כשהפיזיקאי שאל
"מהם החיים?"

היה זה חורף שנת 1943. המון רב התגודד בפתח אולם ההרצאות הגדול של טריניטי קולג' בדבלין וביקש להיכנס. בקדמת האולם המלא עד אפס מקום עמד הפיזיקאי האוסטרי הנודע ארווין שרדינגר, שזכה בפרס נובל עשר שנים קודם לכן. שרדינגר השתקע באירלנד בעקבות סיפוח אוסטריה לגרמניה, שהוביל לפיטוריו מהאוניברסיטה בתור מתנגד ותיק למשטר הנאצי, ובסופו של דבר אילץ אותו לברוח ממולדתו.

מסלול הבריחה שלו עבר באיטליה והסתיים באירלנד, שהעניקה לו מקלט מדיני. הוא נשאר בה כל שנות מלחמת העולם השנייה וגם לאחר מכן, עד פרישתו לגמלאות ב-1955. הוא מונה שם לראש המחלקה לפיזיקה תיאורטית במכון ללימודים מתקדמים בדבלין (Dublin Institute for Advanced Studies). במכון נהגו לקיים מדי שנה סדרת הרצאות לקהל הרחב, כל פעם של מרצה אחר, והפעם היה זה תורו של שרדינגר.

אולם הפיזיקאי האוסטרי הגולה לא בחר להרצות על מחקרו פורץ הדרך במכניקת הקוונטים, על פיתוח משוואת שרדינגר המפורסמת, ואפילו לא על פרדוקס החתול של שרדינגר. הרצאותיו עסקו בביולוגיה ובמהות החיים – נושאים שהקשר בינם לבין הפיזיקה לא היה מובן מאליו כלל בימים ההם. ההרצאות זכו להצלחה כבירה, ותעיד על כך העובדה שהוא נדרש לחזור על כל הרצאה פעמיים, למען אלה שלא היה להם מקום באולם בסיבוב הראשון.

שנה לאחר מכן פרסם שרדינגר את תוכן ההרצאות בספרון בעל השם השאפתני מהם החיים?. הספר זכה לחשיפה עצומה ומהדורות חדשות שלו ממשיכות לצאת לאור עד ימינו. נדמה שביולוגים רבים בעשור שאחרי פרסומו קראו אותו וראו בו מקור השראה משמעותי. מה בתובנותיו של פיזיקאי הקוונטים קסם כל כך לדור הביולוגים ההוא? האם הן רלוונטיות גם כיום?

ההיבט הפיזיקלי של התא החי. עמוד השער של הספרון "מהם החיים?", מהדורת 1948 | מקור: ויקיפדיה, שימוש הוגן

אטומים זעירים וגבישים לא מחזוריים

ההרצאה והספר נפתחו בשאלה "מדוע האטומים קטנים כל כך?" במבט ראשון השאלה נראית די מוזרה, שלא לומר חסרת פשר, אך שרדינגר מילא אותה במשמעות: האטומים קטנים רק אם משווים אותם אלינו, כך שהשאלה היא בעצם ,"מדוע אנחנו, ושאר היצורים החיים, גדולים כל כך לעומת אטומים?" מה בתופעת החיים מחייב שיורכבו מאין-ספור אטומים, אחרת לא יתפתח מוח שיוכל לגלות את עובדת קיומם של אטומים ולתהות על קוטנם?

השאלה הזאת אומנם קשורה לביולוגיה, אבל גם מומחיותו של שרדינגר בפיזיקת חלקיקים יכולה לתרום לא מעט להבנתה. שרדינגר הסביר שהעולם ברמת האטומים הבודדים הוא עולם כאוטי, אקראי, הנשלט בידי חוקים סטטיסטיים, וזה נכון עוד לפני שמביאים בחשבון את מכניקת הקוונטים, שאינה דטרמיניסטית מעצם מהותה. אטומים נעים באי-סדר ובאופן שמקשה מאוד לנבא את תנועתו של אטום יחיד.

העולם הזה שונה מאוד מעולמנו המקרוסקופי, שלפחות לכאורה נשען על חוקים מוחלטים וסדורים, שהיצורים החיים מסתמכים עליהם. החיים, בתור תבנית מסודרת ומאורגנת, אינם יכולים להתקיים בעולם של אטומים בודדים, שבו כל ניסיון ליצור סדר ארוך טווח נידון להיכשל. החיים מצליחים להתקיים משום שהם מורכבים ממיליארדים רבים של אטומים, כך שהתנועות האקראיות של כולם יחד מבטלות אלה את אלה ויוצרות בממוצע דפוס אמין ובר-חיזוי. 

