שחזור של כ־420 תגובות מטבוליות מציע כי האב הקדמון המשותף לחיידקים ולארכאונים עדיין הסתמך על מתכות בסביבתו. לפי החוקרים, שתי השושלות פיתחו בנפרד את האנזימים שאפשרו להן להתקיים כתאים עצמאיים – אך לא כל המדענים מסכימים שזה שקול ל“שני מקורות של החיים”
הכותרת “החיים נוצרו פעמיים” נשמעת כאילו מדענים גילו שני אירועים נפרדים שבהם חומר דומם הפך לחי. זה אינו הממצא של המחקר החדש. כל היצורים החיים המוכרים לנו עדיין חולקים קוד גנטי ומערכת בסיסית לייצור חלבונים, המעידים על מוצא משותף.
הטענה החדשה עדינה ומעניינת יותר: ייתכן שלאחר שכבר התקיימה מערכת קדומה בעלת קוד גנטי משותף, התפתחו ממנה שתי שושלות – החיידקים והארכאונים – וכל אחת מהן השלימה בנפרד את המעבר לתאים המסוגלים לקיים חילוף חומרים בכוחות עצמם.
כלומר, לא שתי אביוגנזות ולא שתי “בריאות” בלתי־תלויות, אלא אולי שתי יציאות עצמאיות מאותה עריסה כימית.
המחקר, שפורסם בכתב העת Science Advances, נערך בהובלת נטליה מרניאבק (Natalia Mrnjavac) ופרופ׳ ויליאם מרטין מאוניברסיטת היינריך היינה בדיסלדורף. החוקרים שילבו השוואה של גנומים ומבני חלבונים עם שחזור מתמטי של חילוף החומרים הקדום וניסויים בכימיה המדמה תנאים בנביעות הידרותרמיות.
LUCA לא היה היצור החי הראשון
במרכז המחקר נמצא LUCA – ראשי התיבות באנגלית של “האב הקדמון המשותף האוניברסלי האחרון”. אין פירוש הדבר שזה היה היצור הראשון שחי על פני כדור הארץ. LUCA הוא השם שניתן לאב הקדמון המאוחר ביותר – או, כנראה, לאוכלוסיית אבות קדומים – שממנו התפתחו כל השושלות הקיימות כיום.
לפי השחזור המקובל, LUCA כבר החזיק בקוד גנטי, בריבוזומים ובחלק ניכר מהמנגנון המתרגם מידע גנטי לחלבונים. הוא לא היה “מולקולה ראשונה” וגם לא נקודת ההתחלה של הכימיה הקדם־ביולוגית. הוא התקיים לאחר שלבים מוקדמים יותר, שרובם אינם ניתנים עוד לשחזור ישיר.
השאלה שעומדת בלב המחקר החדש היא עד כמה היה LUCA עצמאי. האם כבר היה תא בעל מערכת שלמה של אנזימים, שיכול היה לגדול ולהתרבות בלי תלות באתר גאולוגי מסוים, או שמא עדיין הסתמך על תגובות כימיות שהתרחשו על פני מינרלים ומתכות בסביבתו?
שחזור של כ־420 תגובות
התאים בני ימינו משתמשים ברשת מסועפת של תגובות כימיות כדי לייצר חומצות אמינו, בסיסים של RNA, ויטמינים ומולקולות חיוניות אחרות. מכלול התגובות האלה הוא חילוף החומרים – המטבוליזם.
החוקרים בחנו רשת של כ־420 תגובות בסיסיות, המאפשרות לתאים לייצר את אבני הבניין שלהם מחומרים פשוטים שהיו זמינים בכדור הארץ הקדום, ובהם מימן, אמוניה ופחמן דו־חמצני. הם בדקו אילו אנזימים מבצעים כיום כל אחת מהתגובות אצל חיידקים ואצל ארכאונים, ועד כמה האנזימים משתי הקבוצות דומים זה לזה ברצף ובמבנה התלת־ממדי.
