תַקצִיר
האם ידעתם שעל פני כדור הארץ יש מקומות שקפואים כל השנה? האם תוכלו לדמיין חיים שלמים בקור המקפיא של השלג והקרח? ובכן, ישנם מיקרואורגניזמים זעירים שחיים בנוֹחוּת בקור. יתרה מכך, סוגים רבים של חיידקים קבעו את ביתם בסביבה הקיצונית הזו! כפי שדוב הקוטב זקוק לפרוָה עבה כדי לשרוד בחורף, לחיידקים הללו יש דרכים משלהם לִחְיות בנוחוּת בסביבה קשה זו. מדענים גילו כי ניתן ללמוד מאותם חיידקים דברים רבים על אודות החיים במערכת השמש, ונמצא כי הם מועילים מאוד במגוון תעשיות.
הישרדות במקומות הקרים ביותר על פני כדור הארץ
האם ידעתם שכדור הארץ הוא כוכב לֶכֶת די קפוא? למעשה, כמחצית מסביבות המחיה על אדמת כדור הארץ מכוסות בשלג או בקרח – באופן עונתי, או באופן קבוע! בְּרְרְר!!! מהקוטב הצפוני ועד לקוטב הדרומי, מפסגות הרים מושלגות ועד קרחונים שצפים בים, ישנן סביבות מחיה קרות בכל מקום, והן מרכיבות את החלק הקפוא של כדור הארץ, שנקרא קְרִיוֹסְפֶרָה (איור 1) [1].
- איור 1 - מגוון הצורות שבהן שלג וקרח מרכיבים את הקריוֹספרה של כדור הארץ
- (האיור נוצר בעזרת BioRender.com). מקרא: Cryosphere = קריוספרה; Ice Caps = פסגות מושלגות; Snow = שלג; Glacier = קרחון יבשתי; Permafrost = קיפּאוֹן-עַד; Lake & River Ice = קרח אגמים ונהרות; Sea Ice = קרח ים; Iceberg = קרחון ימי; Ice Shelf = מדף קרח; Ice Sheet = יריעת קרח; Land = אדמה.
הטמפרטורה ממלאה תפקיד חשוב בהישרדות יצורים החיים במקום מסוים. כאשר ישנן בקריוספרה טמפרטורות נמוכות באופן קיצוני, מיקרואורגניזמים מתקשים במיוחד לשרוד. מים הם רכיב חיוני לחיים, ובסביבה קרה קשה מאוד למצוא אותם בצורתם הנוזלית, משום שמַרבית המים הופכים לקרח מוצק. לרוב האורגניזמים (חוץ מבני האדם), אין דרך לְהָמֵס קרח במקומות כה קרים. כמו כן קשה לאורגניזמים למצוא מזון ולייצר אנרגיה בקריוספרה, כיוון שהתגובות הכימיות שהאורגניזם מבצע כדי להישאר בחיים, מתרחשות לאט יותר בקור [1, 2]. עם זה בניגוד לדובי קוטב או ללווייתנים, למיקרואורגניזמים – האורגניזמים החיים הקטנים ביותר, שאפשר לראות רק באמצעות מיקרוסקופ – אין שכבה עבה של פרווה או שומן שמסייעת להם לשמור על חום. בהתחשב באתגרים הללו, נראה כמעט בלתי אפשרי שמיקרואורגניזמים זעירים יוכלו לשרוד בסביבה קפואה.
חיידקים החיים בקרח
בעבר, סָבְרוּ שבסביבות קפואות לא מתקיימים חיים. המדענים חשבו בתחילה כי מיקרואורגניזמים הגיעו לסביבות קפואות באמצעות הרוח, והיו ב’מצב שינה’ בְּשֶׁל הקור. אולם, מאוחר יותר הם גילו כי סביבות שהן קפואות באופן קבוע, מכילות שפע של מיקרואורגניזמים חיים! התגלה כי כמה מאותם מיקרואורגניזמים סיגלו לעצמם לאורך האבולוציה דרכים מיוחדות לשרוד בשלג ובקרח. המיקרואורגניזמים הללו נקראים פְּסִיכְרוֹפִילִים. משמעות השם ביוונית היא ’אוהבי-קור’. פסיכרופילים הם בדרך כלל חיידקים, אך עשויים גם לכלול מיקרואורגניזמים אחרים [1].
