תַקצִיר
מיקרואורגניזמים חיים בכל מקום בכדור הארץ – על גבי חיות ובתוכָן; על צמחים; בתוך האדמה ובמים. הם גם משגשגים בסביבות תת-קרקעיות. בני אדם מבקרים לעיתים קרובות במערכות אקולוגיות תת-קרקעיות, כמו מערות ומִכרות. מיקרואורגניזמים מעניינים רבים התפתחו בצורה המאפשרת להם לשרוד במערכות האקולוגיות העוינות הללו, אשר בדרך כלל עניוֹת בחומרי מזון. כדי להתחרוֹת במיקרואורגניזמים אחרים על חומרי מזון, חלקם מייצרים סוגים שונים של אנטיביוטיקה – חומר שיכול להרוג סוגים מסוימים של חיידקים. אנו מכירים את האנטיביוטיקה כחומר המסייע לרפא זיהומים ולשמור על בריאותם של אנשים ושל בעלי חיים. אולם אנו זקוקים לסוגי אנטיביוטיקה חדשים, משום שישנם חיידקים המפתחים עמידוּת לסוגי האנטיביוטיקה שיש כיום בנמצא. חשוב לשמור על המערות והמכרות ולהגן עליהם מפני נזק שבני אדם עלולים להסב להם, כדי שנוכל להמשיך לחקור את המיקרואורגניזמים שחיים במערכות האקולוגיות המרתקות הללו. חלק מהמיקרואורגניזמים האלה עשויים לייצר סוגי אנטיביוטיקה שטרם התגלו, אשר יוכלו לרפא מחלות אנושיות!
מערות ומִכרות – עולם מרתק
בספר 'הרפתקאות אליס בארץ הפלאות', כתב הסופר לוּאיס קָרוֹל: ''אליס פתחה את הדלת ומצאה שהיא הובילה למַעֲבָר קטן, לא גדול בהרבה מחור-עכברוש; היא כרעה על ברכיה והסתכלה אל תוך המַּעבר, שבסופו נגלתה בפניה הגינה היפה ביותר שראתה מעודה.'' אולי הגינה היפה של אליס הייתה למעשה מערה או מכרֶה? כשאנו מבקרים במערות ובמכרות נפרשׂ בפנינו עולם מרתק, המלא בתצוּרוֹת מינרלים צבעוניות ומוזרות; המשתלשלות מהתקרה (נְטִיפִים) או 'צומחות' מהקרקע (זְקִיפִים) (איור 1A–C). תצורות המינרלים הללו נוצרות כאשר מים מחלחלים דרך תקרת המערה ומתאדים לאט מאוד, על פני תקופה של אלפי שנים. הנטיפים והזקיפים עשויים מינרלים אשר גם מַקְנִים להם את צבעם, כאשר המים המטפטפים מתאדים.
- איור 1 - נטיפים וזקיפים במִכרות.
- מכרֶה פּוֹזוֹ אַלְפְרֶדוֹ, רִיוֹטִינְטוֹ, ספרד (Pozo Alfredo mine, Riotinto, Spain). מכרה זה נמצא באזור כרייה המשׂתרע לתוך פורטוגל, ומהווה את אחד ממקורות הברזל החשובים ביותר בעולם. גם מכרה לוֹאוּזַל (Lousal Mine) שבפורטוגל נמצא באותו אזור כרייה. הכרייה הנרחבת באזור זה מתוארכת לתקופה הרומית. (A) נטיפים (תקרה) וזקיפים (רצפה). (B) הנטיפים הירוקים עשויים מינרל בשם ברזל גופרתי הידראט (hydrated iron sulfate). (C) תצורות מינרלים על קרקעית המכרה (קרדיט לתמונות: Manuel Aragon).