פיזיקאי קוונטים עם תובנות שקסמו לביולוגים. ארווין שרדינגר | מקור: האגודה האמריקאית לפיזיקה, APS

אבל שרדינגר לא הסתפק בזה. הצעד הבא שעשה היה לנתח תוצאות של ניסויים בביולוגיה שעסקו בגנטיקה, ובעיקר בטיבו של החומר התורשתי. בשנות ה-40 עדיין לא ידעו בדיוק איך עובר המידע התורשתי מדור לדור, ואיך הוא מכתיב את אופן התפתחותו של היצור החי. אבל היו רמזים רבים לתשובה, והמחקר התקדם במרץ.

בין השאר כבר ידעו שגורמי התורשה, הגֵנים, מצויים בכרומוזומים שבגרעין התא. כמו כן, מחקריהם של מקס דלבריק ואחרים הראו כי שינוי של חלקים זעירים ביותר מהכרומוזומים, בגודל של אטומים ספורים, יכול לחולל מוטציות – שינויים בגֵנים שמובילים לשינוי בתכונות שהם אחראים עליהן. יתרה מכך, נמצא כי השינויים האלה יציבים כמו המקור – כלומר יכולים לעבור לדור הבא ויקבעו כל פעם מחדש את אותה תכונה חדשה.

אולם כל זה מתנגש עם מה שהניתוח הקודם שלנו העלה – אטומים בודדים אינם יכולים לשמר מידע, כי הם תזזיתיים מדי. אם כן, איך קבוצה כה קטנה של אטומים יכולה לשאת מידע, ואיך ייתכן ששינוי שנעשה בה ישאר יציב כל כך וישמר את השינוי במידע?

תשובתו של שרדינגר הייתה שהחומר התורשתי הוא מולקולה – קישור יציב בין אטומים שיכול להחזיק מעמד זמן רב. במונחי מכניקת הקוונטים, היציבות של מולקולות דומה לזו של חומרים מוצקים, כך ששרדינגר דימה את המולקולה הזאת לגביש. גבישים מורכבים בדרך כלל מיחידות זהות החוזרות על עצמן פעמים רבות באותו סדר. אבל גביש כזה אינו יכול לשאת הרבה מידע, שכן המידע כולו מצוי ביחידת בסיס אחת, לא משנה כמה פעמים היא חוזרת על עצמה. לכן הגביש שלנו צריך להיות גביש מיוחד.

לפי הגדרתו של שרדינגר, החומר התורשתי שמור ב"גביש לא-מחזורי". הוא אומנם מורכב מיחידות בסיס מעטות, אבל הן לא חוזרות על עצמן בסדר קבוע. מה שקובע את המידע שנושא הגביש הוא הסדר של יחידות המבנה שלו. כך הוא יכול לשאת את כמויות המידע העצומות הנדרשות כדי ליצור את תוכנית הבנייה של היצור החי.

להדגמת כוונתו הביא שרדינגר את קוד מורס – צופן פשוט שמשתמש בשלוש אבני בניין (צליל קצר, צליל ארוך ורווח), ויכול לשאת כך כל מסר בשפה הכתובה. כך, עם מספר די קטן של אבני בניין אפשר לקודד כמויות עצומות של מידע.

אם זה נשמע לכם מוכר, הרי זה משום שבדיוק כך אנחנו מתארים כיום את האופן שבו ה-DNA מקודד את המידע התורשתי שלנו. היה זה למעשה התיאור המפורט הראשון של רעיון הצופן הגנטי, ושל הדרך שבה מולקולות יכולות לשאת מידע. כשג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק פענחו בעשור שלאחר מכן את מבנה ה-DNA, הוא התאים בדיוק לרעיון הזה – מולקולת ענק המורכבת מארבע אבני בניין, המסודרות לאורך צמד גדילים בצורה לא-מחזורית. המפתח לצופן הגנטי הוא ההתייחסות לרצף של שלוש יחידות סמוכות כאל מילה. כך מתאפשרים כל הצירופים הנחוצים כדי להגדיר את הוראות הבנייה עבור כל חלבון שהוא.

