ראשית החיים - מתן ארבל

 

מה מקור החיים? איך נראה האורגניזם הראשון? מאיפה כולנו באנו? שאלות גדולות שתשובות וודאיות כנראה אף פעם לא יהיה לנו. אבל האנושות התקדמה הרבה בלענות על השאלות הללו. 

החיים התחילו מאוד שונה מאיך שהם נראים היום. אם נלך מספיק שנים אחורה, בערך כ-4 מליארד שנה, העולם היה עולם RNA. 

איור: Kevin Hand

הבסיס לכל אורגניזם, גם הכי פשוט מתבססת על היכולת לשכפל את עצמו. זה תמיד יתבצע בעזרת הכפלת המידע הגנטי שלו, לכן המידע הגנטי קדם לחיים עצמם. המרק הקדמוני, השם שניתן לסביבה הקשוחה והכה שונה של כדור הארץ לפני כ-4 מיליארד שנה, הכיל הרבה פחמן, מימן ואמוניה. התאוריה לגבי אותו מרק קדמוני כמקור החיים קיבלה הרבה תאוצה ומשקל בגלל ניסוי מילר-יורי (Miller-Urey), שניסה לבנות מערכת סגורה שתדמה את התנאים של המרק הקדמון. הניסוי נחל הצלחה מסחררת כאשר בתנאים הללו הצליחו להיווצר חומצות אמינו לבד, מהמולקולות האורגניות החשובות ביותר שמהוות אבני בניין לחלבונים. 

ניסוי יורי-מילר
המקור: Carny, Wikimedia commons

למרות שהיום אנו יודעים שכנראה שהתנאים לא דימו בצורה טובה את התנאים של המרק הקדמוני וכמובן שיצירה של חומצות אמינו בודדות אינם שקולות ליצירת חיים, הניסוי קידם בצורה ממשית את המחקר של ראשית החיים. אז מה הייתה המולקולה הראשונה שאפשרה יצירת חיים? 

התיאוריה המובילה היום נקראת RNA WORLD וטוענת שהחיים התחילו מ-RNA קטליטי שידע לבצע פעולות ובין היתר, והכי חשוב, לשכפל את עצמו. האם הוא עשה את זה לחלוטין לבד או שכבר בשלב של התא הראשון ה-RNA ידע לייצר חלבונים? לא ברור. אחד ה'עדויות' הכי חזקות לתיאוריה הזו היא העובדה שהריבוזום, אותו קומפלס שמתרגם RNA לחלבון הוא בעצמו עשוי מ-RNA (כולל חלבונים שעוזרים לייצב אותו), אבל מרכז הריאקציה והחלק הכי חשוב בנוי מ-RNA. אז זהו? RNA שמשכפל את עצמו וזהו? לא.

התנאי השני הקריטי לחיים הוא יכולת הפרדה מהסביבה ולכן התא הראשון הכיל כנראה ממברנה פוספוליפידית, כמו כל החיים שאחריו. פוספוליפידים הם מבנים שומניים עם ראש הידרופילי וזנבות הידרופוביים ככה שהם יכולים להתכווץ יחדיו וליצור מבנה דו שכבתי שיכול בקלות ליצור מבנה כדורי. ממברנה בסיסית כזו, שמקיפה RNA שיודע להשתכפל הוא כנראה איך שהתא הראשון בעולם נראה. ברגע שיש הפרדה מהסביבה וחומר גנטי שמשתכפל אבל לא בצורה מושלמת, מה שמשאיר מקום לברירה טבעית, הקרקע בשלה להתפתחות כל החיים. העובדה שכל היצורים החיים משתמשים באותו מבנה בסיסי של ממברנה ומידע גנטי, הם הראיה הכי טובה לעובדה שכולנו בסוף ממקור משותף. 

המבנה הפוספוליפידי והדו שכבתי של הממברנה
המקור

איפה כל התהליך הזה קרה? היום התאוריה הרווחת היא שנביעות הידרותרמיות היו ערש החיים. הרי מעבר לאתגר של הכפלה והפרדה מהסביבה, ישנו האתגר השלישי והמשמעותי, שגם הוא משותף לכל היצורים, צריכת אנרגיה. אותם נביעות הידרותרמיות היוו התנאים המושלמים להתפתחות החיים. סביבה עשירה אנרגטית שאפשרה למיקרואורגניזמים הראשונים להשתמש במימן כמקור אנרגיה ולקבע פחמן בפעולה המטאבולית הראשונה על כדור הארץ שהיא הבסיס לחיים בעצם.

מעשנה הידרותרמית
המקור:  NOAA

בעוד פעולות מטאבוליות בסביבות רגילות דורשות לרוב שלל רב של חלבונים שונים שיעזרו לפעולה לקרות בסדר גודל הגיוני של זמן, ליד אותם נביעות הידרותרמיות קדומות, הטמפרטורה והריכוז של החומרים, כנראה איפשר את הריאקציות גם בלי הרבה אנזימים מסביב. 

האם זה הפרק האחרון בספר הזה? של ראשית החיים וכל מה שנגלה עכשיו והלאה רק יחזק את התיאוריות הללו? אולי. ואולי עוד כמה שנים תעלה תיאוריה אחרת חדשה שתסביר יותר טוב מאיפה כולנו באנו. אבל איזה מגניב זה לחיות בתקופה שאנחנו בכלל יכולים להתחיל לענות על שאלות כאלו.

מתן ארבל הוא דוקטורנט במחלקה לביוטכנולוגיה ומיקרוביולוגיה באוניברסיטת ת"א ומנגיש מדע בזמנו הפנוי.

פורסם במקור בטוויטר של המחבר, מרץ 2024