בדיקת DNA מתחת למים עוזרת בפיתרון התעלומה: מה גורם לתמותה המונית של קיפודי ים בכל העולם?

לאחר מחקר קודם גילה כי המגפה שהשמידה את קיפודי הים באילת התפשטה לאוקיינוס ההודי ומאיימת להשמיד אוכלוסיות קיפודי הים בכל העולם - צמד מחקרים, ראשונים מסוגם, של חוקרים בהובלת ד"ר עמרי ברונשטיין מבית הספר לזואולוגיה בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז ומוזיאון הטבע ע״ש שטיינהרדט, קובע את הסיבות העיקריות לתמותות המוניות של קיפודי ים בעשרות השנים האחרונות: פתוגנים, סופות וטמפרטורות קיצוניות. כמו כן, ד"ר ברונשטיין וצוותו פיתחו שיטה חדשנית לדגימה גנטית בסביבות ימיות – באמצעות מטוש ובדומה לבדיקת הקורונה, בין היתר כדי לאפשר מעקב מהיר ולא פולשני אחר בעלי חיים ימיים והתפרצות של מגפות מתחת למים.

מטא-אנליזה של כלל הספרות המחקרית בנושא מאז 1888

המחקר הראשון, שפורסם ב-Biological Reviews, מציג מטא-אנליזה של 110 מקרי תמותה המונית (MMEs), בקרב קיפודי ים שנחקרו בין השנים 1888 ל-2024. ד"ר ברונשטיין והדוקטורנטית ליסה שמידט בחנו את כלל האירועים הידועים, מהם עולה שרוב התמותות דוּוחו בהמיספרה הצפונית - בעיקר בארה"ב, מערב אירופה ויפן, שם מרוכזים גם מרבית המחקרים והתקציבים.

החוקרים סיווגו חמישה גורמים מרכזיים לתמותות: 33% פתוגנים, 25% אירועים קטסטרופליים (כמו סופות ומיעוט חמצן), 24% טמפרטורות קיצוניות, 11% פריחת אצות ו-7% פעילות אנושית כגון זיהום והרס בתי גידול.

"מדובר במטא-אנליזה של כלל הספרות המחקרית בנושא", מסביר ד"ר ברונשטיין. "עבור כל אירוע תמותה מיפינו היכן ומתי התרחש, אילו מינים נפגעו ובעיקר - מה גרם לו. מתברר שפתוגנים הם הגורם המוביל לתמותה המונית בקרב קיפודי ים. הממצא הזה משקף היטב את מה שאנחנו רואים כיום בגל המודרני של תמותות - מהקריביים, דרך הים האדום ועד לאוקיינוס ההודי. יש נטייה לייחס הכול להתחממות הגלובלית, אך זה לא תמיד מדויק. לעיתים התמותה אינה קשורה ישירות לחום, שכן חלק מהמינים יכולים לחיות גם בסביבות חמות. הבעיה היא שההתחממות משפיעה על גורמים אחרים – כמו ירידה בחמצן המומס ועלייה בפעילות פתוגנים – ואלו כבר עלולים להוות שילוב קטלני".

מגפה עולמית מתחת לפני הים

בשנת 2023 זיהה ד"ר ברונשטיין תמותה המונית של קיפודי ים ממין נזרית ארוכת קוצים בים האדום, שנגרמה מאותו פתוגן, ריסנית, שהכחיד מין קרוב בקריביים. מאז התפשטה המגפה לאוקיינוס ההודי, שבה והתפרצה בקריביים, וכיום היא מוגדרת כפנדמיה שמאיימת על אוכלוסיות קיפודי ים ברחבי העולם.

"קיפודי הים חיוניים לבריאות שוניות האלמוגים", מסביר ד"ר ברונשטיין. "הם ה'גננים' של השונית: ניזונים מאצות ומונעים מהן 'לחנוק' את האלמוגים." הוא מזכיר כי ב-1983 התמוטטה אוכלוסיית קיפודי הים בקריביים, מה שהוביל להשתלטות אצות ושינוי המערכת משונית אלמוגים לשדה אצות, תהליך שלא תוקן גם אחרי 40 שנה. "אנחנו חוששים שאותו תהליך עשוי להתממש כיום גם באזורי תמותה המונית נוספים, בעיקר במין נזרית ארוכת הקוצים - קרוב משפחה של קיפוד הים הקריבי. אלה הקיפודים השחורים עם הקוצים הארוכים שכולנו מכירים. עד לא מזמן הם היו נפוצים בשונית האלמוגים באילת, וכיום כמעט שאינם קיימים בים האדום. מדובר באירוע מאוד אלים: בתוך פחות מ־48 שעות אוכלוסייה בריאה הופכת לשלדים מתפוררים. באתרים מסוימים באילת ובסיני התמותה הגיעה ל־100%".

לדבריו, תמותות דומות התגלו גם באי ראוניון שבאוקיינוס ההודי, וכעת נבחנים שלושה מקרים חדשים נוספים - באוקיינוס האטלנטי, האוקיינוס ההודי ואף בים התיכון. "כך אירוע מקומי הפך לאזורי ואז לגלובלי. זו סכנה לשוניות האלמוגים בעולם בכל מקום".