אטומים זעירים המרכיבים ארבע אבני בניין, עם סידור לא מחזורי. מולקולת DNA | איור: RESEARCH VISUALIZED / SCIENCE PHOTO LIBRARY

אנטרופיה שלילית וביקורות שליליות

לאורך ספרו של שרדינגר עוברת כחוט השני השאלה "איך הפיזיקה והכימיה יכולות להסביר את האירועים במרחב ובזמן המתרחשים בתוך היצור החי?" עד כה ראינו איך התמודד שרדינגר רק עם אחד האתגרים שמציבים חוקי הפיזיקה בפני התופעות הביולוגיות – טבעם הסטטיסטי והאקראי של החלקיקים, העומד בדרכן של היציבות והסדירות המאפיינות את החיים. אתגר אחר, אך דומה,  שמציבה הפיזיקה בפני הביולוגיה הוא החוק השני של התרמודינמיקה.

החוק הזה קובע שבמערכת מבודדת רמת האנטרופיה, מושג שמתפרש בדרך כלל כאי-סדר, אינה יכולה לפחות. אולם החיים מפירים אותו לכאורה – הם מצליחים לשמר ואף להגדיל את רמת הסדר שלהם לאורך דורות רבים.

אולם זוהי סתירה רק לכאורה. מכיוון שהחיים אינם מערכת סגורה, אלא מחליפים חומרים ואנרגיה עם הסביבה, הירידה באנטרופיה של האורגניזם משתלבת עם עלייה גדולה יותר באנטרופיה של הסביבה, כך שהמערכת של האורגניזם-סביבה מצייתת לחוק השני. שרדינגר ניסח זאת כך: יצורים חיים ניזונים מ"אנטרופיה שלילית". הרעיון הזה מאפשר ליישב, לפחות להלכה, אם לא בפרטי פרטים, בין החוק השני השולל סדר מתמשך לבין העובדה הניכרת לעין שיצורים חיים הם מערכות מסודרות ויציבות.

למרות רעיונותיו המקוריים והמרתקים, ספרו של שרדינגר נתקל בביקורת רבה במשך השנים, ממגוון סיבות. מרבית הביקורת נמתחה בתחילה על רעיון האנטרופיה השלילית. היו פיזיקאים, כמו פרנסיס סימון, שטענו שהמונח הזה שגוי ומטעה, והציעו הסברים מדויקים יותר. שרדינגר אף התייחס לביקורתו של סימון בהערה שהוסיף למהדורה השנייה של הספר.

הביקורות עליו משנות ה-60 ואילך היו חריפות אף יותר. המבקרים הצביעו על מה שנראה כחוסר בקיאות של שרדינגר במחקר הביולוגי של תקופתו, דבר שהוביל אותו להתבסס על מידע מיושן ושגוי. בנוסף נטען שרעיונותיו לא היו מקוריים, ושאת חלקם העלו מדענים אחרים, לעיתים עשרות שנים קודם לכן. למשל מקס פרוץ, חתן פרס נובל בכימיה לשנת 1962, כתב ב-1987 במאמר ביקורת על הספר, שלאכזבתו "הדברים הנכונים בספר אינם מקוריים, ומה שכן מקורי היה שגוי כבר על פי מה שהיה ידוע בזמן כתיבתו". 

הסדר הביולוגי סותר רק לכאורה את החוק השני של התרמודינמיקה. תאים מסודרים בעלה של צמח מים | צילום במיקרוסקופ:  MAREK MIS / SCIENCE PHOTO LIBRARY

פיזיקאי, הביולוגיה קוראת לך!

האמת היא שאף כי שרדינגר לא הצטיין במתן קרדיט למדענים אחרים בספרו, הוא גם לא טען שרעיונותיו מקוריים. יש לזכור גם שהספר מבוסס על הרצאות לקהל הרחב, שמטבען מספרות על ממצאים ידועים ולא מתיימרות בהכרח להציג ממצאים חדשים. אולם אין עוררין שבאופן הצגת הדברים, ובנקודת המבט הייחודית שלו על הנושא, שרדינגר שבה את ליבם של מדענים רבים. אפילו כיום, כשברור שפרטים רבים בספר כבר התיישנו, הרעיונות העולים ממנו עדיין מציתים את הדמיון ואת המחשבה.

