מחקרים חדשים מראים כי החיידק שנטען כי החליף זרחן בארסן, פיתח למעשה יכולת טובה יותר להפיק את הזרחן המועט הקיים באגם. המחקרים האלה מערערים את התיאוריה שלפיה ייתכנו חיים מבוססי ארסן. בנוסף הועלו טענות קשות נגד הקשר בין התוצאות למסקנות במחקר המקורי
"הסוכנות ליחסי ציבור הגדולה והמצליחה בעולם" – כך מכנים המתנגדים להשקעות בחקר החלל את סוכנות החלל האמריקאית נאס"א. יחסית ל"סוכנות ליחסי ציבור" נאס"א ממעטת מאוד במסיבות עיתונאים, אבל לפני ימים אחדים היא קיימה מסיבה כזאת בכל זאת.
הנושא לא היה חללית חדשה או מבצע חדש בחלל, וחלילה לא אסון כלשהו. על הפרק גם לא היו תלונות נגד הממשל על קיצוצים תקציביים, ולא חילופי גברי בהנהלת הסוכנות. הסיבה הדרמטית לכינוס מסיבת העיתונאים הייתה חיידק שנמצא בקרקעית אגם מונו, בקליפורניה, בסביבה המכילה כמויות גדולות של ארסן, הידוע ברעילותו לכל צורות החיים הידועות על כדור הארץ. החיידק מאגם מונו, שלכבודו התכנסה האסיפה, לא רק הצליח לשרוד בסביבה העשירה בארסן – הוא רתם את הארסן לתועלתו ושילב אותו בתהליכי החיים שלו.
החיים בכדור הארץ מבוססים בעיקר על פחמן, חמצן, מימן וחנקן. אליהם נוספים היסודות זרחן וגופרית. הזרחן משמש מרכיב בסיסי בתהליכי תקשורת תוך-תאיים שבלעדיהם לא ייתכנו חיים. מסרים והוראות לבקרה של גנים, לייצור חלבונים, לפירוק חומרים פגומים ומסוכנים, כל אלה מבוססים על הוספת אטומי זרחן למולקולות המשתתפות בתהליך. הוספת הזרחן למולקולה משמעה "עירור" המולקולה והטענתה ב"מסר" שאותו היא מעבירה הלאה בשרשרת הפיקוד.
החיידק מאגם מונו "החליט" בשלב כלשהו של חיי ש"אם אי אפשר להילחם בארסן הרעיל, כדאי לצרף אותו ולשתף אותו בתהליכי החיים". במילים אחרות, הוא החליף את הזרחן בארסן והכניס את החומר הרעיל היישר אל אחד הצמתים המרכזיים של תהליכי החיים הידועים לנו. העובדה שהוא שרד, ואף ניצל את החומר הרעיל לטובתו, משגרת רמז משמעותי באשר לסיכויים להיווצרות חיים בתנאים שבהם סברנו עד כה שלא ייתכנו חיים. מכאן קצרה דרכה של המחשבה אל התנאים ששוררים על פניהם של כוכבי לכת וירחים אחרים במערכת-השמש שלנו, וגם הרחק ממנה.
מה באמת המשמעות של גילוי חיים שמתבססים על חילוף חומרים שונה משלנו?
בשנת 1941 פירסם תאודור סטרג'ן את אחד מסיפורי המדע הבדיוני הטובים בכל הזמנים: "אל בזעיר אנפין". גיבור הסיפור, ג'יימס קידר, הצליח לפתח מערכות מולקולריות שמסוגלות לשכפל את עצמן, מעין תחליף סינתטי לעולם החי והצומח בכדור הארץ, המבוסס על יכולת השכפול העצמי של הדנ"א וה-RNA – אבל סביבם הוא עיצב מערכת חדשה לחלוטין של חילוף חומרים שתוכננה לבצע תהליכים כימיים הרבה יותר מהר מתהליכי החיים של האורגניזמים המוכרים לנו בעולמנו.
