האם אסימטריה של מולקולות ביולוגיות בטבע מקורה בחלל?

מולקולות מסוימות קיימות בשתי צורות דומות שהינן תמונות ראי סימטריות אחת של השנייה: הן מוכרות כמולקולות כיראליות. בכדור הארץ, המולקולות הכיראליות ההכרחיות לחיים, בעיקר חומצות אמינו וסוכרים, קיימות בצורה אחת בלבד

חומצות אמינו בחלל. איור: נאס"א
חומצות אמינו בחלל. איור: נאס"א

מולקולות מסוימות קיימות בשתי צורות דומות שהינן תמונות ראי סימטריות אחת של השנייה: הן מוכרות כמולקולות כיראליות. בכדור הארץ, המולקולות הכיראליות ההכרחיות לחיים, בעיקר חומצות אמינו וסוכרים, קיימות בצורה אחת בלבד – או הצורה השמאלית או הצורה הימנית. מדוע שהחיים "יבחרו" מלכתחילה בצורה אחת בלבד מבין השתיים?

קבוצת חוקרים מצרפת הצליחה לקבל, לראשונה אי-פעם, עודף של מולקולות "שמאליות" (ואז גם עודף של מולקולות "ימניות") בתנאים המחקים את אלו הקיימים בחלל הבין-כוכבי. ממצא זה מחזק את ההשערה כי הסימטריה של מולקולות ביולוגיות המצויות בכדור-הארץ מקורה בחלל החיצון. החוקרים גם מחזיקים בדעה כי ערפילית השמש (המונח בוויקיפדיה) נוצרה באזור של כוכבים כבדים. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי The Astrophysical Journal Letters.

מולקולות כיראליות הינן מולקולות הקיימות בשתי צורות דומות (אננטיומרים) המהוות תמונות ראי סימטריות אחת של השנייה, אחת הינה "ימנית" והשנייה "שמאלית". לדוגמא, שתי הידיים שלנו הן דוגמא למבנים כיראליים מכיוון שהן קיימות בשתי צורות, הימנית והשמאלית, שהיחס הסימטרי ביניהן הוא כשל תמונות ראי, והן חופפות רק כאשר נציב אותן אחת מול השנייה ולא אחת מעל השנייה. רוב המולקולות הביולוגיות הינן כיראליות, עם העדפה לצורה אחת מתוך מספר אפשרויות (שתיים, או יותר).

לדוגמא, החומצות האמינו המרכיבות את החלבונים קיימות בטבע רק באחת מהצורות האננטיומריות מהשתיים האפשריות – הצורה השמאלית (L). מאידך גיסא, מולקולות הסוכר הקיימות בסליל הדנ"א של היצורים החיים קיימות בצורה הימנית בלבד (D). התכונה הזו, שבה מולקולות אורגניות של יצורים חים קיימות רק בצורה אחת מהצורות המבניות שלהן, מכונה הומו-כיראליות (homochirality, המונח בוויקיפדיה).

מהו מקורה של סימטריה זו במערכות ביולוגיות? כיום רווחות בעולם המדע שתי השערות מתחרות: הראשונה מניחה כי החיים נוצרו מתערובת שהכילה 50% של האננטיומר האחד ו- 50% של האננטיומר השני (תערובת המכונה "תערובת רצמית"), וכי תכונת ההומו-כיראליות הגיחה בהדרגתיות במהלך האבולוציה. ההשערה השנייה מניחה כי האסימטריה שהובילה להומו-כיראליות קדמה להופעת החיים, ומקורה בחלל החיצון. השערה זו נתמכת ע"י תצפית של עודף בצורת ה- L של חומצות אמינו מסוימות שבודדו ממטאוריטים קדומים. בהתאם לתרחיש זה, חומצות אמינו אלו נוצרו באופן לא-ראצמי בחלל הבין-כוכבי והועברו לכדור-הארץ ע"י מטאוריטים וחלקיקי שביטים.

על-מנת לחזק עוד את ההשערה הזו, החוקרים הכינו תחילה במעבדה אנאלוגים של חלקיקי קרחונים בין-כוכביים ושביטיים. ההיבט החדשני במחקר היה בכך שהחלקיקים נחשפו לקרינה על-סגולה מקוטבת, המדמה את התנאים שהיו קיימים בסביבות חלל מסוימות. כאשר החלקיקים חוממו, נוצרו משקעים אורגניים.

