ניצחון עם כנפיים

בקיצור

• קבוצת ציפורי השיר עשירה במיוחד במספר המינים שבה – קרוב לחצי מכלל 10,000 ויותר מיני הציפורים הקיימים כיום.
• ביולוגים תהו זמן רב איך נוצר המגוון הרב הזה של ציפורי השיר. ההסברים המקובלים נגעו לגורמים כמו שינויי אקלים.
• מחקרים חדשים הראו שלציפורי שיר יש כרומוזום נוסף שאינו קיים אצל ציפורים אחרות, דבר שמעיד שזה עשוי להיות המפתח למגוון העצום שלהן.

כשגוש בוער של סלע חללי ברוחב 10 קילומטר התנגש באזור שבו נמצא כיום מפרץ מקסיקו, הוא חולל חורבן רחב היקף ומחק למעלה מ-75 אחוז מהיצורים החיים בכדור הארץ. האסטרואיד צ'ישקולוב, כפי שהוא מכונה, מפורסם בעיקר בכך שהוא הכחיד את הדינוזאורים. אך אף שהוא חרץ את גורלם של טירנוזאורוס רקס, הטריצרטופס, הזאורופודים וההדרוזאורים, האסטרואיד דווקא העלה שושלת דינוזאורים אחת על הכביש המהיר לתהילה: הציפורים המודרניות.

הציפורים הופיעו לפני למעלה ל-150 מיליון שנה, כשהתפתחו מדינוזאורים אוכלי בשר מקבוצת התרופודה (Theropoda). ב-85 מיליוני השנים הראשונות לקיומן הן הגיעו למגוון מרשים. אולם האבות הקדומים של הציפורים בנות זמננו – המשתייכות לשושלת העופות הבתראים (Neornithes) – לא היו אלא שחקני משנה לעומת העופות הקדומים שמשלו בכיפה, כמו האננטיורניתים (Enantiornithines).

אולם כשהאסטרואיד היכה, גורלם של העופות הבתראים השתנה. הפגיעה הכחידה את כל הדינוזאורים שאינם ציפורים, וגם את רוב הציפורים. רק העופות הבתראים שרדו את האירוע האפוקליפטי הזה. מקבוצת השורדים הקטנה הזאת תצמח אחת ההתפרצויות האבולוציוניות הגדולות אי פעם.

כיום יש יותר מ-10,000 מיני ציפורים, כך שמדובר במחלקה השנייה בגודלה מבחינת מספר מינים בין בעלי החוליות, שרק דגי הגרם עולים עליה במספרם. הן באות בשלל צורות וגדלים – בצד האחד היען שוכן הקרקע ששוקל יותר מ-136 קילוגרם, ובקוטב השני הקוליברי הזעיר המצוי עם משק כנפיו המזמזם, שלא מגיע אפילו לשני גרם. הם השתכנו בכל גוף יבשתי או ימי משמעותי בעולמנו, מהחוג הטרופי הלוהט ועד לקטבים הקפואים. והם התפתחו למגוון רחב של גומחות תזונתיות, כשפיתחו התאמות לאכילה של כל דבר שיעלה על הדעת, החל באצות מיקרוסקופיות וכלה ביונקים גדולים.

זרעית השדה (Alauda arvensis) I צילום: Getty images

מדהים לציין שבערך מחצית מהמינים הללו הם ציפורי שיר, בעלות תיבת הקול הייחודית. הקבוצה כוללת את הסבכיים, הקנריות, העפרונים ומינים נוספים ששירתם ערבה לאוזן, אך גם את העורבים על קריאותיהם הצורמניות (לפחות לאוזן האנושית) וקרוביהם. כדי לתת לכם קנה מידה, נציין שמספר מיני ציפורי השיר שווה פחות או יותר למספרם של כל מיני היונקים ביחד.

איך קרה שדווקא בקבוצת הציפורים הזאת נוצר מגוון כה יוצא מגדר הרגיל? ביולוגים ניסו מזה זמן רב לענות על השאלה, ותרו אחרי רמזים בשרידי מאובנים או ברצפי DNA של ציפורים מודרניות. אך פרט לזיהוי מקום מוצאן של ציפורי השיר (אוסטרליה), רבים מהמחקרים הללו סיפקו תוצאות לא חותכות ואפילו סותרות. התמונה המלאה – היכן ומתי התפצלו זו מזו השושלות שהובילו לציפורי השיר המודרניות, ומכאן מה היו הגורמים שהניעו את ההתפצלות הזאת – נותרה עמומה.

