לימוד נושא הסימביוזה דרך מקרה פרטי: חרק (כנימת העלים) ובקטריה (בוכנרה)
מאת: פישר נורית*

מונחים: אבולוציה, אורגנלות תאיות, בקטריות, גנום, היפותזה, חומצות-אמינו, חלבונים, חרקים, כרומוזומים, סימביוזה, פחמימות, פלסמידים.

מבוא
כאחד מתחומי המדע, זוכה הביולוגיה בשנים האחרונות להתעניינות מוגברת: בעוד שבעבר המתמטיקה, הפיסיקה, האסטרונומיה ואף הכימיה הצלו עליה מעט, הרי שלאחרונה היא מוארת יותר תודות להתפתחויות טכנולוגיות המאפשרות לה התקדמות מואצת ונושאים ומושגים רבים הקשורים ב'ביו' - מדעי נולדים ופורחים (ביוטכנולוגיה, ביואינפורמטיקה, ביופרמקולוגיה ועוד). התפתחויות אלו הביאו בין היתר בשנים האחרונות לידי התקדמות רבה בתחום הגנום: גילויי ה'קודים הסודיים' אשר מרכיבים כל יצור ויצור עלי אדמות. הבנת הרצף, התדירות, הקומבינציה והמבנה של הקודים הללו - הם הגנים - פותחת אופקים חדשים במחקר ומאפשרת להבין פעולות, תהליכים ומצבים שעד עתה לא ניתן היה להבינם עד תום.     
נושאים בביולוגיה ניתן כיום ללמד באופנים רבים וגישות שונות. אחת הנקודות החשובות בהוראת המדעים היא אקטואליזצית החומר. בעידן בו אנו חיים, ההתפתחויות המדעיות והתקדמות הטכנולוגיה והמדע מאפשרים ללמד פרקים רבים מתוך החומר בביולוגיה תוך כדי קישורם לנושאים אקטואלים עכשוויים. אחד הנושאים הנלמדים בביולוגיה הוא נושא הסימביוזה. גם אותו ניתן ללמד בהיבט עדכני המעיד על חשיבותו במחקרים עכשוויים ותרומת הבנתו בהבנת חלק מהתמונה הכוללת של התפתחות אורגניזמים שונים, יחסיהם ומבנם.

הקדמה: הסימביוזה
סימביוזה מוגדרת כ"חיים בצוותא של אורגניזמים שונים". הגדרה זו, שנקבעה על ידי אנטון דה-בארי בשנת 1879 כוללת כל מספר אורגניזמים החיים יחד. ישנם המחמירים יותר ודורשים בהגדרת הסימביוזה לכלול משך זמן ותועלת המופקת ממנה. לרוב, בהתייחסותנו לסימביוזה אנו דנים במערכות של שני אורגניזמים הן במצבים בהם שני השותפים נהנים (מוטואליזם), הן כשהאחד נהנה והשני אינו מושפע (קומנסאליזם) והן כשהאחד נהנה והשני סובל (פרזיטיזם). הסימביוזה הינה מערכת רגישה: שינוי תנאים עשוי לגרור שינוי במערכת המשותפת. בסימביוזה מוגדר האורגניזם הקטן כסימביונט, בעוד האורגניזם הגדול מוגדר כמאכסן.
באיפיוני סימביוזה קיימת התייחסות למספר קריטריונים, בינהם ניתן לציין:
1. מיקום: חיצונית (על שטח פני המאכסן) או פנימית (בין תאי המאכסן, בחלל מיוחד  בתוכו, או בתאים עצמם).
  2. משך: כל מחזור חיי השותפים או חלקו.
  3. תלות : אובליגטורית (מוחלטת, מחייבת) או פקולטטיבית (יש קיום גם בנפרד, אפשרית).
  4. ספציפיות: קטנה (הסימביונט יכול לחיות במארחים שונים) או גדולה (רק באחד).
  5. תוצרים: בסימביוזות שונות ישנם תוצרים המייחדים את השותפות ואינם קיימים  בלעדיה.
קיימים איפה בטבע סוגי סימביוזה רבים ומגוונים, בעלי איפיונים שונים ובקרב אורגניזמים שונים. ביניהם ניתן למצוא סימביוזות של וירוסים (עם כל סוגי האורגניזמים: בקטריות, בעלי חיים, פטריות, אצות וצמחים), של בקטריות (עם בקטריות אחרות, בעלי חיים, חרקים, צמחים), של צמחים, פטריות ואף של בעלי חיים. אחת הדוגמאות הנפוצות בלימודי הביולוגיה בחטיבה העליונה היא החזזית- סימביוזה שבין אצה ופטריה.

