חזרתו של למארק - ישראל בנימיני

 

אחד הרחובות הגדולים ברובע מונמרטר בפריז הוא רחוב למארק. קרוב אליו נמצא רחוב קצרצר ומקביל: רחוב דרווין. כך סיכמו מתכנני העיר פריז את נקודת מבטם הייחודית על המחלוקת בין שניים מראשוני התיאורטיקנים של האבולוציה, צ׳ארלס דרווין האנגלי וז׳אן בטיסט למארק הצרפתי.

ז׳אן בסיסט למארק
Galerie des naturalistes de J. Pizzetta, Paris: Ed. Hennuyer, 1893

המיתוס המקובל מכתיר את דרווין כגיבור של הסיפור: הוא האיש שתיאר איך המאבק להישרדות הוא המנוע של התפתחות המינים. למארק, לעומת זאת, מוצג כטועה ומטעה. התיאוריה שלו, שאותה - לפי המיתוס, ניפץ דרווין - טענה כי שינויים בגוף החי כתוצאה משימוש רב באברים מסוימים ושימוש מועט באחרים הם תכונות המועברות בירושה לדור הבא. כך, לפי הסיפור, טען למארק כי אבותיהם של הג׳ירפות מתחו את צווארם לעבר עלים גבוהים, וכך הורישו לצאצאיהם צווארים ארוכים יותר. לעומתו, טענה תורת הברירה הטבעית של דרווין כי אבות הג׳ירפות היו בעלי אורכי צוואר מגוונים, ואלה שהיו בעלי צוואר ארוך יותר מצאו יותר אוכל ולכן שרדו יותר והעמידו יותר צאצאים; כך היה הדור הבא בעל צוואר ארוך יותר בממוצע, וכך המשיכה הג׳ירפה לגבוה מדור לדור.

כמעט אף פרט בסיפור זה אינו מדויק. כאשר פרסם דרווין את ספרו ״מוצא המינים״ ב־1859, הוא ציין את למארק, בצדק, כאחד מחלוצי האבולוציה, מכיוון שכבר בתחילת המאה ה-19 טען למארק כי בעלי החיים המוכרים היום התפתחו מבעלי חיים שונים שחיו לפני מיליוני שנים. טענה זו היתה מנוגדת לדעה המקובלת במדע באותו זמן, שלפיה המינים הטבעיים לא השתנו מאז בריאת העולם. המדענים המובילים בצרפת סירבו לקבל רעיון זה, ותורתו של למארק זכתה לפופולריות רק עשרות שנים לאחר מותו עני וחסר-כול.

דרווין עצמו הכיר באפשרותו של המנגנון האבולוציוני שהציע למארק, למרות שהוא ראה במנגנון זה משני למנגנון הברירה הטבעית שהציע דרווין יחד עם החוקר אלפרד ראסל ואלאס (Wallace). ולגבי צוואר הג׳ירפה, מסתבר כי לא דרווין ולא למארק התייחסו אליו כחלק משמעותי מטענותיהם. עד היום קיימים כמה הסברים מתחרים - שכולם מסתמכים על תורת דרווין - ליתרון האבולוציוני של אורך הצוואר: קרב בין זכרים, איתור טורפים מרחוק, או אולי ויסות טמפרטורה.

ג'ירפות בטנזניה
צילום: דרור בר-ניר

אישוש מחודש

כפי שקורה לעתים קרובות, המיתוס התקבל כאמת אפילו אצל רבים המתמצאים בתחום, למרות מחאותיהם של היסטוריונים של המדע. עם זאת, גם המכירים את העובדות ידעו עד עתה כי כל העדויות נוגדות את התורשה הלמארקית ותומכות בתורת הברירה הטבעית. במיוחד התחזקה תיאוריה זו כאשר התברר המנגנון המולקולרי של התורשה, הרבה אחרי ימיו של דרווין, ולא נמצאה כל דרך להתנסויותיו של האורגניזם להירשם בגנים שלו וכך להיות מועברות לדור הבא.

מסתבר כי אפילו בתיאוריה כל כך מוצקה יש מקום להפתעות. בשנים האחרונות הצטברו ממצאים המעלים מחדש את האפשרות של תורשה למארקית, כלומר תורשה המושפעת על ידי אירועים בחיי האורגניזם (קישור בסוף הכתבה). אחת מעדויות אלו היא מתאם בין סיכוייו של אדם לסוכרת ומחלות לב לבין התזונה של סבו וסבתו. הבנה עמוקה יותר סופקה על ידי רנדי ג׳ירטל (Jirtle) ורוברט ווטרלנד (Waterland) מאוניברסיטת דיוק: אצל עכברים זהיס-גנטית, תזונה שונה של אמהות הביאה לצבע פרווה ,שונה של הצאצאים, והבדלים אלה נמצאו כקשורים לשינוי ברמות ההפעלה של הגנים הרלוונטיים גם אצל האם וגם אצל הצאצאים. יתירה מזאת: שינויים אלה, למרות שאינם מתבטאים בקוד הגנטי, עשויים להיות מועברים לדור הבא. מנגנון זה אינו ממש למארקי: שינוי הצאצאים אינו נגרם על ידי שימוש ואי-שימוש באיברים מסוימים של ההורים, והוא לאו-דווקא מועיל לתפקוד אותם צאצאים. למרות זאת, התגלית מזכירה את למארק בכך שהיא מצביעה על שינוי מולד' בתכונותיהם של צאצאים, הנובע לא מהמטען הגנטי שירשו ההורים אלא מהסביבה שבה חיו.

ללמוד מהטבע

כשמדעני מחשב מנסים לפתור בעיות סבוכות, הם מנסים לעתים קרובות להיעזר בדרכים שבהן הטבע פותר בעיות דומות. למשל, כדי לבנות מערכות המוצאות פתרונות טובים עבור אוסף דרישות מסוים, אחד ממקורות ההשראה הפוריים ביותר הוא האבולוציה. מהשראה זו צמחו גישות כמו אלגוריתמים גנטיים ותיכנות אבולוציוני, שבהם אוסף של ניסיונות לפתרון מהווים דור אחד של אוכלוסיה. כל פתרון מקבל ציון לפי עמידתו בדרישות הבעיה. למרות שבדור הראשון סביר כי אף לא אחד מהפתרונות אינו טוב במיוחד, ברור כי בהשוואה ביניהם נמצא טובים יותר וגרועים יותר. הדור הבא ייבנה מהדור הנוכחי על ידי בחירת הפתרונות המוצלחים יותר, ויצירת פתרונות חדשים על ידי הכלאות ומוטציות אקראיות של אותם פתרונות ש״שרדו״ בדור הקודם. כשתהליך זה נמשך לאורך מאות או אלפי דורות, איכות הפתרונות באוכלוסייה משתפרת בהדרגה. בדיוק כמו באבולוציה הטבעית. ״אבולוציה מלאכותית״ זו מביאה לשיפור התאמת האוכלוסייה לדרישות הסביבה. למרות שאין כל יד המכוונת את פרטי ההכלאות והשינויים בכל דור - כל מה שנדרש הוא שפתרונות מתאימים יותר יזכו לסיכוי גבוה יותר לצאצאים.

האלגוריתמים הגנטיים שואבים את השראתם מתורת הברירה הטבעית של דרווין, כאשר פתרונות טובים יותר זוכים ליותר צאצאים הדומים להם. כיום מופיעים אלגוריתמים כאלה באלפי שימושים, הכוללים בין השאר תכנון טורבינות יעילות לייצור חשמל, עיצוב תהליכי בקרה לרובוטים, ותכנון אסטרטגיות שיווקיות. מתכנתי אלגוריתמים כאלה מתעניינים בתיאוריות אבולוציוניות שונות ובפוטנציאל שלהן לשפר את איכות הפתרונות או את המהירות שבה מגיעים לפתרונות אלה. כך, למשל, נהוג להניח כי הדינמיקה האבולוציונית של יחסי טורף-נטרף או טפיל-מאכסן היא אחד המניעים המרכזיים של השתנות המינים. אלגוריתמים גנטיים שלתוכם הוכללה סימולציה של יחסים כאלה אכן הגיעו לשיפורים בפתרונות שנוצרו. מעבר לתועלת של תוכנה יעילה יותר, הצלחות כאלה משפרות את הבנתנו את המודלים ההתפתחותיים.

