האם האבולוציה מתקדמת בדילוגים, או שהיא צועדת עקב בצד אגודל?
מה סדר הגודל של שינוי גנטי, העשוי להעניק לבעל-חיים אחד, יתרון
אבולוציוני משמעותי על-פניו של בעל חיים אחר? תשובה מוצעת לשאלות
האלה עולה ממחקרים שביצע פרופ' גרהרד בראוניצר ממכון מקס פלנק
לביוכימיה במרטינסריד, גרמניה.
בראוניצר ועמיתיו חקרו את הגורמים המאפשרים לבעלי-חיים שונים
לחיות בגבהים שבהם האוויר דליל יחסית בחמצן. כדי להתקיים בתנאים
כאלה, חייב בעל-החיים להשתמש בחמצן המועט יחסית העומד לרשותו
ביעילות רבה. הוא אינו יכול להרשות לעצמו לוותר על אותו חלק של
מולקולות חמצן המצויות באוויר, כפי שעושים בני מינו החיים באזורים
נמוכים יותר, שבהם האוויר אינו כה דליל. אחת הדרכים לעשות זאת
מתבטאת ביכולתן של מולקולות ההמוגלובין שבדם בעל-החיים, לקשור
אליהן מולקולות חמצן.
ההמוגלובין הוא מבנה חלבוני המצוי בתאי הדם האדומים.
בהגיעו אל הריאות , הוא קושר מולקולות חמצן, שאותן הוא מוביל אל
רקמות הגוף השונות, שם הוא משחרר אותן ומאפשר להן לבצע תהליכים
שונים החיוניים לפעולתם של התאים החיים. במובן מסוים, אפשר לראות
את ההמוגלובין כמעין מונית שירות, המובילה נוסעים (מולקולות חמצן)
ליעדם. המבנה המולקולרי של ההמוגלובין שונה במינים שונים של בעלי-
חיים. למעשה, ההמוגלובין מורכב מהחלבון גלובין ומארבעה מבנים
מלקולריים הקרויים "הם". הגלובין כולל כ-600 חומצות אמיניות המסודרות
בארבע שרשרות מולקולריות משניות. שתי שרשרות אלפא (שכל אחת מהן
כוללת 141 חומצות אמיניות), ושתי שרשרות בתא (שכל אחת מהן כוללת
146 חומצות אמיניות). במרכזה של כל שרשרת כזאת משולב "צימוק" –
הקבוצה הקרויה "הם". קבוצה זו , המכילה פורפירין וברזל , היא המעניקה
להמוגלובין את צבעו האדום. השוני בין גרסאות ההמוגלובין של מיני בעלי-חיים
שונים, נובע מהבדלים בזהותן של חומצות האמינו הממוקמות בקטעים שונים
של השרשרות המולקולריות האלה.
אופי הקשר שבין ארבע השרשרות המולקולריות המרכיבות את החלבון
כולו, הוא הקובע את יכולתו או אי יכולתו של ההמוגלובין לקשור אליו
מולקולות חמצן. החוקרים נוהגים לאפיין שתי צורות של המוגלובין,
הנבדלות זו מזו באופי הקשר שבין מרכיביהן הזהים. הצורה ה"דרוכה",
המסומנת באות T אינה נוטה לקשור חמצן, ואילו הצורה ה"רפוייה",
המסומנת באות R, מסוגלת לקשור אליה ארבע מולקולות של חמצן (אחת בכל
פינה של ההמוגלובין).
מכאן, שאופי הקשר שבין ארבע השרשרות המולקולריות המרכיבות את
ההמוגלובין, קשור לזהותן המדויקת של החומצות האמיניות המרכיבות את
השרשרות עצמן (וכאמור, הוא המשפיע על יכולתו של המבנה כולו לקשור
ולהוביל מולקולות של חמצן).
בראוניצר עסק בהשוואת מבנה ההמוגלובין של הגמל, החי באזורים
נמוכים יחסית , להמוגלובין של הלמה והגואנקו – "קרוביו
האבולוציוניים" של הגמל, החיים באיזורי האנדים הגבוהים. באותו זמן,
קיבל דיווחים ואף צפה בעצמו באווזים שעפו מעל לפסגות האנדים.