מיקרואורגניזמים אינם יכולים לשרוד בקרח מוצק. עד כה, כל קהילות הפסיכרופילים שהתגלו בתוך קרח, מיריעות קרח ועד לקרחונים, שרדו בתוך עורקים זעירים של מים נוזליים שנכלאים בקרח כשהוא נוצר (איור 2). משמעות הדבר היא שהפסיכרופילים הללו ודאי הגיעו מהסביבה החיצונית, כלומר, מהאוויר, מהשלג או מפני השטח של האוקיינוסים (במקרה של קרח-ים), ונכלאו בעורקי הקרח בשלב כלשהו.
- איור 2 - פסיכרופילים בעורקי קרח.
- (A) בקרח ימי, עורקי הקרח מלאים במים מלוחים, ונקראים עורקי מי-מלח. (B) בקרח של קרחון יבשתי, העורקים קטנים בהרבה, ולכן בדרך כלל מכילים פסיכרופילים קטנים יותר. מקרא: Ice crystal = גביש קרח; Brine Veins = עורקי מי-מלח; Ice Veins = עורקי קרח.
עורקי קרח בבתי גידול שונים יוצרים סביבות מחיה שונות מאוד עבור פסיכרופילים. נבחן את שתי הדוגמאות האלה: קרח-ים וקרח מקרחון יבשתי. קרח-ים עשוי מי-ים קפואים, והוא צף על פני האוקיינוס. הוא גדֵל בחורף, ומתכווץ בקיץ. בתנאים שמעל לנקודת הקיפאון, מי-הים מכילים מים, מלח מומס, חומרי הזנה והמוני מיקרואורגניזמים זעירים. כאשר מי-הים קופאים, רק המים יכולים להפוך לגבישי קרח, בעוד שהמלח המומס, המיקרואורגניזמים וכמויות קטנות של מים נותרים מחוץ לגבישים הללו. כך הם נלכדים בערוצי מים זעירים, הנקראים עורקי מי-מלח. אלה הן סביבות מלוחות מאוד, ולכן קשה לִחיות בהן. במהלך חודשי החורף הקפואים, הפסיכרופילים הלכודים יכולים לשרוד בעורקי מי-המלח הקטנים הללו (איור 2A). כאשר הקרח נמס בקיץ, הפסיכרופילים חייבים לחזור לאוקיינוס. משמעות הדבר היא שעליהם להסתגל לסביבה משתנה [3]. זו עבודה קשה!
לעומת זאת, קרחונים יבשתיים הם גופים של מים מתוקים קפואים הנוצרים מהצטברות שלג, שבחלוף הזמן נדחס והופך לקרח. הצטברות השלג והקרח כבדת-המשקל, מַפעילה לחץ על השכבות התחתונות של הקרחון היבשתי, וגורמת לעורקי הקרח הנוצרים בשכבות הללו להיות קטנים מאוד (איור 2B). משמעות הדבר היא שהחיידקים ששורדים בעורקי הקרח של הקרחונים הם בדרך כלל זעירים, ועליהם להישאר שם במשך זמן רב – אולי אפילו במשך מיליוני שנים! עד כה, מדענים מצאו עדויות לדנ”א חיידקי בקרח בן 500,000 שנים. אנו עדיין חוקרים את החיידקים הללו, ועדין לא יודעים כמה זמן חיידקים יכולים לִחיות בתוך הקרח [1, 3].
כיצד פסיכרופילים מגינים על עצמם מפני הקור?
בדיוק כפי שאתם עשויים ללבוש מעיל חם בחורף, או לְחַכֵּךְ את כפות הידיים שלכם זו בזו כדי להתחמם בערב קר וחורפי, גם לידידינו הפסיכרופילים יש שיטות לשרוד בתנאי הקור (איור 3) [4]. אחד האתגרים הבסיסיים ביותר בחיים בקור הוא שכל דבר אוֹרַךְ יותר זמן, בכלל זה הנעַת חומרי הזנה, וכן התרחשות תגובות כימיות חשובות (כדי להבין זאת, נַסּוּ לטבול שתי שקיות תה – אחת במים קרים, והשנייה במים חמים. תוכלו לראות כי התה מתפשט לאט יותר במים הקרים). כדי לקבל מספיק מזון מהמים שסביבם, פסיכרופילים רבים מגדילים את מספר הנשׂאים על פני השטח של התא, שתפקידם לתפוס בצורה פעילה חומרים מזינים מהסביבה.
