אצות זעירות בלב האוקיינוסים הן שעיצבו את העולם כפי שאנו מכירים אותו ויצרו את התנאים להתפתחות חיים. על מנת לשמור על האיזון העדין במערכת האקולוגית העולמית, דרושה כעת הבנה טובה יותר של מחזורי ההתרבות והמוות שלהן

במי האוקיינוסים הצלולים והשלווים לכאורה, הרחק מעבר ליכולת 
התפיסה של העין האנושית, מתחוללת דרמה עוצרת נשימה. אצות מיקרוסקופיות הקרויות פיטופלנקטון, שגודלן אינו עולה על זה של תא ביולוגי בודד, מנהלות מלחמת קיום אכזרית, שבה בין צמיחתן של אוכלוסיות בנות טריליונים והשתלטות על שטחים עצומים, לבין מוות והכחדה מוחלטת, מפרידים ימים אחדים. מחזורי החיים המרתקים של היצורים הללו מוכרים למדענים זה זמן רב, אך המנגנון שמניע אותם נותר לא מוסבר. גילויים חדשים של צוות שמונה 12 חוקרים מהמחלקה למדעי הצמח במכון ויצמן, במעבדתו של ד"ר אסף ורדי, שופכים אור על החיים הסוערים של הפיטופלנקטון.

פיטופלנקטון בצילום שנעשה באמצעות מיקרוסקופ. גדלם של יצורים חד-תאיים אלה נע בין 2 ל-5 מיקרון

צילום: NOAA Photo Library

מדענים הם בדרך כלל אנשים ממוקדים, אבל השיחה עם ורדי דווקא מתפזרת ומתפצלת לאינסוף כיוונים. פיצוח מעגלי ההתרבות וההיעלמות של הפיטופלנקטון, הוא מסביר, עשוי להוביל לפריצות דרך משמעותיות בהבנת המערכת האקולוגית הגלובלית, יסייע לפתח דרכים להפקת אנרגיה נקייה ואפילו ילמד את הננוטכנולוגים דבר או שניים על ייצור מבנים מיקרוסקופיים. הקשר בין חלק מהתחומים האלה לבין ביולוגיה ימית אינו מובן מאליו. עם זאת, ורדי, בעל דוקטורט באקולוגיה מולקולרית מהאוניברסיטה העברית, שלאחר סיום הלימודים עסק במחקר בצרפת ובארצות הברית, ובתחילת העשור שב לישראל ביוזמת מכון ויצמן, מסביר שהחופש להתפרש על פני תחומים שונים מאפיין כיום את המחקר המדעי, שבו ההפרדות בין תחומי המדע מיטשטשות והולכות. "למכון ויצמן, שלמרות השם הבינלאומי הוא בסך הכל מוסד קטן ואינטימי שגם משמר משהו מישראל הישנה, יש בהקשר הזה יתרון גדול, כי אפשר פשוט לצאת מהמשרד ובקפיצה קטנה להגיע למדענים מובילים בעולם בכל התחומים", הוא אומר.

איך הרב תחומיות הזאת מתבטאת במחקר שלך?

"אנחנו מדברים על חיבור סקאלות. על איך משהו שקורה בסדר גודל של תא בודד, שגודלו רק כמה מיקרונים, משפיע ברמה הגלובלית על אקלים כדור הארץ, ולהפך. זו קפיצה תפיסתית לא פשוטה, אבל כשעושים אותה, התובנות שעולות ממנה הן עמוקות ומשמעותיות. למשל, כל ההופעה של חמצן באטמוספרה – תהליך שחולל מהפך אדיר בכדור הארץ - היא תוצאה של הפעילות של האצות החד תאיות האלה, הפיטופלנקטון. הן אלה שבעצם המציאו את המנגנון הזה לפני מיליארדי שנים, הרבה לפני ההתפתחות של צמחים על היבשות".

קראתי ציטוט שלך בעניין הזה, שבו אמרת שאנחנו חייבים לאצות החד תאיות האלה כל נשימה שנייה שלנו.

"נכון, כיום ההבנה היא שכמחצית מכל 
תהליך הפוטוסינתזה בעולם מבוצע על ידי יצורים חד תאיים כאלה, שיוצרים חמצן תוך כדי קיבוע פחמן דו חמצני. אגב, זה דבר שמעניין אותנו גם מהכיוון השני, בגלל הדאגה הגדולה לריכוז הפחמן הדו חמצני באטמוספרה, שעלה בחדות מאז המהפכה התעשייתית.