בני אדם שחיו בתקופת האבן המוקדמת השתמשו בקירות המערה כמִשטחי קַנְבָס (אָרִיג גס) עבור ציורים צבעוניים רבים, שבהם הופיעו חיות כמו בִּיזוֹנים, שוורים וסוסים (איור 2). בעקבות ביקורו במערת אלטאמירה שבספרד (איורים 2A, B), אמר הצייר פבלו פיקאסו כי ''כל האומנות שבאה אחרי אלטאמירה, הלכה והתנוונה.'' איננו יודעים בוודאות אם סיפור זה נכון, אך הוא מדגים עד כמה האומנות של תקופת האבן הקדומה הייתה מדהימה. הציורים המעטרים את קירותיה של מערת לאסקו שבצרפת מרשימים לא פחות (איורים 2C, D). עם זה ישנוֹ היבט נוסף הקשור במערות ובמכרות, שלעיתים קרובות אנשים אינם נותנים את הדעת עליו: העולם המיקרוסקופי שמתקיים במקומות אלה, המלא יצורים חיים זעירים שנמצאים בכל מקום – מיקרואורגניזמים. מיקרואורגניזמים שוכני מערות אלה מְכסים את המינרלים, את ציורי המערה ואת קירותיה (איור 3).
- איור 2 - אומנות מערות מתקופת האבן הקדומה.
- (A, B) פרטים על תקרת אולם המבואה הצבעוני במערת אלטאמירה שבספרד. (C) קיר השוורים, מערת לאסקו שבצרפת. (D) קיר הפרה השחורה, מערת לאסקו שבצרפת. על קירות מערות אלה ותקרותיהן ניתן למצוא מגוון ביולוגי גדול של חיידקים, פטריות ומיקרוֹ-אצות. בעבר, התפרצויות מיקרוביאליוֹת מסוכנות הֵסֵבּוּ נזק לציורים [1, 2]1.
- איור 3 - על קירות מערת אלטאמירה שבספרד ניתן למצוא קהילות מיקרואורגניזמים מגוונות.
- בִּיוֹפִילְמים בצבעים שונים – לבן, אפור וצהוב – מוקפים בעיגולים. (A) תמונה שצולמה על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM), המציגה ביופילם לבן עם מיקרואורגניזמים, וכדורים העשויים מינרל בשם סידן פחמתי. (B) תמונת SEM (צבועה באופן מלאכותי) של ביופילם אפור המורכב מחיידקים (חוטים) וממשקעי מינרלים של כדורי סידן פחמתי, וכן מקריסטלים קטנים של סידן פחמתי (בכחול). (C) תמונת SEM של ביופילם צהוב המורכב מסוגים רבים של חיידקים, אשר מסודרים בעיקר בצורת חוטים.
קהילות מיקרואורגניזמים במערות ובמכרות
מיקרואורגניזמים נמצאים בכל מקום בכדור הארץ. אפשר למצוא אותם בכל סביבות היבשה והמים, מִתוֹך גֵּיְזֶרִים רותחים, ועד מתחת לשכבות קרח עבה באנטרקטיקה. כיצד קהילות מיקרואורגניזמים חיות במערות ובמכרות ומשגשגות בהם? במקרים רבים, מיקרואורגניזמים יכולים לחלוק חומרי מזון כשהם גדלים יחד בבִּיוֹפִילְם. זהו מבנה רב-שכבתי מורכב, שנוצר על ידי מגוון אורגניזמים הנצמדים אל פני השטח של המערה ויוצרים עליהם מושבות (איור 3). במערכות אקולוגיות של מערות ומכרות יש מעט מאוד פחמן אורגני, המהווה בדרך כלל את מקור האנרגיה של המיקרואורגניזמים. רוב המיקרואורגניזמים דָּרֵי המערות שנחקרו, משתמשים במגוון רחב של מצעים אורגניים כמקור לאנרגיה, בכלל זה פחמימות; חומצות אָמִינוֹ (אבני הבניין של חלבונים), ותרכובות אחרות מכילות פחמן, המתמוססות במים שמחלחלים למערה דרך הקרקע. פחמן אורגני זה שמתמוסס במים יכול לסייע לגדילת מיקרואורגניזמים.
מערות שבני אדם לא נכנסו אליהן, הן סביבות שהשתמרו במצבן הקדמוני. חומרי המזון המגיעים לתוך סביבות אקולוגיות אלה הם מעטים, וכפי שצִיַּנּוּ, תלויים בכמויות התרכובות האורגניות המתמוססות במים המטפטפים. חלק מהמיקרואורגניזמים שחיים במערות הללו יכולים להשתמש גם בתרכובות אנאורגניות, כמו מימן; מֵתָאן; תרכובות גופרית; אָמוֹנְיָה או ברזל.
