האם הרכב היצורים החיים דומה לסביבתם? ולמה אנחנו לא בנויים בעיקר ממתכות?
כשאנו מסתכלים על כל היצורים החיים בעולמנו, מגלים שהרכבם דומה מאוד וההבדלים ביניהם טמונים בעיקר בדרך שבה הם משתלבים יחד. לדוגמה, יצורים מורכבים מחלבונים שונים, אך הרכב היסודות של רוב החלבונים דומה מאוד. וכאן אפשר לשאול, האם ההרכב הזה משקף את מגוון היסודות הקיימים בסביבת המחיה שלנו?
כדי לענות על השאלה עלינו לבחון מהו הרכב היסודות ביצורים החיים ומהו הרכב הסביבה. את ההרכב הזה מודדים ביחס למשקל הכולל של היסוד בגוף או בסביבה, ולא לכמות האטומים, אם כי בדרך כלל אין הבדל מהותי בין השיטות. רוב גופנו, בדומה לשאר היצורים החיים, מורכב ממים ותרכובות אורגניות, כך שהוא כולל כמות גדולה מאוד של מימן, חמצן ופחמן. בנוסף, גופם ותאיהם של כל היצורים החיים מכילים חנקן וזרחן בשפע, כיוון שהם מרכיב חשוב בחלבונים ובחומצות הגרעין – DNA ו-RNA.
גם הסידן הוא יסוד נפוץ מאוד אצל יצורים רבים – בעיקר כמרכיב חשוב בעצמות, בשיניים, ובשלד החיצוני של אורגניזמים כמו אלמוגים וסרטנים. יסודות נוספים, כמו נתרן, אשלגן, כלור וגופרית, נפוצים למדי אצל רוב היצורים וביניהם בני אדם: הגופרית נמצאת בשתי חומצות אמינו חיוניות – ציסטאין ומתיונין, שנמצאות בחלבונים רבים; נתרן, אשלגן וכלור משפיעים על הרכב היונים בתאים ובנוזל החוץ תאי, וחיוניים לוויסות פעולתם של תאים רבים.
יש עוד יסודות שחיוניים לגוף האדם, וחלקם חיוניים כמעט לכל צורות החיים, אך כמותם זעירה. עליהם נמנה הקובלט, שמשמש מרכיב מרכזי בוויטמין B12 הנחוץ לתאים, אך מהווה כמיליונית האחוז בלבד ממשקל גופנו. יש גם יסודות שנחוצים בכמויות זעירות למינים מסוימים ואינם נחוצים כלל לאחרים, אלו היוצאים מן הכלל. אפשר לומר שהיסודות העיקריים שמהם עשוי גופנו מרכיבים גם את גופם של כל היצורים החיים.
החומרים החיוניים ביותר לקיום החיים: תרכובות פשוטות של מימן, חמצן, פחמן וחנקן | איור: Shutterstock
העולם שבו אנו חיים
לגבי הרכב הסביבה, הקושי הראשון הוא להגדיר מהי בכלל הסביבה: שהרי אין הרכב הכוכבים והחלל, המייצג היטב את שכיחות היסודות ביקום כולו, דומה להרכב כדור הארץ כולו, כולל ליבתו, ובתוכו האוקיינוסים או האטמוספרה. לפיכך נתייחס לסביבה כקרום כדור הארץ, הכולל גם את האוקיינוסים וקרקעיתם, שהרי עליו חיים רוב היצורים החיים.
הרכב הסביבה שונה למדי מהרכב היצורים החיים. בניגוד ליסודות שמנינו, הסביבה מורכבת ממתכות רבות, שיוצרות מינרלים ומלחים. בקרום כדור הארץ נפוצים מאוד היסודות צורן (סיליקון), אלומיניום וברזל, בסדר הזה. מביניהם, רק לברזל יש חשיבות משמעותית בגוף האדם, וגם זה רק בכמויות קטנות יחסית. גם לאלומיניום ולצורן עשויה להיות חשיבות מסוימת, אך אנו זקוקים להם בכמות זעירה, אף על פי שביחד הם מהווים כ-35 אחוז מקרום כדור הארץ.
