המרק הבראשיתי והאבולוציה של התא הראשון

מכיוון שאבני הבניין של התאים של כל היצורים החיים הידועים לנו הם החלבונים ואשר להם תפקיד מרכזי ביותר בקיום כל המערכות הביולוגיות (ומעל הכל בגלל התפקיד המרכזי של החלבונים במנגנון השכפול של התאים החיים) משערים גם שהתא הראשון היה בנוי מחלבון, אך נשאלת השאלה מניין הגיעו חלבונים לאוקיינוסים לפני 3.6 מיליארד שנה וכיצד הם התקיימו במים המלוחים של האוקיינוס ?

מאת: איגור דורפמן
לפני כ-3.6 מיליארד שנה, בתקופה שבה “הצטנן” כדוה”א מהטמפרוטורות הרותחות ששררו בו קודם לכן, בעקבות היווצרותו מתוך ענן הגזים הרותח שעתיד להפוך למערכת השמש, והתאפשר קיום מים בצורתם הנוזלית החל להתפתח התא החי הראשון שממנו עתידים להתפתח כל היצורים החיים על פני כדוה”א.
ההשערה המקובלת גורסת כי התא החי הראשון, שנקרא התא האירואטי, התפתח באוקיינוס הקדמון שנקרא גם “המרק הבראשיתי”.

מכיוון שאבני הבניין של התאים של כל היצורים החיים הידועים לנו הם החלבונים ואשר להם תפקיד מרכזי ביותר בקיום כל המערכות הביולוגיות (ומעל הכל בגלל התפקיד המרכזי של החלבונים במנגנון השכפול של התאים החיים) משערים גם שהתא הראשון היה בנוי מחלבון, אך נשאלת השאלה מניין הגיעו חלבונים לאוקיינוסים לפני 3.6 מיליארד שנה וכיצד הם התקיימו במים המלוחים של האוקיינוס ?!

תחילה, יש לציין כי אבני הבניין של החלבון הן חומצות אמינו (ישנן 20 חומצות כאלה) והמדענים גורסים שדווקא הן היו אלה שהופיעו במימי האוקיינוס הקדמון ולא החלבונים עצמם, אך עדיין נותרת השאלה, מניין הן הגיעו?

תחילה סברו כי חומצות האמינו הגיעו על מטאוריטים או אסטרואידים אך גרסה זו אינה נראית סבירה במיוחד לאור העובדה כי בעוברם על פני המטאוריטים דרך האטמוספרה של כדוה”א הם נחשפו לטמפרטורות גבוהות מאוד שהיו גורמות להריסתן. מכאן, מקור החומצות הוא על פני כדוה”א, אך היכן וכיצד?

לפני שנדון בשאלה זו יש לציין כי האטמוספירה של כדוה”א הצעיר היתה שונה בתכלית מהאטמוספירה של היום (החנקן והחמצן שמהווים היום למעלה מ-99% מהגזים באטמוספירה כלל לא היו קיימים באטמוספירה הקדמונית) הגזים שהרכיבו את האטמוספירה אז היו: אמוניה, מתאן, מימן ופחמן דו-חמצני בעיקר. בניסוי שערכו המדענים האמריקניים אוריי ומילר מאונ’ שיקאגו בשנת 1955 הם יצרו סביבה ע”פ הדגם של האטמוספירה הקדמונית ושילחו בה מכות חשמליות שניסו לדמות ברקים. להפתעתם הרבה, תוך זמן קצר החלו להיווצר חומצות אמינו (מסוגים שונים) בכמויות מרשימות.

