החיים על פני כדור הארץ נוצרו במעיינות חמים געשיים, לא בים, כך מרמזות הוכחות חדשות

בעודה עולה על גדת הערוץ, דיוקיץ מועדת פתאום בחזרה למטה. האם איבדה את שיווי משקלה? כדי למנוע את נפילתה, ון קרננדונק מושיט את ידו ודוחף אותה בחזרה למעלה. בתגובה, היא צווחת, אומרת משהו לא ברור, ולבסוף מגמגמת: “עכ..כ…כ..ביש!” דיוקיץ לא נפלה כלל. היא נסה על נפשה, בעודה מנסה לסלק את קורי העכביש העבותים שליפפו אותה. לעכבישים יש שם רע באוסטרליה, ובצדק. בחשיכה, אין זה רעיון טוב להניח שנתקלתם במקרה בעכביש בלתי מזיק.

הסיבה שבגללה גיששנו את דרכנו בפִּילְבָּרָה בלילה היא כי בילינו את היום מוקסמים מתגלית חדשה שגילתה דיוקיץ באבני משקע בנות 3.48 מיליארדי שנים הקרויות תצורת דרסר. חלק מן האבנים עשויות שכבות מקומטות כתומות ולבנות, הקרויות גייזריט, והן נוצרו על ידי פעילות של גייזר געשי. האבנים הכילו בועות שנוצרו כשגז נלכד בשכבת בוץ דביקה, ככל הנראה גז שנוצר על ידי שכבה דקיקה של יצורים דמויי חיידקים. האבנים בעלי סימני השכבה החיידקית תמכו ברעיון חדש לפתרון אחת התעלומות העתיקות ביותר בעולמנו: כיצד ואיפה התחילו החיים. העדויות הורו על בריכות ועל מעיינות חמים געשיים, ביבשה, לפני כ-3.5 מיליארדי שנים.

זוהי תמונה שונה לגמרי באשר לראשית החיים מזו שציירו מדענים מאז 1977. זו הייתה השנה שבה צוללת המחקר אלווין גילתה נביעות הידרותרמיות בקרקעית האוקיינוס השקט, הפולטות מינרלים המכילים ברזל וגופרית וגזים כמו מתאן ומימן גופרי, וסביבן חיידקים פרימיטיביים ותולעים גדולות. זו הייתה מערכת אקולוגית משגשגת. ביולוגים שיערו שנביעות כאלה, המוגנות מן האסונות שהחריבו את אדמת כדור הארץ לפני ארבעה מיליארד שנים, יכלו לספק את האנרגיה, את חומרי המזון ואת ההגנה הדרושים להיווצרות החיים. אבל סברה זו בעייתית. הבעיה הגדולה ביותר היא שבאוקיינוס יש הרבה מים, והמולקולות הנחוצות עלולות להתפזר בו במהירות רבה מכדי להגיב וליצור קרומי תאים וחילוף חומרים פרימיטיבי.

כעת, אני ואחרים סבורים שבריכות יבשתיות המתייבשות ומתמלאות מים באופן מחזורי עשויות להיות מקומות מוצלחים בהרבה להיווצרות החיים. בבריכות יש חום שממריץ תגובות כימיות, תקופות יובש שבהן מולקולות מורכבות, הקרויות פולימרים, יכולות להיווצר מיחידות פשוטות יותר, תקופות שופעות מים המציפות את הפולימרים האלה, ושוב תקופות יובש המשקיעות אותם בחללים זעירים שבהם הם יכולים להגיב זה עם זה ואפילו להתרכז לכדי מדורים של חומצות שומן – אבות הטיפוס של קרומי תאים. דיוקיץ גילתה עדויות גאולוגיות מוצקות לכך שדרסר, כעת שממה צחיחה, דמתה פעם לבריכות המהבילות והגייזרים המתפרצים של פארק ילוסטון בארה”ב, שדה גאותרמי פעיל. ובכל מקום בתצורת דרסר יש סימנים מאובנים לחיים הקשורים קשר הדוק למערכת עתיקה של מעיינות חמים. על אף שתצורת דרסר אינה האתר שבו החלו מרבית החיים הפרמיטיביים חצי מיליארד שנים קודם לכן, היא הדגימה לנו שאתרים הידרותרמיים יבשתיים היו קיימים מוקדם מאוד בהיסטוריה של כדור הארץ. צ’רלס דרווין שיער, כבר ב-1871, שחיים חיידקיים נוצרו “באגמון חמים כלשהו”. כמה מדענים מתחומים שונים סבורים כעת שמחברו של הספר “מוצא המינים” גילה באופן אינטואיטיבי תגלית חשובה. וההשלכות של רעיונות אלו מגיעות הרחק מעבר לכוכב הלכת שלנו: בחיפוש אחר חיים נוספים במערכת השמש, תיאוריה שדוגלת בהתפתחות חיים ביבשה יכולה לכוון אותנו למקומות ולכוכבי לכת השונים מאלו שהיינו מחפשים על סמך תיאוריית התפתחות חיים באוקיינוס.

