Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
רעיון מרכזי פורסם: 31 בינואר, 2019

“מי מפחד ממים רותחים?” – מקומות מחייה של חיידקים חובבי-חום

תַקצִיר

אוהבים לבלות בים ביום קיץ חם? להשתזף, לרבוץ על החול ולשחק על החוף? כשחם לכם מדי, אתם יכולים להתקרר מיד במי הים. הייתם מאמינים שעל הכוכב שלנו יש יצורים חיים שהיו קופאים גם ביום החם ביותר של השנה? יצורים זעירים אלה, הנקראים חיידקים חובבי-חום, כלל לא מסוגלים לגדול בטמפרטורות של פחות מ-50 מעלות – וטוב להם במיוחד במים הרותחים שליד הרי געש בקרקעית האוקיאנוס, או במעיינות חמים. הידעתם שהמקומות הלוהטים ביותר על פני כדור הארץ הם לא במדבר, אלא דווקא באיים געשיים באוקיאנוס האטלנטי וליד הקוטב הצפוני? ושחיידקים המותאמים לתנאים קיצוניים כאלה חשובים מאוד לתעשיות ולמעבדות מדעיות?

יש חיידקים החיים בתנאים מאוד “לא נוחים” על פני כדור הארץ!

היצורים החיים הזעירים ביותר – הנקראים חיידקים, מיקרובים או מיקרואורגניזמים – אינם נראים לעינינו ללא מיקרוסקופ [1]. החוקר ההולנדי אנתוני ואן לֵוֶונהוּק היה הראשון שראה חיידקים תחת מיקרוסקופ, לפני יותר מ-300 שנה. חיידקים נמצאים בעצם בכל מקום על פני כדור הארץ. האדמה, המים והאוויר מלאים בהם, והם חיים גם במזון, בתוך בעלי חיים ואפילו בגוף שלנו. מספר החיידקים במעיים של אדם גדול יותר ממספר כל תאי הגוף שלו! יש כמובן חיידקים הגורמים למחלות, כגון שלשול ודלקת גרון, אבל רוב החיידקים אינם מזיקים לבני אדם. בחלקם אנחנו גם משתמשים, בין השאר לייצור יוגורט או גבינה ולטיפול בשפכים. יש חיידקים המשגשגים בחושך, יש כאלה שתנאים של חוסר חמצן מתאימים להם במיוחד, ואחרים מעדיפים לחיות בפירות בזכות הסוכרים המתוקים, או בתוך גבינות מסריחות.

חיידקים החיים במי האוקיאנוס או בטמפרטורת הגוף הנעימה של 37 מעלות אולי לא מרשימים אתכם במיוחד; אבל יש קבוצות מדהימות של חיידקים המאכלסים מקומות שקשה להאמין שאפשר לחיות בהם. חיידקים אלה משגשגים בתנאים קיצוניים שונים, והם כנראה בין צורות החיים העתיקות ביותר על פני האדמה. הם היו הראשונים שהסתגלו לחיים בתנאים קיצוניים, וכיום הם מסוגלים לחיות בסביבות שלא מאפשרות הישרדות של צורות חיים אחרות. אורגניזמים כאלה נקראים אֶקסטרֶמוֹפִילים – “חובבי תנאים קיצוניים”. והשאלה הבאה היא: איפה אפשר למצוא אורגניזמים חובבי-חום כאלה?

היכן חיים חיידקים שזקוקים לסביבה לוהטת במיוחד?

רבים מהמקומות החמים ביותר על פני כדור הארץ נמצאים ליד הרי געש – ביבשה או במעמקי האוקיאנוס. בַּמקום שבו נפגשים לוחות הסלע הענקיים שבקרקעית האוקיאנוס האטלנטי יש רכס בשם “הרכס המרכז-אטלנטי” (איור 1). לוחות הסלע האלה – הנקראים לוחות טַקטוֹניים – גדולים כל כך שמעל כל אחד מהם יש כמה וכמה ארצות. הלוח הצפון אמריקאי, למשל, נמצא מתחת לקובה, ארה“ב, קנדה וגרינלנד, והלוח האֵירוֹ-אסיאתי משתרע מתחת ליבשת אירופה ורוב יבשת אסיה. במספר מקומות בעולם יש איים געשיים יפהפיים שעלו מקרקעית האוקיאנוס בתהליך שארך שנים רבות. אחת מקבוצות האיים האלה נקראת ”האיים האַזוֹריים,“ ונמצאת באוקיאנוס האטלנטי בין ארה”ב לפורטוגל. גם איסלנד היא אי מסוג זה, והיא נמצאת בצפון הרחוק של כדור הארץ, בין גרינלנד לבין נורבגיה. באיים אלו יש שפע של מעיינות חמים טבעיים – מקומות שבהם מים מגיעים אל פני השטח אחרי שהתחממו במעמקי האדמה. אם תטיילו באיים האַזוֹריים תראו סביבכם בריכות של מים רותחים ומהבילים (איור 1).

