כיצד נוצרו לראשונה חיים? שאלת ראשית החיים היא אחת השאלות הבסיסיות והעמוקות ביותר בביולוגיה המודרנית. איך חברו יחד חומרים אנאורגנים (לא אורגנים) לכדי יצירת חומר אורגני ובסופו של דבר לדבר הזה שאנו מגדירים "חיים"?

ההגדרה הרחבה ביותר לחיים הוצעה על ידי נאס"א. היא גורסת שמערכת חיה היא כל מערכת שמסוגלת לקיים את עצמה ולעבור אבולוציה. כלומר, כדי שמערכת תהיה "חיה" לא רק שרכיביה צריכים לעבור שכפול וכך לשמר אותה, אלא גם שבתהליך השכפול תהיה מידה מסוימת של אי-דיוק שתיצור שונות המאפשרת את קיומה של אבולוציה.

כמה תיאוריות מבקשות להסביר את האופן שבו התרחש התהליך הזה, ככל הנראה לפני כ-3.5 עד ארבעה מיליארדי שנים, וניסויים בוצעו בניסיון לחקות את התנאים ששררו בתקופה ההיא בכדור הארץ ולבחון איך נוצרות מולקולות שמסוגלות לשכפל את עצמן ולשמש בסיס לחיים כפי שאנו מכירים אותם. התיאוריות הללו צריכות לשים דגש על מכלול התנאים ששררו בכדור הארץ הקדום: טמפרטורה, חומציות, הרכב האטמוספירה, קרינה, ההרכב הכימי של האוקיינוסים, פעילות תרמית וחשמלית ועוד.

הסרטון הבא מציג תהליך שבתחילתו יסודות בודדים מרכיבים חומצות שומן שיוצרות יחד מעטפת החוצצת בין חומרים המוכלים בתוכה לבין הסביבה. נוקלאוטידים – אבני הבניין של ה-DNA וה-RNA בגופנו – מסוגלים לחדור מבעד מעטפת השומנים ולהילכד בפנים. בתנאים מסויימים יכולים כמה נוקלאוטידים ליצור קשרים כימיים קוולנטיים חזקים שייצרו גדיל RNA, ואף ליצור מבני RNA שמסוגלים לגרום לשכפול של גדילי RNA אחרים. כך נוצרת מולקולת RNA פעילה שמסוגלת להשתכפל בתוך המעטפת, וכשהמעטפת גדלה די הצורך כדי להתחלק לשתי מעטפות נפרדות, חלק מהעותקים נמצאים באחת וחלק בשנייה וחוזר חלילה. עם הזמן נוצרים מבני RNA נוספים בעלי תפקידים כימיים שונים. הסרטון מסביר לעומק את התהליך שתואר, שהוא כיום אחת התיאוריות המדעיות המקובלות למקור החיים.

הסרטון הופק בידי Drsimonsays | האנימציה הופקה בידי ד"ר ג'נט איסווה במסגרת פרויקט Eploring Life's Origin.

בעבר הלא רחוק, עד אמצע המאה ה-17, התיאוריה הרווחת על יצירת החיים הייתה "הבריאה הספונטנית", שגרסה שיצורים חיים שלמים נוצרים יש מאין הודות לתנאי הסביבה. קל להבין מדוע מדענים שעסקו בביולוגיה בתקופה ההיא, לפני שהכירו יצורים מיקרוסקופיים או הבינו לעומק את האופן שבו יצורים רבים מתרבים, היו מוכנים לקבל את תיאוריית הבריאה הספונטנית. לכאורה אכן נראה כאילו תולעים נוצרות פתאום מבשר מרקיב שלא היו בסביבתו תולעים קודם לכן, או זבובים נוצרים מאשפה ועכברים מופיעים משום מקום באסם מלא תבן.

רק במאה ה-17 החלו מדענים לפקפק בתיאוריה, שהחזיקה מעמד מאז ימי הפילוסופים היוונים. בתקופה זו התגלו לראשונה יצורים חד-תאיים מיקרוסקופיים ונעשו ניסויים שהראו שתולעים וזבובים אינם נוצרים במזון מקולקל או באשפה שנשמרים בתנאים "נקיים" יחסית. במאה ה-19 סתם לואי פסטר את הגולל על תיאוריית הבריאה הספונטנית, כשהראה בסדרה דקדקנית של ניסויים שגם בעלי החיים המיקרוסקופיים אינם נוצרים משום מקום כתוצאה מריקבון, אלא מגיעים מבחוץ.