הכנימה והבקטריה
כנימות העלה (APIDS) הינם חרקים הניזונים ממציצת נוזלי צמחים- תזונה שהיא עשירה בפחמימות אך דלה בחומצות אמינו חיוניות ותרכובות חנקניות. (T.L. Wilkinson & A.E. Douglas 1996). הכנימות הם חרקים המזיקים לצמחים בהיותם מעבירים מחלות שונות לצמחים ואף גורמים להחלשתם מחוסר נוטריאנטים. (לכן קיימים ניסיונות חקלאיים ל'עידוד' זחלי חיפושיות וחיפושיות בוגרות לאכלם). התרבותם מהירה ונעשית גם על ידי התפתחות ביציות שאינן מופרות (parthenogenesis) ולכן קיימים מצבים בהם כנימה בוגרת נושאת את בנותיה ואת נכדותיה בו-זמנית. (,A.E. Douglas, 1998 ,P.Bauman at al.1998).  
הבקטריה בוכנרה (Buchnera Aphidicola) היא אורגניזם פרוקריוטי (כמו כל הבקטריות) המתחלק בחלוקה בינארית (מכל תא - שני תאי בת) המצוי בסימביוזה תלותית לחלוטין עם כנימות העלים. הבקטריה שוהה בתוך המיצטום המצוי במערכת הדם של הכנימה. מיצטום הוא אוסף תאים מיוחדים (הקרויים מיצטוציטים או בקטריוציטים כשבהם בקטריה) הממוקם במקומות שונים בחרקים שונים ובו מתקיים הסימביונט. 
לאחר מחקרים רבים בנושא מקובלת ההיפותיזה שלכנימה קדומה חדרה בוכנרה לפני כ- 280-160 מיליוני שנים ומאז עבר הגנום של שני האורגניזמים שינויים מקבילים ומתואמים. היפותיזה אחרת גורסת כי הבוכנרה התפתחה מבקטריה קדומה שהייתה במעי הכנימות.

מאפייני סימביוזת הכנימה והבוכנרה
בהתאמה למאפייני הסימביוזה שהגדרנו למעלה, ניתן לאפיין את הסימביוזה שבין הכנימה לבוכנרה על פי הקריטריונים הללו: (A.E. Douglas, 1998).
하나.	מיקום: הבוכנרה הינה סימביונט הממוקם בציטופלסמת תאים ספציפיים - המיצטוציטים, (גם: בקטריוציטים) היוצרים מיצטום שמצוי במערכת דם הכנימה (hemocoel). המיצטום מכיל לרוב 80-60 תאים. 
둘.	משך: כל חיי האורגניזמים. תאי הבקטריה מורשים מהכנימה לדור הבא. 
셋.	תלות : הדדית (Mutualism). לבוכנרה אין קיום מחוץ לכנימה. כנימות שעוברות טיפול להפיכתן לאפוסימביוטיות (חופשיות מבקטריה - דבר הנעשה על ידי טיפול באנטיביוטיקה- ראה הסבר בהמשך) גדלות לאט מאוד, מפתחות בוגרים קטנים וחלשים ומתרבות מעט מאוד אם בכלל. 
넷.	ספציפיות: לגבי הבוכנרה - מוחלטת. לכנימה סימביונטים נוספים אם כי לא במערכת הדדית כמו עם הבוכנרה. (P.Bauman at al.1998).
다섯.	תוצרים: לסימביוזה בסיס נוטריאטיבי (תזונתי) והאסוציאציה בין האורגניזמים הכרחית מהבחינה התזונתית לשניהם. 

בחינת הסימביוזה דרך משקפי הגנום
מאז ניתקלו החוקרים לראשונה במערכות סימביוטיות התעורר העניין בהבנת מערכת זו. מלבד עניין מחקרי והתפתחותי במערכות אלו, הסימביוזה שבין חרקים לבקטריות מעוררת עניין נוסף בהיותה בעלת חשיבות בתחומים שונים, ביניהם חקלאות (רבים מחרקים אלה הם מזיקי חקלאות) ורפואה (בהדברות ג'וקים, כרדיות, יתושים, זבובי בית ועוד). (A.E. Douglas, 1998).
  סימביוזה ספציפית זו שבין הכנימה לבוכנרה הינה אחת הסימביוזות הנחקרות ביותר, בין היתר משום שבטיפול קל יחסית ניתן להגיע לייצור כנימות אפוסימביוטיות (Aposymbiotic). 
כנימות אפוסימביוטיות הן כנימות אשר הסימביונט שלהן הוצא (למעשה - חוסל) על ידי טיפול אנטיביוטי. במחקרים נמצא שבידוד הבוכנרה מהמארח נעשה בשיטות של בידוד אורגנלות תאיות (כמו מיטוכונדריה) אך תיפקודן של הבקטריות בעקבות טיפול זה הופך לירוד ופעילותן נמשכת שעות מעטות בלבד. עד לשלב מציאת הגנום של הבקטריה התרכזו רוב המחקרים בלימוד הבוכנרה ופעילותה/השפעתה/תרומתה לכנימה. ברור היה לחוקרים שכאשר יתגלה הגנום בשלמותו ניתן יהיה להסביר שינויים ויחסים אבולוציוניים במערכת זו בעזרת נוכחות וחוסר נוכחות של אתרי טרנסקריפציה (תרגום) שונים.

