רביית אורגניזמים החיים באדמה

כל האורגניזמים החיים מתרבִּים במטרה לייצר צאצאים חדשים. כמעט כל האורגניזמים, ובכלל זה בני אדם, משתמשים בצורה מסוימת של יחסי מין כדי להתרבּוֹת. ברבייה מינית, נוצר איחוד בין תא ביצה (ביצית) המיוצר על ידי הנקבה, לבין תא זרע המיוצר על ידי הזכר. התוצאה היא זִיגוֹטָה, המתפתחת לכדי צאצא ייחודי. כל צאצא הוא תערובת של הוריו, כיוון שהוא יורש את מחצית הדנ''א שלו מאימו, ואת המחצית האחרת מאביו. הצאצאים החדשים גדֵלים, מתבגרים, מוצאים שותף או שותפה, ולבסוף מייצרים צאצאים בעצמם. זה מעגל החיים.

באדמה חיים סוגים רבים של אורגניזמים, בעלי מִגוון דרכים להתרבּוֹת. לדוגמה, תולעי אדמה הן סוג של אורגניזם המכונה הֶרְמָפְרוֹדִיט, כלומר לתולעת אחת יש איברי רבייה זכריים ונקביים כאחד. תולעי אדמה מתרבּוֹת ברבייה מינית – אם שתי תולעים נפגשות, הן מחליפות תאים – תאי זרע של תולעת אחת מתאחדים עם תאי הביצה של התולעת האחרת (איור 1A). כיוון שלכל תולעת ממין זה יש איברי רבייה זכריים ונקביים גם יחד, תולעי אדמה אינן צריכות לחשוש כי לא ימצאו שותף מהמין ההפוך, היות שתמיד תהיה התאמה. תולעי אדמה משתייכות לקבוצה של אורגניזמים החיים באדמה, המכונה מַקְרוֹ-פָאוּנָה (מקרו = גדול, פאונה = עולם החי). קבוצה זו כוללת את כל החיות שגודלן עולה על 2 מילימטרים. בהשוואה לרוב האורגניזמים של אדמה, מקרו-פאונה נחשבים ענקי-אדמה.

מַרבּית האורגניזמים שחיים באדמה משתייכים לקבוצת המִּיקְרוֹ-פָאוּנָה, אשר גודלם קטן מ-0.1 מ''מ. רובם אורגניזמים חד-תאיים המכונים פְּרוֹטִיסְטִים. הם כה קטנים, שחֹפֶן אחד של אדמה מכיל יותר פרוטיסטים מאשר בני אדם הקיימים בכל העולם. לצורך רבייה, הפרוטיסטים כלל אינם זקוקים לשותפים. ישנם פרוטיסטים המתרבים באמצעות רבייה אל-מינית (אל-זוויגית), על ידי ייצור 'עותקים' מדויקים של עצמם בתהליך המכונה חלוקה בינארית. ראשית, הם משכפלים את כל החומר הגנטי שלהם, ולאחר מכן, תא אחד מתחלק לשניים (איור 1B). כאשר חוזרים על כך כמה פעמים, עותקים זהים רבים של אותו פרט מאכלסים את האדמה באופן עצמאי.

קבוצה נוספת של אורגניזמים החיים באדמה ידועה בשֵׁם מֶזוֹ-פָאוּנָה, והיא כוללת את כל חיות האדמה שגודליהן נעים בין 0.1 ל-2 מ''מ. האורגניזמים המשתייכים לקבוצה זו כוללים קְפִיץ-זַנְבָאִים (קְפָזַנְבָאִים) וקרדיות אוריבטידה, הידועות גם כ'אוֹרִיבָּטִידות'. האורגניזמים הללו נפוצים מאוד, וממלאים תפקיד חשוב במארג המזון באדמה. הם גוֹרסים חומר אורגני מת שמקורו בצמחים, ומנגישׁים את חומרי ההזנה לאורגניזמים אחרים, בכלל זה לחיידקים ולפטריות. אלה, בתורם, נאכלים על ידי אורגניזמים אחרים החיים מתחת לפני הקרקע. אוריבטידות רבות חיות במִקְבְּצֵי אוכלוסייה נקביים בלבד, ועושות זאת כבר מיליוני שנים. אין להן צורך לקיים יחסי מין כדי להִתרבּוֹת, כיוון שהן יכולות להטיל ביצים המתפתחות ללא הפריה מִזָּכָר, בתהליך המכונה רְבִיַּת בְּתוּלִים (איור 1C). כל ביצית מכילה רק את הדנ''א של הָאֵם. משמעות הדבר היא שהצאצאים הם שיבוטים של האם.

