האם החיים הם מקרה כימי מוזר וייחודי להיסטוריה של כדור הארץ? או שמא הם טבועים בחוקי היקום הבסיסיים, ונועדו להופיע כשהתנאים מאפשרים זאת. קטע מתוך "הנס החמישי" של הפיזיקאי האוסטרלי, פול דיוויס
כילד, היו טיולי אל חוף הים אירועים נדירים ויקרים מפז. כמה מזיכרונותי החיים ביותר הם של חופים. מלבד האצות והמדוזות, והגאות והשפל של האוקיינוס, אני זוכר שהייתי המום ממראה חורים קטנים ומוזרים שהתגלו בחול החלק עם נסיגת הגאות.
חורים אלה התהדרו בתלוליות מסודרות של חול שנמשכו לנקניקיות דקות שקופלו שוב ושוב, כמו משחת שיניים שנלחצה מתוך שפופרת ויצרה תלולית. מה, תהיתי, גרם לצורות המוזרות הללו? מעולם לא ראיתי אחת מהן בתהליך הופעתה, והן תמיד נשטפו, יחד עם טביעות רגלי, על ידי הגאות הבאה.
כעת אני יודע שתלוליות החול הללו נוצרות על ידי סרטנים זעירים החופרים תחת פני השטח, ובועטים החוצה את החול העודף, למרות שעדיין לפלא הוא לי כיצד הם יוצרים את צורת הנקניקיות. מכל מקום, הנקודה היא, שלא היה לי כל ספק, גם כשהייתי רך בשנים, שאורגניזם חי כלשהו אחראי לצורות הללו.
מובן שישנן הרבה תבניות בטבע שלא נוצרות על ידי פעילות ביולוגית. אכן, על אותו חוף עצמו שבו ראיתי את התלוליות היו גם שורות של תלמים נוקשים שנוצרו על ידי זרימת הגלים על גבי החול. אבל תלוליות משחת השיניים נראו בסך הכול יותר מתוכננות, ויותר מורכבות מכדי להיות תוצאה של כוחות עיוורים חסרי חיים. זרם הגאות הרס את התלוליות הקטנות; לא האמנתי שהוא גם יצר אותן.
אחת הדרכים העיקריות בהן מבדילים החיים את עצמם משאר הטבע היא יכולתם הבלתי רגילה ללכת "נגד הגאות" (פשוטו כמשמעו, בדוגמה שלמעלה) וליצור מכאוס סדר. מנגד, כוחות חסרי חיים נוטים ליצור אי סדר. למעשה ישנו כאן חוק טבע בסיסי מאוד בפעולה, והוא נקרא החוק השני של התרמודינמיקה. על מנת להבין כיצד החלו החיים, תחילה עלינו לדעת כיצד הם מתמודדים עם גחמותיו של חוק זה.
עקרון הניוון
כאמור, תאים חיים הם במובנים מסויימים כמו מכונות זעירות. כל המכונות זקוקות לדלק כדי לפעול. בעלי חיים אוכלים מזון בתור דלק, בעוד הצמחים מונעים באנרגיה סולארית. תוצר לוואי בלתי נמנע של צריכת דלק הוא חום. דבר זה מוכר לנו עד מאוד מגופנו אנו: בני האדם נשארים חמימים בזכות עודפי החום שנוצרים בתהליך שריפת מזונם.
חום הוא גם צורה של אנרגיה, ויכול להניע שינויים פיזיקליים וכימיים. במאה התשע- עשרה, היו המדענים והמהנדסים להוטים להבין את ההשפעה ההדדית של חום, עבודה ותגובות כימיות, כדי שיוכלו לתכנן מנועי קיטור ושאר מתקנים יעילים יותר. כתוצאה ממחקרים אלה נתגלו חוקי התרמודינמיקה. ומתוכם, החוק השני הוא הרלוונטי ביותר לטבע החיים.
