הצעה לפתרון אחת החידות הגדולות של המדע – כיצד התהוו חיים על כדור הארץ
פרופ' דורון לנצט . “חיפשנו פרודות שיכלו להתארגן באופן ספונטני בסביבת 'המרק הקדמון'”, אומר לנצט, “וננעלנו על הרעיון שהיו אלה מולקולות דמויות שומן המכונות ליפידים”
שאלת “מוצא החיים” מעסיקה את טובי המוחות כבר אלפי שנים, ולמרות זאת נותרה פתוחה ומסקרנת. בניגוד לסיפורי הבריאה המסורתיים, בדת ובמיתוס, שבהם מזוהים החיים עם החיות והאדם השלמים, המדע המודרני מחפש את אות החיים הראשון בישויות מיקרוסקופיות קדמוניות כמו פרודת (מולקולת) הר-נ-א או התא החי. האדם הוא אוסף של מולקולות אורגניות המאורגנות בסדר מופתי, אך מערכות גופנו הן תוצר השכלול האבולוציוני של אותן ישויות מיקרוסקופיות, שהחל לפני 4-3.5 מיליארד שנה.
“לצורך העניין”, מציע פרופ' דורון לנצט מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, “ישות חיה היא זו שמסוגלת לשכפל את עצמה ולהעביר את המידע האצור בתוכה לצאצאיה. אנחנו משערים שלפני האבולוציה של היצורים החיים התחוללה על כדור הארץ אבולוציה כימית, והיא שהובילה ליצירת המולקולות הראשונות שמסוגלות לשכפל את עצמן”.
מרק קדמון, המכיל אוסף אקראי של חומרים (בין השאר פרודות אורגניות), כיסה באותה תקופה את פני כדור הארץ, ובתוכו התפתחו המולקולות הללו והתהוו התאים החיים הראשונים.
גודלם של התאים הללו, דמויי חיידקים, לא עלה על אלפית המילימטר, ובתוכם התקיים עולם מולקולרי עשיר שכלל חלבונים, שומנים, חומר תורשתי ורכיבים נוספים. “היכולת להסביר את המעבר מאוסף פרודות ב'מרק הקדמון' הכאוטי אל הסדר המוכר בתא החי היא המפתח לפתרון שאלת מוצא החיים”, אומר לנצט, “ואנחנו סבורים שקיים פתרון מדעי לשאלה”.
התיאוריה הקלאסית, שפותחה החל בשנות ה-50, מחלקת את “מוצא החיים” לשני שלבים עיקריים. בשלב הראשון התפתחו ב”מרק הקדמון” מולקולות שרשרת (חומר תורשתי כמו ר-נ-א או ד-נ-א), המורכבות מאבני בניין מוגדרות והניתנות לשכפול, ובשלב השני הצטרפו החלבונים. קרום שומני התהווה סביב לחומר התורשתי והחלבונים, ובחלל התוך-תאי שנוצר התגבשו המערכות הנחוצות לקיום חיים.
התיאוריה שנויה במחלוקת, וקבוצות מחקר לא חדלו לחפש תשובה מקיפה ומשכנעת יותר. “ספק רב אם פרודות ר-נ-א או ד-נ-א יכלו להיווצר ספונטנית במרק הקדמון”, אומר לנצט, “וגם אם נוצרו, המעבר מפרודות אלה לתא החי השלם מותנה בקיומם של תהליכים לגמרי לא פשוטים”.
התיאוריה של פרופ' לנצט ותלמידיו מניחה מעבר ישיר מן המרק הקדמון אל ישות שיש לה דמיון רב יותר לתא שלם מאשר לפרודה בודדת, ונקודות הציון ההתפתחותיות שהם מציעים שונות מאלה המוזכרות ברוב ספרי הלימוד והמאמרים העוסקים בנושא. “חקרנו וחיפשנו פרודות שיכלו להתארגן באופן ספונטני בסביבת 'המרק הקדמון', וננעלנו על הרעיון שפרודות אלה היו מולקולות דמויות שומן המכונות ליפידים”.
יש ראיות ברורות לכך שהליפידים איכלסו את כדור הארץ הקדום, והיו מסוגלים לשרוד בתנאים ששררו בו. יתר על כן, מולקולות הליפידים בנויות מחלק אוהב מים (הידרופילי) ומחלק דוחה מים (הידרופובי), ובסביבה מימית הן נוטות להתארגן ספונטנית וליצור “מיצלות” (כדורי שומן תלת-ממדיים), המזכירות את טיפות השומן שאנחנו רואים בחלב. “אנחנו משערים שגם בסביבה המימית של המרק הקדמון הם הסתדרו ב'מיצלות', כאשר הזנבות דוחי המים פונים פנימה לליבת הכדור והראשים אוהבי המים פונים החוצה לסביבה המימית”.
שאלת השאלות היא כיצד יכלו ה”מיצלות” לשכפל את עצמן, להעביר אינפורמציה ולהוות בסיס ליצירת תאים חיים. כבר לפני שמונים שנה העלה אלכסנדר אופארין את האפשרות שגושישי חומר לבנים, המתארגנים ספונטנית במים, עשויים לשאת בתוכם מערכות של חילוף חומרים ואף להעביר את תכונותיהם לגושישים המתפצלים מהם. אך התיאוריה נדחקה הצדה לאחר גילוי הד-נ-א בשנות ה- .50″אנו חוזרים אל התיאוריה של אופארין, אך בשינוי מסוים, כשאנו מייחסים לליפידים תפקיד מרכזי בתהליך התהוות החיים”.