יתרונות של רבייה אל-מינית

העתקה או שיבוט של אורגניזם מסוים נדמית קלה הרבה יותר מאשר למצוא שותף, אך לרבייה אל-מינית ישנם אף יתרונות נוספים. אם עוקבים אחרי אוכלוסייה מינית ואל-מינית לאורך זמן, מתגלים שני הבדלים מהותיים. נקבה אל-מינית מייצרת רק בנות, והבנות הללו שוב מייצרות רק בנות, כשהן מתרבּוֹת. לעומת זאת הנקבות המיניות חייבות לייצר בנים כדי לְהַפְרוֹת את הביצים – אך רק בנות יכולות לייצר צאצאים. לכן, אפילו אם נקבות מיניות ואל-מיניות מייצרות אותו מספר של צאצאים, לנקבה האל-מינית יש יותר בנות, כלומר יותר צאצאים שיכולים להתרבּוֹת.

במהלך הזמן, האוכלוסייה האל-מינית גדֵלה הרבה יותר מהר, ועשויה 'לְנַצֵּחַ' את האוכלוסייה המינית, מבחינה מספרית גְּרֵידָא (איור 2). מדענים מכנים זאת 'מחיר הַזְּכָרִים'. נוסף על גידול אוכלוסייה מהיר יותר, נראה כי לרבייה אל-מינית יש יתרונות נוספים: היא אינה מעבירה מחלות בצורה מינית; אין אובדן אנרגיה, ואין סיכוי להיאכל על ידי טורפים בזמן שמנסים למצוא שותף להתרבּוּת.

מה הטעם ביחסי מין, אם אין בהם צורך למטרת רבייה?

אם יש דרכים מוצלחות לרבייה אל-מינית, מדוע אֵיקַרְיוֹטִים טורחים בתהליך רבייה מורכב ומסוכן, הַגּוֹבֶה מֵהֶם מחיר? יותר מ-98% מכל החיות מתרבּוֹת בצורה מינית. הדבר מלמד על כך שלרבייה מסוג זה יש יתרונות ברורים על פני רבייה אל-מינית. לכן, מדענים מנסים להסביר את היתרונות של יחסי מין, בעיקר על ידי בחינה של בעיות אפשריות כאשר לא מקיימים יחסי מין. חיסרון אחד לרבייה אל-מינית שעליו הצביעו מדענים קשור למוּטַצְיוֹת. מוטציות הן שינויים בדנ''א, ומהוות גורם חשוב לגיוון בקֶרֶב אורגניזמים. מִדֵּי פעם, למוטציות יש יתרון; לפעמים הן מזיקות מאוד, וברוב המקרים הן מזיקות מעט. כאשר אורגניזם משכפל את עצמו כל הזמן, המוטציות המזיקות מעט ממשיכות להצטבר לאורך הדורות, וגורמות ליותר ויותר נזק. כאשר יש מספיק הצטברות, המוטציות הללו עלולות להוביל להכחדַת הזן. דבר זה אינו מתרחש באורגניזמים מיניים, כיוון שהורה אחד יכול 'לְפַצּוֹת' על המוטציות המזיקות של ההורה האחר. חִשְׁבוּ על שני זוגות אופניים – אחד עם תֶּקֶר בצמיג, והאחר עם דוושה שבורה. כשמְשלבים חלקים מהשניים, עדיין יכולים להתקבל אופניים שְׁמישׁים. עדיף שיהיה לנו זוג אחד של אופניים מְתפקדים לחלוטין, מאשר שני זוגות מְתפקדים-חלקית. ישנם מדענים הטוענים כי מנגנון התיקון הזה הוא יתרון מהותי של רבייה מינית על פני רבייה אל-מינית.

