לבעלי החיים יש מנגנונים ביולוגיים שעוזרים להם לשרוד בטמפרטורות קיפאון. אילו שימושים עשויים לצמוח עבורנו מפענוח המנגנונים האלה?

"עד שפינגווינים לא יברחו מהחדר מרוב קור, לא תירגעי עם המזגן?" שאל אותי גיסי בעודו מתעטף בבגד נוסף. האהבה שלי לקור מתסכלת את בני משפחתי ומכניעה את חבריי לעבודה. שם, בחרתי לשבת ליד שלושה עובדים מהמין הגברי, כי מעשיות מספרות שגם הם אוהבים קור. "לא קצת הגזמת עם הקירור?" שאל קולגה שנושא בתורשתו את הכרומוזום Y המתקצר, כשהוא עטוף בז'קט פליז צבאי.

איך אעזור ליקיריי לשרוד בימים הקרים בסביבת המחיה הטבעית לי? אסקור דרכים של בעלי חיים לשרוד בתנאי קור קיצוני, ואתאר שיטות שהתגלו מאז סקירתנו הקודמת, שבה תיארנו את הפרווה החלולה של דובי הקוטב, החלבונים שמייצרות צפרדעי העץ כדי לקפוא באופן זמני בלי להזיק לרקמות גופן, ובעלי חיים כמוני, שפשוט אוהבים קור.

יש התנהגויות בטבע שאין זה מנומס להציע לחבריי כפתרון לקור: רובם ודאי לא ישמחו לקטוע את רגליהם הקפואות כפי שעושים זבובי השלג, או לקפוא למשך 46 אלף שנים, כפי שקרה לתולעים נִימִיוֹת, נמטודות, שהופשרו לאחרונה בסיביר. לכן נסתפק בשאיבת השראה.


מגזימה עם הקירור? מי יתנני כפור. שיירת יָקים נושאת ציוד בהימאליה |  l0ngtime, Shutterstock

מרמיטה, מתי נגמר החורף?

גם מחוץ לישראל החמימה, בני אדם מתקשים להתמודד עם קור. בשנת 2013 הוגש "כתב אישום" נגד פיל (Phil), הידוע בתור המרמיטה המבשרת את האביב, כי בישר על בוא האביב אף על פי שהמשיך להיות קר בפנסילבניה מכורתו. מדי שנה ב-2 בפברואר מתקיים בארצות הברית יום המרמיטה, אז יוצא המכרסם מהמחילה אחרי תרדמת החורף. אם השמיים מעוננים והיא לא רואה את הצל של עצמה – על פי המסורת, היא כבר לא תשוב למחילה, ותבשר בכך על בוא האביב. אך אם השמש מאירה והצל של המרמיטה נראה, היא תחזור למחילה ותבשר על שישה שבועות נוספים של חורף.

הטקס מופיע בסרט ההוליוודי "Groundhog Day", ובעברית – "לקום אתמול בבוקר", שבו ביל מארי מתעורר כל יום לבוקר היום שחלף, יום המרמיטה. להגנתם של האמריקאים, מדובר במסורת בעלת שורשים אירופיים: הגרמנים נושאים עיניים לדיווחיה של הגירית. כך או כך, פיל המרמיטה ספג איום באישום פלילי כי לא צפה את המשך החורף, עובדה שמעידה על כך שבני אדם לא מתמודדים היטב עם הקור, לפחות בפן הרגשי.


בני האדם מתקשים להתמודד עם חורף ארוך וגייסו לעזרתם את חוכמת המרמיטה. פיל המרמיטה נבהל מצילו | מקור: Ollga P, Shutterstock

הולכים על קרח דק

אחת הבעיות עם קור קיצוני היא שהמים קופאים. מים נמצאים בשיעור גבוה בכל יצור חי והם הכרחיים לחיים, אבל כשמים קופאים הם תופסים נפח גדול יותר, תופעה שמכונה "האנומליה של המים". גבישי הקרח שנוצרים פוצעים את הרקמות באופן בלתי הפיך ועוצרים את ההולכה של החומרים שנחוצים לגוף. לכן אחת השיטות לשרוד בטמפרטורה שמתחת נקודת הקיפאון של המים היא למנוע מהקרח להתגבש.