אם חיידקים וארכאונים ירשו אנזים מסוים מאב קדמון משותף, מצפים למצוא ביניהם סימנים למוצא משותף, גם לאחר מיליארדי שנות אבולוציה. לעומת זאת, כאשר שתי השושלות משתמשות בחלבונים בעלי מבנים שונים לחלוטין כדי לבצע אותה תגובה, עולה האפשרות שכל אחת מהן פיתחה פתרון משלה.
מהשחזור עולה כי ל־LUCA היו אנזימים רק עבור כמחצית מהתגובות שנבדקו. לפי החוקרים, התגובות האחרות עדיין לא בוצעו באמצעות אנזימים ביולוגיים, אלא הסתמכו על זרזים אי־אורגניים שנמצאו בסביבה.
כשהסלעים מילאו את תפקיד האנזימים
זרז הוא חומר המאפשר לתגובה כימית להתרחש במהירות או בתנאים שבהם לא הייתה מתרחשת בלעדיו. בתאים מודרניים, רוב עבודת הזרזים מתבצעת בידי אנזימים – חלבונים שמבנם מותאם לתגובה מסוימת.
אלא שבראשית חילוף החומרים עדיין לא היו בנמצא מערכות מורכבות לייצור כל האנזימים הדרושים. זהו אחד מנוסחיה של בעיית הביצה והתרנגולת בחקר מוצא החיים: התא זקוק לאנזימים כדי לייצר את מרכיביו, אבל גם ייצור האנזימים דורש מערכת תאית פעילה.
המחקר מציע שהגאולוגיה סיפקה חלק מהפתרון. ברזל, ניקל, קובלט ומתכות מעבר נוספות יכולים לזרז תגובות שבימינו מתבצעות באמצעות אנזימים. מתכות כאלה מצויות במערכות הידרותרמיות הנוצרות כאשר מים מגיבים עם סלעים חמים בקרום כדור הארץ.
בסביבה כזאת לא הייתה הפרדה חדה בין “היצור” לבין “בית הגידול” שלו. המערכת הכימית הקדומה הייתה עשויה להשתמש במינרלים ובמתכות שבדפנות הנביעה כחלק מחילוף החומרים שלה. במובן זה, הסלעים עצמם תפקדו כחלק מן המנגנון המטבולי.
שתי דרכים להיפרד מן הסלע
לפי התרחיש שהחוקרים מציעים, החיידקים והארכאונים התפצלו עוד בשלב שבו חילוף החומרים היה שילוב של אנזימים ושל זרזים מתכתיים. לאחר הפיצול החליפה כל שושלת חלק מן הזרזים הסביבתיים באנזימים שפיתחה בעצמה.
החוקרים זיהו כמה תגובות חיוניות שבהן חיידקים וארכאונים משתמשים באנזימים שונים מבחינה מבנית כדי לבצע אותה משימה. הם מפרשים זאת כאבולוציה מתכנסת: שתי השושלות נתקלו באותה בעיה כימית והגיעו בנפרד לפתרונות חלבוניים שונים.
השלמת רשת האנזימים אפשרה לתאים להפסיק להסתמך על משטח מינרלי מסוים. הם יכלו לשאת איתם את חילוף החומרים שלהם, להתפשט לסביבות אחרות ולחיות כתאים עצמאיים מבחינה מטבולית.
זהו הבסיס לטענה בדבר שתי הופעות של חיים עצמאיים: לא שני קודים גנטיים ולא שני אבות קדומים בלתי־תלויים, אלא שתי השלמות נפרדות של המעבר ממערכת הקשורה לסביבתה הגאולוגית לתא הנושא בתוכו את המנגנון הדרוש לקיומו.
מאין הגיעה האנרגיה לפני ATP?
המחקר עוסק גם בשאלה כיצד נאגרה אנרגיה לפני הופעתה של מערכת ה־ATP המודרנית. ATP היא מולקולה המשמשת מעין מטבע אנרגיה אוניברסלי בתאים, אך ייצורה עצמו תלוי באנזימים ובמערכות ביולוגיות מורכבות.
