כיצד התהוו החיים? - איריס פריי

איש בקהילת המדע אינו חולק עוד על הקביעה כי עולם החי התפתח בתהליכי אבולוציה. אך כיצד הוא נוצר מלכתחילה?

האם וכיצד הפך חומר דומם לתא חי? אמנם אין בידינו תשובות סופיות לשאלות אלו, אולם בהחלט עברנו כברת-דרך ניכרת לקראת פתרונן.

מקור התמונה

באמצע המאה שעברה (1859) פרסם צירלס דרווין את ספרו "מוצא המינים". הספר שינה את השקפתנו על עולם החי וחולל סערה גדולה. הטלטלה התבטאה לא רק במדעי הטבע; היא השפיעה על השקפת האדם על אודות עצמו ומקומו בעולם, ועל השקפותיו החברתיות, התרבותיות והפילוסופיות. ב"מוצא המינים" נכללה כמות עצומה של נתונים מתחומי מחקר שונים, אשר ביססו את הטענה שלפיה סוגי היצורים החיים השונים לא נבראו כל אחד בנפרד בצורתו המוכרת לנו כיום, אלא השתלשלו והתפתחו זה מזה בתהליכים טבעיים. התאוריה של דרווין הייתה מהפכנית לא רק מעצם הטענה כי אבולוציה אכן התרחשה, אלא בעיקר בזכות המנגנון שאותו הציע דרווין כמניע של תהליכי האבולוציה. מנגנון זה - הבררה הטבעית - מתבסס על השונות בין פרטים שונים של יצורים חיים הנמנים עם אותה אוכלוסייה, ומצביע על היתרון היחסי שיש לפרטים מסוימים בסביבות טבעיות שונות. בעקבות דרווין היה אפשר לתאר את התהליכים הביולוגיים מבלי להשתמש במושגים כמו תכנית ותכלית, ומתוך הסתמכות על מנגנונים חומריים בלבד. עדות למשמעותו העמוקה של שינוי זה, החורגת הרבה מעבר לתחום הביולוגיה גופה, אנו מוצאים בעובדה כי גם כיום, כמעט מאה וחמישים שנה לאחר פרסום ספרו של דרווין, עדיין נאבקת השקפת העולם האבולוציונית, הנטורליסטית, בהתקפות המכוונות אליה מכיוונים שאינם מדעיים.

דארווין ומוצא החיים

אחת ההנחות החשובות של תאוריית האבולוציה היא כי כל היצורים הקיימים כיום על פני האדמה, מקורם באב קדמון משותף. בספרו מתייחס דרווין לצורה אחת ראשונית, או לצורות מעטות ראשוניות שמהן התפתחו והשתלשלו מיני היצורים החיים כולם. עם זאת, אין הוא עוסק בשאלה כיצד התפתחו אותן צורות ראשוניות. אמנם, בסיום "מוצא המינים" עושה דרווין שימוש במונחי ספר בראשית - הוא כותב על כוחות חיים ש"הופחו על ידי הבורא" באותה צורה ראשונית אשר ממנה השתלשל עולם החי כולו, על שפע יצוריו. ואולם במכתב ששלח לידיד שנים אחדות מאוחר יותר, הוא מבהיר במפורש כי למעשה התכוון בכך לציין שמדובר בתהליך חידתי, בלתי ידוע לחלוטין. דרווין הניח כי המדע בתקופתו אינו מסוגל לתת תשובה לשאלה כיצד אירע המעבר מחומר דומם לאותו חי ראשוני. עם זאת, הוא הרהר רבות בנושא מוצא החיים ובאחד ממכתביו אף העלה את ההשערה, שנראתה לו נועזת ביותר, כי החיים ראשיתם במקווה-מים שהכיל תרכובות אי-אורגניות כפחמן דו-חמצני, אמוניה ומלחי זרחן, שמהן נוצרו - בהשפעת אור, חום. התפרקויות חשמלית וכו' - תרכובת אורגניות פשוטות, שמהן התפתחו החיים.

התהוות ספונטנית

במחצית השנייה של המאה ה-19, השאלה שהסעירה הן את העולם האקדמי והן את הקהל הרחב הייתה האם אפשרית התהוות חיים ספונטנית מחומר שאינו חי. במהלך מאות שנים, למן העת העתיקה, במשך ימי הביניים ואפילו במהלך המאות ה-16 וה- 17 לא פקפק איש, ואף לא מיטב ההוגים וחוקרי הטבע, שייצורים חיים נוצרים לא רק בתהליכי רבייה רגילים. הסברה היתה כי הם מתהווים גם ללא הורים, באופן ספונטני ופתאומי מבוץ ומקליפות עצים, מהפרשות אורגניות ומחומרי רקב, וזאת בהשפעת חום השמש ותנאי לחות מתאימים. דובר על יצירה (גנרציה) עצמית שמתקיימת בצמחים, בתולעים, בחרקים, בדגים, בצפרדעים, בציפורים ועוד.