בראשית שנות ה-50 של המאה הקודמת יצא הביולוג פר פרדריק סקולנדר (Scholander) למשלחת מחקר בקוטב הצפוני. שם הוא הבחין שהדג הארקטי Myoxocephalus Scorpius מסדרת העקרבנונאים, לא קופא גם בקרבת קרחונים, בניגוד למינים אחרים מאותה סדרה. סקולנדר שלל את האפשרות שהדג נמנע מהקיפאון באמצעות ריכוזי מלח גבוהים בגופו. מליחות אומנם גורמת להורדת טמפרטורת הקיפאון, אך בחודשי החורף הקרים נדרש ריכוז מליחות מאוד גבוה, עד כדי רעילות, כדי לא לקפוא במי האוקיינוס הארקטי. המנגנון של הדג הארקטי נגד קיפאון נשאר לא ידוע.

כעבור שנים ספורות, החוקרים דה וריס ו-וולשלאג (DeVries & Wohlschlag) השתתפו במשלחת מחקר נוספת, הפעם באוקיינוס הדרומי. שם הבחינו באותה התופעה: גם בקרבת יבשת אנטארקטיקה שרדו רק מיני הדגים המקומיים. החוקרים בודדו מהדגים באנטארקטיקה את המרכיב הנוזלי מהדם, שנקרא נסיוב או סֵרוּם, וראו שהטמפרטורה שבה הסרום קפא הייתה שונה מטמפרטורת ההתכה שלו, שהיא הטמפרטורה שבה הוא שב והופך לנוזל.

לרוב, מים קופאים וניתכים באותה טמפרטורה: אפס מעלות צלזיוס. חימום מעל לטמפרטורה הזאת יביא להתכת הקרח, וקירור יגרום לו לקפוא. טמפרטורת האמצע, נקודת האיזון שבה החומר קופא או ניתך, יכולה לרדת אם הנוזל עשיר במלח, אבל גם במקרה הזה הנוזל יקפא ויותך בטמפרטורה החדשה הזו.

החוקרים הקפיאו את הנוזל בעזרת קרח יבש ואז הפשירו אותו עד שנשאר בו גביש קרח קטן. במבחנה אחת הם העלו את הטמפרטורה ובשנייה – הורידו אותה. טמפרטורת ההתכה מתגלה כשהגביש נעלם, וטמפרטורת הקיפאון מתגלה כשהגביש גדל. החוקרים גילו שלסרום של הדגים יש טמפרטורת קיפאון נמוכה מטמפרטורת ההתכה.

איך אפשר להסביר את התופעה הזאת?


הדג הארקטי מסדרת העקרבנונאים, לא קופא גם בקרבת קרחונים, בניגוד למינים אחרים מאותה סדרה. Myoxocephalus Scorpius | מקור:  at-as, Shutterstock

גלידה בטעם דגים

החוקרים מצאו בסרום של דגי הקוטב חלבונים שמשנים את טמפרטורת הקיפאון ובודדו אותם. החלבונים האלה, "חלבונים נוגדי קיפאון", לא מונעים מהנוזלים שנמצאים בגוף הדג לקפוא, אבל נקשרים לגבישי קרח זעירים שנוצרים בגוף ומונעים את גדילתם. במחקרי המשך התגלו מבנים מגוונים של החלבונים האלה, והמבנים האלה מאפשרים לחלבונים להיקשר למישורים שונים בגבישי הקרח וכך לנטרל את גדילתם. הנוזלים אומנם יתחילו לקפוא, אך גבישי הקרח הזעירים לא יגדלו מספיק כדי לפגוע ברקמות של הדג.

