מקור פשוט יותר לחיים

היווצרות מערכות של תגובות כימיות צורכות אנרגיה בין מולקולות קטנות כשלב ראשון להיווצרות חיים סבירה יותר מן הרעיון המקובל, שלפיו הופיעו פתאום מולקולות גדולות, כמו רנ”א, המסוגלות לשכפל את עצמן

באותו נושא

רבולוציה – לא אבולוציה

החיים החלו מטיפת שומן

ידען ראשית החיים

ידען יצירת חיים במעבדה

מאת רוברט שפירו

הסיכויים להופעה פתאומית של מולקולה גדולה המשכפלת את עצמה, כמו רנ”א, הם נמוכים ביותר. גדול יותר הסיכוי שהחיים התחילו במערכת של תגובות כימיות בין מולקולות קטנות, שאנרגיה הייתה הכוח המניע שלהן.
תגליות יוצאות דופן מעוררות הכרזות יוצאות דופן. ג'יימס ווטסון סיפר שמיד לאחר שהוא ופרנסיס קריק גילו את מבנה הדנ”א (DNA), קריק “טס לפאב ה'איגל' כדי לספר לכל אחד בטווח שמיעה שגילינו את סוד החיים.” המבנה שהם גילו, מבנה אלגנטי של סליל כפול, היה כמעט ראוי להתלהבות כזאת. היחסים שבין מרכיבי הסליל אפשרו אחסון מידע בשפה שבה ארבעה כימיקלים, הקרויים בסיסים, ממלאים את תפקידן של אותיות האלף-בית.

זאת ועוד, המידע ארוז בשתי שרשרות ארוכות, שכל אחת מהן קובעת את התוכן של רעותה. סידור זה רימז על מנגנון שכפול: שני הגדילים של סליל הדנ”א הכפול יכולים להיפרד ואבני בניין חדשות של דנ”א הנושאות את הבסיסים, הקרויים נוקליאוטידים, מתארגנות לאורך הגדילים הנפרדים ומתחברות זו לזו. במקום סליל כפול אחד נוצרו עתה שניים, כל אחד מהם העתק מדויק של הסליל המקורי.

המבנה של ווטסון וקריק הביא למבול אדיר של תגליות בדבר הדרך שבה מתפקדים כיום תאים חיים. תובנות אלה גם עוררו השערות בדבר מקור החיים. חתן פרס נובל ה' ג' מולר כתב כי החומר שממנו מורכבים הגנים הוא “חומר חי, הנציג העכשווי של החיים הראשונים”. את היצורים החיים הראשונים האלה דמיין קארל סאגן בתור “גֶנים פרימיטיביים, בעלי חיים עצמאיים וחשופים המצויים בתוך תמיסה מהולה של חומר אורגני.” (בהקשר זה התואר “אורגני” מתאר תרכובות המכילות אטומי פחמן הקשורים זה לזה, בין אם התרכובות האלה מצויות ביצורים חיים ובין אם אינן נוטלות חלק בחיים.) מדענים הציעו הגדרות רבות ושונות לחיים. הערתו של מולר עולה בקנה אחד עם מה שקרוי ההגדרה של נאס”א: חיים הם מערכת כימית בעלת קיום עצמאי המסוגלת לעבור אבולוציה דארווינית.

ריצ'ארד דוקינס פירט את דמותה של הישות החיה הקדומה ביותר בספרו “הגן האנוכי”: “ברגע מסוים נוצרה באופן מקרי מולקולה יוצאת דופן באופן מיוחד. נקרא לה 'המשכפל'. ייתכן כי לא הייתה זו המולקולה הגדולה ביותר או המסובכת ביותר בסביבה, אך הייתה לה תכונה יוצאת דופן: היא הייתה יכולה ליצור העתקים של עצמה.” כשכתב דוקינס את המילים האלה, לפני שלושים שנה, הייתה מולקולת הדנ”א המועמדת הסבירה ביותר לתפקיד זה. לאחר מכן פנו החוקרים למולקולות אחרות כמשכפל הקדום ביותר. אך אני וחוקרים אחרים סבורים כי מודל זה, הקרוי “מודל המשכפל-תחילה”, הוא מודל לקוי מיסודו להסבר מקור החיים. אנו מעדיפים רעיון חלופי הנראה סביר בהרבה.

שלטון הרנ”א
מהר מאוד התחילו להתעורר סיבוכים לגבי תיאוריית הדנ”א-תחילה. שכפול של דנ”א אינו יכול להתרחש ללא עזרתם של כמה חלבונים – חברים במשפחה של מולקולות גדולות השונות מאוד מדנ”א מבחינה כימית. שני סוגי המולקולות, דנ”א וחלבונים, בנויים מתת-יחידות המחוברות זו לזו ויוצרות שרשרת ארוכה, אבל הדנ”א בנוי מנוקליאוטידים, ואילו החלבונים בנויים מחומצות אמיניות. החלבונים הם עובדי התחזוקה של התא החי. האנזימים, תת-הקבוצה המפורסמת ביותר של החלבונים, פועלים כמאיצים, הם מזרזים תהליכים כימיים שללא האנזימים היו מתרחשים לאט מכדי לשרת את החיים. חלבונים המשמשים את התאים החיים כיום נבנים על פי הוראות המקודדות בדנ”א.