יתרה מזו, כאשר יוצרים רק עותקים או שיבוטים, משמעות הדבר היא שהאורגניזם יישאר כמו שהוא במשך דורות רבים, מה שמוביל לבעיות כאשר הסביבה משתנה. לדוגמה, זְמִינוּת משאבים מסוימים, כמו מזון, עשויה להשתנות עם הזמן, עקב גורמים דוגמת שינויי אקלים או נוֹכחוּת של אורגניזמים המתחרים על אוכל. מזון עשוי לְפַתֵּחַ מנגנוני הגנה, כמו לאזול מהר יותר, או להיהפך רעיל. טַפִּילִים גם עלולים להוות בעיה. מאחר שכל הפרטים באוכלוסייה אל-מינית דומים מאוד, לא יהיו ביניהם הבדלים קטנים שיוכלו לסייע להם להסתגל מספיק מהר לסביבה המשתנה תמיד, ולכן, בסופו של דבר הם ייכחדו. המשמעות היא כי לצאצאים שנוצרו ברבייה מינית יש סיכויי הישרדות גבוהים יותר, פשוט משום שהם שונים מהדוֹרוֹת שקדמו להם. נדמה כי זה מצביע על כך שכל האורגניזמים האל-מיניים אמורים להיכחד בטווח הארוך. אך, כיוון שאנו יודעים כי כל כך הרבה אורגניזמים אל-מיניים משׂגשׂגים באדמה, עולה השאלה – האם באמת נגזר על האורגניזמים האל-מיניים למות?

מה גֶּנִים יכולים לגלות לנו על אודות רבייה אל-מינית?

קבוצות המחקר שלנו חוקרות את קרדיות האוריבטידה החיות באדמה, משום שזנים רבים אל-מיניים שלהן שורדים באדמה ללא זכרים זה מיליוני שנים. אנו מנתחים את הגֶּנים של זני קרדיות אוריבטידה מיניות ואל-מיניות, הואיל והגנים יכולים לגלות לנו מה אירע לאורגניזמים בעבר. דַּמְיְנוּ את הגֶּנים כיומן של רַב-חוֹבֵל, שבו תועדו דברים חשובים שקרו לאורגניזם בעבר, והועברו לדורות הבאים. אנו עדיין יכולים לראות את החסרונות של רבייה אל-מינית ביומנים הללו. אם נשווה בין יומנים של קרדיות אוריבטידה המִּתרבּוֹת באופן מיני, ליומנים של אלו המִּתרבּוֹת באופן אל-מיני, נוכל להבין אֵילוּ מהבעיות שאותן מנינו קודם התרחשו, וכיצד באו על פתרונן. כיוון שאנו עורכים השוואה בין שני סוגים דומים מאוד של קרדיות, רוב הגֶּנים דומים מאוד. אך עבוּר גנים מסוימים, נוכל לזהוֹת הבדלים אשר ודאי נגרמים מההשלכות של מנגנוני הרבייה השונים.

בניגוד לתיאוריות שמדענים הציגו, מצאנו כי מינים אל-מיניים לא צוברים יותר מוטציות מזיקות מאשר מינים מיניים (איור 3) [1]. הם לא צריכים לשלֵּב שני זוגות אופניים מקולקלים כדי לקבל זוג אחד מְתפקד, כיוון שהם דואגים לתפקוד האופניים מלכתחילה. מצאנו גם שקרדיות אל-מיניות אכן שומרות על היכולת להשתנות, באוכלוסיות הגדולות שלהן [2]. הגנים בשושלות נפרדות של אימהות-בנות שונים זה מזה כמו אצל פרטים ש'מערבבים' גֶּנים על ידי רבייה מינית.