דגי הקוטב הם לא היחידים שעלו על הטריק הזה. תוך שנים מעטות נמצאו חלבונים נוגדי קיפאון באורגניזמים רבים שחיים בתנאי קיצון, וביניהם עכבישים, חיפושיות, פטריות ואצות. היו אורגניזמים שלקחו את הטכניקה הזו לליגה אחרת. באזורי היבשה של הקטבים, הטמפרטורות יורדות עד 70 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. באמצעות חלבונים נוגדי קיפאון, צמח ההיפופיאה (Hippophae rhamnoides) יכול לשרוד ב-40 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, ממצא שלא מרשים במיוחד את החיידק פסאודומונאס פוטידה (Pseudomonas putida), שלא קופא גם בטמפרטורה של 50 מעלות מתחת לאפס, או את החיפושית פטרוסטיכוס ברוויקורניס (Pterostichus brevicornis), שיש לה חלבונים שמונעים קיפאון גם ב-70 מעלות מתחת לאפס.

מה מסביר את המוטיבציה לאסוף חרקים בכפור הזה? הרצון לייצר גלידה. באמצעות חקר החלבונים נוגדי הקיפאון, היצרנים יכולים לשפר את המרקם של הגלידה בכך שהם מונעים התגבשות קרח בטמפרטורות נמוכות. בגלידה דלת שומן, מיעוט השומן מקשה על השגת מרקם קרמי ומפנק. חובבי הגלידה הזאת ישמחו לשמוע שהחלבונים האלה מסייעים לשפר את המרקם.

גלידה היא רק דוגמה אחת לשימושים האפשריים שיש לחלבונים האלה. בין השאר, הם יכולים לעזור לשמר איברים להשתלה, להקפיא תאים למחקר ולרפואה, לשמר מזון קפוא, למנוע הצטברות קרח מסוכנת על כנפי מטוסים ולשפר את ההישרדות של זרעים שמשמשים בחקלאות.


מין של שיח ההיפופיאה (אובלפיחה) היכול לשרוד ב-40 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. Hippophae rhamnoides מכוסה קרח | מקור: Nick Pecker, Shutterstock

היי, תרצה לבדוק לי את ה-DNA?

עדיין לא ברור מה המקור האבולוציוני של החלבונים נוגדי הקיפאון. ההשערה הרווחת היא שרוב הטכניקות להתמודדות עם תנאי קיצון לא מבוססות על גֵנים יוצאי דופן אלא על ביטוי שונה של גֵנים שקיימים גם אצל בעלי חיים שלא מותאמים לקור.

אפשר להשיג התנהגויות שונות מאותם גֵנים אם מתרגמים בצורה אחרת, בהתאם לצורך, את ההוראות שהגֵנים נותנים לייצור חלבונים. לפי הדוֹגמה המרכזית של הביולוגיה, המתכון להכנת החלבונים רשום ב-DNA, מועתק למולקולת RNA ומתורגם לחלבון – אך התמונה מורכבת יותר. כיום אנחנו יודעים ש-RNA יכול לעבור חיתוכים, שינויים או תהליכי בקרה, וכך הוא ייתן הוראות לייצור חלבון שונה מהצפוי – אם בכלל ישמש להכנת חלבון.

מתוך ה-RNA שמשמש לייצור חלבונים אצל בני האדם, כשלושה אחוזים יכולים לעבור עריכה אחרי השעתוק, שהוא התהליך שבו מולקולת RNA מיוצרת לפי תבנית של מולקולת DNA. העריכה הזו משנה את חומצות האמינו, שהן אבני היסוד של החלבון שה-RNA אחראי לייצורו. שיעור נמוך יותר של עריכה אחרי השעתוק נמצא אצל עכברים, זבובים ועוד. אולם במפגן חריג, יש מינים בסדרת התמנונאים שאצלם קורה לפחות שינוי אחד ביותר מ-60 אחוזים מה-RNA שבאמצעותו התא מייצר חלבונים שקשורים למוח. כלומר, רוב החלבונים ששותפים לפעילות המוח של התמנון מיוצרים ביותר ממבנה אחד.