איור 1 - מקומות מחיה של חיידקים חובבי חום באיים האַזוֹריים ובאיסלנד.
  • איור 1 - מקומות מחיה של חיידקים חובבי חום באיים האַזוֹריים ובאיסלנד.
  • הרכס המרכז-אטלנטי נמצא באוקיאנוס האטלנטי, בקַו שבו מתנגשים באיטיות שלושה לוחות טקטוניים – האמריקאי, האירו-אסיאתי והאפריקאי. במפה זו הוא מסומן בקו סגול. מופיעים בה גם האיים האזוריים ואיסלנד, שהם איים געשיים. במסגרות הירוקות תראו צילומים של מעיינות חמים באיסלנד, ובמסגרות הכתומות – צילומים של מעיינות חמים בסָאו מיגֶל שבאיים האזוֹריים.

מרבית המעיינות החמים והגייזרים – מזרקות של מים לוהטים וקיטור – נמצאים בפארק הלאומי יֶלוֹסטוֹן שבמדינת ווַיוֹמינג בארה“ב. שם התגלו לפני כמעט חמישים שנה החיידקים חובבי-החום הראשונים, על-ידי המיקרוביולוג תומס בּרוֹק. עד אז האמינו המדענים בעולם שסביבות לוהטות כאלה הן סטריליות, כלומר שיצורים חיים לא מסוגלים להתקיים בהן, כי הטמפרטורות הגבוהות ודאי משמידות אותם. תומס ברוק היה הראשון שהצליח לבודד ולתאר חיידק חובב-חום, ונתן לו את השם היפה ”תֶרמוּס אָקווַטיקוּס“ (Thermus aquaticus) [2] (איור 2). מאחר שלרוב החיידקים אין שמות בעברית, נשתמש במאמר זה בשמות המדעיים שלהם, שאותם נסביר בפירוט בתיבה 1.

איור 2 - החיידק ”תֶרמוּס אָקוַוטיקוֹס“.
  • איור 2 - החיידק ”תֶרמוּס אָקוַוטיקוֹס“.
  • A. תצלום מיקרוסקופי של צבירי תאים של ”תרמוס אקווטיקוס“ (Thermus aquaticus) שהתרבו במעבדה עד לצפיפות גבוהה. B. שני תאים בודדים. C. שרטוט מופשט של המבנה התאי. מיקרומטר (μm) הוא מיליונית מטר.

תיבה 1 - שמות מדעיים ומשמעותם

במדע יש מונחים רבים שלפעמים קשה להבין את משמעותם, ביניהם שמות לטיניים או יווניים של אורגניזמים מוכרּים. קל לנחש, אמנם, ש-Hippopotamus amphibius הוא היפופוטם, ועוד יותר קל להבין ש-Gorilla gorilla היא הגורילה המערבית; דוברי אנגלית יבינו גם ש-Rattus rattus הוא שמה המדעי של החולדה המצויה. אבל איך מבינים מהו תרמוס אקווטיקוס (Thermus aquaticus)? צריך לדעת שהמילה הראשונה בשם מדעי מתארת את סוג האורגניזם, כלומר הקטגוריה שאליה הוא שייך. בפעם הראשונה שמזכירים אותו בטקסט, הוא מופיע בשמו המלא, ובשאר הפעמים מתקצרת המילה הראשונה לאות אחת (T. aquaticus), במקרה זה). המילה השנייה מתייחסת למין האורגניזם המסוים. סוג אחד יכול לכלול כמה מינים – Rattus norvegicus, למשל, היא חולדת החוף.

”תֶרמוס“ פירושו ”חם“ ביוונית, ו”אָקווה“ הם ”מים“ בלטינית. תֶרמוּס אָקווַטיקוּס שוכן בכמה מהמעיינות החמים בפארק ילוסטון ובמקומות אחרים שבהם הטמפרטורה היא סביב 70 מעלות צלזיוס. מעניין לדעת שבטמפרטורות שמתחת ל-40 מעלות החיידק קופא ואינו יכול לצמוח. טמפרטורה של מעל 79 מעלות היא קטלנית בשבילו. תומס ברוק גילה אמנם חיידק חובב-חום, אך לא כזה השורד מים רותחים. בעקבות תגליתו החלו מדענים בכל העולם לחפש קרובי משפחה של תרמוס אקווטיקוס וחיידקים חובבי-חום אחרים, וכל אחד מהם קיווה לגלות את החיידק העמיד ביותר בחום. במהרה התגלו במקומות שונים בעולם חיידקים כאלה, שלאו דווקא היו קשורים לחיידק הראשון. מהר מאוד הבינו המדענים שחיידקים החיים בתנאים קיצוניים הם נפוצים מאוד. כל כך נפוצים, בעצם, שאין דרך לשער כמה מינים נוספים יתגלו בעתיד.