מצד אחר, מערות שבני אדם מבקרים בהן (שאותן אנו מכנים 'מערות-ראווה') מאוכלסות בצפיפות על ידי מיקרואורגניזמים המשתמשים בחומרים אורגניים לייצור אנרגיה. מִנַּיִן המיקרואורגניזמים משיגים את החומרים האורגניים הללו? ראשית, מערות ראווה מחוברות לעולם שבחוץ באמצעות הכּניסה למערה. מיקרואורגניזמים הנמצאים מחוץ למערה יכולים להיכנס אליה דרך הפתח הזה – חלקם נישׂאים באוויר, ואחרים מועברים במים. פרט לכך, חיות עשויות לחפש מקלט בתוך מערות פתוחות אלה. חרקים; מכרסמים ועטלפים, למשל, הם מקורות לשיער; פסולת (שתן וצואה) וגופות – כל אלה תורמים להימצאות פחמן אורגני במערה. מערות ראווה מושפעות גם מביקוריהם של בני אדם. מְבקרים הנכנסים למערה מביאים עימם חומר אורגני רב (תאי עור; שיער; סיבֵי בגדים; עָפָר וכד'). חומר אורגני זה עשוי לשנות באופן מהותי את מארג המזון במערכת האקולוגית של המערה, ולעודד את גדילתם של אותם מיקרואורגניזמים הניזונים מחומר אורגני.
מְבקרים ואור – מסיבֵּי נזק למערות
מערות אלטאמירה ולאסקו, שתיים מבּין מערות הראווה המפורסמות ביותר, נאלצו להיסגר עֵקֶב הידרדרות מוגברת שנצפתה במצבם של ציורי הקיר שבהן. הידרדרות זו הייתה תוצאה של ריבוי מבקרים במערות, וכן של התאורה המלאכותית בהן. אור מעודד צמיחה של ביופילמים העשויים סוגים מסוימים של חיידקים ושל אצות [1, 2]. תאורה מלאכותית יוצרת בעיה מוכרת היטב במערות ראווה. אזורים נרחבים לאורך הקירות, הקרקע ותצורות המינרלים שבמערה, הופכים ירקרקים כתוצאה מהיווצרות פִּיגְמֶנְט ירוק שנקרא כְלוֹרוֹפִיל על ידי מיקרואורגניזמים ואצות. אלה משתמשים באנרגיה שמספק האור, בדומה לצמחים. הַכְתָּמָה ירוקה זו שונה למדי מהצבע הירוק שנצפה במכרות, הקיים שָׁם הודות להימצאות מינרלים ירוקים (איור 1). אם מסתכלים מקרוב על קירות של מערת ראווה, אפשר לראות נקודות מזעריות בצבעים שונים (איור 3). הנקודות הן ביופילמים, שעליהם חיים בצוותא כמה סוגי מיקרואורגניזמים, הפועלים יחד במגוון דרכים.
מיקרואורגניזמים מועילים ומסוכנים
לפי ארגון הבריאות העולמי, ישנוֹ מחסור חמור בסוגי אַנְטִיבְּיוֹטִיקָה חדשים, הדרושים לנו כדי להיאבק באיוּם הגובר מצד חיידקים העמידים לסוגי האנטיביוטיקה הרגילים. מסיבה זו, יֶשְׁנָהּ חשיבוּת רבה לחיפוש אחר סוגי אנטיביוטיקה חדשים שחיידקים מסוימים מייצרים במטרה לחסל את החיידקים המתחרים בהם [3]. סְטְרֶפְּטוֹמִיצֶס (Streptomyces) הוא סוג של חיידק הכולל יותר מ-800 זנים. בין השנים 1980 ל-1940, זני הסטרפטומיצס היוו מקור משמעותי לסוגי האנטיביוטיקה שבהם רופאים השתמשו. למעשה, כשני שליש מכלל סוגי האנטיביוטיקה המוכרים (סְטְרֶפְּטוֹמִיצִין וטֵטְרָצִיקְלִין, למשל), יוצרו בעיקר על ידי זנים של סטרפטומיצס שאותם בודדו מהאדמה. למרבה הצער, בעת האחרונה לא התגלו סוגי אנטיביוטיקה חדשים שמקורם בחיידקי אדמה [3].