מחקר שהתפרסם לאחרונה הראה שככל שהטמפרטורה של המים יורדת, כך עולה התדירות שבה ה-RNA של התמנון עובר עריכות חלופיות ומביא למבנה שונה של החלבונים. החוקרים קיררו את מי האקווריום של קבוצת ניסוי אחת עד 13 מעלות צלזיוס וחיממו את המים באקווריום של הקבוצה השנייה עד 22 מעלות. הם מצאו 62 אלף עריכות ב-RNA. כ-30 אחוזים מהן היו תוצאה של שינויי הטמפרטורה, ורובן המוחלט היו תגובה לקור ולא לחום. מדוע התמנונאים כל כך לא עקביים בייצור החלבונים שלהם? כנראה יש יתרון באפשרות להתאים את מבני החלבונים בכל זמן ומקום, בלי שהמטען הגנטי ישתנה. 

רוב היונקים, ובהם בני האדם, שומרים על טמפרטורת גוף אחידה. הם הומאותרמיים, ובשפה עממית – בעלי דם חם. בין אם האדם אוסף חיפושיות באנטארקטיקה הקפואה או נופש בחוף ריף הדולפינים באילת, טמפרטורת גופו תישאר כ-37 מעלות. התמנון, לעומת זאת, הוא פויקילותרמי, ובשפה עממית – בעל דם קר. גופו לא מווסת את הטמפרטורה שלו, אלא מושפע מהסביבה. לכן האיברים שלו צריכים להיות מסוגלים לתפקד היטב גם כשהטמפרטורה שלהם משתנה מאד.

החוקרים גילו שהשינויים בחלבונים שהתמנונים ייצרו בקור אפשרו להם לשמור על פעילות מיטבית של מערכת העצבים גם כשהטמפרטורה צונחת. בין השאר, השינויים בחלבונים גרמו לשינוי מהירות הפעולה של מערכת הובלת החומרים בתאי העצב. בנוסף, קצב הפתיחה והסגירה של תעלות היונים, שדרכן עוברים חלקיקים טעונים בחשמל, השתנה בהתאם לטמפרטורת המים, בשל שינויים במבנה החלבונים שמרכיבים את התעלות. בלי פעילות מדויקת של התעלות האלה, תאי העצב לא יכולים להמשיך לתקשר זה עם זה.  


מנגנון המסייע לבעלי חיים לשרוד בטמפרטורות מתחת לנקודת הקיפאון של מים. חלבון נוגד קיפאון מדג | מקור: Laguna Design / Science Photo Library

תן לשים ת'ראש על קרח

התמנונים, הדגים, החיפושיות והחיידקים שגרים בכיף על קרחונים אומנם מעוררים השראה, אבל יש בעלי חיים שעבורם הדבר הכי פשוט הוא ללבוש פיג'מה וללכת לישון. יום קשה בעבודה? נלך לישון וזה יסתדר. הטמפרטורה באזור המחיה צונחת בחורף ל-40 מעלות צלזיוס מתחת לאפס? לישון, על אחת כמה וכמה.

אם נחזור למרמיטה, שבינתיים הספיקה להתאושש מהשבר המשפטי שחוותה, ניזכר שביום המיוחד שלה היא מתעוררת משינה עמוקה. המרמיטה לא סתם ישנה בחורף – שנת החורף בחלק מהמינים שלה נמשכת לא פחות משמונה חודשים, מה שהופך אותה לאחת המקצועניות העולמיות בכל הנוגע לשינה.

תרדמת חורף היא טכניקה שנפוצה ביותר מ-200 מינים של בעלי חיים. רוב המינים האלה חיים באזורים שבהם החורף קשה וקר. לעומת זאת, יש מינים של למור, חלזונות ובעלי חיים אחרים שנכנסים לתרדמת דומה גם במזג אוויר חם – תופעה המכונה תרדמת קיץ. 

