היצורים החיים על-פני כדור-הארץ מופיעים במגוון רחב של גדלים, אך כולם צאצאים של האורגניזמים החד-תאיים הראשונים שיישבו את כוכב-הלכת. איך ומתי הפכו החיידקים המזעריים ללווייתני ענק?
"דוד רועי, איך זה שהדינוזאור כל-כך גדול?"
זו היתה השאלה עמה הייתי צריך להתמודד בביקור האחרון של משפחתי בתערוכת הדינוזאורים של מוזיאון המדע בחיפה. השואל, זאטוט קטן ושובב ששמו בישראל יהונתן, בהה בפליאה בשלד המשוחזר של מר רקס, טירנוזאורוס רקס, ושאל את השאלה שעלתה בוודאי במוחותיהם של רבים, ועדיין אין לה תשובה טובה. היצורים החיים על-פני כדור-הארץ מופיעים במגוון רחב של גדלים, אך כולם צאצאים של האורגניזמים החד-תאיים הראשונים שיישבו את כוכב-הלכת. איך ומתי הפכו החיידקים המזעריים ללווייתני ענק?
לפי ג'ונתן פיין, פרופסור עוזר למדעי הגיאולוגיה והסביבה באוניברסיטת סטאנפורד, "זה קרה בשתי קפיצות גדולות בעיקר, ובכל פעם, גודל החיים המקסימלי עלה בערך פי מליון." פאיין ותריסר פלאונתולוגים וחוקרי אקולוגיה אחרים מעשרה מכוני מחקר שונים, סרקו את הספרות המדעית, איחדו את מאגרי הנתונים שלהם והתייעצו עם מומחים למדעי החיים. כל זאת כדי לקבוע מה היה גודל החיים המקסימלי לאורך הזמנים הידועים לנו. אכן, משימה גדולה מהחיים.
למרות יומרנותה של המטרה הסופית, הדרך היתה קלה יותר מהמצופה, מכיוון שאפילו המומחים במדעי החיים מתפעלים מגודלם של המאובנים. "הדבר הנחמד בגודל המקסימלי הוא שאנשים נוטים לציין מאובנים גדולים מאד, כך שהרבה יותר קל למצוא אותם בספרות הגיאולוגית מכל דבר אחר," אמר פאיין.
בנוסף לכימות הקפיצות הגדולות בגודל, החוקרים הצליחו גם לתעד את אותן קפיצות בזמן, וקבעו כי שתי הקפיצות מתאימות לתקופות בהן היתה עליה משמעותית בכמות החמצן באטמוספירה. המאמר המלא של פאיין ועמיתיו הופיע ב- 22 לדצמבר, 2008, במהדורה המקוונת של כתב העת היוקרתי Proceedings of the National Academy of Sciences. שני החוקרים הראשיים האחרים בקבוצה הם מיכאל קוולנווסקי מוירג'יניה-טק וג'ניפר סטמפיין מאוניברסיטת קולוראדו-בולדר.
כשמסתכלים על הנתונים במאמר, ניתן לראות כי התאים החיידקיים הראשונים מתוארכים לתקופה של בערך 3.4 מיליארד שנים לפני זמננו, למרות שסביר להניח שהחיים צצו כמה מאות מליוני שנים לפני-כן. לפני 2.7 עד 2.4 מיליארד שנה החלו להופיע הציאנובקטריה, שהיו הראשונים המסוגלים לבצע פוטוסינתזה ולמלא את האטמוספרה בחמצן – אותו חמצן שאיפשר, כפי הנראה, את קפיצות הגודל.
"כל החמצן באטמוספרה קיים, בסופו של דבר, בזכות האבולוציה של הציאנובקטריה," אמר פאיין. "מקורה של יכולתם של הצמחים כיום להפיק חמצן בפוטוסינתזה, הוא בציאנובקטריה."
עד למיליארד ושש-מאות אלף שנים לפני זמננו, נותרו החיידקים צורות החיים הגדולות ביותר על פני כדור-הארץ. אך בנקודה זו ניתן למצוא צורת חיים חדשה במאגר המאובנים. "הקפיצה הראשונה בגודל המקסימלי מתרחשת כשהאורגניזמים האיו-קריוטיים הראשונים מופיעים כמאובנים," אמר פאיין. "והמאובנים הללו גדולים בערך פי מיליון מכל דבר שהגיע לפניהם לכדור-הארץ."
