נפתרה תעלומה בת 200 שנה: חוקרי הטכניון והאוניברסיטה העברית במכון הבינאוניברסיטאי באילת גילו מדוע אלמוגים רכים “פועמים”

חוקרי הטכניון והאוניברסיטה העברית הצליחו לגלות מדוע אלמוג ההטרוקסניה פועם. כך מגלה כתב העת המדעי היוקרתי PNAS ( Proceedings of the National Academy of Sciences). אחד המראות המהפנטים והמרהיבים ביותר שנגלה תוך כדי צלילה בריף האלמוגים באילת הוא התנועה המחזורית של זרועות אלמוג בשם הטרוקסניה (Heteroxenia fuscescens). מדובר באלמוג רך ממשפחת ה-Xeniidae שנראה כמו שיח קטן ועשיר בפרחים שיושב על קירות שונית האלמוגים ועל משטחים סלעיים בקרקעית הים. כל “פרח” כזה הוא למעשה פוליפ, יחידת החיים הבסיסית של האלמוג. מסתבר שהתנועה של זרועות הפוליפים, שנראית כמו אוסף פרחים מרהיבים שפותחים וסוגרים באלגנטיות את עלי הכותרת שלהם, היא תנועה ייחודית. להוציא את תנועת השחייה המוכרת של מדוזות, אין אף בעל חיים ימי שצמוד לשונית ומבצע תנועה שכזו. היות ומדובר בתנועה שדורשת השקעת אנרגיה רבה חייב להיות הסבר מניח את הדעת שיצדיק אותה. התנועה המחזורית של המדוזות משמשת אותן לשחייה, לתנועה וללכידה של מזון. ההסבר הטבעי היה שהתנועה המרהיבה הזו נועדה לשם צייד ולכידה של מזון, אלא שבבדיקות רבות שנעשו בתוך מערכת העיכול של ההטרוקסניה לא נמצאו עדויות לטרף שנצוד על ידי האלמוג. היות וצייד הוא לא ההסבר, חייב להיות הסבר אחר שיצדיק את הוצאת האנרגיה על ידי ההטרוקסניה.

את ההסבר לשאלות אלה מצאה מאיה קרמין במסגרת מחקר לתואר מוסמך שבוצע במכון הבין-אוניברסיטאי באילת בהנחייתם של פרופ’ אמציה גנין מהאוניברסיטה העברית ופרופ’ אורי שביט מהטכניון במחקר משותף שמומן על ידי הקרן הלאומית למדע.

הממצא המפתיע הראשון היה שההטרוקסניה עוצרת את פעולת הזרועות ויוצאת להפסקה של כחצי שעה בכל יום בשעות אחר הצהרים, לקראת שקיעת השמש. החוקרים התקינו מצלמות אינפרה-אדום ותאורת אינפרה-אדום בעומקים של בין 5 ל- 10 מטר מתחת לפני הים ועקבו אחר הפעילות של אלמוגי ההטרוקסניה בסביבתם הטבעית מול המעבדות של המכון הבין-אוניברסיטאי (אורך הגל של תאורת אינפרה-אדום לא “נראה” על ידי האלמוג ולא מפריע לו). “בשלב זה לא נמצא הסבר ל”סייסטה” שלוקח האלמוג ולתזמון שחזר על עצמו יום אחר יום.

המעבדות של פרופ’ גנין ופרופ’ שביט עוסקות באינטראקציה שבין הפעילות הביולוגית של יצורים שחיים בקרקעית הים ובין התנועה של המים שסביבם. מסתבר שיצורים ימיים משפיעים על הזרימה ובה בעת תלויים בה תלות מוחלטת. כדי לפתור את התעלומה של אלמוג ההטרוקסניה, פיתחה קבוצת המחקר (במסגרת מחקר של הדוקטורנטית טלי מס) מערכת מדידה תת ימית המכונה Particle Image Velocimetry (PIV) המאפשרת למדוד את שדה הזרימה שצמוד להטרוקסניה בדיוק ורזולוציה גבוהים במיוחד. המערכת מורכבת משני לייזרים רבי עוצמה, מערכת הדמיה מהירה, ויכולת חישוב מרשימה. מערכת עדשות מיוחדת מייצרת משטח אור הנוצר על ידי הבזקים קצרים כדי שמערכת ההדמיה תלכוד זוגות של תמונות של החלקיקים הטבעיים שנעים יחד עם הזרם. מערכת המיחשוב של המעבדה מבצעת עם סוף הניסוי ניתוח מתמטי של זוגות התמונות ומספקת אוסף עצום של מפות זרימה המשמשות לחישוב מהירות הזרימה, תכונות ההסעה של מומסים והערכה של מידת הערבוב המתקבל משדה הזרימה הטורבולנטי.

המדידות נעשו במהלך הלילה בתמיכה של צוללים שהתנדבו לעזור לצוות המחקר. נמצא שאם צולל נוגע קלות בזרועות, האלמוג מכווץ את זרועותיו ומפסיק את פעולתן למספר דקות. רק לאחר שהאלמוג “נרגע” הוא מתחיל לפעום שוב ולחזור לפעילות מלאה. תכונה זו נוצלה על ידי החוקרים אשר מדדו שוב ושוב את תנועת המים מסביב להטרוקסניה, פעם כאשר היא פועמת ופעם כאשר היא קפואה במקומה.

