החיים בטמפרטורות גבוהות

טווח הטמפרטורות הבינוני (מֶזופילי) נע בין 45-20 מעלות. יש יצורים שיכולים לשרוד רק בטמפרטורות קיצוניות במיוחד. מי הם והיכן הם נמצאים?

Grand Prismatic Spring and Midway Geyser BasinBrocken Inaglory, ויקיפדיה
שמורת ילוסטון. כל צבע מייצג טמפרטורה אחרת ואוכלוסיית יצורונים אחרת

טווח הטמפרטורה המתאים לנו, ושבו אנו חיים, הוא הטווח הבינוני, או המזופילי, שמשתרע בין 20 ל־45 מעלות צלזיוס, כך שאנו, כבעלי חיים רבים אחרים החיים בטווח טמפרטורות זה מכונים יצורים מזופילים (ביצורים רב תאיים מדובר בטמפרטורת הגוף, ולכן, עם אמצעי עזר מבודדים מהסביבה אנו שורדים גם בטמפרטורות אחרות). מדור זה יתמקד ביצורים, ובעיקר ביצורונים, שחיים בטמפרטורות גבוהות יותר: בתרמופילים ("אוהבי חום"), שטווח הטמפרטורות העיקרי שלהם הוא 45־75 מעלות צלזיוס; ובהיפרתרמופילים, שחיים בטמפרטורות הגבוהות מ־80 מעלות צלזיוס – הקיצוניים שבהם חיים בטמפרטורה של 122 מעלות צלזיוס - שמהווה את הגבול העליון המאפשר חיים. בצד השני של סרגל הטמפרטורות חיים היצורים הפסיכרופילים (אוהבי קור). טווח הטמפרטורות העיקרי שלהם משתרע בין 20 מעלות ל־10 מעלות מתחת לאפס.

ב־1966, לאחר ששנים חשבו שאין חיים בטמפרטורות הגבוהות מ־55 מעלות צלזיוס, התגלו ההיפרתרמופילים הראשונים, כשתומס ברוק (Brock) ועמיתיו מצאו יצורים במעיינות החמים של ילוסטון בארצות הברית, ואפיינו אותם. מאז נמצאו יצורונים היפרתרמופילים ותרמופילים במעיינות חמים ברחבי העולם - באיטליה, באיסלנד, בניו זילנד, בקמצ'טקה (מזרח־רוסיה), ביפן, במרכז אפריקה, במרכז אמריקה ובמקומות נוספים. החיים במקומות החמים במעמקי האוקיינוסים נאלצו לחכות לגילויים כמה שנים נוספות.

מהן הטמפרטורות המרביות שבהן מסוגלים לחיות יצורים המוכרים לנו? החולייתנים (הכוללים אותנו) אינם יכולים לחיות כשטמפרטורת גופם עולה מעל 42 מעלות; בין חסרי החוליות יש חרקים וסרטנים מסוימים שיכולים לחיות בטמפרטורה של 50 מעלות, אך לא יותר; הטחבים, שהם צמחים ירודים, יכולים לחיות לכל היותר בטמפרטורה של 50 מעלות; הצמחים העילאיים, מאופיינים בצינורות הובלה, אינם חיים מעל 45 מעלות, למעט פרח הקוף הצהוב, שיכול לחיות גם ב־60 מעלות; יצורונים חד תאיים איקריוטיים יכולים לגדול בטמפרטורה של 62 מעלות לכל היותר; חיידקים מסוימים יכולים לחיות ב־95 מעלות; ונציגי הארכאונים יכולים לגדול ולהתקיים בטמפרטורות הגבוהות מ־110 מעלות, ואחד מהם, ה־,Methanopyrus אף מצליח לחיות ב־122 מעלות.

