אבולוציה כימית כמקור לחיים

כל דיון מדעי בנושא התהוות החיים על פני כדור הארץ מעורר מיד שאלות קשות: מה היה ההרכב הכימי של פני כדור הארץ בתקופה הקדם-ביולוגית, לפני שנוצרו החיים? מהם התנאים להווצרות חיים? מהם הסיכויים להתרחשות מאורע של “התחלת חיים” באופן בלעדי על פני כדור הארץ? האם החיים התחילו במקום אחד או בו בזמן בכמה המקומות?

מתוך: כמעט ,2000 חוברת ,13 חורף . 1997
1.1.1998
מאת: רפאל איקן
רפאל איקן המחלקה לכימיה אורגנית, האוניברסיטה העברית בירושלים.

כל דיון מדעי בנושא התהוות החיים על פני כדור הארץ מעורר מיד שאלות קשות: מה היה ההרכב הכימי של פני כדור הארץ בתקופה הקדם-ביולוגית, לפני שנוצרו החיים? מהם התנאים להווצרות חיים? מהם הסיכויים להתרחשות מאורע של “התחלת חיים” באופן בלעדי על פני כדור הארץ? האם החיים התחילו במקום אחד או בו בזמן בכמה המקומות?

לשאלות רבות עדיין אין מענה, אולם המדע מספק היום מספר תשובות וכמה השערות סבירות. התיאוריות החדשות בנושא מקור החיים מתבססות ברובן על (Oparin)הנחותיהם של שני מדענים: הביוכימאי הרוסי אלכסנדר אופרין הם היו הראשונים שהעלו, כל .(Haldane)והביוכימאי הבריטי ג'ון הולדן
אחד בנפרד (אופרין בשנת 1924 והולדן בשנת 1929), השערות בדבר התנאים אשר שררו באטמוספירה הקדומה, ואשר לפי טענתם איפשרו את יצירתן של התרכובות האורגניות, כמו חלבונים ופחמימות, שהן הבסיס לחיים. האטמוספירה הקדומה היתה לטענתם אטמוספירה מחזרת, כלומר עשירה בתרכובות עשירות במימן. מניחים כי בשלב שלפני הופעת החיים על פני כדור הארץ היתה האטמוספירה מורכבת בעיקר ממתן, חנקן ומים וכמויות קטנות של פוספין לא היה בה כלל חמצן חופשי, כפי שיש .(S(2)H) ומימן גפרתי ((3)PH) באטמוספירה היום. לפי ההשערה המקובלת כיום, במשך מיליוני שנים התווספו תרכובות כימיות פשוטות באוקיינוסים ובאטמוספירה הלחה. התרכובות היו חשופות להשפעות של מקורות אנרגיה כמו ברק, חום וקרינה על-סגולה של השמש, התפרקויות חשמליות, רדיואקטיביות בקליפת כדור הארץ, חום שמקורו בהרי געש ואנרגיה של גלי הלם (ללא חמצן, נעדרה גם שכבת האוזון, אשר בולמת את הקרינה.) מקורות אנרגיה מעין אלה עשויים לגרום ליצירת קשרים חדשים בין מולקולות, וקשרים אלה הביאו להיווצרות מולקולות אורגניות מורכבות ומאורגנות יותר, כמו חומצות אמינו, סוכרים, פורינים ועוד.

המדענים מכנים את המצב הקדום הזה בכינוי הציורי “המרק הקדמוני” (או “המרק הפרה-ביוטי”, שלפני היות חיים). משערים שריכוז החומרים האורגניים ב”מרק” היה כגרם אחד לליטר נוזל. במרוצת הזמן, עלה הריכוז של החומרים במרק האורגני, כתוצאה מהתאדות המים, וכן התרחש בהמשך תהליך של חיבור מולקולות קטנות זו לזו. תהליך כזה נקרא פולימריזציה (יצירת פולימרים) דוגמאות לכך הם חלבונים אשר נוצרו מיחידות רבות של חומצות אמינו ונוקלאוטידים, שהתחברו אלו לאלו ויצרו חומצות גרעין (דנ”א ורנ”א). אופרין והלדן ראו בשלבים אלה את התנאי ההכרחי להיווצרות חיים בעולמנו.

