Ecological Bioprocessing - תהליכים ביולוגיים ידידותיים לסביבה - סטפן רוקם

 

הגידול המאסיבי של אוכלוסית העולם מהווה אחת מהסיבות הקרדינליות לצורך בשימור הסביבה שבה אנו חיים. הסיבה השניה הינה רמת הפיתוח הטכנולוגי והעליה המתמדת ברמת החיים.

שני גורמים אלה מביאים לעומס רב על סביבתנו. הפעילות האנושית מביאה לשימוש במקורות הטבע הבלתי ניתנים לחידוש בזמן סביר, כמו מתכות, נפט וכדומה. עיבודם והשימוש בהם מביאים ליצירה של חומרים רעילים, פחות או יותר.

בשנים האחרונות גוברת המודעות לגבי ההכרח בפיתוח אמצעים לשמירת הסביבה (Sustainable Development) שיאפשרו את המשך הפיתוח הטכנולוגי מבלי לפגוע בסביבה.

חלק גדול מייצור התוצרים שבשימוש האדם כיום, מבוסס על העקרון של תהליכים וטכנולוגיות שמוגדרים כ״סוף הצינור״ - end of pipe processes (תמונה 1) בתהליך זה מופקים אוצרות טבע, עם יצירה של תוצרי לוואי (פסולת), וגם לתוצר הסופי יש זמן חיים, שבסופו של התהליך מביא לכך שתיווצר עוד פסולת.

תמונה 1: תהליך ״סוף הצינור״ יוצר פסולת שדורשת טיפול

הטכנולוגיות לטיפול בפסולת מהוות נושא שמתפתח מתוך כוונה להוריד את כמות המזהמים. במקרים רבים משתמשים בתהליכים ביולוגיים לטיפול (למשל שפכים - landfills, composting) פסולת תעשייתית בהרכב שונה מחומרים טבעיים, קיימת בסביבה רק זמן מאוד קצר במונחים של האבולוציה - בוודאי משך זמן שאינו מספיק על מנת לאפשר התפתחות של מערכות ביולוגיות (קטליזטורים ־ מזרזי ראקציה אנזימטיים) לפירוקה. איננו עדים להצטברות של חומרי טבע, אפילו אם הפולימרים מורכבים (כמו ליגנין, פולימר מאוד מסועף של פוליארומטים) או חומרים ליפופיליים (כמו פחממנים, תערובת של אלקנים וארומטים).

במהלך האבולוציה ליצירת חומרים אלה, התפתחו אף מערכות לפירוקם (בעיקר אנזימים בחיידקים ובפטריות) אשר מאפשרות סגירת המעגל בין חומר פחמני אורגני ואי-אורגני. אחת מהתכונות של אנזימים היא שיכולת הפירוק שלהם איננה תמיד מוגדרת בהכרח לחומר עם מבנה ׳׳אבסולוטי״, אלא הם משתמשים כסובסטרט (החומר העובר שינוי) גם במולקולות הדומות במבנה שלהן לסובסטרט האותנטי.

לעומת זאת, יש חומרים מאוד עמידים לפירוק (recalcitrant) המהווים מקור לבעיות סביבתיות מאחר שאין מערכות ביולוגיות לפירוקם; על אלה נמנים: 

 א. Polychlorinated biphenyls

ב. Chlorinated benzenes

ג. Chlorinated phenols

ד. פולימרים פלסטיים (פי.וי.סי, פוליסטירן).

הדרך להיפטר מחומרים אלה היא שריפה בטמפרטורה גבוהה או קבורה באדמה במקום מבוקר (landfill) אך הפתרון העדיף הוא לא להשתמש בהם, דבר שימנע את הצורך להיפטר מהם; הפעילות האנושית מביאה לתופעות לוואי לא רצויות שבהן אנו הורסים את סביבתנו ובמקרים חריפים יותר גם את בריאותנו. רמת החיים הגבוהה גוררת בהכרח יצירת פסולת בנפח עצום שחלקה גם רעיל. הדרך היעילה ביותר להוריד את העומס על הסביבה היא הורדת הצריכה.

