אבולוציה ניסויית

**אבולוציה ניסויית** היא שימוש בניסויים במעבדה או בתנאי שדה מבוקרים כדי לחקור דינמיקה אבולוציונית, בין השאר לשם חקר אופני אבולוציה מהירים.

## ניסויים באבולוציה
קיימות שתי דרכים להראות הסתגלות אבולוציונית באופן ניסויי: האחת היא כאשר אורגניזם יחיד משיג מוטציה מועילה חדשה, והשנייה היא איתור שינויים בתדירות של האללים בתוך מגוון גנטי שכבר קיים באוכלוסייה נתונה של יצורים. כוחות אבולוציוניים נוספים חוץ ממוטציה וברירה טבעית, כמו סחף גנטי וזרימת גנים, יכולים גם הם למלא תפקיד או להשתלב במחקרים של אבולוציה ניסויית. האורגניזם או האוכלוסייה המשמשים לניסוי נקבעים על ידי הנסיין בהתאם להשערה שיש לבחון: הסתגלות באמצעות מוטציה או שינוי בתדירות האללים.

ניסויים באבולוציה באמצעות מוטציה מתבצעים בנגיפים או באורגניזמים חד-תאיים שתחלופת הדורות אצלם מהירה, כמו חיידקים ושיבוטי שמרים אל-מיניים, משום שדרושים דורות רבים כדי שתתרחש מוטציה מסתגלת. אוכלוסיות פולימורפיות של שמרים מיניים ואל-מיניים ושל איקריוטים רב-תאיים כמו דרוזופילה, יכולות להסתגל לסביבות חדשות באמצעות שינוי תדירות האללים בתוך מגוון גנטי קיים. אף על פי שהם יותר יקרים, נערכו גם ניסויים עם אורגניזמים שתחלופת הדורות אצלם איטית. מחקרי מעבדה בשועלים ובמכרסמים הראו כי הסתגלויות ראויות לציון יכולות להתרחש בתוך 10–20 דורות בלבד, וגם בניסויים עם דגי גופי נצפו הסתגלויות בתוך דורות ספורים.

לאחרונה נעשה שימוש בריצוף הגנום השלם כדי לנתח אורגניזמים או אוכלוסיות שהתפתחו בניסויים, שיטה המכונה Evolve and Resequence (E&R). שיטה זו יכולה לזהות מוטציות שמובילות להתאמה אצל פרטים משובטים או לזהות אללים שתדירותם השתנתה בתוך אוכלוסיות פולימורפיות, על ידי השוואה בין רצפי הפרטים או האוכלוסיות לפני ההסתגלות ואחריה. ההשוואה מאפשרת לאתר את האזור בתוך רצף ה-DNA שבו אירע השינוי שהביא להסתגלות. אופי ההסתגלות ומחקרי מעקב עשויים להוביל לתובנה לגבי השפעת המוטציה או האלל על פנוטיפ.

## היסטוריה
### ביות וטיפוח סלקטיבי
[שמאל|ממוזער| [צ'יוואווה ודני ענק הם דוגמאות למגוון הרחב של גזעי כלבים בגדלים שונים, שנוצרו באמצעות ברירה מלאכותית.]]
בני אדם ביצעו ניסויים באבולוציה מבלי לדעת שהם עושים זאת, מאז שהחלו לביית צמחים ובעלי חיים. גידול סלקטיבי של צמחים ובעלי חיים הוביל לזנים ששונים באופן דרמטי מאבותיהם המקוריים שחיים בטבע. דוגמאות לכך הן זני הכרוב, תירס, או המספר הגדול של גזעי כלבים שונים. יכולתו של הטיפוח הסלקטיבי בידי אדם ליצור זנים עם הבדלים קיצוניים ממין בודד כבר הוכרה על ידי צ'ארלס דרווין. למעשה, הוא התחיל את ספרו *[[מוצא המינים]]* בפרק על שונות בבעלי חיים ביתיים, בו הוא דן בפרט ביונים: 