החוקרים בדקו פוספיט – תרכובת זרחן העשויה להימצא במערכות הידרותרמיות – והראו שבתנאים מסוימים הוא מסוגל, בעזרת זרזים מתכתיים, להעביר קבוצות זרחן למולקולות אורגניות. בין היתר הודגם בניסוי מעבר מ־AMP ל־ADP, חומר הקשור ישירות למערכת האנרגיה המודרנית של התא.
הניסוי אינו משחזר תא קדום ואינו מוכיח שכך אכן נוצר מנגנון האנרגיה הראשון. הוא מראה שלפחות חלק מהתגובות הדרושות לאגירת אנרגיה יכולות להתרחש במים בעזרת חומרים גאולוגיים, בלי מערכת אנזימטית מלאה.
בהמשך האבולוציה הופיעו קו־פקטורים – מולקולות קטנות המסייעות לאנזימים לבצע תגובות. לפי המודל, הקו־פקטורים והאנזימים החליפו בהדרגה את המתכות המוצקות ואפשרו לחילוף החומרים להתנתק מדפנות הנביעה ההידרותרמית.
האם LUCA היה חי?
כאן נכנסת לתמונה שאלה של הגדרה. פרופ׳ מרטין טוען כי רק מערכת המסוגלת לקיים את חילוף החומרים שלה באופן עצמאי ראויה להיקרא תא חי. לפי הגדרה זו, LUCA המשוחזר במחקר עדיין נמצא על הגבול שבין גאוכימיה לביולוגיה, והחיים העצמאיים אכן הופיעו פעמיים – פעם בשושלת החיידקים ופעם בשושלת הארכאונים.
אבל זו אינה ההגדרה האפשרית היחידה. יצורים רבים בני ימינו תלויים לחלוטין בסביבתם או ביצורים אחרים. טפילים תוך־תאיים, למשל, איבדו חלקים נרחבים ממערכות חילוף החומרים שלהם, אך איש אינו טוען שהם חומר דומם. גם התא הקדום יכול היה להיות חי אף שנזקק למתכות ולתרכובות שסביבו.
חשוב גם להבחין בין המאמר המדעי לבין האופן שבו הוצג לציבור. כותרת המאמר היא “שלבי ביניים במוצא חילוף החומרים בנביעה הידרותרמית מזרחנת”. הטענה על “שני מקורות של החיים” מופיעה בעיקר בהודעת האוניברסיטה ובדברי החוקרים על משמעות הממצאים.
שחזור משכנע – לא צילום של העבר
החוקרים לא צפו בתאים בני ארבעה מיליארד שנה. הם הסיקו את ההיסטוריה של חילוף החומרים מתוך הגנומים והחלבונים של יצורים החיים כיום, ושילבו אותה עם תגובות שהודגמו במעבדה.
זאת שיטה מדעית חשובה, אך היא כפופה למגבלות. גנים יכולים להיעלם, להשתנות ללא הכר או לעבור בין שושלות באמצעות העברה אופקית. קשה גם לדעת אם תגובה שהתרחשה בניסוי אכן מילאה אותו תפקיד בסביבה הקדומה.
חוקרים שלא השתתפו במחקר אמרו ל־Smithsonian Magazine כי השחזור מציג תרחיש חזק ומעורר מחשבה, אך אינו הדרך האפשרית היחידה לפרש את הנתונים. מודלים אחרים מציעים ש־LUCA כבר היה תא מורכב יחסית, אולי בעל קרומית ששילבה מאפיינים שנשמרו בהמשך בנפרד אצל חיידקים וארכאונים.
גם אם שתי השושלות פיתחו אנזימים שונים, לא בהכרח נובע מכך שהמעבר לחיים התרחש פעמיים. המסקנה הבטוחה יותר היא שהשלמת חילוף החומרים האנזימטי התרחשה לפחות בחלקה באופן עצמאי בשתי השושלות.
