איך דג אנטארקטי
קיבל את דמו השקוף?

מה אפשר ללמוד מיצורים שחיים בסביבה הימית הקרה ביותר בעולם? מתברר שלא מעט. דג הקרח שחור הסנפיר (Chaenocephalus aceratus) משתייך למשפחה קטנה של דגים שחיים באזור אנטארקטיקה. תוצאות מחקר שהתפרסם לאחרונה בכתב העת המדעי Nature Ecology and Evolution חושפות חלק מהמנגנונים הגנטיים שמאפשרים לבעלי חיים אלו לשרוד בסביבה כה עוינת.

הסביבה הימית של יבשת אנטארקטיקה אינה ידידותית ביותר: המים הקרים האלו אמנם מכילים יותר גזים (וביניהם חמצן) מאשר מי ים חמימים, אבל רוב הזמן הטמפרטורות שלהם נעות בין מעלה אחת מעל למעלה אחת מתחת אפס מעלות צלזיוס. הבעיה בסביבה מימית כה קרה היא שתאי דם אדומים, שתפקידם לאחסן ולשנע מולקולות חמצן, קופאים - הם מתקבצים בגושים וללב קשה יותר לשאוב אותם ולהפיצם לכל אזורי הגוף. אז איך דגי הקרח מצליחים לנשום במים שכאלו?

בלי תאים, עם חלבונים מיוחדים

במשך מיליוני שנים של ברירה טבעית, פיתחו דגי הקרח תכונות שאפשרו להם להתגבר על בעיה זו. כדי שתאי הדם האדומים לא יקפאו, דמם השקוף של דגים אלו אינו מכיל עוד את התאים הללו, והחמצן נישא בדמם בצורתו החופשית. החיסרון הוא, כמובן, שתאי הדם האדומים מתמחים בנשיאת חמצן רב, ובעלדיהם יכולת נשיאת החמצן ליחידת נפח דם היא קטנה בהרבה. כדי לפצות על אובדן זה, פיתחו הדגים זימים מוגדלים ואיבדו את קשקשי הגוף שלהם; בהיעדר קשקשים, חמצן רב יותר יכול להיספג ישירות דרך העור לדם. נוסף על כך, הלב שלהם עצום ביחס לגודל גופם, ויש להם מערכת כלי דם משופרת. כדי להפיק אנרגיה בצורה יעילה יותר, יש להם הרבה יותר אברוני מיטוכונדריה, בתי החרושת לייצור אנרגיה של התא, בהשוואה לדגים אחרים, וגם צורתם שונה. במילים אחרות, הדגים הללו מצאו פתרונות יצירתיים לטיפול באנמיה, שהיא חוסר בכדוריות דם אדומות.

מנגנון נוסף שפיתחו הדגים כדי להתמודד עם טמפרטורות המים הנמוכות הוא חלבונים נוגדי קיפאון מיוחדים, שמונעים מנוזלי הגוף של הדג, וגם מהביצים שמטילה הנקבה, לקפוא. כדי לשלוט בגובה שבו הם נמצאים במים, דגים רבים משתמשים באיבר ציפה: זהו מעין בלון אוויר בתוך גופם, שהם יכולים לשנות את כמות האוויר שבו. דגי הקרח מצאו פתרון אחר לבעיית הציפה שלהם: הם ויתרו על איברים עשירים במינרלים כמו עצמות וקשקשים (אלמנטים כבדים שגורמים לשקיעה), והגבירו את צבירת השומנים בגופם (שומן צף על פני המים). משום כך העצמות שלהם דקות יותר ביחס לדגים אחרים.

דמם לא מכיל כדוריות דם אדומות, וכך הן לא יכולות לקפוא. דג הקרח שחור הסנפיר | Shutterstock

רדיקלים חופשיים ושעון צירקדי

כדי להבין מהן התכונות הגנטיות שאפשרו לדגי הקרח את ההסתגלות האבולוציונית הקיצונית הזו, חוקרים מקוריאה, מארצות הברית ומגרמניה מיפו את הגנום של הדג ובדקו את ביטוי הגנים בגופו. בכמה מסעות מחקר באנטארקטיקה בשנים 2017-2012, לכדו החוקרים כמה פרטים של דג הקרח שחור הסנפיר. הם קבעו את רצף ה-DNA בתאי הדג, וכן לקחו דגימות מאיברים שונים (עיניים, מוח, זימים, שרירים, לב, מעי, שחלות, עור, כבד, קיבה וטחול) ובודדו מהם מולקולות RNA כדי לבדוק את ביטוי הגנים, כלומר אילו חלבונים נוצרים בכל איבר.

ממצאי המחקר העלו כמה תוצאות מעניינות: ניתוח הקרבה האבולוציונית בין הדגים הללו לדגים אחרים גילה כי המשפחה של דגי הקרח שחורי הסנפיר התפצלה מהאב הקדמון המשותף להם ולמשפחות דגים אחרות לפני כ-77 מיליון שנים, ומאז הם פיתחו תכונות חדשות שעזרו להם להתמודד עם הסביבה הקרה כאשר האוקיינוס הדרומי התקרר לטמפרטורות נמוכות מאפס. החוקרים מצאו שגנים המעורבים בהגנה מפני נזקי הקור, כמו הגנים לייצור חלבונים נוגדי קיפאון, עלו במספרם. לעומת זאת, גנים אחרים, דוגמת הגן האחראי לייצור המוגלובין בתאי דם אדומים, התמעטו.

ממצא מעניין נוסף היה עלייה במספר הגנים שמגינים מפני רדיקלים חופשיים, מולקולות רעילות שמשתחררות בתא בעת ייצור האנרגיה באברוני המיטוכונדריה, והיעלמות של כמה מהגנים האחראים על השעון הצירקדי (השעון הביולוגי) של הדג. החוקרים משערים שהחושך הרצוף בחורף והאור הרצוף בקיץ הפחיתו את הצורך בשעון ביולוגי שיגיב לשינויי אור וחושך במהלך היממה, כמו אלו שקיימים בשאר כדור הארץ. לכן במהלך האבולוציה הגנים האחראים לכך התמעטו בגנום של דגי הקרח.

אך לא כל השאלות נענו, וצוות המחקר עדיין מנסה להבין כיצד השינויים בצפיפות העצם של דגי הקרח משתקפים בקוד הגנטי שלו. גילוי התשובה לכך עשוי להוביל לתובנות על האופן שבו בני אדם מאבדים מסת עצם וסובלים מאוסטאופורוזיס (בריחת סידן והידלדלות העצם) בגיל מבוגר. בדומה לכך, מדענים החוקרים כיצד דגי הקרח מתמודדים עם אנמיה קשה יכולים ללמוד משהו על מחלה זו בבני אדם.

יצורים כמו דג הקרח הם מה שצ'רלס דארווין כינה "תאונות של חיים עתיקים", משום שאיבדו תכונות חשובות של אבותיהם, כמו תאי דם אדומים ועצמות צפופות. אבל המדענים שחוקרים את דגי הקרח שחורי הסנפיר מראים שהדגים הללו הם הזדמנות נהדרת ללמוד איך תאונה בעבור יצור אחד היא מתנה בעבור אחר.