### ניסויים מוקדמים
[ממוזער| ציור ה[אינקובטור (מיקרוביולוגיה)|אינקובטור ששימש את דלינגר בניסויי האבולוציה שלו.]]
אחד הראשונים שביצעו ניסוי מבוקר באבולוציה היה ויליאם דלינגר, שטיפח בסוף המאה ה-19 אורגניזמים חד-תאיים קטנים במשך שבע שנים (1880–1886) באינקובטור שנבנה במיוחד לצורך הניסוי. דלינגר העלה אט אט את הטמפרטורה של האינקובטור מ-15 עד 70 מעלות צלזיוס. התרביות המוקדמות הראו סימני מצוקה ברורים כבר בטמפרטורה של 23°C, ובוודאי שלא היו מסוגלות לשרוד ב־70°C. לעומתם, האורגניזמים שהתפתחו באינקובטור לקראת סוף הניסוי חיו בלי בעיה ב-70°C, אך לא הצליחו לשרוד יותר ב-15°C. דלינגר הגיע למסקנה כי מצא ראיה להסתגלות דרוויניסטית, וכי האורגניזמים הסתגלו לחיים בסביבה בטמפרטורה גבוהה. האינקובטור של דלינגר נהרס בטעות בשנת 1886, ודלינגר לא יכול היה להמשיך את כיוון המחקר הזה.

משנות השמונים של המאה ה-19 עד 1980, התנהלו מדי פעם ניסויים באבולוציה, על ידי מגוון ביולוגים אבולוציוניים, כולל תאודוסיוס דובז'נסקי שהשפיע רבות על התחום. בדומה למחקרים אחרים שנערכו בתקופה זו בביולוגיה אבולוציונית, חלק ניכר מניסויים אלה לא שוחזרו באופן נרחב ונמשכו רק תקופות קצרות יחסית לזמן אבולוציוני.

## ניסויים מודרניים
אבולוציה ניסויית בפורמטים שונים משמשת להבנת תהליכים אבולוציוניים בסיסיים במערכת מבוקרת. אבולוציה ניסויית בוצעה על אורגניזמים רב-תאיים ועל איקריוטים חד-תאיים, פרוקריוטים, ונגיפים. ניסויים דומים בוצעו גם באמצעות אבולוציה מכוונת של אנזימים, ריבו'''זִי'''מים וגנים משכפלים.

### כנימות
בשנות החמישים ערך הביולוג הסובייטי ג'ורג'י שפושניקוב ניסויים על כנימות מסוג . הוא העביר את הכנימות לצמחים שלא מתאימים להן, ובכך הכריח אוכלוסיות של צאצאים פרתנוגנטיים להסתגל למקור המזון החדש, עד כדי בידוד רבייתי מהאוכלוסיות הרגילות של אותו המין.

### זבובי פירות
אחד הראשונים בגל החדש של ניסויים שהשתמשו באסטרטגיה זו היה המעבדה "קרינה אבולוציונית" של אוכלוסיות של תסיסנית המחקר, שהחל מייקל רוז בפברואר 1980. המחקר התחיל עם עשר אוכלוסיות, חמש מתוכן תורבתו בגילים מאוחרים יחסית וחמש תורבתו בגילים צעירים. מאז נוצרו יותר מ-200 אוכלוסיות שונות, כאשר הברירה מוכוונת למספר מאפיינים. חלק מהאוכלוסיות המובחנות שנוצרו נבררו גם "לאחור" או "הפוך", על ידי החזרתן למשטר התרבות של אבותיהן. מאות אנשים עבדו עם אוכלוסיות אלה במשך כמעט שלושה עשורים. חלק גדול מהמסמכים שנכתבו במהלך ניסוי זה נאספו בספר *זבובי מתושלח*.

הניסויים המוקדמים בזבובים היו מוגבלים לחקר פנוטיפים, אך לא ניתן היה לזהות את המנגנונים המולקולריים, כלומר את השינויים ב-DNA שגרמו לשינויים בפנוטיפים. מצב זה השתנה עם הופעת טכנולוגיית הגנומיקה. בהמשך, תומאס טרנר טבע את המונח Evolve and Resequence (E&R), גישה שמספר מחקרים השתמשו בה בהצלחה מעורבת. אחד ממחקרי האבולוציה הניסויים המעניינים יותר נערך על ידי הקבוצה של גבריאל חדד באוניברסיטת סן דייגו. חדד ועמיתיו סיגלו זבובים לסביבות עם רמות חמצן נמוכות, מצב הידוע גם בשם היפוקסיה. לאחר 200 דורות, הם השתמשו בגישת E&R כדי לזהות אזורים גנומיים שנבחרו על ידי הברירה הטבעית בזבובים המותאמים להיפוקסיה. ניסויים עדכניים יותר עוקבים אחר תחזיות המחקר והפיתוח עם ריצוף RNA והצלבות גנטיות. מחקרים אלה, המשלבים E&R עם אימות בניסוי, אמורים לתת כלים רבי עוצמה לזיהוי הגנים שמווסתים את ההסתגלות בזבובים.