קרקע הנילוס נחשבה פורייה במיוחד להתהוותם הספונטנית של תנינים ונחשים, כפי שמספר, למשל, ויליאם שקספיר במחזהו "אנטוניוס וקליאופטרה". במאה ה-12 נפוץ באירופה סיפור עצי האווז. חוקרי הטבע של התקופה דיווחו בכתביהם על יצירת אווזים משרף עצי אורן מסוימים בהשפעת מי הים. אגב, אמונה זו הייתה לא רק נפוצה, אלא גם שימושית מאוד: נוצרים-מאמינים מנועים מלאכול בשר בימי שישי, זכר לצליבה. והנה, מאחר שמקור האווזים היה - על-פי האמונה - מי הים, ניתן היה לאכול אותם, בגלל מעמדם כ"דגים" גם בימי שישי.

ודוגמה נוספת, מאוחרת הרבה יותר - מן המאה ה-17: מרשם, שזכה לפרסום רב, של הרופא והכימאי הפלמי ואן הלמונט (van Helmont), לצורך יצירה ספונטנית, ללא הורים, של עכברים: טול גרעיני חיטה והנח אותם בקופסה סגורה עם חולצה מיוזעת במשך עשרים ואחד יום. האדים המשתחררים מן החולצה, המכילים את עקרון החיים, "יבצעו את המלאכה".

בתקופות השונות זכתה תופעת יצירת החיים הספונטנית להסברים שונים וזאת על פי רוח התקופה. ההיסטוריה של רעיונות אלה מהווה דוגמה מאלפת להשפעתן של הנחות מוקדמות - פילוסופיות, דתיות ופוליטיות - על המחשבה המדעית. היו הוגים וחוקרי טבע, הן ביוון העתיקה והן בעת החדשה, שהאמינו כי אין הבדל עקרוני בין חומר דומם ליצורים חיים. הם הסבירו את התרחשותה של יצירה ספונטנית בעזרת תנועות חלקיקי החומר וחוקי התנועה של החומר. גם הכנסייה תמכה, במשך מאות שנים, ברעיון יצירת חיים עצמית. התאולוגים הנוצרים האמינו בציווי שניתן לאדמה ולחום השמש בעת בריאת העולם, ליצור חיים בכל עת. לחלופין ביססו תאולוגים אחרים את היצירה ללא-הורים על ההתערבות הישירה של האל, המטביע את עקרון החיים בחומר הדומם. מסיבות מדעיות, פילוסופיות ודתיות שונות החלה הכנסייה להילחם בלהט נגד הרעיון של יצירת חיים בדרך זו החל מן המאה ה-17 ואילך. האמונה ביצירה ספונטנית ידעה עליות ומורדות במאות ה-17 וה-18, וזאת בעקבות הצטברות נתונים אנטומיים ומיקרוסקופיים שהעידו על מורכבותם הרבה של היצורים החיים. באותה תקופה נעשו גם ניסויים שבהם הצליחו חוקרים שונים להראות כי יצירה ספונטנית של יצורים שונים, למשל חרקים, אינה אפשרית. למן המאה ה-18 דובר על יצירה עצמית של יצורים זעירים, מיקרוסקופיים בלבד.

לואי פסטר - חוקר בלתי תלוי?

בשנות ה-60 של המאה ה-19 רגשו העולם המדעי והעילית האינטלקטואלית בצרפת כשהתלהט הוויכוח על אפשרות קיומה של יצירה עצמית של יצורים מיקרוסקופיים: בניסויים שערך חוקר הטבע פליקס פושה (Pouchet), הודגמה, לכאורה, יצירה ספונטנית של מיקרואורגניזמים בתמיסות אורגניות. מנגד, עמדו ניסוייו של החוקר הצרפתי הדגול לואי פסטר (Pasteur), שסתרו את תוצאותיו של פושה. ניסוייו של פסטר הם שסתמו, בסופו של דבר, את הגולל על רעיון היצירה הספונטנית.

ניסוייו המבריקים של פסטר משמשים עד היום מופת לעבודה מדעית ניסויית. עם זאת, גם עבודתו של פסטר, ככל עבודה מדעית, עוצבה על ידי שיקולים של אידיאולוגיה והשקפת עולם פילוסופית. ביטוי מובהק לכך נתן בהרצאה בסורבון בשנת 1846, ובה דן בהשלכות הפילוסופיות והדתיות של המחלוקת סביב שאלת היצירה הספונטנית. פסטר, שהשתייך לממסד הפוליטי בצרפת ותמך באידאולוגיה הכנסייתית והאנטי-מטריאליסטית השלטת, הציג בהרצאתו את שאלת המפתח בנושא התהוות החיים: האם החומר יכול לארגן את עצמו? האם חומר דומם יכול להתארגן ליצירת מערכת חיה? פסטר השיב בשלילה על השאלה - ניסוייו הוכיחו מעל לכל ספק, אמר, כי חיים יכולים להיווצר רק מחיים קודמים, וכי כל פרט הוא בהכרח צאצא להורים. שנים מאוחר יותר, לאחר נפילת האימפריה השנייה ב-1871, כאשר השתנתה האווירה הפוליטית בצרפת והפכה להיות יותר ליברלית, ביטא פסטר בפומבי את התלבטויותיו וטען כי אינו משוכנע שיצירה ספונטנית אינה אפשרית.