בתמצית, החוק השני של התרמודינמיקה אוסר על יצירת המכונה המושלמת, או הפרפטואום מובילה. הוא מכיר בכך שלא קיים תהליך פיזיקלי בקנה מידה גדול שיעילותו היא מאה אחוז: בכל תהליך כזה ישנו בזבוז בלתי נמנע, או ניוון. מנועי קיטור, לדוגמה, אינם מנצלים את כל האנרגיה המשתחררת מהפחם הנשרף, חום רב מדוד הקיטור מתפזר לסביבה מבלי להביא תועלת, וחלק מהאנרגיה הקינטית אובד בחיכוך החלקים הנעים.
דרך טובה לאפיין בזבוז זה היא במונחים של סדר ואי סדר, או אנרגיה מועילה ואנרגיה חסרת תועלת. תנועת הקטר לאורך המסילה מייצגת אנרגיה סדורה, כלומר מועילה, בעוד שהחום המבוזבז הוא בגדר אנרגיה לא-סדורה וחסרת תועלת. חום הוא אנרגיה לא סדורה, משום שזו תנועה כאוטית של המולקולות.
היא חסרת תועלת משום שהיא מתפזרת בצורה אקראית. החוק השני מתאר את הנטייה הבלתי-נמנעת והבלתי-הפיכה לעבור מצורות סדורות לצורות לא סדורות של אנרגיה. ללא אספקת דלק, או אנרגיה מועילה, לא יארך הזמן עד שקטר הקיטור יחדל מלנשוף.
החוק השני של התרמודינמיקה אינו מוגבל להנדסה בלבד. הוא חוק יסודי של הטבע, ללא יוצא מן הכלל. האסטרונום הבריטי סר ארתור אדינגטון ראה אותו כחוק החשוב ביותר מבין חוקי הטבע. הוא כתב פעם: אם גילית שהתיאוריה שלך עומדת בסתירה לחוק השני של התרמודינמיקה, איני יכול להציע לך שום תקווה, היא תתמוטט בהשפלה עמוקה עד מאוד.
"קל למצוא דוגמאות מחיי היום יום לחוק השני בפעולה, מקרים בהם סדר נכנע לכאוס. כבר הזכרתי את ההרס של תלוליות החול וטביעות הרגליים. חשבו גם על איש שלג נמס, או ביצה נשברת. כל התהליכים הללו יוצרים מצבי אי סדר של חומר, ממצבים מסודרים יחסית. השינויים בלתי הפיכים. לא תראו את הגאות יוצרת טביעת רגל או את אור השמש יוצר איש שלג. ואפילו סוסי המלך ופרשיו לא היו מסוגלים לשוב ולחבר את המפטי דמפטי.
פיזיקאים מחשבים את איבודי האנרגיה המועילה במונחים של גודל המכונה אנטרופיה, שבתיאור גס מקביל לדרגת הכאוס הנמצאת במערכת. כשמתרחש תהליך פיזיקלי, כמו מחזור של בוכנה וצילינדר במנוע קיטור, ניתן לחשב כמה אנטרופיה נוצרת כתוצאה מכך.
חמושים במושג האנטרופיה, נוכל לבטא את החוק השני כדלקמן: במערכת סגורה, האנטרופיה הכוללת אינה יכולה לרדת. היא גם לא יכולה להמשיך לעלות בלי גבול. יהיה מצב של אנטרופיה מירבית או חוסר סדר מירבי, שמתייחסים אליו כאל שיווי משקל תרמודינמי: ברגע שהמערכת הגיעה למצב זה, היא תקועה בו.
כדי להבהיר את העקרונות הללו, הבה ואדגים אותם באמצעות דוגמה פשוטה העוסקת בכיוון זרימת חום. אם שמים גוף חם במגע עם גוף קר, החום עובר מהחם לקר. בסופו של דבר שני הגופים מגיעים לשווי משקל תרמודינמי, כלומר, לטמפרטורה אחידה בשניהם. אז נפסקת זרימת החום. מדוע מהווה דבר זה מעבר מסדר לאי סדר?
ניתן להתייחס לחלוקה הבלתי שווה של החום בהתחלה, כאל מצב מסודר יחסית - ומכאן בעל אנטרופיה נמוכה יותר - מאשר המצב הסופי, משום שבמצב הסופי מפוזרת אנרגית החום באופן כאוטי בין מספר המולקולות המירבי. בדוגמה זו תובע החוק השני שהחום יזרום תמיד מהחם אל הקר, ולעולם לא בכיוון ההפוך.