מרוסיה באהבה

עשר שנים לפני המפגש של דיוקיץ עם קורי העכביש, אחד מאיתנו (דימר) הראה שמעיינות געשיים יכולים לעודד היווצרות של מדורים עשויים קרומים, החיוניים לתחימת תאים חיים באשר הם. דימר הוביל קבוצת מדענים להר הגעשמוּטנוֹבסקי, הר געש פעיל בחצי האי קמצ’טקה במזרח הרחוק הרוסי. הקבוצה חקרה אתר המדמה את התנאים על פני כדור הארץ לפני ארבעה מיליארד שנים, לפני היווצרות החיים. ההשערה של דימר הייתה שכשאבני בניין מולקולריות פשוטות נחשפות למחזורי יובש-רטיבות, המאפיינים מעיינות חמים יבשתיים, הן עשויות להתחבר לכדי פולימרים ארוכים יותר הנושאים מידע, כמו חומצות גרעין, הדרושים לצמיחה ולרבייה של חיים פרימיטיביים. פפטידים, פולימריים חיוניים נוספים, עשויים להיווצר מחומצות אמיניות באותם תנאים. וצעד חיוני נוסף, אבני בניין אחרות, הקרויות ליפידים, עשויות להתחבר לכדי מדורים מיקרוסקופיים שיכולים לאכסן את הפולימרים נושאי המידע ולהגן עליהם. החיים צריכים את כל התרכובות האלה כדי להתחיל, ובמוטנובסקי יש שפע מעיינות חמים וגייזרים ובהם אפשר לבחון את ההשערה הזאת.

1.

2.  

3.

דימר הביא עמו בקבוק אבקה לבנה שהכילה חומרי גלם שהיו ככל הנראה זמינים בכדור הארץ לפני היווצרות החיים, ובכללם ארבע חומצות אמינו וארבעת הבסיסים הכימיים המרכיבים את חומצות הגרעין המצויות בטבע, וכן פוספאט, גליצרול וליפידים. הוא שפך את התערובת למרכזו של מעיין קטן, רותח. בתוך דקות, צץ קצף לבן סביב שולי המעיין. הקצף היה מורכב מאין ספור שלפוחיות זעירות, שכל אחת הכילה תרכובות שהיו קיימות במרק המקורי. אם המדורים יתייבשו סביב קצות השלולית, האם תכולתם, שכבר הייתה צפופה, תתחבר לכדי פולימרים? האם זה יכול להיות קרש הקפיצה לקראת החיים הראשונים? בחזרה במעבדה, בחנו דימר ועמיתיו את הרעיון על ידי ערבוב חומצות גרעין פשוטות הקרויות נוקלאוטידים, עם ליפידים. התערובת עברה מחזורי הרטבה וייבוש בתנאים חומציים ובטמפרטורות גבוהות כמו אלו השוררים בבריכת קמצ’טקה. התוצאה: פולימרים באורך של 10 עד יותר מ-100 נוקלאוטידים. מחקרי המשך שנעזרו בדיפרקציה של קרני X, הראו שהפולימרים דומים לחומצה ריבונוקלאית, כלומר רנ”א. יותר מזה, הפולימרים האלה היו עטופים בליפידים כך שנוצרו אין־ספור מדורים מיקרוסקופיים הקרויים קדם-תאים (protocells). אף שאינם חיים, הם מהווים בבירור צעד חשוב לקראת היווצרות חיים.

