Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
תגלית חדשה פורסם: 31 בינואר, 2019

העולם הנסתר שבתוֹך הנהר

תַקצִיר

כל היצורים החיים זקוקים למזון. יצורים בטבע מקושרים זה לזה באמצעות “מארג מזון”. מארג המזון מבטא את קשרי ההזנה בין חיות וצמחים שונים בסביבה מסוימת, למשל ציפורים שניזונות מדָגים. אבל איך חוזרים חומרי המזון למארג המזון? בעזרת החיידקים! חיידקים אומנם אינם נראים לעין האנושית, אבל הם נמצאים כמעט בכל מקום וחשובים מאוד למִחְזוּר של חומרי מזון בבתי גידול שונים, למשל נהרות. מדענים מנתחים את הדנ“א (DNA) של חיידקים כדי לגלות אלו מִינֵי חיידקים נמצאים בתוך נהר מסוים, ואיך הם ממחזרים בו את חומרי המזון. לפי הממצאים אפשר לזהוֹת שינויים בסביבת מִחְיָה זו – שינויים שעשויים להשפיע בהמשך, למשל על כמות המזון הַזְּמִינָה לבעלי חיים גדולים יותר. החיידקים נחשבים לבסיס מארג המזון, ואם נשים לב לשינויים מוקדמים המתרחשים אצלם, נוכל אולי למנוע שינויים קיצוניים יותר שיגרמו בעיות בהמשך.

שאלתם את עצמכם פעם מי חי בתוך הנהר?

קל לדמיין יצורים גדולים יחסית כמו דגים שוחים בנהר, אבל האם חשבתם פעם על היצורים המיקרוסקופיים שגרים בו כגון חיידקים? ומה בכלל עושים חיידקים בתוך נהר?

חיידקים הם יצורים חד-תאיים המצויים בכל היבשות וכמעט בכל סביבת מִחְיָה בעולם, מִנְּהָרוֹת ואוקיאנוסים ועד אדמה והרים. הם חיים אפילו על בעלי חיים אחרים ובתוכם, כמונו למשל. רוב החיידקים קטנים מרוחב של שַׂעֲרַת אדם, וכדי לראות אותם במדויק אנו משתמשים במיקרוסקופ. כאשר רואים אותם, בולט מאוד לעין שיש חיידקים בעלי מגוון רחב של צורות ושל גדלים (בטווח המיקרוסקופי) אפילו בסביבת מחיה משותפת אחת, כמו נהר. חלקם עגולים (חיידקי נֶקֶד, ובלועזית Cocci או Coccus), חלקם דמויי מַקֵּל (חיידקי מֶתֶג, ובלועזית Rods), ואחרים סליליים (סלילוֹנים, ובלועזית Spirochetes). דוגמאות תוכלו לראות באיור 1. כל מין של חיידקים שונה משאר המינים, באותו אופן שבני אדם, למשל, שונים מחיוֹת אחרות. יש חיידקים הנראים דומים מאוד תחת מיקרוסקופ, אך שייכים למינים שונים.

איור 1 - צורות של חיידקים שונים, וגודלם יחסית לשַׂעֲרַת אדם.
  • איור 1 - צורות של חיידקים שונים, וגודלם יחסית לשַׂעֲרַת אדם.
  • הסימן μm פירושו ”מיקרומטר“ והוא שווה ל-1/10,000 סנטימטר. Cocci = נקדים Rods = מתגים Spirochetes = סלילונים Width of a human hair = עובי שערת אדם

מה כל כך מעניין בחיידקים?

רבּים מְקַשְּׁרִים את המילה ”חיידקים“ עם מחלות. אבל, מינים רבּים, כולל רוב החיידקים בנהרות, אינם מזיקים כלל לבני אדם. לחיידקים יש חשיבוּת רבה, כי בסביבות מחיה רבות הם תורמים למעגל המזון. בכל סביבת מחיה יש חיידקים, ואפשר להיעזר בהם כדי לעקוב אחר בריאותהּ. בריאות של סביבת מחיה תלויה בשאלה עד כמה היצורים החיים בה מצליחים לשרוד. כל היצורים – בני אדם, חיות אחרות, וצמחים – זקוקים למים, מזון וּויטמינים. חיידקים ממלאים תפקידים חשובים בהפיכת חומרים אורגניים מורכבים לחומרים שיכולים להזין חיות וצמחים אחרים. חומר אורגני עשוי מרקמות צמחים ובעלי חיים מתים שהתפרקו. יש לו חשיבות רבה כמזון ומקור אנרגיה ליצורים החיים בנהר, או בכל בית גידול אחר. כשחיידקים מְפָרְקִים חומר אורגני בנהר, הם מזִינים את מארג המזון של הנהר.