בעשורים האחרונים של המאה ה-19 ניצבו התומכים בתאוריה של דרווין בפני בעיה קשה. באותה עת נראה היה כי ניסוייו של פסטר אכן סתמו את הגולל על אפשרות יצירת חיים מחומר דומם גם כשמדובר בצורות חיים מיקרוסקופיות. ואולם, בה- בעת היה ברור להם (כפי שהיה ברור גם לדרווין עצמו) כי מתבקשת הרחבתה ההגיונית של תאוריית האבולוציה לעבר ההנחה כי בשלב מוקדם בהיסטוריה של כדור הארץ התרחש מעבר מחומר דומם למערכת חיה. ואכן, כמה מן הדרוויניסטים הבולטים של סוף המאה, למשל תומס הקסלי (Huxley) האנגלי וארנסט הקל (Haeckel) הגרמני, העלו את ההשערה כי מעין יצירה ספונטנית התרחשה על פני כדור הארץ הקדום, מתרכובות אי-אורגניות ואורגניות פשוטות למערכות חיות. השערה זו ניזונה, בין השאר, מן התפיסה שהיתה מקובלת באותה תקופה שלפיה הפרוטופלסמה, שממנה בנוי התא החי, היא חומר פשוט למדי מבחינה כימית. הקסלי אף טען כי מצא על קרקעית האוקיינוס עדות לקיומה של פרוטופלסמה פרימיטיבית המכילה שרידים של יצור ראשוני קדמון. מאוחר יותר התברר כי מדובר בארטיפקט - "ממצא" של שיטת הבדיקה עצמה, שהיא במקרה זה התהליכים הכימיים של שימור המדגמים מקרקעית הים.

בסוף המאה התפתחו טכניקות ציטולוגיות (הדנות במבנה התא) שגילו מרכיבים שונים של התא החי והדגישו את חשיבותו של גרעין התא. כמו כן, בשלהי המאה ה- 19 ובתחילת המאה ה-20 התפתחה הביוכימיה וזוהו אנזימים רבים האחראיים על תהליכים שונים בתא. בעקבות התפתחויות אלה השתנתה התפיסה התיאורטית לחלוטין. עתה ראו בתא מערכת מורכבת ביותר. כל הנחה המדברת על יצירת תא חי בעקבות תגובות כימיות אקראיות בין מולקולות פשוטות, נתפסה כמופרכת לחלוטין על ידי רוב אנשי המדע של התקופה.

פתרון מדומה - החיים הם נצחיים

על רקע מבוי סתום זה בשאלת התהוות החיים הציעו כמה מטובי המדענים של סוף המאה ה-19 מעין פתרון, שהוא למעשה ביטול השאלה עצמה. כמה פיסיקאים, כימאים ופיזיולוגים נודעים טענו כי אין להעלות על הדעת כי חיים נוצרו מחומר דומם על פני כדור הארץ, וכי סביר הרבה יותר להניח כי החיים הם נצחיים כנצחיותו של החומר וכנצחיותו של היקום. אי-שם ביקום, כך טענו, במקומות שבהם שוררים תנאים נוחים, קיימים חיים מאז ומעולם. הם נישאים ביקום כנבגים או כזרעים והגיעו לכדור הארץ על פני מטאוריטים, או בדרכים שונות אחרות. רעיונות אלה, שגרסאותיהם השונות כונו בשם "תאוריית הפאנספרמייה", ביטאו את ההנחה הפילוסופית שלפיה חיים לא יכולים להיווצר מחומר שאינו חי, מאחר שמדובר בשתי מהויות שונות זו מזו באופן עקרוני.

מאחר שמרבית אנשי המדע של תחילת המאה ה-20 לא ראו בתאוריית הפאנספרמייה פתרון מניח את הדעת, ומאחר שלא הוצעו מנגנונים כימיים סבירים כלשהם להסבר התפתחותם של החיים על פני כדור הארץ, הייתה התעלמות כמעט מוחלטת מן הנושא בעשורים הראשונים של המאה הנוכחית. על כך העיד מאוחר יותר אחד הגנטיקאים הנודעים של התקופה, הרמן מאלר (Muller), כי התחושה הכללית הייתה שמדובר בטאבו שמוטב לא לגעת בו בכלל.

חיידקים בחללית

נבצע עתה קפיצה בזמן ונגיע לשנת 1981. בשנה זו פורסם ספר ששמו "החיים עצמם" ((Life itself) שהציג תאוריה המכונה פאנספרמייה מכוונת. מדובר בטענה כי החיים לא נתהוו על פני כדור הארץ, אלא הגיעו אליו בצורת חיידקים שנשלחו במכוון, מוגנים בתוך ספינת חלל, מפלנטה אחרת המיושבת ביצורים אינטיליגנטיים השייכים לציוויליזציה מפותחת מזו שלנו. מחבר הספר הוא אחד המדענים הנודעים של זמננו, פרנסיס קריק (Crick), שהיה שותף לגילוי מבנה ה-DNA. האם במסגרת התאוריה שלו, שנראית כסיפור מדע בדיוני, נותן קריק תשובה לשאלה כיצד התהוו החיים - אם לא כאן, אזי במקום אחר? בניגוד לרעיונות הפאנספרמייה הישנים, קריק אינו טוען לנצחיות החיים, ובוודאי שאין לייחס לו שלילה עקרונית של אפשרות התהוות חיים מחומר דומם. מטרתו הייתה להצביע על המבוכה הרבה שעדיין מאפיינת את שאלת מוצא החיים, והעלאת המודעות לאופייה הסבוך והקשה של הבעיה.