### חיידקים
לחיידקים יש דורות קצרים, גנומים בעלי רצף קל וביולוגיה מובנת היטב, לכן הם נפוצים במחקרים ניסויים של אבולוציה.

#### ניסוי אי-קולי של לנסקי

אחת הדוגמאות הידועות ביותר להתפתחות חיידקים במעבדה היא ניסוי אי-קולי לטווח הארוך של ריצ'רד לנסקי. ב־24 בפברואר 1988, החל לנסקי לגדל שתים-עשרה שושלות של *[[Escherichia coli]]* בתנאי גידול זהים. החיידקים הושמו בתריסר בקבוקים נפרדים, שבהם גלוקוזה וחומצת לימון.  בכל יום מתרבים החיידקים בתוך הבקבוק עד להתייצבות האוכלוסייה, עקב הפחתת כמות המזון הזמין בבקבוק. בכל יום נלקח חלק קטן ומקרי מהחיידקים מכל אחד מהבקבוקים ומועבר לבקבוק חדש עם מנת מזון חדשה ומתרבה בבקבוק החדש. כך התפתחו 12 "שבטים" שונים של חיידקים, במשך עשרות אלפי דורות. ניסוי ארוך טווח זה מאפשר לקיים "איים" של אוכלוסיות בעלות הפרדה ולצפות בתופעות אבולוציוניות שונות. 

באחד הבקבוקים, לאחר 33 אלף דורות, התפתחו חיידקים שרמת האוכלוסייה שלהם גדלה פי 6 לעומת האוכלוסיות הקודמות, ודבר זה נשמר בדורות הבאים. בהמשך התברר כי בתוך בקבוק זה מוטציה שפיתחה את היכולת לפרק ולעכל את חומצת לימון  ולא רק את הגלוקוזה   דבר זה נתן למוטציה ולצאצאיה יתרון אבולוציוני אדיר, והמוטציה הזו התפשטה והתקבעה במרחב הגנומי של שבט חיידקים זה . התפתחות זו סיפקה דוגמה דרמטית לאבולוציה בפעולה. דבר זה מדגים כיצד אף על פי שרוב המוטציות מזיקות לאורגניזם וגורמות להיעלמותו (יחד עם המוטציה), מוטציות נדירות יכולות להוות לפעמים יתרון משמעותי לאורגניזם, כך שהן משפרות את השרידה והשכיחות שלהן באוכלוסייה גדלה. הניסוי נמשך עד היום, וכעת הוא נחשב לניסוי האבולוציה המבוקר הארוך ביותר (מבחינת דורות) שנערך אי פעם. מאז תחילת הניסוי התחלפו יותר מ-60,000 דורות של חיידקים, ולנסקי ועמיתיו עדיין מפרסמים עדכונים שוטפים על מצב הניסויים.

### עכברי מעבדה
ימין|ממוזער| עכבר מניסוי הברירה הטבעית של גרלנד, עם גלגל ריצה מחובר למונה סיבובים
בשנת 1998 פתחו תיאודור גרלנד ג'וניור ועמיתיו בניסוי ארוך טווח הכולל גידול סלקטיבי של עכברים לרמות גבוהות של פעילות מרצון על גלגלי ריצה. ניסוי זה ממשיך גם עד היום, אחרי יותר מ-65 דורות. עכברים מארבע הקבוצות של "High Runner" (או בקיצור HR) התפתחו לרוץ כמעט פי שלושה סיבובי גלגל ליום לעומת עכברים מארבע קבוצות הבקרה, בעיקר על ידי ריצה מהירה יותר ולא על ידי ריצה במשך יותר דקות ביום.
[שמאל|ממוזער| עכברה עם ה[שגר שלה, מהניסוי של גרלנד.]]
עכברי HR מראים יכולת אירובית מקסימלית גבוהה כאשר הם נבדקים על הליכון ממונע. הם גם מראים שינויים במוטיבציה ובמערכת התגמול של המוח. מחקרים פרמקולוגיים מצביעים על שינויים בתפקוד הדופמין ובמערכת האנדוקנבינואידית. קווי ה-High Runner הוצעו כמודל לחקר הפרעת קשב וריכוז בקרב בני אדם (ADHD), ומתן ריטלין מצמצם את גלגל הריצה שלהם לרמות של עכברי בקרה.