דימר ביצע רק מעט מחזורי רטיבות-יובש, ובניסוייו התקבלו מולקולות פשוטות באופן יחסי. עמית שלו ממדעי המחשב באוניברסיטת קליפורניה בסנטה קרוז, ברוס דיימר, סבור שמחזורים רבים יותר יוסיפו סממן חשוב נוסף: הישרדות המתאימים ביותר. כל מחזור התייבשות, סבור דיימר, יגרום לקרומי הליפידים של השלפוחיות הקטנות להיפתח, ויאפשר לפולימרים ולאבני בניין נוספות להתערבב. במהלך מחזור הרטיבות הבא, קרומי הליפידים יעטפו מחדש בתערובות פולימרים שונות, שכל אחת מהן מייצגת מין ניסוי טבעי. הסיכוי של קדם-תאים מורכבים יותר לשרוד גבוה יותר בגלל התערובת המולקולרית המגוונת יותר שמייצבת את הקדם-תאים בתנאים סביבתיים שונים. כך, סדרה אחת של מולקולות תעזור בתנאי סביבה מסוימים, ואילו סדרה שנייה בתנאים אחרים. קדם-תאים אלו ישרדו אפוא ויעבירו את סדרות הפולימרים האלה לדור הבא, וכך יעלו במעלה הסולם האבולוציוני. דיימר הבין שהמודל הזה דומה למין מחשב כימי “המאתחל” את תפקודי החיים, החל ב”תוכנות” אקראיות שכתובות בצורת פולימרים.

ב-2015 הוסיף דיימר שלב שלישי למחזור בעל שני החלקים: שלב ביניים בין רטוב לבין יבש. הרעיון עלה במהלך טיול שדה עם המחברים לתצורת דרסר בחיפוש אחר סטרומטוליטים, שהם שכבות מאובנות של משטחים חיידקיים ומן העדויות המוקדמות ביותר לחיים על פני כדור הארץ. דיימר צעד במדבר על יד סלעי גרניט שכינויים גבעת הגלריה, והם מכוסים חריטות סלע של האבוריג’ינים המכונות פטרוגליפים. בדרך, הוא הבחין במשטחים מיקרוביאליים חומים ויבשים בשקעים קטנים בסלעים. מתוך סקרנות, שפך דיימר מים על המשטחים, והם חזרו מיד לחיים, והפכו ירוקים ודמויי ג’לי. הוא הבין שאם מחזורי רטיבות יובש במעיינות המקוריים היו כוללים גם שלב לח, שבו הקדם-תאים ששרדו היו מצטופפים יחדיו בג’לי דומה, פולימרים ואבני בניין היו יכולים להתערבב ולהתחלף זה עם זה דרך המחסומים של קרומי הליפידים. קהילה זו של קדם-תאים המשתפים ביניהם פעולה הייתה יכולה לספק אפילו יותר הזדמנויות לאתר את המולקולות המוצלחות ביותר לצורך הישרדות. למעשה, ארבעים שנה לפני כן, המדענים ג’ורג’ פוקס וקרל ווזהמנוח הציעו את המונח “פרוגנוט” בעבור שלב קדום שיתופי כזה. פוקס אמר לדיימר שמונח זו תואם את הג’ל הקדם-תאי שלו.

