שיעור 15 חיידקים בסביבה

פתיחה: למה חיידקים “שולטים בעולם”

• המרצה מדגיש: הנושא עצום ויכול להיות קורס שלם, אז זו סקירה “על קצה המזלג”.

• ציטוט הרעיון של Carl Woese (בפרפרזה עם “ת’אנוס”):

  • אם נעלים את כל האאוקריוטים (צמחים/פטריות/בעלי חיים) - לחיידקים יהיה קשה “קצת”, אבל הם יסתדרו.
  • אם נעלים את כל החיידקים - אין יותר חיים בכדור הארץ, וגם לא יוכלו להתפתח בהמשך.

המסר: חיידקים הם בסיס התשתית הביוכימית של החיים (מחזורים ביו־גאוכימיים).

מיון ברמה הכי גבוהה: Bacteria מול Archaea

• כשאומרים “חיידקים” ביום־יום, מתכוונים הרבה פעמים רק ל־Bacteria, אבל ברמה אבולוציונית יש שתי קבוצות פרוקריוטיות מרכזיות:

  • Bacteria (בקטריה)
  • Archaea (ארכיאה)

המהפכה של Carl Woese: סיווג לפי rRNA

• Woese השתמש ברצפי rRNA של הריבוזום כדי לבנות עץ אבולוציוני.
• למה rRNA מתאים?
  • יש לכל היצורים החיים (חוץ מווירוסים).
  • הוא שמור אבולוציונית (תפקיד קריטי), אבל עדיין יש בו מספיק שונות להשוואות.

תיקון ״חשוב״ לפי GPT (דיוק מדעי): בהרצאה נאמר “19S” בבקטריה - בפועל היחידה הקטנה בריבוזום היא:

• 16S rRNA בבקטריה וגם בארכיאה
• 18S rRNA באאוקריוטים

LUCA והפיצול הקדום

• המסקנה של Woese: Bacteria ו־Archaea התפצלו מוקדם מאוד מאב קדמון משותף אחרון:

  • LUCA = Last Universal Common Ancestor

• האאוקריוטים (כולל אנחנו) הם ענף קטן יחסית, שמגיע מהקו האבולוציוני הקשור לארכיאה (בנרטיב המודרני: אאוקריוטים קרובים יותר לארכיאה מאשר לבקטריה).

מספרים שמכניסים לפרופורציות

כמה תאים יש?

• הערכות סדר גודל: ~($10^{30}$) תאים פרוקריוטיים (בקטריה+ארכיאה) בכדור הארץ.

איפה הם נמצאים?

• בתי גידול עיקריים:

  • האוקיינוסים
  • סדימנט אוקייני (כולל עמוק)
  • קרקע (כולל עמוקה)

חיידקים נמצאים בכל מקום - ההבדל הוא בכמות ובמגוון.

ביומסה לפי פחמן (רעיון מרכזי)

• צמחים מובילים בכמות הפחמן הכוללת.
• אבל חיידקים מחזיקים כמות פחמן עצומה יחסית לגודלם.
• בני אדם (וכל בעלי החיים) = חלק קטן מאוד מהביומסה הכוללת.

חנקן וזרחן: יתרון ענק לחיידקים

• בהצגה (מבוסס על עבודות “biomass of life” שמצטטות הרבה את קבוצת ויצמן):

  • חלק גדול מאוד מה־N וה־P האורגניים נמצא בפרוקריוטים.

• מסקנה: לא רק “יש הרבה תאים” - גם ביסודות שמרכיבים חיים (C/N/P) הפרוקריוטים דומיננטיים.