זה המקום לציין כי הגזרה H2N היא אבן הבניין של חומצות האמינו ומופיעה בכולן, אם נתבונן בהרכב הכימי של הגזים שהרכיבו את האטמוספירה הקדמונית נראה כי הם : C2H4 (אמוניה), H3N (מתאן), H (מימן) ו- CO2 (פחמן ד-חמצני). מתוך ההרכב הנ”ל ניתן לראות שאם אכן פגעה מכה חשמלית בתערובת הגזים הזו כמו בניסוי של מילר ואוריי ויצרה מהן תרכובת כימית, הרי מספיק שיתנתק אטום מימן יחיד ממולקולת המתאן כדי שנקבל את הגזרה הדרושה לקיום חומצת אמינו (H2N) ובוריאציות שונות של התרכובת הנ”ל נוכל לקבל חומצות אמינו שונות (כלומר, בתערובת הגזים של האטמוספירה הקדמונית היו קיימות כל אבני הבניין הדרושות ליצירת חומצות אמינו).

אם בתיאור הניסוי הנ”ל ובמסקנותיו ניתן לתאר באופן משביע רצון את אופן היווצרותן של חומצות האמינו הרי עדיין נשאלת השאלה כיצד הן עברו שני מכשולים נוספים שהציבה בפניהן הסביבה הקדמונית העוינת , והם – המים המלוחים של האוקיינוסים והקרינה האולטרה-סגולה.

ידוע כי ריכוז גבוה של מלחים יהרוס מולקולות חלבון, ונשאלת השאלה כיצד חומצות האמינו שרדו במימי האוקיינוס. לכך קיימות שתי השערות עיקריות : הראשונה טוענת כי חומצות האמינו ששרדו התקיימו במים מתוקים כגון אגמים וכך נפתרת בעיית המליחות באופן מוחלט, והטענה השניה טוענת שמולקולות שומניות (פוספליפידים) שהיו קיימות במרק הבראשיתי יצרו בתגובה עם מים מלוחים ממברנות שומניות (לפואידים) אשר הגנו על פני חומצות האמינו מפני המלח. לטעמי, ההשערה השניה סבירה יותר מכיוון שאחוז המים המתוקים בכדוה”א הקדמון היה זניח לחלוטין לעומת אחוז המים המלוחים וכן מכיוון שההשערה השניה פותרת בצורה סבירה את בעיית הקרינה האולטרה-סגולה כפי שנראה בהמשך.

נעבור כעת לבעיה השניה שאיימה על קיומן של חומצות האמינו והיא הקרינה האולטרה סגולה אשר היתה בכדוה”א הקדמון חזקה הרבה יותר מהיום מכיוון שלא היתה קיימת שכבת האוזון שהוא תוצר כימי של חמצן (O3) שכפי שהוזכר קודם לא היה בנמצא באטמוספירה הקדומה. גם לבעיה הזו קיימות שתי השערות לפתרון אפשרי: האחת טוענת שחומצות האמינו התפתחו במעמקי האוקיינוסים שהקרינה בהם נמוכה מאוד (אך כאן שבה ועולה בעיית המליחות) והשניה טוענת שבימים בהם השמש היתה מוסתרת ע”י עננים ולא היתה קרינה, חומצות האמינו הספיקו להתחבר לחלבונים, השערה זו מבוססת בין השאר על ניסוי משנת 1971 שנערך באונ’ בירמינגהאם שבו התגלה כי ריכוז גבוה של חומצות אמינו יכול להתחבר לחלבונים בטווח של שעות עד שבועיים, מניסוי זה ניתן להסיק כי תוך זמן קצר יחסית של תנאים אטמוספריים מתאימים (ברקים ואי חשיפה לשמש) יכלו להיווצר כמויות עצומות של חומצות אמיניות שחלק ניכר מהן, קרוב לוודאי התחבר לחלבונים.

כנראה שיש מן האמת בשתי ההשערות (אם נקבל, כמובן, את התיאוריה בדבר קיום הממברנות השומניות שהיוו הגנה לחומצות האמינו מפני סביבתן, ההשערה הראשונה מהווה פתרון אלגנטי לבעיית הקרינה), יתר על כן בניסויים בשנות ה-70 של המאה הקודמת התגלה כי בתנאים מסוימים כתוצאה מתגובה כימית של מולקולת המים (H2O) לחשיפה לקרינה אולטרה סגולה בעוצמה גבוהה יכולות להיווצר חומצות אמינו, כך שלא ברור לחלוטין האם הקרינה האולטרה סגולה היתה לרועץ בתהליך היווצרות חומצות האמינו, אבל הדעה הרווחת היא שהקרינה האולטרה סגולה הזיקה יותר לתהליך, מאשר סייעה לו.