במהלך תרדמת החורף בעלי החיים מפסיקים את פעילותם ומערך חילוף החומרים וייצור האנרגיה שלהם מואט. כך מאגרי האנרגיה יכולים לשמש לזמן ממושך ולעזור לחיה לשרוד את החודשים שבהם אין מזון נגיש וקשה לשמור על טמפרטורת הגוף. השינויים הפיזיולוגיים מעוררי פליאה: לדוגמה, קצב הלב יכול לרדת בכ-95 אחוזים, והלב פועם רק פעימות ספורות בדקה.

אצל חלק מבעלי החיים שעוברים תרדמת חורף, טמפרטורת הגוף יכולה לצנוח באופן קיצוני וממושך, אפילו אם מדובר בבעל דם חם, ששומר בשאר עונות השנה על חום גופו. למשל, טמפרטורת גופו של הסנאי הארקטי היא 37 מעלות ברוב חודשי השנה, אך הוא מסוגל להוריד אותה ל-3 מעלות מתחת לאפס בזמן תרדמת החורף.

בעלי חיים בתרדמת חורף לא אוכלים, לא שותים ולא מפרישים הפרשות של חילוף חומרים. מקור התזונה העיקרי של הגוף משתנה מפחמימות לשומנים. כדי לאגור מספיק שומנים לחודשי החורף הקרים, החיות זוללות מזון רב, התנהגות המכונה היפר-פאגיה (hyperphagia). 

בזמן תרדמת החורף, בעלי החיים גם לא ישנים. מכשירים שמקליטים את פעילות המוח, כמו רשם גלי מוח, מראים זאת. בשינה המוח פעיל, וחוקרים אף מחלקים את מקטעי השינה לסוגים שונים בהתאם לדפוסי הפעילות הייחודיים להם. מנגד, כמעט אין פעילות מוחית אצל חיות בתרדמת חורף, עובדה לא מפתיעה אם זוכרים שהמוח צורך הרבה סוכרים ואנרגיה.

אם נוכל לעקוף את הביולוגיה ולהכניס בני אדם לתרדמת חורף, עשויים להיות לכך יתרונות ברפואה ובמחקר. נוכל, בין השאר, לשמר איברים לאורך זמן במהלך ניתוחים, בעת קצירת איברים לשם תרומה, ובזמן אירוע מוחי שבו האטת פעילות הלב ולחץ הדם עד תום הטיפול יכולה להפחית את הנזק שנגרם למוח.

עדיין לא מצאנו דרך להרדים בני אדם בקור ולשלוח אותם לפלנטות מרוחקות, אך לקראת סיום, אנסה לכפר על הביקורתיות שלי כלפי בני האדם שונאי הקור בתחילת הכתבה. יש קהילות ותרבויות שמתקיימות באזורים שבהם החורף קשה ואכזר. סקירת כל הקהילות האלה היא משימה לכתבה שלמה, אך נאיר בזרקור שתי קהילות יוצאות דופן, שהחורף אינו זר להן.


בעלי חיים בתרדמת חורף לא אוכלים, לא שותים ולא מפרישים הפרשות של חילוף חומרים. דוב חום בשלג | מקור: zlikovec, Shutterstock

לך לדוג

הכפר אוימיאקון (Oymyakon) ברפובליקת סאחה שבמזרח רוסיה הוא הכפר הקר ביותר על פני כדור הארץ שמיושב באורח קבע. בחורף הטמפרטורה בו צונחת אל מתחת ל-50 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. באותו מחוז, במרחק שישה ימי נסיעה (איטית למדי), שוכנת העיר הקרה ביותר בעולם, יקוטסק (Yakutsk), שבה הטמפרטורה מעט נוחה יותר: בחורף רגיל הטמפרטורה צונחת עד 40 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, ואף למטה מכך. המקומיים מתעטפים במעילי פרווה, עורות מבודדי קור, בגדי צמר ועוד, ופיתחו שיטות לדוג בנהרות קפואים – מונחה (Munkha). 