מי היה הראשון?

לאחר שהמדענים קיבלו את העובדה שבעלי חיים אינם נבראים באופן ספונטני, רווחה תיאוריה חדשה לפיה כל בעלי החיים מגיעים ממין קדום משותף. התיאוריה העלתה שאלה קריטית – מה היה בעל החיים הראשון ואיך הוא נוצר אם לא היו בעלי חיים לפניו? מאז ועד היום מנסים ביולוגים, כימאים, פיסיקאים ופילוסופים למצוא את התשובה לשאלה הזאת.

חלק מהתיאוריות שהועלו במאה השנים האחרונות שמו את הדגש על היצירה של רכיבים בעלי פעילות קטליטית כגון חלבונים. חלק אחר, כמו התיאוריה  שהוצגה בסרטון, טוענות שהתנאי המוקדם חייב להיות יצירתן של מולקולות שמקודדות מידע ומסוגלות לשכפל את עצמן. ל-RNA יש תפקיד כפול במובן זה: הוא מסוגל לאחסן מידע גנטי, אך גם לתפקד כזרז לתגובות שונותף ביניהן שכפול של מולקולות ה-RNA עצמן. זו הסיבה המרכזית לכך שה-RNA הוא מועמד מוצלח בחיפוש אחרי מקור החיים.

מולקולות DNA, לעומת זאת, משמשות לאחסון מידע אך אין בהן פעילות אנזימטית, ואילו חלבונים מתפקדים כזרזים אך אינם מכילים מידע שמאפשר ליצור עותקים נוספים מהם באמצעים ביולוגיים המוכרים לנו. רוב ה-RNA הקיים בתאים מתפקד כחוליה המקשרת בין המידע המאוכסן ב-DNA לבין מבנה הקרוי ריבוזום, שתפקידו למתרגם את המידע ליצירת חלבון, בין אם כ-RNA שליח ובין אם כחלק מהריבוזום עצמו. עם זאת, קיימות גם מולקולות RNA שממלאות תפקידי בקרה ופועלות כזרזים לתגובות כימיות, דבר המעיד ש-RNA אכן מסוגל לבצע את הפעולות הללו לא רק באופן תיאורטי אלא גם מבצע אותן בפועל בצורה שרלוונטית לביולוגיה. לכן הוא נקרא ריבוזים (מלשון אנזים).

תיאוריה נוספת, שפותחה בידי מדעני מכון ויצמן, מציעה שגם מולקולות פשוטות כגון ליפידים יכולות לאכסן מידע ולעבור אבולוציה ולכן הן ממלאות תפקיד חשוב בראשית החיים. כתבה זו עודכנה בשנת 2024, ובזמן שחלף מאז פורסמה הכתבה, הצליחו אותם בהובלתו של פרופסור לנצט לספק הוכחות משמעותיות לתיאוריה זו.

אף אחת מהתיאוריות המבקשות להסביר את מקור החיים אינה מושלמת או חד-משמעית, אך יחד הן מציגות כמה הסברים סבירים מאוד לאופן שבו נוצרו לראשונה מולקולות אורגניות, מבנים דמויי תא ותאים, ומשם הלאה ליצורים רב-תאיים מורכבים.

אחת השאלות המרכזיות הניצבות כיום בפני חוקרי מוצא החיים היא הניסיון להבין איך אותם מבנים דמויי תא, כמו בועיות הליפידים שהוצגו בסרטון, צברו מורכבות ואיך התרחשו התהליכים שהובילו ליצירתם של יצורים הדומים ליצורים החד-תאיים שאנחנו מכירים כיום. משנה לשנה המחקר בתחום מקור החיים עושה עוד ועוד צעדים ענקים קדימה, ממלא את החללים שנותרו ועונה על עוד ועוד שאלות פתוחות, במטרה להגיע להבנה שלמה של התנאים והתהליכים שיצרו את החומרים האורגניים הראשונים שמהם אנחנו מורכבים.

עומר מרקוביץ', "כך הכל התחיל", גלילאו 172 (2012)