כי מחיידק אתה - אשל בן-יעקב ואדם טננבאום

מחשבות על אבולוציה יצירתית

הפרדיגמה הניאו-דרוויניסטית מניחה כי המוטציות באורגניזמים הן אקראיות לחלוטין. הן אינן מכוונות על ידי הסביבה. מוטציות הן אדפטיביות, אם הן מתאימות במקרה לסביבה, ועל כן הן מועילות להישרדות. אבל ייתכן שישנן מוטציות, או שינויים בגנום, שנוצרו מתוך כוונה להתמודד עם בעיות סביבתיות. אם זה כך, אם אורגניזמים מגיבים על שינויים סביבתיים על ידי "פיתוח" מוטציות שמסייעות להישרדות, אזי אפשר לדבר על יצירתיות ואף אינטליגנציה ותודעה עצמית גם כשמדובר על אורגניזמים כמו מושבות חיידקים. האם הפרדיגמה הדרווינית בסכנה? 

עם היוודע תוצאות פענוח הגנום האנושי השנה, נדהמה הקהילייה המדעית לגלות כי מטעננו הגנטי הוא בן 30,000 גנים בלבד (זהו רק חלק קטן מהרצף הגנטי; את רוב השרשרת מהווה מה שזכה לכינוי "DNA טפל" (junk-DNA) משום שהמדענים טרם הצליחו לפענח את תפקידו) - לא גדול בהרבה משל זבוב, וקטן בהרבה משל אורז. הכלים שפותחו במסגרת פרויקט הגנום האנושי אפשרו פענוח מהיר ויעיל של הגנום של יצורים אחרים, וכך נוכחנו לדעת כי מספר הגנים של היצור הרב-תאי הירוד ביותר קטן משלנו ב-30% בלבד. גילינו גם שירשנו מהחיידקים מספר לא מבוטל של גנים (יותר מ-10%), בלי שינוי כמעט.

צילום: צורות מורכבות המיוצרות בזמן גדילת מושבות של חיידקי Paenibacillus. 

 צורה כחולה - גידול מסתעף, צהובה - גידול תלתלי כיראלי.

במאמר New Genomes Shed Light on Complex Cells, שהופיע במאי האחרון בכתב-העת Science, נאמר כי לסוגים מסוימים של שמרים יש רק 5,000 גנים, כמספר הגנים של חיידקים רבים. זאת, אף שהשמרים הם חד-תאיים איקריוטיים (בעלי גרעין), ומבנה התא שלהם מורכב הרבה יותר משל החיידקים, שהם פרוקריוטיים (חסרי גרעין; החומר הגנטי שלהם הוא כרומוזום אחד, המפוזר על פני התא כולו). השמרים, שהופיעו כשני מיליארד שנה אחרי החיידקים, קרובים אלינו אבולוציונית יותר מאשר אליהם.

נראה אפוא, שאין קשר ישיר בין מורכבות האורגניזם ובין מספר הגנים במטענו התורשתי. מספר החלבונים באדם אינו ידוע, אך גם על פי הערכות שמרניות הוא גדול הרבה יותר ממספר הגנים. בזאת התערער העיקרון של "גן אחד - חלבון אחד", שנוסח בשנות ה-40 של המאה שעברה והיווה במשך זמן רב נדבך חשוב של הדוגמה המרכזית, הגנוצנטרית, של הביולוגיה.

כיום כבר ניכרים הסדקים הראשונים בדוגמה המרכזית. ההתקדמות בחקר הגנום של האדם ושל יצורים אחרים, תצפיות בשבבי DNA ותופעות המלמדות על "תבונת החיידקים" (בשלב זה, הם מנצחים בקרב על האנטיביוטיקה...) יובילו, בסופו של דבר, לקריסתן של הדוגמה המרכזית ושל התמונה הניאו-דרוויניסטית. לא מן הנמנע הוא, שבקרוב נהיה עדים להתהוותה של פרדיגמה חדשה, שאולי אפילו תשתווה למהפכות הרעיוניות שהתחוללו בפיזיקה בתחילת המאה העשרים. ביסוד הפרדיגמה החדשה תעמוד תמונה חדשה של הגנום (במילה "גנום" מתכוונים, בדרך כלל, לרצף ה-DNA. במאמר זה, אנו מתייחסים למערכת הגנום, הכוללת גם את הרצפים הנפרדים של הפלסמידים ואת האנזימים הפועלים על ה-DNA ומופעלים על ידיו. כדי למנוע סרבול, נשתמש לצורך זה במילה גנום). לא עוד רצף של DNA סטטי, המשמש לאחסון מידע והמשתנה כתוצאה מטעויות בזמן העתקתו (מוטציות אקראיות), אלא רשת גנים דינמית, המסוגלת לעבד מידע ואף לשנות את עצמה בהתאם לנסיבות.

התמונה החדשה לא צצה פתאום. כאשר מתבוננים בהתפתחות הביולוגיה המולקולרית במאה שעברה, רואים בה שני מסלולים מקבילים: המסלול הידוע של הדוגמה המרכזית, והמסלול המקביל, שהחל במחקרה של ברברה מקלינטוק על הגנים הקופצים, ונמשך עם תיאוריית האופרון של ז'אקוב ומונו, ההטמעה הגנטית של וודינגטון והניסויים של קירנס ואחרים במוטציות מכוונות.

