מגוון המינים בטיפת מים אחת

אם עד היום היה צריך להוריד צוללת, לאסוף נתונים במשך שנים ולקוות שהחוקר בקיא במראה של כל המינים בים, לאחרונה נכנס לשימוש כלי חדש, שמאפשר להעריך את מספר מיני היצורים החיים בים, לאתר מינים פולשים, לגלות את מועדי הרבייה של אלמוגים ועוד. הדנ"א הסביבתי מחולל מהפכה באופן שבו אנחנו חוקרים את מגוון בעלי החיים בים ובכלל.

פורסם ביוני 2024

הכול לכדי תמונה אימפרסיוניסטית

2,700 מדענים, 670 מכוני מחקר, 540 משלחות ו-9,000 ימים בים נדרשו כדי להעריך שמיליון מיני יצורים שונים שוכנים בים. אלפי מינים חדשים למדע התגלו במהלך מחקר בינלאומי חובק אוקיינוסים שפורסם בשנת 2010. בהקדמה לדו"ח המסכם את המחקר נכתב כי הוא שואף "להציג תמונה חסרת תקדים של המגוון ושפע היצורים החיים בעולם המים". אלא  שנראה שהתמונה חסרת התקדים עדיין קצת מעומעמת: החוקרים ציינו כי כ-75% מהמינים החיים במים לא ידועים עדיין למדע.

מאז זרמו הרבה מים באוקיינוסים, פלשו מינים ונכחדו מינים, אבל השאלה כמה מינים חיים בים נותרה קשה למענה. מדוע? כי עד לא מזמן הדרך היחידה למפות את מגוון המינים בים הייתה לרדת למעמקי הים, לזהות ולספור מינים על פי מראם, מה שאי אפשר לעשות בכל נקודה במעמקי הים או עבור כל יצור. על המגבלות אפשר ללמוד מהים המוכר לנו מבית, הים התיכון. המגוון הביולוגי שבו נחשב גבוה מאוד ביחס לגודלו, ועל פי הערכות הוא כולל למעלה מ-17,000 מינים. אבל קשה מאוד להעריך את מספר המינים המיקרוסקופיים ואת אלו ששוכנים בים העמוק. ומכיוון שהים העמוק מהווה כ-80% מהים התיכון, ההערכה רחוקה מלהיות מדויקת.

"אחת המגבלות המרכזיות בהערכת המגוון הביולוגי בים היא משך הזמן שלוקח לנו להפיק סוג כזה של מידע. זה עלול לקחת גם עשרות שנים", מסביר ד"ר עמרי ברונשטיין, ביולוג ימי במוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט ובבית הספר לזואולוגיה של אוניברסיטת תל אביב. "הכלים המשמשים את החוקרים הם צלילה, כאשר היא אפשרית, או שימוש בכלי דיגום שונים, מרשתות ועד רובוטים, במקומות שצלילה לא מתאפשרת, מה שמפיק מידע מוגבל בעלות גבוהה וכאמור לוקח המון זמן. מגבלה מרכזית נוספת היא ששיטות זיהוי מינים המבוססות על מורפולוגיה, כלומר על הנראות שלהם, מעכבת באופן משמעותי את קצב הגדרת המינים, כי את רוב המינים אנחנו לא מכירים עדיין. בנוסף, חלק גדול מהיצורים חיים במקומות שאנחנו לא רואים, כמו למשל בתוך סדקים במצע הסלעי או בתוך החול. צריך לזכור גם שצורתם של חלק מבעלי חיים המשתנה לחלוטין בין שלבי ההתפתחות המוקדמים לשלב הבוגר – לרווה של דג לא נראית כמו דג בוגר, למשל – כך שהיכולת לזהות מינים מוגבלת הרבה פעמים לשלב ספציפי במחזור החיים".

טביעת רגל גנטית

בשנים האחרונות נכנס לתמונה כלי חשוב, שעומד כיום בחזית חקר המגוון הביולוגי: ניתוח דנ"א סביבתי. העיקרון הביולוגי שעומד בבסיס השיטה מניח שכל יצור חי משחרר דנ"א לסביבתו כל הזמן. אנחנו משחררים דנ"א לסביבה באמצעות הנשימה שלנו, תוצרי המטבוליזם שלנו והעור שלנו, כך שבסביבה נמצאת טביעת הרגל הגנטית שלנו. ניתוח הדנ"א הנאסף מהסביבה יוצר מהפכה באופן שבה חוקרים ומנטרים את מגוון בעלי החיים בסביבות שונות, ובפרט בסביבה הימית.

"טיפת מים מאתר מסוים מכילה ומייצגת את מגוון בעלי החיים ששוכנים באותה סביבה", מסביר ברונשטיין. "היתרון בעבודה עם דנ"א סביבתי בחקר מגוון המינים הוא גדול מאוד. את הפחמן דו-חמצני שאני משחרר לסביבה אפשר לכמת, אבל אני לא אדע שמי שעומד מאחורי הפחמן הדו-חמצני הוא עמרי ברונשטיין. בעזרת הדנ"א, בניגוד לכימיקלים ותרכובות אחרות, אני מקבל את המידע על זהותו של מי ששחרר את המולקולה. במקום להוריד צוללת לעומק של שלושה קילומטרים, היום אני יכול להוריד בקבוק, לדגום מים ולקבל תמונה הרבה יותר מדויקת ממה שהייתי מקבל בעזרת ניתוח תצלומים מהצוללת. חשוב לומר: השיטה הזו לא באה להחליף את השיטות הקיימות, אלא מתווספת לארגז הכלים של הביולוג".