בניגוד לפרנסיס קריק, מרבית החוקרים עדיין שואלים היום איך נוצרו החיים על פני כדור הארץ. החל משנות החמישים מתקיים מחקר מעשי פעיל בשאלת התהוות החיים, שבו חוברים יחדיו אסטרופיסיקאים, גיאופיסיקאים, מטאורולוגים, חוקרי ימים, כימאים אורגניים, ביוכימאים וחוקרי הביולוגיה המולקולרית. לכולם ברור כי אין כל אפשרות לשחזור מדויק של אירועים יחודיים שהתרחשו בעבר הרחוק, בהם נוצרו חיים, אולם ניתן להציע תסריטים מתקבלים על הדעת, המתבססים על חוקי הטבע ועל הידע המצטבר. ובכל זאת, כמאה ושלושים שנה מאז שהציג פסטר את שאלת המפתח בדבר יכולתו של החומר לארגן את עצמו, עדיין מדובר באחת השאלות הקשות ביותר בביולוגיה. יתר-על-כן, לדעתם של כמה מהביוכימאים הנודעים ביותר, דווקא הישגיה המופלגים של הביולוגיה המולקולרית, המגלים לנו את מורכבותם העצומה של המערכות החיות, הפכו את השאלה לקשה עוד יותר.

ננסה עתה לברר לעצמנו שלוש שאלות: ראשית, כיצד הפך הנושא מטאבו לשאלה מדעית לגיטימית? שנית, מה מעכב בשלב זה מתן פתרון מניח את הדעת לשאלה? ושלישית, מהם, בכל זאת, הישגי המחקר ומהם כיווני הפתרונות המסתמנים?

השערת אופרין-הולדן

שני מאמרים הנושאים את השם "על מוצא החיים" שהופיעו, באופן בלתי תלוי, בשנות העשרים של המאה, מאמרים שהקדימו את זמנם, הם שעמדו ברקע פריצת הדרך שהתחוללה מאוחר יותר. בשנת 1924 התפרסם בברית המועצות מאמרו של הביוכימאי הרוסי אלכסנדר אופרין (Oparin), וב-1929 הופיע באנגליה מאמרו של הביוכימאי והגנטיקאי ג'ון ברדון סנדרסון הולדן (Haldane). שני המאמרים העלו לראשונה השערות ייחודיות בדבר התנאים ששררו על פני הארץ הקדומה, תנאים שאפשרו יצירתן של תרכובות אורגניות. כמו כן, הם הציעו מנגנונים - שונים זה מזה - לשלבי המעבר מחומרים אורגניים אלה למערכת חיה פרימיטיבית באמצעות אבולוציה כימית. ב-1936 פירסם אופרין את ספרו - "על מוצא החיים" - ובו הרחבה והעמקה של השערותיו וטיעוניו. רק לאחר מלחמת העולם השנייה זכה הספר להשפיע השפעה של ממש על קהילת המדע הבינלאומית.

אופרין ביסס את רעיונותיו על ממצאים חדשים שחשפה הביוכימיה, וכן על התפתחויות חשובות בכימיה אי-אורגנית ואורגנית. החלבונים אופיינו כחומרים קולואידיים - חומרים המפגינים התנהגות מיוחדת בתמיסה, תוך יכולת ליצור מעין מערכות דמויות תאים המובדלות מסביבתן. תכונותיהם של הקולואידים, שבהם ראה אופרין מעין שלבי ביניים בין הכימי לביולוגי, אפשרו לו להציע תסריט הניתן לבדיקה, לתיאור התהוותם של החיים.

הולדן, לעומת זאת, שאב את השראתו מן השדה הצעיר של הגנטיקה ובעיקר מגילוי הנגיפים. בעוד אופרין מתמקד בחיים כמערכת של ריאקציות כימיות שלובות זו בזו, מערכת המשמרת את עצמה, ראה הולדן את יכולת הרבייה כתכונה המרכזית של החיים.

נתונים חדשים החלו להצטבר בדבר הרכבו הכימי של היקום. התברר כי היסוד הכימי השכיח ביותר הוא המימן. בעקבות גילויים אלה הועלו השערות חדשות בדבר טיבה של האטמוספרה הקדומה על כדור הארץ. אופרין והולדן העלו את הטענה, הנועזת לזמנה, שלפיה האטמוספרה הקדומה של כדור הארץ לא הכילה חמצן, אלא הייתה אטמוספרה מחזרת, כלומר עשירה בתרכובות מכילות מימן. בתנאים אלה, כך הציעו, התאפשרה יצירתן של תרכובות אורגניות פשוטות. בהמשך נוצרו חומרים מורכבים יותר ויותר, שהצטברו ב"מרק הקדום". אופרין והולדן ראו בשלבים ראשוניים אלה תנאי הכרחי להתהוות החיים. נקודה חשובה נוספת שהם העלו הייתה זו: בהיעדר חמצן נעדרה גם שכבת האוזון שבולמת את הקרינה. הקרינה העל-סגולה החזקה יכולה הייתה להוות אפוא מקור אנרגיה חשוב לתגובות כימיות שונות. החל משנות החמישים הפכה השערת אופרין-הולדן למסגרת מנחה של המחקר בתחום ראשית החיים. אגב, אופרין והולדן נפגשו לראשונה רק ב-1963 בכנס בינלאומי שנושאו היה מוצא החיים, שהתקיים בפלורידה בחסותה של סוכנות החלל האמריקנית נאס"א.

