וירוסים נמצאים בכל מקום, אפילו באוקיינוסים

כולנו שמענו על וירוסים, ויודעים כי הם גורמים למחלות כמו למשל שפעת, אֶבּוֹלָה, אבעבועות שחורות וכמובן מחלת הנשימה שמחולל נגיף הקורונה – COVID-19. מה שפחות ידוע לרוב הוא שווירוסים לא רק גורמים למחלות אצל בני אדם – הם נמצאים בכל מקום, ומדביקים בעיקרו של דבר כל צורת חיים ידועה. חשוב מכך, וירוסים משפיעים לא רק על בריאותם של היצורים שהם מדביקים, אלא גם על המערכת האקולוגית כולה. למעשה, וירוסים הם תורם חשוב למִחְזוּר של יסודות כמו למשל פחמן, חנקן וזרחן. וירוסים הם גם סוכנים של שינוי ושל חידוש, שמשפיעים על הגנטיקה ועל האבולוציה של האורגניזמים המאכסנים שלהם, ומגדילים את המגוון הביולוגי של המערכות האקולוגיות שבהן הם נמצאים.

אנו יודעים הרבה על אקולוגיה של וירוסים שנמצאים באוקיינוס. במשך כ-20 השנים האחרונות, למדנו רבּוֹת על וירוסים שמדביקים מיקרו-אצות חד-תאיות שנקראות פִיטוֹפְּלַנְקְטוֹן, אשר חיות ב-200 המטרים העליונים של האוקיינוסים, שאליהם אור השמש יכול לחדור. פיטופלנקטון ידועים בתור ''צמחים של הים'' – הם אחראיים על כמחצית מהפוטוסינתזה בכדור הארץ, ומספקים מזון לאורגניזמים ימיים רבִּים, מחיידקים ועד לווייתנים. בשל החשיבות האקולוגית של פיטופלנקטון, הווירוסים שמשפיעים עליהם נחקרו לעומק (איור1) [2, 1].

מהו וירוס?

וירוסים יכולים להיחשב כנָנוֹ-מכונות ביולוגיות בעלי מטרה אחת – להתרבּוֹת. כל הווירוסים מורכבים מ''קופסה'' חיצונית עשויה חלבונים שנקראת קפסיד, אשר מגינה על הדנ''א או הרנ''א שיוצרים את הגֶנוֹם של וירוסים. לעיתים הקפסיד מוקף על ידי מעטפה שנייה שמכילה גם מולקולות שומן. זו הסיבה לכך ששטיפת ידיכם בסבון הורסת חלק מהווירוסים לרבּות וירוס SARS-COV-2 שגורם למחלת הקורונה – פעולה זו ממוססת את שכבת השומן בווירוס. וירוסים אינם מדביקים כל תא שהם פוגשים. הם צריכים לפגוש את המארח המתאים, שאותו הם מזהים באמצעות מולקולות ספציפיות על פני השטח של תא המארח, שנקראות קולטנים. כאשר וירוס פוגש את המארח שלו, או שהוא נכנס לתא או שהוא מזריק את הגנום שלו לתוכו. כעת הווירוס הוא רק קליפה ריקה, אך הגנום שלו הוא כמו קוד זדוני שמשתלט על התא המארח, ומאלץ אותו להפוך למפעל לייצור וירוסים חדשים. כאשר הווירוסים החדשים מורכבים בתוך המארח ומוכנים להדביק תאים חדשים, הם משוחררים, בעוד שהתא המארח לעיתים קרובות מתפוצץ ומת.

וירוסים רבים הם די פשוטים, בעלי קוד זדוני שכולל מספר מועט ביותר של ''פקודות'' (גֶּנִים בגֶנוֹם). חלק מהפקודות האלה מכבות את התהליכים הטבעיים בתוך התא, בעוד שפקודות אחרות מורות לתא להפיק את אבני הבניין שמרכיבות וירוסים חדשים – הגנום הוויראלי; החלבונים שבונים את הקפסיד, ולעיתים שכבת השומן.