למארק בעולם הממוחשב

בחיפושיהם אחר השראה מתחום הביולוגיה, הגיעו מהנדסי התוכנה גם לתורתו של למארק. ניקח לדוגמה בעיה חשובה בתחום תכנון התרופות: כאשר נדרש חומר הנקשר לאתר פעיל מסוים במולקולה (אנזים, למשל), וכך מדכא את פעולתה של אותה מולקולה, נסרקים חומרים רבים במסדי הידע של מפתחי התרופות. אם היינו יכולים לחשב את מידת ההתאמה של כל חומר כזה לאתר הפעיל באנזים, היינו יכולים לסנן מתוך כמות זו רק מספר מועמדים מצומצם כבסיס להמשך פיתוח התרופה. אם מתחילים מהצורך למצוא התאמה לאתר הפעיל של האנזים, כאשר המבנה המולקולרי והמרחבי של אותו אתר כבר ידוע, יש לבדוק מספר עצום של דרכים שבהן אפשר לנסות ו׳׳לדחוף׳׳ את החומר המועמד אל אותו אתר. מספר זה נובע מהאפשרויות השונות של מיקום החומר יחסית לאתר, ושל הזווית (אוריינטציה) שבה הוא ״פוגש״ את האנזים. יתרה מזאת, חומרים כאלה הם לעתים קרובות אלסטיים, כלומר המבנה המרחבי שלהם אינו קשיח. חלק מהקשרים הכימיים בתוך החומר ניתנים לסיבוב, כלומר מאפשרים סיבוב של חלק המולקולה הנמצא מצדו האחד של הקשר יחסית לחלקה השני. בדיקה של כל אפשרויות המיקום, האוריינטציה והסיבובים הפנים מולקולריים אינה אפשרית, ולכן נדרשת דרך חכמה לחיפוש ההתאמה הטובה ביותר. החומרים שעבורם קיימות דרכי התאמה בעלות אנרגיות-קשר נמוכות הם מועמדים טבעיים לבדיקה מעמיקה בהמשך. נציין כי במקום לבצע את החישוב, אפשר גם לבדוק במעבדה את ההתאמה, אך בדיקות כאלו הן ארוכות ויקרות מדי ולכן אינן יכולות לשמש לסריקה של מספר גדול של חומרים מועמדים.

מפתחי תוכנת AUTODOCK, המיועדת לחישובים כאלה, פיתחו אלגוריתם גנטי למציאת החיבור הטוב ביותר בין המולקולה המועמדת לבין האתר הפעיל שאליו מכוונת התרופה, ולחישוב אנרגיית הקשר של חיבור זה. האלגוריתם מייצג כל פתרון כסדרת מספרים המגדירים את המיקום והאוריינטציה התלת-ממדיים של המולקולה ביחס לאתר הפעיל, ומגדירים את זווית הסיבוב של כל אחד מהקשרים הניתנים לסיבוב בתוך אותה מולקולה. בהקבלה לתהליכים ביולוגיים, אפשר לחשוב על סדרה כזו כעל גנים בתוך כרומוזום. ״הדור הראשון׳׳ של פתרונות נוצר בצורה אקראית, ועבור כל אחד מפתרונות אלה מחושבת אנרגיית הקשר (אתגר חישובי מסובך-בפני עצמו). ככל שהפתרון טוב יותר הוא מקבל סיכוי רב יותר של ״העמדת צאצאים׳׳. הכלאות מתבצעות בצורה דומה למנגנונים הביולוגיים של שילוב כרומוזומים של ההורים: בניית סדרת מספרים המתארת את הפתרון החדש על ידי תהליך אקראי של העתקת חלק מהמספרים מכל אחד משני הפתרונות ה״הוריים״. מוטאציות מתבצעות על ידי הוספת או חיסור מספר אקראי מחלק מהמספרים בסדרה החדשה. צאצאים עשויים לייצג פתרונות טובים יותר או פחות בהשוואה לפתרונות ההורים, אך ההעדפה של פתרונות טובים בבחירת ההורים לדורות הבאים גורמת להתפתחות כל האוכלוסייה לכיוון של איכות. גבוהה יותר. 

מעניין כי תהליך זה אינו בוחן פתרונות כדי לראות כיצד אפשר לשפרם: כל שינוי לטובה או לרעה - נובע מצעד אקראי של בחירת הורים, שילוב ה״כרומוזומים״ שלהם והוספת מוטאציות. השיפור הכללי אינו נובע מבחירת שינויים הצפויים לשפר את הפתרון, אלא מכך ששינויים לא-מוצלחים ישרדו פחות. אחד היתרונות של שיטה זו הוא האפשרות לבדוק פתרונות השונים במידה רבה זה מזה, דרך ״ניחוש״ אקראי של פתרונות ובחירת הניחושים המוצלחים. מצד שני, נובע מכך גם חיסרון - האפשרות כי יימצא פתרון די טוב, אך כזה שבעזרת שינוי קטן (נאמר, תזוזה מעטה בזווית הסיבוב של אחד הקשרים) אפשר לשפרו אף יותר. מפאת טבעה האקראי של שיטת החיפוש, אין כל ערובה כי הצעד הבא באלגוריתם הגנטי ינצל הזדמנות זו לשיפור, בדיוק כמו שאין לצפות כי בן של זוג הורים יהיה דומה ברוב תכונותיו להורה אחד, אך יהיה ״דגם משופר״ על ידי כך שיעתיק את תכונות ההורה השני בדיוק באותם אזורים שבהם ההורה הראשון זקוק לשיפור. מצד שני, חיפוש מקומי - המנסה לשפר פתרון ספציפי על ידי שינויים ״אינטליגנטיים׳׳ (למשל, מציאת זוגות אטומים שמיקומם היחסי מגדיל את אנרגיית הקשר, ומציאת הזזה או סיבוב המקטינים תרומה זו עם מינימום הגדלה של אנרגית הקשר י הנובעת משינוי המרחק בין זוגות אחרים) — מנצל הזדמנויות כאלה, אך לעולם לא ימצא פתרון יותר טוב אם פתרון זה דורש שינויים גדולים בכיוון או סבסוב המולקולה.

כדי לשלב את יתרונות החיפוש הדמוי-אבולוציוני עם החיפוש המקומי, השתמשו מפתחי AUTODOCK בשיטות מתמטיות-פיזיקליות למציאת שיפורים קטנים בדרך החיבור של המולקולה הנבדקת לאתר הפעיל.

דרכים אלו מופעלות על חלק מהפתרונות הטובים, במטרה להפכם לטובים אף יותר. כתוצאה מכך,

פתרונות אלה מקבלים סיכוי רב יותר להפוך ל״הורים״ עבור הדור הבא של הפתרונות. צעד זה הוא עדכון הרעיון הלמארקי עבור העולם הממוחשב: שינוי הגנום כך שתושג התאמה טובה יותר לסביבה, והורשת הגנום המשופר לצאצאים.

צעד זה הוא אפשרי כי בייצוג הפתרון שנבחר, קיים תרגום מיידי מתוך שינוי הפנוטיפ(למשל שינוי זווית הסיבוב של אחד הקשרים הכימיים) אל שינוי הגנוטיפ (ייצוג ה״כרומוזום״ על ידי סדרת המספרים) - למעשה בייצוג זה הפנוטיפ והגנוטיפ זהים זה לזה, בניגוד למצב ביצורים חיים, שם הקשר ביניהם מורכב ביותר(נזכיר כי גנוטיפ הוא מונח ביולוגי המציין את המטען הגנטי של האורגניזם; פנוטיפ מציין את תכונותיו של האורגניזם, הנוצרות בתהליך האינטראקציה בתוך הלנוטיפ והאינטראקציה בין הגנוטיפ לבין הסביבה). חסרונו של תהליך תרגום כזה ביצורים ביולוגיים הוא זה שגרם לירידת קרנו של למארק: לדוגמה, קשה לדמיין מנגנון ביולוגי שבו התחזקות שריר הקיבורת, בעקבות מאמץ פיזי מתמשך, גורמת לשינוי המערך המורכב של הגנים ההתפתחותיים, כך שהצאצא יפתח שריר גדול כזה - ללא שהצאצא יזדקק לאותו המאמץ.

הזדמנויות לאבולוציה מלאכותית

כפי שניתן לראות בקישור שבסוף הכתבה, הישוו מפתחי AUTODOCK אלגוריתם גנטי ״קונוונציונאלי״ לאלגוריתם גנטי המשולב עם שיפור מקומי תורשתי בהשראת למארק. נמצא כי לשיטה המשולבת יש יתרונות ניכרים גם ביכולתה למצוא פתרונות טובים יותר, וגם ברמת הדיוק של הפתרון המחושב כאשר הוא מושווה עם מדידה מעבדתית.

השיפורים ביכולות AUTODOCK שתוארו כאן הם דוגמה אחת מתוך מחקרים הולכים ומתרבים, שבהם שילוב של השראה מהתיאוריות של למארק ודרווין נותן תוצאות מרשימות. גם בעבודות של הקבוצה שלי בחברת ClickSoftware ראינו אפקטים דומים, שהתבטאו בהאצת ושיפור יכולת הפתרון של בעיות אופטימיזציה מורכבות. מחקרים כאלה משלבים לעתים גם דרך אחרת שבה שיפור מקומי מאיץ בסופו של דבר את האבולוציה. דרך זו, הידועה בשם ״אפקט בולדווין״ (ראו גליליאו 57: ״בין בינה לאבולוציה״) היא עקיפה יותר, ומתאימה למכאניזם האבולוציה של דרווין כפי שהוא.