האלטרנטיבה השלישית

בין התיאוריה שהציע אופרין לזו של הולדן היו הבדלים בתפיסה ובפרטים. ואולם ביסודו של דבר שניהם העלו מסר משותף: הם הציבו אלטרנטיבה לשתי הגישות העקרוניות שנודעו קודם לכן: האפשרות הוויטליסטית-דתית, שראתה בחיים ובחומר הדומם שתי קטגוריות נפרדות, והאפשרות המכניסטית הפשטנית, שלא השכילה לעמוד על המורכבות העצומה של המערכות החיות, ולו הפרימיטיביות ביותר.

הגישה המטריאליסטית-אבולוציונית של אופרין והולדן מציגה את תהליכי האבולוציה הקוסמיים, הכימיים והביולוגיים כרצף אחד, ואולם היא גם מכירה בתכונות הייחודיות של המערכות החיות ומנסה להסביר אותן באמצעות מנגנונים חומריים שיכולים להביא לארגונו העצמי של החומר. מספר היסטוריונים של המדע העלו את הסברה כי אין זה מקרה ששלושת האנשים שתרמו לכינונה של גישה זו - החלוצים אופרין והולדן, ומי שהצטרף בשנות החמישים והשישים, הפיסיקאי האנגלי ג'ון ברנל (Bernall) - היו מרקסיסטים. הם טענו כי התפתחות החיים היא חלק אינטגרלי מן האבולוציה של העולם החומרי, אך, יחד עם זאת, יש להכיר בחוקים שונים הפועלים ברמות ארגון חומריות שונות.

הניסוי של מילר - תחום מדעי נולד

אופרין היה הראשון שהגדיר באופן ברור תהליכים אפשריים להיווצרות מערכות חיות. לאחר מלחמת העולם השנייה החלו ביוכימאים לחקור את השלבים השונים שהציע אופרין. המפורסם בניסויים אלה, ניסוי שלמעשה כונן את תחום המחקר הניסויי של התהוות החיים, היה זה של הכימאי האמריקני סטנלי מילר (Miller) ב-1953. מילר הצליח ליצור מספר חומרים אורגניים, ובהם חומצות אמיניות, שהן אבני הבניין של החלבונים, מתערובת של מתן, אמוניה, מים ומימן - תערובת שייצגה את האטמוספרה המחזרת הקדומה. כמקור אנרגיה השתמש מילר בהתפרקויות חשמליות, שייצגו מקורות אנרגיה קדומים, כגון ברקים. בעקבות הניסוי של מילר החלה פריחה במחקר - קבוצות ניסוי במעבדות רבות ברחבי העולם הצליחו להדגים, בתנאים מגוונים, יצירתן של תרכובות רבות שיש להן חשיבות ביולוגית, ומתרכובות אלו הצליחו גם ליצור חומרים מורכבים יותר. כמו כן החלו להופיע כתבי-עת בתחום, פורסמו ספרי לימוד בנושא, החלו להיערך כנסים רבי משתתפים - בקצרה, נוסד התחום המדעי שדן בשאלת מוצא החיים.

אנשי מעבדה ותאורטיקנים רבים המשיכו את כיוונו של אופרין - הכיוון הביוכימי. לפי כיוון זה מוגדרת המערכת החיה כיחידה תאית, בעלת דרגת מורכבות מספקת לצורך ביצוע תהליכי חילוף חומרים תוך שמירה על ערכים קבועים מסוימים, למרות תנאי הסביבה המשתנים. בשנות החמישים היו מכוונים רוב המאמצים לשחזור התהליכים בהם נוצרו החלבונים. ההנחה הייתה שבשלב התהוות החיים היו החלבונים אחראים לפעילויות התאיות העיקריות, תוך שהם מאפשרים תהליכי רבייה והתפתחות של היחידות התאיות הראשוניות. במקביל, ובהמשך להשערותיו של הולדן, התפתח כיוון מחקר נוסף ששאב את השראתו מתחום הגנטיקה, על פיו מוגדרת ישות חיה בעזרת פעילותה הגנטית - יכולת שכפול עצמי ויכולת החומר הגנטי לעבור מוטציות. בתחילת הדרך, בשנות העשרים והשלושים, הניחו התאוריות הגנטיות כי ה"מולקולות החיות" - הגנים - נוצרו באופן מקרי מחומר אי-אורגני. היה ברור לכול, כי מדובר, אמנם, באירוע בעל הסתברות מאוד קטנה, אולם - כך טענו - פרקי הזמן הארוכים-מאוד שעמדו לרשותו של התהליך הפכו גם את הבלתי-מסתבר לממשי. אולם ההסתמכות על "מקרה מוצלח", כלומר אירוע שהסתברותו קטנה ביותר, לא אפשרה לכיוון מחקר זה לבנות מערך ניסויי ולהציע מודלים ניתנים לבדיקה בדומה לאלה של אופרין.

מצב זה השתנה בעקבות פענוח מבנה ה-DNA על-ידי ג'יימס ווטסון (Watson) ופרנסיס קריק (Crick) ב-1953 ולאחר גילוי הקוד הגנטי בשנות השישים. בעקבות ההישגים המרשימים הללו בתחום הביולוגיה המולקולרית, לבשו ההשערות הגנטיות על מוצא החיים לבוש יותר מפורט. עתה היה אפשר לתכנן ולבצע ניסויים רבים לבחינת אפשרות הופעתו של הגן הראשון ואפשרות שכפולו.