מבראשית – טמפרטורה גבוהה

ב־500־700 מיליון השנים הראשונות לקיומו ולהתהוותו היה כדור הארץ נתון תחת הפגזה מסיבית של מטאוריטים, והטמפרטורה הייתה גבוהה בהרבה מ־100 מעלות צלזיוס. בתנאים אלה המים על פני השטח לא היו במצב נוזלי – תנאי הכרחי לחיים, לפחות לאלה המוכּרים לנו. החיים החלו להיווצר ולהתבסס רק כשהטמפרטורה ירדה אל מתחת ל־100 מעלות צלזיוס. הפְּרוֹגֶנוֹט, האב הקדמון של כולנו, היה כנראה היפרתרמופילי, וכך גם צאצאיו, "מייסדי" שלוש השושלות המוכרות כיום. ההתקררות ההדרגתית אפשרה את התפתחותם של התרמופילים, המזופילים והפסיכרופילים, ולאחר מכן גרמה לדחיקת ההיפרתרמופילים והתרמופילים לאזורים מוגבלים - שבהם הטמפרטורה נותרת גבוהה רוב הזמן - והם נאלצו לחפש פתרונות כדי לשרוד את התקופות הקרות.

היכן חיים אותם יצורים תרמופילים והיפרתרמופילים? טמפרטורות גבוהות במיוחד שוררות באופן קבוע באזורים שקשורים לפעילות גיאותרמית - על היבשה, במעיינות חמים ובגייזרים, וכן במעמקי האוקיינוסים - בארובות ההידרותרמיות. תהליכים ביולוגיים של מִחזור, לרוב בתנאים אל־אווירניים, במטמנות אשפה ובקומפוסטרים, גורמים לחימום משמעותי, ולכן פעילותם של יצורונים תרמופילים מאפשרת את המשך התהליך, במיוחד לאחר שחלק ניכר מהיצורונים שהחלו את התהליך, פסיכרופילים או מזופילים, לא שורדים את עליית הטמפרטורה.

החיים במעיינות החמים

מלבד מים חמים, הקרובים לטמפרטורת הרתיחה, המעיינות השונים מכילים מינרלים מסוגים שונים, גם הם לא ידידותיים במיוחד (ולעתים אפילו קטלניים) למרבית היצורים "הרגילים": במעיינות רבים יש ריכוזי גופרית גבוהים, ובאחרים סידן ביקרבונט. המים עצמם יכולים להיות חומציים מאוד (pH נמוך) או בסיסיים (pH גבוה) - כך שכל מי שחי במעיינות אלה חייב להיות מותאם לסביבתו. מקום הנביעה הוא המקום החם ביותר, וככל שמתרחקים ממנו הטמפרטורה יורדת, ונוצר מפל (Gradient) של טמפרטורות, שכל אזור בו מאופיין על ידי היצורונים המותאמים לטמפרטורה שלו. בכל מקום שבו הטמפרטורה גבוהה מ־65 מעלות חיים רק ארכאונים וחיידקים, ובאזורים שבהם הטמפרטורה נמוכה מ־62 מעלות אפשר למצוא גם אצות ופטריות.

במעמקי הים

במעמקי הים יש הרי געש פעילים רבים, והם יוצרים סביבם אזורים בעלי טמפרטורה גבוהה, שיכולה אף להגיע ל־350 מעלות צלזיוס. גם שם נוצר מפל טמפרטורות, שמאפשר קיום של חיים כשהטמפרטורה יורדת ל־ 122 מעלות ומתחת לכך. חיידקים וארכאונים רבים (חלקם נמצאו גם במעיינות חמים יבשתיים - למשל Thermus aquaticus) מאכלסים את האזורים האלה, ומאפשרים את קיומה של שרשרת המזון של יצורים רבים אחרים הניזונים מהם. מעיינות חמים במעמקי האוקיינוס פולטים מינרלים המגיבים למי הים, ויוצרים במעמקי האוקיינוס מבנים המכונים ארובות הידרותרמיות. גם בארובות אלה נוצרים מפלי טמפרטורות שמאפשרים חיים. שם גם אפשר למצוא, בטמפרטורה של 122 מעלות, את הארכאונים Methanopyrus שהוזכרו קודם. תכונה מיוחדת שיש לארכאונים ולחיידקים ההיפרתרמופילים החיים בארובות ההידרותרמיות היא יכולתם לשרוד תקופות ממושכות במי ים קרים. תכונה זו מאפשרת להם לעבור - דרך מי הים - מהארובות הקיימות לארובות חדשות שנוצרות במעמקי הים.