תמונה 2: יצור מעגלי

מאמר זה דן בתהליכים ביולוגיים/תעשייתים  חדשניים שתפקידם להפחית את רמת המזהמים. וככל האפשר למצוא אמצעי ייצור שמבוססים על ״עקרון המעגל״ (תמונה 2); באמצעי זה כל תהליך מבוסס על כך שאין ניצול של חומרים מתחדשים ואין זרימה של פסולת. 

היום מתחילים לערוך לתהליכים הקיימים אנליזה של מחזור החיים (life cycle analysis), שבה מגדירים את התוצר מ״לידתו״ עד ״סופו״ - היינו האנליזה מגדירה את ייצור התוצר על כל היבטיו: עלות חומרי הגלם, הדרישות לייצור מבחינת חומרי הייצור, כמות האנרגיה הנדרשת, וכל הקשור לטיפול של סך כל הפסולת הנובעת מהתהליך (אין פירוש הדבר שהייצור מוגדר כמעגלי, אך בכך מתאפשר ״לבודד שלבים" הניתנים לשיפור). אביא במאמרי מספר רעיונות ביחס לפיתוחים של תהליכים שכאלה, ואפרט לגבי התהליך שחקרנו בכדי לנצל את חומר הגלם טוב יותר. היכולת לניצול טוב יותר של חומר גלם מביאה כמובן גם לפחות פסולת ליחידת נפח מיוצרת.

תהליכים ביולוגים הם מטבעם ידידותיים יותר לסביבה. בכך נכללים חומרי גלם טבעיים, תוצרי לוואי שמאפשרים מיחזור, ותנאי ריאקציה נוחים. (טמפרטורה נמוכה ולחץ אטמוספירי) שדורשים פחות אנרגיה. 

פותחו אינדקסים כמו Sustainable Development Index המאפשר להשוות תהליכים שונים והשפעתם על הסביבה. אינדקס זה מנסה לאחד את הצריכה עבור ייצור כל תוצר על כל היבטיו: חומרי גלם, אנרגיה, תחבורה וכדומה. היחידה שנבחרה לאיחוד היא שטח הדרוש לייצור כל ״החומרים" הדרושים על בסיס חומרים מתחדשים. בדרך זאת אפשר להשוות בין תהליכים שונים לייצור אותו תוצר ולדרג אותם לפי sustainability שלהם. יש כבר היום תהליכים ביולוגיים מפותחים לייצור חומרי bulk, כמו כוהל אתילי, חומצות למיניהן (חומצת לימון מיוצרת בכחמש מאות אלף טון לשנה בתהליך ביולוגי), ותמיסות אורגניות שונות, כמו אצטון ובוטנול. אתנול גם מהווה מקור אנרגיה פוטנציאלי. חלק מהייצור איננו כלכלי, במצב של המשק היום, וללא ספק אחד מהקשיים הגדולים ביותר הינו להעריך את ״מחיר הזיהום" שהטכנולוגיה מביאה לסביבה.

בהרבה ארצות מפותחות נחקקו חוקים שמגדירים מיהו האחראי על העלות שבטיפול בזיהומים ולאכיפת החוקים.  בארצות רבות יש חוקים, אבל האכיפה לקויה.

בשנים האחרונות מנסים לפתח תהליכים חילופיים לתהליכים קיימים בענפים שונים של התעשייה. צריך לזכור, למשל, שמספר הזנים המיקרוביאליים שבשימוש הוא זניח, לעומת המיקרואורגניזמים הקיימים בטבע. פה טמונה  רזרבה פוטנציאלית גדולה שמומלץ לבודדה ולחקור את פעילותה ויכולתה לשמש בתהליכים ביולוגיים, וידידותיים לסביבה, עתידיים. יש כמה מסגרות שמרכזות מידע על תהליכים חדשים שיביאו לפחות פסולת וזיהום. אחת מהן היא קבוצת העבודה לייצור ביוטכנולוגי נקי יותר של תוכנית הסביבה של או״ם (UNEP). בכנס שנערך ביוני השנה הוצגו "case studies" בתחומים תעשיתיים שונים. 

להלן אתן דוגמאות של כיוונים בענפים שונים ובמחקר שבוצע במחלקתנו בכדי לשפר ייצור ביולוגי של חומצות

אורגניות.