מארגי מזון הם מכלול הַקְּשָׁרִים השונים בין יצרני מזון וצרכני מזון בטבע (ראו לדוגמה איור 2). בנהר, למשל, עופות אוכלים דגים, ודגים אוכלים חרקים. החרקים הללו אוכלים צמחים וגם חרקים קטנים יותר, שהם בתורם אוכלים צמחים וחיידקים. החיידקים נמצאים בבסיס מארג המזון, והם ממחזרים את החומר האורגני שמקורו בקרקע או בשרידי צמחים ובעלי חיים, ומחזירים אותו למארג המזון. הם חיוניים למארג המזון כי הם מעבדים חומר אורגני שאורגניזמים אחרים אינם יכולים להשתמש בו, והופכים אותו לחומרים אכילים עבורם. חלק מהאורגניזמים גם אוכלים את החיידקים עצמם. חיידקים, אם כן, הם חלק מבסיס מארג המזון. אילו הם ויצורים מְפָרְקִים אחרים לא היו קיימים, החומר האורגני שמארג המזון מפיק היה מצטבר בלי לעבור עיבוד, ובסופו של דבר היה נשאר מעט מאוד מזון לבעלי החיים הנמצאים גבוה במארג.

איור 2 - דוגמה למארג מזון בנהר.
  • איור 2 - דוגמה למארג מזון בנהר.
  • חיידקים מופיעים בהגדלה במסגרת האדומה למטה. הם, ומפָרקים אחרים כגון תולעים, עוסקים בפירוק של אורגניזמים מתים, ממחזרים את חומרי המזון הנוצרים כתוצאה מכך, ומחזירים אותם אל סביבת המחיה (ראו חיצים בצבע תכלת). לולא החיידקים, היצורים הנמצאים גבוה יותר במארג המזון היו גוועים ברעב בגלל מחסור בחומרי מזון מתאימים. החיצים הכתומים-כהים מראים אלה יצורים במארג אוכלים יצורים אחרים – לדוגמה, בני אדם אוכלים סרטני נהרות. החיצים הכחולים-כהים מראים שרשרת מזון שלמה אחת – הַדָּפְנִיָה אוכלת אצוֹת ונאכלת על-ידי דג קטן, הנאכל על-ידי דג גדול, שאותו טורפת לבסוף אֲנָפָה. (האיור, בשינויים קלים, באדיבות המשרד להגנת הטבע של מדינת מיזורי).

בגלל תפקידם החשוב, מצב החיידקים בסביבת מחיה מסוימת הוא מדד מוצלח לבריאות הכללית שלה. מדענים גילו שקהילות חיידקים מגיבות במהירוּת לשינויים בבתי גידול, למשל בטמפרטורת המים או בכמות החומר האורגני בנהר [1]. שינויים כאלה עשויים גם להשפיע משמעותית על חיות גדולות יותר, כמו ציפורים ודגים, אבל זאת בשלב מאוחר יותר, שבוּ ֹ השינויים כבר עלולים להיות מסוכנים. אם השינויים גורמים בעיות לחיידקים הַמְּסַפְּקִים חומרי מזון לשאר בעלי החיים, גם בעלי החיים האלה עלולים לסבול מבעיות. כלומר, אפשר לצפות מראש את רמת הבריאות של הסביבה, אם עוקבים אחרי רמת הבריאות של החיידקים שבה. מעקב אחרי סוגי החיידקים ומספרם יכול לתת למדענים הַתְרָאָה מוקדמת על שינויים קטנים בסביבות המחיה אשר עלולים להשפיע עליה יותר בהמשך.

האם המדענים יודעים כמה מִינֵי חיידקים חיים בנהר?

במחקרים התברר כי כפית אחת של מי נהר עשויה להכיל מיליוני חיידקים [2]! אבל, קשה לספור בדיוק כמה חיידקים נמצאים בסביבת מחיה מסוימת. לעומת זאת יש שיטות מדעיות להעריך את מספר החיידקים וסוגיהם, ולהגדיר אותם לפי צורת ההישרדות או סגנון החיים שלהם.