תולעת פומפיי

תולעת פומפיי (Alvinella pompejana) חיה בארובות הידרותרמיות במעמקי האוקיינוס, באזורים הקרים יחסית של הארובות. בחלק הפנימי של הארובה הטמפרטורה מגיעה לכ־80 מעלות צלזיוס, ובחלק החיצוני לכ־20 מעלות בלבד. התולעת, שאורכה מגיע לכ־13 ס"מ, חיה בחורים בארובה, כך שחלקה האחורי נמצא בתוכה ואילו חלקה הקדמי פונה למי האוקיינוס הקרירים יחסית.

תולעת פומפיי בארובות ההידרותרמיות
Stephen Low Productions.  

זמן רב תהו החוקרים כיצד מסוגלת התולעת לחיות כאשר חלקה האחורי נמצא בתוך מים בטמפרטורה שעולה בהרבה מעל 55 מעלות - הטמפרטורה המרבית ליצורים רב תאיים איקריוטיים. החוקרים מצאו שגופה של התולעת מכוסה בחיידקים היפרתרמופילים רבים מהמין Vibrio diabolicus עדיין לא ברורה לגמרי מהות הסימביוזה בין החיידקים לתולעת וכיצד היא מאפשרת את קיומה של התולעת בטמפרטורה הגבוהה - האם החיידקים מהווים "שמיכת בידוד" בין התולעת למים החמים?

תרמופילים בקומפוסטר

מקום נוסף שבו נמצאים חיידקים תרמופילים והיפרתרמופילים הוא מתקני הקומפוסטציה, הקומפוסטרים, שבהם אנו ממחזרים חומרים אורגניים והופכים אותם לחומרי דישון טבעיים. יש שני סוגים של קומפוסט: קר וחם. בקומפוסט הקר פעילים חיידקים פסיכרופילים ומזופילים בלבד, המתחילים ומסיימים את תהליכי הפירוק של החומר האורגני. קומפוסט קר יכול להיות בעייתי מכיוון שחיידקים גורמי מחלות (גם לאדם וגם לצמחים) שהיו על חומרי המוצא של הקומפוסט יכולים לשרוד בהם, דבר שנמנע בקומפוסט חם. בקומפוסט חם, כתוצאה מתהליכי הפירוק הראשוני של החומרים האורגניים על ידי חיידקים מזופילים, נפלט חום רב הקוטל את מרבית החיידקים האלה (חלקם שורדים בצורת נבגים). חיידקים תרמופילים, בעיקר מהסוג ,Bacillus ממשיכים, בסיוע הטמפרטורות הגבוהות, בפירוק האורגני. הטמפרטורה ממשיכה לעלות ואף מטפסת מעל ל־60 מעלות, ואז משתלטים על התערובת חיידקים היפרתרמופילים, רבים מהם מהסוג Thermus, ומסיימים את הפירוק. אם יש חיידקים גורמי מחלות לאדם ולצמחים – הם מושמדים בשלב זה. אז מתחיל הקומפוסט להתקרר, ומאכלסים אותו מחדש חיידקים מזופילים, חלקם מנבגים והשאר מהסביבה.

ערימת קומפוסט
Ksd5, ויקיפדיה

Thermus aquaticus - היצורון ששינה את הביולוגיה המולקולרית

החיידק המפורסם ביותר מבין ההיפרתרמופילים הוא Thermus aquaticus, המכונה בקיצור Taq. תומס ברוק ועמיתיו פרסמו אותו לראשונה בשנת 1969, לאחר שבודדו ואפיינו אותו מדגימת חיידקים ממעיינות חמים בילוסטון. בהמשך נמצא החיידק במעיינות חמים רבים ברחבי העולם, ואף במתקנים מלאכותיים בטמפרטורה המתאימה. תחום הטמפרטורות שבהן חי החיידק הוא 50־80 מעלות צלזיוס, והטמפרטורה האופטימלית לגידולו היא 70 מעלות צלזיוס.

