אבולוציה - לא רק תהליך איטי

אחת הטענות העיקריות נגד תורת האבולוציה שפרסם צ'רלס דרווין בספרו "מוצא המינים" ב-1859, הייתה כי התהליכים שהוא כותב עליהם לא היו יכולים להתרחש בתקופת קיומו של כדור הארץ, שאז הוערך גילו בכמיליון שנה. מאז התברר כי גילו של כדור הארץ אינו מיליון אלא יותר מ-4.5 מיליארד שנה, וכי דרווין צדק – האבולוציה אכן מתרחשת, ואכן דורשת פרקי זמן ארוכים להחריד, לפעמים אפילו מיליוני שנים שנדרשות להופעת מינים חדשים של בעלי חיים. ההבדלים שאנחנו רואים בין בני האדם השונים הם תוצר של אבולוציה של "רק" כמה עשרות אלפי שנים. ובכל זאת יש תהליכים אבולוציוניים ששתוצאותיהם ניכרות בפרקי זמן קצרים בהרבה – שנים,  שבועות, ימים, שעות ובאופן תאורטי –  אפילו  שניות. לכבוד יום השנה להולדתו של דרווין, הנה הצצה לכמה תהליכים אבולוציוניים מהירים.

40 שנה

בשנת 1971 העבירו חוקרים חמישה זוגות של לטאות מאי אחד לאי שכן בים האדריאטי ונטשו אותן לגורלן. 36 שנים מאוחר יותר חזרו חוקרים אל האי וראו שהלטאות שגשגו יפה בביתן החדש, רק שהלטאות שהם מצאו היו מעט שונות מהלטאות שהושארו שם כמעט ארבעה עשורים קודם לכן. הלטאות המקוריות מזן Podarcis sicula  ניזונו בעיקר מחרקים. הלטאות דיירות האי החדש הסתמכו פחות על מזון מן החי ועברו לתפריט צמחי. מעבר כזה אינו דבר של מה בכך הוא מצריך התאמות פיזיולוגיות,  למשל של מבנה הלסת. אכילת צמחים מצריכה פעילות לעיסה חזקה יותר, ואכן הלסתות של הלטאות המחודשות היו גדולות מאלו של הלטאות המקוריות והכוח שהן יכלו להפעיל היה חזק ב (14 אחוז יותר אצל זכרים, ו34 אחוז יותר אצל נקבות).

התפתחות מעניינת נוספת הסתתרה במעי הלטאות, שם גילו החוקרים מסתם חדש, המסייע בהאטת תנועת המזון במעיים ומאפשר לחיידקים לפרק את התאית – מאפיין נפוץ אצל בעלי חיים צמחוניים. מסתם כזה לא קיים בלטאות המקוריות, ולמעשה קיים אצל פחות מאחוז מהזוחלים הקשקשאיים.  התהליך כולו לקח 36 שנים שהן בערך 30 דורות של הלטאות, . פחות או יותר כמו 750 שנות אדם. שינוי דרמטי בהרף עין אבולוציוני.

40 שבועות

אחד מגורמי התמותה העיקריים כיום הוא מחלת הסרטן. אמנם הסרטן אינו מחלה אחת אלא אוסף גדול של מחלות אבל יש להן מכנה משותף: תא בריא שעובר שינוי ומתחיל להתחלק ללא בקרה. ברוב המקרים מערכת החיסון מזהה את התא המורד בזמן ומחסלת אותו. קורה לפעמים שהתא מצליח להתחמק ממערכת החיסון, מתחלק עוד ועוד ונוצר גידול שצורך את משאבי הגוף לטובתו, על חשבון תאים שכנים ומערכות אחרות בגוף. הרבה פעמים תאים סרטניים צוברים יותר מוטציות מתאים רגילים, בעיקר בגלל פגיעה בגנים שאחרים על בקרת נזקים בתא. התוצאה היא שגידולים מורכבים ממגוון של תאים סרטניים. כאשר באים לטפל בגידול, חלק גדול מתאיו אכן מתים, אך חלק קטן מהם שורדים, והחלק הקטן הזה ממשיך להרבות (ולהשתנות) והופך להיות הסוג העיקרי של התאים הסרטניים. זאת הסיבה שיש טיפולים שבהתחלה יעילים ולאחר חודשים ספורים מפסיקים להיות יעילים באותו החולה, וכאן גם החשיבות של התאמת טיפול לגידול הספציפי של אותו חולה ומעקב אחר השינויים הגנטיים בגידול.

40 שעות

מערכת החיסון שלנו מסוגלת להתמודד עם אינספור איומים, גם כאלו שלא נתקלה בהם מעולם. מה שעומד מאחורי מנגנון הזיהוי המתוחכם הזה הוא למעשה מנגנון של הורשה עם שינוי שתוצריו עומדים לברירה טבעית, או במלים אחרות - אבולוציה . במח העצם נוצרים מדי יום מיליארדי תאי דם לבנים. התאים החדשים זהים גנטית אחד לשני, אבל בתהליך ההתפתחות שלהם עוברים שינוי.