ובכן, ראינו שחלבונים, קרוב לוודאי, יכלו להיווצר במרק הבראשיתי. כעת נותר לראות כיצד החלבונים הללו הפכו לתאים חיים.

היצורים החיים הקדמונים ביותר שהמאובנים שלהם נמצאו הן אצות כחוליות וירוקיות (יצורים חד-תאיים פרימיטיביים שמהווים את אבות כל הצומח) ושל כמה חיידקים חד-תאיים. התאים הראשונים היו שונים בהרבה מהתאים של רוב בע”ח המורכבים הקיימים היום (וגם של בע”ח פרימיטיביים הקיימים כיום) והמאפיין העיקרי של אותם תאים שבעקבותיו ניתן להגדיר את התאים כחיים הוא התרבות.

החלבונים שנוצרו במרק הבראשיתי יצרו כנראה מולקולה מורכבת של חלבונים שהיתה בעלת היכולת להשתכפל, מה שהיה מין מולקולת דנ”א פרימיטיבית. הקרום השומני שהכיל את המולקולות הללו בתוכו היה הקרום של התא החי הראשון. מולקולת הדנ”א הראשונות לא היתה עטופה בגרעין אלא כנראה היתה בעלת תנועה חופשית בתוך חלל הקרום בצורה דומה לפלסמידים (גדילי דנ”א) שניתן לראות גם כיום ביצורים חד-תאיים. בגלל התנאים הקיצוניים ששררו באטמוספירה הקדומה עברה אותה מולקולה הליות שינויים רבים באופן תדיר למדי עד שהתפתחה לצורה המזכירה את מולקולת הדנ”א “המודרנית”.

כנראה, בחלוף פרק זמן מסוים התפתחה מולקולה דמוית מולקולת כלורופיל שנמצאת כיום בצמחים ירוקים המאפשרת לצמחים לבצע פוטוסינתזה שכתוצר ממנה נפלט חמצן.

עם ההתפתחות האבולוציונית של היצורים החד-תאיים ליצורים חיים מורכבים יותר ועם הגידול המתמיד של אחוז החמצן באטמוספירה כתוצאה מהפוטוסינתזה של האצות הירוקות והכחוליות (ושל צמחים שהופיעו על היבשה, כתוצאה מפיזור זרעים באיזורים הסמוכים לחופים, לפני כמיליארד שנה) התאפשרה התפשטות של החיים אל היבשה לפני כ-450 מיליון שנה.

מכאן ואילך האבולוציה התקדמה בקצב מהיר מאוד כאשר השליטה על היבשה היתה של הזוחלים (שאבותיהם הראשונים הופיעו לפני כ-380 מיליון שנה לאחר שהתפתחו מדו-חיים פרימיטיביים שהיו קיימים עד אז) שלשיאה הגיעה לפני כ-200 מיליון שנה בתקופת הדינוזאורים.

לפני כ-65 מיליון שנה נכחדו באופן פתאומי ומהיר מאוד כל הדינוזאורים (כנראה כתוצאה מפגיעת מטאוריט ענק בכדוה”א) ובכך איפשרו את עלייתם של בעלי הדם החם (העופות והיונקים שעד הכחדת הדינוזאורים מנו כמה מינים בודדים של יצורים זעירים דמויי חדפים) ששומרים על דומיננטיות בעולם החי עד היום.

* הערת העורך, בכל זאת, אם במקרה האסטרואידים או השביטים נוחתים בזוית נמוכה ובמהירות נמוכה, החומרים שבהם לא מתפרקים.

עוד בנושא באתר הידען:

• החומר הבראשיתי שונה ממה שסברו עד כה
• המרק הבראשיתי והאבולוציה של התא הראשון
• החמצן שלפני מהפכת החמצן
• הייתכן כי הרי געש הם שסיפקו את הניצוצות לחיים הראשונים?