^{קיפוד הים Diadema setosum לפני (שמאל) ואחרי (ימין) התמותה}

"פיתחנו כלי חדש לדגימת דנ"א מתחת למים... הערכה כבר נבדקה בסביבות מאתגרות והתוצאות נראות מבטיחות ביותר"

בהמשך לכך, וכדי להתגבר על אחד האתגרים הגדולים באיסוף מידע גנטי בים, תלמידת המחקר מאי בונומו וד"ר עמרי ברונשטיין פרסמו מחקר נפרד בכתב העת Molecular Ecology Resources, שמטרתו פיתוח שיטה חדשה, זולה ולא פולשנית שמאפשרת איסוף דגימות גנטיות מתחת למים באופן נרחב.

"הכלים העיקריים שמשתמשים בהם היום כדי לזהות פתוגנים הם כלים גנטיים", אומר ד"ר ברונשטיין, "אבל תחום האקולוגיה המולקולרית סובל מבעיה בסיסית: אין דרך פשוטה לדגום דנ"א מבעלי חיים מתחת למים. לכן, מחקרים רבים נסמכים על דיגום פולשני שגורם נזק לבעל החיים הנדגם ואף דורש לא פעם את הקרבת בעל החיים כולו והבאתו למעבדה. לכן המחקר פועל תחת רגולציה מחמירה מאוד ששוקלת בכל מקרה את הערך המדעי מול ערכי שמירת הסביבה. למשל, חל איסור לדגום בעלי חיים באתרים שנחשבים לשמורות טבע ימיות, יש איסורים והגבלות על שילוח דוגמאות לחו"ל, כמו אלמוגים, ובכל פרסום מדעי יש צורך להציג את ההיתרים הרשמיים לכל דגימה שמוצגת בפרסום.

על רטוב: ערכה מיוחדת לאיסוף דגימות גנטיות מתחת למים

"הצורך שלנו למצוא פתרון לצוואר הבקבוק הזה נבע מתוך מגפת קיפודי הים. יש היום שתי דרכים לאתר קיפודים חולים: לראות בעיניים שהם חולים, ואז זה כבר מאוחר מדי – הקיפודים האלה גוססים. לחלופין, אפשר לזהות את המחלה לפני הופעת הסימפטומים, בעזרת כלים גנטיים, אבל אם לשם כך צריך להוציא אותם מהים – אין זה משנה אם הם חולים או שיתברר שלא, אם בכל מקרה הקרבנו אותם".

כדי לפתור את האתגר הגדול של האקולוגיה הימית, צוות המחקר פיתח ערכה מיוחדת לאיסוף דגימות גנטיות מתחת למים. הערכה אמידה, אמינה, זולה ופשוטה לתפעול – והיא כבר נכנסה לשימוש בקרב קבוצות מחקר שונות ברחבי העולם – בעיקר באזורים מרוחקים או רגישים במיוחד. 

^{ד"ר עמרי ברונשטיין והדוקטורנטית ליסה שמידט מדגימים כיצד הם לוקחים דגימה גנטית מקיפוד ים מתחת למים}

"פיתחנו כלי חדש לדגימת דנ"א מתחת למים, המזכיר בדיקת קורונה. בקצה מבחנה ייעודית המלאה בנוזל השימור ישנה ממברנה המונעת חדירת מים, ופקק עם קליפס, כמו בחלק ממשחות השיניים. ממש כמו בבדיקות קורונה, החוקר מעביר מטוש על פני בעל החיים הימי מבלי לגרום לו נזק או להזיז אותו ממקומו. אפילו אין צורך לדגום בריריות כמו בקרב בני האדם, מספיק להעביר עליהם בעדינות את המטוש. בהמשך, המטוש מוחדר למבחנה תוך כדי ניקוב הממברנה שמונעת חדירה של מים לנוזל השימור שבפנים, והפקק הלחיץ נסגר כדי לאבטח את הדגימה. זה כל הסיפור", מסביר ד"ר בורשטיין.

לדבריו, חוקר בודד יכול כך לאסוף מאות דגימות בצלילה אחת כמעט בכל תנאי סביבה ועומק המאפשרים צלילה. "הערכה כבר נבדקה בסביבות מאתגרות, כמו במשלחות שדה לג'יבוטי ולאי ריוניון, והתוצאות נראות מבטיחות ביותר: דוגמאות שעמדו אחר כך חודשים ללא קירור עד שהגיעו אלינו למעבדה נשמרו בצורה יוצאת מהכלל ואפשרו לבצע גם אנליזות גנטיות רגישות. בניסוי רחב היקף שביצענו עם השיטה החדשה כאן במפרץ אילת, הצלחנו תוך מספר חודשים לאסוף חומר גנטי ממאות קווצי עור במפרץ - קבוצה הכוללת את קיפודי הים, כוכבי הים וחבריהם - ולערוך את האנליזה הגנטית הנרחבת ביותר שאי פעם נעשתה על המינים הללו באזורנו, שהובילה לגילוי מספר מינים חדשים ולהגדרה מחודשת של מינים אחרים שלא ידענו על קיומם. מדובר בפתרון פשוט ואלגנטי לאחת הבעיות הטכניות המציקות ביותר בתחום האקולוגיה הימית", הוא מסכם.