הקהילייה המדעית ציינה לפניה את התצפיות, אך לא הפנימה את משמעותן מרחיקת הלכת. אולי בגלל פשטותה האלגנטית של התמונה הגנוצנטרית, התאמתה לגישה הרדוקציוניסטית השלטת במדעים המדויקים ותרומתה היישומית האדירה להנדסה הגנטית ולביוטכנולוגיה. אנו סבורים, שלאחר התגליות החדשות, המעבר לפרדיגמה חדשה הוא בלתי נמנע.

המלכוד שבתמונה הדרוויניסטית

התמונה שהציע דרווין בספרו מוצא המינים כדי לתאר את התפתחות החיים על פני כדור הארץ השפיעה, אולי יותר מכל תיאוריה מדעית, על התפתחות החשיבה המערבית. ולא בכדי בחרנו להשתמש במילה תמונה, ולא במילה תיאוריה. תיאוריה מדעית - אם להסתמך על הדרישה היסודית של פופר - צריך, עקרונית, שיהיה אפשר להפריכה. הדרוויניזם אינו ניתן להפרכה.

זהו המלכוד הראשון של הדרוויניזם, ופה טמון כוח הישרדותו המופלא. הדרוויניזם ובייחוד הניאו-דרוויניזם (התמונה הדרוויניסטית כוללת את עקרון הברירה הטבעית והישרדות המתאימים ביותר. הניאו-דרוויניזם מניח, שכל הזמן מתרחשות באוכלוסייה מוטציות אקראיות, שהשפעתן ניטרלית ביחס לסביבה. עם הזמן נוצרים כך באוכלוסייה פרטים בעלי תכונות שונות. כאשר הסביבה משתנה, שורדים רק אלה שהמוטציות האקראיות שלהם מותאמות ביותר לסביבה החדשה), מתאימים לגישה הרדוקציוניסטית, הגישה אשר שולטת בפילוסופיה המערבית זה זמן רב, ואשר עיצבה את ראיית העולם והחשיבה המדעית במערב. ההגמוניה של התמונה הרדוקציוניסטית בחשיבה המדעית התחזקה מאוד בזכות ההישגים המרשימים של המדע ושל הטכנולוגיה הנובעת ממנו; אלה לא נטרדו מכך שכמה שאלות יסוד נותרו ללא מענה.

במערכת חשיבה זו, היקום נתפס כיקום המכני של לפלאס, שאין בו מקום לחידוש וליצירתיות במלוא מובן המילה (יצירתיות שאינה ניתנת לחישוב בעיקרון). ההנחה היא כי מערכות בטבע, אם נותנים להן להתפתח לבדן (מערכות סגורות), ינועו לקראת אנטרופיה מקסימלית (הגדלת אי הסדר עד למצב של שיווי משקל), על-פי החוק השני של התרמודינמיקה. מושגים כמו אינטליגנציה, יצירתיות ותודעה נתפסים כמושגים שניתנים בעיקרון לרדוקציה לתופעות מכניות. התהליך המדהים - של אבולוציה מחומר דומם דרך יצורים חיים ברמת מורכבות הולכת ועולה, ועד להופעת יצורים תבוניים - מובן כתהליך מכני המביא להצטברות "המוצלחת" של טעויות על ידי הניפוי של הברירה הטבעית.

כוח ההישרדות של התמונה הדרוויניסטית המכניסטית אינו נובע רק מהישגי המחקר שבאו בעקבותיה, אלא גם מהרתיעה שמעורר מה שחסידיה טוענים כי הוא חלופתה היחידה - הוויטליזם (ויטליזם הוא תורה פילוסופית המניחה שבתהליכי החיים שולט כוח אלוהי מכוון הנשגב מתפיסת אנוש). זהו המלכוד השני - שלילה וגינוי על הסף של כל חלופה אפשרית. אך האמנם ויטליזם הוא החלופה היחידה האפשרית? או שמא ניתן לבנות תמונה שאינה דרוויניסטית מכניסטית, אך גם אינה ויטליסטית? בהמשך נציג דוגמה, שגם אם עדיין אינה שלמה, תראה שניתן, עקרונית, לתת חלופה לדרוויניזם המכניסטי בלי להישען בהכרח על ויטליזם או על כוח מכוון אלוהי.

בתמונה החלופית, האבולוציה מתקדמת דרך שינויים מתוכננים בגנום, שינויים שהם תגובה של האורגניזם לתנאי סביבה המציבים בפניו פרדוקס קיומי. פרדוקס כזה נוצר כאשר פועלים על האורגניזם שני אילוצים סביבתיים סותרים, כלומר שפתרון האחד עומד בסתירה לפתרון משנהו. בניגוד לתמונה הניאו-דרוויניסטית, שטוענת כי תחרות היא הכוח המניע המרכזי של האבולוציה, התמונה המוצעת מניחה אבולוציה שיתופית (אין הכוונה לקו-אבולוציה, שהיא אבולוציה של שני מינים (או יותר) זה לצד זה, כאשר שינויים אבולוציוניים באחד יוצרים לחצי ברירה המשפיעים על השינויים האבולוציוניים באחר, וחוזר חלילה), הכוללת התהוות ספונטנית של יצירתיות כפתרון שיתופי (קואופרטיווי) של מערכת מורכבת לפרדוקס קיומי.