המשפט האחרון מעורר את החידה הישנה: מי קודם למי, הביצה או התרנגולת? הדנ”א אוצר את המרשם לבניית החלבונים. אך אי אפשר לשלוף את המידע הזה או להעתיקו בלי עזרה של חלבונים. אם כן, איזו מולקולה גדולה הופיעה קודם – החלבון (התרנגולת) או הדנ”א (הביצה)?

פתרון אפשרי הופיע כשתשומת הלב הוסטה לכיוונו של גיבור חדש – הרנ”א (RNA). המולקולות בקבוצה מגוונת זו מורכבות אף הן, כמו מולקולות הדנ”א, מאבני בניין נוקליאוטידיות, אך לרנ”א תפקידים רבים בתאים שלנו. מולקולות מסוימות של רנ”א מעבירות מידע מן הדנ”א אל הריבוזומים, שהם המבנים התת-תאיים היוצרים את החלבונים (והבנויים בעצמם בעיקר מסוג אחר של רנ”א). מולקולות רנ”א, בתפקידיהן השונים, יכולות ללבוש צורה של סליל כפול הדומה לדנ”א או צורה של גדיל יחיד מקופל, בדומה לחלבון.

בראשית שנות ה-80 גילו מדענים את הריבוזימים, חומרים דמויי אנזימים העשויים מרנ”א. היה נראה כי נמצא פתרון פשוט לחידת הביצה והתרנגולת: החיים החלו עם הופעתה של מולקולת הרנ”א הראשונה שהייתה יכולה להעתיק את עצמה. ב-1986 כתב חתן פרס נובל וולטר גילברט במאמר חלוצי בכתב העת Nature: “אפשר לדמיין עולם חי המכיל רק מולקולות רנ”א המשמשות כזרזים לסינתזה שלהן עצמן… אם כך, השלב הראשון של האבולוציה מתרחש באמצעות מולקולות רנ”א המבצעות את פעולות הזירוז הכימי הדרושות כדי להרכיב את עצמן מתוך מרק של נוקליאוטידים.” על פי השקפה זו ביצעה מולקולת הרנ”א הראשונה ששכפלה את עצמה, ושנוצרה מתוך חומר דומם, את כל התפקידים השונים שמבצעות היום מולקולות הרנ”א, הדנ”א והחלבונים.

כמה סימנים נוספים תומכים ברעיון שהרנ”א הופיע במהלך האבולוציה של החיים לפני החלבונים והדנ”א. לדוגמה, יש מולקולות קטנות רבות, המכונות קו-פקטורים (גורמים משלימים), הממלאות תפקיד בתגובות הכימיות שאנזימים מזרזים. למולקולות אלה קשור לעתים קרובות נוקליאוטיד רנ”א שאין לו תפקיד ברור. בעבר סברו כי מבנים כאלה הם “מאובנים מולקולריים”, שרידים מן הזמן שבו שלט הרנ”א לבדו, ללא דנ”א או חלבונים, בעולם הביוכימי.

עם זאת, רמזים אלה ואחרים תומכים רק במסקנה כי הרנ”א הקדים את הדנ”א ואת החלבונים. הם אינם מספקים שום מידע בדבר מקור החיים לפני עולם הרנ”א, בתקופה שכללה אולי שלבים נוספים וישויות חיות אחרות שמשלו בכיפה. על הבלבול מוסיפה העובדה שחוקרים שונים משתמשים במונח “עולם הרנ”א” בהתייחסות לשני הרעיונות גם יחד. אני אשתמש כאן במונח “רנ”א-תחילה” לתיאור הטענה שרנ”א היה מעורב בהיווצרות החיים, ואבדיל אותה מן הטענה שרנ”א רק הקדים את הדנ”א ואת החלבונים.

קדירת המרק ריקה
מול השערת הרנ”א-תחילה עומדת שאלה המציבה אתגר ענק: כיצד הופיעה מולקולת הרנ”א הראשונה ששכפלה את עצמה? מכשולים גדולים מונעים מאתנו לקבל את תיאורו של גילברט ולפיו הרנ”א נוצר מתוך מרק נוקליאוטידים דומם.

הנוקליאוטידים, אבני הבניין של הרנ”א, הם חומרים אורגניים מסובכים. המולקולה של כל אחד מהם מכילה 3 תת-יחידות: סוכר, פוספאט (יון זרחתי) ואחד מתוך ארבעה בסיסים המכילים חנקן. כל אחד מן הנוקליאוטידים של הרנ”א מכיל אפוא תשעה או עשרה אטומי פחמן, אטומי חנקן וחמצן רבים וקבוצת פוספאט, המחוברים כולם זה לזה בתבנית תלת-ממדית מדויקת. יש הרבה דרכים חלופיות לחיבור האטומים האלה שיוצרות אלפי נוקליאוטידים אפשריים נוספים המסוגלים גם הם להתחבר בקלות לנוקליאוטידים הרגילים. אבל הנוקליאוטידים החלופיים האלה אינם מצויים במולקולות הרנ”א שבתאים. מספר הנוקליאוטידים האפשריים מתגמד לנוכח מאות אלפי, ואולי אף מיליוני המולקולות האורגניות היציבות שגודלן דומה אך הן אינן נוקליאוטידים.