שאלת הביצה והתרנגולת

עם התפתחות הביולוגיה המולקולרית, המחלוקת בין הגישה הביוכימית לבין הגישה הגנטית נוסחה בצורת שאלה: מה קדם למה בהתהוות החיים? האם החלוצים היו החלבונים, האחראים כאנזימים על כל תהליכי חילוף החומרים, או שהקדימו אותם חומצות הגרעין, האחראיות לשכפול עצמי ולהעברת המידע התורשתי? את כל המערכות החיות המוכרות לנו מאפיינות שתי השפות הכימיות גם יחד - שפת פעילות האנזימים ושפת המידע התורשתי. אולם, עקב מורכבותם העצומה הן של החלבונים והן של חומצות הגרעין, אין להעלות על הדעת כי עם התהוות החיים התאפשרה יצירה ראשונית בעת ובעונה אחת של חלבונים ושל חומצות גרעין. עובדה זו מסבכת אותנו בבעיה נוסח "בעיית הביצה והתרנגולת". בתאים המוכרים לנו, יצירת חלבונים תלויה בקיומן של חומצות גרעין: החלבונים מיוצרים על פי המידע הכלול ב-DNA (תוך שיתוף מספר סוגים של חומצת הגרעין RNA). ואולם, יצירתן של חומצות הגרעין ופעילותן, שתיהן תלויות בפעילותם של חלבונים. חומצות הגרעין כולן נוצרות בעזרת אנזימים, וכל תהליכי תרגומו של החומר התורשתי לחלבונים נעשים בעזרת מערכות אנזימיות מורכבות ביותר. איך יכולים היו החלבונים להיווצר לראשונה ללא חומצות גרעין? ואיך יכולות היו חומצות הגרעין להיווצר ראשונות, בטרם הופיעו החלבונים? בשנות החמישים נעשו ניסיונות לייחס לחלבונים יכולת לשאת מידע, ולהצביע עליהם כעל מקורו של התהליך הביוגנטי. עם השנים, נטתה הכף יותר ויותר לכיוון חומצות הגרעין. ברור, על כל פנים, שפתרון השאלה כיצד התהוו החיים הוא, במידה רבה, פתרון של בעיה בנוסח בעיית הביצה והתרנגולת.

החל משנות החמישים המוקדמות ובמשך כשני עשורים נראה היה כי מחקר התהוות החיים נוחל הצלחות רבות. קבוצות מחקר הצליחו, במעבדות רבות, ליצור בקלות רבה חומצות אמיניות, והיו הישגים גם ביצירת אי-אלו מאבני הבניין של חומצות הגרעין, ה-DNA וה-RNA. חוקרים שונים אף הצליחו לקשור, בתנאים המתאימים, אבני בניין אלו לשרשרות ארוכות - פולימרים. (חלבונים וחומצות הגרעין הם פולימרים). בניסוי-מפתח שביצע הכימאי האמריקני סידני פוקס (Fox), התקבלו מחומצות אמיניות מעין חלבונים שאף הפגינו יכולת לפעול כאנזימים חלשים. במעבדות רבות התקבלו גם שרשרות דמויות חומצות גרעין קצרות (אוליגו- נוקליאוטידים). בעקבות פענוח מבנה ה-DNA וחשיפת העקרונות הכימיים המאפשרים את שכפולו של החומר הגנטי, נערכו ניסויים רבים שנועדו להדגים כושר שכפול עצמי של מקטעי חומצת גרעין. ממספר מעבדות נמסר בזמנו כי הייתה הצלחה מסוימת בשכפול מקטעי חומצת גרעין גם ללא נוכחותם של אנזימים.

החשיבות העקרונית הרבה של ניסויי השכפול העצמי הייתה בניסיון להדגים כי קבוצה של פולימרים המשכפלים את עצמם יכולה, בתנאים מסוימים, להפגין תהליכי בררה טבעית, בדומה להתנהגותם של יצורים חיים במהלך האבולוציה.

בשכפול העצמי של חומצות הגרעין מתבצעת העתקה מדוייקת של סדר אבני הבניין שב-DNA או ב-RNA. ההעתקה היא מדוייקת, אולם לא לגמרי. מדי פעם נופלות טעויות בתהליך ההעתקה - אלה הן המוטציות. לפולימרים נושאי המוטציות המתקבלים בתהליכי ההעתקה יש לעיתים יתרונות בהשוואה להעתקים הרגילים, בכך שהם יציבים יותר, קצב שכפולם מהיר יותר, וכד'. מכיוון שכל הפולימרים באוכלוסיה מתחרים על אותן אבני בניין, נוצרת אפשרות לבררה טבעית ביניהם. לדעת רבים מהחוקרים, עקרון הבררה הטבעית שמסוגל לפעול כבר במערכות מולקולריות, עוד לפני היות החיים, הוא העיקרון האחראי לאבולוציה מולקולרית ולהתהוותם של החיים. מן הראוי להזכיר כאן את תרומתו המכרעת של הכימאי הגרמני, חתן פרס נובל, מנפרד אייגן (Eigen), לפיתוחם וליישומם של מושגי האבולוציה המולקולרית לחקר התהוות החיים.

חזרה לנקודת המוצא?