כאשר מיישמים את חוקי התרמודינמיקה על אורגניזמים חיים, נראה שיש בעיה. אחת התכונות הבסיסיות של החיים היא דרגת הסדר הגבוהה שלהם, כך שכאשר אורגניזם מתפתח או מתרבה, גדל הסדר. הדבר מנוגד לצו החוק השני. גדילתו של עובר, היווצרות מולקולת DNA, הופעת מין חדש והתעשרותה המתמדת של הביוספירה כמכלול, כולן דוגמאות לעליית הסדר ולירידת האנטרופיה.
סתירה מלאת תימהון
כמה מדענים בולטים הוכו בתימהון מסתירה זו. הפיזיקאי הגרמני הרמן פון הלמהולץ, שהוא עצמו אחד ממייסדי מדע התרמודינמיקה, היה אחד הראשונים שסברו שהחיים עוקפים באופן כלשהו את החוק השני. בדומה לכך ראה אדינגטון סתירה עזה בין האבולוציה הדארווינית לבין התרמודינמיקה, והציע לנטוש את הראשונה או לחילופין לכונן לצידה "עיקרון אנטי-אבולוציוני".
אפילו לשרדינגר היו ספקות משלו. בספרו מהם החיים? בחן את היחסים בין סדר ואי סדר בתרמודינמיקה הקונוונציונלית, ועימת אותם עם עקרון החיים התורשתי של סדר שמוליד יותר סדר. הוא ציין שהאורגניזם נמנע מבליה ודעיכה ושומר על סדר על ידי "שתיית סדר" מהסביבה, וסבר שהחוק השני של התרמודינמיקה אינו ישים לחומר חי. "עלינו להיות מוכנים למצוא סוג חדש של חוק פיזיקלי שיחול עליו", כתב .
אם כך, האם יש בעיה עם החוק השני של התרמודינמיקה כשמדובר באורגניזמים ביולוגיים? לא, אין. אין שום קונפליקט בין החיים ובין חוקי התרמודינמיקה. על מנת להבין מדוע לא, בואו נתייחס תחילה למקרה של המקרר הצנוע, שתוכנן בדיוק על מנת להעביר חום מהמקום הקר (פנים המקרר) למקום החם (המטבח).
אמרתי קודם שהחום נדרש לזרום תמיד מחום לקור, אבל קיים תנאי חשוב. החוק השני שמבוטא בצורה זו, ישים רק לגבי מערכות סגורות. מקרר איננו מערכת סגורה. על מנת לאלץ חום לנוע "בכיוון הלא נכון", חייב המקרר להשקיע עבודה מסויימת. הדבר דורש מנוע ודלק על מנת שיניע אותו. המנוע מבזבז אנרגיה, באופן בלתי הפיך, והדבר מעלה את אנטרופיית המטבח.
כשמסכמים הכול, מגלים שללא ספק, האנטרופיה בתוך המקרר פוחתת, אבל אנטרופיית המטבח גדלה במידה גדולה אף יותר. (מנוע המקרר מתחמם תוך כדי פעולה.) מה שמרוויחים מצד אחד, הוא יותר ממה שמפסידים מצד שני. כך שבחישוב כללי, הפעלת המקרר מעלה במעט את האנטרופיה של היקום. הדבר נכון גם לגבי כל התהליכים, כולל החיים, שנראה כאילו הם יוצרים סדר מתוך כאוס. הם אולי יוצרים סדר במקום אחד, אבל באופן בלתי נמנע הם יוצרים חוסר סדר במקום אחר, על מנת לפצות על כך.
לא קשה לגלות היכן מופיע חוסר הסדר במערכות ביולוגיות. כדי לגדול, זקוק האורגניזם לאנרגיה, או דלק. מזון מכיל אנרגיה מועילה, שחלק ממנה מתפזר כאיבוד חום בתהליך הנשימה. חום זה הוא השומר על טמפרטורת גופנו, ועד כאן הוא מועיל, אבל באופן בלתי נמנע, חלק ממנו נמוג באוויר הסובב אותנו והולך לאיבוד.