כל מין של חיידקים הוא ייחודי ובעל תפקידים מסוימים במִחְזוּר חומר אורגני בסביבת המחיה שלו (נהר, למשל). הייחוד של כל מין מתבטא גם במראֶה שלו, בצורת השחייה שלו, או במיקום שלו בנהר. לדוגמה, יש חיידקים הנצמדים לחלקיקים הצפים במים. בדרך כלל אלו הן פיסות קטנטנות של חֵמָר, חול, או צמחים מתים. הן מַקְנוֹת למים לפעמים מראֶה עכוּר או מלוכלך, אבל מבחינת החיידקים הן מקום מצוין להיאחז בו – וגם מקור מזון. לעומתם, יש חיידקים שצפים או שוחים באופן חופשי במֵי הנהר. חברי הצוות שלנו היו סקרנים לדעת אם לשני סוגי החיידקים האלה יש גם תפקידים שונים במִחזור חומרי מזון בנהר. בדקנו מינים שונים של חיידקים החיים בנהר קולומביה וּבַשֶּׁפֶך שלו (בו מתערבבים מֵי הנהר עם מֵי האוקיאנוס) בצפון-מערב ארצות הברית, לחוף האוקיאנוס השקט.

האם המדענים גילו הבדלים בין תפקידי החיידקים החופשיים והחיידקים הנצמדים לחלקיקים?

כן. מתברר שלשני סוגי החיידקים האלה יש סגנונות חיים שונים, והם גם תורמים באופן שונה למארג המזון בנהר. במים עכורים נמצאו יותר חיידקים החיים על חלקיקים [3]. זה הגיוני, כי במים כאלה יש יותר חלקיקים. הם אולי נראים לנו פחות מושכים ממים צלולים, אבל הם מְסַפְּקִים מקום מחייה לחיידקים הממלאים תפקידים חשובים. לעומת זאת התברר לנו שבמים צלולים יש יותר חיידקים שאינם נצמדים לחלקיקים. כלומר, בסביבות המחיה השונות מתרבים חיידקים עם סגנונות חיים שונים בגלל הברירה הטבעית, ומִחזור של חומרי מזון מתרחש בשתי הסביבות.

כדי להבין את אורח החיים של חיידקים הנצמדים לחלקיק, אפשר להשוות אותו לזה של מַלָּחִים בסירה או בספינה. כמוהם, החיידקים חיים בדרך כלל בצפיפות על המשטח הצף, וכמוהם הם ממלאים תפקידים שונים. במטבח של ספינה, למשל, אתם עשויים לראות טַבָּח אחד קוצץ ירקות בזמן שחברו מְתַבֵּל צלי. בדומה לכך, יש מיני חיידקים המוצאים חומר אורגני ומשנים אותו כך שהוא יכול לשמש מזון לאורגניזם אחר. אפשר לדמיין את החיידקים עוסקים בפעילויות דומות על החלקיק. יש חיידקים בררנים, שניזונים רק מחומרים מסוימים מאוד. אחרים אינם מסוגלים לְפָרֵק מזון מורכב, אלא צריכים למצוא במי הנהר מזון פשוט שאותו הם יכולים לצרוך כמו שהוא. חיידקים אחרים הם פחות בררנים, והם ניזונים מכל מה שהם מצליחים למצוא. אחרי ש”אכלו“ את החומר האורגני, החיידקים עצמם (ולפעמים גם החלקיק שעליו הם חיים!) עשויים להפוך למזון של יצור אחר, גדול יותר, אם כי עדיין מיקרוסקופי.