בדיקה מקיפה של תערובת זו חשפה כי היא מכילה עודף אננטיומרי משמעותי של חומצת אמינו כיראלית אחת – אלאנין. שיעור העודף, שהיה מעל 1.3%, דומה לשיעור שנמדד במטאוריטים הקדומים. כלומר – החוקרים הצליחו ליצור, בתנאים הדומים לאלו שקיימים בחלל החיצון, מולקולות אסימטריות הקיימות בעולם החי מתערובת שלא הכילה חומרים כיראליים. זו הייתה הפעם הראשונה שהתרחיש המסביר את מקורה של אסימטריה זו הודגם הלכה למעשה במעבדה באמצעות ניסוי שבו התרחשה סינתזה טבעית לחלוטין.

ממצאים אלו מחזקים את ההשערה כי מקור ההומו-כיראליות הינו בחלל החיצון וכי הוא קדם להופעת החיים על-פני כדור-הארץ. בהתאם לתרחיש זה, הופעתו של חומר אורגני מהחלל החיצון המכיל עודף אננטיומרי, שנוצר באמצעות תהליך אסטרופיסיקלי אסימטרי (במקרה שלנו, הקרנה מקוטבת), היא המקור לצורתן האסימטרית של מולקולות החיים על-פני כדור-הארץ.

ייתכן אפילו, כי חומר זה נוצר מחוץ למערכת השמש. בנוסף, החוקרים טוענים כי ערפילית השמש מקורה באזורים בחלל שבהם נוצרו כוכבים כבדים. באזורים אלו נצפתה קרינה על-סגולה המקוטבת באותו הכיוון של הקרינה שהחוקרים השתמשו בה.

לסיכום – ממצאים אלו מרמזים כי הבחירה באננטיומר אחד על-פני השני בקרב המולקולות של החיים המצויות בכדור-הארץ אינה תוצאת המקרה, אלא מקורה במנגנון פיסיקאלי מוגדר.

הידיעה על המחקר

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

24 תגובות

  1. גם אם תחזור על השטויות אלף פעם הן לא תהפוכנה למשפט רציני.
    שימו לב לכך שבגימטריה "השם" (אלוהי צביציקוביץ) שווה ל"השם" (הפך לשממה (את מוחם של המאמינים בו))

  2. שימו לב שביהדות כתוב " זה לעומת זה עשה אותם " יצר רע מול יצר טוב עבודת השם מטה את הכף לטובה עודף של מולקולות "שמאליות" (ואז גם עודף של מולקולות "ימניות") , זו הבחירה שלנו
    התשובות הפשוטות ישנם אצלינו צריך רק להתחבר ולהקשיב חבל על השקעה כזו גדולה בכסף ומשאבים שיכולים לשרת הרבה נזקקים, השם עם כולנו

  3. שימו לב שביהדות כתוב " זה לעומת זה עשה אותם " יצר רע מול יצר טוב עבודת השם מטה את הכף לטובה עודף של מולקולות "שמאליות" (ואז גם עודף של מולקולות "ימניות") , זו הבחירה שלנו
    התשובות הפשוטות ישנם אצלינו מריך רק להתחבר ולהקשיב חבלעל השקעה כזו גדולה בכסף ומשאבים שיכולים לשרת הרבה נזקקים, השם עם כולנו

  4. תשובה למגיב מספר 2 – יש חשיבות עזה לאננטיומרים שונים בתעשית התרופות. לפעמים (בדר"כ?) אננטיומר אחד בלבד ימלא את "תפקידו התרופתי" בעוד השני לא ואף יזיק.

  5. אז עכשיו יש לנסות לאתר בחלל מקומות שבהם ישנם תנאים הדומים לתנאים אלה שיצרו סוג זה של מולקולות שמהם סביר להניח שנוצרה ביולוגיה דומה ושם סביר להניח יהיה סיכוי יותר טוב לפרויקט כמו "סטי" למצוא משהו.

  6. מיכאל,

    אתה צודק – מה שחשוב הוא כי הכיראליות אינה אקראית ולכן ייתכן שיש העדפה טבעית כלשהי.

  7. צבי:
    אינני בטוח שהוכחה עדיפות לכיראליות השמאלית.
    למעשה דווח כאו על כך שהצליחו ליצור תנאים בהם נוצרת יותר כיראליות שמאלית ואחר כך הצליחו גם ליצור תנאים בהם נוצרת יותר ימנית, כאשר שני סוגי התנאים הם כאלה שיכולים לשרור בחלל.
    למעשה – מה שהוכח הוא שהכיראליות אינה אקראית לחלוטין והיא תלויה במידת מה בתנאי הסביבה.

  8. בהשלמה לדבריו של מיכאל
    אני חושב שיש כאן שתי שאלות:

    שאלה אחת היא האם יש העדפה טבעית (בחלל) למולקולות בעלות כיראליות מסויימת. על זה (אם המחקר נכון) נראה שהתשובה חיובית – כיוון שהתוצאה מובהקת (1.3% היא תוצאה מובהקת סטטיסטית עבור יותר מ-4^10 מולקולות ועל כך אין מחלוקת).

