לראשונה - התגלה בעל חיים שאינו משתמש בחמצן לנשימה!- עם אורי פלביץ'

Henneguya salminicola - טפיל איקריוטי רב-תאי של דגי סלמון - שאינו משתמש בחמצן לנשימה 

כתבו: ד"ר דרור בר-ניר וד"ר אורי פלביץ' מצוות מדעי החיים באוניברסיטה הפתוחה

לאחרונה גילתה קבוצת המחקר של דורותה הושון (Huchon) מהמחלקה לזואולוגיה של אוניברסיטת תל-אביב, בשיתוף עם חוקרים מאורגון ומקנזס, בעל חיים שאיבד חלקים מהגנום של המיטוכונדריה, האחראים על הנשימה האווירנית. מדובר בטפיל תוך תאי של דגים ממשפחת הסלמוניים המהווה את הדוגמה הראשונה הידועה למדע של איקריוט רב תאי שאיבד את היכולת של הנשימה האווירנית.

הטפיל (Henneguya salminicola) הוא בעל חיים ימי מיקרוסקופי רב-תאי ממחלקת ה-Myxozoa וממערכת הצורבים (Cnidaria). במהלך ההתפתחות האבולוציונית טפילים אלו איבדו את מרבית הגנום המיטוכונדריאלי ולכן אינם יכולים לבצע נשימה אווירנית. בנוסף, טפילים אלה איבדו גם גנים גרעיניים רבים, הקשורים בהכפלת ה-DNA המיטוכונדריאלי ובסינתזת חלבונים ממנו. בהשוואה למין קרוב אחר (Myxobolus squamalis), שגם הוא טפיל של דגי סלמון, הראו החוקרים שלאחרון יש גנום מיטוכונדריאלי. עד היום היו מוכרים לנו רק פרוטיסטים איקריוטים חד תאיים שאיבדו את המיטוכונדריה (כגון טפיל המעיים Giardia lamblia).

בשר של דג סלמון שמוטפל ב-Henneguya salminicola (נקודות לבנות).
מקור התמונה - Flying Penguin, English Wikipedia

בכדי להבין את משמעות הממצא החדש הנה קצת רקע על הנשימה האווירנית והתפתחותה באבולוציה:

האטמוספרה הקדומה של כדור הארץ, החל מרגע היווצרותו – לפני 4.6 מיליארד שנה, ועד לפני כ-2.7 מיליארד שנה, לא הכילה כלל חמצן, אלא חנקן מולקולרי (N₂), פחמן דו חמצני (CO₂), אדי מים, ומתאן (CH₄) ביחסים משתנים. החיים הופיעו על פני כדור הארץ לפני כארבעה מיליארד שנה. לכן, החיידקים והארכאונים שחיו במשך 1.3 מיליארד השנים הראשונות, היו כולם אל-אווירניים - כלומר, התקיימו בתנאים ללא חמצן.

שינוי משמעותי התרחש לפני כ-2.7 מיליארד שנה, כשהופיעו החיידקים הכחוליים – שהצליחו לראשונה, בעזרת אנרגיית השמש, לבקע מולקולות מים (H₂O), וכתוצאה מכך לפלוט לאטמוספרה חמצן מולקולרי (O₂). כ-300 מיליון שנה נדרשו לחיידקים הכחוליים "להשתלט" על כדור הארץ ולהפוך את האטמוספרה שלו לחמצנית. מאז ריכוז החמצן באטמוספירה החל לעלות ולרדת עד שהתייצב ברמה המוכרת לנו היום.

החמצן הוא חומר רעיל ביותר לכל היצורים שאינם מותאמים אליו. הצטברותו באטמוספירה גרמה להכחדה המונית של מרבית המיקרואורגניזמים שחיו אז ודחיקתם של הנותרים לאזורים ולמקומות שחמצן אינו מגיע אליהם - מעמקי האוקיינוסים, מעמקי ביצות, השכבות תחתונות של ימות מלוחות, ובתקופה מאוחרת יותר, גם בדרכי העיכול של בעלי חיים (ומטמנות אשפה). בסביבה החמצנית שרדו רק שני טיפוסים של מיקרואורגניזמים: אלה שהסתגלו לסביבה החמצנית ללא ניצול היתרונות שהיא מקנה, ואלה שהסתגלו לסביבה החדשה ולמדו לנצל את יתרונותיה - על ידי שימוש בחמצן כקולט אלקטרונים סופי בתהליך המכונה נשימה אווירנית.

השושלת האיקריוטית, שאנו משתייכים אליה, החלה את דרכה בתחילת העידן החמצני, כשיצור חד תאי אל-אווירני (כיום סבורים שמדובר בארכאון אסגרדי) יצר יחסי סימביוזה מעניינים עם חיידק אווירני מתת החטיבה אלפא-פרוטאובקטריה, שהתמקם בתוכו כתוצאה מתהליך של בליעה (פגוציטוזה), והיום אנו מכירים אותו כמיטוכונדריון (וברבים - מיטוכונדריה). הסימביוזה הפכה להכרחית (אובליגטורית) לשני הצדדים, כתוצאה ממעבר גנים מהגנום המיטוכונדריאלי לגנום של המארח, וההיפך. היצור - תוצר הסימביוזה - הצליח לשרוד בסביבה החמצנית המתפתחת, וממנו התפתחו כל החד-תאיים והרב-תאיים האיקריוטיים (בעלי הגרעין) המוכרים לנו היום. שמאכלסים בעיקר סביבות שבהן יש חמצן.

חלק מהיצורים החד תאיים האיקריוטיים (הפרוטיסטים) חדרו ("חזרו") בהמשך גם לסביבות אל-אווירניות, חלק מהם, המכונים אווירניים ברירניים (פקולטטיביים) עשו זאת בנוסף, כלומר הם יכולים לחיות גם בסביבה אווירנית וגם בסביבה אל-אווירנית. מיעוט מהם התמקם בסביבה אל-אווירנית בלבד, ולכן הם מכונים אל-אווירניים הכרחיים (אובליגטוריים). האל-אווירניים ההכרחיים, כמו Giardia lamblia (טפיל חד-תאי, הגורם תחלואת מעיים אצל בני אדם), איבדו את המיטוכונדריה, ואנו יודעים זאת כי נשארו בגנום שלהם גנים שמקורם מיטוכנדריאלי, או שנשארו עם אברון דמוי מיטוכונדריה (MRO-mitochondria related organelle), שאיבד את הגנים הקשורים בנשימה אווירנית.

עכשיו אנו יודעים שגם בעלי חיים (שהם רב-תאיים איקריוטים) "חזרו" לסביבה אל-אווירנית.

לקריאה נוספת

תקציר המאמר בכתב עת PNAS

פורסם במקור בדף הפייסבוק:  מדעי הטבע והחיים באוניברסיטה הפתוחה