להיאבק - יחד או לחוד

חיידקים מסוימים החיים ומתרבים במקווי מים כמו אגמים, שלוליות ונהרות, מפרקים חומרים ומזהמים במים ומטהרים אותם. עם זאת, כאשר החיידקים מתרבים יותר מדי, קיימת סכנה שיתפשטו ויזיקו לסביבה וכן יפגעו בקיומם של מינים אחרים. נוכחות יצורים מיקרוסקופיים הטורפים חיידקים וניזונים מהם עוזרת לשמור על האיזון בין המינים השונים בטבע. כאשר מדובר ביחסי טורף ונטרף, הטורף בדרך כלל מרוויח והנטרף מפסיד. אבל אם הטורף יחסל את כל הטרף, לא יישאר לו ממה להתקיים. לכן נראה כי כדי לשמור על שיווי המשקל בין הטורפים לנטרפים ועל יציבות המערכת האקולוגית, במציאות נשמרת דינמיקה מורכבת יותר. 

חוקרים ממרכז הלמהולץ לחקר הסביבה ומהאוניברסיטה הטכנית של דרזדן ומאוניברסיטת פוטסדם  בגרמניה מצאו כי חיידקים פיתחו אסטרטגיות מגוונות כדי להגן על עצמם מפני יצורים טורפים, וכי כמו בכל מאבק גם לשדה הקרב הזה יש דינמיקה משלו.

במחקר שפורסם בכתב העת ISME החוקרים ערכו ניסוי ביצורים מיקרוסקופיים טורפים הקרויים פוטריוספומלה לקוסטריס (Poteriospumella lacustris) שחיים במקווי מים מתוקים. אלה הם יצורים חד-תאיים בעלי גרעין - פְּרוֹטִיסְטִים - הנפוצים במים של אגמים ובריכות ברחבי העולם. החוקרים גידלו את היצורים החד-תאיים הללו במשך חמישה שבועות עם טרפם - חיידקי פסאודומונס פוטידה (Pseudomonas putida) והבחינו כי החיידקים מתגוננים מפני הטורפים באמצעות שתי שיטות פעולה, שמתחלפות בזמן המאבק.  

השיטות נבדלות זו מזו בעיקרון המנחה - התקפה לעומת התחמקות, במשך - שיטה זמנית או קבועה, ובאופי - הגנה קבוצתית (קהילתית) או עצמית.

חיידקים החיים במקווי מים מתוקים. תמונת מיקרוסקופ של Pseudomonas putida | מקור: Dennis Kunkel Microscopy, Science Photo Library

אחד למען כולם

בשבוע הראשון לניסוי הפרוטיסטים טרפו את החיידקים והתרבו בנוזל הגידול כך שמספרם עלה ומספר החיידקים הצטמצם. בשבוע השני, החיידקים נכנסו לפעולה והחלו במגננה: הם הפרישו לסביבה רעלנים שפגעו בפרוטיסטים וגרמו לקריסה מהירה של אוכלוסיית הטורפים. ד"ר מגלי דה לה קרוז בארון (Barron), הידרוביולוגית והמחברת הראשית של המאמר ציינה כי "הגנה כימית כזו היא מוצלחת רק כאשר מספר גדול יחסית של חיידקים מצטרפים למאבק ומשחררים כמות מספיקה של רעלן למים".

הגנה שיתופית זו הייתה יעילה אבל נמשכה זמן קצר. לאחר מספר ימים, החיידקים הפסיקו להפריש את הרעלן והשפעתו התפוגגה. עד סוף השבוע השלישי אוכלוסיית הטורפים התאוששה ושוב מספרם עלה במהירות ואיים על החיידקים. לשאלה מדוע החיידקים מפסיקים להפריש את הרעלן - אין תשובה ברורה. אחד ההסברים האפשריים הוא כי כאשר מדובר בהגנה קהילתית המבוססת על הפרשה משותפת של חומרים, מתפתחים לעיתים "רמאים", תת-אוכלוסייה של חיידקים שאינם משקיעים מאמץ בייצור הרעלנים בעצמם, אך נהנים מההגנה הכללית של הרעלנים שמופרשים על ידי האחרים. עם זאת, החוקרים הראו בעזרת מודלים מתמטיים כי במקרה הזה אין צורך בנוכחות ה"רמאים" כדי להסביר את הירידה בהפרשת הרעלנים, אלא שהתפתחה אסטרטגיית הגנה חלופית.

שינויים במספרי החיידקים והטורפים הפרוטיסטים לאורך הניסוי |  David Kneis/TU Dresden

עוברים להגנה עצמית 

בנקודת הזמן הזו נראה כי על החיידקים מתרגש שוב מצב של סכנה, אבל הם לא נשארו חסרי אונים. רבים מהם הסתגלו במהירות למצב החדש והגיבו בתוכנית פעולה חדשה. כשהחיידקים התרבו, התאים שלהם התחלקו אך נשארו צמודים זה לזה בקצותיהם, כך שנוצרו שרשראות ארוכות של חיידקים. מבנים אלו מגושמים וגדולים פי 10 עד 100 מגודלו הממוצע של חיידק בודד והגיעו עד לאורך מרבי של 200 מיקרומטר (200 אלפיות המילימטר). התברר כי גודל השרשראות הגן על החיידקים מפני טריפה. אולם במקביל, במהלך חלוקת החיידקים שבשרשראות, השתחררו מהן כל העת חיידקים בודדים אשר שימשו כמזון לטורפים. כתוצאה מכך גם מספר הטורפים התייצב, ובסוף השבוע החמישי לניסוי התאזנו מספר החיידקים ומספר הטורפים.

כאשר ריצפו את החומר התורשתי של החיידקים ראו כי השרשראות נוצרו בעקבות שינויים (מוטציות) בחומר הגנטי. כלומר דרך תהליכי אבולוציה וברירה טבעית התפתחה שיטת הגנה עצמית מתמשכת וקבועה שאפשרה רק לחיידקים שעברו שינוי לייצר את מבנה השרשראות. תופעה זו אינה מפתיעה, ידוע כי אבולוציה יכולה להתרחש בפרקי זמן קצרים מאוד, בייחוד אצל יצורים שמתרבים במהירות כמו חיידקים.

אם כן, היעילות של שיטת הפרשת הרעלנים הראשונית תלויה בפעולה משותפת של כל קהילת החיידקים כדי שיפרישו כמות מספקת של רעלן. פעולה זו מועילה לאוכלוסייה כולה, משמע, לטובת כלל החיידקים. לעומת זאת, שיטת ההגנה שהחיידקים נוקטים מאוחר יותר, לאחר שנטשו את שיטת הרעלנים, מספקת הגנה לחלק מן החיידקים, כלומר רק לאלה שעברו מוטציה שמאפשרת ליצור שרשראות. החיידקים שלא עברו מוטציה אינם נהנים ממנה. היתרון בשיטת פעולה זו הוא העובדה שהיא מתבטאת בחומר התורשתי, ומספקת הגנה קבועה ויציבה, ומכך שאינה תלויה בתנאי הסביבה או בפרטים אחרים.

בסופו של דבר מתקבל איזון שהמערכת האקולוגית זקוקה לו: החיידקים מטהרים את המים ממזהמים והפרוטיסטים שומרים שהחיידקים לא יתרבו יותר מדי. וכך יכולים כולם לחיות יחד, זה לצד זה.