הלבנה של נייר

ייצור של נייר, מבוסס על התאית  שבעצים ומחולק לכמה שלבים (תמונה 3). בתהליך הראשון אחרי debarking מפרידים את התאית מיתר הרכיבים הנמצאים בעץ (בעיקר ליגנין והמיצלולוז) בדרכים שונות: כימיות, חצי כימיות או מכאניות, לפי היעוד של הנייר.

אחרי ההפרדה נשארת העיסה (pulp) בצבע חום (שאריות של ליגנין).

ייעוד הנייר קובע את רמת ההלבנה הנדרשת. הלבנת העיסה היא המקור הבעייתי ליצירת חומרי פסולת. בייצור נייר יש גם מקורות פסולת אחרים שגם אותם מנסים להפחית. שימוש בחומרים המכילים כלור בנגזרות שונות בתגובה עם עיסת העץ, גורר יצירת חומרי כלור אורגני כמו דיוקסין ופורן (חומרים רעילים) שמגיעים למי השפכים. 

תמונה 3: שלבים ביצור נייר

כדי להוריד את השימוש בכלור פותחו טכניקות להלבנה בשימוש עם חמצן ומי חמצן, ובשנים האחרונות התחיל שימוש באנזימים ממקור מיקרוביאלי (קסילנזות, פראוקסידזות, וליגנינזות) וצריכת הכלור פוחתת .

התהליך האנזימטי מצוי כבר בשימוש תעשייתי בפינלנד בייצור העיסה. אין צורך בהשקעות נוספות לעומת התהליך הקיים, ועלות האנזימים דומה לעלות של חומרי הכלור המוחלפים.

ישנם רעיונות עתידניים לשיפור הייצור מבחינה סביבתית (פחות פסולת ופחות רעילות):

א. סגירה של מערכת המים, מיחזור אחרי טיפול בשפכים.

ב. שינוי בתכולת הליגנין ואיכות העץ על ידינשינוי גנטי באנזימים האחראיים לפילמור בעץ (פניל אוקסידזות).

ג. שינוי בביוסינתזה של התאית - לקבלת חומר שמבחינה מיבנית מתאים יותר ליצירת נייר.

ד. שימוש באנזימים להוצאת דיו מנייר ממוחזר (דורש שימוש בדיו אורגני)

ה. שימוש בתאית ליצירת כימיקלים שהיום מיוצרים מנפט. 

טיפול חלופי בעורות

עיבוד של עור מ-hide ל-leather הוא תהליך מורכב, של עד ארבעה עשר טיפולים שונים שבסופו מתקבל עור לייצור מוצרים כמו נעליים או תיקים. רוב הטיפולים מטרתם ניקוי העור משאריות, משיכבת האפידרמיס ומבשר שנותרו, לפני תהליך tannings שהופך את hide ל-leather על ידי טיפול בכרומיום. הכרומיום נקשר לאתרים טעונים בין שרשרות הקולאגן ומונע כניסת מים לתוך ה״פורות״ של העור, כשישים אחוזים מהכרומיום נספגים בעור והיתרה מוצאת דרכה לביוב.

על כל טונה של עור מיוצרים 28-44 מטרים מעוקבים של מי שפכים המכילים חומרים אי-אורגניים, מלחים, H₂S, NH₃, Cr וחומרים אורגניים וביניהם חלבונים.

שינויים אפשריים שמציעה הביוטכנולוגיה:

א. הורדת שערות בעזרת פרוטאזות, ושומנים בעזרת ליפאזות, כלומר טיפולים אנזימטיים במקום כימיקליים.

ב. הפרדת הפסולת החלבונית מהכרומיום אחרי tannings המאפשרת מיחזור של הכרומיום, ושימוש בחלבונים לצורכי מאכל בבעלי חיים.

ג. טיפול אנזימטי של פסולת עשירה בקראטין.

ד. שימוש בליפאזות להורדת שומן מהעור (animal skin) במקום הורדת השומן עם סולבנטים.

עליה בערך התזונתי של תערובת לבעלי חיים והפחתה בפסולת.

