הגשר שבין הדומם לחי
6.6.2000
מאת: מרית סלוין
הדרך שבה נוצרו החיים היא אחת השאלות הקשות ביותר במדע. מדענים עוסקים בה במשך מאות שנים, אך עד היום לא הגיעו לתשובה מניחה את הדעת. החל משנות החמישים מתקיים מחקר פעיל בשאלה חשובה זו, שבה משתתפים חוקרים מתחומי המדע השונים, אך למרות ההישגים הנרחבים בתחום הביולוגיה המולקולרית, עדיין אין בנמצא תסריט משכנע שמסביר את התהליכים שהביאו להיווצרות החיים.
התפישה המקובלת טוענת כי ישויות חיות מתאפיינות ביכולת לשכפל את עצמן ולהעביר את המידע האצור בהן לצאצאים. לכל היצורים החיים – חיידקים, צמחים, בעלי חיים וכן כל תא ותא בכל היצורים הרב-תאיים – יש יכולת שכפול עצמי. השכפול כולל את כל מרכיבי התא, המקבלים את ההוראה מתוך מידע האצור בחומצות הגרעין – הד-נ-א והר-נ-א. בעת השכפול מתבצעת העתקה מדויקת של רצף אבני הבניין, אך מדי פעם בפעם נופלות טעויות: אלה הן המוטציות. העותקים החדשים נושאי המוטציות הם לעתים מוצלחים יותר ומצליחים לשרוד כאשר תנאי הסביבה משתנים, וכך מתקבל תהליך של ברירה טבעית.
שכפול של מערכות מולקולריות מתקשר, כאמור, ליכולת להעתיק מידע ולהעבירו מדור לדור. לפיכך מדענים רבים נטו עד כה לשער שהחיים החלו בהיווצרות ספונטנית של מולקולות שרשרת ארוכות כמו ד-נ-א, ר-נ-א או חלבונים. ניסויים שנועדו לחקות את התנאים שהתקיימו בכדור הארץ הקדום לפני כארבעה מיליארד שנים הראו כי אבני הבניין של המולקולות האלה אכן היו יכולות להיווצר באותה תקופה באופן ספונטני. אבל מדענים רבים טוענים שהסיכוי שכל אלה יצטרפו יחד וייצרו מולקולת מפתח ראשונית בעלת כושר שכפול עצמי נמוכים עד מאוד, ומכאן ההנחה כי מפגש מקרי מוצלח בין אבני הבניין הנכונות הוליד חומצת גרעין בעלת יכולת תפקוד, נדחית כבלתי סבירה.
מה, אם כן, היה השלב הראשון שהוביל בסופו של דבר ליצירת תאים חיים? הניסיונות למצוא מוצא מן המבוי הסתום הזה הובילו את פרופ' דורון לנצט מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן ואת תלמידי המחקר שלו, דניאל סגרה ודפנה בן-אלי, לחפש אחר מבנים מולקולריים פשוטים יותר המסוגלים, בתנאים ששררו על פני כדור הארץ הקדום, לשכפל את עצמם ולהוות את הבסיס להיווצרות החיים. שלושת החוקרים פיתחו מודל המתאר דרך חדשה להבנת ראשית החיים. על פי המודל הזה, החיים נוצרו מהתארגנות של מבנים העשויים מולקולות של ליפידים (חומר שומני שהוא המרכיב העיקרי של קרום התא). עבודת המחקר שלהם התפרסמה בחודש שעבר בכתב העת “Academy of Sciences Proceedings of the National”.
“הנחתי כי יש לחפש מנגנון כימי שמוביל אוסף אקראי של חומרים כימיים לישויות בעלות יכולת שכפול עצמית. וכך התחלנו לחפש מולקולות פשוטות, ולו הפרימיטיוויות ביותר, שיכולות ליצור מבנים בעל יכולת כזאת”, מספר לנצט. הליפידים מהווים מרכיב עיקרי בקרומים המקיפים את התא והגרעין. המבנה של הליפידים הוא פשוט יחסית, והוכח כי הם מצויים בכוכבי שביט, והיו עשויים להיווצר בתנאים ששררו בכדור הארץ הקדום.