אחת ההשערות להסבר הסימביוזה גרסה שהסימביונט הפנימי הינו דרגת ביניים בהיווצרות אורגנלות תאיות- כמו מיטוכונדריה. היות ואסוציאציה זו חדשה יחסית (250 מיליון שנה לכל היותר, לעומת מיטוכונדריה וכלורופלסט שמעל ביליון שנה) הרי שאינטגרצית  הגנום במארח לא הושלמה. ברור הדבר שה"סידור" בסימביוזה זו הינו קשה יחסית לתחלופה גנטית: הבוכנרה הדביקה מאכסן רב תאי וחדרה לבקטריוציט (זאת אומרת - יצרה מעין יחידה אוטונומית במארח) בעוד שהמיטוכונדריה חדרו, כנראה, למארח חד-תאי - שאז עבר אינטגרציה לרב תאי. האינטראקציות התזונתיות העומדות בבסיס סימביוזה זו מעניינות ביותר וזכו לאישור, הבנה והסבר מחודשים עם הופעת הגנום המלא. אז אושר סופית שאכן הבקטריה מסנטזת לכנימה חומצות אמינו חיוניות אשר חסרות לה בתזונתה. בנוסף משמשת הבקטריה כ'כיור' לעודפי אמוניה, ובלעדיה עולים אצל הכנימה ריכוזי אנזימים המשתתפים בזירוז תגובה לפינוי האמוניה.
חוסר תלות של הכנימה קיימת בתחומי הליפידים, הסטרולים והוויטמינים.
בעבודת צוות שנעשתה ביפן נמצא בינואר 2000 הגנום המלא של הסימביונט הבקטריאלי בוכנרה. (Shuji Shignobu at al.2000). בבוכנרה נמצאו כרומוזום אחד ושני פלסמידים. בכרומוזום 640,681 זוגות בסיסים. דמיון רב נמצא בין הבוכנרה ובין E.coli,   ו-.Haemophilus influenzae  מתוך- 583 מקטעים המקודדים חלבונים נמצא שרק ארבעה ייחודיים לבוכנרה.
 
מתוך הגנום מוכחת מורכבות הסימביוזה והמוטואליזם השלם חל גם ברמה הגנטית:  
55 גנים בבקטריה נמצאו כמעורבים בסינתיזת חומצת אמינו החיוניות למארח (הכנימה). גנים לחומצת אמינו שאינן חיוניות למארח חסרים כמעט לגמרי וקיימים בכנימה בלבד. קוטנו של גנום הבוכנרה מהווה עדות לאובדן גנים ביוסינטטים לנוטריאנטים שונים (דבר היוצר את תלותו המוחלטת במארח). ולא רק זה: מסתבר שבחלק מהתהליכים קיים המוטואליזם בתוך התהליך עצמו: בשלביו השונים משתתפים חלבונים מהמארח והמאכסן לסירוגין- עד לקבלת התוצר הסופי. 
כמו כן נמצא שמערכת טרנספורט קיימת בין הסימביונט וציטופלסמת התא המארח. רוב הגנים לטרנספורטרים מצויים אצל הכנימה. חוסר בגנים רגולטוריים רבים, בד בבד עם הימצאות מושאי הרגולציה שלהם, מעיד גם הוא על תלות הסימביונט באספקת חלבונים רגולטוריים אלה מהמאכסן.

ניתן לסכם ולומר שבמערכת זו של כנימה/בוכנרה מתקיימת דוגמא לסימביוזה המאופיינת ביחסי גומלין הדדיים ומשלימים (יש המכנים אותם 'אינטימים') עד לרמה הגנטית. רפרטואר הגנום הייחודי כל כך של הבוכנרה אינו מאפשר לה קיום מחוץ לכנימה. הכנימה מצידה מתקיימת בקושי רב ללא הסימביונט שלה - עד כדי השוואתו לאורגנלה תאית בעלת תיפקוד מוגדר.
מחקר גנום זה הינו הראשון הבודק אבולוציה גנטית של אורגניזם מוטואליטי ומאפשר לראשונה התקרבות כה רבה להבנה עמוקה של משמעות אסוציאציות בין - מיניות. בהבנתו נפתח פתח הן להבנה מעמיקה (עד לרמה הגנטית כפי שראינו) של מערכות סימביוטיות והן להתפתחויות האבולוציוניות שעברו אורגניזמים שונים בעבר אשר יצרו את אותם האורגניזמים כפי שאנו רואים אותם כיום.   