וזה ממשיך. היסוד התשיעי בשכיחותו בקרום כדור הארץ הוא טיטניום, אך אין לו כל תפקיד ביולוגי ידוע והוא נדיר מאוד בגוף. פחמן, שמככב בכל התרכובות האורגניות שמהן בנויים כלל היצורים החיים, הוא רק היסוד ה-15 בשכיחותו, שמרכיב בין מאית לעשירית האחוז מקרום כדור הארץ.
הסביבה שלנו מכילה מתכות רבות, אך חשיבותן בקיום חיים קטנה מבחינה כמותית. מתכות | צילום: Shutterstock
ייחודם של חומרי החיים
אם כן, מאין נובעים ההבדלים המשמעותיים הללו. איך ייתכן שהיצורים החיים אינם מורכבים מהיסודות הנפוצים ביותר בסביבה?
התשובה טמונה בתכונות של היסודות השונים. יצורים חיים זקוקים בין השאר למולקולות מורכבות בצורות מגוונות, בעלות מבנה ותפקוד מורכבים ויכולת שכפול עצמית. מולקולות אורגניות, כלומר כאלה שמבוססות על קשרי מימן-פחמן, הן מועמדות מתבקשות לכך. הסיבה היא שפחמן יוצר מולקולות מורכבות עקב יכולתו להיקשר לארבעה אטומים שונים ונטייתו ליצור שרשראות ארוכות ומורכבות. מתכות, לעומת זאת, אינן יכולות ליצור בדרך כלל שרשראות ארוכות ומורכבות של אטומים, כמו אלה שבונים את החלבונים וחומצות הגרעין.
ישנם הבדלים כימיים נוספים בין המתכות, שעליהן נמנים כאמור רוב היסודות הנפוצים בקרום כדור הארץ, לבין אל-מתכות, שעליהן נמנים רוב היסודות הנפוצים ביצורים חיים. ההבדלים האלה מביאים לידי כך שהתכונות של אל-מתכות כנראה מתאימות יותר לחיים, ועל כן הן אלה שמרכיבות את רוב גופנו, ולא המתכות.
עניין נוסף הוא שגם אם יסוד כלשהו נפוץ מאוד בקרום כדור הארץ, לא תמיד קל למצוא מרבצים מרוכזים שלו: המתכת רובידיום, לדוגמה, נפוצה למדי בטבע, אך מופיעה תמיד עם אשלגן, ובריכוז נמוך. מאחר שתכונותיהם דומות למדי, החיים התפתחו כך שאשלגן נחוץ ליצורים החיים ואילו לרובידיום אין כנראה כל תפקיד ביולוגי.
במקרים אחרים קשה לחלץ יסודות מהסביבה כדי להשתמש בהם לבניית תאים או מולקולות מועילות לחיים. האלומיניום, למשל, הוא היסוד השלישי בשכיחותו בקרום כדור הארץ, אך הוא מופיע כמעט תמיד בתור תחמוצות או סיליקטים, שהם חומרים יציבים מאוד, כך שקשה להפיק אותו ממקורות טבעיים. לכן אין כנראה כמעט יצורים חיים שמנצלים אותו, ואולי בכלל לא.
ולבסוף, היסודות הנפוצים בטבע נוכחים בכל זאת בגוף, גם אם אין בהם שימוש. אף שבאופן טבעי הם אינם נוטים להיספג מהסביבה, שהרי אין בהם צורך, ריכוזם הגבוה גורם לכך שהם בכל זאת נוכחים בכמויות קטנות. הכמות של חלקם, כמו צורן ורובידיום, עולה על זאת של יסודות אחרים שנחוצים לתפקודנו, כמו יוד, הנחוץ לבלוטת התריס, או קובלט.