הרעיון שלמרות זאת נוצרים נוקליאוטידים מתאימים שואב את השראתו מן הניסוי הנודע שפרסם סטנלי ל' מילר ב-1953. הוא העביר ניצוץ חשמלי בתוך תערובת של גזים פשוטים, שנחשבו אז כמייצגים את האטמוספרה של כדור הארץ הקדום, וראה כי נוצרו חומצות אמיניות. חומצות אמיניות זוהו גם במטאוריט מרצ'יסון שנפל באוסטרליה ב-1969. הטבע היה כנראה נדיב בהספקת אבני הבניין המסוימות האלה. כמה כותבים הסיקו מתוצאות אלה כי כל אבני הבניין של החיים יוכלו להיווצר בקלות בניסויים דומים לזה של מילר וכי חומרים אלה יהיו נוכחים במטאוריטים. אך לא כך הם פני הדברים.

חומצות אמיניות, כמו אלה שנוצרו בניסויים דומים לזה של מילר, הן מולקולות פשוטות בהרבה מנוקליאוטידים. הן מתאפיינות בשתי קבוצות כימיות, קבוצה אמינית (חנקן ושני מימנים) וחומצה קרבוקסילית (פחמן, שני חמצנים ומימן), המחוברות שתיהן לאותו אטום פחמן. מבין 20 החומצות האמיניות הבונות חלבונים טבעיים, מכילה החומצה האמינית הפשוטה ביותר רק שני אטומי פחמן. שבע-עשרה חומצות אמיניות מתוך כל הסדרה מכילות 6 אטומי פחמן או פחות. החומצות האמיניות וחומרים חשובים אחרים שנוצרו בניסויו של מילר הכילו 2 או 3 אטומי פחמן בלבד. בניגוד לכך לא דווח על נוקליאוטידים משום סוג שנוצרו בניסויי התפרקות חשמלית או שהתגלו במטאוריטים. כנראה שהטבע הדומם נוטה ליצור דווקא מולקולות קטנות המכילות מעט אטומי פחמן ולכן אין בו העדפה ליצירת הנוקליאוטידים הדרושים לחיים מן הסוג שלנו.

כדי להציל את תפיסת הרנ”א-תחילה מן הפגם הקטלני הזה פיתחו תומכיה תחום מדעי חדש הנקרא סינתזה קדם-ביוטית. הם ניסו להראות כי אפשר לייצר במעבדה את הרנ”א ואת מרכיביו באמצעות סדרת תגובות מבוקרות בקפידה, תוך שימוש בתנאים ובחומרי מוצא רלוונטיים, לפי דעתם.

לא כאן המקום להרחיב בחסרונות הסינתזה הקדם-ביוטית. הבעיות שהגישה מעוררת מעלות את האנלוגיה הזאת: דמיינו במחשבתכם שחקן גולף, שלאחר שסיים להשחיל את הכדור לתוך 18 גומות המסלול, מניח שהכדור יוכל לשחק בעצמו, ללא השחקן עצמו, ולהשלים לבדו את המסלול. השחקן הרי הדגים שיש אפשרות שהאירוע יקרה. כעת כל מה שנותר הוא להניח כי צירוף של כוחות טבעיים (רעידות אדמה, רוחות, סופות טורנדו ושיטפונות, לדוגמה) יוכלו לגרום לאותה תוצאה, בתנאי שהזמן יהיה ארוך דיו. אין צורך לשבור שום חוק פיזיקלי כדי שרנ”א ייווצר באורח ספונטני, אך הסיכויים לכך אפסיים.

כמה כימאים הציעו שמולקולה משכפלת פשוטה יותר, הדומה לרנ”א, הופיעה תחילה ושלטה בחיים ב”עולם הקדם-רנ”א”. לשיטתם, משכפל זה היה יכול לזרז תגובות כימיות בדומה לרנ”א. אך עד עתה לא נמצאו בתהליכי הביולוגיה המודרנית עקבות כלשהן למשכפל הקדום המשוער הזה. הרנ”א כנראה כבש את כל תפקידיו של המשכפל והזרז הזה בנקודת זמן כלשהי לאחר הופעתו.

ואפילו אם הטבע היה מספק מרק קדמוני של אבני בניין מתאימות, בין אם נוקליאוטידים ובין אם תחליפים פשוטים יותר, הסבירות שאבני בניין אלה יתחברו זו לזו באופן ספונטני וייצרו מולקולת משכפל, נמוכה לאין שיעור אפילו מן הסבירות ליצירתו של המרק המתאים עצמו. הבה נניח שבדרך כלשהי נוצר מרק מתאים של אבני הבניין בתנאים המאפשרים את חיבורן לשרשרות. אל אבני הבניין האלה יתלווה ערב רב של יחידות פגומות שייכנסו אל תוך השרשרת הצומחת ויהרסו את האפשרות שהיא תשמש כמשכפל. די בכך שהיחידה הפגומה הפשוטה ביותר תהיה בעלת “זרוע” אחת בלבד והיא תיקשר רק לאבן בניין שכנה אחת, במקום לשתיים, כדי שהשרשרת לא תצמח.

באופן תיאורטי, הטבע האדיש יחבר את היחידות באורח אקראי וייצור מספר עצום של שרשרות קצרות שצמיחתן נפסקה, וזאת במקום השרשרת הארוכה יותר, בעלת עמוד שדרה אחיד, הדרוש לתמיכה בתפקודי השכפול והזירוז. הסבירות להצלחתו של תהליך אחרון זה כה זעירה וזניחה עד כי אפשר להחשיב את התרחשותו, אפילו פעם אחת ביקום הנראה, כמקרה בר מזל באופן יוצא דופן.

