מוטציה נדירה התגלתה בלווייתנים הצוללים לעומק רב ובדורסי לילה – וחוקרים סבורים שהיא מגינה על עיניהם במעברים מהירים מחושך לאור
מוטציה נדירה בחלבון הקשור למערכת הראייה התגלתה אצל שתי קבוצות בעלי חיים שונות מאוד: דורסי לילה, הכוללים ינשופים ותנשמות, ולווייתנים. חוקרים שיערו כי המוטציה המשותפת קשורה למאפיין משותף של הראייה של בעלי החיים האלה – ראייה בתנאים של אור חלש ומעברים מהירים מחושך לאור. רוב דורסי הלילה פעילים בעיקר בשעות הדמדומים, ואילו לווייתנים מבלים חלק ניכר מזמנם במעמקי הים החשוכים ועולים במהירות לסביבה מוארת.
הגנה מפני סנווּר ונזק לעין
בעיניים שלנו ושל רוב בעלי החוליות יש שני סוגים של תאים רגישים לאור: מדוכים וקנים. המדוכים נחלקים לכמה סוגים שכל אחד מהם רגיש רק לאורכי גל מסוימים של אור, והם מאפשרים לנו להבחין בין צבעים. הקנים, לעומת זאת, מבחינים באור בכל הצבעים ורגישים מאוד לאור, ולכן מסייעים לנו לראות באפלולית, למשל בלילה.
חישת אור בעין בכלל ובתאי הקנים בפרט מתרחשת בעזרת חלבונים הנקראים אוֹפְּסינים. חלבונים אלה הם קולטנים הנמצאים על פני שני סוגי התאים הרגישים לאור בעין – הקנים והמדוכים – וקושרים חומר בשם רטינל. לחומר זה יש שני מצבים: רטינל ציס ורטינל טרנס.
בסביבה חשוכה, האופסין קשור לרטינל ציס ונמצא במצב בלתי פעיל. בסביבה מוארת, הרטינל ציס הופך לרטינל טרנס, והאופסין הופך לפעיל. במצב הפעיל האופסין יכול להעביר אותות לתא, ולבסוף למוח. המצב הפעיל של האופסין אינו יציב: הרטינל טרנס משתחרר ונפרד ממנו, הופך שוב לרטינל ציס ונקשר שוב לאופסין, הנמצא כעת שוב במצב בלתי פעיל. התהליך נמשך כל עוד האופסין חשוף לאור. בתנאי חושך, האופסין נשאר קשור לרטינל ציס, איננו פעיל ואינו מעביר אותות.
כאשר אנחנו עוברים מחושך לאור, אנחנו מסונוורים והעיניים שלנו צריכות להסתגל לתנאי התאורה החדשים. אצל בני אדם, מעבר כזה גורם לתחושת כאב, בגלל מספר גדול מאוד של אותות המועברים על ידי האופסינים. תחושות הכאב והסנוור גורמות לנו לעצום את העיניים. התגובה הזאת לאור חזק נועדה להגן על העין, בין היתר משום שהעברת אותות רבים בזמן קצר גורמת לשחרור כמות גדולה של רטינל טרנס – ורטינל טרנס חופשי הוא רעיל לתא ויכול לפגוע בראייה.
בתנאים רגילים, הרטינל טרנס נקשר על ידי אנזימים שממחזרים אותו ומונעים הצטברות של כמות גדולה ומזיקה של חומר זה. אבל המצב שונה אצל חיות שפעילות גם באור וגם בחושך, וצריכות להמשיך לראות היטב גם בזמן שינויים מהירים בעוצמת האור.
שני סוגי התאים הרגישים לאור בעין. קנים (אדום) ומדוכים (כחול) ברשתית | מקור: Roger Harris / Science Photo Library
התאמה למעברים מהירים מחושך לאור
צוות חוקרים ממוסדות מחקר בנשוויל ובוושינגטון שבארצות הברית ובטורונטו שבקנדה החליט לנסות להבין איך העיניים של בעלי חיים שצריכים לתפקד באור עמום ובמעברים בין חושך לאור בהיר מתגוננות מפני כמויות הרטינל טרנס הגדולות המשתחררות לתאים. כדי לעשות זאת ערכו החוקרים השוואה גנטית בין חלבוני ארסטין בבעלי חיים שונים, ונעזרו בשיטות חישוביות. לחלבון ארסטין תפקיד חשוב בבקרה על חלבוני האופסין האחראים לחישת האור בתא. לאחר שהאופסין מופעל ומאותת לתא שהוא חשוף לאור, ארסטין יכול להיקשר אליו ולמנוע ממנו להמשיך לפעול. כשהארסטין נקשר הוא גם מסמן לתא להפסיק את פעילות האופסין ולפרק אותו לגמרי. בזמן הקשירה הארסטין מעכב את שחרור הרטינל, מה שעשוי להפחית את החשיפה לריכוזים גבוהים של רטינל טרנס חופשי.