אם כן, חיידקים הם חשובים מאוד לתפקוד סביבת המחיה שלהם, אבל אי אפשר לראותם בלי מיקרוסקופ. לכן, כדי להבין מה הם מסוגלים לעשות החליט הצוות שלנו לחקור את הגֶּנים שלהם – ”הוראות ההפעלה“ שגופם מכיל. גילינו שלחיידקים הנצמדים יש יותר גֶּנים מאשר לחיידקים אחרים. בדקנו את סוגי הגנים השונים של החיידקים כדי להבין טוב יותר איך הם חיים בנהר. מתברר שלחיידקים הנצמדים יש, למשל, גם יותר גנים המאפשרים להם לפרק אורגניזמים קטנים אשר מְבַצְּעִים פוטוסינתזה (הם נקראים ”פִיטוֹפּלַנקטוֹן“, Phytoplankton), מאשר לחיידקים השוחים בחוֹפשיוּת במים [4]. כלומר, בגופם של חיידקים הנצמדים לחלקיקים יש יותר הוראות לגבי מִחזור של יצורי פיטופּלנקטון מתים. זה הגיוני, מאחר שיש יותר חיידקים כאלה במקומות שבהם יש גם יותר חומר אורגני ויותר חלקיקים – ששניהם נוצָרים לפעמים משרידים של יצורי פיטופלנקטון. לעומת זאת במים צלולים יש יותר חיידקים חופשיים מאשר חיידקים הנצמדים לחלקיקים. מסתבר, אם כך, שחיידקים הנצמדים לחלקיקים הם חשובים למִחזור חומרי מזון במי נהר עכורים, ואילו חיידקים חופשיים חשובים למִחזור חומרי מזון במי נהר צלולים. בזכות התגלית הזו ברור לנו קצת יותר כיצד חיידקים עם סגנונות חיים שונים תורמים למארג המזון בנהרות. בעתיד, אם נראה שינויים יוצאי-דופן באוכלוסיית החיידקים במי נהר עכורים או צלולים, נדע שסביבת המחיה בנהר משתנה עוד לפני שהשינוי ישפיע על דגים ועופות הנמצאים גבוה יותר במארג.

אבל איך יודעים אם החיידקים בסביבה מסוימת משתנים?

כשבוחנים חיידקים דרך מיקרוסקופ, אפשר רק לדעת איך הם נראים. הצורות השונות עוזרות לנו אומנם להבחין ביניהם, אבל לא פעם חיידקים שונים עם תפקידים שונים בסביבה נראים דומים מאוד תחת המיקרוסקופ. למעשה, לפי הצורה בלבד אי אפשר לדעת הרבה על מין החיידק או על תרומתו למארג המזון. כדי לענות על השאלות האלה אנו בודקים את הדנ”א שלו. דנ“א (DNA) הוא צופן ייחודי לכל מין של אורגניזם. מולקולות הדנ”א מוּרכבוֹת מארבעה סוגים של אבני בניין הנקראות “בסיסים”. הבסיסים מסומנים בקיצור באותיות A, T, G ו-C. הגֶּנים – כלומר ההוראות שהן חלק מכל יצור חי וקובעות איך הוא נראה ומתנהל – עשויים מדנ“א. אפשר לקרוא את רצף הבסיסים בדנ”א כפי שקוראים צופן. כך אנו יכולים לדעת מה הגנים של כל חיידק ולהסיק מהם לאיזה מין הוא שייך ואלה תפקידים הוא מְבַצֵּעַ בנהר.

צוות החוקרים שלנו אסף דנ“א של חיידקים נצמדים וחיידקים חופשיים. לשם כך השתמשנו בשני מסננים צפופים מאוד, זה על גבי זה, שהפרידו את החלקיקים (עם החיידקים הצמודים אליהם) ואת החיידקים החופשיים מהמים. קל לסנן חלקיקים מתוך מים – זה מה שעושים מסננים ביתיים של מי שתייה (רק שבמקרה שלנו התענייַנו כמובן במה שנשאר במסנן ולא במים הנקיים). החלקיקים, עם החיידקים שעליהם, נאספו במסנן הראשון, שבו הנקבוביות היו בקוטר של 3 מיקרומטר (מיקרומטר מסומן באות μ ושווה לאלפית המילימטר), והחיידקים החופשיים נאספו במסנן השני, שהנקבוביות שלו היו זעירות עוד יותר (0.2 מיקרומטר). לאחר שאספנו את החיידקים, הפקנו מהם את הדנ”א. כדי לעשות זאת שוברים את דפנות הַתָּאִים של החיידקים ומוסיפים סדרת כימיקלים שמפרידים את הדנ“א מהשרידים של דופן התא וּמֵרְכִיבִים אחרים של התא, כמו חלבונים. חשוב לזכור שהתוצאה היא תערובת של דנ”א מכל סוגי החיידקים השונים שהיו בדגימת המים.