"עכשיו אנחנו עושים זום־אאוט. דיברנו על חד תא שחי באוקיינוסים, אבל כמובן שזה לא תא אחד שצף לבדו, אלא הוא חלק מאוכלוסייה גדולה מאוד של תאים דומים, ופה אנחנו נכנסים לתהליך ביולוגי מעניין מאוד שנקרא פריחות (Blooms). זהו תהליך לא לגמרי ברור שבו אותם חד תאים נכנסים לתהליך מואץ של חלוקה ומגיעים לצפיפויות גבוהות מאוד, עד כמיליון תאים לטיפה. ולא מדובר בטיפה בודדת, אלא בממדים גדולים מאוד - לאורך אלפי קילומטרים ולעומק של כ־100 מטר. למעשה, הפריחות האלה כל כך גדולות, עד שניתן לראות אותן מלוויינים בחלל. ההשפעה שלהן על ספיגת פחמן דו חמצני מהאטמוספרה היא דבר בלתי רגיל, דומה ליער גשם גדול, וגם ההיקף של ייצור החומר הביולוגי שנלווה לכך הוא אדיר בממדיו. מה שפחות ברור זה איך, בשלב מסוים, ובסנכרון מדהים, הפריחות האלה קורסות ונעלמות בתוך זמן קצר מאוד".

לאחר הקריסה, לאן הולך כל החומר האורגני העצום שהאצות האלה מייצרות?

"אחוז קטן ממנו שוקע לקרקעית האוקיינוס ולאורך זמן רב יוצר משקעים גדולים. למשל, אם תלך על הרכסים ליד שדה בוקר, אתה לא תראה את זה אבל הם בעצם בנויים משלדים של אותם חד תאים שבמשך מיליוני שנים מתו והצטברו על הקרקעית בזמן שהאזור היה מכוסה מים. גם הדלק במכוניות שלנו עשוי בעצם מאותן פריחות, מאותו פרומיל קטן מכלל החומר שנאסף במשך מאות מיליוני שנים. אנחנו שורפים את החומר הזה, ומכלים בשנה את מה שנוצר במשך מיליון שנה. זה בערך היחס. הצדק הפואטי, כביכול, הוא שאחד השימושים הביוטכנולוגיים לעבודה שלנו הוא ייצור של דלק ביולוגי".

פריחת הפיטופלנקטון כפי שהיא נראית בתצלום לווין

צילום: AFP

"חלקו נאכל על ידי יצורים גדולים יותר שנמצאים רמה אחת מעליהם בשרשרת המזון, ובעצמם משמשים לאחר מכן מזון ללווייתנים וליצורים ימיים אחרים, אבל רובו 'נאכל' על ידי וירוסים, שמפרקים את החומר ומשתמשים בו כדי להתרבות. בין היתר גם גילינו שהווירוסים שתוקפים את החד תאים האלה בעצם מפעילים מעין תוכנית התאבדות בתא, ושאותו מנגנון של מוות תאי עומד בבסיס האינטראקציה של התא עם הווירוס. החד תאים האלה יכולים 'להתאבד' כדי למנוע את התפשטות הווירוס, וזו תופעה שמכונה באבולוציה ובאקולוגיה 'מלכה אדומה' – מנגנון של וירוס ונשא שכל הזמן משכללים את מנגנוני התקיפה והעמידות שלהם אך נשארים באיזשהו קיום הדדי קבוע.

"'התאבדות' או מוות מסודר של תאים הוא מנגנון שמרבים לחקור כיום, גם במכון ויצמן וגם בעולם, בין היתר בגלל ההקשרים שלו להבנה של סרטן, כי כשאין מוות תאי מסודר, התוצאה היא התחלקות לא רצויה, שזה בעצם התהליך הסרטני. אף אחד לא שיער שזה קורה גם בחד תאים".

זה באמת מנוגד לכל היגיון. למה שיצור חד תאי יתאבד?

"אבולוציונית, זו דרך ללא מוצא".