פרט לסוגי אדמה שונים, מדענים חוקרים מערכות אקולוגיות אחרות במטרה למצוא סוגי אנטיביוטיקה חדשים. הם פונים למקומות פחות מוכרים בעולמנו, שבהם יש מגוון ביולוגי נרחב מאוד: אלה הם המערות והמכרות שמתחת לפני השטח של כדור הארץ. מערכות אקולוגיות אלה מכילות מינים רבים של חיידקים ופטריות שטרם התגלו, וחלקם עשויים להיות אלה שייצרו סוגי אנטיביוטיקה חדשים [1]–[4]. בין החיידקים הללו אנו עשויים למצוא זני סטרפטומיצס שטרם נחקרו, המצויים בשפע במערות ובמכרות, כמו גם מיקרואורגניזמים נדירים אחרים [5].
בודדו מאות זני חיידקים ממערות, אשר נלקחו למעבדות מחקר במטרה להבין האם הם מייצרים אנטיביוטיקה. נחקרו גם זני חיידקים שמוצאם במכרות בדרום פורטוגל ובספרד. במערת אלטאמירה ובמערות געשיות, נמצא המספר הגדול ביותר של חיידקים המסוגלים לייצר אנטיביוטיקה. גם במכרות היו אחוזים גבוהים של חיידקים יצרני אנטיביוטיקה. לעומת זאת החיידקים שבודדו ממערות ימיות באַלְגָארְבֶה שבפורטוגל כמעט ולא היו פעילים כלל. כל מערה או מכרה עשויים להכיל מיקרואורגניזמים שונים, לכן עלֵינו לחקור כמה שיותר מערכות אקולוגיות תת-קרקעיות שכאלה. כאשר מבודדים חיידק המייצר אנטיביוטיקה חדשה, הצעד הבא עבור המדענים הוא לפענח את המבנה הכימי של אותה אנטיביוטיקה, ולחקור את הגֶּנים המאפשרים לחיידק לייצר את התרכובות הללו.
לרוע המזל, לא רק מיקרואורגניזמים מועילים המייצרים אנטיביוטיקה מאכלסים מערות ומכרות. במערת אלטאמירה התגלו שני זני חיידקים חדשים שעלולים להדביק בני אדם ולגרום למחלות [5]. בשל כך, לעיתים ביקורים בסביבות תת-קרקעיות עלולים לסכּן את בריאותנו.
למה צריך להיות לנו אכפת ממערות וממכרות?
מערות ומכרות הם מאגרי מיקרואורגניזמים – מועילים ומסוכנים כאחד. עם זה הטבע מספּק לנו חיידקים מועילים, יצרני אנטיביוטיקה, כדי להילחם בחיידקים מסוכנים, מחוללי מחלות. מערות ומכרות הם עולמות תת-קרקעיים מרתקים, שאנשים רבים אוהבים לפקוד. בד בבד עלינו להיות מודעים לכך שכניסה לסביבות אלה עלולה לסכן הן את המיקרואורגניזמים החיים שָׁם, הן את בריאות האדם. עבודתם הקשה של המדענים לצד היצירתיוּת שלהם, יכולות לסייע לנו להגן על מערכות אקולוגיות תת-קרקעיות אלה, ועל המיקרואורגניזמים יצרני האנטיביוטיקה שחיים בהן. באופן מתמשך, עלֵינו לנסות למצוא איזון בין ביקור במערות ובמכרות וחקירתם, לבין שמירה על סביבות אקולוגיות ייחודיות אלה מוּגנוֹת מפני נזק שבני האדם עלולים לגרום להן. זאת כדי שנוכל להמשיך לגלות סוגים חדשים של חיידקים מועילים המייצרים אנטיביוטיקה, שיסייעו לשמור על בריאות בני האדם גם בעתיד.
מימון
המימון למחקר זה בנושא מערות ומכרות הושג באמצעות פרויקט 0483_PROBIOMA_5_E, אשר מומן על ידי הקרן האירופית לפיתוח אזורי, במסגרת התוכנית הספרדית- פורטוגלית Interreg V-A, (POCTEP) 2014-2020.