- איור 3 - המאפיינים הייחודיים של הפסיכרופילים מסייעים להם לחיות בסביבות קרות מאוד.
- (A) לפסיכרופילים יש נשׂאים של חומרי הזנה (Nutrient transporters) אשר עוזרים להם לתפוס חומרי הזנה מהסביבה הקרה, שבה הדברים זזים באיטיות. (B) לפסיכרופילים יש אנזימים הפועלים בקור, שיכולים למלא את תפקידיהם בתא בטמפרטורות נמוכות. Differences in Optimum Temperature = הבדלים בטמפרטורה המיטבית. Psychrophiles’ Enzymes = אנזימים של פסיכרופילים. Other Bacteria’s Enzymes = אנזימים של חיידקים אחרים. (C) לפסיכרופילים יש חלבונים נוגדי-קיפאון (Antifreeze proteins) המוֹנעים מגבישי הקרח להיווצר ולהזיק לתא. Food = מזון.
בעיה נוספת הקשורה לסביבות הקפואות היא היווצרות קרח. כשם ש-70% מגוף האדם עשוי מים, כך גם רוב תאי החיידקים עשויים מים, אשר בטמפרטורות קיפאון עלולים להפוך בקלות לגבישי קרח. גבישי קרח בתוך תאים חיים הם מסוכנים, משום שהם עלולים לגדול כלפי חוץ כמו קוצים קטנים, לחורר את החיידקים מבפנים כלפי חוץ, וכך להרוג אותם. מסיבה זו, פסיכרופילים פיתחו כמה אסטרטגיות להימנעות מהמוות הזה. לדוגמה, הם מכניסים פנימה מלחים וסוכרים מומסים כדי להנמיך את טמפרטורת הקיפאון של מים בתוך גופם. לזנים מסוימים יש אפילו חלבונים נוגדי-קיפאון מיוחדים שמתחברים לכל גביש קרח שמתחיל להיווצר, מנמיכים את נקודת הקיפאון שלו וכך מונעים ממנו לגדול. אסטרטגיות אלה מצמצמות את הסכנות של החיים בקור.
לפסיכרופילים יש גם אֶנְזִימִים שונים מאלה של חיידקים שאינם פסיכרופילים. האנזימים הם כמו פועלים שנמצאים בתוך התאים. כל סוג של אנזים מְבצע תגובה כימית, החיונית להישרדות החיידק. פעילותם של האנזימים היא יעילה ביותר בטווח טמפרטורות קטן שנקרא טמפרטורה מֵיטָבִית (אוֹפְּטִימָלִית). לדוגמה, לחיידקים מחוללי-מחלה בבני אדם יש טמפרטורה מיטבית של כ-37 מעלות צלזיוס – כמו טמפרטורת הגוף – מה שמאפשר להם לגדול בתוך הגוף האנושי ולגרום בו למחלה. אולם, אם החיידקים מחוללי-המחלה הללו ייחשפו לטמפרטורות קיפאון, האנזימים שלהם יפסיקו לתפקד ויגרמו להם להיכנס למצב של ’תרדמת’. זה לא המקרה של הפסיכרופילים. כדי שלא ימותו בטמפרטורות של קיפאון, הפסיכרופילים פיתחו אֶנְזִימִים הפעילים בקור, בעלי טמפרטורה מיטבית של 20 מעלות צלזיוס, או פחות [5]! זו דרך מגניבה לשרוד!
מדוע חשוב לחקור פסיכרופילים?
ההתחממות העולמית מעמידה את בתי הגידול הקרים בכדור הארץ בסכנה גדולה. מדענים נדרשים לגלות במהירוּת מָהֵם התפקידים החשובים שפסיכרופילים ממלאים בסביבה, כדי להעריך את הנזק שההתחממות העולמית עלולה לגרום לקריוספרה. כמו כן, סביבות קרות נפוצות מאוד על כוכבי לֶכֶת אחרים במערכת השמש שלנו, ומדענים רבים חוקרים את הסביבות הקרות על פני כדור הארץ כדי לאסוף רמזים על ההיתכנות לקיומם של חיים בכוכבי לכת אחרים [3].