ניסויים במעבדה

רק לאחר מלחמת העולם השנייה החלו מדענים לנסות לחקות במעבדה היווצרות חומרים אורגניים של העולם הקדום על סמך רעיונותיהם של אופרין והולדן. (Miller)אחד הניסויים המפורסמים היה זה שביצע האמריקני סטנלי מילר מאוניברסיטת סן-דייגו שבקליפורניה בשנת .1953 מילר הכין בכלי המעבדה שלו (ר' איור ,1 כמעט 2000 מס' ,13 עמ' 21) תערובת של גז אמוניה, גז מתן, ומים (אלו הן מולקולות פשוטות הנפוצות באטמוספירה). הוא חשף את התערובת לתנאים מחזרים, כלומר הוסיף מימן, כדוגמת המצב ששרר כנראה בעולם הקדמון. דרך מערכת זו הוא העביר ניצוץ חשמלי (כחיקוי לברק). כעבור שבוע הוא בדק את המערכת, ולהפתעתו גילה בה מיגוון של חומרים אורגניים. החשובים שבהם היו ארבע חומצות אמינו – גליצין, אלנין, חומצה אספרטית וחומצה גלוטמית, שהן מבין אבני הבניין של החלבונים. אגב, חומצות האמינו אשר נוצרו בניסוי של מילר הן השכיחות ביותר מבין אלו המרכיבות את חלבוני החי כיום. לאור מימצאיו המעבדתיים ושיקולים נוספים, תמך מילר בהנחה שהחיים החלו במערכות ימיות, כאשר אחד ממקורות האנרגיה להיווצרות המולקולות האורגניות היא השמש. יש חוקרים המשערים שמקור החיים הוא מחוץ לכדור-הארץ ושמולקולות חוץ-ארציות “תפסו טרמפ” על מטאוריטים או אבק סולרי ו”התיישבו” על-פני כדור-הארץ.

בין החוקרים הרבים אשר עסקו בבעיית התהוות החיים או האבולוציה וצוותו. הם (Ponnamperuma)הקדם-ביולוגית, נזכיר את החוקר פונמפרומה השתמשו במיתקן מעבדתי בעל שני אביקים (ר' תמונה ,2 כמעט 2000 מס' ,13עמ' 21), כאשר העליון מייצג את “האטמוספירה” והאביק התחתון את “האוקיינוס” וישנה זרימה של חומרים ביניהם. התגובות הכימיות התרחשו המצוי בחלל ,(HCN)באמצעות התפרקות חשמלית. כך נמצא כי מימן ציאני מוביל (HCHO)בין-כוכבי, יוצר בסיסים כמו אדנין, ואילו פורמאלדהיד להיווצרותן של פחמימות. כאמור, מולקולות ביולוגיות פולימריות (ביופולימרים), כמו חלבונים וחומצות גרעין, מורכבות מיחידות בניין קטנות (מונומרים). המעבר ממונומרים לפולימרים מתרחש באמצעות תגובות היצמדות והוצאת מולקולת מים (דהידרציה). תגובות כאלה יכלו להתרחש בקרקע קדומה, כאשר תערובת חומרים אורגניים של “המרק הקדום” הגיעה לחופי האוקיינוסים ונספחה על-פני חרסיות שהיו חשופות לחום השמש. האפשרות שיש לחרסיות אפקט קטליטי (אפקט של זירוז תהליכים) לגבי חומרים אורגניים נוסתה במעבדה, והוכחה כאפשרית.

“סמנים ביולוגיים” – מהם ?