בהיעדר ראיות חותכות שיבהירו איך כל זה התרחש, חוקרים קידמו כמה תיאוריות מתחרות בנוגע להסתעפות של ציפורי השיר. הן התמקדו במגוון גורמים, כגון שינויי אקלים, טקטוניקת הלוחות או ברירה זוויגית, שבה העדפות זוגיות מניעות את האבולוציה.

עכשיו התחום תוסס בעקבות ממצאים חדשים. נראה כי לכל ציפורי השיר יש כרומוזום נוסף משונה שאין לציפורים אחרות. הגילוי מרמז על מנגנון גנטי שמוביל ליצירת מחסומים מפני רבייה בין אוכלוסיות שונות של אותו מין – דבר שעשוי לקדם ספציאציה, כלומר היווצרות מינים חדשים. יש עוד פרטים רבים שאיננו יודעים על חבילת ה-DNA הנוספת הזו, אך כבר עכשיו מדענים תוהים אם זה עשוי להיות הסוד מאחורי הצלחתן האבולוציונית המסחררת של ציפורי השיר.

גֵנים בכיס האחורי

שמו של הכרומוזום שעל הפרק הוא "כרומוזום מוגבל לשורת הנבט" (כמש"ן) או Germ-line-Restricted Chromosome. הוא נקרא כך כיוון שהוא נמצא בתאי הרבייה – תאי ביצית, זרע או התאים שמהם הם מתפתחים – אך לא בשאר תאי הגוף. תאי האב של הביציות והזרעונים מכילים כמש"ן, אך עד שתא הזרע מסיים להבשיל כבר לא נותר לו זֵכֶר. כך שהכרומוזום מועבר לצאצאים באופן בלעדי מהאם.

קנית מהמין Acrocephalus dumetorum | Getty images

עד לאחרונה הכמש"ן זוהה אצל שני מינים של ציפורי שיר בלבד: זברה פינק (Zebra finch), וקרוב משפחתו הפינק הבנגלי (Bengalese finch). היה נדמה שזאת מוזרות של שני המינים הללו ותו לא. אבל כשחוקרים החליטו לחפש אותו בענפים אחרים של מחלקת העופות, צצה תבנית מרשימה.

במאמר שפורסם ב-11 ביוני 2016 בכתב העת Proceedings of the National Academy of Science USA, דיווחו אנה טורגשבה (Torgasheva) ופבל בורודין (Borodin) מהאקדמיה הרוסית למדעים, דניס לרקין (Larkin) מאוניברסיטת לונדון ועמיתיהם, שהכמש"ן נמצא אצל כל 16 מיני ציפורי השיר שהם בחנו – מדגם שכלל נציגים מכל עץ המשפחה של ציפורי השיר. לעומת זאת, הוא לא היה קיים אצל אף לא אחד משמונת המינים שייצגו קבוצות אחרות של ציפורים.

אם לא די בכך, הכמש"נים שהם מצאו נבדלו באופן ניכר זה מזה בין מין אחד למשנהו – אפילו מינים קרובים למדי – מה שרומז שהכרומוזום עבר אבולוציה מהירה בשושלות ציפורי השיר מאז שהופיע לראשונה אצל האב הקדמון המשותף להן, כנראה לפני כ-35 מיליון שנה.

בעבר מצאו שתאים של יצורים אחרים מכילים כרומוזומים נוספים, שכונו כרומוזומי B. אך קיומם אינו אחיד – הוא הוא משתנה בין פרטים שונים מאותו מין, ואפילו בין תאים שונים של אותו פרט. הכמש"ן, לעומת זאת, הוא "מרכיב קבוע בשורת הנבט של ציפורי השיר", אומר לרקין. השכיחות הזו מעידה שאולי יש לכמש"ן השפעה גדולה יותר מאשר כרומוזומי B.

השאלה על מה בדיוק משפיע הכמש"ן נותרה במידה רבה תעלומה, שכן ידוע מעט מאוד על התפקיד שממלאים הגֵנים שלו. אבל כמה רמזים נחשפו בכל זאת. במחקר חדש נוסף על הכמש"ן, שהועלה לשרת הקדם-פרסום של BioRxiv אך טרם עבר ביקורת עמיתים או התקבל לפרסום בכתב עת מדעי, מצאו קורמק מ' קינסלה (Kinsella), אלכסנדר סו (Suh) ועמיתיהם מאוניברסיטת אופסלה בשבדיה שבכמש"ן של הזברה פינק יש 115 גֵנים לפחות, ובכלל זה גֵנים שכבר נמצא בעבר שה-RNA והחלבונים שהם יוצרים קיימים בשחלות ובאשכים של ציפורים בוגרות. הדפוס הזה מרמז שהגֵנים הללו עשויים למלא תפקיד בהכוונת ההתפתחות של תאי הזרע והביצית. גֵנים אחרים בכמש"ן של פרושי הזברה מקבילים לגֵנים שמחקרים על עכברים מצאו שהם מעורבים בהתפתחות העוברית המוקדמת.

