סיקור מקיף

בראשית היה סבון

מה הייתה הישות הכימית הראשונה שעמדה בתנאי הבסיס לחיים?

ראשית החיים. אילוסטרציה - shutterstock
ראשית החיים. אילוסטרציה – shutterstock

שאלת ראשית החיים היא אחת הבעיות הבלתי-פתורות החשובות ביותר של המדע, ואין בעניינה קונצנזוס. הדעה המובילה בקהילה המדעית היא שראשית החיים הינה במולקולות החומר הגנטי אר-אן-אי, הידועות ביכולתן להשתכפל, אבל כבר 25 שנה שפרופ' דורון לנצט, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, שוחה במרק הקדום נגד הזרם. מקור החיים אינו במולקולה בודדה כגון אר-אן-אי, הוא אומר, אלא במקבצים של תרכובות כימיות שונות שנוצרו והשתכפלו בשלמותם. כבר בראשית הדרך פיתח פרופ' לנצט מודל של כימיה חישובית המראה בבירור את היתכנות הגישה החלופית, אך מודל זה נותר בעיקרו בגדר תיאוריה. כעת, בשני מאמרים חדשים הוא ותלמידי המחקר עמית כהנא וסבטלנה מסלוב מחמשים עצמם לראשונה בראיות ניסוייות, ומקווים שאלה יסייעו לשנות את התשובה לשאלה: מהיכן באנו?

חיים, על-פי סוכנות החלל האמריקאית נאס"א, הם מערכת כימית שמסוגלת לשכפל את עצמה ולעבור אבולוציה. לפיכך, התשובה לשאלת ראשית החיים טמונה בחיפוש אחר ישות כימית כלשהי המקיימת תנאים אלה. אחת הבעיות העקרוניות עם זיהוי האר-אן-אי כישות המשתכפלת הראשונה היא שלשם כך נדרש כי במרק הקדום – הסביבה הראשונית והכאוטית שבה החלו החיים – תסתדר, באורח פלא, מולקולת האר-אן-אי הראשונה. בעיני פרופ' לנצט ומתנגדים אחרים, ההשערה הזאת אינה סבירה כלל: "מולקולת אר-אן-אי בעלת יכולת שכפול מורכבת מעשרות ואף מאות יחידות מולקולריות מסוגים מאוד ספציפיים. אלה צריכות 'להזדקק' מתוך מרק המכיל מיליוני סוגים של מולקולות, ואף להסתדר בסדר לינארי מופתי כדי שיתרחש שכפול. טעות קטנה במעשה המרכבה הזה – והשכפול קורס". תומכי האר-אן-אי עצמם מודים בחסרונותיו המובהקים של המודל, אך טוענים שאיש לא הציע חלופה ראויה.

מה קדם ל-RNA?

ואכן, אם לא אר-אן-אי – מי היה ה"שכפלן" הראשון? המתנגדים לפרדיגמת האר-אן-אי גורסים כבר שנים רבות שהתשובה לשאלה אינה יכולה להימצא ברמת המולקולה הבודדת. "התא החי", אומר פרופ' לנצט, "לא משתכפל כמולקולה יחידה אלא כאוסף מולקולות. בתוך התא מתרחשות ומזורזות תגובות כימיות הדדיות, האחראיות לקליטה ולייצור עותקים נוספים של כל המולקולות שמהן מורכב התא. כך גדל צבר המולקולות התאי, ובהמשך מתפצל, כשהצאצאים דומים ל'אב' וגם זה לזה. "אוסף המולקולות המשתכפל הראשוני שמציעים המדענים כמועמד חלופי הוא "מיצלה" (micelle) – כדורית ננוסקופית המורכבת מליפידים. ליפידים הם מולקולות בעלות תכונה ייחודית: הם מורכבים מראש "אוהב" מים  ומזנב "שונא" מים ו"אוהב" שומנים. מבנה זה מאפשר לליפידים ליצור את הקרום המקיף כל תא חי, ובמקביל ליצור באופן ספונטני כדוריות מיצליות זעירות בהרבה, שגם הן בעלות תוך שומני והיקף אוהב מים.

מבלי דעת, אנו פוגשים מיצלות מדי יום ביומו, שכן סבון מורכב מחומרים דטרגנטיים דמויי ליפידים. המיצלות הנוצרות מסבון במגע עם מים מאפשרות לסלק חומרים שומניים מידיים מלוכלכות, וזאת באמצעות כליאת השומנים בחלקה הפנימי, אוהב השומן, של המיצלה. במקביל, כבר הודגם בעבר שליפידים יכלו להיווצר בכדור-הארץ הקדום ואף להגיע אליו במטאוריטים. מחקרים קודמים של פרופ' לנצט אף הציגו ראיות לכך שמיצלות נוצרו במרק הקדום בסיכויים גדולים לאין שיעור מאלה של אר-אן-אי, וכן ששכפול מיצלות יכול היה להתרחש בהרכבים מולקולריים רבים ושונים, בניגוד לאר-אן-אי הבררני הדורש מולקולות מאוד ספציפיות.