מדענים רבים אף משתמשים ביֶּדַע המתפתח שלנו על אודות פסיכרופילים לטובת פיתוח טכנולוגיות חדשות [5]. למשל, אנזימים הפעילים בקור כבר מצויים בשימוש תעשייתי במטרה להגביר את יעילותם של תהליכים המתרחשים בטמפרטורות נמוכות, כמו עיבוד פירות (כדי שהפירות לא ייהרסו). מדענים גם זיהו רבים מהכימיקלים הפעילים בפסיכרופילים, אשר עוזרים לפסיכרופילים להגיב לקור. ביכולתנו להשתמש בכימיקלים אלה בתרופות כדי לטפל בזיהומים, ואפילו בסרטן. נוסף על כך כיוון שהפסיכרופילים הסתגלו כל כך לשרוד בסביבות קיצוניות ועניות במזון, הם מסוגלים לְפָרֵק כמעט כל דבר שנקרה בדרכם. מכאן, פסיכרופילים עשויים להיות יעילים מאוד בפירוק פלסטיק ובטיפול בפסולת. לסיכום – באותה מידה שבה הפסיכרופילים מגוונים, כך הם שימושיים!
מילון מונחים
קריוספרה (Cryosphere): ↑ מקומות על פני כדור הארץ שבהם המים קפואים, בתצורת קרח או שלג.
מיקרואורגניזמים (Microbes): ↑ יצורים חיים זעירים שניתן לראות רק באמצעות מיקרוסקופ, למשל חיידקים, אצות, אורגניזמים חד-תאיים ונגיפים.
פְּסִיכְרוֹפִילִים (Psychrophiles): ↑ מיקרואורגניזמים, במיוחד חיידקים, שהסתגלו לחיים בסביבות קרות. מקור השם הוא במילים היווניות ’פְּסִיכְרוֹס’ שמשמעהּ ’קר וקפוא’, ו’פִילִיָה’, שמשמעהּ ’אהבה’.
עורקי מי-מלח (Brine Veins): ↑ תעלות זעירות בין גבישים של קרח ימי, המלאות במים מלוחים מאוד. הן מכילות את המלח שלא נטמע כאשר גבישי הקרח נוצרו.
אנזימים (Enzymes): ↑ פועלי התא; חלבונים המסייעים לתגובות כימיות להתרחש.
טמפרטורה מיטבית (Optimum Temperature): ↑ הטמפרטורה שבּה אנזים כלשהו מבצע את התגובה הכימית במהירות הגבוהה ביותר.
אנזימים הפעילים בקור (Cold-Active Enzymes): ↑ אנזימים שפועלים במהירות השיא שלהם בטמפרטורות של 20 מעלות צלזיוס, או פחות.
הצהרת כלי בינה מלאכותית
טקסט חלופי הנלווה לאיורים במאמר זה נוצר על ידי פרונטירז בסיוע כלי בינה מלאכותית, ונעשו מאמצים על מנת להבטיח את דיוקו, כולל בדיקה על ידי כותבי המאמר כאשר הדבר התאפשר. אם ברצונכם לדווח על בעיה, אנו צרו איתנו קשר.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
מקורות
[1] ↑ Miteva, V. 2008. “Bacteria in Snow and Glacier Ice,” in Psychrophiles: from Biodiversity to Biotechnology, eds R. Margesin, F. Schinner, J.-C. Marx, and C. Gerday (Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg) p. 31–50.
[2] ↑ Margesin, R., and Miteva, V. 2011. Diversity and ecology of psychrophilic microorganisms. Res. Microbiol. (2011) 162:346–61. doi: 10.1016/j.resmic.2010.12.004
[3] ↑ Junge, K., Christner, B., and Staley, J. T. 2011. ”Diversity of psychrophilic bacteria from sea ice - and glacial ice communities,” in Extremophiles Handbook, ed K. Horikoshi (Tokyo: Springer Japan). p. 793–815.
[4] ↑ De Maayer, P., Anderson, D., Cary, C., and Cowan, D. A. 2014. Some like it cold: understanding the survival strategies of psychrophiles. EMBO Rep. 15:508–17. doi: 10.1002/embr.201338170
[5] ↑ Santiago, M., Ramírez-Sarmiento, C. A., Zamora, R. A., and Parra, L. P. 2016. Discovery, molecular mechanisms, and industrial applications of cold-active enzymes. Front. Microbiol. 7:1408. doi: 10.3389/fmicb.2016.01408