כך שריפת חומרי המזון בתוכנו יוצרת אנטרופיה – יותר ממספיק על מנת לפצות על תוספת הסדר המיוצגת על ידי יצירת תאים חדשים. סיפורם של הצמחים דומה. צמחים גדלים על ידי לכידת אנרגיית השמש, אבל מעבר האור מהשמש החמה אל הארץ הקרירה כרוך בעליית האנטרופיה, שמקטינה את הסדר בשיעור גבוה יותר מאשר הגדלתו על ידי יצירת תאים חדשים.
החוק השני יכול להתייחס גם לאבולוציה ביולוגית. הופעתו של מין חדש מציינת עלייה בסדר, אבל התיאוריה של דארווין מזהה את המחיר המשולם על מנת להשיג זאת. התפתחותו של מין חדש זקוקה למוטציות רבות, שרובן הגדול מזיקות, ומנופות על ידי המסננת של הברירה הטבעית. על כל מוטאנט שהצליח לשרוד, יש אלפי מוטנטים שלא הצליחו ומתו. הטבח של הברירה הטבעית מסתכם בעלייה עצומה באנטרופיה, המפצה מעל ומעבר על הרווח המיוצג על ידי המוטאנט המצליח.
התוצאה, אם כן, היא שאורגניזמים ביולוגיים מצייתים בשלמות לחוק השני של התרמודינמיקה. כל עוד הסביבה מסוגלת לדאוג לאספקת אנרגיה מועילה, יכולות המערכות הביולוגיות, להמשיך, עליזות וטובות לבב, בהפחתת האנטרופיה והעלאת הסדר בסביבתן המיידית, ובו בזמן לתרום לעלייה בלתי מתפשרת של אנטרופיית היקום כמכלול.
פתרון ברור זה של הבעיה התרמודינמית של החיים כבר זוהה מזמן על ידי מייסד אחר של תיאוריית התרמודינמיקה, הפיזיקאי האוסטרי לודוויג בולצמן: "כך, המאבק הכללי לחיים אינו מאבק לחומר בסיסי,….וגם לא לאנרגיה… אלא לכך שהאנטרופיה תהיה זמינה על ידי המעבר מהשמש החמה לכדור הארץ הקר".
בכל אופן, עלינו להיות זהירים, ולא ליפול כאן בפח. רק משום שהחיים מצייתים לחוק השני של התרמודינמיקה, אין פירושו שהחוק השני מסביר את החיים. הוא בפירוש לא. לרוע המזל, מדענים רבים שהיו אמורים לדעת זאת היטב, נפלו בפח של אשליה זו. עדיין עלינו להדגים כיצד חילופי האנטרופיה עם הסביבה מחוללים בדיוק את הסוג המסויים של סדר המיוצג על ידי אורגניזמים ביולוגיים.
הגדרה בלבד של מקור אנרגיה מועילה אינה מציעה מאליה הסבר לאופן בו מתרחש תהליך הכנסת הסדר. על מנת לעשות כן, עלינו לזהות את המנגנונים המדוייקים שיקשרו בין מאגר האנרגיה הזמינה לבין התהליכים הרלוונטיים ביולוגית. להתעלם מחלק זה של הסיפור יהיה כמו להכריז שתפקוד המקרר מוסבר ברגע שמצאנו שקע חשמלי.
מכיוון שמצב של מקסימום אנטרופיה מקביל לשיווי משקל, הרי שזהו מצב יציב. ומנגד, מצב של חוסר שיווי משקל תרמודינמי, אינו יציב. תהליכים טבעיים רוצים להגיע למצב של אנטרופיה מירבית. בכל זאת, בפועל עשויים להיות מכשולים המונעים מהחוק השני להשיג את מבוקשו. לדוגמה, תערובת של אדי בנזין ואוויר איננה במצב של אנטרופיה מירבית.