מולקולות קטנות יוצרות חיים
חתן פרס נובל, כריסטיאן דה-דוּב, קרא ל”דחייה של כל המקרים שסבירותם קטנה ובלתי מדידה עד שאפשר לקרוא להם נִסים, תופעות היוצאות מתחום החקירה המדעית.” עלינו לזנוח את הרעיון שדנ”א, רנ”א, חלבונים ומולקולות גדולות מורכבות אחרות השתתפו ביצירת החיים. הטבע הדומם מספק לנו, במקום זאת, מגוון תערובות של מולקולות קטנות שעמן עלינו לעבוד.

למרבה המזל, קבוצה חלופית של תיאוריות המטפלות בחומרים אלה רווחת כבר כמה עשרות שנים. תיאוריות אלה משתמשות בהגדרת חיים תרמודינמית ולא גנטית. ההגדרה הוצגה בידי קארל סאגן באנציקלופדיה בריטניקה: אזור תָחום ייחשב כחי אם עולה בו הסדר (האנטרופיה יורדת) באמצעות סדרה של תהליכים מעגליים המוּנעים בשטף של אנרגיה נכנסת. גישה זו, המבוססת על מולקולות קטנות, נעוצה ברעיונותיו של הביוכימאי הסובייטי אלכסנדר אוֹפַּרין. רעיונות שונים המסבירים את מקור החיים על פי גישה זו נבדלים זה מזה רק בפרטיהם המדויקים. אציג כאן חמש דרישות מקובלות (ואוסיף כמה רעיונות משלי).

1. נחוץ גבול המפריד את החי מן הדומם. החיים מובחנים באמצעות דרגת הארגון הגבוהה שלהם, ועם זאת החוק השני של התרמודינמיקה דורש כי היקום ינוע בכיוון שבו אי-הסדר, או האנטרופיה, גדל. עם זאת, יש פרצה בחוק הזה, המאפשרת לאנטרופיה באזור מוגבל לרדת, בתנאי שיש עלייה גדולה יותר באנטרופיה מחוץ לאזור הזה. כשתאים חיים גדלים ומתרבים הם ממירים אנרגיה כימית או קרינתית לאנרגיית חום. החום המשתחרר מעלה את האנטרופיה של הסביבה ומפצה על ירידתה בתוך המערכות החיות. הגבול שומר על חלוקת העולם לכיסים קטנים של חיים בתוך סביבה דוממת שבה עליהם לקיים את עצמם.

כיום מפרידות קרומיות (ממברנות) כפולות ומתוחכמות, שעשויות מחומרים המסווגים כשומנים, בין התאים החיים ובין סביבתם. קרוב לוודאי שבראשית החיים שירתה תכונה טבעית כלשהי את אותה מטרה. עבודתו של דייוויד ו' דימר מאוניברסיטת קליפורניה בסנטה קרוז תומכת ברעיון זה. הוא ראה מבנים דמויי קרומיות במטאוריטים. רעיונות אחרים הציעו גבולות טבעיים שאינם משמשים את החיים כיום, כמו קרומיות של ברזל גופרי, משטחים סלעיים (שבהם כוחות אלקטרוסטטיים מפרידים מולקולות מסוימות מסביבתן), בריכות קטנות ותרחיפים באוויר (אירוסולים).

2. דרוש מקור אנרגיה להנעת תהליך ההתארגנות. כדי לחיות אנו צורכים פחמימות ושומנים שאותם אנו מגיבים עם חמצן שאנו נושמים. מיקרואורגניזמים הם רבגוניים יותר ויכולים להשתמש במינרלים במקום מזון או חמצן. בכל המקרים מדובר בתהליכים הקרויים תגובות חִמצון-חיזור. בתגובות עוברים אלקטרונים מחומר עתיר אלקטרונים (המחזר) אל חומר דל אלקטרונים (המחמצן). צמחים יכולים ללכוד את אור השמש באופן ישיר ולנצלו לתפקודי החיים. תאים המצויים בנסיבות מיוחדות משתמשים בצורות אנרגיה אחרות – לדוגמה, הבדל בדרגת החומציות משני צִדיה של קרומית. ייתכן כי צורות אנרגיה אחרות, כמו רדיואקטיביות או שינויי טמפרטורה פתאומיים יכולות לשמש את החיים במקומות אחרים ביקום.

3. מנגנון צימוד חייב לקשר את שחרור האנרגיה עם תהליך ההתארגנות שיוצר את החיים ומקיים אותם. שחרור אנרגיה אינו גורם בהכרח לתוצאה שימושית. אנרגיה משתחררת כשנשרף דלק בתא הבעירה של מכונית, אך הרכב לא ינוע ממקומו אלא אם כן תשמש האנרגיה לסיבוב הגלגלים. לשם כך דרוש חיבור, או צימוד, מכני. בכל יום מפרק כל אחד מאתנו בתאי גופו קילוגרמים של נוקליאוטיד הקרוי ATP. האנרגיה המשתחררת בתגובה זו משמשת להנעת התהליכים הדרושים לביוכימיה שלנו, תהליכים שבלעדיה היו מתרחשים לאט מדי או שלא היו מתרחשים כלל. הצימוד מושג באמצעות תוצר-ביניים המשותף לשתי התגובות והתהליך מזורז באמצעות אנזים. אחת ההנחות של גישת המולקולות הקטנות היא שבטבע מתקיימות תגובות מצומדות ושיש בו זרזים פרימיטיביים שדי בהם להתחלת החיים.

