איך קרה שדגים מאזורים שונים פיתחו באופן בלתי תלוי איברים דומים מאוד המפיקים חשמל?
"חשמל זורם בכפות ידיך" שרה רותי נבון – וחשמל זורם גם, באופן מילולי יותר, באיברים ייחודיים של כמה קבוצות של דגים, הנקראים "איברי חשמל". איברי החשמל משמשים את הדגים האלה לחישה, לתקשורת ואפילו לציד. מחקר חדש מראה שקבוצות שונות של דגי חשמל רכשו את היכולת הזאת בנפרד ובאופן בלתי תלוי במהלך האבולוציה שלהן, ועם זאת בצורה דומה מאוד מבחינה גנטית וביוכימית.
בעולם החי, בעיות מורכבות דורשות פתרונות יצירתיים. רוב הבעיות זכו במהלך האבולוציה לכמה פתרונות שונים. ניקח לדוגמה את ויסות חום הגוף, אתגר שכל יצור חי צריך להתמודד עמו. יונקים שחיים באקלים חם צריכים להיפטר מעודף חום, ועושים זאת בכמה דרכים. בני אדם מקררים את גופם באמצעות הפרשת זיעה מבלוטות זיעה בעור; המים מתאדים מן העור ומקררים את הגוף. כלבים מתקררים בעיקר בעזרת הלחתה, כלומר הם מוציאים את לשונם מפיהם ומניחים למים להתאדות ממנה; ואילו לארנבות שחורות-הזנב החיות במדבריות צפון אמריקה יש אוזניים גדולות ודקות, אשר מסייעות באיבוד חום באמצעות כלי הדם הרבים והמסועפים שבהן. במהלך האבולוציה רכשו בעלי חיים שונים את האיברים והתהליכים השונים הללו, בהתאם למבנה גופם ולסביבת המחיה שלהם.
אך לפעמים נדמה שיש פתרון אחד שהוא טוב יותר מאחרים. במצב כזה, הנקרא אבולוציה מתכנסת, אותו פתרון בדיוק מתפתח באבולוציה באופן בלתי תלוי באורגניזמים שונים, רחוקים זה מזה אבולוציונית. דוגמה ידועה מסוג זה היא של כמה יונקים הניזונים מנמלים. אחד מן היונקים האלה חי באפריקה (השֶנַבּוּב), אחר חי באוסטרליה (קיפודן הנמלים) ועוד מין שמראהו דומה חי בדרום אמריקה (דוב הנמלים הענק). לשלושת בעלי החיים האלה יש חוטם ארוך ולשון ארוכה ודביקה, שיניים מעטות או שהם חסרי שיניים לחלוטין, וטפרים גדולים. הם משתמשים בטפרים כדי לחשוף תילי נמלים או טרמיטים, ובלשון הארוכה והדביקה כדי לאסוף את החרקים מתוך חללים באדמה. מכיוון שהם בולעים את החרקים בשלמותם, אין להם צורך בשיניים. שלושת היונקים האלה לא קיבלו את מבני הגוף הדומים שלהם מאב קדמון משותף. האבולוציה של כל אחד ממבני הגוף האלה, המאפשרים לבעליהם לאכול נמלים או טרמיטים, התרחשה באופן נפרד ובלתי תלוי.
באבולוציה מתכנסת, אותה תכונה מתפתחת באופן בלתי תלוי ביצורים שונים, כמו החוטם הארוך והלשון הדביקה של אוכלי נמלים ברחבי העולם. אוכל נמלים ענק מדרום אמריקה (מימין) וקיפודן מאוסטרליה | Shutterstock, Susan Flashman, esdeem
בעלי חיים אחרים שעברו אבולוציה מתכנסת הם דגי החשמל. לדגי החשמל יש איבר המפיק שדה חשמלי, שבעזרתו הם מתקשרים עם פרטים אחרים, מנווטים בסביבה ועוד. יש אף מינים מסוימים, כמו הצלופח החשמלי, שהשדה החשמלי שהם מייצרים חזק מספיק בשביל להמם את טרפם. במחקר החדש, שהתפרסם בכתב העת המדעי Science Advances, בדקו חוקרים מאוניברסיטת טקסס ומאוניברסיטת מישיגן סטייט בארצות הברית שתי קבוצות של דגי חשמל, אחת מאפריקה והאחרת מדרום אמריקה, שאינן קרובות אבולוציונית זו לזו. החוקרים רצו לבדוק אם איברי החשמל של הדגים בשתי הקבוצות האלו נוצרו בעקבות תהליכים אבולוציוניים דומים.
לדגי החשמל יש איבר המפיק שדה חשמלי, שבעזרתו הם מתקשרים עם פרטים אחרים, מנווטים בסביבה ועוד | TED-Ed
המתג הגנטי של איבר החשמל
החשמל שמפיקים האיברים המיוחדים של דגי החשמל נוצר בתהליך הנקרא פוטנציאל פעולה. פוטנציאל פעולה הוא שינוי גדול ומהיר במתח החשמלי על קרום התא, והוא משמש תאי עצב להעברה מהירה של אותות מתא אחד לשני, במוח וברחבי הגוף. התהליך הזה מבוסס על תעלות מיוחדות שנמצאות בקרום התא, אשר מווסתות את כניסת הנתרן לתא וכך מאפשרות שליטה במתח החשמלי על פניו. תעלות אלו נמצאות בתאי העצב של כל בעלי החיים, וגם בתאי שריר, שמתכווצים בתגובה לשינוי המתח החשמלי.