מילון מונחים
תצורות מינרלים (Mineral Formations): ↑ מינרלים הנוצרים על ידי שיקוע, כאשר לַבָּה שמקורה בהרי געש מתקררת לאט, או על ידי אידוי של מים מתמיסות, כמו במקרה של נטיפים ושל זקיפים במערות.
מיקרואורגניזמים (Microorganisms): ↑ צורות חיים שלא ניתן לראות ללא מיקרוסקופ, כגון חיידקים וזנים מסוימים של פטריות ושל אצות.
בִּיוֹפִילְם (Biofilm): ↑ שכבה רבגונית של מיקרואורגניזמים הצמודים בחוזקה אל משטחים נייחים. לגדילתם, הם מסתמכים על חומרי הזנה המצויים בסביבתם.
פחמן אורגני (Organic Carbon): ↑ פחמן הנמצא באורגניזמים.
תרכובות אנאורגניות (Inorganic Compounds): ↑ ישנם מיקרואורגניזמים המשתמשים בתרכובות אנאורגניות כמקור אנרגיה. אלה כוללות מימן גופרי; אמוניה או גז מימן, כדי לייצר פחמימות מפחמן דו-חמצני.
כְלוֹרוֹפִיל (Chlorophyll): ↑ צִבְעָן (פִּיגְמֶנְט) ירוק, הקיים בצמחים; באצות ובחיידקים מסוימים, אשר לוכד את אנרגיית השמש לצורך ביצוע פוטוסינתזה.
אַנְטִיבְּיוֹטִיקָה (Antibiotics): ↑ תרופה המיועדת לחיסול חיידקים, משמשת לטיפול בזיהומים חיידקיים.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
תודות
מאמר זה מוקדש ל-Paula Saiz Esnaola, נפש סקרנית, שעניינהּ בביולוגיה ובגיאולוגיה היווה מקור השראה למאמר זה. במאמר נעשה שימוש במידע שסופק על ידי Irene Dominguez-Moãino ו-Jose Luis Gonzalez-Pimente. תודה ל- Diana E. Northup, Jennifer J. Marshall Hathaway, ו- Sonia Balasch ולסטודנטים שלה עבור הערותיהם המועילות לגרסה מוקדמת יותר של כתב היד. תודה ל- Manuel Aragó מנֶרְבָה, ספרד, על התמונות לאיור 1, ועל הרשות לעשות בהן שימוש במסגרת מאמר מדעי. הכותב מודה לפלטפורמה הנושאית הבין-תחומית של CSIC, 'מורשת פתוחה': מחקר וחברה (PTI-PAIS), על התמיכה המקצועית.
הערת שוליים
1. ↑לעריכת סיור וירטואלי במערות אלטאמירה שבספרד ולאסקו שבצרפת, ולהתרשמות מהציורים שצוירו בהן, לחצו כאן וכאן.
מקורות
[1] ↑ Saiz-Jimenez, C., Cuezva, S., Jurado, V., Fernandez-Cortes, A., Porca, E., Benavente, et al. 2011. Paleolithic art in peril: policy and science collide at Altamira Cave. Science 334:42–3. doi: 10.1126/science.1206788
[2] ↑ Martin-Sanchez, P., Miller, AZ. and Saiz-Jimenez, C. 2015. “Lascaux cave: an example of fragile ecological balance in subterranean environments,” in Microbial Life of Cave Systems, ed A. S. Engel (Berlin: DeGruiter). p. 280–301.
[3] ↑ Martin-Pozas, T., Gonzalez-Pimentel, J. L., Jurado, V., Cuezva, S., Dominguez-Moñino, I., Fernandez-Cortes, A. et al. 2020. Microbial activity in subterranean ecosystems: recent advances. Appl. Sci. 10:8130. doi: 10.3390/app10228130
[4] ↑ Cheeptham, N., and Saiz-Jimenez, C. 2015. “New sources of antibiotics: Caves,” in Antibiotics. Current Innovations and Future Trends, eds S. Sánchez and A. L. Demain (Portland, OR: Caister Academic Press). p. 213–27. doi: 10.21775/9781908230546.12
[5] ↑ Jurado V., Laiz L., Rodriguez-Nava V., Boiron P., Hermosin B., Sanchez-Moral S., et al. 2010. Pathogenic and opportunistic microorganisms in caves. Int. J. Speleol. 39:15–24. doi: 10.5038/1827-806X.39.1.2