אבולוציה בזמן אמת

בקצה שדה אלפלפה, ליד העיירה הקטנה ולנטיין שבנברסקה, ניצבות על הקרקע הכהה ארבע מכלאות בשטח של כמה מאות מטרים מרובעים כל אחת, הבנויות מלוחות פלדה ומחוזקות בבטון. ארבע מכלאות זהות ניצבות גם כחמישים קילומטר משם, על הקרקע הבהירה של גבעות החול של נברסקה. המכלאות הוקמו ב-2011 כחלק מניסוי שאפתני לבדוק כיצד הסביבה השונה השפיעה על התפתחותם של עכברי האייל (Peromyscus maniculatus).

גבעות החול של נברסקה הן דיונות ענק שנוצרו לפני 8,000–10,000 שנים ומורכבות בעיקר מחלקיקי קוורץ עדינים ובהירים. הופעת הדיונות יצרה סביבה חדשה, בהירה וחולית, שנבדלת מאדמת החמרה הכהה באזור. גם עכברי האייל החיים בסביבות השונות נבדלים אלו מאלו – צבע פרוותם של העכברים החיים על הדיונות בהיר בעוד פרוותם של האחרים כהה.

ההסבר לשוני בצבע פרוות העכברים נראה ברור למדי: עכברי אייל כהים שחיו על חולות הדיונות הבהירים בלטו לעין ונטרפו בקלות. לעומתם עכברים בני מזל שמוטציה הפכה את פרוותם לבהירה שרדו והעבירו הלאה את הגֶן לפרווה בהירה, שעם הזמן התפשט באוכלוסייה כולה. זהו תהליך של ברירה טבעית, שבו הפרטים המתאימים יותר לתנאי הסביבה שורדים. דוגמה מפורסמת לכך היא סיפורו של עש הפלפל (עש נקוד, Biston betularia), שאוכלוסייתו בהירת הכנפיים השתנתה והפכה לכהה בעקבות זיהום אוויר שצָבַע לשחור את הענפים וגזעי העצים שעליהם הסתתרו העשים. העשים הבהירים בלטו על הגזעים השחורים ונטרפו, בעוד העשים השחורים שרדו והתרבו. כאשר תקנות למניעת זיהום אוויר נכנסו לתוקפן חזרו העצים למצבם המקורי ויחד איתם הצבע הבהיר שב והתפשט באוכלוסיית העשים.

עכברים בכל מיני צבעים

ההסבר להבדל בין אוכלוסיות העכברים נשמע משכנע, אך ללא שייבדק לא נוכל לדעת אם הוא אכן נכון, ואינו רק סיפור המציע הסברים שנשלפו מהשרוול בדומה ל"סיפורי ככה זה" של רודיארד קיפלינג. לצורך כך הקימו הופי הוקסטרה (Hoekstra) ורואן בארט (Barret) מאוניברסיטת הרווארד ועמיתיהם את המכלאות. מטרת המכלאות הייתה לאפשר לחוקרים לעקוב לראשונה אחר אבולוציית העכברים בדרך של ברירה טבעית בזמן אמת ובשטח, ולגלות את הגנים המעורבים בכך. עד עתה, ניסויים דומים נעשו רק במעבדה ורק בנגיפים וביצורים חד תאיים כגון חיידקים.

החוקרים סילקו משטח המכלאות עכסנים, טורפים אחרים וכן מכרסמים שונים ולכדו בטבע 481 עכברי אייל, מאזורים "כהים" ו"בהירים". הוקסטרה ועמיתיה הרדימו את העכברים, צילמו אותם, השתילו בגופם שבבי RFID זעירים וקטמו חתיכה קטנטנה מקצה זנבם כדגימת DNA. לאחר מכן הם שחררו בין 75 ל-100 עכברים לשש מתוך שמונה המכלאות, כשבכל מכלאה כחצי מהעכברים הגיעו מהדיונות הבהירות וכחצי מאזורי האדמה הכהה.

