חוקרים התחקו אחר רכישה ואיבוד של גנים אצל חיידקים, והראו שחלק מהשינויים הגנטיים תלויים זה בזה, ולכן אפשר לחזות אותם מראש
בספרו "חיים מופלאים" (Wonderful Life) הציג הביולוג וכותב המדע הפופולרי סטיבן ג'יי גולד (Gould) שאלה: אם נחזור לנקודה בה החלו החיים על כדור הארץ וניתן לאבולוציה להתרחש שנית, "נריץ מחדש את קלטת החיים" כלשונו, האם נקבל את אותם בעלי חיים וצמחים, פטריות וחיידקים, שאנחנו רואים סביבנו כיום? או שמא הרצה חוזרת שכזו תניב מערכות אקולוגיות שונות לחלוטין, מאוכלסות ביצורים שייראו לנו זרים לחלוטין?
גולד שיער שהתשובה השנייה היא הנכונה. האבולוציה אינה אקראית – הברירה הטבעית היא תהליך מכוון מאוד, שבו יצורים חיים שמתאימים יותר לסביבתם שורדים ומעבירים את התכונות שלהם לדורות הבאים. אבל האבולוציה מסתמכת על מקרים אקראיים, ביניהם אירועים חיצוניים כמו התייבשות של אגם או עלייה של טמפרטורות, וגם שינויים מקריים בחומר התורשתי, או מוטציות. היות שהמוטציות הן אקראיות, ב"הרצה מחדש" של מיליוני שנות אבולוציה נקבל בעלי חיים וצמחים שבהם התרחשו מוטציות אחרות, שהובילו אותם בנתיבים אבולוציוניים שונים.
ניסויים בחיידקים
כמובן, מדובר בניסוי מחשבתי בלבד – הרי אי אפשר לחזור על ארבעה וחצי מיליארד שנות אבולוציה. מה שכן אפשר לעשות הוא לבחון את האבולוציה של יצורים שמתרבים במהירות, כמו חיידקים. ב-2008 התפרסם מאמר שסיכם מחקר ארוך שנים, בו ריצ'רד לנסקי (Lenski) וצוותו התחקו אחר האבולוציה של חיידקי אי קולי (E. coli). החוקרים החלו ב-12 מושבות זהות, ועקבו אחר המוטציות שצברו החיידקים במשך עשרות אלפי דורות, ואחרי התכונות שהשינויים הגנטיים העניקו להם, כמו למשל היכולת לעכל סוג חדש של מזון. החוקרים גם לקחו דגימה מהמושבות מדי כמה דורות ושמרו אותה בקירור, כדי שיוכלו אחר כך "להריץ שוב את הקלטת" – לקחת את הדגימות שמקורן בדור מוקדם, לגדל אותן ולבדוק אם נוצרו בהן אותן מוטציות ואותן תכונות שהופיעו במושבות המקוריות. הם ראו שאכן, אם חוזרים די דורות אחורה "הרצות חוזרות" מתאפיינות במוטציות ובתכונות שונות מההרצה המקורית.
חיידקים מסוגלים להעביר מקטעי DNA מאחד לשני, בתהליך שנקרא העברת גנים אופקית. אילוסטרציה של העברת DNA בין שני חיידקים | Nanoclustering / Science Photo Library
אך האם המוטציות הן אכן אקראיות לגמרי? מחקר חדש מראה שהתשובה היא "לא תמיד". גם הפעם החוקרים בחנו חיידקי אי קולי, אך הם התמקדו בסוג מסוים של שינויים גנטיים – הוספה או הסרה של גן, קטע מה-DNA המכיל הוראות לבניית חלבון מסוים. חיידקים מסוגלים להעביר מקטעי DNA מאחד לשני, בתהליך שנקרא העברת גנים אופקית. התהליך הזה קיים גם אצל צמחים, בעלי חיים ובני אדם, אבל אצל חיידקים הוא נפוץ מאוד, ודרכו חיידקים מקבלים גנים רבים לא באמצעות רבייה.