שני הגזים ירצו להגיב ביניהם ליצירת חומרים יציבים יותר, ולשחרר חום, וכך להעלות את האנטרופיה. בתנאים רגילים, תגובה זו נבלמת: מחסום כימי מונע ממנה להתרחש ספונטנית. יש צורך בניצוץ על מנת להפעיל את התגובה. מצבים עם יציבות שבירה מסוג זה מוגדרים כבעלי שיווי משקל למחצה (מטאסטביליים).
תערובת של אדי בנזין ואוויר היא דוגמה אחת למצב של שיווי משקל למחצה. דוגמה אחרת היא עפרון הניצב על קצהו השטוח. על מנת ליפול על צידו הוא זקוק לדחיפה קטנה – בניגוד לעיפרון הניצב על חודו, שהוא בלתי יציב לחלוטין. מושג השיווי משקל למחצה הכרחי לחלוטין להצלחת החיים.
אורגניזמים חיים מקבלים את האנרגיה המועילה שלהם מתגובות כימיות, אבל הם לא היו יכולים לעשות כן אילו התהליכים האי-אורגנים היו מקצרים את הדרך ומבזבזים את האנרגיה קודם לכן. כך שהחיים תמיד מחפשים מקורות מטאסטביליים של אנרגיה מועילה שאפשר לנצל.
החיות מפיקות את האנרגיה שלהן על ידי שריפת חומר אורגני, ומשתמשות באותה מטאסטביליות בסיסית המאפיינת את התערובת בנזין-אוויר. כפי שנראה להלן, ישנם מיקרובים הממצים אנרגיה בדרכים כימיות עקלקלות שאפילו כימאים לא היו מעלים על דעתם.
על מנת להתחבר למקורות המטאסטביליים, חייבים האורגניזמים להתגבר על מחסומי שפעול, המסכלים את השחרור האי-אורגני של האנרגיה. הם עושים זאת באמצעות אסטרטגיות חכמות, כמו שימוש באנזימים המזרזים תגובות שלולי כן היו מתקדמות לאט מאוד.
טריק נוסף שלהם הוא פרישת מערך של מולקולות מעוּרַרות כדי להוסיף את מה שמקביל לניצוץ הגורם להתלקחות הבנזין. מכיוון שתגובות כימיות מתקדמות בקצבים שונים לחלוטין בתנאים שונים, מסוגלים האורגניזמים לשלוט בשחרור האנרגיה, ולהעביר מנות קטנות בזמן ובמקום שצריך.
דבר זה הופך את הכימיה לבסיס האידיאלי לביולוגיה, אבל עקרונית, החיים יכולים לתפקד תוך שימוש בכל מקור אנרגיה מטאסטבילי. סופרי מדע בדיוני חשבו על חיים המבוססים על פלסמה מיוננת, או תהליכים גרעיניים. אף שתיאורטית זה עשוי להיות אפשרי, המגוון העצום והרב-צדדיות של התגובות הכימיות הופכים בהכרח את החיים הכימייים להימור הבטוח ביותר.
מוצא החיים
מהיכן מגיע המידע הביולוגי?
הלוחמה המודרנית תלויה מאוד בתקשורת מהימנה. טלפונים קוויים ותקשורת אלחוטית משחקים כבר מזמן תפקיד מכריע בשליטה ובבקרה הצבאיים. ובכל זאת, עדיין נתונים שני ערוצי התקשורת הללו להפרעות באותות, כפי שיודע היטב כל מי שניסה להעביר הוראות בטלפון נייד מחוץ לטווח קליטה. במהלך מלחמת העולם השנייה, הזמין צבא ארצות הברית מחקר על אודות עקרונות התקשורת, אצל קלוד שנון, חוקר במעבדות בל. התוצאות של בדיקתו פורסמו בשנת 1949 תחת הכותרת The Mathematical Theory of Communication והספר הפך חיש מהר לקלאסיקה.
"הנס החמישי" - החיפוש אחר מוצא החיים, מאת פול דיוויס, מאנגלית: תמר ביסטריצר, הוצאת מעריב, 237 עמודים.
פורסם ב"גליליאו" 73 ספטמבר 2004