ממוטציות אקראיות למוטציות מכוונות

מאז ייחס דרווין לשונות הגנטית תפקיד ראשי בתהליך הברירה הטבעית, הייתה שאלת מקורה לשאלת יסוד במדעי הטבע. דרווין עצמו לא טען כי המוטציות הן אקראיות בהכרח, ואפילו רמז שהסביבה עשויה להשרות מוטציות ספציפיות. עם זאת העיר, כי כאשר מקור המוטציות אינו ידוע, מן הראוי להתייחס אליהן כאקראיות.

כעבור כמאה שנה, בשנת 1943, ערכו לוריא ודלברוק את הניסויים הראשונים שהראו את קיומן של מוטציות אקראיות. הם חשפו חיידקים לתנאי סביבה קטלניים - לנגיפים התוקפים חיידקים. החיידקים ששרדו היו רק כאלה שעברו קודם לכן מוטציה אקראית למצב עמיד בפני הנגיפים.

הניסויים אמנם הוכיחו קיום של מוטציות אקראיות, אך לא שללו ייתכנות של מוטציות אחרות. ואולם, עם הזמן קידש הניאו-דרוויניזם את הניסויים האלה כאבן פינה לטענתו כי כל המוטציות הן אקראיות ומתרחשות בעת שכפול החומר הגנטי בעת חלוקת התא. אפשר להבין את "עיגול הפינות" הפרשני הזה, אם זוכרים שהניאו-דרוויניזם שאף לנכש מהביולוגיה כל זכר למה שעשוי להישמע כוויטליזם או כתיאולוגיה, ועל כן נצמד באדיקות שכנגד להסברים מכניסטיים רדוקציוניסטיים לכלל התופעות הנצפות.

כעשור מאוחר יותר, טען ראיין כי שינויים גנטיים עשויים להתרחש גם לא בזמן חלוקת תא. הוא חשף חיידקים לתנאי סביבה קשים, אך לא קטלניים, בגדלו אותם על מצע שהיה עשיר במזון שלא יכלו לעכל (סוג מסוים של סוכר, למשל). המצע הכיל גם מזון שהחיידקים ידעו לעכל, אך בכמות שלא אפשרה להם להתחלק. ראיין מצא, שלאחר זמן-מה החלו מקצת החיידקים להתחלק. למרות משמעותם מרחיקת הלכת של ממצאים אלה, היה רישומם על הדוגמה המרכזית אפסי.

כעבור שלושים שנה, חזר שפירו על ניסויו של ראיין - הפעם בחיידקים מהונדסים גנטית. שפירו יצר בחיידקים מוטציה ידועה, המונעת מהם לעכל את הסוכר לקטוז. החיידקים בניסויו למדו להתגבר על ה"טעות" שהוחדרה אליהם ולעכל את הלקטוז בקצב מהיר הרבה יותר משאפשר לצפות על סמך מוטציות אקראיות. כעבור ארבע שנים נוספות, פרסמו קירנס ועמיתיו בכתב-העת Nature תוצאות של ניסויים דומים. הם מצאו, שלא הייתה הגברת קצב של כלל המוטציות, אלא רק של המוטציה הספציפית המאפשרת לעכל לקטוז. קירנס ועמיתיו העזו וטענו, כי משמעות הניסויים היא שהחיידקים עברו מוטציות אדפטיוויות, או מכוונות. הפעם עוררו הניסויים והפרשנות דיון סוער, הנמשך עד עצם היום הזה. בעקבות ניסויים שערכנו, העלינו את הטענה כי מוטציות בחיידקים עשויות להיות גם מסונכרנות, אוטו-קטליטיות (מועברות מחיידק לחיידק) ושיתופיות. תמונה חדשה נובטת, של חיידקים לומדים, שהגנום שלהם מסוגל לפתור בעיות שמציבה הסביבה ולשנות את עצמו בהתאם.

מפלסי הדרך ומורה הנבוכים החיידקי

עד לפני כ-4 מיליארד שנה שרר על כדור הארץ אקלים דומה לזה של המאדים - אקלים שאינו מאפשר קיום של חיים בצורתם המוכרת לנו. החוקר והממציא האנגלי לאבלוק חקר את השפעת החיידקים על האקלים במסגרת עיון בשאלה, אם סביר שהמאדים היה או עודנו מאוכלס ביצורים חיים. הוא טען כי הופעת החיידקים על כדור הארץ גרמה לתהליכים שהביאו את האקלים בהדרגה למה שהוא היום. בעקבות התובנה החדשה הוסיף לאבלוק והציע, יחד עם המיקרוביולוגית הנודעת מרגוליס, שניתן לתאר את כל הביוספירה של כדור הארץ כאורגניזם אחד, הם כינו אורגניזם זה בשם גאיה.