חילוף החומרים הוא המנוע של האבולוציה. היצורים החדשים של קידר הציפו מוטציות חדשות בקצב מסחרר והגישו אותם ל"ועדות הקידום" של הברירה הטבעית, דבר שיצר אבולוציה מהירה שאפשרה בתוך שנים אחדות ליצורים החד-תאיים הראשוניים לעקוף את האדם בסיבוב. בסיפור של קידר, היצורים החדשים הסתפקו בהתבדלות וביכולתם להגן על עצמם משגיונותינו. במובן הזה זה היה סיפור עם סוף טוב.
כפי שתיאר את זה סטרג'ן, קידר ברא חיים אחרים וכך רכש לעצמו, כוח רב מדי. בשביל היצורים החדשים הוא היה אלוהים. בורא העולם. וכשהם אמרו, חשבו או האמינו ש"הכל כתוב", הם התכוונו לנוסחאות הכימיות שלו.
סיפורו של ה"אל בזעיר אנפין" התרחש באי קטן באוקיינוס האטלנטי, מול חופי מסצ'וסטס. לא הרחק ממכון מסצ'וסטס לטכנולוגיה, MIT, שבו כבר בשנות ה-90 של המאה שעברה בנה הכימאי ג'וליוס רבק מערכת מולקולרית שמסוגלת לשכפל את עצמה. מאז הוצעו כמה וכמה רעיונות בנוגע למערכות שמסוגלות לשכפל את עצמן, אבל עבודתו של רבק עדיין נחשבת לרעיון שתהליך היישום שלו במעבדה זכה להצלחה הרבה ביותר עד כה.
שכפול עצמי
תכונת השכפול העצמי, תוך ארגון מחדש של הסביבה והחלפת מרכיבים איתה, היא התכונה המבדילה בין מערכת חיה לחומר דומם. מולקולה אחת ויחידה שהחלה ליצור מעצמה העתקים לפני 3.5 מיליארדי שנים, יכולה להיות המקור להתפתחות החיים על פני כדור הארץ. היא הייתה כנראה האם הקדומה של כל הצמחים, החרקים, החיידקים ובני האדם גם יחד. מה ייחד את המולקולה הזאת מסביבתה? מה גרם לה להתחיל בתהליך שלא פסק לרגע מאז ועד היום? איך נבראו החיים מתוך החומר הדומם?
השאלה הזאת נחשבת בדין לשאלת השאלות של המדע המודרני. התפיסה המקובלת בעניין הזה אומרת שלאבולוציה בעולם החי והצומח קדמה אבולוציה כימית שהתחוללה בעולם החומר הדומם. כבר עשרות שנים מנסים חוקרים מתחומים שונים בכל רחבי העולם להבין ולשחזר חלקים מאותה אבולוציה כימית בראשיתית.
ההצלחות שהושגו עד כה בעניין הזה היו מוגבלות למדי. בניסויים שנועדו לשחזר את תכולת הימים הרדודים הבראשיתיים ואת האטמוספירה שהייתה מעליהם, לרבות התפרקויות חשמליות שהתחוללו בה, נוצרו כמה וכמה מרכיבים של חומרים חיוניים לבעלי חיים ולצמחים, אבל לא הושג שום דבר שמתקרב ליכולת השכפול העצמית.
בשנת 1986 בנה הכימאי גונטר פון-קידרובסקי ממכון סאלק שבקליפורניה את המערכת המולקולרית הסינתטית הראשונה שהייתה מסוגלת לשכפל את עצמה. לשם כך הוא השתמש בתכונות ההכרה הייחודיות של נוקלאוטידים הכלולים בדנ"א וב-RNA. כלומר הוא "תפר" למולקולות את אתרי ההכרה של הדנ"א וה-RNA (הבסיסים החנקניים טימין, אדנין, ציטוזין, גואנין ויורידיל, הכלולים בנוקלאוטידים של החומר הגנטי). למעשה, המולקולות שלו שכפלו את עצמן באמצעים הכלים הקיימים כבר בדנ"א וב-RNA.
זמן קצר לאחר מכן הציג הכימאי לסלי אורג'ל, גם הוא ממכון סאלק, מערכת נוספת, אך גם היא התבססה על הכימיה הקיימת של הדנ"א וה-RNA. לאחר מכן הציגו ג'רלד ג'ויס ממכון סקריפס בקליפורניה וג'ק צ'וסטק מאוניברסיטת הרווארד בבוסטון מערכת אחרת – שהתבססה גם היא על מרכיבים ביולוגיים.