אולם, מדענים מצאו שחלק מהווירוסים מורכבים הרבה יותר. כך, לחלק מהווירוסים הימיים יש גֶּנים שמאפשרים להם לשנות תהליכים תאיים, כמו למשל פוטוסינתזה; ייצור של רכיבי תא מסוימים, או את הדרכים שבהן תאים חשים את סביבתם [1]. זה הוביל להשערה שלפיה וירוסים רבים לא רק מכבים את תאי המטרה שלהם. הקוד הזדוני של הווירוס משתלט על מרכז הבקרה של התא שנדבק, משנה את האופן שבו המנגנון התאי פועל, והופך את התא המארח לתא וירוס בן-כלאיים שנקרא virocell. ה-virocell מתוכנת להישאר בחיים מספיק זמן כדי לייצר וירוסים בכמות הַמְּרַבִּית שניתן [2].

''מרוץ חימוש'' בין וירוסים ותאים

הווירוסים יכולים להיות טַפִּילִים מפחידים – הם משתלטים על התא המארח וגורמים לו להיות virocell ''זוֹמְבִּי''. אך התאים המארחים לא רק יושבים מנגד – הם נלחמים חזרה (איור 2). לדוגמה, חלק מהתאים מייצרים מבנים זעירים דמויי-תאים שעשויים להוות מלכודות עבור וירוסים. אז, במקום להדביק את התא האמיתי, וירוסים תוקפים את המלכודות. דרך שכיחה אחרת שבה התאים המארחים נמנעים ממתקפת וירוס היא באמצעות שימוש בהסוואה. תאים מארחים עשויים לשנות את הקולטנים על פני השטח שלהם באופן כזה שהווירוס כבר לא יכול לזהות את התא כמארח אפשרי [3].

חיידקים גם יכולים לנסות להגן על עצמם אחרי שהווירוס הזריק את הקוד המרושע שלו, כדי למנוע ייצור של וירוסים חדשים. לדוגמה, חיידקים עשויים לְפָרֵק את הגנום הוויראלי לפיסות קטנות, ובכך לעצור את הווירוס מהשתלטות על התא. לבסוף, חלק מהתאים ''מתאבדים'' כשהם מבינים שווירוסים השתלטו עליהם. אם התאים מתים מספיק מהר, הווירוסים החדשים עשויים שלא להספיק להרכיב את עצמם ולהיות מוכנים להדביק תאים חדשים.

מאחר שמדובר במרוץ חימוש, הווירוסים גם מפתחים דרכים להתנגד להגנות של התאים. כאשר התא המארח משנה את הופעתו, וירוסים יכולים להתפתח במטרה לזהות קולטנים חדשים על המארח המוסווה. לעיתים, הווירוס אפילו עשוי להתפתח במטרה לזהות מארחים חדשים שלא יכול היה לזהות קודם. זה ככל הנראה מה שקרה עם וירוס SARS-COV-2 שגורם למחלת הקורונה. במקרה הזה, הווירוס ששימש להדבקת עטלפים או פַּנְגּוֹלִינִים רכש את היכולת להדביק בני אדם. נוסף על כך וירוסים יכולים לעיתים לפלוש למערכת החיסון של המארח, לדוגמה על ידי ייצור חלבונים שמתערבים במנגנוני ההגנה של התא. כדי לשרוד, המארח יצטרך גם להשתנות, במטרה לוודא שמערכת החיסון שלו יכולה לזהות את הווירוס ולעצור אותו. מרוץ החימוש הזה בין וירוסים לתאים מארחים הוא מתמשך, כאשר כל צד מסתגל ומשתנה בתגובה לאסטרטגיות של היריב.

וירוסים כסוכנים של שינוי ומגוון

מרוץ החימוש המתמשך בין וירוסים לבין התאים המארחים שלהם עשוי להידמות לתהליך הרסני, אך כמו דוגמאות אחרות בטבע, תהליך הרסני יכול להביא חיים חדשים. ממש כפי ששריפת יער יכולה באופן פוטנציאלי לאפשר לעצים חדשים ו שונים לגדול, כך וירוס שמדביק והורס אוכלוסייה של חיידקים או פיטופלנקטון יכול לאפשר לאורגניזמים אחרים לגדול במקומם. בתהליך הזה, וירוסים לעיתים קרובות מדביקים את האורגניזמים הנפוצים והמצליחים ביותר, מאחר ששפע גדול משמעותו שקל יותר למצוא תאים מארחים להדבקה. כאשר מארח נפוץ במיוחד נהרג על ידי וירוסים, לאורגניזמים הנדירים יותר יש כעת מספיק מרחב ומזון כדי לגדול, כשהתוצאה היא עלייה במגוון הביולוגי.