מרגוליס, בתיאוריית הסימביוזה שפיתחה, טענה כי היצורים האיקריוטיים הראשונים התפתחו מסימביוזה: חיידקים קטנים, שיכלו לבצע ביעילות פעולות המרת אנרגיה, התקיימו בתוך חיידקים גדולים יותר. האורחים סיפקו אנרגיה זמינה למארחים, ואלה, בתמורה, סיפקו סביבת חיים נוחה ומוגנת. בהמשך איבדו האורחים את זהותם הנפרדת והפכו לאברון בתא החדש שנוצר - התא האיקריוטי. כך סללו החיידקים את הדרך להופעת יצורים מתקדמים יותר ויותר, עד לאדם, שקיומו עדיין תלוי באופן קריטי בפעילות חיידקים. המיטוכונדריות שבכל תא ותא בגופנו היו בעבר, על פי הסברה, חיידקים מספקי אנרגיה, וגם כיום תפקידן הוא לספק אנרגיה, והחומר הגנטי שלהן עדיין מועבר בתורשה בנפרד מהחומר הגנטי שבגרעין. על המשטחים החיצוניים והפנימיים של גופנו מתגוררים פי עשרה חיידקים ממספר התאים שלנו. רובם מתרכזים במעיים, ובלעדיהם היינו מתקשים לעכל את מזוננו ולפתח עמידות כנגד מיקרוארגניזמים גורמי מחלות. אחרים מפוזרים על פני העור ומגינים עלינו בפני פלישת חיידקים אלימים. אנו נעזרים בחיידקים לייצר מיני מזון שונים, תרופות וחומרים אחרים התורמים לאיכות חיינו, וכן לפרק את הפסולת שאנו מייצרים.

יסודות חשובים בתהליך הרבייה שלנו מקורם בחיידקים, טוענת מרגוליס: מהשוטונים של תאי הזרע, דרך אסטרטגיית הניווט של תאי הזרע ועד להפריה עצמה - חדירת הזרע אל תוך הביצית - ש"הושאלה" מתהליכי סימביוזה בין חיידקים בעבר הרחוק. המוח, שעליו גאוותנו כמין, נבנה מאוסף של נוירונים המרשתים את עצמם באמצעות דנריטים. בקצה כל דנדריט מצוי ראש חרוטי, המנווט את דרכו אל נוירון אחר על פי מפלי ריכוז של כימיקלים המופרשים מהנוירונים. אסטרטגיית הניווט, ואפילו הכימיקלים עצמם, פותחו על ידי חיידקים כדי לבנות מושבות בעלות מבנה מורכב המאפשר להם להתמודד עם תנאי סביבה קשים. מן הראוי אפוא, שנאמץ את גישתם של מרגוליס וסייגן כפי שהיא מוצגת בספרם מיקרוקוסמוס: ארבעה מיליארד שנה של אבולוציה מאבותינו החיידקים: גם אם אכן אנו "הילד המחונן של הטבע", עלינו להשתחרר מן היוהרה המדעית ולהקשיב לאבותינו החיידקים וללמוד מהם. ואולם, בה בעת, החיידקים הם האיום המסוכן ביותר על קיומנו. השימוש הנרחב בתרופות אנטיביוטיות שהחל במלחמת העולם השנייה חולל מהפכה ברפואה המודרנית. לזמן-מה נדמה היה שנפתרה בעיית המחלות החיידקיות. השימוש באנטיביוטיקה התרחב לתחומים נוספים, כמו למשל לתחזוקה שוטפת של בעלי-חיים המשמשים למאכל ושל גידולים חקלאיים (בארה"ב, למשל, 80 אחוז מצריכת האנטיביוטיקה היא בחקלאות).

לא חלף עשור, והתגלה כי החיידקים יודעים לפתח עמידות לאנטיביוטיקה, ואף להעביר ביניהם את העמידות באמצעות "קלטות" של מידע גנטי - הפלסמידים. אלה הם רצפי DNA טבעתיים המכילים כמה גנים ומקור תעתוק, ולכן הם יכולים ליצור עותקים של עצמם. בתוך החיידק, הם נמצאים, בדרך כלל, מחוץ לכרומוזום. הפלסמידים הם גורמים בעלי "אינטרס עצמי", השולטים על יצירת עותקים של עצמם בתוך החיידק ומסוגלים לעבור בין חיידקים, וכך להעביר ביניהם מידע גנטי. הם משמשים כלי מרכזי בהנדסה הגנטית - באמצעותם מחדירים לחיידקים גנים לייצור חומרים שונים.

המלחמה בין האדם לחיידקים בעיצומה, ובינתיים ידנו אינה על העליונה (The Challenge of Antibiotic Resistance, Scientific American, 1998). אנו נאבקים לשכלל את התרופות האנטיביוטיות, כשזמן הפיתוח של תרופה חדשה עומד כיום על כחמש שנים, ואילו החיידקים אצים ומפתחים עמידות להן בתוך שנה בערך. המצב חמור במיוחד בבתי-חולים, שם התפתחו חיידקים בעלי עמידות לכל סוגי האנטיביוטיקה. יתירה מזאת, מרגע שפיתחו עמידות מסוימת, החיידקים מעבירים את ה"ידע" הזה בתוך זמן קצר מקצה העולם ועד קצהו (Bacterial Gene Swapping in Nature, Scientific American, 1998). נראה שגם ברעיון האינטרנט, ה-World Wide Web הם הקדימו אותנו...

