ערש החיים על הזכוכית הגעשית

מתי החלו החיים על פני כדור הארץ, ואיך הם נראו? חוקרים רבים ניסו לענות על השאלות הללו, אך עדיין אין בידינו תשובות חד משמעיות. הראיות המוקדמות ביותר לקיומם של חיים על כוכב הלכת שלנו מגיעות מסלעים המכילים מאובני חיידקים, הראשונים מביניהם כנראה בני 3.5 מיליארדי שנים. אך חיידקים וחד-תאיים אחרים הם כבר יצורים מתוחכמים למדי, ובוודאי לא היו השלב הראשון של החיים.

ההסבר המוביל לאופן שבו נוצרו החיים בכדור הארץ, בשלב שקדם להופעת היצורים החד-תאיים, הוא תיאוריית עולם ה-RNA. לפי התיאוריה, מולקולות החיים הראשונות שנוצרו היו מולקולות RNA, חומצות גרעין שממלאות תפקיד חשוב גם בתאים של כל היצורים החיים כיום. אותן מולקולות הובילו בתורן ליצירת החלבונים הראשונים, ששימשו אבני הבנין של התאים וגם המכונות המבצעות את הפעולות בתוכם. אולם נשאלת השאלה איך מולקולות ה-RNA נוצרו? מחקר חדש מפנה את האצבע לעבר סלעים געשיים, שאולי שימשו זרזים ליצירתן.

לפי ההערכות המקובלות, כדור הארץ נוצר לפני 4.5 מיליארדי שנים. בעשרות מיליוני השנים הראשונות לקיומו, עולמנו חווה מטחי מטאורים רבים, שיצרו מכתשים והתיכו סלעים. קרום כדור הארץ היה פעיל יותר מכפי שהוא כיום, והיו בו התפרצויות געשיות מרובות. המציאות הסוערת הזאת יצרה סלעים בעלי מרקם זגוגיתי, שהמוכר מביניהם הוא סלע הבזלת.

מכיוון שסלעים כאלה היו נפוצים מאוד כבר במאה מיליון השנים הראשונות לקיומו של כדור הארץ, ביקשו אליסה ביונדי (Biondi) מהמוסד לאבולוציה מולקולרית שימושית בפלורידה ועמיתיה למחקר לבדוק אם הסלעים האלה יכלו לשמש זרזים ליצירת מולקולות RNA, בתנאים ששררו אז בכדור הארץ הצעיר. המחקר התפרסם בכתב העת Astrobiology.

בעשרות מיליוני השנים הראשונות לקיומו, עולמנו חווה מטחי מטאורים רבים, והיו בו התפרצויות געשיות מרובות. הדמיה של כדור הארץ הצעיר | Chris Butler, Science Photo Library

"מדגרה" של סלעים

מולקולות RNA נוצרות בטבע בתהליכים ביוכימיים שמחברים יחד ארבעה סוגים של אבני בניין שנקראות נוקלאוטידים, ליצירת שרשראות ארוכות. כל נוקלאוטיד הוא מולקולה קטנה שמורכבת מבסיס חנקני, מסוכר ומקבוצה תלת-זרחתית. במציאות המוכרת לנו כיום, יצורים חיים זקוקים לחלבונים מיוחדים שיחברו את אבני הבניין הללו זו לזו ליצירת השרשרת של מולקולת ה-RNA, בתהליך מורכב שמבוסס על ניצול אנרגיה מאטומי הזרחן. מתנגדי תיאוריית עולם ה-RNA טוענים בין השאר שהתהליך הזה מורכב מדי ואינו יכול להתרחש באופן ספונטני, ללא מעורבות של תהליכים ביולוגיים.

ביונדי וקבוצתה ביצעו ניסוי פשוט: הם הדגירו תערובת של נוקלאוטידים מומסים במים, בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס, עם כמה סוגים של סלעי זכוכית געשית. לביקורת הם השתמשו בסלעי קוורץ (צורן חמצני טהור). בתום עשרים שעות הם מצאו שנוצרו על פני כל סוגי הסלעים כמה סוגים של שרשראות קצרות באורך של עד 15 נוקלאוטידים. בנוסף נוצרו מולקולות RNA ארוכות באורך של עד 300 נוקלאוטידים, אך התהליך הזה קרה רק על גבי שלושה סוגי סלעים של זכוכית געשית: בזלת, גברו (Gabbro) ובמיוחד דיאבייס (Diabase).