זמן גאולוגי: החיים התחילו כפרוקריוטים

• סקאלת זמן (בגדול):

  • היווצרות היקום: 13–14~ מיליארד שנה
  • כדור הארץ: 4.5~ מיליארד שנה
  • תחילת חיים: 4~ מיליארד שנה (סדר גודל)

• בתחילת הדרך:

  • כדור הארץ היה אנוקסי (כמעט בלי חמצן אטמוספרי)
  • סביבה מחוזרת, קיצונית, לא מתאימה לאאוקריוטים

“Terraforming” מיקרוביאלי: עליית החמצן

• פרוקריוטים (בעיקר פוטוסינתטיים כמו ציאנובקטריה) התחילו לייצר חמצן.
• בהתחלה החמצן “נבלע” בתגובות חמצון עם חומרים מחוזרים, ורק אחר כך התחיל להצטבר.

• העלייה בחמצן אפשרה:

  • שינוי סביבתי דרמטי
  • הופעה והתבססות של אאוקריוטים (כולל אנדו־סימביוזה)

קיצוניות סביבתית: איפה אאוקריוטים נעלמים ופרוקריוטים נשארים

ככל שהתנאים יותר קיצוניים - נראה פחות אאוקריוטים ויותר פרוקריוטים, במיוחד ארכיאה.

דוגמאות לסביבות קיצוניות

• טמפרטורות גבוהות: היפר־תרמופילים (מעיינות חמים, Yellowstone וכו’)
• קור קיצוני: פסיכרופילים (אזורי קוטב/ים קר)
• pH קיצוני: חומצי/בסיסי מאוד (דוגמה רפואית: Helicobacter pylori בקיבה)
• מליחות גבוהה: ים המלח (הלופילים/הלוארכיאה)
• לחץ עצום: עומקי אוקיינוס (מאות אטמוספרות)

יישום ביוטכנולוגי: PCR

• אנזימים יציבים לחום (“תרמוסטבילים”) איפשרו PCR:

  • Taq polymerase (בקטריה תרמופילית)
  • Pfu polymerase (ארכיאה)

• זה קייס קלאסי: התאמה לסביבה קיצונית ← כלים חזקים לרפואה/ביוטכנולוגיה.

החיים האמיתיים של חיידקים בסביבה: Biofilm

מה זה ביופילם?

• קהילה מיקרוביאלית (מינים שונים יחד)
• במבנה תלת־ממדי
• בתוך מטריקס (לרוב פוליסכרידים/חלבונים) שהחיידקים מפרישים

למה זה חשוב?

זה “הדיפולט” של חיידקים בסביבה (ולא חיים כבודדים חופשיים במים).

שלבי היווצרות (בקו כללי)

1. היצמדות למשטח לח
2. התחלת הפרשת מטריקס
3. גדילה והסתעפות למבנה תלת־ממדי
4. יצירת “תעלות/פורות” לזרימת מים ונוטריינטים
5. שחרור תאים להפצה לסביבה

יתרונות ביופילם

• הגנה מטריפה (פרוטוזואה וכו’)
• שיפור קליטת נוטריינטים
• שיתוף תוצרים מטבוליים (“הפסולת שלי היא המזון שלך”)
• תקשורת כימית (Quorum sensing)

• עמידות גבוהה יותר לאנטיביוטיקה

  • חדירות נמוכה של אנטיביוטיקה
  • שכבות חיצוניות “סופגות נזק”
  • הגנה הדדית בין מינים
• העברת גנים מהירה (פלסמידים) ← עמידות מתפשטת מהר

דוגמאות מהחיים

• “קרום קרקע” במדבר/ערבה: ביופילם שמקשיח חול ומשנה סחיפה/יציבות.
• תעשיית מזון (צנרת חלב): ביופילם נוצר על דפנות, מצריך ניקוי מתוכנן.
• מערכות מים/השקיה: אי אפשר “לייבש כל יום” ← ביופילם הוא אתגר הנדסי־בריאותי.