בשל הרכבם המיוחד יכולים הליפידים ליצור באופן ספונטני טיפות זעירות, שהן צבירים המכילים אלפי מולקולות. כך הם מתארגנים גם בקרומי התאים החיים. “מדענים לא התייחסו לליפידים ברצינות, שכן בתאים היום הם ממלאים תפקידי עזר בלבד ביצירת הפרדה בין חלקי התא. אבל אנחנו הראינו שבתנאים מסוימים צבירי הליפידים יכולים להכיל אינפורמציה וגם לעבור תהליכים דמויי שכפול”, אומר לנצט. לנצט ותלמידיו בנו מודל ממוחשב המוזן בתנאים ששררו על פני כדור הארץ הקדום, בחוקי סטטיסטיקה וביחסי גומלין בין מולקולות, ומתוכו הם מקבלים תהליך חדש ומסקרן.
בשלב הראשון של התהליך מולקולות הליפידים מתחברות זו לזו. בהמשך מציג המודל הממוחשב תופעה חדשה השייכת לתחום המערכות המורכבות: צבירי מולקולות הליפידים מראים יכולת אגירת אינפורמציה ושכפול. כיצד זה קורה? לנצט: “ההנחה שלנו היתה כי בתנאים ששררו על פני כדור הארץ הקדום, נוצרו אלפי ואף מיליוני סוגים שונים של מולקולות דמויות ליפידים. מתברר שבעבור טיפות מתחת לגודל מסוים קיים מספר אסטרונומי של אפשרויות חיבור בין מולקולות הליפידים הבודדות למבנים על-מולקולריים, וכך מתקבלים באופן ספונטני צבירי ליפידים ששונים זה מזה. על השונות הזאת אפשר לבסס תהליך דמוי אבולוציה”.
מתוך הרבגוניות הגדולה של צבירי הליפידים, חלק מראה תכונות מיוחדות. בצבירים האלה מתהווה רשת של השפעות הדדיות בין המולקולות המביאות לכך שהצביר כולו גדל תוך שמירה על הרכבו המקורי. כאשר אוסף המולקולות עובר גודל מסוים, הצביר מתפצל לשני חלקים (תופעה מוכרת בעולם הליפידים) הדומים זה לזה בהרכבם. לנצט מכנה את התופעה “העתקה של גנום הרכבי”. לדעת החוקרים זהו המנגנון הפשוט ביותר לשכפול עצמי, והוא זה שיכול היה להתחיל תהליכי ברירה טבעית.
לנצט ותלמידיו הראו, באמצעות סימולציות במחשבי-על, שהחיבור בין כל התכונות האלה יוצר תופעה דמויית חיים. על מסך המחשב רואים כיצד צבירי ליפידים בעלי הרכב ייחודי נוצרים, גדלים, מתפצלים, משתכפלים, צוברים “מוטציות” ומשתתפים בתהליכים סבוכים של ברירה ואבולוציה.
כיצד יכול “עולם הליפידים” הזה להביא בסופו של דבר ליצירת מולקולות מורכבות של חומצות גרעין, כפי שאנו מכירים היום? “אנחנו חושבים שבתהליכים האלה, המבוססים על יכולת המערכת לעבור ברירה טבעית, נוצרים עם הזמן חומרים מורכבים יותר שדומים יותר ויותר למה שרואים היום ביצור חי. את ההתפתחות הזאת אנחנו מנסים לדמות באמצעות מחשב”, אומר לנצט. “על פי הגישה שלנו, חומצות הגרעין הן תוצאה של תהליך אבולוציוני ולא התחלה שלו. נקודת המוצא של המודל שלנו מבוססת על כימיה פשוטה, אך התוצאה היא התנהגות סבוכה דמויית חיים. לפיכך אנו מקווים שהמודל יוכל להוות את הגשר שחיפשו רבים בין עולם הדומם לעולם החי”.
{הופיע בעיתון הארץ, 6/6/2000}