לאחר שלושה חודשים טרפו ינשופים רבים מהעכברים שבמכלאות. ינשופים הם טורפי עכברים מוצלחים למדי שיכולים להבחין בצבעי הפרווה השונים אפילו בלילה, תחת אור הירח. כצפוי, במכלאות שהוקמו על אדמה כהה נטרפו בעיקר עכברים בהירים, שבלטו לעין. ולהפך, במכלאות שהוקמו על הדיונות הבהירות נטרפו בעיקר עכברים כהים. במילים אחרות, כפי שאמרה הוקסטרה בהודעה לעיתונות, "במכלאות הבהירות העכבר הממוצע הפך לבהיר יותר, ובמכלאות הכהות הם התכהו". בעקבות הברירה הטבעית בסביבות השונות אוכלוסיות העכברים, שהיו זהות בתחילת הניסוי, התבדרו.

הגן שמאחורי הצבע

החוקרים לא הסתפקו בשינוי הצבע שראו: הם רצו לבחון מה הבסיס הגנטי לכך, אם קיים כזה. מחקרים קודמים הראו שלגן הקרוי Agouti יש השפעה חזקה על צבע הפרווה בעכברים. לכן הוקסטרה ועמיתיה ריצפו את הגן בכל העכברים שהוכנסו למתחם והשוו בין הצורות השונות (אָלֶלים) שלו בעכברים השונים. הם גילו כי כמה צורות הפכו לנפוצות יותר בעכברי האייל במכלאות הבהירות לעומת במכלאות הכהות.

אחת הצורות האלה היא גרסה מוטנטית של הגן, שהחוקרים חשדו שיש לה קשר חזק לשינוי הפרווה מכהה לבהירה יותר. הם בחרו להתמקד בה ובאמצעות הנדסה גנטית החדירו אותה, או את גן Agouti הרגיל, לעכברי מעבדה. הם ראו שאכן, פרוותם של עכברי המעבדה בעלי הגן המוטנטי הייתה בהירה יותר משל בעלי הגן הרגיל. הוקסטרה ועמיתיה אף גילו כיצד המוטציה משפיעה על צבע הפרווה:

החלבון שנוצר מגן Agouti התקין מעודד את ייצור הפיגמנט החום-צהוב פאומלנין (pheomelanin) באמצעות קשר עם חלבונים אחרים. בצורה המוטנטית של הגן החלק המאפשר את הקשר הזה פגום, ולכן נוצר פחות פאומלנין והפרווה הופכת לבהירה יותר. כך מוטציה אחת, בגן אחד, גורמת לשינוי נראה לעין בפרוות עכברי האייל. החוקרים אף הראו שמוטציה זו היא העומדת בלב ההבדל בין האוכלוסיות בעקבות הברירה הטבעית: במכלאה הכהה, עכברים הנושאים אותה נטרפים יותר מחבריהם בעלי הצורה הרגילה של הגן.

ברירה טבעית מול העיניים

הוקסטרה ועמיתיה הראו איך מוטציה שגורמת לשונות, במקרה זה בצבע הפרווה, הופכת לנפוצה יותר באוכלוסייה בסביבה מסוימת מאחר שהיא מקנה יתרון הישרדותי לנושא המוטציה. זה הבסיס לאבולוציה בדרך של ברירה טבעית, וזו הפעם הראשונה שהיא תועדה באופן שלם כל כך ביונקים.

הניסוי של הוקסטרה לא הסתיים עם מחקר זה. ההבדלים בין הדיונות לקרקעות הכהות לא מסתכמים בצבע, והיא ועמיתיה מחפשים כעת מוטציות בגנים נוספים שקשורים להבדלים מגוונים בין אוכלוסיות העכברים השונות. כמו כן, המחקר הנוכחי נעשה במשך דור אחד של עכברים שכולם כבר נטרפו או מתו מסיבות אחרות. עם זאת, הצאצאים שלהם ממשיכים בחייהם במכלאות והחוקרים יעקבו אחריהם וירצפו את הגנים שלהם כדי לראות במה הם נבדלים מהוריהם, ואלו שינויים אבולוציוניים מתרחשים לאורך הדורות.