אבל כשאתה מסתכל לא על כל תא בנפרד, אלא על האוכלוסייה כולה כעל חברה, מין סופר אורגניזם שיודע לנהל את עצמו, פתאום יש היגיון מאחורי ההתנהגות הזאת?

"נכון. וחשוב להדגיש שאנחנו לא עושים האנשה לאוכלוסיות של חד תאים או לתהליך. להיפך, אנחנו מתרחקים מכך. עם זאת, גילוי קיומו של מנגנון של מוות 'מתוכנן' בחד תאים שופך אור לגמרי אחר על הראייה שלנו של הזמן ושל האופן שבו נולדה והתפתחה היכולת להשמדה עצמית של תאים".

ד"ר אסף ורדי: "וירוסים שתוקפים את האצות מפעילים בהן תוכנית התאבדות. זה מנגנון שמרבים לחקור, בגלל ההקשרים שלו לסרטן, אבל אף אחד לא שיער שזה קורה גם בחד תאים"

צילום: ללא קרדיט

"מחזורי הפריחה והמוות של הפיטופלנקטון מוכרים כבר זמן רב, אבל בעבר וירוסים לא היו גורם במשוואה. אנחנו אומרים שיש כאן תהליך ביולוגי מרתק ותהליך 'סוציאלי' שלא מתרחש רק ברמת התא הבודד. כעת אנחנו רוצים לצלול לתוך המנגנונים התאיים שאחראים לזה. למשל חישה: במאמר חדש שלנו שהתפרסם עכשיו בכתב העת PNAS, גילינו אצל חד תאים מנגנון חישה של עקה סביבתית, מנגנון מאוד ספציפי מתוחכם ומהיר. על בסיס הגילוי הזה אנחנו מנסים להבין אם הם מסוגלים 'לחוש' ולהבדיל בין איומים ספציפיים, כמו נוכחות של וירוסים, מחסור בחומרי מזון או שינויים בטמפרטורה ובמידת האור. עד כה, אף אחד עדיין לא צלל לתהליכי התמותה ברמה התאית, הבסיסית, וזה מה שאנחנו עושים. כמובן, תוך חיבור בין התהליכים האלה לבין השאלה האקולוגית הרחבה: האם האופן שבו תא בודד מת באוקיינוס – בין אם הוא מת מווירוס, או מיצור אחר שאכל אותו, או סתם מהתפרקות – משפיע גם בסדר גודל ענקי. זה נשמע הזוי?".

פחות הזוי אם מקבלים את ההיגיון שלפיו פרטים פועלים אוטומטית, אבל האוכלוסייה בכללותה מצייתת לכללים מסוימים ומגיבה לשינויים בסביבה.

"בדיוק, ואנחנו עושים את הגישור הזה בין החד תא לבין האוכלוסייה, ומשתדלים שלא ליפול למלכודת שנורא קל ליפול לתוכה, של ההתנהגות ה'אלטרואיסטית' של תא שכביכול מקריב את עצמו למען טובת הכלל".

הצוות שלך ואתה הלכתם צעד נוסף קדימה ויצאתם לשטח, לצפון האוקיינוס האטלנטי, כדי לראות את התהליך הזה מתרחש בזמן אמת.

"זה היה ב־2012. יצאנו למסע של חמישה שבועות בלב ים, חמישה־שישה חבר'ה בתוך קבוצה גדולה יותר של כ־30 חוקרים. בלי תקשורת עם הבית אבל עם מעבדה שלמה ועם הציוד הכי מתוחכם. זאת היתה אופרה חדשה לגמרי, והיה קשה להתכונן לזה. לעומת טיפת מים במעבדה, פה אתה רודף אחרי הפריחה על פני אלפי קילומטרים, ולא פעם כשאתה כבר מגיע אליה מתברר שהיא כבר קרסה. רק כשאתה יוצא החוצה אתה מבין את העוצמה של התהליך האקולוגי".

מה ראיתם שם?

"גילינו שיש וירוס ספציפי שאחראי לקריסות, ופענחנו חלק מהמנגנונים שבאמצעותם אותם וירוסים מחסלים את הפריחות. זו תופעה מרתקת כי היא מתרחשת בו זמנית בסדרי גודל שונים מאוד: התא עצמו הוא בגודל של כ־5 מיקרון, הפריחות משתרעות על פני אלפי קילומטרים, ותהליך הקריסה כולו מתרחש בשלושה־ארבעה ימים. זו תופעה מהירה מאוד וסינכרונית להפליא, ויש לה השפעה מכרעת על מחזור הפחמן באוקיינוס".