עוד צעד חשוב בחקר האֶקסטרֶמוֹפילים היה תגליתו של המדען הגרמני קארל שטֶטֶר. הוא והצוות שלו גילו חיידק חדש במעמקי הים, בנקודה שבה מים לוהטים פורצים מתוך ארובה שמתחת ללוחות הטַקטוֹניים. הם קראו לחיידק זה ”פּירוֹלוֹבּוּס פוּמארי“ (Pyrolobus fumarii). הוא מתאפיין במבנה תאי גושישי מוזר, והמבנה הזה, יחד עם סביבת המחיה וההעדפה לטמפרטורות גבוהות, מתבטאים בשם שקיבל: ”פּירוֹ“ היא אש ביוונית, ”לוֹבּוּס“ הוא גוש, ו”פוּמארי“ היא ארובה מעשנת. החיידק הזה חובב חום עוד יותר מתרמוס אקווטיקוס! בעקבות התגלית הזאת אנו יודעים עכשיו שהטמפרטורה הגבוהה ביותר שבה יכולים חיים להתקיים היא 113 מעלות – יותר מטמפרטורת הרתיחה של מים! בתשעים מעלות ומטה כבר קר מכדי שפּירובּולוס פומארי יוכל לצמוח (איור 3) [3].

איור 3 - הטמפרטורות המתאימות לצמיחת אורגניזמים שונים.
  • איור 3 - הטמפרטורות המתאימות לצמיחת אורגניזמים שונים.
  • מלמעלה למטה: פּירוֹלוֹבּוּס פוּמארי; תֶרמוּס אָקווַטיקוּס; פּיקרוֹפילוּס טוֹרידוּס; בני אדם.

האם יש סביבות אחרות המתאימות לחיידקים מסוימים אך לא לבני אדם?

בני אדם אינם יכולים לשרוד בטמפרטורות שסביב מאה מעלות צלזיוס, אלא לפרקי זמן קצרים מאוד בסאונה – ולעומתם, חיידקים חובבי חום מבלים בהצלחה את כל חייהם בטמפרטורות כאלה. אבל יש גם תנאים קיצוניים מסוגים אחרים שחיידקים מסוימים מותאמים להם. תנאים כאלה מתקיימים בסביבות כמו מעמקי הים, אגמים מלוחים מאוד, או קרחונים. והאם שמעתם על החיידקים המעדיפים לחיות בתוך חומצה לוהטת?

את החיידק האֶקסטרֶמופיל שהוא אולי המרשים מכולם גילה הצוות של ווֹלפראם ציליג. החיידק, פּיקרוֹפִילוּס טוֹרידוּס (Picrophilus torridus), משגשג בטמפרטורות חמות למדי, בין 55 ל-65 מעלות צלזיוס – וזקוק גם לסביבה חומצית מאוד. אפשר לומר בקיצור שסביבת המחייה המושלמת שלו דומה לחומצת בטרייה מדוללת ומחוממת. חיידק זה התגלה באדמה חומצית וחמה ביפן [4]. גם לו נתנו שם המשקף את סביבת וסגנון החיים שלו: ביוונית, ”פּיקרוֹס“ היא חומצה ו”פילוֹס“ פירושו אוהב, ובלטינית ”טוֹרידוּס“ פירושו מיובש ושרוף.

יש גם חיידקים שבזכות התכונות שלהם הם מתאימים באופן מושלם לסביבות מלאכותיות מסוימות. הם משגשגים בתוך שפכים תעשייתיים הרעילים לבני אדם, או ליד כּוּרים גרעיניים. כמה חיידקים כאלה נמצאו אפילו ליד הכור הגרעיני בצֶ’רנוֹבּיל, שבו אירע אסון גרעיני מחריד. חיידקים אלה חשופים לקרינה המסוכנת מאוד לבני אדם, אבל הם מצליחים להפוך אותה לאנרגיה המשמשת אותם לצמיחה [5].

האם אפשר להשתמש בחיידקים אקסטרמופילים לטובת בני אדם?