מדידות אלה סיפקו את הממצא הבא של קבוצת המחקר. מניתוח של כיוון תנועת המים נמצא שהתנועה המחזורית של זרועות האלמוג דוחפת את המים מהאלמוג אל המרחבים הפתוחים שמעליו. אלמוגים זקוקים לדו-תחמוצת הפחמן במשך היום ולחמצן במשך הלילה, כמו גם לחומרי דשן (“נוטריינטים”- חנקות וזרחות) במשך כל שעות היממה. אחד האתגרים של מושבות האלמוגים הוא לגרום לכך שהמים יהיו עשירים במרכיבים הרצויים להם על ידי ערבוב יעיל של המים שסביבם. בעזרת מערכת המדידה המשוכללת הצליחו החוקרים לחשב את עוצמת הערבוב של המים שהתקבלה מהתנועה המחזורית של זרועות האלמוג. הממצא הבלתי צפוי היה שלמרות שתנועת הפוליפים לא מתואמת ושכל אחד מהם מתחיל את מחזור התנועה בזמן אחר, ההשפעה המצטברת של הפוליפים הייתה הגברה משמעותית של הזרמים שמסביב למושבה, ובעיקר את המהירות האנכית המרחיקה מים מהאלמוג ובכך מצמצמת באופן ניכר פוטנציאל הסינון החוזר של אותם מים.

אך הממצאים הללו לא סיפקו עדיין הסבר מניח את הדעת לשאלה מדוע האלמוג משקיע אנרגיה כה רבה כדי להניע את הזרועות שלו. תחת היתר מרשות הטבע והגנים הוציא צוות המחקר מספר פרטים של הטרוקסניה מהים במטרה לערוך סדרה של ניסויי מעבדה. השערת המחקר הייתה שפעימת הזרועות דרושה כדי לאפשר לאלמוג לבצע פוטוסינתזה.

אלמוגים הם מהיצורים העתיקים ביותר ששרדו בכדור הארץ. אחד ה”סודות” של שרידותם הבלתי נתפשת הוא שהם “מארחים” בתוך הרקמה שלהם אצות סימביוטיות המבצעות עבורם פוטוסינתזה. במחקר קודם של אותה קבוצת חוקרים (ואשר גם תוצאותיו פורסמו ב- PNAS) נמצא שתנועה של מים סביב אלמוגים הכרחית לשם הרחקה של חמצן. ללא תנועה של המים יעלה ריכוז החמצן ברקמת האלמוגים ומחזור הפוטוסינתזה יקטע.

התשובה לשאלה מדוע ההטרוקסניה מניעה את זרועותיה נמצאה סוף-סוף בניסויי המעבדה. בתחילה נמדד קצב הפוטוסינתזה של הטרוקסניה פועמת ונמצא שכל עוד היא פועמת קצב הפוטוסינתזה גדול פי 5-8 מקצב הפוטוסינתזה כאשר הזרועות מפסיקות את תנועתן. אבל כדי להוכיח שמנגנון הפעולה של הזרועות נועד לשם הרחקת חמצן, העלו החוקרים במכוון את ריכוז החמצן במים כך שגם כאשר הצליח האלמוג לערבב את המים שסביבו הוא החליף מים עשירים בחמצן במים חדשים שגם הם, לרוע מזלו, היו עשירים בחמצן. ואכן נמצא שקצב הפוטוסינתזה היה נמוך וגם כאשר האלמוג הניע את זרועותיו ללא הרף, ריכוז החמצן נשאר גבוה וקצב הפוטוסינתזה נשאר נמוך כאילו זרועות האלמוג אינן נעות.

למרות שהתנועה האלגנטית של זרועות ההטרוקסניה ריתקה את עולם המדע ולכדה את תשומת ליבם של החוקרים כבר לפני מאתיים שנה (Jean-Baptiste Lamarck, 1744-1829) לא נמצא לכך הסבר. עתה, בעקבות המחקר של קרמין, גנין ושביט, נמצא שתנועת הזרועות גורמת לעליה ניכרת ביעילות קשירת פחמן דו חמצני לאנזים הפוטוסינתטי RuBisCO והקטנת קצב הפוטורספירציה, הסבר שמצדיק את השקעת האנרגיה של הפעימות.  למעשה, בזכות הפעימות, היחס בין פוטוסינתזה לנשימה באלמוגים הפועמים הוא הגבוה ביותר שנמדד אי פעם בקרב אלמוגי אבן ואלמוגים רכים שאינם פועמים.

ממצאי המחקר מעידים על כך שתנועת הפעימה יכולה לשמש כאמצעי יעיל ביותר הן להרחקת מים מהגוף הפועם והן להגברה ניכרת של שיחלוף חומרים בינו לבין המדיום הזורם מסביבו. לשני התהליכים (הרחקת המדיום ושיחלוף חומרים) פוטנציאל ליישומים ייחודיים בהנדסה וברפואה. בימים אלה עוסקת קבוצת המחקר בניסיונות להרחיב את תוצאות המחקר ולפתח מודלים מתמטיים שיוכלו לשמש כלי ליישום הממצאים לפיתוח מערכות שימושיות לאדם.

בתמונה: האלמוג הרך הטרוקסניה  ( Heteroxenia fuscescens ). כל אלמוג הוא “מושבה” של עשרות עד מאות פוליפים אחים. כפי שנראה בתמונה, לכל פוליפ ישנן שמונה זרועות אשר כל אחת היא דמוית נוצה, עם שטח פנים גדול מאד. בעת הפעימות הזרועות של כל פוליפ מתכווצות ונפרסות יחדיו בתנועה מחזורית, ללא סינכרוניזציה בין פוליפים שכנים. בתמונה נראים פוליפים בפאזות שונות של מחזורי הפעימות.  צילום: ויקטור קינה, דוברות הטכניון והאוניברסיטה העברית