למרות שהם חיים בבית גידול דל במיוחד בחומרי הזנה, התגלו אורגניזמים המתאפיינים בגוף גדול במיוחד, תכונה הדורשת אספקת אנרגיה משמעותית. הם חיים הרחק מתחת לפני האוקיינוס, שם הם מתמודדים עם בעיה שנראית על פניו קשה למדי: כיצד להישאר בחיים, בהתחשב בזמינות הספורדית של מזון במעמקי האוקיינוס. "האזור שבו הם חיים מהווה סוג של מדבר קר וחשוך, שם מזון נופל כ'פתיתי שלג' נדירים של חומר אורגני מת", הסביר פרופ' ג'יאנחאי שיאנג, מהמכון לאוקיינוגרפיה של האקדמיה הסינית למדעים. "עם זאת, גם באזור הזה החיים מוצאים את דרכם".
גלריה
האיזופוד Bathynomus jamesi שחי בעומק האוקיינוס ושורד יותר מחמש שנים ללא מזון
(צילום: Prof. Li Xinzheng)
הודות לביולוגיה הייחודית שלהם, יצורים אלה יכולים לשרוד יותר מחמש שנים ללא מזון. מהמחקר של פרופ' שיאנג ועמיתיו, שפורסם בכתב העת Cell, עולה שהפתרון שלהם הוא בחלקו אנטומי ובחלקו גנטי – קיבה ענקית וחילוף חומרים נמוך מאוד, המשלימים את עבודתו של גן המסייע בשליטה על ייצור האנרגיה בגוף.
יצורים אלה הם אוכלי נבלות השוכנים בקרקעית האוקיינוס, בעלי 14 רגליים מפרקות ושלד חיצוני קשיח. הם משגשגים באוקיינוסים האטלנטי, השקט וההודי, ומגיעים בחלקם לאורך גוף של יותר מחצי מטר. כמו עמיתיהם היבשתיים, גם הם יכולים להתכרבל לכדור כאמצעי הגנה מפני טורפים ימיים.
מחברי המחקר התמקדו בשני מינים: Bathynomus doederleini ו-Bathynomus jamesi, איזופודים ענקיים שחיים כ-300 וכ-900 מטרים מתחת לפני האוקיינוס (בהתאמה). "לאיזופודים במעמקי האוקיינוס יש אסטרטגיית הישרדות חכמה של 'להרוויח יותר, להוציא פחות'", אמר ד"ר ג'יאנבו יואן, מהמכון לאוקיינוגרפיה של האקדמיה הסינית למדעים. "אצל מינים החיים במעמקים, הקיבה תופסת כשני שלישים מחלל הגוף, מה שמאפשר להם לאגור מזון לפרק זמן ממושך – קיבה גדולה בהרבה מזו של קרוביהם הנמצאים במים רדודים או באזורי הגאות והשפל. עם חילוף חומרים נמוך, עיכול איטי וניצול יעיל של חומרים מזינים, הם יכולים להתבסס על ארוחה אחת במשך שנים".
איזופוד ממין Bathynomus jamesi, במעבדה של המכון לאוקיינוגרפיה של האקדמיה הסינית למדעים
(צילום: Jianbo Yuan)
איזופוד ממין Bathynomus doederleini, במעבדה של המכון לאוקיינוגרפיה של האקדמיה הסינית למדעים
(צילום: Jianbo Yuan)
ייתכן שגם המיקרוביוטה של מערכת העיכול מסייעת לאיזופודים החיים במצולות. חיידקי כלמידיה (Chlamydiae) – הידועים לעתים קרובות כגורמים למחלות בבני אדם ובבעלי חיים אחרים – נקשרו לאגירת שומן. זה מסייע לצריכת כמויות גדולות של מזון כאשר צצות הזדמנויות אכילה, ולאחר מכן להפחתה דרסטית של רמת חילוף החומרים, מה שמאפשר לעכל ולנצל את עתודות המזון לאורך תקופות ממושכות. ייתכן שהשליטה האנרגטית של האיזופודים תלויה גם ב-ND1, גן שנראה כי היה שייך בעבר לחיידק סימביוטי שחי בתוך גופם של בעלי חיים אלה לפני שהפך לחלק מהגנום שלהם. תהליך זה, המכונה העברת גנים אופקית, פירושו שדנ"א עובר בין אורגניזמים קרובים זה לזה במקום לעבור מהורה לצאצא.
המאפיינים שמאפשרים לאיזופודים הענקיים בעומק האוקיינוס לשרוד בעומק האוקיינוס במשך יותר מחמש שנים ללא מזון
(איור: Jianbo Yuan)
מכיוון שקשה לחקור איזופודים במעמקי האוקיינוס בעודם בחיים, הצוות בדק את הגן ND1 בתנאי מעבדה בקרב דגי זברה, תולעים נימיות (נמטודות) ותאים אנושיים. הגן הגביר את חילוף החומרים בטמפרטורות רגילות, אך עם צניחתן (בהתאם לתנאי הסביבה בעומק האוקיינוס) הוא סייע בחיסכון באנרגיה – מה שתורם להישרדות לפרק זמן ממושך בהיעדר מזון זמין. על כן, ND1 פועל כמו מתג מטבולי, המאיץ או מאט את צריכת האנרגיה בהתאם לסביבה.
"העברה גנטית אופקית יכולה להעניק לאורגניזמים נתיב מהיר יותר לתכונות חדשות מאשר תורשה רגילה בלבד, ובכך לסייע לחלק מהאורגניזמים להתחרות באחרים בתנאי קיצון", אמר קאהו צ'ו, פרופסור אמריטוס באוניברסיטה הסינית בהונג קונג, שנמנה עם צוות המחקר. "האוקיינוס העמוק (מ-200 מטר ועד כמעט 10 קילומטרים מתחת לפני האוקיינוס) הוא מרחב המחיה הגדול ביותר של כדור הארץ, וההתאמות האבולוציוניות יוצאות הדופן של החיים בו עשויות להוביל למחקר עתידי בתחום הרפואה האנושית, שימור אנרגיה ואפילו מערכות רובוטיות שנועדו לפעול במשך תקופות ארוכות בסביבות קיצוניות. הבנת האופן שבו בעלי חיים שורדים בעת מחסור קיצוני במזון עשויה לסייג גם בהישרדות על כוכב לכת משתנה, כולל שיבושים במארג המזון ושינויי אקלים", הוסיף פרופ' שיאנג.
זו הפעם הראשונה שבה נצפית אסטרטגיה אבולוציונית שבה אוכלוסיית מגה-פאונה במעמקי האוקיינוס מתכנתת מחדש את הקצאת האנרגיה שלה באמצעות שילוב של העברת גנים אופקית ואופטימיזציה אפיגנטית. התגלית מגיעה על רקע התגברות העניין באוקיינוס העמוק, כאשר מדענים וקבוצות סביבתיות קוראים להבנה טובה יותר של המגוון הביולוגי באזורים הללו, לפני שפעילות מסחרית (כמו למשל כרייה) יתגברו במטרה לחלץ משם יסודות נדירים.