בניסויים נוספים הראו החוקרים שיצירת שרשראות ה-RNA הארוכות תלויה בכמות הנוקלאוטידים הבודדים שנוספו לתמיסה. עוד נמצא שהשרשראות הארוכות ממשיכות להצטבר כשפעולת ההדגרה של הסלעים עם התמיסה מתארכת לתקופה ארוכה יותר של כמה ימים ואפילו שבועות. זוהי ראיה טובה לכך שהסלעים פועלים כזרזים לתגובה הכימית שיוצרת את שרשראות ה-RNA. הניסוי הראה אם כן שמספיקים תנאים פשוטים מאוד, ללא צורך בחימום, ברקים או קרינה, על מנת ליצור שרשראות RNA.

מולקולות RNA נוצרות מחיבור ארבעה סוגים של נוקלאוטידים, ליצירת שרשראות ארוכות. אילוסטרציה של שרשרת DNA, עם נוקליאוטידים שמצוינים באדום, כחול, ירוק וצהוב | Benjamin Campillo, Science Photo Library

האם כך החלו החיים?

בדיקות כימיות וביוכימיות הראו שאכן מדובר בשרשראות של נוקלאוטידים המחוברים בין הזרחן של אחד לסוכר של שכנו, בדומה ל-RNA המוכר. בהמשך השתמשו בחלבונים מפרקי RNA על תוצרי מדגרת הסלעים, כדי לוודא שתכונותיהן הכימיות זהות ל-RNA ממקור ביולוגי. החלבונים האלה אכן פירקו את רוב המולקולות הארוכות שהתקבלו לנוקלאוטידים בודדים, או לשרשראות קצרות של עד שישה נוקלאוטידים. מכאן נובע שכנראה מדובר בשרשראות RNA דומות לאלה הנמצאות ביצורים חיים – אם כי יכולים להיות גם הסברים אחרים. עם זאת, ניתוח הממצאים מוגבל מאחר שהחוקרים לא השלימו את אפיון שרשראות ה-RNA שקיבלו, וגם לא שלחו אותן לריצוף גנטי כדי לזהות את רצפי ה-RNA שנוצרו.

שלא כמו השרשראות הארוכות, החלבונים מפרקי ה-RNA לא השפיעו כלל על השרשראות הקצרות שנוצרו על כל סוגי הסלעים, לרבות קוורץ. החוקרים מניחים שבשרשראות הקצרות הללו נעשו חיבורים שונים מהרגיל בין הנוקלאוטידים, כך שהחלבונים לא מסוגלים לפעול עליהם. עם זאת, גם את ההשערה הזאת הם לא חקרו זאת לעומק.

על פי מה שידוע כיום למדע, מולקולות RNA שבנויות מכמה עשרות או מאות נוקלאוטידים הן ארוכות מספיק לבצע מגוון פעילויות ביוכימיות, לרבות שכפול עצמי ויצירת חלבונים. על כן המחקר הנוכחי מהווה נדבך חשוב שמחזק את תיאוריית עולם ה-RNA.

החוקרים חישבו שבהינתן מספיק נוקלאוטידים בכדור הארץ הצעיר, אפילו כמות קטנה יחסית של סלעים געשיים, בהיקף של כמה טונות בלבד, יכלה לייצר גרם שלם של RNA ליממה. מדובר בכמות גדולה פי טריליון מכמות ה-RNA בתא אנושי ממוצע. זוהי עתה נקודת מפתח – האם בעולם הצעיר יכלו להיווצר מספיק נוקלאוטידים? ביונדי מציינת במאמרה כמה מחקרים מהעשור האחרון שמצביעים על אפשרות ליצירת בסיסים חנקניים ונוקלאוטידים בתנאים הדומים לאלו ששררו על כדור הארץ הצעיר – ייתכן אף על אותה זכוכית געשית. מחקרים נוספים בתחום אולי יוכלו לבנות רצף הגיוני של התהליך שבו כדור הארץ הפך מכוכב לכת צעיר, לוהט ושומם לעולם שבו אנו חיים היום.