הסברה שמיצלות עומדות בבסיס ראשית החיים מקבלת כעת תוקף ניסויי מכיוון בלתי-צפוי: התעשייה הכימית. במאמר הראשון מבין השניים, כהנא ופרופ' לנצט מתארים אוצר בלום של מחקרים ישנים וחדשים מעולם זה, המחזקים את המודל המיצלי ומציגים ראיות ניסוייות נרחבות לכך שליפידים, בניגוד למקובל אצל הביולוגים, מסוגלים לזרז תגובות כימיות. בכך נמצאה תמיכה לרעיון שייתכן זירוז הדדי בין מרכיבי רשת התגובות הכימיות במיצלה, החיוני לתופעת השכפול, או במלים אחרות – לחיים. במקביל, המדענים מצאו סימוכין במאמרים מתחום הדינמיקה הכימית של ליפידים, שפורסמו באחרונה ומכוונים ספציפית לבחון את המודל הממוחשב שפיתחו בעבר פרופ' לנצט וקבוצתו. המאמרים הללו מצביעים על ראיות ישירות לכך שמיצלות מסוגלות להעתיק את הרכבן המולקולרי, תוך כדי גידול ופיצול – כלומר לעבור שכפול ממש כמו תאים בני ימינו, כפי שחוזה המודל.

מיצלות תחת מיקרוסקופ אלקטרונים. משמאל – המבנה של המיצלה מוגדל פי 10 (בצהוב - הראש אוהב המים של הליפיד, בשחור - הזנב אוהב השמן). הקו מימין מציין גודל של 0.3 אלפיות מ"מ
מיצלות תחת מיקרוסקופ אלקטרונים. משמאל – המבנה של המיצלה מוגדל פי 10 (בצהוב – הראש אוהב המים של הליפיד, בשחור – הזנב אוהב השמן). הקו מימין מציין גודל של 0.3 אלפיות מ"מ

איך המיצלה עבר אבולוציה?

ומה לגבי היכולת לעבור אבולוציה? בהתחשב בכך שטעויות העתקה במיצלה המשתכפלת קורות בקלות, הרי לנו שכפול עם מוטציות, ועל כך, כידוע, מתבססת האבולוציה הדרווינית. בהתאם, מציג צוות המחקר את השלבים שבהם, בהינתן היכולת לעבור אבולוציה, ייהפכו המיצלות בהדרגה לצבירים מולקולריים סבוכים יותר המכונים פרוטו-תאים, וזאת בדרך אל תאים דומים לאלה של יצורים בני ימינו. בתמיכה לסברה זו, וכמתואר במאמר השני, מצא הצוות בפרסומים מתחום הביוכימיה ראיות ניסוייות לכך שקבוצות כימיות על פני שטח של צבירים ליפידיים מסוגלות להכרה מולקולרית ספציפית, דומה לזו המתגלה בחלבונים בני ימינו. זוהי ראיה נוספת ליכולותיהן של מיצלות ליפידיות לשמש זרע ראשוני להופעת החיים. 

המודל המיצלי לראשית החיים אמנם עוסק בהיסטוריה של כדור-הארץ, אך יש לו גם השלכות על ההתנהלות האנושית ברחבי מערכת השמש. הסיבה שנאס"א עסוקה בהגדרת החיים אינה מקרית, שכן סוכנות החלל מחפשת, ברגעים אלה ממש, רמזים לקיומם של חיים על מאדים. הנחת העבודה הרווחת היא חיפוש אחר אר-אן-אי, אך המאמרים החדשים מרמזים שעדיף שהגשושית המטיילת ברחבי מאדים תחפש גם ראיות לכימיה מסוגים אחרים. "האפשרויות לחיים מפותחים בפלנטות שונות הינן רבגוניות ביותר", אומר פרופ' לנצט, "אך אנו סבורים שההתחלות המוקדמות והפשוטות מסוג המיצלות הליפידיות עשויות להיות משותפות לחיים במקומות רבים ביקום, ולכן יש להשקיע גם בחיפוש אחריהן".

עוד בנושא באתר הידען:

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook
לוגו אתר הידען
דילוג לתוכן