פרוש גולדיאן (Erythrura gouldiae) | צילום: Getty images

לפי בורודין ולרקין, הממצאים מעידים שייתכן שהכמש"ן אִפשר לציפורי שיר לגבור על מגבלות משמעותיות באבולוציה של העופות. "הגנום (כלל החומר הגנטי) של עופות נוטה להיות דחוס ושמור יותר מזה של יונקים, לדוגמה", מסביר לרקין.

גודל הגנום של יונקים בני זמננו נע בין פחות משני פיקוגרמים (טריליוניות הגרם) לבין למעלה משמונה פיקוגרמים, והם ארוזים בכרומוזומים שמספרם נע בין שישה ל-102. בעשרות מיליוני שנים של התפתחות, הכרומוזומים שלהם נחתכו, נקצצו, התערבבו וחוברו מחדש פעמים רבות. הארגון המחודש של הכרומוזומים שינה את תפקודם של הגֵנים בדרכים שיצרו תכונות מגוונות. בניגוד לכך מערכי הגֵנים של הציפורים שוקלים בין קצת פחות מפיקוגרם אחד למעט יותר משניים. ולרוב יש להם כ-80 כרומוזומים, עם מעט מאוד DNA "זבל" לעומת רוב היונקים.

חלק מהמומחים משערים שהסיבה לכך שהגנום של הציפורים קטן ויעיל קשורה לתעופה. תעופה היא פעילות שצורכת הרבה אנרגיה. גנום גדול זקוק לתא גדול, ושניהם גם יחד מחייבים חילוף חומרים ער יותר מזה של מקביליהם הקטנים. ייתכן אם כן שחילוף החומרים המוגבר הנדרש לתעופה הגביל את גודל הגנום של הציפורים. מאחר שהכמש"ן קיים רק בתאי שורת הנבט, ולא בתאים הסומטיים (תאי הגוף הרגילים) שמספרם גדול בהרבה, היה בכוחו לספק לציפורי השיר תגבורת יקרת ערך של DNA – מצע לאבולוציה של תכונות חדשות – בלי המחיר המטבולי הכרוך בגנום סומטי גדול.

"ציפורים זקוקות לעותקים נוספים של גֵנים ספציפיים לשורת הנבט לתקופת רבייה קצרצרה, על מנת לייצר זרע רב ולטעון [תאי ביצית] בכמה שיותר חלבון. אין שום סיבה שיישאו את הגֵנים הללו לאורך השנה בשאר תאי הגוף, בזמן ובמקום שהם אינם נחוצים בהם", אומר בורודין.

אם ציפורי שיר מצאו דרך להחזיק גֵנים נוספים באופן זמני, כך שיוכלו לפעול בשלבי ההתפתחות המוקדמים בלי שיחול שינוי בשאר החומר התורשתי, מוסיף לרקין, לסידור כזה יכול להיות יתרון עצום. ייתכן שזה מה שהוביל למגוון הרב הקיים בקרב ציפורי שיר בהשוואה לקבוצות ציפורים אחרות.

אדמונית אירופית (Pyrrhula pyrrhula) | צילום: Getty images

להלכה, הכמש"ן היה יכול ליצור את הבידוד הרבייתי הנדרש להתפתחות של מינים חדשים, בכך שימנע מפרטים הנושאים את הכרומוזום הנוסף את היכולת להעמיד צאצאים פוריים עם פרטים שאינם נושאים אותו. מרגע שהכמש"ן הופיע באב הקדמון המשותף לכל ציפורי השיר, בני המין הקדום הזה שנשאו את הכמש"ן יכלו להעמיד צאצאים פוריים רק עם בני זוג שנשאו אותו גם הם. כשהכמש"ן התפתח, ונוספו לו גֵנים חדשים, ציפורי שיר עם גרסה מסוימת של כמש"ן יכלו להעמיד צאצאים פוריים רק עם בני זוג שנשאו את אותה גרסה.

מנוע של שינוי?