באבולוציה הביולוגית, למרות הממצאים החדשים, עדיין חשובה תרומתו של דרווין הרבה יותר מזו של למארק, ורק הלוקאל- פטריוטיזם של מפת העיר פריז מצדיק את הגודל היחסי של הרחובות שנקראו על שמם. באבולוציה המלאכותית, ייתכן כי התורשה הלמארקית תשחק תפקיד חשוב לפחות כמו זה של האבולוציה הדרווינית. מכאן נובע פוטנציאל להתפתחות מהירה יותר בכמה סדרי גודל מאשר כל מה שנראה על כוכב הלכת ארץ במיליארדי השנים האחרונות, כאשר חוד החנית של האבולוציה עובר ממערכות טבעיות למערכות מלאכותיות. ^

קישורים

ביוגרפיה של למארק

על מיתוס הג׳ירפה בהיסטוריית האבולוציה

ישראל בנימיני עובד בהברת ClickSoftware בפיתוח טכנולוגיות אופטימיזציה מתקדמות

פורסם ב"גליליאו" 73, ספטמבר 2004

האגם שמתחת לקרח - מיכל סחף

מדידות עדכניות נותנות מיפוי מדויק של קרקעית אגם ווסטוק, המשתרע מתחת ללוחות הקרח של אנטארקטיקה

בערך במרכז אנטארקטיקה נמצא אגם של מים מתוקים נוזליים, קבור תחת שכבת קרח שעובייה שלושה עד ארבעה קילומטרים. האגם, שנקרא ווסטוק (Vostok) על שם תחנת מחקר רוסית שהוקמה במקום בשנת 1957, נתגלה ב-1996 וזוהה באמצעים סייסמיים ובאמצעות רדאר חודר-קרח שמיפה את היבשת מכלי טיס ומן החלל.

תחנת המחקר של אגם ווסטוק

באנטארקטיקה קיימים כמה עשרות אגמים כאלה, ואגם ווסטוק גדול מהאחרים באופן משמעותי. המים נשארים במצב צבירה נוזלי בזכות הלחץ הרב השורר בעומק זה, והחום הגיאותרמי שמקורו במרכז כדור הארץ החודר דרך שכבת הסלעים שבבסיס היבשת. שכבת הקרח מבודדת את המים מהטמפרטורה הנמוכה השוררת על פני השטח. לשם השוואה, בתחנת המחקר ווסטוק נמדדה בשנת 1983 הטמפרטורה הנמוכה ביותר שנמדדה על פני כדור הארץ: 89- מעלות צלסיוס.

אלה תנאים לא־ידידותיים לחיים. המים נמצאים בלחץ רב מאוד, ומכילים חמצן בריכוז של עד פי 50 לעומת אגמים רגילים על פני הארץ. זוהי סביבה קרה. מנותקת מאוויר צח ומקרינת שמש ודלה במקורות מזון. סביבה זו מזכירה במקצת את הסביבה הקיימת. ככל הנראה, בירח ״אירופה״ - לוויינו מכוסה-הקרח של כוכב הלכת צדק. 

 אם יימצאו מיקרואורגניזמים בסביבה עוינת זו, יהיה זה רמז לכך שחיים יכולים להתקיים בעולמות אחרים שאינם נוחים לחיים כפי שאנו מכירים אותם. יתכן שחום ומינרלים ממקור גיאותרמי מסייעים ליצורים חיים להתקיים שם.

בזכות מעטה הקרח שלו, האגם נשאר מבודד משאר העולם במשך מאות אלפי ואף מיליוני שנים. אם התקיימו בעבר תנאים שונים באנטארקטיקה, אשר בהם שיגשגו יצורים זעירים שאינם מוכרים עוד כיום, או אם קיימים יצורים חיים המסוגלים  להתקיים בתנאים קיצוניים אלה - יתכן שניתן יהיה למצוא אותם במימי האגם. אפשר גם שימצאו בו חיים בני אלפי שנים שמקורם בפני השטח, אשר הגיעו למימי האגם בתהליך הדרגתי של סחיפת קרח לעומק. 

אגם ווסטוק

במסגרת המחקרים המבוצעים באנטארקטיקה נתגלו מיקרואורגניזמים בקרח שנמצא מעט מעל לפני האגם. כרגע לא מתוכננת חדירה למימי האגם; קיימת הסכנה שמחקר בלתי-זהיר יפגע ביבשת המיוחדת במינה הזו, ויזהם את המים והקרח העתיקים במיקרואורגניזמים מהעולם המודרני. תרחיש אחר, בלתי־סביר אך חביב על אוהדי הרעיונות האפוקליפטיים, הוא שמחקר בעומק האגם יביא לפני השטח מיקרואורגניזם גורם-מחלות, אשר כנגדו לא תוכל האנושות להתמודד.

מיפוי האגם נעשה על ידי Lamont-Doherty Earth Observatory של אוניברסיטת קולומביה בשיתוף עם אוניברסיטת טוקיו, והתבצע באמצעים מגוונים, בהם רדאר חודר־קרח הסורק את היבשת מגבוה, ומיפוי גרוויטציוני באמצעות כלי טיס החולפים מעל היבשת. 

התפתחות אחרונה במחקר העוסק באגם ווסטוק מגלה, כי האגם מורכב למעשה משני אגנים, המופרדים חלקית על-ידי רכס המגביל את מעבר המים ביניהם. מכך נובע, כי ייתכן ששני האגנים הם בעלי הרכב כימי שונה ואוכלוסייה ביולוגית נפרדת, בעיקר בקרקעית. קיימים הבדלים בתנועת הקרח ביחס לאגנים, וכן בדפוסי הפשרתו וקפיאתו-מחדש.

נראה כי האגן הצפוני מכיל קרח וסלעים אשר הגיעו אליו מפני השטח עם תזוזת הקרח, בעוד האגן הדרומי מבודד יותר, ומשמר סחופת ומשקעים  אשר התהוו בטרם כיסתה שכבת הקרח את היבשת.

פורסם ב"גליליאו" 73, ספטמבר 2004

רפואת צמחי המרפא - בן-עמי סלע

 

על מידת הזהירות וההקפדה שיש לנהוג בשימוש בצמחי או עשבי מרפא

מחצית מהאמריקאים מעל גיל 18 נעזרים כיום ברפואה משלימה וחלופית וההוצאה הכוללת בארצות הברית לטיפולים ותרופות אלטרנטיביות מסתכמת ב־14 מיליארדי דולרים בשנה. מפגעים נוירולוגיים מדורגים בראש רשימת הבעיות הרפואיות בעטיין פונים כה רבים לעזרת הרפואה המשלימה. תסמונות כמו דאגנות (anxiety), דיכאוניות (depression) ומיגרנה הן הנפוצות ביותר בקרב אלה הסבורים בשלב מסוים שאולי לא מן הרפואה הקונבנציונאלית תבוא להם ישועה.

הפנייה לרפואה משלימה וחלופית כאשר הרפואה השמרנית ״נכשלת״, היא גישה מובנת וטבעית של מי שסבלו אמיתי, והוא קצר־רוח ואולי קצר-אמונה ביכולת הרופא המטפל. אך יתרה מכך, יש לכאורה תמיכה תקשורתית בולטת בנושאי רפואה חלופית, עד כי בבריטניה למשל, הכיסוי היומי של טיפולים חלופיים שכיח בתקשורת יותר מזה המוקדש לנושאי רפואה שמרנית. שפע הפרסומים המוקדשים לרפואה חלופית חודר למודעות הציבורית ומעודד גישה ריפויית חלופית. ומה שלכאורה ״משכנע״ את מי שתר אחר טיפול חלופי נוירולוגי הוא השפע הרב של התרופות המוצעות, שנוטע את התחושה הכמעט מובנת ש״בין כל עשרות התרופות האלו, אחת ודאי תעזור לי״. וכך בסקירת הספרות של הרפואה החלופית אנו מוצאים 54 טיפולים שונים המומלצים למצבי דאגנות, 64 תרופות המבטיחות מזור לאלה עם ״מחלת היאפים״ (תסמונת העייפות הכרונית), 87 תרופות שונים המיועדים לדיכאוניים, 78 תרופות לאלה הסובלים מכאבי ראש תכופים, ולא פחות מ-74 מרשמים חלופיים המבטיחים שינה עמוקה למי ששנתם נודדת (insomnia). בולטת לעין ומטרידה העובדה, שכמעט כל אחד מעשרות הטיפולים המצוטטים למעלה, מומלץ כטיפול כמעט בכל אחת מהתלונות הנוירולוגיות שהוזכרו. כלומר, מתגנבת תחושה בלתי-נוחה של ״באזאר״ בו מוצע שפע של תרופות ממקורות צמחיים שונים, השונות בהרכבן וכנראה גם בהשפעתן, לטיפול במצבים נוירולוגיים שונים ומגוונים, ללא אבחנה.

שוק צמחי מרפא בסאול, דרום קוריאה

Fred Ojardias. Flicker

מי שמגיע מתחום העשייה הרפואית ״הקונבנציונאלית״, חייב להכיר בכך ׳׳שהרפואה המשלימה״ הפכה לרפואה לגיטימית שכבר לא ניתן להתעלם ממנה. עצם העובדה שכמעט כל המרכזים הרפואיים במדינה פתחו מרפאות ל״רפואה משלימה״ מעידה על כך, והיא כשלעצמה נובעת מהפופולאריות והדרישה הציבורית הרחבה לטיפול תרופתי מקביל או חלופי. ואין כבר להסכים להתייחסות אל הרפואה המשלימה כאל ״האחות הקטנה״, המתגנבת לעתים להערכה של הרופא ״האמיתי״ את הרפואה ״האחרת״. בנקודת זמן זו, כשממדי הרפואה החלופית כה התרחבו, נכון לבסס ולחזק את תחום העשייה הרפואית האינטגרטיבית, שהוא שילוב סביר בין הרפואה הקונבנציונאלית והרפואה המשלימה. אך לשם כך חיוני שהעוסקים במתן תרופות משלימות, וחשוב מכך, אלה המשווקים תרופות שנרקחו בעיקר ממקורות צמחיים מזרחיים, יסגלו לעצמם ויקפידו על אותם חוקים קשוחים לעתים, שנדרשים על ידי רשויות הבריאות מיצרני התרופות הקונבנציונאליות לפני שאלו עולות על המדף.

להלן מספר דוגמאות להמחשת הצורך בזהירות היתר שיש לנקוט בשימוש בצמחי מרפא שונים, ונתחיל דווקא בהיתקלות הפרטית שלנו בתופעה. בשנתיים האחרונות הביאו איש ואשה צעירים למכון שלנו (כימיה פתולוגית, בבית החולים שיבא) את דגימות הדם והשתן שלהם לצורך בדיקה. לא הייתה כל קירבה בין השניים, אך שניהם התלוננו על כאבי בטן עזים, מלווים בהתכווצויות, ואף על אנמיה ניכרת. כאבי הבטן האופייניים החשידו שמדובר בהתקפים של פורפיריה, וכאשר נמדדו בנוזלי הגוף שלהם תוצרי מטבוליזם של פורפירינים, נמצאה רמה גבוהה במיוחד של החומר דלתא-ALA (חומצה דלתא-אמינו-לבולינית), שהוא חומר מוצא בסינתיזת הפורפירינים בגוף, וידוע שהוא מצטבר בשתן בין השאר במצבים של הרעלת עופרת.

כאשר בוצעה בנוזלי הגוף של שניצעירים אלה מדידה של ריכוז העופרת, אמנם נמצא ריכוז גבוה במיוחד. כשנשאלו השניים להרגלי התזונה שלהם, והאם יש משהו הראוי לציון בטיפול תרופתי או בהתמכרות כלשהי, שעלולים היו לגרום להרעלת העופרת שהתגלתה בהם, נמצא המכנה המשותף: שניהם טופלו על ידי מטפלים הומיאופתיים בנטילת תרופה הודית עלומה ממקור צמחי. מאמרים לא מעטים בספרות הרפואית מתארים הרעלת עופרת במטופלים על ידי צמחי מרפא הודיים מסורתיים, אם כי מעטה המסתורין סביב סוג הצמחים או אופן רקיחתם למוצר הסופי, מקשה על הבנת הסיבה לריכוז הגבוה בהם של עופרת.

בימינו אלה, ״השיבה מהודו״ הופכת למותג שגור ולריטואל שאין-לפסוח-עליו של צעירינו המטיילים בעולם, ומעבר לנירוונה, ולאימוץ של פילוסופיית חיים הודית, יש יבוא של מיני תרופות ומרקחת מתת-היבשת הקסומה. ארנסט (Ernst), מומחה בריטי בולט בתחום צמחי הרפואה, תיאר בשנת 2002 במאמר ב-European Journal of Clinical Pharmacology מקרים לא מעטים של הרעלת עופרת בקרב משתמשים בתרופות עממיות-מסורתיות הודיות, כאשר ב-64% מהדגימות שנלקחו מפריטי תרופות הודיות התגלו כמויות משמעותיות של עופרת. אך גם מתכות רעילות אחרות נמצאו בכמות משמעותית בתכשירים אלה, כגון כספית (64% מהדגימות), קךמיום (9%), ואף תרכובות ארסן (41%). אך ניתן למצוא עופרת בכמות ניכרת גם בתרופות עממיות שמוצאן בסין. לדוגמא, הפטרייה Cordyceps נחשפה במספר מקרים כגורמת לאנמיה המוליטית חריפה, ובאלה הגיע ריכוז העופרת שנמדד בדם עד 1.3 מיליגרם/ליטר, הגבוה פי עשרה מהרמה הממוצעת הנורמאלית. ולא בכדי: ריכוז העופרת בפטרייה זו, המומלצת בסין לטיפול במלריה, להפחתת קצב הלב המוגבר, ולשיפור מערכת החיסון, הוא כ-2%, ריכוז ללא תקדים בחומר צמחי.

הבה נקדיש תשומת-לב למרשם Kava המוכר כקווה-קווה והמופק מהצמח Piper methysticum שמקורו באיי דרום האוקיינוס השקט, שם הכינו המקומיים משקה שסגולותיו הרפואיות באלחוש מקומי של דרכי השתן, ולכן הוא יעיל במקרים של ״תסמונת השלפוחית העצבנית״, כמשתן וכמרגיע מקומי של דרכי השתן, מונע זיהומים ודלקת בדרכי השתן, ומקל על עצבנות, חרדה ונדודי שינה. לאחרונה גברה הפופולאריות של Kava, בעיקר בהקשר של הפחתת עצבנות וחרדה. בשנת 1990 אישרו שלטונות הבריאות בגרמניה טיפול עצמי ב-Kava לתקופה של עד 3 חודשים במינון יומי של 120-60 מיליגרם ולאחרונה אף אושר שם להעלות את המינון עד 400 מיליגרם ליום, לטיפול יעיל בדאגנות (anxiety).

נראה ש-Kava משפיע על הקולטנים לנוירוטרנסמיטר GABA בהיפוקאמפוס וכן בגרעין השקד (אמיגדלה), ואולי אף משפיע על קולטנים לדופאמין ולהיסטאמין. וכך, תוך התבססות על ראיות פסיכיאטריות מעודדות ועל שיווק יעיל, הפכו מוצרי Kava להצלחה שיווקית מסחררת, ובגרמניה בלבד נצרכו מדי יום 70 מיליוני מנות.

אך החל משנת 2000 החלו מדווחים באירופה ובארצות הברית על עשרות רבות של מקרים בהם שימוש ב-Kava נמצא רעלני לכבד, ובמדינות אחדות נשקלת האפשרות לאסור שיווק מרשם צמחי זה. ואם מדובר בנזק לכבד כדאי להתייחס למרשם המוכר קלאנדין (Celandine) המופק מהצמח Chelidonium majus המומלץ באופן שיגרתי להפרעות עיכול (dyspepsia) ודלקות בכיס המרה. בשנת 1999 דיווחה קבוצת רופאים גרמנית על עשרות מקרים בהם שימוש בקלאנדין גרם לנזק רציני לכבד וכן לחסימה קשה בדרכי המרה (cholestasis). בחלק מהמקרים בהם בוצעה ביופסיה של רקמת הכבד, נמצא בבדיקה הרס בכבד. משערים שהמרכיב הרעלני לכבד במרשם זה הוא האלקלואיד coptisin המצוי בצמח זה.

חשוב ביותר הוא סיפור הסכנה הנשקפת ממרשמים סיניים המכילים חומצה אריסטולוכית (aristolochic acid). בשנת 1993 התפרסם לראשונה מאמר בכתב העת הרפואי Lancet על התדרדרות בתפקודי הכליות של כמה עשרות נשים בלגיות, בגיל ממוצע של 43 שנה, שנטלו צמחי מרפא סיניים למטרות הרזייה. הפגיעה הייתה אחידה ואופיינית בכולן: מהלך מהיר של פגיעה נרחבת בכליות. בנשים צעירות יחסית אלו, שהיו בעבר בריאות, חלה התדרדרות בתפקודי הכליה עד כדי קריסה והן נזקקו לדיאליזה. לאחר הדיווחים הראשונים מבלגיה החלו מופיעות גם הודעות מאנגליה, גרמניה והולנד על אבחון הרס כלייתי במשתמשים באותם מרשמים, ותסמונת זו אף זכתה להגדרה רפואית רשמית של Chinese herbal nephropathy) CHN). הסתבר שמספר נשים וגברים בשנות ה-40 לחייהם שהיו בריאים, שפנו לטיפול חלופי כדי לטפל באקזמה כרונית של העור, ונטלו מרשם תה-סיני לטיפול בבעייתם, לקו לאחר שנתיים עד שש שנות צריכת המרשם הסיני הזה באותה מחלת כליות קשה שתוארה בבלגיה. חלק מאותם מטופלים הגיע לטיפול בדיאליזה ובמיעוטם אף הושתלו כליות. מרשמי התה הסיני שנצרכו על יד חולים אלה נבחנו באנליזה כימית ובכולם התגלתה חומצה אריסטולוכית, שהיא רעלן מוכר הפוגע בכליה (nephrotoxin), וריכוזה היה גבוה ביותר במרשם הידוע Aristolochia fangchio.

נכון להיום, בקרב כ-100 בלגים בעלי תסמונת CHN התגלו ״טביעות אצבעותיו״ של אותו מרשם סיני להרזיה. מסתבר שבראשית שנות ה-90 חלה פריחה עצומה בתחום טיפולי ההרזיה בבלגיה, והיו מקובלים מדכאי תיאבון כמו פנפלוראמין (fenfluramine) ודיאתילפרופיון (diethylpropion) ובנוסף תמצית בלדונה (belladona) וכן שני מרשמי צמחים סיניים שהרכבם לא היה מוגדר. המרשמים הסיניים היו אמורים להכיל תמציות של Stephania tetrandra ו־Magmolia officinalis ורק לאחר שהתגלו הפגיעות הכלייתיות התברר לפתע שהשניים האחרונים הוחלפו ב-Aristolochia fangchi, מקור הפגע. כאן מתגלה במלוא אימתה בעיית ה׳׳זהות הלקויה״ של צמחי מרפא סיניים.

קיים צמח מרפא סיני המוכר כ-MuTong, שהוא שם־גג, שכן יש זני MuTong שמקורם ב־Aristolochia mansuriensis, אך יש גם זנים של Mu Tong ממקור Akebia או ממקור Clematis. האם לא ייתכן שחלק מהפיתוי והקסם של השימוש בצמחי מרפא סיניים, נעוץ בעצם המסתורין ואי-הוודאות האופפים את הרכב המרשם האמור? האם לא ראוי שהכמיהה הכמעט רומנטית לצמחי מרפא סיניים תהיה מבוססת על זיהוי מדויק של הרכבם הכימי של אותם מרשמים, והקפדה על אחידות הרכב זה באצוות השונות!

הנפרולוג (רופא הכליות ודרכי השתן) הבריטי הנודע גרהם לורד (Lord) דיווח בשנת 2002 בכתב העת Nephrology Dialysis and Transplantation, על גבר בן 59 בו התפתחה מחלת כליות סופנית, חמש שנים לאחר שהחל להשתמש במרשם סיני לטיפול בהפטיטיס B. פרט להרס הכליות, חל במטופל דיכוי ניכר של מח העצם שגרם לרמה נמוכה מאוד של גופיפי הדם למיניהם (pancytopenia). גם כאן יוחסה הפגיעה לחומצה האריסטולוכית. לורד היה גם הראשון שזיהה אף את הפוטנציאל הסרטני של חומצה הזו, כאשר פרסם Lancets בשנת 2001 מאמר על התפתחות מחלה ממאירה בדרכי השתן של אשה שהשתמשה מספר שנים בתמצית הצמח Aristolochia fangchi למטרות הרזיה.

בבחינה מולקולרית של חומצת הגרעין שהופקה מן הגידול הסרטני הדגימה נמצאה יצירת תצמיד בין החומצה האריסטולוכית לבין הנוקלאוטיד אדנוזין (A), אחד מאבני הבניין של חומצת הגרעין. תצמידים כאלה מוכרים בפגיעה הנגרמת על ידי קרצינוגנים (מחוללי סרטן) לחומצת הגרעין של התא כחלק מהפיכתו לתא סרטני. התיאור של לורד לא היה בודד: כבר בשנת 2000 הופיע ב-New England Journal of Medicine מאמר של נורטיה (Nortier) וקבוצתו בבלגיה שהראה כי ב-40% מן הכליות הפגועות באותן נשים שתוארו, נמצאה קרצינומה בדרגת ממאירות גבוהה ורב מוקדית. אגב, תיאורים אלה בספרות הרפואית כבר הביאו בקנדה, אוסטרליה ובחלק ממדינות האיחוד האירופי לאיסור מכירת צמחי מרפא המכילים חומצה אריסטולוכית. ובשולי הסיפור הזה עדיין נשאלת במלוא חריפותה השאלה: האם תעשיית צמחי המרפא הסיניים, המגדלת את צמח ה-Aristolochia מאז ימי קונפוציוס, לא נתקלה מעודה בסיני שכליותיו נפלו שדודות בגלל צריכת מרשם זה? ואם כן, האם מישהו טרח לדווח על כך, או לתהות על כך?

רוב צמחי המרפא מסווגים בארצות הברית כתוספי מזון, ולפיכך אינם נחשבים כתרופות ואינם נמצאים תחת הפיקוח החמור של רשות המזון והתרופות, ה-FDA. בניגוד לתרופות קונבנציונאליות שתכולתן והרכבן מתועדים בקפידה רבה, תרופות מצמחי מרפא מכילות תערובת שמרכיביה בדרך כלל לא ידועים. כיון שרישוי והפצת צמחי מרפא בארצות הברית לא נמצאים תחת פיקוח ה-FDA, אין כל ביטחון שאותה ״תרופה״ המשווקת על ידי יצרנים שונים זהה בהרכבה, או שאצוות (lots) שונות של אותה תרופה ואף של אותו יצרן אכן זהות, או אף תיתכן אי-התאמה בין המידע על הרכב המוצר המופיע על אריזתו לבין התוכן האמיתי. כך נמצא שצמחי מרפא רבים מכילים, בלי להתריע על כך, תרופות-מרשם-רופא.

אגף בריאות הציבור בקליפורניה דיווח בשנת 1998 שב-32% מכלל מוצרי המרפא ממקור אסייתי נמצאו תרופות שאמורות להימכר רק במרשם-רופא. התרופות השכיחות ביותר שהתגלו במרשמים האסייתים היו: אפדרין, תרופה המגרה קולטנים אךךנרגיים, והגורמת לשחרור נוראדרנלין ממאגריו, ובכך גורמת לעלייה בקצב הלב ולחץ-הדם, מביאה להרפיית שרירים חלקים בסמפונות ולהרחבתן, מגרה את מערכת העצבים המרכזית, מכווצת כלי-דם ברירית דרכי הנשימה, מורידה גודש באף. בהתאם משתמשים בתרופה זו בקרב חולי אסתמה, בנפחת הריאות (אמפיסמה), במצבי הלם, בתת-לחץ דם בעמידה, ובמחלת העצב-שריר מיאסתניה גראביס. חל איסור להשתמש באפדרין באלה הנוטלים כדורי מרץ ותכשירים נוגדי-תיאבון, ואסור להשתמש באפדרין יחד עם דיגיטאליס בשל העלייה ברגישות הלב, וחל איסור ליטול תרופות נגד שלשול במקביל לשימוש באפדרין, ואין להשתמש בארגוט נגד צלחה (migrane) בד בבד עם השימוש באפדרין, וקיימות עוד מגבלות על מתן תרופתי ביחד עם אפדרין כהנה וכהנה. האם יעלה על הדעת שימוש במרשם תמים מכרי הדשא הירוקים של אסיה ללא מודעות לתכולת אפדרין בתוכו, שפגיעתו עלולה להיות רעה בשילוב עם תרופות אחרות?

התרופה האנטי-היסטאמינית chlorpheniramine, הניתנת במצבי אלרגיה, אסורה בתכלית לשימוש בקרב אלה הנוטלים תכשירים נגד עוויתות כגון סקופולאמין, או הצורכים מוסקול, וכן צריכים להיזהר בשימוש בתרופה זו המשתמשים במדכאי מערכת העצבים המרכזית כבנזודיאזפינים או פנותיאזינים, או נוגדי דיכאון טריציקליים או צורכי אלכוהול, או תרופות לשינה. והפנאצטין - תרופה להפחתת כאבים וחום - הוצאה משימוש זה מכבר בשל תופעות לוואי חמורות כשטפי דם ונזק כלייתי, אך נראה שבאסיה עדיין מאמינים בה!

ה-FDA זיהה במרשמים האסייתים תרופות כמו glyburide ממשפחת הסולפוניל-אוריאה להפחתת רמת הסוכר בדם, על ידי עידוד הפרשת אינסולין מהלבלב. ומה בדבר קולכיצין שהתגלה שם המשמש למניעת שקיעת גבישי חומצת שתן בפרקים של חולי שיגדון (gout) או חולי קדחת-ים-תיכונית (FMF)? גם ברפואה הממוסדת משתמשים בקולכיצין למטרות אלו, אלא שהוא ניתן במנות מדודות ביותר, שכן כמות של 20 מ״ג בלבד עלולה להיות קטלנית. ולמה נסתיר את נוכחותו במרשמי מרפא צמחיים מאסיה של alprazolam - תרופה נוגדת דיכאון, ושמץ של קורטיקו-סטרואידים שהתגלו שם; ואולי חמור מכך, המרשמים האסייתיים נמצאו על ידי ה-FDA מכילים phenylbutazone האסור בתכלית האיסור לנוטלי קומאדין לדילול דמם, שכן הראשון מגביר את פעילותו נוגדת הקרישה של האחרון, ועלול להתפתח שטף-דם קטלני! ולמה להכחיש מציאות fenfluramine המביא לדיכוי מערכת העצבים המרכזית בפעולתו על אתרים בהיפותאלאמוס, וגם מפחית ספיגת שומן מהמזון ומעלה ניצול גלוקוז בגוף? ואולי פיקנטי מכול הוא שעשבי מרפא אסייתיים נמצאו מכילים אף sildenafil המוכר יותר במקומותינו כוויאגרה, ולמה שאדם צעיר ובמלוא אונו יזכה לתוספת ויאגרה שלא מדעת... שוב נציין שכל עקבות התרופות הללו התגלו במרשמים מן המזרח שעל אריזתם מצוין שהם ״מכילים מרכיבים טבעיים בלבד״.

ועוד דוגמה מאלפת: המרשם הצמחי PC-SPES, משווק לטיפול בסרטן הערמונית, ומסתבר שיש לו אפילו פוטנציאל אנטי-סרטני ניכר בהקשר של סרטן בלוטת הערמונית. אך אנליזה כימית שערך ה-FDA באצוות שונות של תרופה זו, הראתה שכל אצווה שונה מרעותה בהרכבה, ובתכולה של 3 תרופות שנכללו במרשם PC-SPES, בלי שעובדה זו צוינה על גבי האריזה. התברר שמרשם זה, מעבר להשפעתו המיטיבה בנושא הגידול הסרטני גרם לסירוס כימי. כן זוהתה ב-PC-SPES התרופה אינדומתצין שהיא נוגדת דלקת ומשככת כאבים ומורידה חום ומרחיבה כלי-דם, אך בנוסף לכך היא גורמת לשינויים ברירית הקיבה שעלולים להתבטא בכיבים ודימום, היא עלולה להביא לעלייה בלחץ הדם, לירידה בזרימת הדם בעורקים כליליים ולירידה בתפוקת הלב. למרות שיעילותו של המרשם האסייתי PC-SPES בטיפול בסרטן הערמונית כנראה מוכחת, הסירו אותו שלטונות הבריאות האמריקנים מעל המדפים ואסרו על שיווקו, מכיוון שיצרניו אינם מתעדים על האריזה את התכולה המדויקת שלו, ובעיקר כיוון שנתגלו בו חומרים שפגיעתם עלולה להיות רעה. גם ברוקחות הממוסדת עלולות להתרחש תקלות שונות, קלקולי תרופות, זיהומים וזיופי תרופות, אלא שבגלל הליכי הרישוי והבקרה הקפדניים ועיסוקם של בעלי מקצוע מומחים ברוקחות וברפואה בהתוויית ובאספקת המוצרים, שכיחותן של התקלות קטנה לאין ערוך מאשר בתעשיית ׳׳צמחי המרפא״ בה כל מרכולתן בלתי מורשה יכול לשווק כל מרכולת שהיא.

פרט להשפעה הישירה שיש למרכיבי עשבי-המרפא, קיים סיכון, שנטילה במקביל של שני סוגי תרופות תשפיע הדדית על המטבוליזם וההשפעה הפארמקולוגית של תרופות אלו באופן שעלול להיות מסוכן. הבה ניקח למשל את החומר הצמחי הידוע כהיפריקום, או פרע סנט-ג׳ון (St. John’s wort). צמח זה פופולארי לטיפול במצבי דיכאון, דאגנות וחוסר שקט. מסתבר שפרע סנט-ג׳ון מכיל בין השאר היפרפורין, המעכב שחרור של נוירוטרנסמיטורים כגון סרוטונין, דופאמין ו-GABA ואף גלוטאמט בסינפסות. אך למרות היות פרע זה קרוי על שמו של קדוש נוצרי, אין הוא קדוש לחלוטין. מרשם זה עלול לגרום לפעילות מוגברת של האנזים CYP3A4, וכך מוחשת הפעילות המטבולית של פירוק תרופות רבות כמו ציקלוספורין, תרופות כנגד נגיפים, ואף תרופות חיוניות ועתירות-שימוש כגון דיגוקסין וקומאדין. עלול אם כן להתרחש מצב בו נטילת פרע סנט-ג׳ון כדי לשכך דיכאון, יגרום למי שנוטל במקביל ציקלוספורין לדיכוי תגובה חיסונית במושתלי אברים למשל, לירידה דרמטית ברמת ציקלוספורין זמין, שעלול להביא לדחיית השתל. פרע סנט-ג׳ון, הנחשב כידיד תמים ויעיל בשעת דיכאון, עלול לגרום להפרעות במערכת העיכול, בלבול ועייפות, חוסר שקט והשתנה תכופה!

נטילת גינקו במקביל לצריכת אספירין או משכך כאבים כ-Rofecoxib או קומאדין, עלולים לגרום לדימומים. כמו כן שימוש בגינקו במשולב עם נטילת משתנים כתיאזיד עלולה להעלות את לחץ הדם. שימוש בעוזרר (Hawthorn) במקביל לתרופות כדיגוקסין ממשפחת הגליקוזידים של דיגיטאליס חייב בזהירות, שכן פעילותו הידועה של העוזרר בכיווץ שרירים דומה לזו של דיגוקסין ועלולה להביא להגברה לא רצויה של פעולת הלב.

לפי סקר עדכני בארצות הברית, אחד מכל שישה אמריקאים משתמש בעת ובעונה אחת בתרופות מרשם קונבנציונאליות במקביל לנטילת מרשם צמחי. לכן חשובה כל כך ההקפדה שמא קיימת השפעה הדדית לא רצויה בין תרופות אלו, ומומלץ שרופאים ״מן השורה׳׳ הנתקלים מדי פעם בתופעות קליניות בלתי מוסברות, יתחקרו את המטופל שמא הוא נוטל מרשמים צמחיים, גם אם אלה לא נמצאים בתחום הטיפול עליו הם אמונים.

דוכני הספרים עמוסים ברבי-מכר המנציחים את המיתוס לפיו מוצרי טבע כעשבי ״מרפא ותוספי-מזון בטוחים לאין-ערוך יותר מאשר תרופות קונבנציונאליות. בשנת 1994 עבר בקונגרס בוושינגטון התיקון הקרוי ”Dietary Supplement Health and Education Act״, שהסיר למעשה את יכולת ה-FDA לפקח על תעשיית צמחי המרפא ותוספי המזון, ובכך הניע את הגל העולמי הגואה של תרופות או תומכי בריאות ״טבעיים״ השווים לכל נפש. אך בניגוד לאמונה הרווחת, מרשמים מצמחי מרפא עלולים בהחלט להיות מסוכנים לבריאות. הסיכון נובע לעתים מסיבות בלתי צפויות, כגון חומרים מזהמים (contaminants) המופיעים באקראי בשל שיטות הכנה פרימיטיביות ומחתרתיות, או בשל חשיפת הצמחים בעת גידולם לחומרים רעילים. מרשמים מצמחי מרפא נמצאו לעתים מזוהמים בחיידקים כגון סטפילוקוקוס, סלמונלה, שיגלה, ולעתים אף פסאודומונס. לעתים מרשמים אלה מכילים רעלנים כגון Aflatoxins שמקורם בפטרייה אספרגילוס, והם בעלי פוטנציאל לגרום למוטציות ולסרטן, ובנוסף שפע של אנדו-טוקסינים בעלי השפעות רעילות שונות. מרשמים צמחיים נמצאו מכילים חומרי הדברה שונים כחלק מריסוסים להם נחשפו ובין השאר דווח על מציאות זרחות אורגניות, די-תיו-קארבאמט וטריאזין (triazin), כולם רעלים מוכרים. במרשמים צמחיים נמצאו גם עקבות של חומרי גיפור או חיטוי כגון אתילן אוקסיד, מתיל-ברומיד ואף פוספין.

נזקים בריאותיים פוטנציאליים נוספים שדווחו לגבי מרשמים צמחיים שונים: נזק ללב (cardio-toxicity) על ידי פקעת שורש Aconite וכן שורש הליקוריס, Mahuang (האסור לשיווק בארץ), ועלי או שורשי Pokweed. נזק לכבד (hepato-toxicity) על ידי Kombucha, שורש האימפילה, קנה שורש Kava, מיני Germander, עלי או גבעול צמח ה-Chparral, שמני Pennyroyal, עשבים עשירים ב-coumarin, ב-podophyllotoxin, ב-anthranoids, וכן באלקאלואידים פירוליזידינים. נזק לכליות נגרם מפרי  ה-Jering, משורש אימפילה, מתמצית עץ הטקסוס (Chinese yew) ומ-B-Aescin שהוא ספונין (גלוקוזיד) המופק מזרעי ערמון הסוס. בין צמחי המרפא שגרמו לרעילות נוירולוגית או אף פרכוסים ועוויתות (convulsions) שנגרמו עקב שימוש בהם, נמנים: קנה-שורש של יסמין צהוב, פקעת שורשי aconite או Alocasia, זני Artemisia העשירים ב-santonins, שמני צמחים עתירי ascaridole ,עשבי טבק הודי, Nux vomica ועוד מספר צמחי מרפא שהוזכרו קודם בהקשר של רעילות לכבד ולכליות. כדאי להתעכב על מרשם הגינקו שמקורו בצמח Ginko biloba שתמצית עליו מומלצת בעיקר לטיפול בתופעות שיטיון בשלבים מוקדמים של מחלת אלצהיימר, במפגעים של כלי דם היקפיים - בעיקר בגפיים התחתונות, הגורמים לקשיי הליכה וצליעה לסירוגין, וכן לתופעות תחושתיות-עצביות כגון טינטון (tinnitus). עלי הגינקו מכילים טרפנואידים (ginkolides ו- bilobalides) וכן פלבנואידים.

חלק מההשפעות המיטיבות של מרשם הגינקו מיוחסות להשפעה הנוגדת את פעולת הגורם המשפעל טסיות (platelet activating factor) של ה-ginkolides, וכן להשפעה נוגדת החמצון של הפלבנואידים. אך לא ניתן להתעלם ממספר ניכר של הודעות בספרות על תופעות לוואי של מרשם הגינקו: צריכה של כמות גדולה של זרעי גינקו הידועים גם כ-yinguoo עלולה לגרום לפרכוסים כיון שהם מכילים את החומר המפרכס MPN (4-o-methylpyridoxin). מספר דיווחים מצביעים על אפשרות שנטילה פומית של גינקו קשורה לדימום תוך מוחי תת-עכבישי (subarachnoid haemorrhage).

ייאמר בגילוי לב: כל תופעות הלוואי המוזכרות כאן, פגיעתן אינה ניכרת בכל מי שנוטל תרופות אלו ושכיחות האירועים המוזכרים לא רבה ולכן גם אין הציבור ער להן, אך הן בפירוש מתרחשות ומתועדות בספרות הרפואית ״הקונבנציונאלית׳׳. חשוב לדעת שהאמירה הכמעט פולקלוריסטית, ששום רע לא יאונה משימוש במרשמים של צמחי מרפא מהמזרח, ולפיכך ניתן לקנותם בבומביי ולהביאם ארצה, או לרוכשם בחנות הסמוכה ל״מוצרי בריאות מן הטבע״ שלא תחת השגחת רופא, עלולה לעתים להתבדות. הבעיה המובנית בתעשיית צמחי המרפא היא במיעוט יחסי של תיעוד על השפעת המרשמים הצמחיים, ופיקוח, ביקורת, הכוונה והכפפה של רושמי המרשמים ורוקחי המרקחים הצמחיים תחת רשות מרכזית (כמו ה-FDA) שתאשר את השימוש בהם, או אף תפסול אותם בשעת הצורך, הסמכה של רושמי-מרשמים ואישור כושרם ומעמדם המקצועי. הגדרה מחייבת מהי תרופה ומהו תוסף-מזון, והסרת מעטה העמימות והסודיות מתוכנם ומהרכבם של צמחי מרפא מן המזרח, היא צו השעה. רובם הגדה מיטיבים כנראה עם המשתמשים בהם, אך לעתים הם עלולים גם לחולל רע.

קריאה מומלצת:

לביא ט, הרן ב, שמר י, שני ש. רישוי ופיקוח של תוצרי מרפא טבעיים בישראל ובעולם. הרפואה 339;44-2000.

Ernst E. Serious psychiatric and neurological adverse (ffects of herbal medicines-a systematic review. Acta פpsychiatr Scand 2003;108:83-91.

Stedman C, Herbal hepatotoxicity. Semin Liver Dis :002:22:195-206.

Vetzel MS, Kaptchuk TJ, Haramati A, Eisenberg DM. )omiementary and alternative medical therapies: nplications for medical education. Ann Intern Med 003:138:191-6. 

פרופ׳ בן-עמי סלע הוא מנהל המכון לכימיה פתולוגית, מרכי רפואי שיבא, תל-השומר ופרופ׳ חבר בחוג לביוכימיה קלינית הפקולטה לרפואה, אוניברסיטת תל-אביב.

פורסם ב"גליליאו" 73, ספטמבר 2004

מדע בישראל תשס"ד - סטרפטוקוקוס A - בחיידק הטורף יש מוטציה שמנטרלת את מערכת החיסון - מיכל סחף

 

Streptococcus pyogenes
NIAID

אלון מוזס מהמרכז הרפואי הדסה, ועמנואל הנסקי וקרלוס הידלגו־גראס מהאוניברסיטה העברית פיענחו את מנגנון הפעולה של ״החיידק הטורף״. מדובר בחיידק סטרפטוקוקוס A אשר גורם במקרים הקלים ל״שושנה״ (מחלת עור), ולדלקת גרון. כאשר הוא חודר לריאות, לזרם הדם, לרקמת שריר או שומן - הוא עלול להיות קטלני. ״תסמונת ההלם הרעלי״, המתבטאת בירידת לחץ הדם ובפגיעה רב־מערכתית, ו״תסמונת החיידק הטורף״ המתבטאת בהרס מהיר של רקמות, נגרמות שתיהן על ידי סטרפטוקוקוס A. 

החוקרים ביקשו למצוא מה הופך את החיידק לאלים כל-כך. הם מצאו כי תאי מערכת החיסון, שריכוז גבוה שלהם נמצא לרוב בקרבת גוף זר, אינם נמצאים בסביבת החיידק; מערכת החיסון נמנעת מלתקוף את החיידק הטורף באותו אופן שבו היא תוקפת פולשים אחרים .

הסיבה לכך, כך מצאו החוקרים, היא מוטציה שזוהתה בחיידק, אשר גורמת לו לייצר חלבון המפרק את אחד החומרים שמפרישה הרקמה הנגועה ושמטרתו לגייס את תאי מערכת החיסון. לכן התאים שמטרתם להשמיד את החיידק לא מגיעים לרקמה. במחקר זה לא נמצא מה גורם למוטציה ומדוע רק חלק מחיידקי סטרפטוקוקוס A הופכים לטורפים.

פורסם ב"גליליאו" 73,  ספטמבר 2004.

פריונים יש מאין - דינה צפרירי

צוות בראשותו של סטנלי פרוסינר יצר את גורם מחלת ״הפרה המשוגעת" במבחנה

במחקר שנערך במעבדתו של סטנלי בן פרוסינר (Prusiner), חתן פרס נובל לרפואה, ב-1997, ושפורסם ב-30 ליולי 2004 , בעיתון המדעי Science, הוכחה למעשה התיאוריה בשלה זכה פרוסינר בפרס (וראו: מרית סלוין - ״פרס נובל: הפריונים המתעתעים׳׳). 

הסיפור החל בשנת 1920, כאשר איבחן הנוירופתולוג הגרמני, הנס גרהרד קרויצפלד (Creutzfeldt) מקרה של הפרעה מנטלית מתקדמת בחולה בת 23. לאחר שאובחנו מקרים נוספים של הפרעות שהתבטאו במערכת התנועתית, השתמשו החל מ-1922 בכינוי מחלת קרויצפלד -יעקוב (CJD) על מנת לתאר מספר מחלות ניווניות של מערכת העצבים המרכזית (וראו: רות גביזון ואלברט טרבולוס -״חידת הפריונים״),  ב-1950 התגלתה בפפואה-גינאה החדשה מחלה מוזרה שכונתה קורו (kuru) שנגרמה כתוצאה מאכילת מוחותיהם של נפטרים, מסיבות טקסיות. כאשר התבררה בשנות השישים של המאה הקודמת יכולת ההעברה של מחלות אלה לשימפנזים, ניתן להן השם מחלות מוח ספוגיות הניתנות להעברה (transmissible spongiform encephalopathy, TSE) ואליהן הצטרפו מחלה המכונה סקרפי (scrapie) הפוגעת במוחותיהם של כבשים, שהתגלתה ב-1973 בעיקר באנגליה, ומחלת ״הפרה המשוגעת״, מחלת מוח ספוגית שפוגעת בבקר (BSE) שהתגלתה אף היא באנגליה ב־1985. המחלות באות לידי ביטוי באיבוד בקרה על התנועה, ניוון מוחי מתקדם ושיתוק. בשלב מתקדם יותר החולה האנושי נעשה נוקשה, חסר תנועה וחסר יכולת דיבור ותגובה. מחלת קרויצפלד-יעקב מתפתחת בדרך כלל עשר שנים לאחר ההידבקות והחולה שורד כשנה.

הפתולוגיה של המחלה, שאבחונה הוודאי נעשה רק בניתוח שלאחר המוות, מגלה מוח מחורר דמוי ספוג המכיל בועיות ומשקעים חלבוניים דמויי סיבים (כפי שהם נראים במיקרוסקופ אלקטרונים) המכונים עמילואידים על שום שהם נצבעים כמו העמילנים (בצביעה ביוד).

כאמור, עוברות מחלות אלה בעיקר בהדבקה, אם באכילה או בהליכים רפואיים כמו ניתוחים, הזרקות של הורמון גדילה, שהופק בעבר מבלוטות יותרת המוח שנלקח ומגופות, והשתלות קרנית. בשל יכולת ההדבקה הניחו שגורם המחלות הוא נגיף איטי, שזמן הדגירה שלו - הזמן בין ההדבקה להשריית המחלה - ארוך מאוד. הרופא דניאל קרלטון גידוציק (Gajdusek), שקישר בין מחלת הקורו וקניבליזם, קיבל פרס נובל ב־1976 על עבודתו זו, אף כי לא הצליח לבודד את גורם המחלה שלהנחתו היה נגיף איטי. כל הניסויים שנעשו כדי לגלות ולבודד חומצות גרעין המרמזות על הימצאות של חומר תורשתי כלשהו, RNA או DNA, שיצביע על הדבקה נגיפית או חיידקית עלו בתוהו.

המבנה התלת-ממדי של פריון תקין (סליל אלפא -מימין) ושל פריון שהשתנה (משטח בטא -משמאל).
(התמונה מעבודתם של Huang, Prusiner & Cohen).

המרכיב היחיד שבודד הוא חלבון. סטנלי פרוסינר העלה ב-1982 את התיאוריה שכונתה ״רק-חלבון״ לפיה החלבון ורק החלבון (protein-only), מהווה את גורם המחלה והוא זה המעביר אותה מחיה אחת לשנייה. הוא טבע את המונח: פריון (prion) לכל החלקיקים החלבוניים שגורמים למחלות אלו ולהעברתן, חלבונים העמידים בפני כל התהליכים הפוגעים בחומצות גרעין, ועמידים במידה רבה בפני אנזימים מעכלי חלבונים (פרוטאזות).

התברר שהפריונים הם גליקופרוטאינים טבעיים - חלבונים הקשורים לשיירים סוכריים - המצויים על שטח פני התאים, כשחלקם משוקע בתוך קרומית התא. המבנה התלת ממדי של הפריונים התקינים , המכונים PrPc, הוא בעיקרו מבנה חלזוני מסוג סליל אלפא (alpha helix). החלבון מסיס בקלות בממיסים שונים ומעוכל בקלות על ידי פרוטאזות.

התברר שאותו חלבון עצמו יכול להתקפל בצורה שונה מהצורה הטבעית וליצור מבנה מרחבי שטוח המכונה: משטח בטא (beta sheet), בצורתו זו הוא כמעט ואינו מסיס וכאמור, עמיד במידה רבה לעיכול על-ידי פרוטאזות. צורה זו מכונה: PrPsc,  כש-sc מבטא את הצורה המופיעה  במחלת הסקרפי בכבשים ובשאר המחלות.

החלבון, בצורתו זו, מאוד דביק ונקשר למולקולות אחרות של אותו חלבון וכך נוצרים צברים השוקעים בתאים והורסים אותם. אלא שלרוע המזל כאשר החלבון PrPsc בא במגע עם פריון נורמלי הוא נקשר אליו ומשנה את מבנהו והופך אותו מ-PrPc ל-PrPsc, וכך הוא ״מתרבה״ על חשבון החלבונים התקינים.

אולם התיאוריה של פרוסינר, כצפוי בכל תיאוריה חדשה ה מנסה להתמודד עם הסברים לא מקובלים ולא מוכרים, נתקלה בהתנגדות רחבה; שהרי ידוע היה שרק מיקרואורגניזמים מעבירים מחלות ולא ייתכן שחלבון ייקח חלק בחגיגה.

הגן המקודד לחלבון באדם נמצא בכרומוזום 20 ומכונה PRNP, נמצא שיש מחלות הקשורות בפריונים העוברות בתורשה. 15-10 אחוזים ממקרי מחלת קרויצפלד-יעקב עוברים בתורשה ונובעים ממוטציות המופיעות בגן המקודד לחלבון, מוטציות המשנות את מבנהו של החלבון מסליל אלפא למבנה בטא. מוטציות כאלו מוכרות גם במחלות המופיעות בקופים ובעכברים. מעצם מהותו של החלבון גורם המחלה, השינוי בגן הוא דומיננטי -  מספיק שתהיה פגיעה באלל אחד כדי שהמחלה תבוא לידי ביטוי.

התיאוריה של פרוסינר קיבלה דחיפה כאשר בשנת 2000 נמצאו בשמרים שני חלבונים שבצורתם הטבעית, PrPc, הם פעילים ובהפיכתם לצורה PrPsc במבנה  בטא הם יוצרים צברים שהופכים לסיבים עמילואידיים ומאבדים את הפעילות.

ניסויים בהם הראו הפיכה ספונטנית מצורה אחת לצורת הפריונים בחלבון השמר במבחנה אמנם הוכיחו את התיאוריה של פרוסינר, אבל העובדה שעד עכשיו לא הצליחו לחזור על הניסויים עם חלבוני יונקים, הותירה את הספקנים בשלהם בכל הנוגע למקור המחלות בבעלי חיים ובאדם.

הפיכה ספונטנית של חלבון PrPc מנוקה לצורת PrPsc במבחנה הפכה לחיפוש אחר הגביע הקדוש של מדע הפריונים, היות שזו הדרך היחידה להוכיח לספקנים שהחלבון עצמו, ולא שום זיהום של נגיף במוח, האחראי הבלעדי להיווצרות המחלה.

ואכן, נראה שהגביע הקדוש נמצא. צוותו של פרוסינר בראשותו של ג׳וזפה לניאמה (Legname), יצר במבחנה צברים של פריונים, יש מאין. החלבון הופק מחיידקים שהוכנס להם גן מלאכותי, שנלקח מעכברים כדי למנוע כל אפשרות של זיהום נגיפי מהמוח. מאחר שרק חלק קטן מהחלבון נחוץ על מנת ליצור את הצברים העמילואידיים המועשרים במבנה הבטא, יצרו החוקרים בשיטות של הנדסה גנטית עכברים טרנסגניים שמבטאים חלבון מלאכותי קצר יותר ללא הקצה האמיני ובכמות גדולה בהרבה מהכמות הרגילה.

החלבון שנוצר בחיידקים מהגן המקוצר נוקה והורחף בתמיסת מלח במבחנות. עם שקשוק המבחנה החלו להיווצר בה סיבים עמילואידיים. סיבים אלה הוזרקו למוחותיהם של העכברים הטרנסגניים, במקביל לעכברים בקבוצת ביקורת שקיבלו הזרקות של תמיסת מלח ללא הסיבים.

העכברים שקיבלו עמילואיד פיתחו מחלה נוירולוגית, שהתבטאה בשלבים הראשונים בהילוך מתנודד, בפרווה לא מטופחת ובזנב  נוקשה בין 380 ל־660 ימים אחרי ההזרקה. בעוד העכברים שהוזרקה להם תמיסת מלח לא הראו כל סימני מחלה עד אחרי 620 ימים מההזרקה. במיצוי מוחם שלהעכברים, שזמני ההדגרה אצלם היו בסביבות 400 יום, ובהרצת המיצויים על ג׳ל קביעת חלבונים התקבל פס של חלבון PrPsc עמיד לעיכול על-ידי פרוטאזות, בעוד החלבון שמוצה מעכברי הביקורת לאחר 500 יום עוכל כולו על-ידי האנזימים.

בהזרקת מיצוי המוחות של העכברים שחלו למוחם של עכברים חדשים נורמלים (זן הבר) והעכברים המהונדסים המבטאים כמות גדולה יותר של חלבון נורמלי PrPc, התפתחה המחלה תוך 154 יום ו-90 יום בהתאמה.

מאחר שכמות העמילואיד המוזרק נמצאת ביחס ישר לזמן הדגירה, הרי שכמות העמילואיד שהתפתחה במבחנה היתה קטנה יחסית לכמות שנוצרה במוחות העכברים לאחר זמן הדגירה.

לדברי פרוסינר הממצאים מסבירים את דרך התפתחותן הספונטנית של מחלת קרויצפלד-יעקב ומחלות נוספות המופיעות בבעלי חיים הקשורות בפריונים ושאינן תורשתיות. אולם המבקרים טוענים שהניסויים אינם מבוקרים דיים. ואכן גם לדברי צוותו של פרוסינר התוצאות עדיין ראשוניות ודרושים ניסויים נוספים לקבלת הוכחה ניצחת של התיאוריה.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 73, ספטמבר 2004. 

נגד הגיאות - פול דיוויס

 

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