הרעיונות של "מהם החיים?" קנו להם עד מהרה אחיזה בתחום הביולוגיה המולקולרית. מדענים מתחומים רבים, כמו סימור בנזר (Benzer), ג'ורג' גמוב (Gamov), אלפרד הרשי (Hershey), ג'יימס ווטסון (Watson), מוריס וילקינס (Wilkins), סלבדור לוריא (Luria), גונתר סטנט (Stent) ופרנסיס קריק (Crick) –העידו כולם כי קיבלו השראה מהספר. לא במקרה, הרשימה כוללת גם את  חלוצי הביולוגיה המולקולרית של שנות ה-50 וה-60, מגלי מבנה ה-DNA ומפצחי הצופן הגנטי. רבים מהם היו פיזיקאים בהכשרתם ועשו את הקפיצה הבין-תחומית אל הביולוגיה. חלקם ציינו במפורש שקריאת הספר הייתה אחד המניעים למהלך הנועז.

שלושה מעריצים ומתנגד: מוריס וילקינס (ראשון משמאל), פרנסיס קריק (שלישי) וג'יימס ווטסון (חמישי), בטקס הענקת פרסי נובל 1962 עם מקס פרוץ (שני משמאל). עוד בתמונה, הכימאי ג'ון קנדרו וחתן הפרס בספרות, ג'ון סטיינבק (רביעי משמאל) | מקור: NYPL / SCIENCE SOURCE / SCIENCE PHOTO LIBRARY

המוטיבציה שדרבנה את שרדינגר לגעת גם בתחומי הביולוגיה נבעה לפחות בחלקה מהתקווה שחקר תופעת החיים יסייע לחשוף חוקי טבע נוספים, שנותרו סמויים מעיני הפיזיקאים כל עוד הסתפקו בחקר מערכות פשוטות וחסרות חיים. בימים ההם כלל לא היה ברור שחוקי הפיזיקה הידועים מספיקים כדי להסביר את כל עולם התופעות – היו מי שסברו כך והיו כאלה שלא.

בשנות ה-40 היו עדיין רבים שדגלו בוויטליזם – עמדה הגורסת שהחי שונה מהותית בטבעו מהדומם. לפי הגישה הזאת, כוחות עלומים שאין להם דבר עם חוקי הפיזיקה שולטים בעולם החי, והם אלה שמאפשרים את המורכבות, היציבות והייחודיות שלו. שרדינגר סבר אחרת. הוא התייחס לחיים כאל תופעה פיזיקלית ושיער שאולי אנחנו לא מכירים את כל חוקי הפיזיקה. אם זה נכון, ייתכן שהמחקר הביולוגי יפתח פתח למציאת חוקי פיזיקה חדשים.

המסקנה שעולה במישור הזה מספרו של שרדינגר היא שאכן יש נתיב עקרוני שמאפשר להסביר את הביולוגיה באמצעות הפיזיקה, אם כי הפרטים עדיין לוקים מאוד בחסר. ייתכן שזה היה מה שכל כך קסם לפיזיקאים בספר הזה, ואחר כך משך אותם לעבור לעסוק בביולוגיה – התחושה שהתשובות מחכות מעבר לפינה. במידה רבה הן אכן חיכו. עשר שנים בלבד לאחר מכן התבררה מהותו של החומר התורשתי והובהר המבנה של הגֵנים ואופן פעולתם. זמן לא רב לאחר מכן כבר הסתמן שהפיזיקה והכימיה אכן מצליחות להסביר היטב את התופעות הבסיסיות של החיים.

עם זאת, למרבה האכזבה, החזון לא התממש עד תום. עד כה ההתפתחויות הדרמטיות שחלו בחקר הביולוגיה לא הובילו למציאת חוקי פיזיקה חדשים. אך אולי עוד לא מאוחר מדי. באחרית הדבר של ספרו הרשה לעצמו שרדינגר להפליג למחוזות פילוסופיים ולהביע את דעותיו על מהותן של התודעה והבחירה החופשית. הנושאים האלה אינם מוסברים כלל בידי חוקי הפיזיקה הידועים. האם חקר הסוגיות האלה יניב חוקי טבע חדשים? ימים יגידו. שרדינגר ודאי יכול היה להיות מרוצה אם כך יתפתחו הדברים.