קצב פיתוח העמידות מהיר הרבה יותר ממה שניתן לצפות ממוטציות אקראיות. קרוב לוודאי שאלה הן מוטציות מכוונות. על פי תמונת האבולוציה שנציג בהמשך, השימוש הבלתי אחראי שהאנושות עושה באנטיביוטיקה גורם להתפתחות חיידקים מתוחכמים יותר ויותר. הדברים ניתנים לשינוי, אך לשם כך עלינו ללמוד להעריך את תבונת החיידקים. אמנם החיידק היחיד, שגודלו כמיקרון, אינו אלא מעטפת ובתוכה DNA מפוזר בן כמה אלפי גנים, אולם נמצאים בו אלמנטים גנטיים נוספים, שיחד מרכיבים גנום המסוגל לשנות את עצמו במהירות מדהימה. חיידקים מתקיימים בתנאים קיצוניים, ששום יצור אחר אינו יכול לשרוד בהם. הם מסוגלים לבצע מניפולציות גנטיות בצמחים, למשל על-ידי החדרת חומר גנטי לתוך תאי הצמח. בכך גורמים לתאים להתפתח בצורה שונה, היוצרת עבורם סביבת גידול נוחה יותר. הם גם מסוגלים להעביר מידע גנטי אל ובין יצורים איקריוטיים. בעשור האחרון הבנו, כי סוד נוסף המאפשר לחיידקים לשרוד הוא שיתוף הפעולה ביניהם. החיידקים חיים, בדרך כלל, במושבות, ואלה אינן סתם אוסף של חיידקים. אסטרטגיות של שיתוף פעולה ומנגנוני תקשורת (בעיקר כימית) הופכים את המושבה לקהילה, או למעין אורגניזם רב-תאי, שמתקיימת בו חלוקת תפקידים. אלמנטים אלה באים לידי ביטוי במבנה המורכב של המושבות, כפי שמודגם בצילום. שני סוגי המושבות המוצגים באיור (אחת עם ענפים מסתעפים ואחת עם ענפים מתולתלים) נוצרו על-ידי אותו סוג חיידק. המעבר בין הצורות מתאים לתורת ההטמעה של וודינגטון (ר' להלן). בהתאם לתנאי הסביבה, הגנום משנה את עצמו על מנת לפתח מושבה מהסוג האחד או מהסוג האחר.

הגנום כמכונת טורינג

ב-1994 פורסם בכתב העת Science מאמר שבו הראה חוקר מדעי המחשב אדלמן כיצד ניתן להשתמש ברצפי DNA ובאנזימים הפועלים על רצפים אלה כדי לפתור בעיות חישוביות. הוא הדגים את הרעיון בשיטה אלגנטית לפתירת הבעיה הידועה של הסוכן הנוסע, ובכך פתח תחום חדש של חישוב באמצעות DNA. מסתבר שהנושא אינו חדש לטבע, והגנום יודע זה מכבר לבצע חישובים.

הריסניות (Ciliophora) הן קבוצה המונה כ-8000 מינים של חד-תאיים איקריוטיים בעלי ריסים מרובים. מינים מסוימים מתייחדים בכך שרצף ה-DNA שלהם מאורגן בשני גרעינים: גרעין גדול ובו הגנים המשמשים לייצור חלבונים, וגרעין קטן שכולו DNA טפל. בזמן חלוקה, הגרעין הגדול נעלם, ואילו הגרעין הקטן מועתק. בתום החלוקה נוצרות שתי ריסניות, שלכל אחת מהן גרעין קטן בלבד. בהמשך, הגרעין הקטן שבכל אחת מהן בונה מחדש את הגרעין הגדול.

בשנת 1998, חברו הביולוגית לנדוובר וחוקרת מדעי המחשב קארי להראות, כי הגרעין הקטן בעצם מחשב את רצף ה-DNA של הגרעין הגדול. אין הוא בונה אותו על פי מרשם, אלא בפעולה הניתנת למיפוי לפעולת מכונת טורינג, כלומר כחישוב באמצעות הרצת תכנית מחשב. זהו נדבך קריטי בתמונה החדשה - יכולת הגנום לבצע חישובים הוכחה באופן ישיר!

הגן האנוכי והגנום הקיברנטי - שני מסלולים מקבילים

ממצאיהם של לוריא ודלברוק בדבר מוטציות אקראיות התאימו, כאמור, מאוד, לגישה הרדוקציוניסטית מכניסטית. דלברוק, שהחל את דרכו המדעית כפיזיקאי, ניסה להתאים את האבולוציה, כולל הופעת האינטליגנציה, לראייה הרדוקציוניסטית של הפיזיקה, אף שבספרו Mind Over Matter הוא רומז על הקשיים שבדרך. המסלול הרדוקציוניסטי (שמאוחר יותר יהפוך לדוגמה המרכזית) זכה לתמיכה אדירה עם פענוח מבנה הסליל הכפול של ה-DNA ב-1953. תגלית זו, יחד עם תיאוריית ה"גן אחד - חלבון אחד" וגילוי סוגי ה-RNA הובילו לביסוס התמונה הניאו-דרוויניסטית, שבה מהווה הגן היחיד אלמנט מפתח בסיסי. תמונה זו הוקצנה במיוחד על-ידי דוקינס ברעיון "הגן האנוכי".