לווירוסים יש דרך נוספת להגדיל מגוון – הם גורמים להחלפת גנים בין אורגניזמים. כאשר וירוסים מורכבים בתוך תא מאכסן, לעיתים הם אורזים בטעות פיסות של דנ''א מהתא המאכסן אל תוך הקספידים שלהם, במקום לארוז את הדנ''א שלהם. כאשר הווירוסים ה''מקולקלים'' האלה מדביקים תא חדש הם לא יכולים להרוג אותו, מאחר שאין להם את הקוד הזדוני השלם שלהם להזריק. במקום זאת, הם מזריקים את ה דנ''א שהם ארזו מהמארח הקודם שלהם, אשר יכול להיות משולב לתוך הקוד של התא המאכסן החדש – זה יכול להוביל לשינוי גנטי אצל המאכסן. למעשה, כ-8% מהדנ''א האנושי שלנו מורכב מפיסות עתיקות של דנ''א שהגיעו מווירוסים קדומים (שנקראים וירוסים מאובנים). הווירוסים המאובנים האלה מעורבים בתהליכים חשובים בגופנו [4].

השפעותיהם של וירוסים ימיים על שרשראות מזון ומיחזור של יסודות

וירוסים עשויים להיות זעירים – קטנים יותר מפי 1,000 מעובי שערה אנושית – ובכל זאת, כשהם מדביקים תאי פיטופלנקטון, וירוסים יכולים להשפיע על מארג המזון הימי כולו, וכן על מִחְזוּר של יסודות, כמו למשל פחמן, חנקן וזרחן (איור 3). כאשר פיטופלנקטון מבצעים פוטוסינתזה, הם מנצלים את אנרגיית השמש כדי להפוך פחמן דו-חמצני (CO₂) ומים לסוכר ולחמצן. התהליך הזה מייצר חמצן ומסיר פחמן דו-חמצני מהאטמוספרה. חמצן חיוני למרבית היצורים החיים, ופחמן דו-חמצני הוא גז חממה. הסוכר שמיוצר מהפחמן הדו-חמצני בתהליך הפוטוסינתיזה משמש ליצירת מולקולות ביולוגיות אחרות, כמו למשל חלבונים. חלבונים אלה משמשים כמזון עבור המערכת האקולוגית הימית כולה לרבּוֹת דגים, זוֹאוֹפְּלַנְקְטוֹן, לווייתנים ובני אדם. באופן זה, הפחמן מהאטמוספרה הופך לחלק משרשרת המזון (איור 3). כאשר וירוסים הורגים את הפיטופלנקטון המאכסנים שלהם, הם עשויים להפריע לתהליך הזה על ידי שחרור תוצרים פוטוסינתטיים למים הסובבים. שחרור זה מונע מחיות גדולות יותר לצרוך פיטופלנקטון, ובאופן פוטנציאלי יכול להפחית את כמות הפחמן שנע במַעֲלֵה שרשרת המזון. מִדֵּי יום, מתרחשות כ-10²⁸ הדבּקות ויראליות באוקיינוסים בעולם (1 שאחריו 28 אפסים, או 10 אוקטיליון) [2]. הדבּקות אלה משחררות עד למיליארד טונות של פחמן מִתָּאִים באופן יומיומי. אף על פי שכל תא פיטופלנקטון הוא זעיר, ההשפעה שיש להם על כדור הארץ שלנו היא עצומה.

לעיתים, כאשר וירוסים הורגים את הפיטופלנקטון המאכסנים שלהם, הם יכולים לעודד את גדילתם של פיטופלנקטון וחיידקים אחרים. הסיבה לכך היא שכאשר תא שנדבק על ידי וירוס ''מתפוצץ'', הוא יכול לשחרר יסודות, כמו חנקן וזרחן, שאז נעשים זמינים עבור פיטופלנקטון וחיידקים אחרים, שיכולים למחזר אותם ולהשתמש בהם עבור גדילה.