על פי בורודין ולרקין, הממצא שלפיו הכמש"ן נפוץ בקרב ציפורי שיר ונעדר אצל ציפורים אחרות משתלב עם הממצאים של מחקר חדש אחר. באפריל 2019 דיווחו קרל אוליברוס (Oliveros) מאוניברסיטת לואיזיאנה סטייט וצוותו על ממצאיהם מניתוח ה-DNA של עשרות מינים מסדרת ה-Passerine הכוללת את ציפורי השיר ועוד קבוצות הרבה פחות מגוונות. על סמך רצפי DNA וקומץ מאובנים שגילם ידוע, שחזר הצוות איך המשפחות השונות בסדרה קשורות זו לזו, ומתי התפצלו זו מזו.

לאחר מכן הם לקחו את ציר הזמן של התפתחות הגיוון בין המינים והשוו אותו לתיעוד האקלימי והגיאולוגי כדי לברר אם מגמות בהתפצלות הציפורים תואמות אירועים אלה ואחרים בתולדות כדור הארץ, כפי שחזו השערות מסוימות. ככלל, התנודות בקצב התפתחות המגוון של הציפורים הללו אינן תואמות את השינויים שחלו בטמפרטורה העולמית או את התפשטות הציפורים ליבשות חדשות.

הממצאים הובילו את החוקרים לטעון שמנגנונים מורכבים יותר מאשר שינויי טמפרטורה או הזדמנויות אקולוגיות היו המנועים העיקריים שהובילו להיווצרות מינים חדשים של ציפורי שיר. "המסקנות הללו עולות בקנה אחד עם ההשערה שלנו לגבי תרומתו של הכמש"ן למגוון המינים של ציפורי השיר", טוען לרקין.

קנרית (Serinus canaria) | צילום: Getty images

עם זאת, לא כולם מוכנים לאמץ את הסברה שהכמש"נים הניעו את התפצלות ציפורי השיר. "ככלל, קשה לבסס סיבתיות בין מאפיין בודד, כמו הנוכחות של כמש"ן, להצלחה האבולוציונית של קבוצה כלשהי", אומר אוליברוס. "ייתכן שנוכחותו של המאפיין אירעה במקרה במקביל למאפיין אחר – למשל התנהגות קינון – שאולי מילא תפקיד גדול יותר בהצלחה האבולוציונית של הקבוצה".

אולם חוקרים אחרים, שלא היו מעורבים במחקרים הללו, חושבים שהרעיון הזה מסקרן. "העובדה שכמש"נים נשמרו לאורך תקופות אבולוציוניות ממושכות, וגם משערים שהגֵנים שלהם מתפקדים... כל אלה מעידים שהם עשויים לשחק תפקיד בבידוד הרבייתי של ציפורים", אומר דיוויד טאוז (Toews), מאוניברסיטת פנסילבניה סטייט. אם היה מנגנון גנומי כמו הכמש"ן שקידם את קצב ההסתעפות העצום של ציפורי השיר בהשוואה לציפורים אחרות, "זה יהיה מרגש מאוד, ולא סתם דבר שהייתי מצפה לו", אומר טאוז. ובכל זאת הוא מזהיר, "עלינו לדעת יותר על מה שהם עושים באמת כדי שנוכל לעשות את הקישור הזה בביטחון".

למחקרים הללו עשויות להיות השלכות על הדרך שבה אנחנו מבינים יצורים אחרים, מעבר לציפורים. "חשבנו שאנחנו יודעים הרבה על האופן שבו הגנום של הציפורים מאורגן", מהרהר סו, "אך הכמש"ן היה ממש מול עינינו ובכל זאת התעלמנו ממנו". מדענים מצאו כרומוזומים נוספים דומים אצל מיקסינות (סוג של יצורים ימיים) וחרקים מסוימים. האם ייתכן שהכמש"נים נפוצים יותר ברחבי העץ האבולוציוני? הוא תוהה. "הממצאים שהתקבלו מציפורי השיר פותחים שפע של כיוונים חדשים למחשבה על אבולוציה והתפתחות".

פורסם במקור בגיליון דצמבר 2019 של כתב העת סיינטיפיק אמריקן

לקריאה נוספת

• Programmed DNA Elimination of Germline Development Genes in Songbirds. Cormac M. Kinsella et al. Posted to Biorxiv preprint server December 22, 2018.
• Germline-Restricted Chromosome Is Widespread among Songbirds. Anna Torgasheva et al. in Proceedings of the National Academy of Sciences USA, Vol. 116, No. 24, pages 11,845–11,850; June 11, 2019.

מארכיון סיינטיפיק אמריקן

• כיצד דינוזאורים הפכו לציפורים? סטיבן ברוסט, ינואר 2017.