בשנות החמישים החל גם המסלול המקביל, שלא זכה להכרה ראויה. ברברה מקלינטוק גילתה את הרצפים הניתנים להעברה (transposable elements) אף זכתה בפרס נובל רק שנים רבות לאחר מכן. לנדוובר וקארי הראו כי הרצפים המועברים ממלאים תפקיד מרכזי ביכולת הגנום לבצע חישובים. בשנות החמישים התגלו גם הפלסמידים, שהם אלמנטים גנטיים נוספים בעלי "אינטרס עצמי", שיש להם תקשורת ישירה עם הסביבה. הם יכולים לשלוט על פעילות גנים, ובכלל זה על פעילות של גנים מווסתים (regulatory genes) על תעתוק גנים ועל העברת גנים בכרומוזום. הפלסמידים יכולים להעביר מידע גנטי בין חיידקים מסוגים שונים ובין יצורים איקריוטיים. פלסמידים מסוימים משפיעים על "הזדווגות" חיידקים - תהליך שבו חומר גנטי מועבר ישירות מחיידק אחד למשנהו. ברור כי באמצעות הפלסמידים, הגנום מסוגל לשנות גם את רמת הפעילות של הגנים השונים, גם את הקשרים בין הגנים וגם את המבנה העצמי שלו.

תמונה חדשה זו, יחד עם תיאוריית האופרון (גנים אחדים הפועלים באופן מתואם תחת הכוונה של גן מווסת משותף) של ז'אקוב ומונו, התאימו מאוד לתגליותיו של וודינגטון בשנות השישים והשבעים. וודינגטון, בעקבות ניסויים גנטיים שערך בזבובי דרוזופילה, הגיע למסקנה שיש הטמעה גנטית. הוא הסביר זאת בכך שהיחידה הבסיסית הרלוונטית אינה הגן היחיד, אלא קבוצות של גנים. בכך התקרב וודינגטון מאוד לתמונה המתהווה כיום בעקבות תצפיות בשבבי DNA (אשר מלמדות על קורלציות בפעילות הגנים השונים), של הגנום כרשת גנים הדומה לרשת נוירונים. כלומר, נראה שקיים מערך של קשרים בין גנים, כך שהתבטאות של גן אחד יכולה לעודד או לדכא התבטאות של גנים אחרים. פנוטיפ של אורגניזם נקבע על-פי מערך המצבים העצמיים של הרשת (במקביל לזיכרונות ברשת נוירונים). הגנום עצמו אינו סתם רשת, אלא רשת דינמית, המסוגלת לעבור בין מצבים עצמיים בהתאם לאילוצים סביבתיים, לבצע חישובים ולשנות את המבנה העצמי שלה.

אנו מציעים, אפוא, לראות את הגנום כמערכת דינמית שמסוגלת לשנות את עצמה בהתאם לבעיות שמציבה הסביבה. אנו מאמינים, שתצפיות עתידיות בשבבי DNA יוכיחו טענה זו. על פי התמונה החדשה, המגבלה של "גן אחד - חלבון אחד" נשברת. הגנום נתפס כרשת, שצמתיה הם הגנים, וקוריה - האינטראקציות (המשתנות בזמן) בין הגנים. האינטראקציות קובעות לא רק את רמת הפעילות של הגנים, אלא גם את סוג החלבונים שהם מייצרים.

אבולוציה של המדע ואבולוציה של אורגניזמים

הפילוסוף קון הגדיר שני סוגים של פעילות מדעית - מדע נורמלי ומהפכה. להגדרתו, עיקר הפעילות המדעית נכללת בקטגוריה של מדע נורמלי - מדע של פתירת בעיות במסגרת הפרדיגמה המדעית המקובלת, בהתאם לחוקי המשחק שמגדירה הפרדיגמה. לקטגוריה האחרת שייכים אירועים נדירים, של מהפכות מדעיות אשר משנות את הפרדיגמה ועמה את חוקי המשחק. מהפכות מתחילות כאשר המדע נתקל בפרדוקס, כלומר בבעיה שיש בה משום סתירה מהותית לפרדיגמה הקיימת.

אנו מציעים תמונה דומה לזו של קון לתיאור האבולוציה של אורגניזמים. רוב הזמן, האורגניזמים נתקלים בקשיים שאפשר להגדירם כבעיות; לבעיות כאלה הם מגיבים ב"שינויים גנומיים אופקיים", המקבילים למדע נורמלי בכך שהם עשויים לייצר אורגניזמים משוכללים יותר, אך אלה לא יעברו שינוי מהותי עד כדי הפיכתם לאורגניזם אחר. כזה הוא, למשל, המקרה של חיידק המפתח עמידות לאנטיביוטיקה, או יכולת לעכל סוכר מסוים. אורגניזמים נתקלים בקושי שהוא פרדוקס רק לעתים רחוקות. התגובה לפרדוקס קיומי (אם איננה מות האורגניזם) היא "שינוי גנומי אנכי", המקביל למהפכה מדעית. שינוי כזה הוא קפיצת מדרגה, המעבירה את האורגניזם שלב בסולם האבולוציוני והופכת אותו ליצור אחר.