מעיינות חדשנות

הבועות והרכב המינרלים שמצאה דיוקיץ בתצורת דרסר לימדו על סיכוי גבוה להתרחשות המחזור התלת-שלבי, ואנחנו פרסמנו את הראיות במאי 2016 ב-Nature Communications. לאחר שהבנו שתצורת דרסר הייתה מלאה מעיינות חמים במערכת גאותרמית, התברר לנו שהיא גם הכילה רבים ממרכיבי המפתח והמבנים הארגוניים הדרושים להיווצרות חיים. היה שם מקור אנרגיה בצורת זרם נוזלים הידרותרמיים, עשירים במימן, שחוממו על ידי המגמה שמתחת. האבנים הכילו שפע של היסוד בור (B), החיוני בסינתזה של ריבוז, סוכר המרכיב חומצות גרעין כמו רנ”א. בדרסר יש גם פוספאטים המתמוססים מתוך הסלעים ונמהלים בזרם הנוזלים הגאותרמיים החומציים. פוספאט הוא מרכיב חשוב בחומצות גרעין, אך משמש גם את כל צורות החיים באשר הן כ-ATP (אדנוזין תלת-פוספאט, המולקולה המספקת אנרגיה בתוך תאים). בנוסף, בארובות הידרותרמיות ובמשקעים של אגמים געשיים שהתנדפו אפשר למצוא ריכוזים גבוהים של אבץ ושל מנגן, יסודות המצויים באנזימים רבים בציטופלסמה של תאים מכל ענפי עץ החיים. לבסוף, בתצורת דרסר יש גם חרסית, היכולה לזרז יצירת מולקולות אורגניות מורכבות בגלל שהיא מכילה שכבות מינרליות טעונות במטענים חשמליים.

ייתכן שהדבר המרגש ביותר לגבי דרסר, כאתר המדמה את היווצרות החיים הוא הגיוון המדהים שלו, משום שבתחום מדע זה, גיוון הוא בהחלט תבלין החיים. תצורת דרסר יבשה וסלעית כיום, אבל בימי קדם, שדות של מעיינות גאותרמיים חמים כמו אזור זה הכילו מאות רבות של בריכות, כל אחת עם רמות שונות מעט של חומציות, טמפרטורה, יונים מומסים וגרסאות כימיות נוספות. המורכבוּת הכימית גבוהה בשדות כאלה כי הם מכילים שלושה ממשקים פעילים ביותר – בין מים לבין סלע, מים ואוויר, וסלע ואוויר. לשדות יש גם טמפרטורות שונות בנקודות שונות. הכפילו את כל אלו זה בזה: מחזורי הרטיבות-יובש המתרחשים כמה פעמים ביום (כמו בגייזרים בילוסטון), כימיה מגוונת של הבריכות, ממשקים פעילים במיוחד מבחינה כימית, היכולת של הבריכות להעביר ביניהן תרכובות בעוד הגייזרים משפריצים את תכולתן הלוך ושוב, ורשת תעלות תת-קרקעיות כתוצאה מסדקים, מלאות נוזלים המחברות את הבריכות זו לזו. כשמביאים בחשבון את כל אלו, נראה ששדה גאותרמי של 100 מעיינות יכול לייצר מיליון צירופי תנאים או אף יותר מדי שנה!

כל אגם חמים הופך “לבריכת חדשנות”, כעין מצע ניסוי שבו שילובים מותאמים יותר של מולקולות צצים במהירות ומוצאים דרכים לצמוח ולהתרבות או לחלופין שילובים לא מוצלחים נזנחים ואינם מסוגלים לענות על הדרישות. סביר להניח שנדרש שיעור עצום של שילובים כדי לייצר את הגרסה הפרימיטיבית הראשונית של חיים, ושהתהליך ארך מאות מיליוני שנים. אבל מספר השילובים בשדות גאותרמיים יבשתיים מרמז שחיים יכולים היו להיווצר ולהתחיל להתפתח אפילו בתוך 10 מיליוני שנים, ושהשלבים הראשונים יכלו להתחיל ברגע שנוצר בין האוקיינוסים קרום יבשתי יציב מנוקד באדמות געשיות, לפני קצת יותר מארבעה מיליארד שנים.