מחזורים ביו־גאוכימיים: למה בלי חיידקים אין מערכת

מחזור הפחמן (Carbon cycle)

חיידקים נמצאים בכל השלבים:

• קיבוע פחמן (יצרנים מיקרוביאליים, לא רק צמחים)
• יצירת מתאן (Methanogens - בעיקר ארכיאה)
• צריכת מתאן (Methanotrophs)
• פירוק חומר אורגני (כולל פירוק מולקולות קשות כמו צלולוז/ליגנין)

דוגמאות:

• טרמיטים: לא “הטרמיט מפרק עץ” - המיקרוביום במעי עושה את העבודה.
• מעלי גרה (פרה וכו’): תלות עמוקה במיקרוביום לפירוק צלולוז.
• “תקופת הפחם” (בפרפרזה בהרצאה): רעיון היסטורי של הצטברות חומר צמחי כשקצב פירוק היה נמוך יחסית.

מחזור החנקן (Nitrogen cycle) - נשלט כמעט לחלוטין ע”י חיידקים

• האטמוספרה: ~78% ($\ce{N2}$)
• אבל רוב היצורים לא יכולים להשתמש ב־($\ce{N_2}$) ישירות.

• רק לפרוקריוטים יש את האנזים:

  • Nitrogenase (ניטרוגנאז) ← קיבוע חנקן

תהליכים עיקריים שחיידקים עושים:

• קיבוע ($\ce{N2}$) לצורות זמינות (בסוף נכנס לביולוגיה כתרכובות חנקן)
• ניטריפיקציה (מעברים בין אמוניה/ניטריט/ניטראט)
• דניטריפיקציה והחזרתו ל־($\ce{N2}$)
• Anammox (מסלול נוסף שמחזיר חנקן גזי)

מסקנה: חיידקים גם “מכניסים” חנקן למערכת וגם “מוציאים” אותו - שני הקצוות.

מחזור הגופרית (Sulfur cycle)

• חיידקים ממירים בין צורות גופרית:

  • כולל פירוק/חמצון של ($\ce{H2S}$) (רעיל)
  • והטמעה לתרכובות אורגניות (למשל חומצות אמינו כמו ציסטאין/מתיונין)

• שוב: הם “מפעילים” את הזמינות הביולוגית של יסוד קריטי.

רלוונטי לרפואה: גוף האדם הוא “עוד בית גידול”

• הערות:

  • אנחנו לא “נפרדים מהסביבה” - הגוף שלנו הוא סביבה.
  • מיקרובים יתנהגו אצלנו כמו במערכות אחרות: קהילות, אינטראקציות, תחרות, שיתוף.

מספרים שהרצאה אוהבת לזרוק

• משקל חיידקים בגוף: סדר גודל ~1–3% ממשקל הגוף (בעיקר מעי, עור וכו’).
• כמות גנים מיקרוביאליים גדולה בהרבה מהאנושי (כמסר כללי).

למה אנטיביוטיקה היא חרב פיפיות

• אנטיביוטיקה פוגעת בפתוגן - אבל גם בשאר המיקרוביום.

• פגיעה באיזון (דיסביוזיס) נקשרת להרבה מצבים:

  • סוכרת סוג 2, השמנה, ועוד (ההרצאה נותנת “רשימת מחלות” כאמירה כללית)

• רעיון “ציני אבל שימושי” בהרצאה:

  • לפעמים תחושת רעב/מצב רוח מושפעים גם מהמערכת המיקרוביאלית (ציר מעי־מוח).

נקודת זהירות מדעית: החיבורים האלה קיימים במחקר, אבל לרוב מדובר בקשרים מורכבים ולא “סיבה אחת פשוטה”.

מסרים עיקריים

1. החיים על פני כדור הארץ נשענים על פרוקריוטים: מחזורים של C/N/S ועוד.
2. שני הדומיינים המרכזיים: Bacteria + Archaea; אנחנו ענף קטן יחסית.
3. חיידקים שולטים לא רק במספר תאים אלא גם בתפקידים ביוכימיים שהופכים חיים לאפשריים.
4. בסביבות קיצוניות - פרוקריוטים נשארים כשאאוקריוטים נעלמים.
5. Biofilm הוא ברירת המחדל בסביבה: הגנה, עמידות, תקשורת, העברת גנים.
6. ברפואה: המיקרוביום הוא חלק מהמערכת - צריך איזון בין טיפול בפתוגן לבין נזק סביבתי פנימי.