בשנת 1971 פיתח ופרסם החוקר קג'ל קלפ (Kleppe) ממעבדתו של הרגובינד קוראנה (Khorana), במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס שיטה לשכפול משמעותי (Amplification) של DNA דו גדילי שנמצא בכמויות זעירות. בשיטה זו משתמשים בשני תחלים (Primers – רצפים קצרים של קצוות המולקולה, שמיוצרים באופן מלאכותי) – אחד לכל צד. בתחילה מוכנסים לתמיסה הנבדקת (שבה רוצים לבדוק את קיום ה־ DNA) תערובת של שני התחלים עם ארבעת הנוקלאוטידים. אז מפרידים את הגדילים על ידי הרתחה, ומקררים אותה באטיות כדי שהתחלים ייצמדו לרצף המתאים להם במולקולה. לאחר מכן מוסיפים פולימרז DNA של (Escherichia coli), שיוצר את הגדיל המשלים מההתחל והלאה. כך מוכפלת המולקולה שבין התחלים. מחזור נוסף של הרתחה מפריד שוב את הגדילים, אך משבית את האנזים, שעובר דנטורציה. שוב צריך לקרר במהירות את התערובת ולהוסיף מחדש אנזים לתערובת. בכל מחזור כזה מוכפלת המולקולה. אם מתחילים במולקולה אחת, לאחר עשרה מחזורים כאלה יהיו במבחנה 1,024 מולקולות זהות. שיטה זו מכונה היום Polymerase Chain Reaction (תגובת השרשרת של פולימרז, ובקיצור PCR). הבעיה בשיטת ה־PCR שפרסם קלפ הייתה הזמן שבוזבז בסוף כל שלב כדי להוסיף אנזים חדש לתערובת.

ב־1983 גייס החוקר קרי מוליס (Mullis) מהחברה הביוטכנולוגית Cetus Corporation מאמריוויל שבקליפורניה, שהכיר את מאמרו של קלפ, את הפולימרז של Thermus aquaticus (המכונה Taq polymerase) לתהליך ה־PCR. האנזים ,Taq polymerase שכאמור מגיע מחיידק היפרתרמופילי, אינו מושבת בטמפרטורה שבה מופרדים הגדילים ולכן אין צורך יותר לעצור את הריאקציה לאחר כל מחזור הכפלה של המולקולה. כך אפשר לחזור על התהליך עשרות פעמים (כל מחזור נמשך כחמש דקות) ולשכפל תוך זמן קצר מולקולות DNA שנמצאות בכמויות קטנות מאוד. חברת Cetus הוציאה פטנט על התהליך, ומאז 1986 הוא נכנס לשימוש נרחב בתחומים רבים של הביולוגיה המולקולרית. החברה אף פיתחה מכשיר שנקרא Thermal Cycler, שלאחר תכנות מתאים יכול לערוך את כל שינויי הטמפרטורה הנדרשים ללא התערבות של החוקר. על גיוס Taq polymerase לשיטת ה־PCR קיבל מוליס פרס נובל בכימיה בשנת 1993. כיום מפיקים בקלות יחסית את האנזים מחיידקי E. coli שהוחדר להם הגן המתאים של Thermus aquaticus. כמו כן, משתמשים בשיטה זו גם באנזימים של החיידק Thermococcus litoralis ושל הארכאון Pyrococcus furlosus, שניהם כמובן, יצורונים היפרתרמופילים.

Thermal Cycler - המכשיר בו מבצעים את ה-PCR
Rror, ויקיפדיה

לסיכום

חיידקים תרמופילים והיפרתרמופילים היו כנראה היצורים הראשונים שהתפתחו על פני כדור הארץ. ההיכרות שלנו איתם יכולה לעזור לנו להבין את התפתחות החיים כאן, ואולי אף לסייע לנו למצוא חיים במקומות אחרים במערכת השמש. ביצורים אלה טמון גם פוטנציאל ביוטכנולוגי רב, וייתכן שהסיפור של Taq polymerase (ראו מסגרת) יחזור על עצמו גם בתחומים אחרים.

פורסם לראשונה ב"גליליאו" 185, פברואר 2014.