במהלך שני העשורים האחרונים, בעקבות הצטברותם של נתונים חדשים בענפי מדע שונים, הועמדה השערת אופרין-הולדן בסימן שאלה. חוקרים רבים טוענים היום כי האטמוספרה הקדומה לא הייתה, ככל הנראה, מחזרת במידה המאפשרת יצירת כמות מספקת של תרכובות אורגניות, וכי, לפיכך, ניסוייו של סטנלי מילר וממשיכיו הרבים איבדו מתקפותם. הכימאי האנגלי קיירנס-סמית (Cairns-Smith) שולל מכל וכל את התסריט המקובל להתהוות החיים; הוא טוען כי החיים כלל לא התחילו עם כימיה אורגנית - כימיה של תרכובות הפחמן, שהיא מסובכת יותר, אלא עם כימיה אי אורגנית, שהיא פשוטה הרבה יותר. קיירן-סמית חשב כי ה"אורגניזמים" הראשונים היו עשויים גבישי חרסית המכילים צורן ומתכות אחרות. המינרל, כאשר הוא מכפיל את עצמו, יכול ל"הוריש" לצאצאיו "מידע" האצור על שטח הפנים שלו, וכד'. שכפול עצמי מתבטא כאן ביצירת שכבה נוספת על גבי השכבה הקודמת.

לפנינו מעין תהליך של שכפול עצמי שבו נופלות גם טעויות וכך נוצרים חומרים בעלי יתרון יחסי על פני סביבתם. קיירן-סמית משער כי בתהליכי השכפול והבררה הטבעית של המינרלים נוצרו גם "אורגניזמים" שלמדו ליצור תרכובות אורגניות על שטח הפנים שלהם, משום שהדבר הקנה להם יתרון. בהדרגה לא היה צורך בפיגום תאי-אורגני והייתה השתלטות של פולימרים אורגניים דוגמת חלבונים וחומצות גרעין.

לפי תאוריה אחרת, המקובלת כיום יותר, מרבית חומרי המוצא האורגניים "יובאו" לכדור הארץ הקדום על גבי מטאוריטים ושביטים אשר הפציצו את כדור-הארץ לאחר היווצרו (ראו: "מקור החיים עלי אדמות", גליליאו 2, עמ' 10). יותר ויותר ממצאים מעידים על קיומן של תרכובות אורגניות רבות בחלל החיצון, הן בעננים בין-כוכביים של אבק וגז - עננים שמהם נוצרים כוכבים חדשים, והן במטאוריטים ושביטים. ממצא מעניין הוא תוכנו האורגני של מטאוריט שנפל במרצ'יסון, אוסטרליה ב-1969, הכולל, בין השאר, חומצות אמיניות בהרכב וביחסים המזכירים מאוד את תוצאות ניסוייו של סטנלי מילר. יש לציין, עם זאת, כי חוקרים אחרים הצליחו להדגים סינתזה של חומרים אורגניים גם בתנאים לא מחזרים במיוחד.

חיים - ממתי?

בעיה נוספת קשורה ב"לוח הזמנים" של תהליך התהוות החיים. עד לפני זמן קצר חשבו על פרקי זמן ארוכים מאוד שעמדו לרשות תהליך ההתהוות של המערכות החיות הראשונות. דבר זה סייע, כאמור, לטענה שלפיה מולקולת-מפתח ראשונית הייתה יכולה להיווצר במקרה. עתה מתברר כי חלון הזמן שבמהלכו התהוו, ככל הנראה, החיים היה קצר מאוד יחסית לגילו של כדור הארץ, שנוצר בערך לפני כארבע מיליארד וחצי שנים. במהלך כמחצית מיליארד השנים הראשונות, כך מורים הנתונים, עקב טמפרטורות גבוהות מאוד והפצצה אינטנסיבית של מטאוריטים, לא באה בחשבון היווצרות חיים או הישרדותם (יש הטוענים, לפיכך, כי החיים התפתחו בקרקעית האוקיינוסים). ואולם, לפי עדות המאובנים, יצורים חיים שגופם בנוי כתא התקיימו כבר לפני כ-3.6 מיליארד שנים. בסלעים עתיקים רבים נמצאו מבנים שכבתיים המכונים סטרומטוליטים, הדומים למבנים שמייצרות היום מושבות גדולות של חיידקים. נמצאו גם מאובנים של חיידקים בסלעים עתיקים באוסטרליה ובגרנלנד. יש חוקרים הטוענים על סמך מדידת יחסי איזוטופים שונים של פחמן, כי חיים המקבעים פחמן בפוטוסינתזה התקיימו כבר לפני 3.8 מיליארד שנים. המסקנה היא כי חלון הזמן ארך לא יותר מחצי מיליארד שנים, ויש אומרים הרבה פחות מכך - ממש "הרף עין" גאולוגי. ברור לפיכך כי אם איננו רוצים להניח שמוצא החיים כרוך היה ב"נס" כלשהו, כל תסריט סביר חייב להתבסס על מנגנונים מהירים בעלי הסתברות גבוהה יחסית.

