי קוקוס) שמור מקום של כבוד בהיסטוריה של המדע, כמי ששימשו השראה לפיתוח רעיון האבולוציה באמצעות ברירה טבעית. כיום, יותרמ-150 שנה לאחר מסעו של דרווין על סיפון ה"ביגל", מתברר כי המחקרים על הפרושים עדיין נמשכים. מאמץ משותף של מספר צוותי חוקרים גדול מרחבי העולם, ובהם פרופ' דורון לנצט וד"ר צביה אולנדר מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, הוביל באחרונה לקביעת הרצף הגנטי המלא של פרוש הזברה (Zebra Finch) ולפענוחו. המידע הגנומי המפורט על ציפור השיר הזו – שהתפרסם בכתב-העת המדעי Nature,  משמעותי במיוחד להבנת האבולוציה של תהליך למידת השפה והדיבור. עבור פרופ' לנצט וד"ר אולנדר זהו צעד נוסף במאמץ המתמשך לפענח את האבולוציה של חוש הריח.

ציפורי השיר – כמו בני-האדם, וכמו מספר קטן של בעלי-חיים אחרים – הן בעלות יכולת לתקשורת מתוחכמת ומגוונת באמצעות השמעת צלילים. הדמיון בין שירת הציפורים לשפה האנושית מאפשר להשתמש בציפורי שיר כבמודל להבנת האופן שבו התפתחה היכולת הזאת, ולהבין כיצד היא יוצאת לפועל, מהם המנגנונים העצביים המפעילים אותה, ואלו גנים מאפשרים את קיומה. פיענוח הגנום של פרוש הזברה תורם להבנה מפורטת ועמוקה של הבסיס הגנטי ליכולות ולהתנהגויות אלה, ולאופן בו התפתחו. כך, לדוגמא, ממצאי המחקר מראים כי חלק ניכר מהגנים המתבטאים במוח הפרוש קשורים בתקשורת קולית. בנוסף מצאו החוקרים מספר גנים (המייצרים מיקרו-אר-אן-אי) שרמת התבטאותם במוח משתנה בעקבות חשיפה לשירה. ממצאים אלה רומזים כי שינויים בגנים אלה מעורבים, ככל הנראה ביכולתן של ציפורי השיר ללמוד מנגינות חדשות.

"החושים הם שיטה מתוחכמת לתקשר עם הסביבה ולכן הם מושכים תשומת לב רבה. בעיקר מעניין אותנו חוש הריח", אומרת ד"ר אולנדר, שהתגייסה לפרויקט, ביחד עם פרופ' לנצט, במטרה למפות את הגנים המקודדים את קולטני הריח של פרוש הזברה. זיהוי קולטני הריח של הציפור הוא בעל משמעות מיוחדת, שכן בקהילה המדעית היו קיימים בעבר חילוקי דעות באשר לעצם קיומו ולשימושיותו של חוש ריח בציפורים. עם זאת, בציפורים מסוימות נמצאו עדויות לחשיבותו הרבה של חוש הריח, כמו במקרה של יוני דואר, המוצאות את דרכן לבסיס ה"בית", בין היתר באמצעות ריחות. אחת האפשרויות להכריע במחלוקת הזאת היא לספור את כמות הגנים המקודדים לקולטני ריח, ולקבוע – באמצעות ניתוח ממוחשב של הרצף הגנטי – איזה אחוז מהגנים האלה אכן מייצרים קולטן פעיל. כך, לדוגמה, בתרנגולת נמצאו 500 גנים לקולטנים, אך רק 70 מהם מייצרים קולטן תקין. אצל פרוש הזברה יש מספר כולל כמעט זהה של גני ריח, אך כמות הגנים הפעילים גדולה פי שלושה: כ-200 גנים הם בעלי פוטנציאל ליצר קולטן תקין. נתונים אלה תומכים בסברה כי ציפור זו אכן משתמשת בחוש הריח.

בנוסף, השוואת הרצפים הגנטיים של פרוש הזברה לאלה של ציפורים ממינים אחרים שופכת אור על האבולוציה של חוש הריח בבעלי כנף: בניגוד ליונקים, בהם קיים דמיון רב ברצף הגנטי של קולטני הריח במינים שונים, נמצא כי 95% מהקולטנים בפרוש הם ייחודיים למין זה. נראה, אם כן, כי בכל מין ציפור נוצר מערך נפרד של קולטני ריח, והם לא התקבלו מאב קדמון ציפורי משותף. פרופ' לנצט: "לממצא זה השלכות על תפקוד הריח בציפור הפרוש – ייתכן וחומרי ריח מעורבים בתקשורת ייחודית בין פרטים מאותו המין, בנוסף לתקשורת באמצעות צלילי השיר".

מידע נוסף – ותמונות - אפשר לקבל במשרד דובר מכון ויצמן למדע 08-934-3856

האומץ לבצע ניסויים הוא אחד מהמנועים שמניעים את האבולוציה. תאים חיים הם, מהבחינה הזאת, שדה ניסויים נפלא, שבו מולקולות שונות משפיעות על מולקולות אחרות וגורמות להן, לעתים, לפעול בדרכים חדשות. כאשר המולקולות האלה הן גנים, או חלבונים, ניסויים כאלה יכולים להוביל את התא, ולעתים את האורגניזם כולו, למסע אבולוציוני מרתק.פרופ' נעמה ברקאי מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע בחנה באחרונה היבטים שונים של תהליכי הבקרה המשפיעים על התבטאות גנים, התהליך שבו התא יוצר חלבונים על-פי המידע המקודד בגנים. החלבונים מפעילים את תהליכי החיים, ושינויים במבנה שלהם, הנובעים משינויים שיכולים להתחולל בגנים, עשויים להקנות לתאים יכולות חדשות ויתרונות הישרדותיים מצד אחד, אבל גם לגרום מחלות ואפילו מוות, מצד שני.