איך זה יכול להיעשות?
כל המערכות האלה פותחו בניסיון לעקוב אחר הגורמים שאפשרו את היווצרותה של המערכת המשכפלת את עצמה הידועה והקיימת בטבע – זו של הדנ"א וה-RNA. ג'וליוס רבק, לעומת זאת, התבונן בבעיה מנקודת מבט כללית יותר. במקום לשאול "איך זה נעשה?", הוא שאל "איך זה יכול להיעשות?"
הוא האמין שאם יצליח לבנות מערכת מולקולרית שבה מולקולות פשוטות יחסית ישכפלו את עצמן, ולו בדרך פרימיטיבית, נוכל ללמוד מכך על התהליכים שהובילו להתפתחות מערכות מולקולריות אחרות שמשכפלות את עצמן, או כאלה ששכפלו את עצמן בעבר ומסיבות אלה ואחרות חדלו לעשות את זה וחזרו לתחום הדומם. חוקרים לא מעטים סבורים שמערכות כאלה שהתקיימו בעבר היו המקור להימצאותם של חומרים מורכבים רבים בסביבה הקיימת כיום בכדור הארץ. "הדנ"א וה-RNA הן מערכות מולקולריות שמשכפלות את עצמן ביעילות מדהימה", אומר רבק, "אבל למרות ההצלחה האדירה שלהן לא ייתכן שהן האפשרות היחידה בתחום הזה".
.
המחשבה הזאת הובילה אותו לחפש את התנאים המינימליים הדרושים למערכת כימית כלשהי, כדי שתוכל להתחיל לייצר העתקים של עצמה. ה-RNA והדנ"א התפתחו כנראה בתהליך ארוך של ברירה טבעית בין תוצרים כימיים אקראיים. לרבק לא היו מאות מיליוני שנים שבהן יוכל להריץ מודל אלטרנטיבי, לפיכך הוא נטש את הברירה הטבעית והחל (ממש כמו קידר בסיפורו של סטרג'ן) לבנות את המערכת שלו באופן רציונלי, על בסיס הידע הקיים. למעשה, אף אחת מהמולקולות שאיתן הוא עבד לא הייתה קיימת במרק הבראשיתי שבו נוצרו החיים בכדור הארץ.
כעבור כמה שנים הציג רבק את המערכת המולקולרית הסינתטית הראשונה המשכפלת את עצמה בלי שום קשר, דמיון, או שימוש בכלים מעולם הדנ"א וה-RNA. החיים בכדור הארץ התפתחו על בסיס מים, מתחת לאטמוספרה שהכילה בתחילה מעט חמצן, ולאחר מכן חלקו של החמצן בה גדל עד שהגיע לשיעורו הנוכחי. המדען הבדיוני של סטרג'ן יצר את המערכת שלו באטמוספרה של מתאן ואמוניה. רבק העדיף את האטמוספרה הקיימת בעולמנו, אבל במקום מים השתמש בתמיסות אורגניות.
התפוצצות אוכלוסין
אחרי שמולקולה אחת משכפלת את עצמה קיימות כבר שתי מולקולות בעלות יכולת שכפול עצמי. כשהן מממשות את יכולתן נוצרות ארבע מולקולות כאלה, שיוצרות שמונה מולקולות, שיוצרות 16 מולקולות וכן הלאה. ההתרבות מתחוללת בקצב מתגבר באופן מעריכי, עד שהיא מגיעה לשלב שבו חלה האטה מסוימת והקצב אמנם גובר אך התאוצה קטנה יותר.
זה לא חייב להיות כך. המערכת הראשונה של רבק אומנם שכפלה את עצמה, אבל היא עשתה את זה בעצלתיים. המולקולות שהיו מסוגלות לשכפל את עצמן היו מעורבות במגוון תגובות שבמקרים רבים מנעו מהן לממש את יכולתן. בקצב כזה קשה להאמין שמערכת כלשהי הייתה יכולה להשתלט על עולם שלם, אפילו אם היה ריק לחלוטין מחיים. ככה לא בונים חיים. כעבור שנים אחדות הציג רבק מערכת משופרת, בעלת סיכויים טובים יותר "לנצח", אם כי גם מהירות השכפול העצמי המרבית שהשיגה לא הייתה גבוהה במיוחד.