עולם ה-RNA בניסיון להתמודד עם שאלת הביצה והתרנגולת, העלו מספר ביוכימאים בתחילת שנות השישים, רעיון שהתבסס על נימוקים כימיים כבדי משקל, ולפיו חומצת הגרעין מסוג RNA תפקדה בעולם הקדום הן כ"ביצה" והן כ"תרנגולת". בהקשר זה נציין את תרומתו של הכימאי לסלי אורגל (Orgel), אולם רק בראשית שנות השמונים התברר כי יש ממש ברעיון זה - או-אז התאפשרה פריצת דרך משמעותית במחקר. שני חוקרים אמריקנים זיהו בייצורים חיים מסוימים מולקולות RNA המסוגלות לבצע מה שנחשב קודם לכן כתפקידם הבלעדי של החלבונים - פעילות אנזימית. בתחילה נתגלתה פעילות אנזימית מוגבלת בלבד, אולם לאחרונה נוספו גילויים חדשים בדבר יכולת אנזימית מגוונת של מולקולות ה-RNA, בין השאר - כנראה גם, בבניית חלבונים. על גילוי הריבוזימים1 (Ribozymes) - כך נקראות מולקולות RNA אלה - קיבלו מגליהן, צ'ק (Cech) ואלטמן (Altman), פרס נובל ב-1989, ואז גם נטבע המונח "עולם ה-RNA", שהפך להשערה המובילה במחקר מוצא החיים. חוקרים רבים אכן סוברים כיום כי התהוות החיים כללה בשלב מוקדם כלשהו "עולם" חסר חלבונים, שקדם ל"עולם" המוכר לנו, שבו מתאפשרת יצירת חלבונים על סמך מידע הצפון בחומצת הגרעין. אולם - בניגוד להתלהבות שהתעוררה בעקבות גילוי הריבוזימים - מתחוור כי הבעיה עדיין רחוקה מפתרון. עדיין איננו יודעים כיצד נוצרו מולקולות ה-RNA הראשונות בעצמן. ההשערה כי מפגש מקרי מוצלח של אבני הבניין ה"נכונות" הוליד מולקולת RNA בעלת יכולת תפקוד נדחית כבלתי סבירה. הפתרונות השונים המוצעים כיום, שסביבם ככל הנראה יתרכז המחקר בשנים הקרובות, כוללים הצעה של "עולמות" שונים שקדמו ל"עולם ה-RNA", עולמות שבהם נוצרו חומרים פשוטים-יחסית שאפשרו, בהמשך, יצירתן של מעין חומצות גרעין המסוגלות להשתכפל וכן לפעול כאנזים המסייע בשכפול (ראו תמונה). הביוכימאי הבלגי חתן פרס נובל כריסטיאן דה דוב (de Duve) מתאר תהליכים כימיים שאפשרו יצירת פולימרים קצרים מחומצות אמיניות בודדות, פולימרים אשר תפקדו כאנזימים והובילו בסופו של דבר לעולם ה-RNA. כמה וכמה תסריטים מייעדים תפקיד חשוב למינרלים שונים, אשר יכולים היו לתפקד כאנזימים אי-אורגניים, ולזרז יצירת פולימרים. ההמשך - במחקר כיצד, אם כן, התהוו החיים על פני האדמה? מתברר כי שאלה זו עדיין מחכה למענה. עדיין איננו יודעים כיצד יכולים תהליכים חומריים להוביל ליצירת מכלול אורגני, שמרכיביו תלויים אלה באלה הדדית לצורך קיומם ופעילותם. אם נשווה את התא החי, ולו הפשוט ביותר, לקשת שאבניה תומכות זו בזו - השוואה שעשה קיירנס-סמית, נוכל לומר כי אנו מחפשים את הפיגום שעל גביו נבנתה הקשת. במהלך ההיסטוריה עוררה שאלת היווצרות החיים עניין רב, אולם לא נתפסה כתעלומה; דווקא כשהידע המדעי התפתח, בעיקר במהלך המאה ה-19, עטתה שאלת מוצא החיים צעיף של מסתורין. רק בעשורים האחרונים הפך המסתורין לשאלה מדעית הניתנת לבדיקה ניסויית, והיא אמנם נחקרת באופן נמרץ. פתחנו במהפכה של תיאוריית האבולוציה של דרווין; שאלת מוצא החיים היא כיום אחד המוקדים המרכזיים במאבק לביסוס מהפכה זו. אלה המתקראים "בריאתנים" - בני הדתות השונות - רוצים להחיות את סיפור ספר בראשית כדי לפתור לכאורה את בעיית מוצא החיים. כנגד ניסיונות אלה יש לזכור כי הדרך היחידה הפתוחה בפני המדע, למרות כל הקשיים, היא המשך המחקר.

¹יש להבחין בין ריבוזימים - מולקולות RNA שלהן כושר אנזימי, לבין ריבוזומים - אברונים שבהם נעשית בתא בניית החלבונים.

לקריאה נוספת:

John Horgan, "In the beginning" ,Scientific American, February 1991 pp. 117-125.

Leslie Orgel, "The Origin of Life on the Earth". Scientific American October 1994, pp. 53-61.

שניאור ליפסון, "אחדות הטבע והיקום", מחשבות, נובמבר 1988, עמ' 54-47.

ד"ר איריס פריי מלמדת היסטוריה ופילוסופיה של הביולוגיה במכון להיסטוריה ופילוסופיה של המדעים והרעיונות ע"ש כהן באוניברסיטת תל-אביב ובמחלקה ללימודים כלליים בטכניון.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 11, עמ' 21-14, יולי/אוגוסט 1995