4. חייבת להיווצר רשת של תהליכים כימיים המאפשרת הסתגלות ואבולוציה. הגענו עתה ללב העניין. דמיינו לעצמכם, למשל, תגובת חמצון-חיזור המועדפת מבחינה אנרגטית, שמניעה את הפיכתו של חומר אורגני, A, לחומר אורגני אחר, B, בתוך אזור התחום במחיצה. אני קורא לתהליך המפתח הזה בשם “תגובה מניעה”, שכן היא משמשת ככוח המניע של תהליך ההתארגנות כולו. אם B פשוט חוזר והופך ל-A, או יוצא מן האזור התחום, לא יהיה זה מסלול המוביל לרמת ארגון גבוהה יותר. לעומת זאת, אם קיים מסלול כימי רב-שלבי שהופך את B בחזרה ל-A, נניח מ-B ל-C, ל-D, לבסוף ל-A, אז השלבים במסלול מעגלי זה (או מחזור) יהיו מועדפים, מפני שהם מחדשים את המלאי של A ומאפשרים המשך שחרור שימושי של אנרגיה באמצעות תגובת המינרל [ראה מסגרת בעמוד 27).

גם תגובות מסתעפות יתרחשו, כמו למשל תגובה דו-כיוונית ההופכת את חומר D, המצוי במעגל, לחומר E, שאינו חלק ממנו, ולהפך. היות שהמעגל הכימי ממשיך לפעול תועדף התגובה בכיוון שבו הופך חומר E לחומר D מפני שהיא מכניסה חומר אל תוך המעגל ומגבירה הגברה מרבית את שחרור האנרגיה המלווה את התגובה המניעה.

המעגל הכימי יוכל, כמו כן, להסתגל לתנאים משתנים. כשהייתי ילד הוקסמתי מן הדרך שבה מצאו המים הזורמים מברז דולף את דרכם במורד הגבעה אל פתח הביוב הקרוב ביותר. אם עלים שנשרו או אשפה שהושלכה חסמו את דרכם, היו המים מצטברים עד שנמצאה דרך אחרת לעקוף את המכשול. באופן דומה, אם שינוי בדרגת החומציות בסביבה היה מעכב שלב כלשהו במסלול מ-B ל-A, היה אחד החומרים מצטבר עד שהיה נמצא מסלול כימי אחר. שינויים נוספים מסוג זה יהפכו את המעגל המקורי לרשת של תהליכים. חקירה זו של ה”נוף” הכימי, בדרך של ניסוי וטעייה, עשויה גם להוביל להופעתן של תרכובות שיכולות לזרז שלבים חשובים במעגל ובכך להגדיל את היעילות שבה מנצלת רשת התהליכים את מקור האנרגיה.

5. רשת התגובות חייבת לגדול ולהתרבות. כדי לשרוד ולגדול חייבת הרשת לקלוט חומר בקצב מהיר יותר מן הקצב שבו היא מאבדת אותו. דיפוזיה של חומרים המשתתפים בתגובות הרשת, המביאה ליציאתם אל העולם החיצוני שמחוץ לאזור התחום, היא תהליך מועדף מבחינה אנטרופית, ולכן הוא יתרחש בקצב מסוים. תגובות לוואי אחדות יכולות ליצור גזים שישתחררו או חומרים בלתי מסיסים דמויי זפת שישקעו ויצאו מן התמיסה. אם יעלה קצב התהליכים האלה על הקצב שבו הרשת קולטת חומר מן הסביבה, הרשת תחוסל. גם התכלות של חומר הדלק החיצוני תביא לתוצאה דומה. אפשר לדמיין שעל פני כדור הארץ הקדום היו התחלות רבות כאלה, שבהן היו מעורבות תגובות מניעות חלופיות ומקורות אנרגיה חיצוניים חלופיים. לבסוף השתרשה תגובה מניעה עמידה במיוחד וקיימה את עצמה.

בסופו של דבר חייבת להתפתח גם שיטה להתרבות. אם רשת התהליכים שלנו מוצאת לה בית בתוך קרומית שומנית, יכולים כוחות פיזיקליים לפצל אותה אחרי שגדלה די הצורך. (פרימן דייסון מן המכון למחקר מתקדם בפרינסטון שבניו ג'רסי תיאר מערכת כזו כ”עולם של שק אשפה” בניגוד ל”תמונה היפה והמסודרת” של עולם הרנ”א.) מערכת תחומה המתפקדת בתוך סלע עשויה לעלות על גדותיה ולזלוג אל נקבוביות סמוכות. ההתפצלות ליחידות נפרדות, יהיה המנגנון מה שיהיה, מגנה על המערכת מפני הכחדה מוחלטת עקב אירוע מקומי הרסני. מרגע שהוקמו היחידות העצמאיות האלה הן יכולות להתפתח בדרכים שונות ולהתחרות זו בזו על חומרי הגלם. בכך עשינו את המעבר מחיים שנבעו מתוך חומר דומם באמצעות פעולתו של מקור אנרגיה, לחיים המסתגלים לסביבה באמצעות אבולוציה דארווינית.