האזור שאחראי על מבנה הנוגדנים בתאי דם לבנים מסוג B עובר שינויים מכוונים אך אקראיים, ועקב כך כל תא כזה מייצר נוגדן שונה מעט מחבריו. פירוש הדבר שיש לנו בגוף הרבה מאוד תאי דם לבנים שיודעים לזהות הרבה מאוד מבנים, ונוצרו באופן כמעט אקראי. התאים הללו עומדים לשלושה מבחני ברירה טבעית עיקריים: הראשון מוודא שהשינוי שעברו לא פגע בתפקוד התא והוא מסוגל טכנית להיות משופעל; השני מוודא שהנוגדנים החדשים לא מזהים מבנים שקיימים בגוף, הרי לא נרצה שיתקפו תאים שלנו; והשלישי מתרחש הרבה לאחר מכן בתחנות איסוף המידע של הגוף – קשרי הלימפה. כאשר פולש לגוף חיידק או נגיף הוא מפורק וחלקים ממנו מגיעים לקשרי הלימפה ומוצגים בפני תאי הדם הלבנים. ברגע שאחד מזהה אותו הוא מיד מתחיל להתרבות ומתא אחד שמסוגל לזהות את החיידק נוצר צבא שלם של תאי דם לבנים שכל ייעודם בחיים הוא לחסל את  הגורם הפולש. רוב רובם המכריע של התאים לא צולחים את השלב השלישי, וטוב שכך. אך מתי המעט שנחשפים למבנה שהם יודעים לזהות, הם כוח משמעותי במלחמה בפולשים. לאחר ההתגברות על הזיהום שומר הגוף תאי זיכרון, המוכנים לזנק לפעולה אם חיידקים או נגיפים מאותו מין יפלשו בעתיד. למעשה, על זה בדיוק מבוססים החיסונים.

ברירה טבעית מהירה. הדמיה של נוגדנים סביב נגיף זיקה. למעלה: לטאת P. sicula | צילומים: Science Photo Library, ויקיפדיה

40 דקות

חיידק הסטפילוקוקוס הזהוב (Staphylococcus aureus) גורם למגוון רחב של זיהומים, בהם דלקת ריאות. החיידק, כמו חיידקים אחרים, מתרבה באמצעות חלוקה, שמתרחשת בערך פעם בעשרים דקות. פירוש הדבר שכל עוד אין תנאים מגבילים, כמו למשל זמינות מזון נמוכה, צפיפות או טמפרטורה לא מתאימה,  אוכלוסיית החיידקים מכפילה את עצמה כל עשרים דקות. אם ברגע נתון יש לנו חיידק אחד, אחרי עשרים דקות יהיו לנו שני חיידקים, אחרי ארבעים דקות יהיו ארבעה חיידקים וכן הלאה. מערכת השכפול של החיידקים לא מאוד יעילה ולכן מדי חלות מוטציות – טעויות בהעתקת החומר הגנטי, והחיידק החדש לא זהה לחיידק המקורי.  אם המוטציה מתרחשת בדיוק באזור שעליו פועלת אנטיביוטיקה מסוימת, ייתכן שהחיידק החדש יהיה בעל עמידות לאנטיביוטיקה הזו. אם נחשוף אוכלוסייה של חיידקים , כולם ימותו חוץ  מהחיידקים העמידים, ולכן עד מהרה כל האוכלוסייה תהיה עמידה. פיתוח אנטיביוטיקה לוקח כ-25 שנים, אבל פיתוח עמידות יכול לקרות תיאורטית תוך 40 דקות. מחקר שהתפרסם אשתקד הדגים פיתוח עמידות מלאה לריכוזים גבוהים מאוד של אנטיביוטיקה בתוך 12 ימים.

 40 שניות

האבולוציה אמנם מוגבלת למערכות חיות אבל גם במדעי המחשב אפשר ליישם עקרונות אבולוציוניים, ולא רק במודלים של אבולוציה. אלגוריתמים גנטיים הם תכניות מחשב אשר בנויה על עקרון הורשה עם שינוי ועמידה למבחן ברירה טבעית. באלגוריתם כזה מתרחשות מעין "הכלאות" של שורות קוד, נזרעות שגיאות באופן אקראי ונבדקת יעילות התכנה. אם הקוד החדש יעיל יותר, הוא עובר לשלב הבא. בצורה כזאת אפשר לבנות תוכנת מחשב המסוגלת להתייעל ולהשתפר בעצמה לאורך הדורות באמצעות מציאת פתרונות שמתכנת בן אנוש לא היה חושב עליהם, וזאת בזכות השימוש בכלים אבולוציוניים.