מה הופך מערכות אקולוגיות ליציבות, ואיך זה קשור לנפילת ממשלות?

בשנות ה-70 של המאה ה-20 הגדיר פרופ' רוברט מאי חוק מתמטי המנבא את מידת היציבות של מערכות אקולוגיות שונות - מהחיים בסוואנה באפריקה ועד קואליציות פוליטיות • אלא שהחוק, שנחשב מאז מחוקי היסוד בתחום, מעולם לא הוכח בשטח. עכשיו קבוצה של חוקרים מאוניברסיטת בר-אילן הצליחה להוכיח אותו בעזרת אוכלוסיות החיידקים בגוף האדם וספוגי ים

ריף אלמוגים / צילום: Shutterstock
ריף אלמוגים / צילום: Shutterstock

נניח שמחר בבוקר מגיע לראשונה זה זמן רב עובד חדש למקום העבודה שלכם. איך ישתנו מערכות היחסים במשרד עם הגעתו? ומה תהיה השפעתו של העובד החדש על משרד של חמישה אנשים, לעומת 15 איש או 50? ומה לגבי משרד שבו כולם עובדים כל היום יחד, לעומת כזה שבו כל אחד עושה את עבודתו באופן עצמאי?

מחקר חדש שהובילו חוקרים מאוניברסיטת בר אילן מנסה לתת מענה על השאלות הללו. המחקר שלהם אמנם נערך באוכלוסיות חיידקים ולא בעובדי משרד, אבל את העיקרון שלו ניתן להחיל על משרדים, מדינות וגם ממשלות, כלומר, על כל מערכת אקולוגית. החוקרים הם ד"ר אמיר בשן מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת בר אילן, הדוקטורנטים יונתן יוגב וגיא עמית. המחקר בוצע בשיתוף פעולה עם ד"ר יונתן פרידמן מהפקולטה לחקלאות באוניברסיטה העברית.

גיא עמית, דוקטורנט / צילום: אוניברסיטת בר־אילן
 גיא עמית, דוקטורנט / צילום: אוניברסיטת בר־אילן

שאלת הקשרים בין המינים

"השאלה הגדולה היא יציבותן של מערכות אקולוגיות", אומר בשן. "מהי מערכת אקולוגית? כזו שיש בה מינים רבים שחיים יחד. יער טרופי הוא מערכת אקולוגית, עם מינים רבים של חי וצומח. גם שונית אלמוגים, גם סוואנה, אבל גם חיידקי המעי שלנו".

בשנות ה-60 וה-70 של המאה ה-20, עלתה לראשונה השאלה אם מערכות אקולוגיות הן יציבות יותר כאשר יש בהן מינים רבים או כאשר יש בהן מינים מעטים. יציבות, בהקשר הזה, משמעותה שהיחס המספרי בין המינים נותר זהה לאורך השנים. לדוגמה, אם במערכת היו בתחילת המחקר 70% זברות ו-30% צ'יטות, מה הסיכוי שגם לאחר שנים רבות יישמר היחס הזה? מערכת יציבה היא לא בהכרח מוצלחת יותר או פחות ממערכת לא יציבה. זהו פשוט עוד מאפיין שלה.

"חשוב לזכור שמתחת לפני השטח, שום מערכת היא לא יציבה", אומר בשן. "אם נדמיין אותה מערכת פיקטיבית שדיברנו עליה, שיש בה רק צ'יטות וזברות. זה לא שהגענו בתחילת המחקר ובסופו וראינו אותן צ'יטות ואותן זברות גרות כאן יחד בכיף. כל שנה הצ'יטות מולידות הרבה גורים ולא כולם שורדים. גם הזברות מולידות גורים וחלק מהם נאכלים על ידי הצ'יטות. גם אם המספרים נשארים דומים, זה לא אומר שהשטח היה רגוע אלא שאותם כוחות שאיזנו בין המספרים בעבר המשיכו לפעול באותה צורה, ולכן כל המאמצים והמאבקים הובילו לאותה תוצאה".

האינטואציה בדרך כלל תוביל אותנו לחשוב שמינים רבים יוצרים מערכת יציבה יותר, מעין תחושה של "ביזור סיכונים". אם מין אחד ייפול, אחרים ישמרו על החיים כפי שהכרנו אותם. בתוך מערכת של 1,000 מינים, מה כבר יקרה אם נאבד מין אחד? החיים בטח ימשיכו כהרגלם עבור רוב המינים האחרים.