מדוע המחקר חשוב?
הממצא החשוב אינו המספר הסנסציוני של “שתי בריאות”, אלא התמונה הרציפה שהוא מציע למעבר מגאולוגיה לביולוגיה. במקום רגע חד שבו אוסף מולקולות נעשה פתאום לתא חי, מתקבלת סדרה של שלבי ביניים: תחילה תגובות על פני מתכות, אחר כך מערכת משולבת של מתכות ואנזימים, ולבסוף תאים שחילוף החומרים שלהם ארוז בתוכם.
התמונה הזאת עשויה להשפיע גם על החיפוש אחר חיים מחוץ לכדור הארץ. אם מערכות הידרותרמיות מסוגלות לספק לא רק חום וחומרי גלם אלא גם זרזים ומקור לאגירת אנרגיה, עולמות בעלי מים וסלעים פעילים עשויים לאפשר שלבים ראשונים של אבולוציה כימית. עם זאת, המרחק בין רשת תגובות כימיות לבין תא מתרבה עדיין גדול, ורובו נותר בלתי מוסבר.
המחקר אינו מבטל את המוצא המשותף של החיים המוכרים. להפך: הקוד הגנטי והריבוזומים המשותפים נשארים עדות חזקה למוצא כזה. החידוש הוא האפשרות שאחרי שהופיעה אותה מורשת משותפת, החיידקים והארכאונים נאלצו להשלים בנפרד את המלאכה – ולבנות שתי דרכים שונות להיפרד מן הסלע.
המאמר והמקורות
המאמר המקורי: Intermediate stages in the origin of metabolism at a phosphorylating hydrothermal vent – Science Advances
הודעת המחקר: Early Evolution of Life: Two origins of life – Heinrich Heine University Düsseldorf
סקירה הכוללת תגובות של חוקרים חיצוניים: Smithsonian Magazine
עוד בנושא באתר הידען
- שיתוף פעולה בין מולקולות פשוטות עשוי להסביר כיצד נוצרו התאים הראשוניים
- אסטרואידים לא רק החריבו עולמות, ייתכן שגם סייעו להצית את החיים
- איך נוצרו התאים הראשונים? עם חלבון
- בעקבות החלבונים הראשונים
- החיים על פני כדור הארץ נוצרו במעיינות חמים געשיים, לא בים?
שאלות ותשובות
האם המחקר מוכיח שהחיים נוצרו פעמיים?
לא. הוא אינו מצביע על שני אירועים בלתי־תלויים שבהם חומר דומם נעשה לחי. המחקר מציע שחיידקים וארכאונים, החולקים אב קדמון וקוד גנטי משותפים, השלימו בנפרד את המעבר לתאים עצמאיים מבחינה מטבולית.
מהו LUCA?
LUCA הוא האב הקדמון המשותף האחרון לכל היצורים החיים המוכרים כיום. הוא לא היה בהכרח היצור החי הראשון, וייתכן שלא היה פרט יחיד אלא אוכלוסייה של מערכות או תאים קדומים.
כיצד יכול היה להתקיים חילוף חומרים ללא כל האנזימים המודרניים?
לפי המחקר, מתכות ומינרלים בנביעות הידרותרמיות יכלו לזרז חלק מהתגובות. בהמשך החליפו אנזימים וקו־פקטורים את הזרזים הסביבתיים ואפשרו לתאים להתקיים הרחק מן המשטחים המינרליים.
האם התרחיש מוסכם על כל החוקרים?
לא. השחזור מבוסס על השוואת יצורים בני ימינו ועל ניסויי מעבדה המדמים תנאים קדומים. הוא מציג תרחיש אפשרי ומגובה בראיות, אך קיימים מודלים אחרים למבנהו של LUCA ולמקום שבו הופיעו החיים.
לפרסום המקורי: פתיחת הפרסום המקורי
