האבות הקדומים של
מערכת העצבים

איך התפתחה מערכת העצבים המרכזית שלנו במהלך האבולוציה? זוהי אחת מהשאלות הפתוחות הרבות שמרכיבות את הפאזל האבולוציוני שלנו. התשובה יכולה להימצא בחומר הגנטי של יצורים הרבה יותר פשוטים מאיתנו, צאצאיהם של היצורים הקדומים שמהם התפתחו כל היצורים המורכבים בעלי המוח.

במעבדת המחקר של דטלב ארנדט (Arendt) מהמעבדות האירופיות לביולוגיה מולקולרית (EMBL) בוחנים בעלי חיים שנחשבים "מאובנים חיים", כלומר כאלה ששרדו משלבים מוקדמים באבולוציה. במחקר שפורסם לאחרונה, בהובלת ארנדט ולאוניד מורוז (Moroz) מאוניברסיטת פלורידה בארצות הברית בחנו החוקרים את תפקוד התאים שמהם מורכבים הספוגים – בעלי חיים שנחשבים קדומים מאוד בעץ האבולוציה.

קרבה גנטית מפתיעה לאדם

ספוגים הם יצורים רב-תאיים פרימיטיביים החיים במים מלוחים או מתוקים. במשך שנים רבות סיווגו אותם בטעות כצמחים מאחר שהם חברי יכולת תנועה וגופם מסועף בצורה שמזכירה שיח. כיום ידוע שהם יצורים חיים, שמסוגלים להתכווץ ולהתרחב וכך להזרים בגופם מים שמהם הם מסננים את הפלנקטון לתזונתם.

הספוגים שונים מאוד מבעלי חיים אחרים, שכן אין להם צורה מוגדרת ואין להם איברים נפרדים. על כן זואולוגים סברו זמן רב שהם חלק מממלכה נפרדת מממלכת החיות. כיום, בזכות חקר המבנה המולקולרי שלהם, אנחנו יודעים שהספוגים מורכבים יותר ממה שנראה על פני השטח, ושכנראה יש להם ולנו אב קדמון משותף. כשהתחילו לרצף את המטען הגנטי של ספוגים, התברר למרבה ההפתעה שיש דמיון רב בין הגֵנים שלהם לאלה שלנו.

במחקר שהובילו דטלב ומורוז, בהשתתפות חוקרים מקבוצות מחקר נוספות, השתמשו החוקרים בטכנולוגית ריצוף גנטי חדשה יחסית, המבוססת על ריצוף מולקולות ה-RNA בכל תא בנפרד. מולקולות RNA נוצרות מהעתקה (תרגום) של החומר התורשתי, כך שאפשר במידה מסוימת ללמוד מהן איזה גֵנים מופעלים בכל תא ותא ולסווג בהתאם לכך את סוג התא ותפקידיו. למשל בתאי עצב מופעלים גֵנים שונים מאלה שבאים לידי ביטוי בתאי שריר, ולכן נמצא בהם מולקולות RNA אחרות.

החוקרים ריצפו את ה-RNA של כעשרת אלפים תאים של ספוג מהמין Spongilla lacustris. הם זיהו את העתקיהם של 26 אלף גֵנים שונים ובעזרת ניתוח סטטיסטי הצליח לחלק את תאי הספוג ל-18 סוגים שונים, ובהם חמישה שלא תוארו קודם לכן. בנוסף הם זיהו תאים שדומים במאפייניהם לאלה שנמצאים לפני סינפסות – הצמתים שדרכם עובר המידע בין שני תאי עצב, ותאים אחרים שמזכירים את הצד המקבל של הסינפסה. בתאי עצב מפותחים, הצד שלפני הסינפסה משחרר מולקולות שנקראות "מוליכים עצביים" והצד השני מקבל את המידע בעזרת קולטנים.

:תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים של תאי העיכול של הספוג

מתאי עיכול וחיסון לעצבים?

החוקרים גילו שתאי מערכת העיכול של הספוג הם אלה שמזכירים את הצד מקבל המידע בצומת העצבי, ואילו תאי מערכת החיסון הם אלה שמאפייניהם דומים לאלה של הצד המוסר. תאי מערכת העיכול של הספוג הם תאים נייחים שנקראים כואנוציטים (Choanocytes) ויש להם שוטונים שמאפשרים להם להזרים מים ולקלוט מהם חומרי הזנה. תאים אחרים של הספוג הם תאים ניידים שנקראים נוירואידים (Neuroids) עקב הדמיון הצורני והגנטי שלהם לתאי עצב (נוירונים). לא לגמרי ברור מה תפקודם, אך משערים שהם מזהים חיידקים ועצמים אחרים ומתריעים מפני אלה שעלולים להזיק לספוג.

החוקרים נעזרו במיקרוסקופ אלקטרונים כדי לבנות תמונה תלת-ממדית של נוירואיד שבא במגע ישיר עם השוטונים של שלושה תאים נייחים. בנוסף הם זיהו מחוץ לתאי העיכול בועיות (וסיקולות) שעשויות לשמש להעברת מולקולות בין התאים ולתקשורת ביניהם.

מדובר בקפיצת מדרגה באפיון התאים של הספוג ובאפיונם. החוקרים סבורים שהיות שהספוג הוא בעל חיים קדום מבחינה אבולוציונית ואין לו תאים מתמחים בעלי תפקיד אחד כמו אצלנו, אז התאים שלו עשויים למלא כמה תפקידים במקביל, כמו אולר רב-שימושי.

אפשר למשל לשער שכאשר תא של מערכת החיסון של הספוג מזהה חיידקים שעלולים להזיק לו, הוא ייצור מעין צומת עצבי עם תא עיכול. התא המקבל את האות עשוי בעקבות זאת להגביר את זרימת המים בספוג ועל ידי כך ירחיק את הפולש.

עם זאת, כדי להוכיח באופן חד-משמעי שאכן קיים בתוך הספוג מנגנון דמוי צומת עצבי דרושים מחקרים נוספים. למשל יש לבדוק מה מכילות הבועיות החוץ-תאיות כדי לקבוע שהן אכן קשורות להעברת מידע בין התאים. בנוסף, נקודת החיבור בין התאים שזוהתה במיקרוסקופ אינה מקום קבוע והחוקרים לא ראו מולקולות עוברות בפועל בין שני התאים. כדי להראות שאכן מדובר במבנה דמוי צומת עצבי צריך גם להראות קשר בינו לבין התנהגות מסוימת של תא הספוג או של היצור כולו. ולבסוף, לספוג אין גֵנים של תעלות הנתרן – מרכיב מרכזי בתהליך העברת המידע בתוך תאי עצב.

אף על פי כן, זאת הפעם הראשונה שהצליחו לזהות מבנה המזכיר תאי עצב וצומת עצבי אצל ספוג. מחקרי המשך אולי יסייעו לנו להשלים את הפאזל. ומי יודע? אולי בזכות הספוגים נלמד על עוד שלב אבולוציוני בהתפתחות מערכת העצבים המרכזית.