החיידקים של פאבלוב

הפיזיולוג הרוסי איוון פאבלוב (Pavlov) מוכר כיום לכל אדם בזכות כלביו, שאותם לימד לקשר בין צלצול פעמון להופעת מזון. בניסויו המפורסם, פאבלוב - ששם לב כי הכלבים הזילו ריר כשקיבלו מזון - הגיש אוכל לכלביו בליווי צלצול פעמון. לבסוף - לאחר כמה חזרות - צלצול הפעמון לבדו, בלא הגשת המזון, גרם לכלבים לרייר בציפייה לאוכל. מחקר חדש, שפורסם לאחרונה בכתב-העת המדעי Science, מראה שגם חיידקים מסוגלים ללמוד התנהגות דומה.

חיידקים המסוגלים ללמוד לקשר בין אות כלשהו למאורע עתידי יכולים להגיב למאורע מראש, עוד לפני שהוא מתרחש, וכך להשיג יתרון על פני אורגניזמים אחרים שאינם מסוגלים לעשות זאת, ורק מתאימים את עצמם לתנאים הקיימים בפועל. על מנת לבדוק אם מערכת פשוטה כחיידק אכן יכולה לפתח תגובות מורכבות כאלה, החוקרים, בראשות סעיד טאבאזואי (Tavazoie) ממכון לואיס-סיגלר לגנומיקה רב-תחומית באוניברסיטת פרינסטון בניו ג'רזי, פיתחו מודל ממוחשב בשם EVE (Evolution in Variable Environment). במודל זה, חיידקים וירטואליים התפתחו בסביבה וירטואלית משתנה. החיידקים הווירטואליים הפיקו יותר "אנרגיה" - וכך השיגו יתרון על פני חיידקים אחרים - אם הצליחו "ללמוד" לקשר בין אותות מסוימים, שקדמו להופעת מזון, לבין הופעת המזון. המודל הראה שאפילו כאשר הקשר בין האותות והופעת המזון היה מורכב ביותר, התפתחו אוכלוסיות חיידקים וירטואליים המסוגלות להגיב לקשר זה.

לאחר שהמודל הממוחשב הראה, כי אכן חיידקים מסוגלים לפתח יכולת לצפות אירועים מראש, פנו החוקרים לחיידק Escherichia coli על מנת לראות אם גם חיידקים ממשיים מסוגלים ללמוד. החוקרים שיערו, שמאחר שטמפרטורת הסביבה של E. coli עולה כאשר הוא מוצא את עצמו בלוע האדם - למשל על גבי קציץ בשר או פיתה עם חומוס - בטרם יעבור לסביבה חסרת החמצן שבמערכת העיכול, החיידק יכול, אם הוא אמנם ניחן ביכולת למידה, להשתמש בעליית הטמפרטורה כאות לשינוי המתקרב ברמת החמצן. ואכן, כאשר העלו את טמפרטורת הסביבה של חיידקי E. coli שגודלו בצלחות פטרי, הם שינו את המטבוליזם שלהם כך שיותאם לסביבה אל-אווירנית, אפילו כאשר לא הועברו לסביבה חסרת חמצן.

כדי לבדוק אם תגובת החיידקים לטמפרטורה אכן נובעת מלמידת הקשר בין עליית הטמפרטורה לירידה ברמת החמצן הזמין, בדקו החוקרים אם אפשר לגרום לחיידקים להגיב בצורה שונה. כלומר, האם אפשר להכחיד את הקשר שלמדו. טאבאזואי ועמיתיו גידלו חיידקי E. coli בסביבה שבה הקשר בין שינויי הטמפרטורה ורמת החמצן הוא הפוך למצב הטבעי שבו התפתחו החיידקים. בסביבה זו, אימנו החוקרים את החיידקים לכך שרמת החמצן עולה לאחר עלייה בטמפרטורה, ולא להפך. במהרה, לאחר פחות ממאה דורות, נבררו חיידקים שלמדו לא להפעיל תגובות המתאימות לסביבה אל-אווירנית בעקבות עליית הטמפרטורה, דהיינו, הם למדו לשבור את הקשר ולא "ציפו" עוד לירידה ברמת החמצן.

עד מחקר זה היה מקובל לחשוב, כי חיידקים פשוט מגיבים לגירויי סביבה הקיימים בפועל - בדומה לרעד שאנו חווים בעקבות קור. עכשיו, לעומת זאת, נראה כי אפילו חיידקים מסוגלים להגיב לאותות מהסביבה בצורה מורכבת, המאפשרת להם לחזות מה יקרה בהמשך ולהיערך בהתאם - בדומה, למשל, ליכולתנו להחליט לקחת מטרייה כי בחוץ מעונן.

טאבאזואי מדגיש כי החיידקים, כמובן, אינם לומדים באותה צורה שבה כלב, או אדם, לומדים. למידה והיכולת לקשר בין אות כלשהו למאורע עתידי מתרחשת באדם ובכלב במהלך חיי הפרט, תוך שינויים בחיווט תאי העצב במוח. בחיידקים, הלמידה מתרחשת במהלך הדורות, בעקבות ברירה אבולוציונית, תוך שינויים בקשרים בין רשתות של גנים שונים.

על סמך תוצאות המחקר, המצביעות על יכולת של חיידקים לחזות אירועים, אפשר לנסות להבין את התנהגותם של חיידקים פתוגניים שונים, העשויים להשתמש באותות מהסביבה על מנת להפעיל תגובת מנע שתגן עליהם ממערכת החיסון או מאנטיביוטיקה. בעזרת הבנה לעומק של יכולת הלמידה של חיידקים, נוכל ללמוד לצפות את התנהגותם וכך להילחם בהם ביתר קלות או להשתמש בהם ביתר יעילות.