במחקרים גיאוכימיים, הבודקים תכולה של מולקולות אורגניות במערכות גיאולוגיות, התברר שכמויות זעירות של חומרים אורגניים שמקורם בחי ובצומח נשתמרו במאובנים ובמשקעים עתיקים, שגילם נאמד במיליוני שנים, בלא שחל בהם שינוי מבני משמעותי. תרכובות אורגניות אשר המבנה המולקולרי שלהן מעיד עליהן כי הן נוצרו בתהליכים ביולוגיים וכי הן עמידות בפני .(bioligical markers)שינויים כימיים, נקראות בשם “סמנים ביולוגיים” כך למשל נתגלה שציבענים מסוימים המצויים כיום בחבצלות-ים, דומים דמיון מבני לציבענים שנמצאו בחבצלות-ים מאובנות, שגילן נאמד בכ-170 מיליון שנה.

בתמונה 3(ר' כמעט 2000 מס' ,13 עמ' 29), ניתן לראות מבנים של סמנים ביולוגיים הנקראים ביו-ליפידים וגיאו-ליפידים. גילם של פחמימנים כאלה, נאמד בכ-700 מיליון שנה. חשיבות הסמנים הביולוגיים הוא במידע שהם מספקים לגבי סוג האורגניזמים שהכילו אותם (בדרך כלל בשינוי מבני קל) בימים קדומים. מחקר השוואתי של המרכיבים האורגניים בסלעים קדומים וצעירים מצביע על הדמיון הרב שבין התהליכים הביו-כימיים העכשוויים והקדומים. קיים קושי בעריכת השוואה מלאה, מכיוון שמינים רבים של יצורים חיים קדומים נכחדו ואינם קיימים היום.

עדיין לא ידוע הרבה לגבי תהליכים ביולוגיים ראשוניים. תיאוריית עוסקת בהתפתחות החיים ובהישרדות (Darwin)האבולוציה של צ'ארלס דארווין המינים, אך לא מתווה את דרכי התהוותם. בשנים האחרונות התפתח תחום הביולוגיה המולקולרית, העוסק בחקר הבסיס המולקולרי של תהליכי החיים. עם זאת חסרה עדיין החוליה המתארת את התהוות החיים (התהוות התא החי הראשוני) על-פני כדור-הארץ. על אף הידע הרב שהצטבר לגבי אופיו הכימי של העולם הקדום, טרם נמצא הקשר להיווצרות מערכות החיים בים וביבשה. מציאת חוליה מקשרת זו מהווה אתגר מרתק גם לחוקרים העוסקים בחקר החלל ומקור החיים.

_______ * * * _______

לחומרי הצמדה פרה-ביוטיים אפשריים ר' כמעט 2000 מס' ,13 עמ' .21 והנה ושטיינמן (Calvin) מה דוגמאות לפעולתם של חומרי הצמדה: החוקרים קלווין הקרינו את חומצות האמינו גליצין ולאוצין קרינה על-סגולה (Steinman) בנוכחות חומר ההצמדה ציאנאמיד, וקיבלו את החומרים דיגליצין, טריגליצין, לאוציל-גליצין וגליציל-לאוצין. כעבור 24 שעות נוצרו פוליפפטידים בנוכחות דיציאנאמיד. מסתבר כי כ-%15 מן המרק הקדום היו מורכבים ממימן ציאני, ולכן הטטראמר שלו, דיאמינומלאניטריל, היה מעורב בתגובות פולימריזציה ביצירת הבסיס הפוריני אדנין, שהוא מרכיב של חומצות גרעין וקואנזימים. יתכן שהגז פוספין (שנמצא גם באטמוספירה של יופיטר) היה מצוי באטמוספירה הקדומה, הפך לפוספט באוקיינוסים קדומים וסייע בכך בתגובות ההצמדה.

לקריאה נוספת: אבולוציה – אסופה. ד' פרנקל, ל' פלד, ח' ברנהולץ, פרק ג', המרכז להוראת המדעים, . 1995