שינוי הפרדיגמה
מערכות מן הסוג שתיארתי מסווגות לרוב בכותרת “חילוף-חומרים-תחילה” (או “מטבוליזם-תחילה”), כותרת הרומזת לכך שהן אינן כוללות מנגנון של תורשה. במילים אחרות, אין הן מכילות מולקולה או מבנה שמאפשר בבירור את שכפול המידע האצור בהם (התורשה שלהם) והעברתו לצאצאיהם. עם זאת, אוסף של חפצים קטנים מכיל את אותו מידע שמכילה רשימה המתארת את החפצים האלה. לדוגמה, אשתי נותנת לי רשימה קניות למרכול. אוסף פריטי המכולת שאני חוזר אתם מכיל את אותו המידע שמכילה הרשימה. דורון לנצט ממכון ויצמן למדע בישראל נתן את השם “גנום של הרכב” (compositional genome) לתורשה האצורה במולקולות קטנות, במקום ברשימה כמו דנ”א או רנ”א.

גישת המולקולות הקטנות למקור החיים דורשת כמה דרישות מן הטבע (אזור תחום, מקור אנרגיה חיצוני, תגובה מניעה המצומדת לאספקת האנרגיה, רשת תגובות כימיות הכוללת את התגובה הזו ומנגנון פשוט של שכפול). עם זאת, דרישות אלה הן בעלות אופי כללי והסבירות לקיומן גדולה לאין ערוך מסבירות המסלול המתוחכם הרב-שלבי, הדרוש ליצירת מולקולה של משכפל.

מאמרים תיאורטיים רבים העלו במשך השנים הצעות שונות לחילוף-חומרים-תחילה, אך הוצגו רק עבודות ניסוייות מעטות שתמכו בהן. באותם מקרים שניסויים אכן פורסמו, הם שימשו בדרך כלל להדגמת הסבירות של שלבים פרטניים במעגל שהוצע. המידע החדש הרב ביותר הגיע מגינטר ואכטרסהאוזר ועמיתיו באוניברסיטה הטכנית של מינכן. הם הציגו חלקים של מעגל שבו מתבצעים חיבור והפרדה של חומצות אמיניות בנוכחות תרכובות מתכת וגופרית ששימשו כזרזים. חמצון של פחמן חד-חמצני לפחמן דו-חמצני מספק את האנרגיה המניעה את התהליך. החוקרים עדיין לא הציגו את פעולתו של מעגל שלם או את יכולתו לקיים את עצמו ולעבור אבולוציה נוספת. דרוש ניסוי מכריע שיציג את שלושת המאפיינים האלה כדי להעניק תוקף לגישת המולקולות הקטנות.

המטלה הראשונית העיקרית של ניסוי כזה היא זיהוין של תגובות מניעות – תגובה בין מולקולות קטנות (כמו A ו-B בדוגמה הקודמת) המצומדת למקור אנרגיה נפוץ (כמו חמצון של פחמן חד-חמצני או של מינרל). ברגע שתזוהה תגובה מניעה סבירה לא יהיה צורך לפרט מראש את שאר המערכת. יהיה אפשר להכניס למכל תגובה מתאים את המרכיבים הנבחרים (כולל מקור האנרגיה) יחד עם תערובת של מולקולות קטנות אחרות המיוצרות בדרך כלל בתהליכים טבעיים (ושהיו נפוצים, קרוב לוודאי, על פני כדור הארץ הקדום). אם תיווצר רשת יציבה של תגובות כימיות שמסוגלת לעבור אבולוציה, נצפה כי ריכוזי החומרים המשתתפים ברשת יעלו וישתנו במשך הזמן. זרזים חדשים שמגבירים את קצבן של תגובות המפתח עשויים להופיע, בעוד שכמות החומרים הבלתי רלוונטיים תקטן. כלי התגובה יזדקק למתקן קלט (שיאפשר אספקה מחודשת של אנרגיה וחומרי גלם) ומתקן מוצא (שיאפשר סילוק של תוצרי פסולת וחומרים שאינם חלק מהרשת הכימית).

בניסויים כאלה יהיה קל לזהות כישלונות. האנרגיה עשויה להתכלות בלי שתיצור שינויים ניכרים בריכוזם של חומרים אחרים, או שהחומרים יהפכו לזפת שתסתום את הציוד. הצלחה של ניסוי כזה עשויה להדגים את השלבים הראשונים בדרך לחיים. צעדים אלה אינם חייבים לשחזר את אלה שאכן קרו על פני כדור הארץ הקדום. חשוב יותר הוא כי העיקרון הכללי יודגם וייעשה זמין למחקרים נוספים. ייתכן כי קיימים הרבה מסלולים אפשריים לחיים, והבחירה ביניהם מוכתבת באמצעות תנאי הסביבה המקומית.