ה”מיצלות” מורכבות מאלפי סוגים של ליפידים, בכמויות משתנות, ופרופ' לנצט וצוותו סבורים שהן היו מסוגלות לשאת מידע בכמות הדומה לזו שאצורה בשרשרות ד-נ-א. בניגוד לקידוד מידע טקסטואלי המתבסס על סדר האותיות (כמו בשפה אנושית, או בקוד הגנטי המודרני), קידוד המידע ב”מיצלה” נסמך על הכמות היחסית של כל אחד מסוגי הליפידים המרכיבים אותה.
ההתאגדות הראשונית של ליפידים ל”מיצלות” התרחשה ספונטנית, ובאופן אקראי, במרק הקדמון, וכבר הוכח שה”מיצלה” המתהווה מסוגלת לקשור עוד ועוד ליפידים, לגדול, ולהתפצל באופן המזכיר את חלוקתם של תאים חיים. “אנחנו משערים שסיפוח הליפידים ל'מיצלה' התבצע על פי עקרון 'ועדת הקבלה'”, אומר רן כפרי, תלמיד מחקר במעבדה, “כאשר הרכב הליפידים הראשוני ב'מיצלה' המתהווה קובע איזה סוגי ליפידים יסופחו בהמשך ואיזה יידחו”.
רשת של משחקים כימיים נוצרה בין הליפידים, והיא שסללה את הדרך להכפלה מאוזנת של כלל הליפידים המרכיבים את ה”מיצלה”, לחלוקתה ולהעברת הרכב ליפידים זהה ל”מיצלות” הבת. חשוב להדגיש שהישות המשתכפלת היא ה”מיצלה” כולה, ולא אחד הרכיבים שלה, וזאת בניגוד לתיאוריה הקלאסית המניחה שכפול של מולקולת שרשרת בודדת כמו הר-נ-א או הד-נ-א.
הפיתוח הראשוני של המודל נעשה על ידי פרופ' לנצט ותלמידיו, דניאל סגרה, יצחק פלפל ודפנה בן-אלי, והתפרסם בין השאר במאי 2000 בכתב העת .” “Academy of Sciences Proceedings of the National”כלי המחקר העיקרי לפיתוח המודל ולבדיקתו הוא סימולציות הנערכות בעזרת מחשבי על”, מספר ברק שנהב, תלמיד מחקר במעבדה, “אנחנו מזינים את המחשב בנתונים של 100 עד 1,000 סוגי ליפידים, וביחסי הגומלין האפשריים בין המולקולות, ונותנים למערכת לרוץ בתנאים המדמים את כדור הארץ הקדמון. התוצאות מנותחות על פי עקרונות סטטיסטיים. על מסך המחשב רואים כיצד ה'מיצלות' מתארגנות, גדלות ומתחלקות, ובקרוב ננסה לאפיין את תהליכי הדחייה והאיחוי של 'מיצלות' אחת עם השנייה”.
“בשלב הבא”, אומר לנצט, “ננסה להבין את המעבר מאוסף 'מיצלות' לישויות דמויות תאים חיים, המכילות אזורים תפקודיים שונים. למעשה, כבר היום יש בידינו קצה של חוט באשר לתהליך ההתפתחות של שרשרות ארוכות דמויות ר-נ-א או חלבון בתוך ה'מיצלות'. אנחנו מניחים שהד-נ-א או הר-נ-א הם תוצאה של תהליך אבולוציוני בדרך להתהוות החיים, ולא המקור שלו, כשהאבולוציה מתבססת על יכולתן של ה'מיצלות' להשתכפל”. על אף שהמודל מתבסס על כימיה פשוטה, התוצאות מתחילות להזכיר התנהגויות מורכבות של מערכות בתאים חיים.
“נעשו ניסיונות רבים להסביר את התהוות החיים על פני כדור הארץ”, אומר פרופ' דן כהן מהאוניברסיטה העברית, “והרעיונות המקוריים של פרופ' לנצט הם בסיס לגישה חדשה לנושא ופתח להסברים נוספים. אחד מהם, שלדעתי מניח את הדעת, מזהה את היווצרות החיים עם התארגנות ספונטנית של ליפידים ל'שלפוחיות' מיקרוסקופיות, ולאו דווקא ל'מיצלות'. מעטפת השלפוחיות, בדומה לקרומי התאים המוכרים לנו היום, הכילה שתי שכבות צמודות של ליפידים, כאשר החלק אוהב המים של שכבות הליפידים פונה לנוזל המימי מחוץ לשלפוחית ובתוכה והחלקים דוחי המים של שתי השכבות פונים זה לזה ויוצרים את החלק הפנימי של המעטפת. גם שלפוחיות כאלה, בדומה ל'מיצלות' המוצעות על ידי פרופ' לנצט, יוכלו להתרבות על ידי קליטה בררנית של ליפידים מהמרק החיצוני וחלוקה של השלפוחיות”.
אורי ניצן. הארץ. אתר הידען היה חלק מפורטל IOL מקבוצת הארץ עד סוף 2002