אך בתחילת שנות ה-70, הציג פרופ' רוברט מאי מודל מתמטי של מערכות אקולוגיות כאלה. "והוא הראה שזה בדיוק להיפך", אומר עמית. "דווקא מערכות עם מינים רבים לא שומרות על יציבות". המודלים שלו התפרסמו במאמר בכתב העת Nature, שהיום נחשב קלאסיקה. מאי, שנולד באוסטרליה והיגר בהמשך לבריטניה, מת ב-2020, בגיל 84.

למעשה, הטיעון של מאי היה קצת יותר מורכב מזה. הוא אמר שהיציבות של מערכות גדולות וקטנות תלויה בחוזק הקשרים בין המינים, כלומר עד כמה הם משפיעים זה על זה. אינטואיטיבית, דמיינו מערכת עם המון מינים וקשרים חלשים ביניהם, כלומר שרובם משפיעים די מעט על סיכויי ההישרדות של האחרים. במקרה כזה, אם נוציא מין אחד, כל השאר יוכלו להסתדר, ובאמת נקבל מין ביזור סיכונים ונשמור על פחות או יותר אותם יחסים מספריים בין המינים שנותרו.

אבל יש מערכות שבהן הקשרים בין המינים חזקים, כלומר הם תלויים מאוד אלה באלה, לטוב או לרע. ובמערכות עם קשרים חזקים, ככל שישנם יותר מינים, כך דווקא קשה לשמור על יציבות. יש יותר סיכון שמשהו יקרה לאחד המינים, ואז דרך הקשרים החזקים, כל המינים האחרים ייכנסו גם הם לסחרור.

לדוגמה, אם מין אחד של זבוב מתחיל להתרבות בצורה מוצלחת יותר, וישנו במערכת מין צפרדע שאוכל רק את הזבוב הזה, אז עכשיו גם הוא יתרבה מאוד, ואם יש חיה שאוכלת את הצפרדע, גם היא תתרבה מאוד. לכל מין כזה יש מינים שמושפעים ממנו, וכך הדינמיקה בין המינים באותה מערכת אקולוגית משתנה לחלוטין.

עמית: "לפי המודל הזה, אנחנו רואים שני סוגים של מערכות יציבות. מערכות עם מעט מינים עם קשרים חזקים ביניהם, או מערכות עם הרבה מינים אבל קשרים חלשים ביניהם. מערכות מרובות מינים עם קשרים חזקים נוטות לצאת מאיזון. ככל שיש יותר מינים, כל הפרעה קטנה מתחילה ליצור תגובות שרשרת מרובות יותר ובסופו של דבר חזקות יותר מהלחצים שפועלים להחזיר את המצב לקדמותו".

התצפיות בג'ונגל לא הספיקו 

תיאוריה יפה, והגיונית כשחושבים עליה לעומק, אבל מה עם ההוכחות? "לאורך השנים היה מאוד קשה להביא את ההוכחות לתיאוריה הזאת", אומר בשן. "כדי לעשות זאת, צריך קודם כול להגיד לגבי שתי מערכות שאנחנו רוצים להשוות ביניהן כמה מינים יש בהן, מהם הקשרים ביניהם והאם הקשרים הללו חזקים או חלשים".

כדי לעשות זאת, עד היום היה צריך לתצפת. לראות את הצ'יטה אוכלת את הזברה, ולהבין מה רמת ההשפעה של הנשנוש הזה על סיכויי ההישרדות של מין הזברה, והאם יש עוד גורמים שמשפיעים עליו - לדוגמה, כמות העשבים למאכל, גובה הדשא להסתתר בו, חיידקים שאנחנו אפילו לא רואים שיכולים להרוג או רק להחליש את הזברה כך שתהיה טרף קל יותר. ואם החיידקים הללו גדלים במעיים של צפרדעים, האם נדע לשרטט את הקשר בין מספר הצפרדעים למספר הזברות? וכיצד מושפע הקשר בין צפרדעים וזברות מנוכחותם או היעדרם של זבובים? ונניח שכבר ראינו קשרים, איך נכמת אותם? איך נאמר שהקשר בין זברות לצ'יטות חזק מאשר בין זברות לצפרדעים ולזבובים ולדשא?

מערכת אקולוגית בסוואנה / צילום: Shutterstock
 מערכת אקולוגית בסוואנה / צילום: Shutterstock

בשן ועמית בטוחים שהניסיונות הכושלים לשרטט את מערכות הקשרים האלה במערכות אקולוגיות מרובות מינים - כן, גם בעידן הביג דאטה - הם שלא אפשרו לאורך השנים להוכיח את התיאוריה של מאי. "ואם כבר בדקו", אומר עמית, "זה היה במערכות אקולוגיות קטנות".