### לטאות
ניסוי הלטאות באי פוד מרצ'ארו הוא ניסוי ביחס לספציאציה אלופטרית של לטאות בין שני איים קטנים מול חופי קרואטיה. ב-1971 נסיינים העבירו 5 זוגות לטאות מהמין לטאת החומה האיטלקית, מהאי הקרואטי הזעיר פוד קופישטה (Pod Kopište) לאי אחר, פוד מרצ'ארו  שלא היו בו לטאות ממין זה. בשנת 2008 ביקרו באי זה מדענים בלגים כדי לראות מה היו ההשלכות. החוקרים מצאו כי הצאצאים של הלטאות שעברו לאי השתנו במידה משמעותית, בפרק זמן קצר של כ-37 שנים, הראשים שלהם הפכו גדולים וארוכים יותר. דבר זה מעניק יכולת נשיכה חזקה יותר. שינוי כזה בראש של בעלי חיים בדרך כלל מגיע עם מעבר לתזונה צמחונית יותר הדורשת יכולת לעיסה של חומר צמחי נוקשה יותר עקב התאית שיש בתאי הצמח. ואכן נמצא כי בעוד האוכלוסייה המקורית התקיימה בעיקר על טריפת פרוקי רגליים, האוכלוסייה שעברה לפוד מרצארנו ביססה חלק גדול מהתפריט שלה על מזון צמחי. נמצאו גם שינויים נוספים בגוף הלטאות שכולם מתאימים להתאמת גוף הלטאות לתפריט צמחוני יותר, שנבע עקב מעבר לאי שבו תנאי הסביבה שונים במקצת מהאי המקורי.

### ניסוי דגי הגופי של ג'ון אנדלר
בשנות ה-70 הבחין הביולוג ג'ון אנדלר  בכך שדגי גופי בנחלי ונצואלה וטרינידד הם חד-גוניים וגופי במעלה הנחלים הם צבעוניים יותר. אנדלר שיער שדגי גופי שבמעלה הנחל מוגנים מדגי הפייק ציקליד  שאינם מסוגלים לשחות למעלה הנחל, ולכן בקרבם, התפתח בתהליך של ברירה טבעית, התרחקות מצבעי הסוואה או דגמי הסוואה. במקום זאת דומיננטי בקרבם מוטיב של צבעי חיזור, שהתפתחו בתהליך של ברירה זוויגית. לפי התאוריה הלחץ מצד נקבות למצוא בן זוג צבעוני יותר (אפקט ההכבדה), גבר במקומות אלה על הלחץ הרגיל של טריפה שקיים ברוב המקומות האחרים.

אנדלר הכניס דגי גופי לבריכות שבחלקן היו חלוקי נחל ובחלקן היו אבני חצץ. בשלב ראשון, לא היו בבריכות טורפים כלל, ואחרי כמה חודשים התגלה כי בכל הבריכות יש זכרים רבים שהם בעלי כתמים צבועניים רבים, ובגדלים שונים. בשלב הבא הכניס אנדלר בחלק מהבריכות דגי פייק ציקליד, בחלקן הכניס טורפים פחות מסוכנים (שכן אין כמעט מקום בטבע שבו אין טורפים) ואת חלקן השאיר ללא טורפים כלל. התחזית של הניסוי הייתה שבבריכות עם טורפים רבים, תהיה ברירה טבעית לטובת דגים בעלי דגמי הסוואה טובים ואילו בבריכות ללא טורפים, הגורם העיקרי שישלוט יהיה ברירה זוויגית ולכן יהיו בה דגים עם הרבה צבעים.

בתוך כשנה וחודשיים, שהם עשרה דורות של דגי גופי, הסתגלה אוכלוסיית הגופי לסביבות השונות. בבריכות המסוכנות התרבו רק הדגים החדגוניים. דגים בבריכות עם חלוקי נחל היו מוסווים טוב יותר, כי חלוקי הנחל תאמו את צורתם וצבעיהם. כך קרה שבבריכות אלה, הבטוחות יותר, התרבו דגי גופי צבעוניים רבים יותר. כמו כן התגלו דפוסים שונים בין בריכות בעלות חלוקים קטנים לגדולים בבריכות עם טורפים לא מסוכנים או ללא טורפים. הלחץ האבולוציוני לכיוון של ברירה זוויגית פעל להבלטה חזקה יותר של צבעים כך שהסוואה הפכה לדבר נדיר יותר.