כדי לאלץ את המולקולות שלו להתרכז בשכפול עצמי ולהימנע מ"עיסוקים צדדיים" נקט רבק בדרך פעולה מניפולטיבית משהו: הוא הוסיף לתמיסה שבה התחולל השכפול העצמי חומרים שבלמו את המולקולות בעלות כושר השכפול העצמי ומנעו מהן כל פעילות זולת שכפול עצמי. במלים אחרות, רבק נהג במולקולות שלו כפי שמעסיקים מסוג מסוים נוהגים בעובדיהם. הם אומרים להם: או שתעשו מה שאני רוצה שתעשו או שתשבו בצד, לא תעשו דבר ותהיו מובטלים".
המערכת של רבק בנויה ממולקולה אחת שמשמשת מעין תבנית, שאליה יכולות להיקשר שתי מולקולות או יותר. המולקולות הנצמדות, שנאספות מהסביבה, יוצרות ביניהן קשרים וכך בונות תבנית חדשה. כשזו נפרדת מתבנית האם היא מתחילה מיד בתהליך של איסוף חומרים בסביבה, קשירתם, יצירת תבנית חדשה וכן הלאה. ההתנהגות הזו של המולקולות מושגת תודות לתכנון קפדני של אתרי הכרה שכלולים בהן. האתרים האלה נקשרים זה לזה באופן ייחודי ובאמצעות קשרי מימן, ממש כפי שהבסיסים החנקניים הכלולים בנוקלאוטידים של הדנ"א וה-RNA נקשרים זה לזה. קשר מימני נוצר בין שני אטומים שקשורים לאטום מימן אחד.
ברירה טבעית
כשהתהליכים האלה מתחוללים בסביבה שקיימות בה מערכות מולקולריות אחרות שמסוגלות לשכפל את עצמן, המשימה הזאת עלולה להיות קשה במיוחד. בסופו של דבר תהליכי הברירה הטבעית עשויים להעניק יתרון למערכת המוצלחת יותר, בעוד המערכות האחרות יחדלו לפעול, יחזרו לתחום הדומם וישאירו אחריהם בשטח חומרים מורכבים.
אחת הדרכים שבהן מולקולות בעלות יכולת שכפול עצמי מסוגלות להשיג יתרון על הסביבה היא פשוט לגדר נפח קבוע ולהחזיק בתוכו את כל החומרים הרצויים, בעוד החומרים הלא רצויים נשארים בחוץ. גידור כזה עשוי להוביל להתפתחות של קרום תא ראשוני. והתפתחותו של תא חי היא תנאי הכרחי להתפתחות חיים שיפיצו א עצמם בכוכב לכת שלם.
אם זה קרה בעברו הקדום של כדור הארץ, אפשר להניח שזה יכול לקרות שוב. אבל מערכת חיים חדשה שתיווצר יכולה להתבסס על תהליכים כימיים שונים מאלה המתחוללים בחיידקים, בצמחים ובבעלי החיים המוכרים לנו, ועל מנגנוני חילוף חומרים אחרים. כמו אצל סטרג'ן, ייתכן שתהליכי החיים החדשים יתחוללו במהירות גדולה בהרבה מהתהליכים הידועים לנו, דבר שיאפשר לבעלי החיים החדשים לעבור אבולוציה מהירה ו"לעקוף אותנו" במירוץ אל התבונה הטהורה. במילים אחרות: היזהרו במולקולות שמשתכפלות לאטן במבחנות – שמהן תצא תורה.
יבשם עזגד
מכון ויצמן למדע
המאמר לקוח ממגזין "המכון – מדע ותרבות בשפה ידידותית", של מכון ויצמן למדע. הוא מופיע גם באתר "מסע הקסם המדעי" המביא לציבור הרחב חדשות מדע ממכון ויצמן למדע.
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בתגובה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