החוקרים הצליחו לזהות כי הארסטין של בעלי חיים מסוימים – לווייתנים הצוללים לעומק כמו לווייתן גוץ (Balaenoptera acutorostrata) ולווייתן ראשתן (Physeter catodon) וכן ינשופים ותנשמות (Strigiformes) – שונה משל בעלי חיים אחרים, וכי ההבדל הוא באתר הקישור בין הארסטין לבין האופסין. מכיוון שהצורה הזאת של החלבון היא נדירה כל כך ומופיעה בשתי קבוצות רחוקות כל כך של בעלי חיים, ומכיוון שהחלבון ארסטין מעורב בראייה, החוקרים שיערו כי הצורה הנדירה הזאת של החלבון קשורה לצורכי הראייה המשותפים לבעלי החיים האלה: הם פעילים בעיקר בחושך, אבל לעיתים חשופים גם לאור בהיר. הלווייתנים צוללים במהירות למעמקי הים האפלוליים ושבים ועולים במהירות לאזורים מוארים יותר (ואף אל מחוץ למים), ודורסי הלילה פעילים בשעות הדמדומים. כאשר החיות האלה עוברות במהירות מחושך לאור, העיניים שלהן צריכות להתמודד עם חשיפה לכמויות רטינל טרנס גבוהות מאוד.
החוקרים שיערו אפוא כי הצורה הנדירה הזאת של ארסטין, המופיעה אצל הינשופים והתנשמות ואצל הלווייתנים הצוללים לעומק רב, גורמת לארסטין להיקשר לאופסין בחוזקה רבה יותר מהגרסה הרגילה של החלבון. כתוצאה מכך, הצורה הזאת של ארסטין מעכבת שחרור של רטינל בכמויות גדולות, העלול להזיק לתא.
בסביבה מוארת, רטינל ציס הופך לרטינל טרנס, והאופסין הופך לפעיל. רודופסין, חלבון ממשפחת האופסינים (כחול) קושר רטינל (אדום) | Juan Gaertner, Shutterstock
ארסטין "ינשופי-לווייתני" במבחנה
כדי לבדוק את השערתם, החוקרים החדירו לתרביות של תאים אנושיים DNA המאפשר לתאים לייצר את גרסת דורסי הלילה והלווייתנים של החלבון ארסטין. בעזרת שיטות מתקדמות לניקוי ולבידוד של חלבונים, החוקרים הפיקו מהתאים את האופסין והארסטין, ומדדו את כמות הרטינל טרנס המשתחרר לאחר הארה של החלבונים במבחנה. החוקרים השוו את ההארה במבחנה עם ארסטין "ינשופי-לווייתני" לעומת מבחנות ביקורת, שהכילו ארסטין אנושי רגיל. החוקרים גילו שהארסטין של דורסי הלילה והלווייתנים הפחית באופן משמעותי את שחרור הרטינל טרנס לעומת ארסטין אנושי רגיל.
כדי להוכיח בוודאות כי הארסטין של דורסי לילה ולווייתנים הצוללים לעומק אכן מעכב שחרור של רטינל טרנס וכך מגן על העיניים מנזק, יש להתקדם לשלב הבא ולבצע ניסויים לא רק בחלבונים במבחנה, אלא בבעלי חיים שלמים. ובכל זאת, גם הניסויים שנערכו במחקר זה מלמדים כנראה כי זוהי התועלת שמביאה הגרסה הנדירה הזאת של החלבון.
נוכחותו של חלבון שונה זה בשתי קבוצות רחוקות כל כך של בעלי חיים היא ככל הנראה דוגמה נוספת לאבולוציה מתכנסת. כמו כנפי עטלפים וכנפי עופות, שהאבולוציה שלהן התרחשה בנפרד ובאופן בלתי תלוי, כך גם כאן – אותה מוטציה עצמה הופיעה ונשמרה בשתי קבוצות שונות מאוד ומרוחקות אבולוציונית של בעלי חיים, כיוון ששתיהן יכולות להפיק ממנה תועלת.