הפרדוקס ככוח מניע במדע ובאבולוציה

כדי לפתור פרדוקס מדעי, יש לבנות פרדיגמה חדשה המגדילה את מרחב המושגים ומגדירה חוקי משחק חדשים. הפרדוקס הוא גם הכוח המניע את המהפכה וגם הציר המושגי המחבר בין הפרדיגמה הישנה לחדשה. הפרדוקס עצמו הופך לעיקרון חדש שעליו בנויה הפרדיגמה החדשה. כך, לדוגמה, האפקט הפוטו-אלקטרי עמד בסתירה לתמונת העולם הקלאסית. האור גילה התנהגות חלקיקית; ואלקטרונים התנהגו כגלים. הפרדיגמה החדשה - תורת הקוונטים - אימצה את הדואליות של חלקיק-גל כאחד מיסודותיה.

ובחזרה לעולם החי. אנו סבורים, שלא רק תנאי סביבה קשים הם המניעים את האבולוציה קדימה, אלא בעיקר תנאים שיוצרים פרדוקס קיומי. תנאים קשים גרידא מניעים אבולוציה אופקית. פרדוקס קיומי אינו ניתן לפתרון בכלים העומדים לרשות הגנום, ולכן הפתרון הוא גנום אחר, מתקדם יותר.

לדוגמה, כושר הספורולציה (ניבוג, יצירת נבגים) של החיידקים הוא קפיצת מדרגה גנומית. ידוע שספורולציה מאפשרת לחיידקים לשרוד בתנאים קטלניים למושבה. ה"החלטה" הקולקטיווית של המושבה לעבור ספורולציה מבוססת על "תחזית", שהתנאים עומדים להפוך קטלניים. הספורולציה היא מענה לפרדוקס: "כיצד להישאר בחיים בתנאים שאינם מאפשרים חיים". העיקרון החדש היה "להפסיק לחיות כל עוד התנאים אינם מאפשרים חיים, אך לחזור לחיים כשהתנאים משתנים."

גדל ומגבלת השיפור העצמי

ראינו כי הגנום מסוגל לבצע חישובים. ידוע כי לגנום יש יכולת קיברנטית. כלומר, הוא מסוגל לשנות את עצמו. השינויים יכולים להיות הן בפעילות הרשת הגנומית (הפעלה וכיבוי של גנים, שינוי ברמת הפעילות של הגנים, שינוי ברמת האינטראקציה בין גנים ובסוג החלבונים המיוצרים, וכו') והן במבנה הרשת (תעתוק גנים, הזזת גנים למקומות שונים, וכו'). ואולי אפילו יצירת רצפים חדשים. ההנחה, בדבר יכולתו של הגנום לשנות את עצמו בהתאם לבעיות המוצגות על-ידי הסביבה, בעצם מניחה במובלע שהגנום הוא מערכת קיברנטית בעלת מודעות עצמית. כלומר, הנחנו כי הגנום הוא למעשה מעבר למכונת טורינג אוניברסלית. בעצם, ניתן לראותו כמכלול של מכונת טורינג + מהנדסי חומרה (המשנים את מבנה המכונה בהתאם למשימות המוטלות עליה) + משתמשים, המגדירים ופותרים בעיות בהשתמשם במכונה. נסחפנו, האין זאת? ובכל זאת, נניח שהגנום הוא אכן מערכת מופלאה שכזאת. היש בכך לפתור את חידת האבולוציה? מסתבר שלא. ניתן לנסח משפט שהנו הרחבה של משפט גדל, הקובע גבולות ליכולת השיפור העצמי של מערכת. בניסוח פשטני, המשפט טוען: "מערכת אינה יכולה לבצע תכנון עצמי של מערכת אחרת, מתקדמת (בעלת סיבוכיות גבוהה יותר) ממנה". על פי משפט זה, הגנום מסוגל לשנות את עצמו כדי לפתור בעיות קיומיות, כלומר לבצע שינויים גנומיים אופקיים. ואולם, אין ביכולתו לתכנן גנום משוכלל ממנו, כלומר לבצע קפיצות מדרגה גנומיות מתוכננות. האם חזרנו, אם כן, לפתרון של מוטציות אקראיות? הייתכן כי השינויים האבולוציוניים הפשוטים, האופקיים, הם פרי תכנון, ואילו הצעדים המשמעותיים באבולוציה הם תוצאת מוטציות אקראיות?

מושבת החיידקים כרשת יצירתית

הפתרון הוא רשת. כך, לדעתנו, פועלים החיידקים. הם הופכים את המושבה לרשת גנומית, למוח, על-ידי החלפת מידע גנטי בין החיידקים במושבה. חלק מפרטי התמונה כבר נחשפו. ידוע כי כאשר מושבת חיידקים נתונה במצב של עקה, בחלק מהחיידקים הממברנה משתנה ונעשית חדירה לחומר גנטי. אחרים עוברים תמס - הם מתפרקים ומשחררים את החומר הגנטי שלהם לסביבה. כמו-כן, החיידקים מסוגלים להעביר ביניהם חומר גנטי, גם באופן ישיר וגם על-ידי שחרור לתווך של מקטעי מידע גנטי, בצורת פלסמידים.

מושבת חיידקים הכוללת 10⁹-10¹⁰ פרטים הופכת למעין מוח-על, המסוגל לתכנן גנום משוכלל יותר מאלה המרכיבים אותו. ניתן לראות את התהליך כשיפור עצמי שיתופי, או אבולוציה שיתופית (cooperative evolution). עיצוב המושבה כרשת יצירתית אינו פשוט, והוא תוצאה של תנאי סביבה מיוחדים (לא צריך להרחיק חפש כדי לגלות, שלא כל קבוצה של ישויות היא ישות מתוחכמת יותר...). הסוד הוא ביחס בין האינטרס העצמי של הפרטים לאינטרס הקבוצתי. הישות הנוצרת משוכללת יותר כאשר האינטרס הקבוצתי הופך דומיננטי.