הכדאיות הכלכלית בגידול חיות תלויה במזון הניתן לחיה. רוב מקורות התזונה הם דגנים. מעלי גירה כמו בקר, כבש ועז מכילים "rumen", חיידקים המיצרים את כל חומצות האמינו הדרושות ממקורות לא חלבוניים של חנקן. לבני אדם, לעופות ולחזירים אין מיקרואורגניזמים כאלה והם חייבים לקבל מספר חומצות אמינו ממקור חיצוני כדי לאפשר גידול.

הדגנים עניים במתיונין ובליזין, הם מכילים סיבים ויסודות אחרים שלא עוברים ספיגה, ובגלל זה הם מצויים בפסולת, וכך גדלה הכמות שחייבת בטיפול. נמצא שאנזימים המוספים בכמות קטנה לתערובת מעלים את ערכה התזונתי.

אנזימים המפרקים סיבים (צלולז, גלוקנז) משחררים נוטריינטים, מורידים צמיגות ומשפרים את קליטת קרקע המזון, מעלים את הערך האנרגטי עד כדי שלושים אחוזים, ומורידים את כמות ותכולת הזבל. האנזים phytase מעלה ניצול של זרחן החשוב גם לבקר, ומוריד את ריכוזו בזבל. הוספה של חומצות אמינו ״מלאכותיות״ המיוצרות בתסיסה, מורידה את סך כל ריכוז החנקן בתערובת וגם בפסולת. בעתיד, שימוש בהנדסה גנטית יאפשר פיתוח צמחים המנצלים חנקן טוב יותר, בדרך של קיבוע חנקן מהאוויר, ו״להנדס״ את הרכב החלבון המאוזן יותר, יחסית לדרישות התזונתיות של החיה. כדאי להזכיר גם מספר יתרונות בצמחים טרנסגניים, כמו עמידות לחרקים ולמחלות, שינוי בזמן ההבשלה (עגבניות שנשארות קשות לזמן ממושך יותר, כבר נמצאות בשוק בארה״ב), עמידות לעקה (חום, קור, מליחות ויובש), הרכב תזונתי משופר, שינוי הרכב שומנים בגידולי פרי מגדים (שינוי בהרכב חומצות שומן וגם בריוויונן), ביוסינתזה של פלסטיקים המתפרקים בדרך ביולוגית.

תעשיית הבדים

תעשיית ייצור הבדים הינה מורכבת מאוד בגלל שפע החומרים והתהליכים. שלוש הפעילויות  העיקריות הן ייצור סיבים, ייצור של חוט ובד, ופעילויות גימור כמו הלבנה, צביעה ושטיפה.

הסיבים החשובים הם כותנה, צמר וסיבים סינתטיים. ייצור כותנה דורש כמויות גדולות של פסטיצידים, דשנים ומים. טיפולי הגימור נעשים ברוב המקרים בתמיסה מימית, שלתוכה מוספים כימיקלים, שרובם בסופו של דבר יוצאים במי ביוב שדורשים עקב כך טיפול. בכמה שטחים הביוטכנולוגיה יכולה לסייע לייצור יותר נקי:

ייצור של כותנה צבעונית, שמוש בביופסטיצידים, שימוש בביו-דשנים, הלבנה בעזרת אנזימים, שימוש בביוסורפקסנטים (biosurfactants) בכביסה.

לדוגמא, לאחר הלבנת הבד, שוטפים את הבד כדי להוריד עודפים, ושימוש באנזים קטלז שלייצורו דרושים כעשרים וחמישה ליטר מים, חוסך בין 6300 עד 19000 ליטר מים.

ייצור של חומצות אורגניות

לחומצות אורגניות יש שימושים רבים, כמו החמצת מזון, כחומר גלם לייצור פלסטיקים, צבעים, ואסטרים לבושם. התוצר העיקרי שבשימוש כיום הינו חומצת לימון, שמיוצרת בתסיסה של פטריה המותרת לשם יצירת חומרי גלם למזון. החומצה מורידה את ה-pH ומוסיפה לטעם.