לניסוי זה נעשו ניסוי המשך על ידי אנדלר ואחרים. ניסוי המשך אחד היה בדיקת הדבר באתרי נחל טבעיים במקום בבריכות ונמצאו תוצאות דומות. חוקרים אחרים ניסו לשחזר את הניסוי של אנדלר וגילו תוצאות נוספות – התברר כי לא רק שהדגים שלחץ של רבייה זוויגית גרם להעדפת דגים צבעוניים יותר, אלא שתכונה זו הנראית לעין, הייתה כעין החלק הגלוי של הקרחון למגוון גדול של תכונות אחרות שהועדפו אצל זכרים. זכרים בתנאים אלה הגיעו לבגרות מינית בגיל מבוגר יותר, הם היו גדולים יותר, הצאצאים שנולדו היו בעלי גודל ממוצע גדול יותר והם היו מעטים יותר (כלומר השקעה גדולה יותר בכל צאצא).

### דוגמאות נוספות
לדגים עוקצניים יש מינים ימיים וגם מינים של מים מתוקים. מיני המים המתוקים מתפתחים מאז עידן הקרח האחרון, ויכולים לשרוד טמפרטורות קרות יותר. מדענים בדקו אם הם יכולים לשחזר את האבולוציה הזו של עמידות לקור על ידי שמירה של עוקצניים ימיים במים מתוקים קרים. נדרשו לדגים רק שלושה דורות כדי לפתח את השיפור של 2.5 מעלות צלזיוס בעמידות לקור, שנמצא בטבע אצל עוקצניים של מים מתוקים. תאים מיקרוביאליים ולאחרונה תאי יונקים מפותחים בתנאים של גישה מוגבלת לחומרים מזינים כדי לחקור את התגובה המטבולית שלהם ולהנדס תאים עם מאפיינים טובים יותר.

מחקר מצא ששינויי האקלים השפיעו על מאגר הגנים של אוכלוסיית האיילים האדומים ברום (Rùm), אחד מאיי ההברידים הפנימיים שבסקוטלנד. טמפרטורות חמות יותר הביאו לכך שאיילים נולדו בממוצע שלושה ימים מוקדם לכן בכל עשור של המחקר, שנמשך 45 שנים. הגן שגורם ללידה מוקדמת נהיה נפוץ יותר באוכלוסייה מכיוון שלבעלי הגן יש יותר עגלים במהלך חייהם. ד"ר טימותי בונט (Timothée Bonnet), מהאוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה, מוביל המחקר, אמר שהם "תיעדו את האבולוציה בפעולה".

האבולוציה של העש המפולפל היא מופע אבולוציוני של שינוי צבע באוכלוסיית העש כתוצאה מזיהום אוויר במהלך המהפכה התעשייתית. התדירות של עשים כהים עלתה באותה תקופה, דוגמה למלניזם תעשייתי. מאוחר יותר, כאשר הזיהום הופחת בתגובה לחקיקה שהביאה לאוויר נקי, השכיחות של הצורה הבהירה שוב עלתה. מלניזם תעשייתי בעש המפולפל היה מבחן מוקדם של תהליך הברירה הטבעית של צ'ארלס דרווין בפעולה, והוא נותר דוגמה קלאסית בהוראת האבולוציה. ב-1978, סיואל רייט תיאר זאת כ"מקרה המובהק ביותר שבו נצפה תהליך אבולוציוני בולט".

## לצורכי לימוד
בגלל תחלופת הדורות המהירה שלהם, חיידקים מהווים הזדמנות ללמוד מיקרו אבולוציה (אבולוציה ברמת המין הבודד, כלומר בשינוי שכיחות של אללים בתכונה במין בודד) בכיתה. מספר תרגילים הכוללים חיידקים ושמרים מלמדים מושגים החל מהתפתחות של עמידות להתפתחות של רב-תאיוּת. עם כניסת טכנולוגיית הריצוף של הדור הבא, תלמידים יוכלו לערוך ניסוי אבולוציוני, לרצף את הגנומים שהתפתחו ואז לנתח ולפרש את התוצאות.

## ראו גם
* ברירה מלאכותית
* ביות
* ביולוגיה אבולוציונית
* גנטיקה
* גנטיקה של תכונות מורכבות
* גמדות איים
* ביות השועלים בסיביר
* לטאת החומה האיטלקית
* אייל אדום סקוטי

## קישורים חיצוניים

* אבולוציה בזמן אמת: מחקר ברירה טבעית של מכרסמים שמראה כיצד גן מתפשט באוכלוסייה של יונקים מאת ד"ר נעם לויתן, אתר מכון דוידסון, 6 בפברואר 2019
* עכבר רץ על גלגל (סרטון)

## הערות שוליים

קטגוריה:ביולוגיה אבולוציונית
קטגוריה:ביולוגיה: ניסויים