לבסוף, מצאנו כי גֶּנים של שתי אוכלוסיות (או יותר), של קרדיות אוריבטידה אל-מיניות, יכולים להיות מגוונים כמו גֶּנים של זנים מיניים. כלומר, קרדיות אוריבטידה אל-מיניות לא נשארות בדיוק אותו דבר על פני דורות רבים, ולכן הן יכולות להסתגל לסביבות חדשות, ואפילו מסוגלות להתפצל מהשושלת, ולהתפתח לכדי זנים חדשים [3].

מדוע זה חשוב?

ישנן דרכים רבות לייצר צאצאים, והן לא תמיד כוללות יחסי מין. בתיאוריה, זנים אל-מיניים צפויים להיכחד. עם זה בטבע, ישנם אורגניזמים אל-מיניים שונים, ששורדים למרות הכול. חייבות להיות דרכים להתגבר על החסרונות של חוסר-מיניוּת, כפי שראינו במקרה של הקרדיות האוריבטידיות האל-מיניות. אך כיצד הן עושות זאת? האם יש להן מנגנונים מיוחדים לתיקון מוטציות? האם עליהן לקיים אוכלוסייה גדולה כדי לשמֵּר את המגוון הגנטי? האם קל יותר להיות אל-מיניים אם ניזונים ממקור מזון מת, שלא יכול לפתֵּח אסטרטגיות הגנה שאליהן צריך להסתגל? אחד האתגרים העתידיים שלנו הוא למצוא את המנגנונים המשותפים לרוב האורגניזמים האל-מיניים. מדענים ממשיכים לחקור זוגות אורגניזמים קשורים, אשר אחד מהם מיני והאחר אל-מיני, כדי לשפוך אור על מגוון מנגנוני הרבייה, ולנסות למצוא תשובה לשאלה 'למה יחסי מין הם כה נפוצים?'.

מילון מונחים

רְבִייָּה מינית (Sexual Reproduction): ↑ מנגנון רבייה המצריך תא ביצה של נקבה, ותא זרע של זכר. הצאצא הוא פרט ייחודי אשר נושא את מחצית הדנ''א של כל אחד מהוריו.

זִיגוֹטָה (Zygote): ↑ תא שנוצר כתוצאה מאיחוד תא זרע של זכר עם תא ביצה של נקבה. כלומר, זיגוטה היא ביצית מופרית.

הֶרְמָפְרוֹדִיט (Hermaphrodite): ↑ פרט של אורגניזם שיכול לייצר הן תאי ביצה הן תאי זרע. עקרונית, זהו אורגניזם שהוא זכר ונקבה בו בזמן.

פְּרוֹטִיסְטִים (Protist): ↑ אורגניזמים חד-תאיים שהם אֵיקַרְיוֹטִים (ראו להלן במילון המונחים). רבים מהם ניזונים מחיידקים. הם משחררים חנקן עודף, וכך מְספקים חומרי הזנה חיוניים לצמחים ולאורגניזמים אחרים.

רבייה אל-מינית (Asexual Reproduction): ↑ כל סוג של מנגנון רבייה לייצור צאצאים ללא איחוד בין תא ביצה לבין תא זרע (מנגנון זה מכונה גם גָּמֶטָה). הצאצאים זהים להורים ו/או זה לזה.

חלוקה בינארית (Binary Fission): ↑ תא המתחלק לשני תאים בגודל שווה, לאחר שכפול החומר הגנטי שלו. שני הפרטים נוצרים מתא-הורה אחד, כלומר, בַּת אחת, ותא-הורה אחד.

רְבִיַּת בְּתוּלִים (Parthenogenesis): ↑ צורת רבייה אל-מינית, במסגרתה צאצא מתפתח מתא ביצה לא מופרה.

אֵיקַרְיוֹטִים (Eukaryotes): ↑ יכולים להיות חיות או צמחים; אורגניזמים חד-תאיים כמו פרוטיסטים ופטריות. אלו הם תאים מורכבים, שבהם החומר הגנטי מסודר בגרעין התא.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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

תודות

תודה ל- Mascha Gavrik על הערותיה רבּוֹת הָעֵרֶךְ לכתב היד.