בחירת החומצה מבוססת על עלות וגם פונקציונאליות. הפטריה Aspergillus niger הופכת מונו או דו-סוכר לחומצת לימון בגידול אווירני. היבול התאורטי של חומצת לימון הוא 192 גרם לליטר ממול אחד של גלוקוז  (180 גרם לליטר), אך חלק ממקור הפחמן הופך לתאים וחלק מנוצל לתחזוקת התא. היבולים בייצור חומצת לימון מתקרבים לערכים התאורטיים ושיפור בתהליך אפשרי רק אם יהיה אפשרי להעלות את קצב היצירה. ההגבלה ליבול יותר גבוה היא תוצאה של הדרך הביוכימית שבה מיוצרת החומצה בפטריה (המסלול הביוסנתטי, מעגל חומצת הלימון, מוצג בתמונה 4). חקרנו קבוצת פטריות שמייצרת חומצות אורגניות אחרות, שגם הן מהוות תוצרי ביניים של מעגל חומצת הלימון.

תמונה 4: מעגל חומצת הלימון. חיצים מלאים- מסלול חימצוני.חיצים מנוקדים- מסלול חיזורי.

כשחקרנו את הביוכימיה והפיזיולוגיה של הפטריות האלה, נמצא שהביוכימיה של יצירת החומצה הפומרית בפיטריה Rhizopus oryzae ושל החומצה המלית בפטריה Aspergillus flavus (תמונה 5) מאפשרת יבולים יותר גבוהים. הפטריה הצוברת חומצת לימון לוקחת C6 (גלוקוז) והופכת אותו ל־C6 אחר (חומצת לימון), ולעומת זאת הפטריות המייצרות חומצה פומרית ומלית מעבירות את המקור הפחמן (גלוקוז) דרך שרשרת אנזימים אחרים (במקום הכיוון הרגיל - החמצוני - של מעגל חומצת הלימון. בפטריות האלה יש פעילות רבה מאוד בכיוון החיזור של מעגל חומצת הלימון (תמונה 4). 

תמונה 5: גבישי חומצה מלית באספרגילוס פלבוס. הפס הלבן מייצג 5 מיקרון. מקור: מאמר שני ברשימת הספרות

היבול התאורטי האפשרי מגיע למאתיים מול אחוז, ומכל מול סוכר ישנה אפשרות לקבל 2 מולים של חומצה פומרית או חומצה מלית.

ההסבר טמון בשימוש בכיוון המחזר של מעגל חומצת הלימון. התאים קולטים שני פחמן דו חמצני ו-C6 אחד (סוכר) ומתאפשר ייצור של שני C4 (החומצות) כלומר C8.

החומצה הפומרית פחות מענינת מבחינה תעשייתית. בגלל הסימטריה של המולקולה (אין לה איזומרים - תופעה די שכיחה בתוצרים ביולוגיים), והיום הייצור שלה נעשה בדרך כימית ממקטע של נפט.

חומצה מלית קיימת בדמות שני איזומרים (D ו-L) וייצור כימי מביא לתערובת ראצמית, לעומת ייצור ביולוגי המביא לצורת ה-L של החומצה.

לפי החישוב שלמעלה, ממול גלוקוז אפשר תאורטית לייצר 268 גרם בליטר של חומצה L-מלית לעומת 192 גרם בליטר של חומצת לימון.

בייצור של חומצה מלית אנו מקבלים יותר תוצר לכל יחידה של חומר הגלם, ואף שכבר קיים תהליך ביולוגי לייצור של חומצת לימון, יש אפשרות לנצל את חומר הגלם ביעילות גבוהה יותר, פי 1.4. בכך עוד לא מיצינו את יכולת הפטריה Aspergillus flavus לייצר את החומצה. המחקר מתמקד כאופטימיזציה של תנאי התסיסה (קצב ערבוב, ריכוזי זרחן, חנקן ומתכות) וגם במחקר גנטי: שיבוט של גנים שמקודדים לחלבונים (האנזימים) ובקרתם במסלול המחזר, המיוחדים לפטריה זאת. הצלחנו להגיע בינתיים ליבול של 130 מול אחוז חומצה L-מלית בתסיסה על גלוקוז.

הכרת תודה: המחקר על יצירת חומצה פומרית וחומצה מלית נעשה ביוזמת פרופ׳ ישראל גולדברג ובשיתוף פעולה, במחלקה לביוטכנולוגיה וגנטיקה.