אפילוג - אבולוציה יצירתית שיתופית

עד כה התייחסנו למושבות חיידקים, אך אנו מאמינים כי התהוות רשת יצירתית תחת לחץ סביבתי היא תופעה אוניברסלית. אנו מאמינים שחד-תאיים איקריוטיים לא איבדו את היכולת לתקשורת גנטית במהלך האבולוציה מעברם הפרוקריוטי. תחת לחץ סביבתי, מושבות של חד-תאיים יוצרות רשת גנטית באופן דומה לזה שתיארנו לגבי מושבות החיידקים. רמזים ראשונים שאכן זה המצב התקבלו לאחרונה במאמר שפורסם בכתב העת Nature, בדבר שינויים גנטיים ב"כוורת-על" (megahive), ומתצפיות של מוטציות מכוונות בשמרים. ביצורים רב-תאיים, אנו מניחים שנשמרה התקשורת הגנטית בין התאים המרכיבים את האורגניזם השלם. קיימים חלקי מידע התומכים בתמונה זו שמעולם לא חוברו יחדיו לכלל תיאוריה אחת קוהרנטית.

בשנות השישים והשבעים של המאה ה-20 פורסמו מחקרים בדבר שחרור מקטעי DNA מתאים של יצורים רב-תאיים. בשנות השבעים פורסמו תצפיות בדבר מקטעי DNA הנעים במערכת הדם של יצורים עיליים. באין תיאוריה להסביר זאת, פטרו את התצפיות כחסרות שחר, ולא ניסו לשחזר אותן. מאמר שהתפרסם לפני שנים אחדות, (Cell Suicide in Health and Disease, Scientific American, 1996) תיאר תהליך מעניין שהתגלה בשנות החמישים, שב והתגלה בשנות השבעים, והחל מעורר שוב עניין רק בשנים האחרונות. בתהליך זה - מוות תאי מתוכנן (אפופטוזה) - תאים המגיעים לסוף חייהם אורזים את מטענם הגנטי בחבילות, ואלה משתחררות לסביבה במות התא. מדוע? האם כדי להעביר מידע גנטי - חיסוני, למשל - לתאים אחרים?

ידוע שתאים סרטניים מפרישים חומרים בעלי השפעה גנטית על תאים אחרים. במקרים מסוימים הם מדכאים התפתחות של תאים סרטניים מתחרים, ובמקרים אחרים הם מעודדים התפתחות של תאים סרטניים. ידוע גם שתאים באזורים מסוימים בגוף מייצרים הורמונים המסוגלים לחדור לגרעיני תאים באזורים אחרים ולהשפיע על המטען הגנטי שלהם. אלה הן רק כמה מן העובדות המעודדות אותנו להניח את קיומה של תקשורת גנטית ביצורים רב-תאיים. ואם כך, הרי מצבו הכללי של היצור הרב-תאי יכול לחולל שינויים גנטיים בתאים המרכיבים אותו, כולל תאי מערכת הרבייה. כלומר, בתמונה שלנו, היצור הרב-תאי הוא רשת שמקיימת תקשורת גנטית בין הרכיבים התאיים שלה - רשת שמשתנה עם הזמן ומסוגלת לשנות את עצמה. ככל שתנאי הסביבה קשים יותר, אנו מצפים שהאינטראקציה בין הפרטים בחבורה תתחזק, וכך גם השפעתה על השינויים הגנטיים הפנימיים.

פרשנו לפניכם תמונת פסיפס אבולוציונית אחרת - לא דרוויניסטית מכניסטית, אך גם לא ויטליסטית. התמונה אמנם חסרה מאוד, אך אנו מקווים שהצליחה לעורר, ולו בדל פקפוק, בשלמותה ובמוחלטותה של התמונה הדרוויניסטית המקובלת, ולהסב את תשומת לבכם לכך שהיא, ובעיקר תוספות מאוחרות לה, מתעלמת מעובדות לא נוחות. איננו מנסים לגרוע מחשיבותה של התמונה הדרוויניסטית כלל וכלל - אך אנו סבורים שהתמונה אינה שלמה, ושהיא מהווה אך חלק בתמונה כללית ומרתקת הרבה יותר, של אבולוציה שיתופית המבוססת על רשתות מידע יצירתיות.

מאמר זה מתבסס, ברובו על הפרסום

Bacterial Wisdom, Gedel's Theorem and Creative Genomic webs, E. Ben-Jacob, Physica A 248, 57-76 (1998).

אשל בן יעקב הוא פרופסור לפיסיקה באוניברסיטת תל-אביב.

אדם טננבאום הוא מרצה במכללת לוינסקי.

הכותבים ניהלו מחקר על מושבות חיידקים במסגרת הפרויקט לחשיבה אלטרנטיבית באוניברסיטת תל-אביב.

פורסם ב"מקום למחשבה בשער" 16, עמ' 33-29, (יולי 2001)