שאלה לדוגמה: מתי האבולוציה מתקדמת במהירות? מתי גנים יכולים להשתנות, בתיפקוד או בביטוי, בקלות ולבצע ניסויים שעלולים לסכן את האורגניזם, ומתי – ואילו - גנים שומרים בקפדנות על המבנה שלהם? שאלה בסיסית זו היא בעלת חשיבות מיוחדת, על רקע התופעה המוכרת של גנים שמורים באבולוציה, כלומר, גנים שגרסאות דומות שלהם מצויות באורגניזמים פשוטים ומפותחים כאחד, החל משמרים, עבור דרך תולעים (נמטודות), זבובים, וצמחים, וכלה בבני אדם. ברור שהגנים השמורים באבולוציה ממלאים תפקידי חיים בסיסיים ואוניברסליים, המשותפים לכל עולם החי, כך ששינויים בהם גורמים למות האורגניזם או לאי יכולת להתרבות. מצד שני, כמובן, בלי ניסויים ושינויים, האבולוציה לא תנוע קדימה. כיצד, אם כן, האבולוציה תחמה את הגנים שיש לשמור על המבנה שלהם? מה בדיוק מגן עליהם מהניסויים הגנטיים המתחוללים ללא הרף באיזורים אחרים של הגנום?

פרופ' ברקאי וחברי קבוצת המחקר שלה גילו את "חוק חלוקת הסיכונים" של האבולוציה. מתברר שככל שהגן מקודד חלבון שהוא חיוני ואוניברסלי יותר, קטן  הסיכוי שהמקטע המאתחל שלו (פרומוטור), מכיל את ה"ביטוי" הגנטי TATA (רצף חוזר של שני בסיסים מסוימים בצופן הגנטי). מקטע זה ממלא תפקיד מרכזי בתהליכי ההתבטאות של הגן. המדענים גילו שכאשר במקטע המאתחל של הגן מצוי ה"ביטוי"   TATA, רמת הסיכון שאפשר לקחת, כתוצאה מביצוע שינויים ברמות הביטוי של הגן הזה, גדולה יותר. במלים אחרות, מדובר במעין הגדרת רמות סיכון, בדומה לניתוח סיכונים וסיכויים שמבצעים אנליסטים בשוק ההון. כשמחיר הטעות הוא גדול, הנטייה שלנו לקחת סיכון באיזור זה, קטנה. כשמחיר הטעות זניח, אנחנו יכולים לנסות לממש סיכויים גדולים, גם במחיר נטילת סיכון גבוה. האבולוציה, מתברר, גילתה את העיקרון הזה מיליוני שנים לפני וול-סטריט ואחד-העם.

במחקר אחר בחנו פרופ' ברקאי וחברי קבוצת המחקר שלה ניסוי אבולוציוני שהטבע מבצע לעתים בתאים חיים. מדובר בהכפלה ספונטנית של המטען הגנטי כולו. אותה תופעה משפיעה בדרך אחרת לחלוטין על שני מינים של שמרים. השמרים מהמין "קנדידה" (הידוע בין היתר כגורם מוות בחולי איידס), שעברו הכפלת גנום שגשגו בקצב מהיר, וכך גם השמרים מהמין "סרוויסה", בעלי הגנום הכפול, אלא ששמרים אלה (מהמין "סרוויסה") למדו כתוצאה מהניסוי הגנטי "טריק חדש: הם רעשו את היכולת לגדול ולשגשג ללא חמצן.

פרופ' ברקאי וחברי קבוצת המחקר שלה בחנו את התופעה הזאת ומצאו לה ביטוי אבולוציוני גנטי. הם בחנו 50 גנים הממלאים תפקיד בתהליכי חילוף החומרים של צריכת חמצן בשני מיני השמרים וגילו כי מקטע גנטי מסוים, האחראי לתהליך ההתבטאות שלהם, עבר שינוי במהלך הכפלת הגנום. שינוי זה השפיע באופן דרמטי על התבטאותם של 50 הגנים האלה, וכנראה גם על תכונת צריכת החמצן של אחד ממיני השמרים. רכישה של תכונה כזאת הייתה יכולה להעניק לשמרי ה"סרוויסה" יתרון הישרדותי מובהק בהשוואה לשמרי ה"קנדידה", במקרה של שינוי רדיקלי בהרכב האטמוספירה של כדור-הארץ. כך בדיוק, שילוב של שינויים סביבתיים וגנטיים הוביל – ועדיין מוביל - את האבולוציה בעולם החי בכדור-הארץ במשך מיליוני שנים, עד למצב המוכר לנו כיום.

פרופ' ברקאי היא פיסיקאית בהכשרתה, העוסקת כיום בחקר מדעי החיים. גישת המחקר המקורית שלה זיכתה אותה בימים אלה בפרס הלן ומרטין קימל למחקר חדשני, המוענק מטעם מכון ויצמן למדע והמלווה במענק מחקר של מיליון דולר במשך חמש שנים.