ספרות:

1. Citric, Fumaric and Malic Acids. I. Goldberg, Y. Peleg and J.S. Rokem in "Biotechnology

of Food Ingredients" I.Goldberg and R.Williams (eds) Van Nostrand Reinhold 1991

2. Peleg et al., Applied Microbiology and Biotechnology 28:76-79, 1988

ד״ר סטפן רוקם, המחלקה לביוטכנולוגיה וגנטיקה מולקולרית, בית הספר לרפואה של האוניברסיטה העברית והדסה, ירושלים.

פורסם ב"סינתזיס" 10, ספטמבר 1995.

נגיף זעיר מזאיר - צבי עצמון

נגיף האבולה (Ebola) מילא בזמן האחרון את תפקיד האימה הרפואית התורנית. אנשים מזאיר שבמרכז אפריקה אשר נדבקו בנגיף, חלו במחלה קשה וקטלנית, שהתבטאה בשטפי־דם מרובים ובהרס הכבד.

ב־1979 פרצה מחלה ב־55 כפרים ששכנו על גדותיו של נהר האבולה בצפון זאיר. הנגיף, גורם המחלה, זכה אז לשמו, ובאותה שנה אף נראה לראשונה במיקרוסקופ האלקטרונים וצולם. נגיף האבולה נמנה עם משפחת הנגיפים הקרויה filoviridae, ובה סוג אחד בלבד - filovirus. בסוג זה נכללים נגיפי מרבורג, על שמה של עיר בגרמניה שבה זוהו ב־1967, ושלושה גזעים של נגיפי אבולה: זאיר, סודן ו-רסטון. האחרון אינו תוקף בני-אדם אלא קופים בלבד,  ואילו שלושת הראשונים פוגעים גם באדם.

 נגיף האבולה הוא נגיף מוארך, מדמוי תולעת. במרכזו מולקולה חד־חוטית של RNA, והוא פוגע בעיקר בתאי הכבד. סימני המחלה, מופיעים 16-4 ימים לאחר ההדבקה,  והבולטים  מביניהם הם חום גכוה ושטפי דם חיצוניים ופנימיים. החולים סובלים גם מכאבי ראש ושרירים, ובדרך-כלל גם מהקאות. כ-90%-70% מן החולים מתים. נגיף האבולה אינו מתקיים כרגיל בקרב אוכלוסיית האדם. כפי הנראה הפונדקאים הקבועים שלו הן חיות אפריקניות, אולם אלו טרם זוהו. עד כה נודעו  ארבע התפרצויות באוכלוסיות אנושיות, בהתפרצות האחרונה מזאיר קיפחו את חייהם למעלה ממאה בני אדם.

תמונה במיקרוסקופ אלקטרונים של הנגיף דמוי התולעת אבולה־זאיר. זו התמונה הראשונה בהיסטוריה של נגיף זה,

שצולמה על-ידי פרדריק מרפי, חוקר שעבד במרכז האמריקני לבקרת מחלות. הגדלה פי 100,000 לערך.

נגיף האבולה הוא, אמנם, קטלני, אך אינו מידבק במיוחד. אין יודעים באילו נסיבות הוא עובר מן־ המאגר הקבוע שלו בחיות לאוכלוסיות אנושיות. ההידבקות מאדם לאדם נעשית בעיקר באמצעות מזרקים שנעשה בהם שימוש חוזר ומכשירים רפואיים שלא עוקרו כראוי. דם וקיא של חולה בשלב התפרצות המחלה עלולים גם הם להדביק את הבאים אתם במגע. אפשר למצוא נגיפים גם בתוך נוזל הזרע של גברים שחלו, והיו מקרים של נשים שנדבקו מבני-זוג שהחלימו.

למחלה נגיפית זו אין תרופה ואין כנמצא גם תרכיב חיסון. קרוב לוודאי שבעתיד הקקרוב גם לא יהיה חיסון, זאת משום שהאבולה כרגיל אינו מתפרץ כמגפה, וניתן למנוע את התפשטותו בעזרת בידוד מתאים של החולים ושימוש במזרקים וכפפות חד־פעמיים.