כאשר נשארה לנו תערובת של דנ“א נקי, השתמשנו בשיטה הנקראת מֶטַגֶנוֹמיָה (Metagenomics) – חֵקֶר של חומר גנטי שנלקח מהסביבה – כדי לבדוק אלה חיידקים נמצאים במי הנהר ואלה תפקידים הם ממלאים שם. הכנסנו את הדנ”א למכשיר רִיצוּף, הקורא את רצף הדנ“א של כל דגימה ורושם אותו. את הָרְצָפִים האלה השווינו לאֵלה שכבר מופיעים ברשימה של מיני חיידקים מוכּרים. יש רצָפים של דנ”א שלא השתנו עם האבולוציה במשך תקופה ארוכה מאוד. הם נקראים רצָפים שמורים. שינויים קטנים ברצף הבסיסים של הרצפים השמורים עוזרים לנו להבדיל בין מיני חיידקים שונים. לפי רצפי הדנ“א אפשר לדעת אלה חיידקים נוכחים בדגימות מים. אפשר לומר שזאת ”רשימת נוֹכְחוּת“ לחיידקים.

אפשר להיעזר בדנ”א גם כדי לדעת מה התפקידים של חיידקים שונים בסביבתם. הדנ“א הוא מעין ”חוברת הפעלה“, שאם קוראים אותה אפשר להבין מה החיידקים מסוגלים לעשות [5]. ”הוראות ההפעלה“ האלה מסבירות לכל מין של חיידק אלה משימות הוא יכול לבצע, למשל איך למצוא מזון, ואלה סוגי מזון מתאימים לו. כדי לצרוך סוגים שונים של מזון, דרושות הוראות שונות. בדנ”א של חיידקים המייצרים מזון באמצעות אור שמש (כלומר מבצעים פוטוסינתֶזה) יש הוראות שונות מאשר אצל חיידקים המפרקים חומר אורגני מורכב, כמו עץ. מדענים חוקרים את התפקידים השונים שחיידקים צריכים למלא כדי למחזר חומרי מזון בסביבה מסוימת, וכך מבינים טוב יותר את חשיבותם של החיידקים במארגי המזון בנהרות.

הצוות שלנו שואף להבין איך חיידקי נהר מגיבים לשינויים בסביבה, בייחוד בשלב מוקדם, לפני שהשינויים משפיעים גם על חיות גדולות יותר במארג המזון. היינו בין הראשונים שחקרו חיידקים בנהר בשיטה מטגנומית, בעזרת מסננים בצפיפויות שונות. הודות לממצאים שלנו יכולים מדענים אחרים לדעת יותר על מיני החיידקים בנהר – גם אלה הנצמדים לחלקיקים וגם אלה השוחים באופן חופשי – ועל תפקידיהם השונים. יֶדַע על החיידקים שבבסיס מארג המזון יאפשר לנו לזהוֹת השפעות שליליות של שינויים סביבתיים בנהרות, ואולי אף למנוע אותן. יש לקוות שבזכות חֵקֶר החיידקים ותפקודם בסביבת המחיה שלהם נוכל לְאַתֵּר בשלב מוקדם שינויים במארג המזון, וכך לצמצם את הסיכוי שישפיעו לרעה ולאורך זמן על אורגניזמים אחרים בסביבה. בעזרת המטגנומיה יכולים מדענים לקבל החלטות נכונות יותר כדי לשמור על בריאותן של סביבות מחיה בנהרות – לטובת בני אדם כמו גם לטובת יצורים חשובים אחרים כגון דגים ועופות.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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


מקורות

[1] Fortunato, C. S., Eiler, A., Herfort, L., Needoba, J. A., Peterson, T. D., and Crump, B. C. 2013. Determining indicator taxa across spatial and seasonal gradients in the Columbia River coastal margin. ISME J. 7, 1899. doi: 10.1038/ismej.2013.79

[2] Maranger, R., and Bird, D. F. 1995. Viral abundance in aquatic systems: a comparison between marine and fresh waters. Mar. Ecol. Prog. Ser. 121, 217–226. doi: 10.3354/meps121217

[3] Crump, B. C., Baross, J. A., and Simenstad, C. A. 1998. Dominance of particleattached bacteria in the Columbia River estuary, USA. Aquatic Microb. Ecol 14, 7–18. doi: 10.3354/ame014007

[4] Smith, M. W., Allen, L. Z., Allen, A. E., Herfort, L., and Simon, H. M. 2013. Contrasting genomic properties of free-living and particle-attached microbial assemblages within a coastal ecosystem. Front. Microbiol. 4:120. doi: 10.3389/fmicb.2013.00120

[5] Markowitz, V. M., Ivanova, N. N., Szeto, E., Palaniappan, K., Chu, K., Dalevi, D., et al. 2007. IMG/M: a data management and analysis system for metagenomes. Nucleic Acids Res. 36(Suppl 1), D534–D538. doi: 10.1093/nar/gkm869