בזכות היכולת שלהם לעמוד בתנאים קיצוניים שונים, חיידקים אלה – וחומרים כימיים מסוימים הנמצאים בגופם – יכולים להיות שימושיים מאוד בתעשיות מסוימות. החיידק תרמוס אקווטיקוס מכיל חלבון מסוים (אנזים, ליתר דיוק) שמסייע מאוד למדענים בתחום המיקרוביולוגיה. הוא נקרא TAQ-פּוֹלימֶראז ובעזרתו מייצרים במעבדות מיליוני עותקים של מולקולות דנ”א, בתהליך הנקרא “תגובת שרשרת פולימראז” (PCR). אחד השלבים בתהליך מתרחש בטמפרטורה של 95 מעלות צלזיוס – טמפרטורה שבה אנזימים רגילים מפסיקים לפעול; אבל האנזים הזה מצליח להמשיך ולתפקד. כיום משתמשים בו רבות בתחום מדעי החיים, בחקירות פליליות, ובאבחון מחלות. חיידקים חובבי תנאים קיצוניים משמשים גם בתהליך הנקרא בִּיוֹ-רֶמֶדיאציָה, שבו מטהרים סביבה מזוהֵמת על-ידי פירוק הרעלנים. חיידקים אחרים מכילים אנזימים שבהם משתמשים בתעשייה לפירוק עמילנים או פסולת ממקור צמחי, כדי לייצר בּיו-אנרגיה או תרכובות כימיות יקרות. חיידקים חובבי-קור, לעומת זאת, מייצרים אנזימים שאפשר להוסיף לאבקת כביסה, למשל, וכך לכבס בטמפרטורות נמוכות ולחסוך אנרגיה. חשוב לדעת שאקסטרמופילים הם לא “חיידקים רעים”! מאחר שהם חיים בסביבה שאינה מתאימה לבני אדם, הם לא מסוגלים בדרך כלל לגרום לנו למחלות – טמפרטורת הגוף שלנו, 37 מעלות, פשוט קרה מדי בשבילם.

מימון

פרויקט ה-OER (משאבי חינוך פתוחים) של הכותבים, “מיקרואורגניזמים אקסטרמופילים”, ממומן על-ידי רשויות המבורג שבגרמניה, במסגרת פרויקט האוניברסיטה הפתוחה המקוונת של המבורג (http://www.hoou.de/).

מילון מונחים

מיקרובים / מיקרואורגניזמים (Microbes/Microorganisms): – בדרך כלל הכוונה היא לאורגניזמים חד-תאיים, ביניהם חיידקים, אצות מסוימות, ופטריות. שמרים הם דוגמה לפטרייה חד-תאית.

מעיין חם (Hot spring): – מעיין שבו נובעים מהקרקע מים שהתחממו בעומק קרום כדור הארץ. במעיינות מסוימים המים חמימים, באחרים הם מגיעים לטמפרטורת רתיחה.

גייזר (Geyser): מעיין שממנו פורצים בדרך כלל מַים חמים ואדים בזרם דמוי מזרקה. כמחצית מהגייזרים בעולם נמצאים בפארק הלאומי יֶלוֹסטוֹן שבמדינת וַויוֹמינג בארה“ב.

TAQ-פּוֹלימֶראז (TAQ-Polymerase): אנזים המסוגל לשכפל דנ”א בטמפרטורות גבוהות. אנזימי פולימראז חיוניים לשכפול של דנ“א תאי, ובתהליכי מעבדה רבים משתמשים בהם כדי לייצר מיליוני עותקים של דנ”א.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.


מקורות

[1] Kopf, A., Schnetzer, J., and Glöckner, F. O. 2016. Marine microbes, the driving engines of the ocean. Front. Young Minds 4:1. doi: 10.3389/frym.2016.00001

[2] Brock, T. D., and Freeze, H. 1969. Thermus aquaticus gen. n. and sp. n., a nonsporulating extreme thermophile. J. Bacteriol. 98(1):289–97. doi: 10.1126/science.230.4722.132

[3] Blöchl, E., Rachel, R., Burggraf, S., Hafenbradl, D., Jannasch, H. W., and Stetter, K. O. 1997. Pyrolobus fumarii, gen. and sp. nov., represents a novel group of Archaea, extending the upper temperature limit for life to 113 degrees C. Extremophiles 1:14–21. doi: 10.1007/s007920050010

[4] Schleper, C., Pühler, G., Klenk, H. P., and Zillig, W. 1996. Picrophilus oshimae and Picrophilus torridus fam. nov., gen. nov., sp. nov., two species of hyperacidophilic, thermophilic, heterotrophic, aerobic Archaea. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 46:814–6. doi: 10.1099/00207713-46-3-814

[5] Dadachova, E., Bryan, R. A., Huang, X., Moadel, T., Schweitzer, A. D., Aisen, P., et al. 2007. Ionizing radiation changes the electronic properties of melanin and enhances the growth of melanized fungi. PLoS ONE 2(5):e457. doi: 10.1371/journal.pone.0000457