    השאלה השנייה היא האם העדפה הטבעית הזו משמעותית להעדפה הביולוגית – וכאן נראה לי שאני מסכים עם מיכאל שהתשובה היא שלילית – למה? כי על אף שיש העדפה היא קטנה מאד ולכן כנאה לא משמעותית. העובדה שמשהו מסויים הוא נכון, לא אומרת שהוא משמעותי ולפעמים פשוט עדיף אבולוציונית לבחור ימין או שמאל ולא כל כך משנה מה נבחר.

  9. יואל משה:
    את דברי הבנת נכון ואני באמת חושב שאין לתגלית השפעה קריטית על הבנת מקור החיים.

    אם מישהו חושב אחרת הוא מוזמן להסביר זאת בפירוט כי אני אינני רואה איך הפרש של 1.3% משפיע (ואין כל חשיבות למובהקותו הסטטיסטית. מובהקות זו, אם היא קיימת, תורמת לאמינות הניסוי אבל לא להבנת מקור החיים).

    את כותבי המאמר אפשר להבין.
    השאלה בדבר הכיראליות עלתה בשלב מסוים והם הלכו לחפש לה מקור אפשרי.
    הם גילו תופעה כימית/פיזיקלית מעניינת אבל כל תופעה נראית יותר מעניינת כאשר מקשרים אותה למקור החיים.

  10. למיכאל ואליהו מצטער אבל נשארתי מבולבל. אם אני לוקח את ההסבר של מיכאל לפיו לכיראליות השמאלית היה פשוט המזל ליפול בתוך היצירה הראשונית של התא החי הראשון, הרי שהאחוזים לא משנים. גם אם הסמן הכיראלי השמאלי היה רק 10% מההסתברות אם נפל עליו המזל אז הוא הזוכה. לעומת זאת הכתבה וגם אליהו תולים זאת בתכונה סטטיסטית שנותנת יתרון קיומי.
    אני עדיין מחפש הבהרות ושוב תודה מראש

  11. ליואל משה,

    הבדל של 1.3 משמעותי, כי ככל הנראה הוא מובהק סטטיסטית.
    (לפי מבחן סטטיסטי שנערך)

  12. יואל משה:
    לא בטוח שנחוץ הסבר.
    יש תופעה שנהוג לכנות Frozen accident
    זו התופעה שבמסגרתה הפכה דווקא מערכת ההפעלה של מיקרוסופט ולא זו של אפל לסטנדרד.
    ברגע קריטי מסוים היה למיקרוסופט מזל (אמא של ביל גייטס עבדה בזמן הנכון במקום הנכון) ומערכת ההפעלה של מיקרוסופט כבשה את העולם למרות שאפל היו טובים יותר.
    באופן דומה, אפשר לחשוב שלכיראליות השמאלית היה כזה מזל כשהשתלבה בתא החי הראשון. ייתכן שחומצות אמינו משני הסוגים אינן יכולות לפעול יחדיו וליצור חיים ולכן מזלה של הכיראליות השמאלית בתא החי הראשון כבר הכתיב את זה שכל חומצות האמינו ביצורים החיים תהיינה שמאליות, כשם שהכתיב גם את התוצאה שכל הסוכרים המשמשים את החיים יהיו ימניים (אינני יודע מספיק ביוכימיה כדי לקבוע זאת בוודאות. אולי קמילה או ר.ח יכולים לתרום משהו לנושא).
    אחרי שנצליח ליצור תא חי סינטטי לחלוטין (כיום יודעים לייצר באופן סינטטי רק את ה DNA ) יכול להיות מעניין לנסות ליצור תא חי עם כיראליות הפוכה. לדעתי זה יכול לעבוד.

  13. בבקשה חברים מבינים [ צבי-רח רפאים-מיכאל רוטשילד]וללא התלהמות אנא הסבר פשוט איך שונות של 1.3% שאם אני מתרגם אותה ליחס =48.7/51.3 הופכת לשליטה מוחלטת של אחד הצדדים? למה לא נשמר היחס 48.7/51.3 לאורך כל הדרך?
    תודה מראש על כל הסבר ולילה טוב.

  14. אבל מעבר למראה – גם למולקולות החתול כיראליות הפוכה אז אולי החלב טוב בכל זאת

  15. כתבה על הכיראליות של המולקות מזכירה שוב את האנקדוטה על משפטו של לואיס קרול בספרו "מבעד למראה"
    “How would you like to live in
    Looking-glass House, Kitty? I
    wonder if they’d give you milk
    in there? Perhaps Looking-glass
    milk isn’t good to drink…”

    והתשובה: החלב אכן לא יהיה טוב לחתול עקב כיראליות הפוכה.