למרות שסביר להניח שהמאובנים האיו-קריוטיים הראשונים היו בעצמם חד-תאיים, לאיו-קריוטים יש מבנה יחודי, הכולל אברונים תוך-תאיים: הגרעין הוא האברון בו הדנ"א מוגן מתנאי הסביבה, האנרגיה מופקת באברון הנקרא מיטוכונדריון, מערכת השינוע ממוקמת באברון הנקרא גולג'י וכן הלאה. "מאגר המאובנים מראה די בבירור שאתה צריך תא איו-קריוטי כדי לעשות את הקפיצה הראשונה הזו בגודל," אמר פאיין. "זה לא סתם שהחיידקים לא הגיעו לשם באותה מהירות, אלא שהחיידקים לא הגיעו לשם לאחר 1.6 מיליארד שנים נוספות."
במשך מיליארד השנים הבאות, החיים על האדמה נשארו בערך באותו גודל, עם גדילה צנועה בלבד. ואז, לפני 600 מליון שנה בלבד, החיים קפצו בגודל בשנית, בהתאמה לגדילה שבכמות החמצן באטמוספרה. גם הפעם הקפיצה היתה בסדר גודל של פי מיליון, אך החיים עברו ממבנה של חד-תא לרב-תא. לפי פאיין, איו-קריוטים רב-תאיים התקיימו כמה מליוני שנים לפני הקפיצה הגדולה, אך הזינוק העצום בגודל לא אירע עד שרמת החמצן עלתה גם היא.
מדוע נראה שהקפיצות בגודל תלויות בכמות החמצן באוויר?
"יש כמה דברים שיכולים להיות קשורים," אמר פאיין. "הראשון הוא שתאים איו-קריוטיים זקוקים לחמצן במטבוליזם שלהם. כך שאם הם רוצים לקחת חומר אורגני ולשרוף אותו לאנרגיה בתוך התא, הם זקוקים לחמצן. זוהי המגבלה הראשונה וקרוב-לוודאי החשובה ביותר." מגבלה זו תקפה גם לאיו-קריוטיים הרב-תאיים, התלויים גם הם באספקת חמצן מהאוויר.
פאיין אינו בטוח באותה המידה בסיבה לעליות באחוז החמצן באטמוספרה. סביר להניח שהעליה הראשונה באחוז החמצן הגיעה מכיוון שהציאנובקטריה התרבו בשפע וייצרו כמות גדולה של חמצן. הסיבות האפשריות לקפיצה השניה באחוז החמצן אינן ברורות באותה המידה, אך ההתאמה בין הזינוקים בגודל ובאחוז החמצן ברורה, לפי פאיין, ומתפרשת על פני מינים רבים לאין-ערוך.
"נראה שהדבר הזה ששולט בעליית הגודל השניה, פועל בקבוצות רבות ושונות. זה אינו משהו שמגביל קבוצה אחת בלבד," אמר. "נראה גם שיש עליה אפילו בגודל המקסימלי של קבוצות אורגניזמים כאצה הרב-תאית, כך שכנראה שהעליה בגודל אינה מוגבלת רק לחיות."
חסכתי את כל ההסברים מאחייני בן החמש, והסתפקתי בהסבר קצר (ולא מדעי במיוחד) שעודף חמצן הוא זה שעודד את אבולוציית הגדילה המואצת של הדינוזאורים. השאלה הבאה ששאל היתה טובה לא-פחות: "מתי גם אנחנו נגדל ככה?" ולמרות שלא היתה לי תשובה, פאיין היה מוכן לחזות את העתיד.
"תהינו על החלק הזה, וקצת חשבנו מה יקרה אם נעלה מדרגה נוספת," אמר פאיין. "השלב הבא של הארגון, לפי התבנית מסוג זה, יהיה כנראה משהו בדומה לחברות החרקים, בהן יש לך איו-קריוטיים רב-תאיים יחידים, המתמחים בתפקידים שונים שהם מבצעים, בתוך ארגון גדול יותר של אותם יחידים. השלב הארגוני הבא, במובן מסויים, יכול להיות מושבת נמלים או חברה אנושית.
אבל, אם נסתכל על החברה האנושית כדוגמא, אנו משתמשים בכל-כך הרבה מהמשאבים הראשיים של כדור-הארץ, שלא נראה שיהיה מקום למינים רבים בגודל מקסימלי, בשלב הארגוני הבא. בנקודה זו, אנו למעשה מגיעים למגבלות הגודל הפיזי המוטלות עלינו מתוך גודלו של כוכב הלכת."
האמנם? כפי שהבטחתי לאחייני – "כשתגדל, תראה."