ים של מחלוקות

לא כולם מסכימים שמעיינות חמים יבשתיים הם האתר הסביר ביותר להיווצרות החיים. השערת הארובות בעומק הים עדיין חיה ובועטת. במעבדה להנעה סילונית של נאס”א, פיתח הביוכימאי מייק רסל את תגלית הארובות ההידרותרמיות המקורית של אלווין לכדי מודל חלופי ואלגנטי, גם אם עדיין לא מוכח. על פי רעיון זה, קרומים מינרליים היוצרים חורים זערוריים בסלעי הארובות מפרידים תחילה בין המים הבסיסיים של הארובות ובין מי האוקיינוס החומציים יותר. הדבר מייצר הפרש חומציות של כמה יחידות pH, בדומה להבדל בין תמיסת אמוניה ביתית ובין כוס מיץ תפוזים. הפרש החומציות הוא צורת אנרגיה שאפשר להשתמש בה: תאי חיידקים מודרניים עושים בדיוק כך כדי לייצר את ה-ATP שהם זקוקים לו. יש מקור נוסף של אנרגיה בארובות, בתערובת של גזים מומסים כמו מימן ופחמן דו-חמצני. רסל ועמיתיו הציעו שכשפחמן דו-חמצני במי האוקיינוסים הקדמוניים התערבב עם מימן מן הארובות, העברת אלקטרונים מן המימן לפחמן הדו-חמצני יכלה לסנתז מולקולות אורגניות מורכבות יותר. לדעתם, המדורים המינרליים דומים לתאים, והאנרגיה של הפרשי ה-pH והמימן הייתה יכולה בסופו של דבר להתפתח לכדי חילוף חומרים פרימיטיבי ששימש את צורות החיים המוקדמות ביותר. לשתי ההשערות, זו של המעיינות החמים וזו של הארובות במעמקי האוקיינוס יש השלכות מרחיקות לכת. מעבר להתוויית כיוון המחקר העתידי על האופן שבו החלו החיים על פני כדור הארץ, הן מכוונות לגישות שונות לחיפוש חיים בכוכבים ובירחים אחרים. אם השערת הארובות נכונה, הרי שכדאי לחפש חיים באוקיינוסים הקפואים של אנקלדוס ואירופה. מצד אחר, אם המודל שלנו על מעיינות חמים נכון, עולמות אלו אינם צפויים לתמוך בהיווצרות חיים.

מה לגבי מאדים? על אף שיש עדויות טובות לקיומן של ימות רדודות בעברו הרחוק של מאדים, יש אך מעט סימנים לאוקיינוס גלובלי או לאזורי תנועה טקטונית כמו אלה שיצרו ארובות הידרותרמיות בכדור הארץ. אם היווצרות החיים תלויה בארובות, לא סביר שיש חיים בכוכב הלכת האדום. אבל אם החיים בכדור הארץ נוצרו במעיינות חמים יבשתיים, ייתכן שנוצרו חיים גם במאדים, מכיוון שהיו בו מרכיבי המעיינות החמים, כלומר פעילות געשית ענפה ומים. ואכן, ב-2008, איתר רכב השטח ספיריט משקעי מעיינות חמים בני 3.65 מיליארדי שנים בגבעות קולומביה במאדים, בערך בני אותו גיל כמו המעיינות החמים של דרסר, ששימרו באופן מעולה הוכחות קדומות לחיים בכדור הארץ.

יש דרך ארוכה לפני שיהיה אפשר להוכיח את אחד משני המודלים, זה של הארובות באוקיינוס או זה של המעיינות החמים היבשתיים. מקורות החיים הם כמו תצרף מרובה חלקים, ואין לנו די ידע כדי להניח כל פיסה במקומה הנכון. בתצורת דרסר, למשל, איננו מבינים מה גורם ליסודות מסוימים להתרכז בבריכות שונות, כיצד השדות הגאותרמיים מתפתחים לאורך זמן, או כיצד הסביבות הכימיות השונות שלהם מגיבות לצורך בנייה של מולקולות אורגניות או פירוקן. אנחנו צריכים לתכנן ניסויים מתוחכמים יותר לחקר הכימיה של טרום החיים בסדרה של בריכות חמות קטנות, כדי לבדוק כיצד נוצרות מולקולות אורגניות מורכבות וכיצד הן מגיבות ומתחברות כשהן עטופות בקרומים של ליפידים.

הן ביבשה והן בים, חוקים כימיים ופיזיקליים סיפקו מסגרת מועילה לחקר שאלות מסוימות אלו, והתגליות הגאולוגיות והכימיות שתוארו כאן ממלאות חלקים מן התצרף. מה שמרגש הוא שכעת אפשר לראות דרך לקראת פתרון.