הבנה של הצעדים ההתחלתיים שהובילו לחיים לא תגלה מה היו האירועים המסוימים הממשיים שהובילו לאורגניזמים הקיימים כיום, המבוססים על דנ”א, על רנ”א ועל חלבונים. ועם זאת, כיוון שאנו יודעים שהאבולוציה אינה מסוגלת לחזות מראש את אירועי העתיד, אנו יכולים לשער כי הנוקליאוטידים הראשונים שהופיעו בתהליכי חילוף החומרים שימשו למטרה שונה כלשהי, אולי כזרזים או כאוצרים של אנרגיה כימית (הנוקליאוטיד ATP משמש למטרה זו עד היום). אירוע מקרי או נסיבה כלשהי הובילו, אולי, לצירופם של הנוקליאוטידים ליצירת רנ”א. התפקיד הברור ביותר של רנ”א מודרני הוא לשמש כמרכיב מבני העוזר ביצירת קשרים בין חומצות אמיניות בסינתזה של חלבונים. אפשר שהרנ”א הראשון שימש לאותה מטרה אך ללא העדפה לחומצות אמיניות מסוימות. נדרשים הרבה צעדים אבולוציוניים נוספים כדי “להמציא” את המנגנונים המורכבים לשכפול ולסינתזה של חלבונים מסוימים שאנו צופים בהם בחיים של היום.

אם הפרדיגמה הכללית של גישת המולקולות הקטנות תקבל אישור ישתנו הציפיות שלנו בדבר החיים ביקום. התחלה בעלת סבירות נמוכה ביותר של החיים, כמו בתסריט הרנ”א-תחילה, רומזת לכך שאנחנו לבד ביקום. במילותיו של הביוכימאי ז'ק מונו: “היקום לא הרה חיים והביוספרה לא הרתה את האדם. המספר שלנו פשוט עלה בגורל ברולטה של מונטה קרלו.”

החלופה של מולקולות קטנות, לעומת זאת, מתאימה להשקפותיו של הביולוג סטיוארט קאופמן: “אם כל זה נכון, קיומם של חיים סביר הרבה יותר ממה שהנחנו. לא זו בלבד שהיקום הוא ביתנו, אלא שאף סביר מאוד שאנו חולקים אותו עם שכנים שעדיין לא פגשנו.”

סקירה כללית מקור החיים
התיאוריות בדבר הדרך שבה נוצרו חיים מתוך חומר דומם מתחלקות לשתי קבוצות מקיפות: תיאוריות של “משכפל-תחילה”, ולפיהן נוצרה במקרה מולקולה גדולה המסוגלת לשכפל את עצמה (כמו רנ”א), ותיאוריות של “חילוף-חומרים-תחילה”, ולפיהן מולקולות קטנות יצרו רשת של תגובות כימיות המצומדת למקור אנרגיה ועוברת אבולוציה.

התומכים בתיאוריות ה”משכפל-תחילה” חייבים להסביר כיצד מולקולה כה מסובכת הייתה יכולה להיווצר לפני שתהליך האבולוציה יצא לדרכו.

התומכים ב”חילוף-חומרים-תחילה” חייבים להראות כיצד רשת תגובות כימיות המסוגלת לגדול ולעבור אבולוציה הייתה יכולה להיווצר בימיו הצעירים של כדור הארץ.

על המחבררוברט שפירו הוא פרופסור בדימוס בכימיה ומדען חוקר בכיר באוניברסיטת ניו יורק. פרסם בעצמו או עם עמיתים יותר מ- 125 מאמרים, בעיקר בתחום הכימיה של הדנ”א. שפירו חקר באופן מיוחד את הדרכים שבהן יכולה הכימיה של הסביבה לפגום בחומר תורשתי ולגרום לשינויים שעלולים להוביל למוטציות ולסרטן.

שאלות נפוצות של קוראים
רוברט שפירו ענה על שאלות שהעלו קוראים בבלוג של סיינטיפיק אמריקן באנגלית. הנה מבחר ערוך של שאלות ותשובות.

האם השערת חילוף-החומרים-תחילה מורה על מקור יחיד לחיים או מקורות רבים בלתי תלויים זה בזה?– ג'יי אר

תשובה: מקורות רבים נראים כהנחה מעשית יותר בתסריט חילוף-החומרים-תחילה. ג'רלד פיינברג ואני דנו בספר שלנו חיים מעבר לכדור הארץ, שפורסם ב-1980, באפשרות של חיים זרים (חיים שאינם מבוססים על דנ”א, רנ”א וביוכימיה אחרת המוכרת לנו). חוקרים בכנס שאירח פול דייוויס באוניברסיטת המדינה של אריזונה בדצמבר 2006 הסיקו כי ייתכן שחיים זרים, שלא התגלו, קיימים אפילו על פני כוכב הלכת שלנו. באמצעות חומרי התרבית הרגילים קשה לגדל וליצור תרביות מרוב המיקרואורגניזמים, שאפשר לצפות בהם במיקרוסקופ, וחלק ניכר מהם נשאר אפוא בלתי מאופיין. מיקרובים זרים יכולים אולי להתקיים בסביבות חיים שהן קיצוניות מדי גם לצורות העמידות ביותר של החיים המוכרים לנו.

מדוע עלינו להדגים את חילוף החומרים-תחילה במבחנה? האם אי אפשר להדמות אותם באמצעות תוכנת מחשב? –דייב איבנוף

ת: סטיוארט קאופמן, דורון לנצט ואחרים השתמשו בהדמיות מחשב להדגמת ההיתכנות של מעגלי תגובות בעלי קיום עצמי. הדמיות כאלה לא פירטו את התערובות הכימיות המדויקות ואת תנאי התגובה הדרושים לביסוסן של רשתות כימיות. עדיין איננו יודעים את כל מסלולי התגובה הפתוחים לפני תערובות של תרכובות אורגניות פשוטות, קל וחומר שאיננו יודעים את הקבועים התרמודינמיים. גם לו היה המידע הזה זמין, רוב הכימאים לא היו משתכנעים מהדמיית מחשב אלא היו דורשים הדגמה ניסויית.