החוקרים התחקו אחר קבלת הגנים בהעברה אופקית, ואחר איבוד גנים כתוצאה ממוטציות, ביותר מאלפיים זנים שונים של חיידקי אי קולי, שלכל אחד מהם גנום – האוסף המלא של הגנים - שונה במקצת. הם ראו שהגנים השונים לא היו מפוזרים באקראיות בין הזנים: היו מקרים בהם גן א' הופיע כמעט תמיד בגנום בו היה גם גן ב', ומקרים בהם גן ג' מעולם לא הופיע בזן שבו היה גן ד'. כלומר, ההרכב הגנטי של החיידק בעבר משפיע על השינויים הגנטיים שיתרחשו אצלו בעתיד.
הגנים השונים לא היו מפוזרים באקראיות בין הזנים. אילוסטרציה של הקשרים בין הגנים השונים שנמצאו במחקר | מתוך המאמר Beavan et al 2023
מערכת אקולוגית של גנים
החוקרים השתמשו בבינה מלאכותית ובשיטות סטטיסטיות מתקדמות כדי להבין את היחסים בין הגנים השונים. חלק מהגנים חיוניים לפעולתו התקינה של התא, ומצויים בכל זני החיידקים. החוקרים התמקדו בגנים שנמצאו רק בחלקם – גנים שהחיידקים יכולים לחיות בלעדיהם, אבל עשויים לעזור להם בתנאים מסוימים.
"מצאנו שכמה משפחות גנים מעולם לא נמצאו בגנום כאשר משפחת גנים מסוימת אחרת כבר הייתה שם, ובמקרים אחרים, מצאנו גנים שהיו צריכים גנים ממשפחה אחרת בשביל להיות שם", אמרה מריה דומינגו-סנאנס (Domingo-Sananes), החתומה על המאמר, בהודעה לעיתונות. החוקרים דימו את הגנים למינים במערכת אקולוגית: מין אוכל עשב לא יכול להתקיים במערכת אקולוגית אלא אם כן יש בה כבר עשב שהוא יכול לאכול, ולעומת זאת, אם יש במערכת מין אוכל עשב דומה מאוד, אולי לא יהיה שם מקום לשניהם, ואחד מהם יעלם במהלך האבולוציה. כך גם הגנים בגנום של החיידק – יש כאלו שתלויים זה בזה, וכאלו שאינם מסוגלים להתקיים יחדיו.
פירושו של דבר הוא שהאבולוציה של זני החיידקים השונים אינה אקראית לגמרי – אפשר לחזות איזה גנים יהיו בעתיד בזן מסוים, על פי הגנים שיש, או אין, לו כרגע. "בקשר לניסוי המחשבתי של גולד, ה'הרצה מחדש של האבולוציה', התוצאות שלנו מצביעות על כך שככל הנראה, אם נחזיר את הקלטת לתחילת האבולוציה של אי קולי, עדיין נקבל מאות או אלפי מקרים שנוכל לחזות מראש, ושאינם תלויים באותם מקרים נדירים הייחודיים לכל הרצה של הקלטת", כתבו החוקרים במאמרם. "ספק גדול אם יתפתחו בדיוק אותם נתיבים אבולוציוניים, אבל כמה מוטיבים משותפים בכל זאת יופיעו".
למחקר עשויה להיות חשיבות מעשית, מעבר להבנה טובה יותר של האבולוציה. בין הגנים שהחיידקים מעבירים ביניהם ישנם גם גנים שמקנים להם עמידות לאנטיביוטיקה, בעיה קשה ביותר ברפואה. "בעזרת העבודה הזו אנחנו יכולים להתחיל ולחקור אילו גנים 'תומכים' בגנים לעמידות לאנטיביוטיקה, למשל", אמר אלן בִּיבן (Beavan), שהוביל את המחקר. "כך, אם אנחנו מנסים להילחם בעמידות לאנטיביוטיקה, אנחנו יכולים לכוון את ההתקפות שלנו לא רק לגן לעמידות עצמו, אלא גם לגנים שתומכים בו. הידע החדש פותח לנו דלתות לעוד תגליות רבות נוספות".