מונחה היא לא רק שיטת דיג. עבור מאות התושבים בכפר, זהו אירוע קהילתי שאליו מגיעים ילדים וקשישים, וכולם משתתפים בו ומתחלקים בשלל באופן שווה. הדייגים מתחלקים לקבוצות של עשרה עד עשרים איש, פוערים יחד בקרח שני חורים גדולים ומרוחקים זה מזה וחושפים את המים שזורמים מתחתיו. דרך הפתחים הם מכניסים רשת דייג גדולה ומבקיעים עם מוטות חורים קטנים רבים בין שני הפתחים הגדולים. דרך החורים, הדייגים תופסים את הרשת שמתחת לקרח ופורשים אותה. בסוף היום הם מוציאים את הרשת, ובה נתפסים לא פעם עשרות ואף מאות דגים עמידים לקור, שחיים במים שמתחת לשכבת הקרח.


חי ברמה הטיבטית המתנשאת לגובה ממוצע של 4,500 מטר מעל פני הים. יק, בהמה טיבטית בשתי אותיות | Hung Chung Chih, Shutterstock

סוף העולם, למעלה

תושבי יקוטסק צורכים בשר של בעלי חיים נוספים שמותאמים למזג האוויר הקיצוני, אך יש יישובים שבהם האדם תלוי לשם קיומו בבעל חיים אחד בלבד. מדינת בוטאן גובלת בהודו ובמחוז האוטונומי הטיבטי בסין, ומתגוררים בה כ-750 אלף תושבים. בשנת 2022, באופן חריג לאופיה המבודד של התרבות בבוטאן ולאוכלוסייתה הדלה, סרט מקומי דל תקציב נבחר להיות מועמד לפרס האוסקר בקטגוריית הסרט הזר הטוב ביותר. הסרט, "לונאנה: יש יָק בכיתה", צולם בכפר לונאנה ששוכן במרחק תשעה ימי הליכה מתחנת האוטובוס הקרובה ביותר, על הרי ההימלאיה, בגובה של יותר מ-3,700 מטר מעל פני הים. בלונאנה אין תשתיות ותושביה מנותקים מהציוויליזציה כמעט לגמרי. בשיחה בין שתי דמויות מרכזיות בסרט, מספרת תושבת לונאנה על הקשר בין האדם ליָק, שבלעדיו לא היה אפשר לקיים חיים באקלים המקומי.

היק, ששייך למשפחת הפריים, מתגורר ברמה הטיבטית המתנשאת לגובה ממוצע של 4,500 מטר מעל פני הים. רוב בעלי החיים חווים קשיי נשימה כבר בגובה 2,500 מטר. באמצעות פרוותו העבה, ליבו וריאותיו הגדולים, ומאפיינים ביולוגיים כמו שינויים במערכת הדם, היק שורד בטמפרטורה של 40 מעלות מתחת לאפס ומסוגל לחיות גם באזורים גבוהים ודלי חמצן.

הכפר לונאנה שוכן בגובה רב והטמפרטורות בו נמוכות. לכן קשה לעסוק שם בחקלאות או לגדל בעלי חיים מבויתים אחרים. עקב כך, התושבים משתמשים בפרוותו ובעורו של היק בשביל להתחמם וניזונים מחלב היק ובשרו. עצים מעטים גדלים באזור הכפר, ולכן התושבים מבעירים בעיקר גללי יק יבשים לשם בישול והסקה בימי החורף הקפואים.

האבולוציה לא משאירה מקום לשעמום. בעלי החיים מספקים לנו רעיונות יצירתיים ומרתקים רבים שעשויים לסייע לנו להתגבר על החורף הישראלי. "לא, לא הגזמתי עם הקירור", השבתי לקולגות שלי, פתחתי את החלונות ונהניתי מהבריזה הקרירה והחולפת של החורף המקומי.
 

לסיום: מה קורה לגוף שלנו כשהקור נהיה קיצוני? אבי סאייג יצא לבדוק, או יותר נכון נכנס, למקפיא:

תגובה אחת

  • קונטרה

    הסתגלות

    הבעיה היא שאנחנו יצאנו מעידן הקרח ואנחנו בהתחממות גלובלית.
    אז ההסתגלות צריכה להיות לחום