העובדה שכל המולקולות הביולוגיות הן בעלות אותה כיראליות דורשת הסבר כלשהו – ג'והן הולט
ת: אם התגובה הכימית שמתבצעת באמצעות מינרל, המניעה את מעגלי התגובה שדנתי בהם במאמר, מעדיפה רק צורה אחת של תמונת-ראי של החומר הכימי A הרי שהתוצר B ותרכובות אחרות במעגל היו עשויות גם הן לקבל רק צורה אחת של תמונת-ראי. בקרה על הכיראליות נעשית חיונית כשמולקולות קטנות מתחברות יחד ויוצרות מולקולות גדולות. אנזים מודרני עשוי להכיל 100 חומצות אמיניות, המחוברות ביניהן, וכולן בעלות אותה כיראליות (הן מכונות חומצות אמיניות L). אם היו מחליפים אותן, באתרים רגישים בתוך האנזים, בחומצות אמיניות D, שהן תמונת הראי של צורות ה-L, הייתה צורתו המרחבית של האנזים משתנה ותפקודו היה עלול להיעלם.

תשובתו של חוקר רנ”א-תחילה
סטיבן א' בנר ממכון ווסטהיימר למדע וטכנולוגיה בגיינסוויל שבפלורידה טוען שמודל הרנ”א-תחילה חי וקיים.

גם אם אחדים מן החוקרים מכריזים שמודל הרנ”א-תחילה להסבר מקור החיים מת משום שסבירות הופעתה הספונטנית של מולקולת רנ”א נמוכה מעבר לכל דמיון, המחקר המדעי דווקא מציע תמיכה למודל הזה.

הרשו לי להודות תחילה בעובדה שרוב המולקולות האורגניות הופכות למשהו דמוי אספלט כשהן מופגזות באנרגיה (כמו ברק או חום מהרי געש), חומר המתאים לסלילת כבישים יותר מאשר להפחת רוח חיים. אולם המודלים לחילוף החומרים-תחילה, גם אם יזכו לתמיכה באמצעות חומר כימי אמיתי כלשהו, צריכים להתמודד גם עם הפרדוקס הזה: מולקולות הפעילות דיין כדי להשתתף בחילוף חומרים הן גם פעילות דיין כדי להתפרק. אין פתרונות קלים.

כמו רבים אחרים, קבוצת המחקר שלי חזרה אל הציווי המדעי: לערוך ניסוי מעבדתי ממשי כדי ללמוד כיצד היה יכול הרנ”א להופיע על פני האדמה.

הסוכר ריבוז, ה-ר' שברנ”א, מספק שיעור לדוגמה כיצד בעיה שהכריזו עליה כ”בלתי ניתנת לפתרון” היא בעצם רק “עדיין לא פתורה”. במשך זמן רב נשאר הריבוז כ”בלתי אפשרי” לייצור באמצעות סינתזה קדם-ביוטית (תגובות בין תערובות של מולקולות שקיומן על פני כדור הארץ הקדם-ביוטי סביר), שכן הוא מכיל קבוצת קרבוניל – אטום פחמן בעל קשר כפול לאטום חמצן. קבוצת הקרבוניל מעניקה למולקולה גם אפשרויות תגובה “טובות” (היכולת להשתתף בחילוף חומרים) וגם “רעות” (היכולת ליצור חומר דמוי זפת). לפני כעשר שנים הסיק סטנלי ל' מילר כי חוסר היציבות של ריבוז הנובע מקבוצת הקרבוניל “מונע את השימוש בריבוז וסוכרים אחרים כגורמים קדם-ביוטיים… ומכאן שריבוז וסוכרים אחרים לא היו מרכיבים של החומר הגנטי הראשון.”

אבל מרקים קדם-ביוטיים זקוקים לקערת מרק העשויה ממינרלים, ולא לכוס כימית מפיירקס. “קערת מרק” מעניינת אחת מצויה היום ב”עמק המוות” שבקליפורניה. בעמק מוות קדמוני הסביבה הייתה רטובה ויבשה לסירוגין, עשירה במולקולות אורגניות שנותרו מענן החומר שיצר את כדור הארץ וגם (חשוב ביותר) מלאה מינרלים המכילים את היסוד בור. למה הבור חשוב? מפני שהוא מייצב פחמימות כמו ריבוז. זאת ועוד, אם מערבבים יחד תחמוצת של בור (בוראט) ותרכובות אורגניות הנפוצות במטאוריטים וחושפים אותן למכת ברק, נוצרות כמויות יפות של ריבוז מפורמאלדהיד והריבוז שנוצר אינו מתפרק.

העובדה שלבעיה שהוכרזה כ”בלתי פתירה” נמצא פתרון פשוט כל כך אינה מוכיחה שצורת החיים הראשונה השתמשה לבטח ברנ”א כדי לבצע גנטיקה. אך היא אמורה לעצור אותנו קצת בשעה שמייעצים לנו לזנוח כיווני מחקר רק משום שכמה פיסות בעייתיות שלהם עדיין לא נפתרו.