פורסם ב"גליליאו" 11, יולי/אוגוסט 1995. 

כולרה - וחלום טוב - צבי עצמון

בפרשה הבאה מככבים שלושה "גיבורים", שהיו יכולים לספק חומר לראיון חושפני מן הסוג הנפוץ כל-כך במקומותינו, ואפילו לדרמה בהמשכים - אם אכן היו אלה גיבורים. אלא שמדובר בחומרים, בניסויים ובניתוחים סטטיסטיים. ובכל זאת: סיפור מרתק ומלא ניגודים.

שלושת ה"גיבורים" הם: רעלן הכולרה, מערכת החיסון ומחלות אוטואימוניות. רעלן הכולרה הוא חלבון המורכב מתת-יחידות הנמנות עם שני סוגים: A ו-B. תת-היחידות A חודרות לתוך תאי המעי ופוגעות בפעולתם התקינה. תת-היחידות B אינן חודרות לתאים ואינן פוגעות בהם, אלא אחראיות לחיבור הרעלן לקולטנים מיוחדים המבצבצים מקרומיות תאי המעי.

מבנה רעלן הכולרה
מקור

מערכת החיסון מקנה לנו עמידות בפני יצורים שהיו ששים "להתנחל" בגופנו - חיידקים, נגיפים, פטריות טפילות, ועוד. ללא מערכת חיסון יעילה היו כל אלה מכריעים אותנו בתוך זמן קצר. ואולם, בהיותה אחראית להדוף כל גורם זר שחודר לגופנו, אחראית מערכת החיסון גם לדחייתם של שתלים רצויים (כמו כליה, לב); היא מעורבת בתגובות אלרגיות למיניהן, וגורמת לעתים מחלות אוטואימוניות, שבהן היא מתקיפה את מרכיבי הגוף עצמו.

זיהוי הפולשים נעשה על-פי מבנים, בעיקר חלבוניים, המבצבצים מעל שטח הפנים שלהם ומכונים אנטיגנים (ובעברית-אנגדים). תאי מערכת החיסון פוגעים רק בפולש הנושא אנטיגנים זרים ולא במרכיבי הגוף; מערכת החיסון אמורה לזהות אנטיגנים עצמיים ככאלה ולא לפגוע בהם. אולם לעתים, מסיבות בלתי ברורות, פועלת מערכת החיסון כנגד מרכיבי הגוף (ראו: גול עצמי", גליליאו 8, עמ' 23); במקרה כזה מתפתחת מחלה אוטואימונית. אחת המחלות האוטואימוניות הקשות היא הטרשת הנפוצה (Multiple Sclerosis), המתבטאת בפגיעה בתפקודם של חלקים שונים של מערכת העצבים. מחלה נוספת היא דלקת פרקים אוטואימונית. לעתים בעקבות כניסתו של אנטיגן זר למערכת העיכול, מתפתחת סובלנות כלפיו. "מה יקרה אם נחבר אנטיגן עצמי, שאותו תוקפת מערכת החיסון של חולה במחלה אוטואימונית, לשרשרת B של רעלן הכולרה? האם בעקבות כך נצליח להשרות סובלנות כלפי האנטיגן העצמי ובכך לרפא את המחלה?" כך שאלו את עצמם ססיל קזרקינסקי (Czerkinsky) ועמיתיו מאוניברסיטת גטבורג בשוודיה.

שאלו ועשו. הם האכילו חולדות החולות במחלה מקבילה למחלת הטרשת הנפוצה באדם, בתצמיד של שרשרת B של רעלן הכולרה המחוברת לחלבון המיאלין הבסיסי - זהו אותו חלבון הנתקף על-ידי מערכת החיסון בחולי טרשת נפוצה. והנה, לטענת החוקרים, די היה במנה אחת בלבד של תצמיד כזה כדי לרפא את החולדות החולות. תצמיד שרשרת B עם אנטיגן מתאים, כשניתן לעכברים הסובלים מדלקת פרקים אוטואימונית, מנע נפיחות במפרקים והרס רקמות. בניסויים מאוחרים יותר הצמידו החוקרים אנטיגנים של שתלי לב לשרשרת B והאכילו בתצמיד עכברים שבגופם הושתלו שתלי לב. שתלים כאלה נהרסים בעכברים בתהליכי דחייה בתוך 12-11 ימים מיום ההשתלה. והנה, בעכברים שבלעו את התצמיד שרדו השתלים זמן כפול. החוקרים מקווים כי מתן מתמשך של התצמיד, והתאמה רבה ככל-האפשר בין האנטיגנים של השתל לאלה של מקבלו, ימנעו אולי כליל את הדחייה, ללא צורך בתרופות המדכאות את מערכת החיסון.