לבסוף, כאשר פיטופלנקטון, חיידקים וחיות מתים באוקיינוסים, חלק מהחומר שמרכיב את הגוף שלהם שוקע אל קרקעית האוקיינוס. זה כולל את הפחמן הדו-חמצני שבמקור נלקח על ידי פיטופלנקטון, מה שתורם להסרה יעילה של גז החממה הזה מהאטמוספרה, ומפחית את ההתחממות הגלובלית. כאשר וירוסים הורסים פיטופלנקטון, תאי הפיטופלנקטון מפורקים לפיסות קטנות יותר שלעיתים רחוקות שוקעות, ואינן זמינוֹת לצריכתן של חיות גדולות יותר. לכן, וירוסים ימיים ככל הנראה מפחיתים את כמות הפחמן הדו-חמצני שמועבר לקרקעית האוקיינוסים, ובכך משפיעים לא רק על חייהם של התאים שהם מדביקים, אלא גם על שרשרת המזון הימית כולה וייתכן שאפילו על אקלים כדור הארץ שלנו [5, 2].

מרוץ חימוש בטיפת מים

בפעם הבאה שתלכו לחוף הים, או לאגם, נהר, או מעיין, זכרו שכל טיפת מים שופעת חיים מיקרוסקופיים, כמו למשל פיטופלנקטון וחיידקים, לצד הווירוסים שלהם. בתוך כל טיפת מים מתקיים מרוץ חימוש מתמשך בין הווירוסים למאכסניהם, שמביא עימו מוות, אך גם גדילה ומגוון. וירוסים ימיים הם חלק ממחזוֹר חיים ומוות טבעי באוקיינוס. בכך יצורים זעירים אלה יכולים להיות שחקנים מרכזיים בבריאוּת כדור הארץ שלנו.

מילון מונחים

מארח (Host): ↑ יצור שבו וירוס יכול להתרבּוֹת. כל וירוס מתרבה רק במאכסן אחד או בכמה מאכסנים קשורים. המאכסן צריך להכיל את הקולטנים הנכונים שאותם הווירוס יכול לזהות.

פיטופלנקטון (Phytoplankton): ↑ אורגניזמים מיקרוסקופיים שמקבלים את האנרגיה שלהם מהשמש על ידי פוטוסינתזה. הם רכיב חשוב בכל שרשרת מזון ימית.

קספיד (Capsid): ↑ קליפה חלבונית שמגינה על החומר הגנומי של וירוס, במהלך חיפושו אחר מארח חדש להדבקה.

גנום (Genome): ↑ הַסֶּט השלם של הוראות שנדרשות כדי לבנות אורגניזם ולשמרוֹ. כל סט הוראות מאוחסן בגן. הגנום הוויראלי מורכב מדנ''א או מרנ''א.

קולטנים (Receptors): ↑ מגוון מולקולות על פני השטח של תאים, שעשויות לשמש כאותות זיהוי על ידי וירוסים. כל וירוס מזהה קולטן מסוים (או קולטנים ספציפיים) על פני השטח של המארח שלו.

מרוץ חימוש (Arms Race): ↑ מחזוֹר מתמשך שבו טורף מְפַתֵּחַ יתרון על הַטֶּרֶף שלו, מְלֻוֶּה בכך שהטרף מְפַתֵּחַ את היתרון שלו, וכן הלאה.

מארג מזון (Food Web): ↑ רשת של אורגניזמים שאוכלים זה את זה, כך שהאנרגיה והיסודות זורמים דרך השרשרת, מהטֶרֶף לטורפים.

זואופלנקטון (Zooplankton): ↑ אורגניזמים קטנים מאוד שחיים בסביבות מחיה ימיות. הם ניזונים מפיטופלנקטון, מחיידקים או מזואופלנקטון אחרים. מיקרו-זואופלנקטון מורכבים מתא אחד. זואופלנקטון גדולים יותר יכולים להגיע לגודל של כמה מילימטרים.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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

תודות

אנו מודים לשַׂרִי ערן הרשקוביץ' על סבלנותה וכישרונה בציור האיורים עבור המאמר. אנו מבקשים להודות גם לעינב ולעידן גרטן, לאלון ולמעין שֵׁר, לארי האריס, ולגאיה סגרה' על הצעותיהם המצוינות הרבּות, ולניצן שר על בדיקת הגרסא העברית.