זה לא אומר שלא ניסו. חוקרים בהחלט ישבו בג'ונגל וניסו למפות מי אוכל את מי, וגם ציירו מערכות קשרים מפורטות שנקראות "מפות מזון". ולאלה היו כל מיני שימושים, אבל הן לא היו מפורטות ומדויקות מספיק כדי להוכיח את חוק מאי.

עמית: "וכל פעם שיצא מאמר שטען שהוא הוכיח את חוק מאי, יצא מאמר נגדי שאמר שזה בכלל לא ככה. אולי זה יקרה גם למאמר שלנו, אבל אנחנו מאמינים שהוא יותר חזק".

מערכת החיידקים בגוף כמקרה מבחן

בשן וצוותו החליטו ללכת בכיוון אחר ולעקוף את כל נושא מפות המזון. "כמו למדוד את הטמפרטורה של המים במדחום ולא על ידי מיפוי כל המולקולות שמתנגשות זו בזו", אומר עמית. 

המערכות שהם החליטו לחקור היו חיידקים בגוף האדם. "אלה המערכות האקולוגיות הכי גדולות, עם הכי הרבה מינים, הכי פעילות, וגם הכי נגישות. הן כוללות בין עשרות למאות מינים", אומר בשן. אם יש 100 מינים במערכת, אז יש אלפי קשרים בה, ואת הקשרים האלה אי אפשר לראות בעין. "אבל היתרון הוא הזמינות של המידע. גורמים שונים מיפו את המיקרוביום האנושי לעומק, הפרוטוקולים מאוד מסודרים". כלומר, החוקרים לא היו צריכים לאסוף את המידע בעצמם.

"אז יש לנו מידע שאומר לנו אילו חיידקים יש בכל מערכת, אבל השאלה היא כמה המערכת הזאת 'חמה', כלומר עד כמה המינים בה משפיעים זה על זה". כדי לעשות זאת לקחו החוקרים, לדוגמה, דגימת חיידקים מהמעי של שני אנשים. "אנחנו אומרים, עבור כל שתי אוכלוסיות מעי שאני משווה זו לזו, נניח האוכלוסייה במעי שלי והאוכלוסייה במעי שלך, אני שואל - האם כשהמינים הלא-דומיננטיים משתנים, גם הכמויות של המינים הדומיננטיים משתנות? אם כן, אז למערכת כנראה יש קשרים חזקים. אם שינוי במינים הלא-דומיננטיים לא משנה את מספר המינים הדומיננטיים, אז כנראה יש במערכת קשרים חלשים יחסית".

החוקרים השוו הרבה אוכלוסיות מעיים אלה לאלה כדי להפיק מספר המתאר את "חוזק הקשרים בקהילת החיידקים במעיים אנושיים". אחר כך הם הפיקו מספר נוסף המתאר את "חוזק הקשרים באוזניים", וכך הלאה. באנלוגיה, אם באוכלוסייה של צ'יטות וזברות הוספנו קרפד או קיפוד או תוכי, ועדיין המאזן בין הצ'יטות לזברות לא השתנה, כנראה הקשרים במערכת הזאת חלשים. אם כל אחד מהמינים המוספים הללו הביא את האיזון בין הצ'יטות לזברות למקום אחר לגמרי, כנראה שהתלות ההדדית בין מינים במערכת הזאת היא חזקה.

זהירות ממניפולציות במקרוביום

נחזור לחוק מאי. האם ככל שבמערכת יש יותר מינים והקשרים ביניהם חזקים, כך היא פחות יציבה? "התוצאות שלנו הראו שיכולים להיות הרבה מינים וקישוריות חלשה, או מעט מינים וקישוריות חזקה, אבל מערכת עם קישוריות חזקה מוגבלת במספר המינים לפני שהיא מתחילה להתפרק", אומר בשן.

ד''ר אמיר בשן / צילום: אוניברסיטת בר־אילן
 ד''ר אמיר בשן / צילום: אוניברסיטת בר־אילן

אחרי שהממצאים הללו אומתו בבני אדם, אימתו אותם החוקרים שוב בספוגי ים. "גם אצלם נאסף הרבה מידע בצורה מתודית ממערכות שונות", מסביר בשן.

אם כך אילו מערכות בגוף הן יציבות ואלו אינן יציבות, ומה זה אומר?
בשן: "המערכות עם מספר המינים הכי קטן הן אוכלוסיית חיידקי העור בכפות הידיים. אלה כנראה מערכות מאוד חשופות להפרעות. אם היו בהן מינים רבים, היה להן קשה מאוד להגיע לשיווי משקל. באזור המעי היו בין חלק מהחיידקים קשרים ברורים שאפשר לזהות, אבל ביחס לגודל האוכלוסייה הם חלשים. אולי זה קשור לזמינות של משאבים - אם יש מספיק אוכל אז התחרות פחות משמעותית, וגורמים אחרים, מלבד מי נמצא במעי יחד איתך, הם שמגבילים את גודלה של כל קבוצה".