  16. א

    כבר הוכחת בדיונים אחרים שכל מה שאתה מבין בהסתברות זה: 50% (לפעמים אתה גם כותב 49%)

    בבקשה תפסיק להטריד.

  17. לצבי-כיצד זה משמעותי אם התערובת רצמית?הרי גם אם יהיו טרליון מולקולות היחס עדיין יהיה כמעט 49% לעדיפות אנטטיומר מסויים.זה כלום.

  18. העדפה של 1.3 אחוז (בערך 1/100) , היא משמעותית במקרה שהמדגם גדול מ-2^100.
    תחת ההנחה שבאומרם "בדיקה מקיפה" בדקו החוקרים למעלה מכ-10,000 מולקולות (וסביר מאד שכך היה כי זה ממש ממש לא הרבה ביחס למספר אובגדרו), הרי שהעדפה שהתגלתה אינה מקרית.

  19. "קבוצת חוקרים מצרפת הצליחה לקבל, לראשונה אי-פעם, עודף של מולקולות "שמאליות" (ואז גם עודף של מולקולות "ימניות") בתנאים המחקים את אלו הקיימים בחלל הבין-כוכבי. ממצא זה מחזק את ההשערה כי הסימטריה של מולקולות ביולוגיות המצויות בכדור-הארץ מקורה בחלל החיצון.".
    הממצא הוא במקרה הטוב קורלטיבי. זה שבחלל או בתנאי דמויי חלל יש עודף של אננטיוטמר כזה או אחר לא אומר בשום פנים ואופן שהמקור האננטיומרי פה בארץ הוא בחלל. טעות חמורה מאוד של כותב הטור או כותבי המאמר. ייתכן שמנגנון משותף אחראי לסלקציה, למה לקפוץ למסקנה (המושכת יותר) שהמקור של המולקולות הוא מהחלל?

  20. עודף של 1.3 אחוז?זה ממש כלום.לפי השערת עולם הרנ'א המולקולה הבראשתית הייתה ארוכה למדי,כי היא גם אמורה לקודד אנזימים.זה עדיין נראה כסיכוי קלוש…

  21. ידיעה מעניינת, תודה.
    מספר הערות:
    1. חסרים הלינקים.
    2. אם הבנתי נכון את המאמר, הרי שבמשפט "ממצא זה מחזק את ההשערה כי הסימטריה של מולקולות ביולוגיות המצויות בכדור-הארץ מקורה בחלל החיצון" יש להחליף את המילה "סימטריה" ב"א-סימטריה". טעות זו מופיעה עוד מספר פעמים, ומבלבלת את הקורא (או שמא לא הבנתי?)
    3. לטעמי, ישנה בעייה בהפרדה המלאכותית בין הסביבה של "החלל החיצון" לבין האקוספירה (לפני הווצרות החיים) ולביוספירה, שכן היכן הסתובבה מערכת השמש וכדור הארץ, אם לא "בחלל החיצון"?
    אני טורח בעניין זה, משום שאני מוצא בו רמזים לתאוריות אקסוג'נסיות, בדבר מקור החיים (בבחינת, "מצאנו מה מקור החיים: בחלל החיצון!") מה שמרחיק, לכאורה, את הפתרון לשאלה.

  22. זה אולי מטה את הכף לכיוון ההחלטה איזה אנניומר ייבחר בסופו של דבר (ימני או שמאלי ) בהתאם ,אבל עדיין חשוב לזכור :
    הסיבה שהביוכימיה היא כירלית היא פשוט בגלל האנזימים :
    הם אלו שבצורתם המרחבית מסוגלים לעבוד רק עם אנניומר יחיד. איזה מהם ? כנראה היה תלוי בתנאי ההתחלה שמוזכרים בכתבה .
    ומספיק שהיתה העדפה של מספר אחוזים לכיוון מסןיים ,הוא הפך לדומיננטי.

    אגב השאלה הזאת די מקבילה לחומר ואנטי-חומר :
    למה הטבע בחר דווקא בחומר כאשר במפץ הגדול נוצרו מספר שווה של חומר ואנטי.
    שם התשובה היא שבירת סימטריה ,אבל לדעתי אין תשובה למה "דווקא" החומר נבחר.

  23. אפשר לקבל דוגמא להבדל בתכונה של החיים המתבטאת עקב החלפת מולקולה ימנית בשמאלית.
    היתה כאן כתבה לא מזמן על צמח במערב אמריקה שהפיכת קטע DNA שלו, התבטאה בהיותו
    רב/חד שנתי ובתקופת הפריחה שלו.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן