יום חמישי, 13 בדצמבר 2012

כך הכל התחיל - עומר מרקוביץ'

השאלה כיצד החלו החיים היא עדיין אחת השאלות המסתוריות במדע. השאלה התחדדה במיוחד עם ההכרה כי התא החי הוא גוף מסובך ביותר. גם אם התשובות רחוקות וחמקניות, מדענים יוסיפו לחפש את מקור החיים.

המקור: BENNU’S JOURNEY - Early Earth

היקום נוצר לפני יותר מ־13 מיליארד שנה וכדור הארץ נוצר לפני כ־4.5 מיליארד שנה. כיצד נוצרו החיים בכדור הארץ, ומתי? לשם עשיית סדר הבה נתחיל - בהתחלה: המפץ הגדול הוביל ליצירת היקום והכוכבים, ובהם גם - בחלוף מיליארדי שנים - מערכת השמש וכדור הארץ שנוצרו, כאמור, לפני כ־4.5 מיליארד שנה. לצורך הפרספקטיבה של לוח הזמנים, אציין שוב כי גילו של היקום מוערך ביותר מ־13 מיליארד שנה, והמין האנושי הפך למין־ביולוגי נפרד לפני כאלפית מיליארד שנה. חצי מיליארד השנים הראשונות של הכדור היו סוערות במיוחד, כאשר בתחילה התנגש בו גרם שמימי גדול, ורסיסים שנוצרו כתוצאה מפגיעה זו התגבשו ויצרו את הירח. הדבר גרם לטמפרטורות גבוהות בהרבה מ־100 מעלות, שבהן לא ייתכנו חיים. בהמשך, עם התקררות הכדור, הוא ״הופצץ" על ידי אסטרואידים ומטאוריטים שהכילו מולקולות בסיסיות, הרלוונטיות לתחילת החיים, וכן שביטים מכילי קרח של מים, שסיפקו מים שהם כה חיוניים לקיום חיים כפי שאנו מכירים אותם בכדור הארץ כיום. אם נדלג כחצי מיליארד שנה קדימה, נמצא את האב הקדמון המשותף האחרון של החיים על פני אדמות - האורגניזם החד־תאי שממנו התפתחו כל החיים בדרך של אבולוציה. חקירת מאובנים ושיטות חישוביות מגלות כי האב הקדמון האחרון דמה לתא החי כפי שאנו מכירים אותו - מעטפת המכילה מערכת של DNA וחלבונים. פשוט ככל שיהיה ביחס לחיים כיום, הוא עדיין אורגניזם מסובך שאינו סביר שייווצר מעצמו בשלב אחד.

השאלה היא כיצד התחילו החיים בכדור הקדום (Prebiotic earth), שעליו התקיים ככל הנראה ״המרק הקדום״ (גוף מים ובו חומרים אורגניים), שבו נוצר אב קדמון זה.


הגדרת החיים

המינימום הדרוש מהחיים הוא היכולת לקיים עצמם, אולם אין זה מספיק ואפשר לחשוב על מערכות המסוגלות לקיים עצמן אך ברור שאינן חיות - כמו למשל אש. התנאי הנוסף הדרוש לחיים הוא היכולת לעבור אבולוציה, כלומר - להכיל מידע ולהעביר אותו בצורה נאמנה מדור לדור, ושכפול המידע עשוי להוביל לטעויות. תהליך הברירה הטבעית, בסופו של דבר, מוביל לכך שטעויות שמובילות 7שינויים מיטיבים, שמאפשרים לתא להתמודד יותר טוב עם סביבתו, נשמרות. בהתאם לזאת, בקהילה המדעית מקובלת ההגדרה של NASA: "מערכת חיה היא מערכת המקיימת את עצמה והמסוגלת לעבור אבולוציה".

חיים בתוך שלולית

במאה ה-19 צ׳ארלס דארווין, ולאחר מכן גם לואי פסטר, העלו השערה עקרונית שהחיים החלו כתרכובות אורגניות בתוך שלולית חמימה, שלאחר מכן התפתחו למערכות חיות. בתחילת המאה ה־20 הביוכימאי הרוסי אלכסנדר איוונוביץ׳ אופארין (Oparin) והביולוג הבריטי ג׳.ב.ס הלדיין (Haldane), באופן בלתי תלוי זה בזה, היו הראשונים שתיארו באופן פרטני יותר כיצד היו יכולים החיים להתפתח מן החומר הדומם ולעבור אבולוציה. אופארין, שהיה ביוכימאי, טען כי חומר חי ודומם דומים בבסיסם, וכי ההבדלים ביניהם נוצרים כתוצאה מהאבולוציה של החומר, שהביאה ליצירת מולקולות מורכבות יותר ויותר, שהחלו לפעול יחדיו. הלדיין, שהיה ביולוג, טען כי התנאים הכימיים ששררו בכדור הובילו ליצירת מגוון של מולקולות פשוטות, ששימשו כמעין מצע שעליו היו יכולים החיים הראשונים להתפתח.

בכדור הארץ הקדום שררו התנאים הדרושים להיווצרות החיים: מים במצב צבירה נוזלי, וכן מולקולות שהיו דרושות כאבני הבניין לתחילת החיים ולהיווצרות התא הבראשיתי (Protocell) - המצב הבראשיתי של החיים שהתפתח לאב הקדמון. מקור אחד למולקולות הבסיסיות הרלוונטיות לחיים הוא מטאוריטים, כפי שבדיקת תוכנם מגלה לנו. מקור אחר הוא כדור הארץ עצמו, שכן ניסויים מראים לנו כיצד בתנאים ששררו בכדור הקדום מולקולות שכאלה היו יכולות להיווצר. לדוגמה, הניסוי של סטנלי מילר והארולד יורי (Miller, Urey) שנערך בשנות החמישים של המאה ה־20. הניסוי כלל כמה מחזורים, שבהם תערובת של גזים המכילים מולקולות המורכבות מהאטומים הבסיסיים (מימן; מים שכוללים חמצן: מתאן שמכיל פחמן; אמוניה מכילת חנקן) חוממה ונחשפה לניצוצות חשמליים באופן ממושך. עם תום הניסוי התגלתה בכלי כמות גדולה של חומר אורגני, כולל חומצות אמינו - מה שהוביל למסקנה שהמולקולות הבסיסיות לחיים המוכרים לנו אכן יכולות היו להיווצר בתנאים הסביבתיים של הכדור הקדום. ואולם השאלה הגדולה היא כיצד כל אבני הבניין חברו יחדיו ליצירת התא הבראשיתי.

כדי לשער איך היו יכולים החיים להתחיל, יש להבין כיצד בנויים החיים כיום, ולנסות ולהסיק מהם מנגנונים אנלוגיים שהיו יכולים להתגשם בכדור הקדום. בצורה כללית, תא מורכב משלוש מערכות המתפקדות יחדיו:

(1) המערכת הגנטית שבמרכזה ה-DNA - מולקולה מורכבת המכילה את כל הקוד הגנטי בצורה של שרשרת (רצף) של ״אותיות" כימיות (לו היו מותחים מולקולה זו מתא אדם, עובייה היה פחות מננו־מטר, אך אורכה הכולל היה כמה מטרים!). מעניין לציין שלמרות החשיבות הרבה של ה-DNA, הוא סטטי וזקוק למתווכים חלבוניים כדי להיות מועתק מדור לדור.

(2) המערכת המטבולית היא שאחראית על יצירת החומרים הדרושים לתפקוד התא ועל הפקת האנרגיה לצורכי התא, בעזרת חלבונים שמקודדים על ירי ה-DNA.

(3) המערכת "המכלית": שתי המערכות הראשונות מוכלות במעטפת (קרומית, ממברנה) שומנית־ליפידית, שמפרידה בינן לבין הסביבה, ומאפשרת מעבר אותות וחומרים בצורה מבוקרת בין פנים וחוץ המכל התאי.

התא הבראשיתי

בשנות החמישים של המאה ה־20, עם פענוח מבנה ה-DNA ופענוח המנגנון המולקולרי של התורשה, קיבלו תחומי חקר ראשית החיים והיווצרות התא הבראשיתי דחף חדש. כבר בתחילה הועלתה תיאוריה, כי התא הבראשיתי כלל DNA וחלבונים פשוטים, שהעניקו לו יכולת לשכפל את עצמו ולעבור אבולוציה. אך מעבר לשאלה איך מולקולות מורכבות שכאלו היו יכולות להיווצר בצורה ספונטנית בכדור הקדום, עולה השאלה מה קדם למה, שהרי ה-DNA הוא סטטי וזקוק לחלבונים שיעתיקו אותו, ואילו החלבונים מקודדים ב-DNA. פרדוקס הביצה והתרנגולת! אנו מחפשים אם כן ביצולת - משהו שהוא גם ביצה וגם תרנגולת. בהקשר של ראשית החיים, על הביצולת להיווצר מעצמה לשרוד בתנאים ששררו בכדור הקדום, וכמובן להיות מסוגלת לשכפל עצמה ולעבור אבולוציה.

אפשרות אחת לביצולת היא מולקולת ה-RNA). בתא, ה-RNA מעתיק, בין השאר, מקטעים מהקוד של ה-DNA ומעביר אותם לריבוזום - המפעל המולקולרי שמייצר את החלבונים בהתאם לקוד. כלומר, ה-RNA מכיל מידע. התגלית החשובה בהקשר זה היא של מולקולות RNA פעילות כאנזימים - ריבוזימים (Ribozymes); בסוף שנות השמונים זכו תומאס צ׳ק (Cech) וסידני אלטמן (Altman) בפרס נובל בכימיה על גילוי מולקולות RNA בעלות תכונות קטליטיות, ריבוזימים. המולקולות הראשונות מסוג זה שהתגלו היו מסוגלות לחתוך חלקים מעצמן, וכיום, בשיטות של הנדסה גנטית, אפשר לסנתז ריבוזימים עם יכולות מגוונות, .מה שמאפשר להעמיק במחקר על ההיתכנות של תחום זה הנקרא ״עולם ה-RNA". יש ריבוזימים שמסוגלים לעבור אינטראקציות עם ריבוזימים אחרים, ואפילו כאלה שיכולים לשכפל את עצמם ממקטעים שלהם. המחקר בתחום מתמקד בחיפוש אחר המקטעים הקצרים ביותר שמסוגלים להתחבר לכדי ריבוזים מתפקד, מתוך הנחה שיותר סביר שמקטעים קצרים נוצרו בכדור הקדום ואז התחברו לידי מולקולות שלמות. אך עדיין, לשם יצירה והתחברות של מקטעים אלה נדרשים אירועים מקדימים בעלי סבירות נמוכה ורמת סיבוכיות ראשונית גבוהה יחסית.

"עולם ה-RNA" הוא הגישה המקובלת כיום בחקר מוצא החיים, אך מתעוררות השאלות כיצד המקטעים הקצרים נוצרו ושרדו זמן מספיק כדי להתחבר לכדי ריבוזים מתפקד, שגם הוא צריך לשרוד בתנאים ששררו בכדור הקדום. חלופה לעולם ה-RNA צריכה להיות בעלת רמת סיבוך ראשוני נמוכה יותר. חלופה שכזו יכולה להיות מולקולות פשוטות הנקראות מטבוליטים (המגיבים והתוצרים של מערכת חילוף החומרים). סוג אחד של מולקולות מטבוליות הוא ליפידים (Lipids) - מולקולות פשוטות יחסית, שלהן ראש וזנב. ה״ראש" הוא קבוצה כימית המתאפיינת באינטראקציה עם מים ועם ראשים אחרים (תכונה הנקראת הידרופיליות), ואילו ה״זנב" הוא שרשרת פחמימנית, שנוטה לעבור אינטראקציה עם זנבות ליפידיים אחרים, אך לא עם מים (תכונה המכונה הידרופוביות). בשל כך ליפידים אלו מכונים מולקולות אמפיפיליות (Amphiphilic, בעלי "אהבה משני סוגים"). מה שמאפיין את הליפידים הוא שהם נוטים להתקבץ יחד באופן ספונטני ליצירת כדוריות וקרומיות (ממברנות).

"עולם הליפידים״ מציע כי הסדר במרק הקדום הוא כדוריות שומן תחילה, ו-RNA אחר כך. חסידי גישה זו מצביעים על כך כי ליפידים, למרות פשטותם, אכן יכולים להכיל מידע. בניגוד ל-DNA ול-RNA, המידע אינו בא לידי ביטוי ברמת המולקולה הבודדת, אלא בצבר - כאשר הליפידים מתקבצים יחדיו ליצירת כדוריות (הליפידים הם "מולקולות חברתיות"). ההידרופוביות וההידרופיליות גורמים לכך שבמים הליפידים האמפיפיליים יתקבצו וייצרו כדוריות, בצורה שבה ראשיהם מופנים כלפי חוץ והזנבות כלפי פנים; הראשים יוצרים מעין מעטפת שמגנה על הזנבות ממגע עם מולקולות מים. כל זאת קורה בצורה ספונטנית, כלומר - אין צורך בעזרים נוספים כדי ליצור כדוריות במים, חוץ מלהוסיף להם ליפידים אמפיפיליים.

כשמביאים בחשבון את האפשרויות השונות לראשים ולזנבות, מגוון המולקולות הליפידיות הוא גדול מאוד, ועל מגוון זה מבוססת התיאוריה של "עולם הליפידים״: ליפידים שונים מתקבצים כדי ליצור כדוריות שונות במספר הרכבים גדול ביותר. החידוש המרכזי של מודל עולם הליפידים הוא בהתייחסות אל ההרכב (בניגוד לרצף) של הכדוריות כאל המידע המשויך לכל כדורית (אפשר להקביל את ההבדל בין מידע רצפי להרכבי להבדל בין ספר לרשימת מכולת. המשמעות של הספר מתקבלת רק כאשר קוראים את המילים והפרקים לפי הסדר, ואילו כאשר אנו קונים, סדר הקנייה אינו חשוב ויש רק להקפיד שבבואנו לקופה המוצרים בסל יתאימו לרשימת הקניות). בכך המודל הראה כיצד מידע זה יכול להיות מועבר מדור לדור, כלומר - שיש אפשרות לתורשה בכדוריות ליפידיות. מידע זה יכול לבוא לירי ביטוי, למשל, בגמישות ובחדירות של הכדורית לחומרים שונים, אולי אף למרכיבים של RNA. כך יכולות הכדוריות שהתפתחו לדרגת יעילות מיטבית לשמש כמיקרו־ריאקטור ליצירה של מולקולות RNA - וכך היה עשוי להיווצר מעין תא בראשיתי שיכול להתפתח לאב הקדמון.


ליפידים

דוגמה של ליפיד - למשל, סבון או חומצה שומנית שמקורה בשמן זית - חומצה אולאית (oleic acid) - במים, הליפידים מתקבצים כך שהראשים יוצרים מעטפת חיצונית באופן שהזנבות מוגנים בפנים. מבחינה מבנית, הליפידים כיום מורכבים יותר מהליפידים הפר־ביוטיים: השרשרת הפחמנית יותר ארוכה, פחות רוויה, ומקרים של שרשרות מסועפות מאוד נפוצים, מה שהופך את הממברנות כיום ליותר קשיחות ופחות חדירות מאלו שהשתתפו בראשית החיים.


אינטראקציה הדדית

במחקר שנערך במכון ויצמן למדע נבדקת השאלה כיצד אפשר להשתמש בבועיות הליפידים לביצוע ריאקציות כימיות מורכבות בצורה מבוקרת, ככלי לעריכת חישובים לוגיים (MatChIT, Matrix effect for Chemical Information Technology). כדוריות הליפידים משמשות כנשאיות לחומרים, והן מקבלות כתובות על ידי סימונן במקטעי DNA קצרים - מה שמאפשר לשלוט על סדר ועל אופי הריאקציות על ידי תכנות מראש של החיבוריות בין כתובות שונות. במחקר משתתפות קבוצות מחקר מישראל, מגרמניה, מאיטליה ומדנמרק.

מודל חשוב של עולם הליפידים הוא מודל הגארד - (GARD- Graded Autocatalysis Replication Domain), שפותח במעבדתו של פרום׳ דורון לנצט מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, מהוגי ״עולם הליפידים״. המודל הממוחשב מאפשר לבצע הדמיות של התנהגות צברי המולקולות הליפידיות. הוא מתחיל מאוסף גדול של ליפידים שונים המתחרים ביניהם על ההצטרפות לכדוריות. הליפידים השונים מצטרפים לצבר בקצב שונה, ובנוסף על כך הליפידים מסוגלים לעבור אינטראקציות בינם לבין עצמם, אינטראקציות המשפיעות על קצבי ההצטרפות. כך ייתכנו מקרים שבהם ליפידים ספציפיים אינם יעילים ביצירת כדוריות כשהם בנפרד, אך בזכות ההדדיות בקבוצה הם נעשים בעלי קצב אפקטיבי גבוה. התחרות מסתיימת כאשר כדורית האם מגיעה לגודל קריטי ואז מתחלקת לשתי כדוריות בנות, ומתחדשת כאשר אל כל אחת מהבנות ממשיכים להצטרף ליפידים שונים (שכן ההתקבצות של הליפידים היא ספונטנית). אם החלוקה התרחשה כך שקבוצת לפידים מוצלחת נמצאת בכדורית־בת מסוימת, אזי קבוצה זו תעודד הצטרפות ליפידים שמתאימים לקבוצה, ואם תהליך דומה יקרה גם בקבוצות של נכדיה ובניניה - אזי ההרכבים שלהן יהיו דומים, כך שזהו בתהליך הורשה נאמן יחסית, שבו הבת דומה לנכדה שדומה לנינה וכן הלאה.


המחבר מציג את הנושא בסרטון
לקריאה נוספת :

Abiogenesis - בוויקיפדיה

מאמר "עולם הליפידים":
The Lipid World; published in: Origins of Life and Evolution of Biospheres (2001): 

האתר של אילסול (ILASOL) -אגודה ישראלית לאטטרוביולוגיה ולחקר ראשית החיים:

הפודקאטט של רן לוי "עושים היסטוריה", פרק 95:


עומר מרקוביץ' סיים דוקטורט במחלקה לגנטיקה מולקולרית, מכון ויצמן למדע. - לדף האישי


פורסם ב"גליליאו" 172, דצמבר 2012


אין תגובות:

הוסף רשומת תגובה