זה אומר משהו על הבריאות?
עמית: "אחת התקוות של תחום המיקרוביום היא להרוג חיידק ספציפי או להוסיף חיידק ספציפי. ככל שהמערכת יותר רגישה, כך צריך יותר להיזהר מזה כי יכולה להיווצר תגובה שאנחנו לא מצפים לה".

בשן: "אנחנו יכולים לראות באמצעות מדד 'טמפרטורת' המערכת שלנו אם יש לנו מערכת שכבר מתקרבת לחוסר יציבות (כי יש בה קשרים חזקים יחסית ומספר מינים גדול יחסית), ובה צריך להיזהר יותר כשעושים את המניפולציות".

אז לאן אנחנו לוקחים את המחקר מכאן?
בשן: "כל השנים המחקר היה 'בוטום אפ', כלומר ניסו למפות את כל הקשרים במערכת מהיסוד, ואילו אנחנו הגענו 'טופ דאון', כלומר דיברנו על הממוצע של רמת הקישוריות, ולא דיברנו על מינים ספציפיים בכלל. המטרה בהמשך היא כן להיפגש באמצע, למשל לזהות בתוך הרשת את המינים היותר משפיעים ומושפעים, גם אם לא נדע בדיוק איך ועל מי הם משפיעים".

כיוון נוסף למחקר הוא הבחנה בין קבוצות של אנשים בריאים וקבוצות של חולים במחלות מסוימות בהתאם ליציבות מערכת המיקרוביום שלהם. "אם אנחנו רואים, למשל, שהקשרים נעלמים והמינים נשארים יציבים, לא משנה מה אנחנו עושים, לפעמים דווקא זו בעיה שצריך לטפל בה על ידי אילוץ המגוון", אומר בשן.

ריבוי מינים עם קשרים חזקים מדי: הקואליציה כמשל

אותו עיקרון שמתאר מערכות אקולוגיות בטבע אמור להיות יעיל גם לתיאור של כל מערכת שיש בה גורמים שמצד אחד יש קשרים ביניהם ומצד שני הם מתמודדים על משאבים. למשל, ממשלות.

בשן ועמית מצטטים טור שפרסם הפרשן הפוליטי עמית סגל, רגע אחרי התפרקות ממשלת בנט-לפיד: "אין אפשרות ממשית להחזיק לאורך זמן ממשלות של יהודים וערבים, מתנחלים ושמאלנים" (ובפרשנות שלהם - ממשלה של גורמים רבים שרגישים מאוד אלה לאלה). תמשוך את השמיכה לכיוון הראש - יתגלו הרגליים, תטה את הספינה שמאלה - ייכנסו מים ומימן".

עמית: "אם יש לנו רק שתי מפלגות בקואליציה, הן יכולות להגיע איכשהו להסכמות ביניהן. אם יש הרבה מפלגות, מתחילים לראות את הבעיה. הסכמנו למפלגה אחת במשהו, זה סדין אדום עבור מפלגה אחרת. פיצינו את המפלגה השנייה, והמפלגה השלישית חשה שזה על חשבונה".

ההצבעה על פיזור הכנסת / צילום: Reuters
 ההצבעה על פיזור הכנסת / צילום: Reuters

הקשרים החזקים במקרה הזה הם קשרים שליליים - כל מפלגה ממש מעצבנת את השנייה. אם אפשר היה להנמיך את גובה הלהבות, אולי היינו מקבלים מערכת עם מה שעמית ובשן מכנים "קשרים חלשים", ואז הממשלה כן הייתה יכולה לשרוד, למרות ריבוי ומגוון השחקנים.

אפשר לראות דברים דומים גם ברמת המדינה. למשל, בתקופת הקורונה, כל הקלה בהגבלות שניתנה למגזר מסוים הובילה לעלייה במספרי הנדבקים ולמעשה האריכה את המגבלות על המגזרים האחרים, דבר שהוביל להסערת הרוחות והיחסים בין המגזרים היו אפילו יותר נפיצים מבדרך כלל. על פי התיאוריה הנוכחית, התוצאה צריכה להיות התכנסות המגזרים פנימה וקיטוב ביניהם - כך הם הופכים ליותר הומוגניים, כלומר, יש פחות מינים, ומנגד החלשת הקשרים, כלומר ניתוק בין המגזרים וניסיון למנוע השפעה הדדית.

צרו איתנו קשר *5988