ד"ר אסף ורדי וצוותו במסע הימי שבו אספו דוגמאות ממימי האוקיינוס האטלנטי

צילום: ד"ר דניאלה שץ

"זו שאלה שגם אנחנו שואלים את עצמנו. כאשר הווירוסים האלה צפים במים, הם מתים ומתמעטים בקצב שהוא ידוע, בגלל קרינת השמש, תנאי המים ועוד דברים שיכולים לפגוע בהם. כל יום או יומיים הריכוז שלהם יורד בחצי, אז באמת איך הווירוס שורד שנה שלמה עד לפריחה הבאה? אנחנו משערים שנשארת אוכלוסייה קטנה ששורדת במצב רדום, ואז כמובן ששאלת ההמשך היא איך היא יודעת להתעורר בזמן".

בוא נדבר קצת על הצד היישומי. מה אנחנו יכולים לעשות עם הידע החדש שלנו על התהליך הזה?

"דיברנו קודם על הידע שזה נותן לנו לגבי תהליכים של מוות מתוכנן בתאים בהקשר של חקר הסרטן, ועל השימוש בתעשיית הדלקים הביולוגיים. אם ניקח כדוגמה חקלאי שמגדל אצות בבריכות כדי לייצר מהן דלק, ונתקל בקריסות פתאומיות ולא מוסברות של אותם גידולים, אז הפתרונות שאנחנו יכולים להציע זה לא רק לעקוב ולדעת מראש אם ומתי תתרחש הדבקה ובעקבותיה קריסה, אלא גם להנדס זנים חדשים, עמידים יותר. דבר נוסף שקשור לכך הוא היכולת להשפיע על ייצור של שמנים (ליפידים) בתוך התאים בעקבות האינטראקציה עם הווירוס. השמנים האלה, שהם בדיוק מה שיצרני הדלק הביולוגי מחפשים, נוצרים באופן טבעי במהלך ההדבקה. אם נבין איך זה קורה, נוכל לעשות את זה לבד, או אפילו לחקות את תהליך ההדבקה, וכך לגרום לאותו תהליך לקרות גם ללא הווירוס. כמו כן, כיוון שאנו מבודדים מולקולות שהן חשובות ליחסי הגומלין בין האצה והווירוס, יש בכך פוטנציאל גדול לזיהוי חומרים אנטי בקטריאליים ואנטי ויראליים.

"הנה יישום אחר מתחום שונה לגמרי: לאחת מהקבוצות הגדולות של הפיטופלנקטון, שנקראת בעברית 'צורניות' (דיאטומאות), יש שלד חיצוני שעשוי מסיליקה (צורן דו חמצני). השלדים האלה מגיעים בעשרות אלפי צורות מדהימות, שנוצרות באופן מדויק ביותר בסדר גודל ננומטרי, ולכן כיום יש עניין גדול בתחום הננוטכנולוגיה בתהליכים הגנטיים שיוצרים אותם. התקווה היא שניתן יהיה ללמוד איך עובדים חלבונים שיכולים לשמש תבניות לצורות מסוימות, או איך לחבר גן מסוים לצורה, ואז לחקות את התהליכים האלה. זה משהו שאי אפשר לעשות בתהליכים תעשייתיים רגילים".

ומתוך הידע הזה, מה אפשר להסיק על הכיוון שאליו הולך האקלים הגלובלי?

"יש לזה משמעות רבה בהקשר של השינויים הסביבתיים כמו ההתחממות הגלובלית והעלייה בריכוז הפחמן הדו חמצני באטמוספרה. יש, למשל, תופעה שכבר מתרחשת, ושבה הפריחות מצטמצמות ועוברות לאזורים צפוניים יותר באוקיינוסים. ישנה גם תחזית ברורה מאוד שמדברת על כך שהפריחות הללו יוכחדו בעתיד, בגלל ההתחממות ובגלל השינויים הדרמטיים שנגרמים כתוצאה מכך כבר עכשיו בפיזיקה של הזרמים בים, ובמידת החומציות של מי הים. כשזה יקרה, באמת נהיה בצרות".