לכל הדגים יש שני סוגים של תעלות נתרן כאלו; אך בעוד שברוב הדגים שני הסוגים נמצאים בתאי שריר, בדגי חשמל סוג אחד של תעלת נתרן נמצא בשריר ואילו הסוג השני מופיע רק באיברים הייחודיים המפיקים חשמל. כדי לבדוק כיצד התרחש השינוי הזה בדגי החשמל, החוקרים השוו את רצף ה-DNA של דגי חשמל ל-DNA של דגים אחרים וגילו רצף בקרה שלא היה ידוע קודם לכן. רצפי בקרה אינם מכילים מידע לבניית חלבון, אך משפיעים על פעילותם של גנים סמוכים, שכן מכילים מידע כזה, וקובעים מתי ובאלו תאים הם יבואו לידי ביטוי. הרצף שהתגלה הוא באורך 20 זוגות בסיסים, אבני הבניין של ה-DNA. הוא נמצא באזור הגן של תעלת הנתרן מהסוג השני, זה שנמצא בשרירים של רוב הדגים – אך רק באיברי החשמל של דגי החשמל.
החוקרים בדקו את רצף הבקרה בדגי החשמל השונים וגילו כי בכל הדגים האלה, רצף הבקרה הזה שונה מהרצף הקיים אצל שאר הדגים. עם זאת, הרצף לא היה זהה אצל כל דגי החשמל. בדגי חשמל מסוימים, כמו הצלופח החשמלי (Electrophorus electricus) החי בדרום אמריקה, האזור הזה היה שונה לחלוטין מאצל כלל הדגים. לעומת זאת, אצל דגי חשמל אחרים, החיים באפריקה, השינויים באזור הבקרה הזה היו מועטים יותר. ההבדלים הללו מעידים על כך ששתי הקבוצות עברו את השינויים בנפרד, באופן בלתי תלוי.
בהמשך השתמשו החוקרים בהנדסה גנטית כדי לשנות את רצף הבקרה הזה בחומר התורשתי של דג זברה, חיית מודל נפוצה מאוד במחקר ביולוגי, שאינה דג חשמל. החוקרים הראו שאם מחליפים את רצף הבקרה של דג הזברה ברצף הבקרה המקביל של הצלופח, תעלת הנתרן הזאת כלל אינה מופיעה בשרירים.
החוקרים הראו שאם מחליפים את רצף הבקרה של דג הזברה ברצף הבקרה המקביל של הצלופח, אחת מתעלות הנתרן כלל אינה מופיעה בשרירים. עובר של דג זברה מהמחקר, עם גן שמייצר צבע ירוק במקום תעלת נתרן | Mary Swartz/Johann Eberhart/University of Texas at Austin.
שאלות חדשות
הממצאים שופכים אור על הדרך האלגנטית שבה נוצרה "הספקת החשמל" לאיבר החשמל של הצלופח החשמלי ודגים אחרים: מבין שתי תעלות הנתרן הקיימות בשרירים של רוב הדגים, שינוי ברצף הבקרה של אחת מהן גרם ל"כיבוי" שלה בשרירים ואִפשֵר את הביטוי הייחודי שלה באיבר החשמל.
ראוי לציין כי החוקרים אמנם גילו איך התעלה הפסיקה להתבטא בשריר, אך הם אינם עונים על השאלה כיצד היא כן מתבטאת באיברי החשמל. יידרש מחקר נוסף כדי לענות על השאלה הזאת.
נשאלת גם השאלה, מדוע ייצור התעלה באיבר החשמל כרוך בהפסקת הביטוי שלה בשריר. האם יש סיכון או קושי כלשהו בייצור התעלה גם בשריר וגם באיבר החשמל? ובכן, החוקרים מסבירים כי ברגע שהתעלה התקיימה רק באיבר החשמל, היא יכלה לעבור שינויים אבולוציוניים שהתאימו אותה לאיבר זה, אך היו פחות מתאימים לתפקודו של שריר. שינויים אלה לא היו יכולים להתרחש אילו התעלה הייתה נמצאת בשני המקומות בו-זמנית.
המחקר הנוכחי מדגים בצורה יפה את העיקרון של אבולוציה מתכנסת, ומראה כיצד לפעמים הטבע פותר בעיה מסוימת באותה הדרך בכמה קבוצות שונות של יצורים חיים, באופן בלתי תלוי. אמנם, ההסבר שמצאו החוקרים במחקר זה עדיין איננו מלא: השינויים שנמצאו ברצף הבקרה של התעלה בדגי החשמל מאפריקה היו כאמור קטנים יותר מאשר בצלופח החשמלי מדרום אמריקה, והחוקרים סבורים כי בדגים אלה פעל גם גורם נוסף, שהביא להיעלמות התעלה מהשריר ולהעברתה לאיבר החשמל. מחקר נוסף עשוי להצביע על הגורם הזה.
לתוצאות המחקר עשויים להיות גם שימושים רפואיים, שכן תעלות נתרן ואותו רצף בקרה של 20 זוגות בסיסים מצויים גם בשרירי האדם, וייתכן ששינויים בהם קשורים למחלות שרירים מסוימות. שוב אנו מגלים כי גם מחקר לא-יישומי לכאורה, שנועד רק להרחיב את ידיעותינו על העולם, עשוי להוביל לתועלת מעשית רבה; וכי לכל יצור בטבע יש מה ללמד אותנו על עצמנו, אפילו ליצור המרוחק מאיתנו לכאורה כמו צלופח חשמלי.