העבודה עם דנ"א סביבתי נשענת על השיפור הדרמטי ביכולת הריצוף הגנטי. למעשה, זו אינה שיטה חדשה; החידוש הוא היכולת הטכנולוגית להסתפק בכמויות זעירות של דנ"א שנמצאות בסביבה. "כדי לקרוא דנ"א בשיטות הישנות, הייתי צריך פיסת רקמה מסנפיר של דג למשל, או כמה קוצים מקיפוד ים. זאת אומרת שכל פעם שהייתי רוצה לדגום בעל חיים, הדיגום היה הרסני, בין אם בעל החיים חי ובין אם הוא שמור בצנצנת באוספי הטבע של המוזיאון", אומר ברונשטיין. "לפעמים אנחנו עובדים עם חיות קטנות מאוד, שעבור הפקת דנ"א אני צריך להשתמש בכל בעל החיים. אנחנו עוברים לעידן שמאפשר לנו לקבל את הדנ"א מכמויות זעירות שלא דורשות רקמה. אני יכול לזהות בעל חיים מאוספי הטבע על ידי דגימת נוזל השימור שבצנצנת, על פי הרוב אתנול, בלי לפגוע בבעל החיים שנשמר בה".

הפלישה לים

מעבדתו של ברונשטיין מתמקדת כיום בעבודה עם דנ"א סביבתי, ובימים אלה ממש מוקמת במוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט מעבדה נקייה לאנליזה של דנ"א סביבתי, היחידה מסוגה בישראל. יתרון נוסף של הכלי הזה הוא ביכולתו לתת מענה לא רק לשאלת מגוון המינים בים, אלא למגוון רחב של שאלות נוספות. למשל, אחד האיומים החמורים ליציבותן של מערכות אקולוגיות הם מינים פולשים, כלומר מינים שבעקבות פעילות האדם חדרו לסביבת מחיה חדשה והתבססו בה.

"כשאני מזהה היום מין פולש ומדווח עליו, כנראה שעברו כבר כמה שנים, או אפילו עשרות שנים, מאז שהוא הגיע לראשונה לאזור", מסביר ברונשטיין. "במהלך השנים האלה הוא תקע יתד בקרקע, התבסס והקים אוכלוסיות הולכות וגדלות. בשלב הזה, זה כבר מאוחר מדי. אנחנו מאמינים שנוכל לקצר משמעותית את משך הזמן מהפלישה ועד לגילוי משנים לימים, ללמוד על הדינמיקה של מינים פולשים, אילו מינים הגיעו בתור לרוות ולא הצליחו להתבסס ואיזה כן, נוכל לזהות אירועים של פלישה ולהגדיל את היכולת שלנו לטפל באירועים כאלה. לדוגמה, יש כוכב ים שנקרא כוכב הקוצים ונמצא באילת בכמויות קטנות. במקומות אחרים בעולם הוא ידוע כטורף אלמוגים, שהשמיד בפועל אחוזים רבים מהשונית הגדולה באוסטרליה. מהרגע שהוא מתפרץ, אין שום דרך להתמודד איתו. אנחנו מפתחים עבור רשות הטבע והגנים כלי המבוסס על דנ"א סביבתי, מעין ערכה לזיהוי מהיר של התפרצות כוכב הים, שמלמדת מה המצב אצלנו בשונית ומתי צריך להתערב, מתוך הבנה שהטכנולוגיה יכולה לאפשר לנו לתת אינדיקציה בזמן אמת".

הים כרחם

דוגמה לשאלות נוספות שהדנ"א הסביבתי יכול לסייע בפתרונן קשורה בתזמון מחזורי רבייה בים. אלמוגים וקווצי עור מתרבים על ידי שחרור תאי המין של הזכרים והנקבות למים ובהם מתרחשת ההפריה. בפועל, הים משמש כרחם. הבעיה היא שקשה מאד לדעת מתי בדיוק זה קורה, אלא אם החוקרים ישהו בים 7/24.

ליסה-מריה שמידט, דוקטורנטית במעבדתו של ד"ר ברונשטיין, עובדת בימים אלה עם דנ"א סביבתי כדי לזהות את הרגע החמקמק הזה. היא נשענת על העובדה שמרגע השחרור צפויה עלייה חדה בריכוזי הדנ"א הסביבתי הספציפי למינים המתרבים. במשך השנתיים האחרונות, צוות המעבדה דוגם כל יום בכמה אתרים באילת מתוך ציפייה לזהות את המועד המדויק של אירוע הרבייה.

"ארן סופר, מסטרנט נוסף במעבדה שלנו, עובד בימים אלה על הערכת המגוון הביולוגי במפרץ ברזולוציה מרחבית גבוהה ביותר – מאזור הלגונה ועד לעומק של 200 מטרים – כל זאת בעזרת דנ"א סביבתי. במסגרת המחקר שלו, ארן גם מעריך את יכולת הזיהוי של הדנ"א הסביבתי אל מול המידע המקיף וההערכות המדויקות יחסית על מגוון המינים במפרץ בכלל וקווצי העור בפרט. הוא מנסה להשוות את הנתונים שהפקנו מדנ"א סביבתי לנתונים שאספנו ב-70 השנים האחרונות בעזרת הכלים הסטנדרטיים וללמוד על היעילות והרגישות של השיטה החדשה", מספר ברונשטיין.

החזון לעתיד הלא רחוק הוא מצוף קטן בים, המצויד בפאנל סולארי קטן, שידע לשאוב את מי הים, להפיק מהם את הדנ"א הסביבתי, לעשות את האנליזה ולשדר את הנתונים לחוקרים במעבדה. אולי כך תימצא תשובה לחידה רבת השנים: כמה מינים יש בים?