*תודתי נתונה לד"ר דרורה קפלן על הידע הרב בנושא סימביוזה שרכשתי בעזרתה.

מקורות 
1. Shuji Shignobu at al. 2000 / Genome sequence of the endocellular bacterial symbiont of aphids Buchnera sp. APS. / NATURE, Vol 407, Sept. 2000; 81-86.
2.  P.Bauman at al. 1998 / Buchnera Aphidicola: the Endosymbiont of Aphids / ASM News, volume 64, Number 4.
3. T.L. Wilkinson & A.E. Douglas, 1996 /The impact of aposymbiosis on amino acid metabolism of pea aphids / Entomology Experimentalism et Applicata 80; 279-282.
4. A.E. Douglas, 1998 / Nutritional Interactions In Insect-microbial Symbioses: Aphids and Their Symbiotic Bacteria Buchnera / Annu. Rev. Entomol. 43; 17-37.
5. http://WWW.mext.go.jp/english/news/2000/09/000954.htm
6. יוסף נוימן, 1981 / טלאולוגיה וביולוגיה / עלון למורי הביולוגיה 80 14-1. 
הצעות לקריאה נוספת
D.C. Smith and A.E. Douglas, 1987/ The Biology of Symbiosis / Edward Arnold Publications.
Nicolette Perry, 1990 / Symbiosis- Nature in Partnership / Blandford, 1983, 1990.
http://buchnera.gsc.riken.go.jp./.  
http://www.snunit.k12.il/heb_journals/allon/151094.html. 
http://www.snunit.k12.il/heb_journals/allon/137025.html. 
http://ichut.mofet.macam98.ac.il/envi41.html. 
היפא פרהוד, 2000 / עצים, כנימות ונמלים כתשלובת דינמית / עלון למורי הביולוגיה מס' 163.

הצעה לשלבים לעבודה בכתה
המלצה: כאשר ניגשים ללימוד הנושא בכתה מומלץ לשים לב להסבר המערכת באופן מדעי, תוך שימוש במושגים הנכונים והסברים סיבתיים והימנעות ככל האפשר מהסברים טלאולוגים.
 יש לזכור שהמערכת הסימביוטית - כמו מערכת של אורגניזם בודד - היא מערכת היררכית פתוחה הבנויה מתת מערכות שהתפתחו על ידי וריאציות אקראיות ובירור טבעי ואשר לחלקיה קשרים פונקציונליים זה עם זה. (יוסף נוימן,  1981 / טלאולוגיה וביולוגיה / עלון למורי הביולוגיה 80 14-1).

1.	הצגת נושא הסימביוזה ומאפייניה על פי ההקדמה במאמר (במסגרת לימודי אקולוגיה, אבולוציה, מיקרואורגניזמים, גנטיקה).
2.	הכרת כנימת העלה והבקטריה בוכנרה: מתוך המאמר סקירת מאפייני כל אורגניזם בנפרד ואיזכור תכונותיהם. (חרקים, בקטריות, מאפיניהם, אורח חייהם, דרישותיהם התזונתיות).
3.	הסבר מאפייני הסימביוזה בין הכנימה והבוכנרה.
4.	קריאת הקטע: 'בחינת הסימביוזה דרך משקפי הגנום' בכתה. 

לאחר הקריאה או במהלכה אפשרי לערוך עבודה בקבוצות אשר יענו על שאלות בנושא:
1.	סימביוזה מוגדרת כחיים בצוותא של אורגניזמים שונים. לסימביוזה מאפינים כגון מיקום, משך, אופי התלות ועוד. מהם יחסי הגומלין בין הכנימה והבוכנרה? הסבר.
2.	השווה בין הבוכנרה למיטוכונדריה (או אורגנלות אחרות בתא): דמיון ושוני.
3.	מה הם הגורמים התזונתיים לכך שכנימות אפוסימביוטיות גדלות לאט, מפתחות בוגרים קטנים וחלשים ומתרבות מעט מאוד אם בכלל?
4.	ציין את הרמות השונות בהם באה לידי ביטוי הסימביוזה בין הכנימה והבוכנרה.
5.	מיני חיפושיות ניזונים בדיאטה שלהם בכנימות העלים. האם היית בוחר לחסל את אוכלוסיית הכנימות המזיקה לגידולים חקלאיים בפיזור חיפושיות אלו בשדות? האם היית מעדיף לפזר אנטיביוטיקה? נמק את תשובתך.
6.	האם לדעתך גילוי הגנום של הכנימה עשוי לשפוך אור נוסף על היחסים בינה לבוכנרה? נמק.

* ניתן לשלב דיון באפשרויות שהמחקר הגנטי פותר בהבנת מערכות אבולוציוניות ועשוי לפתור בעתיד.