דיווחים של טייסים שהגיעו אליו, כללו סיפורים על אווזים אחרים,
שנצפו עפים מעל להרי ההימליה, ואף מעל לפסגת "גג העולם", הר
האוורסט. בהמשך התברר לו שהאווזים ההודיים נוהגים לחצות את
רכס ההימליה פעמיים בשנה. בסתיו הם מהגרים מסין להודו, ובאביב
הם חוזרים בחזרה לאיזורי הרבייה שלהם.
מה מעניק לאווזי האנדים ולאווזים ההודיים את היכולת להתקיים בגבהים?
במה הם שונים מקרוביהם, האווזים האפורים? לשם כך היה על
החוקרים למצוא את המבנה המדויק של דגימות המוגלובין שנטלו
מכמה מיני אווזים. בעיה מסוימת התעוררה כאשר התברר שקשה מאוד
ללכוד את האווזים ההודיים. בראוניצר וחבריו סרקו את העולם בחיפוש
אחר אווז כזה המצוי כבר בשבי, אך לשווא. בסופו של דבר נמצא אווז
כזה ממש "מתחת לאפם", בגן החיות הגדול של מינכן, מרחק 20
קילומטרים בלבד ממכון המחקר שבו עבדו.
מציאת מבנהו המרחבי התלת-ממדי המדויק של חלבון אינה מלאכה פשוטה.
ראשית יש ליצור גביש של החלבון. אחר כך מקרינים אותו בקרינת X (רנטגן)
ולאחר מכן קולטים ומנתחים את הקרינה, ועל-פי הנתונים לומדים על מבנה
המולקולה. לאחר שנסתיימה המלאכה הזאת, מספרים עמיתיו של בראוניצר,
יצא החוקר הקשיש למדשאת המכון וקרא בהתלהבות: "רק חומצה אמינית אחת,
ואתה טס לגבהים". ואכן , לאחר שמצאו את המבנה המדויק של ארבעת
דגימות ההמוגלובין שבחנו , מצאו החוקרים כי יכולתם של אווזי האנדים
והאווזים ההודיים להתקיים ולעוף בגבהים, נובעת משינוי בזהותה של חומצה
אמינית אחת, המשפיעה על הקשר שבין שרשרות האלפא והבתא במבנה
ההמוגלובין שלהם.
באווזים האפורים ובברנטה הקנדית, מתבצע הקשר שבין השרשרות
המולקולריות המרכיבות את ההמוגלובין באמצעות החומצה האמינית פרולין
(מצד אלפא) והחומצה האמינית ליצין (מצד בתא). אבל באווז ההודי,
מחליפה החומצה האמינית אלאנין את הפרולין שבשרשרת אלפא. ובאווזי
האנדים, מחליפה החומצה האמינית סרין, את החומצה האמינית ליצין
שבשרשרת הבתא. מלבד ההבדל הזה, מבנה ההמוגלובין בארבעת מיני
האווזים זהה.
מתברר שההבדל הזעיר הזה (חומצה אמינית אחת מתוך כ-600), מחליש
את הקשר שבין שרשרות האלפא והבתא. כתוצאה מכך, יותר מולקולות
המוגלובין מתעצבות במבנה ה"רפוי" R המסוגל לקשור ולהוביל
מולקולות חמצן. כך מתוגבר "צי המוניות" המובילות חמצן בזרם הדם של
האווזים, מה שמעלה במידה מספקת את יכולתם לנצל ביעילות את החמצן
שבאוויר הדליל יחסית, המצוי בשכבות הגבוהות של האטמוספירה.
לפחות מבחינתם של האווזים ההודיים, משמעותו של השינוי הזה היא
כהבדל שבין חיים ומוות. אווז שלא יצליח להדרים לפני בוא החורף, פשוט
יקפא למוות. וכדי להדרים, חייבים העופות האלה להגר אל צידה האחר של
שרשרת הרי ההימליה. לאווזי האנדים העניק השינוי הזה את היכולת
להתקיים בגומחה אקולוגית פנויה יחסית, שבה הם אינם חייבים להיאבק על
מקומם עם בעלי-חיים ובעלי-כנף אחרים.