השאלה הגדולה היא האם תוכיח השיטה את עצמה כיעילה גם בבני אדם. מנה חד-פעמית של תצמיד מתאים, הניתנת דרך הפה, שמצליחה לרפא כליל טרשת נפוצה או מחלה קשה אחרת, נראית לכאורה פתרון טוב מדי מכדי להיות אמיתי. אבל אולי בתוך שנה-שנתיים, כך צופים החוקרים, נדע אם חלום טוב זה עתיד להתגשם, ולו חלקית.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 11, יולי/אוגוסט 1995

על מנגנון ההתרבות של נגיף האיידס

 

לאחר הדבקה ראשונית בנגיף איידס (HIV), הוא נעלם כמעט מזרם הדם, ונשאר לכאורה רדום מספר שנים עד להופעתו עם התפרצות המחלה. בשנים האחרונות נמצא שנגיף האיידס מתרבה בבלוטות הלימפה וריכוז התאים המודבקים הולך ועולה באיטיות אך בצורה משמעותית במשך חודשים עד שנים.

שתי קבוצות חוקרים בראשות Wei ו-Ho פרסמו בתחילת השנה עבודות שהראו שטיפול בחולי איידס בתרופות, הביא לירידה מהירה בריכוז הנגיף החופשי בדם תוך מספר ימים, שלוותה בעליה בריכוז התאים מטיפוס CD₄. 

הבעיה בשימוש בתרופות אלה, היא הופעת זנים עמידים, לעתים תוך שבוע. למעשה תופעה זו אינה חדשה, אך החידוש הוא בהצבעה על הדינמיקה של יצירת הנגיף. הם קבעו שמדי יום מסולקים מזרם הדם כ-30% מהמספר הכללי של הנגיפים בדם. מאחר שהריכוז בדם נשאר כמעט קבוע במשך חודשים רבים - קצב התרבות הנגיף כנראה זהה למספר שצוטט לעיל. בצורה דומה הסיקו החוקרים, שקצב יצירת ותמותת תאי CD₄ בנגיף הינו כ-2x10² ליום. 

מה אם כן אחראי לפינוי המהיר של הנגיף מהדם ולאבדן תאי CD₄? התשובה היא המערכת החיסונית: נוגדנים, מערכת המשלים ותאים מקרופגים. תאי T הורגים מזהים תאי CD₄ מודבקים היוצרים אנטיגנים נגיפיים ומתקיפים אותם, רק חלק קטן מתאי CD₄ ״נמלטים״ מהתאים ההורגים וממשיכים ליצור נגיף.

התוצאות הצביעו, שנגיף האיידס מתנהג בדומה לנגיפים אחרים ואין מסתוריות במחזור חייו. הוא אמנם יחודי וחמקו, אך הוא נגיף בכל מקרה.

הדבקה בנגיפי HIV
איור: Victor Padilla-Sanchez, PhD - Wikimedia commons

המקור: Nature 373: 102, 1995

פורסם ב"סינתזיס" 10, ספטמבר 1995.

פיתוח חדש ־ מערכת מפרקת נפט באמצעות חיידקים

 

מערכת לפירוק נפט באמצעות חיידקים שפותחה באוניברסיטת תל אביב, הצליחה לנקות קרקע ספוגה בדלקים למיניהם בבסיס של הצי האמריקני, בעוד טיפול בתכשירים מסחריים מתוצרת ארצות הברית לא נמצא יעיל.

פרופ' יוג'ין רוזנברג ופרופ׳ אליאורה רון וקבוצות המחקר שלהם עוסקים בשנים האחרונות, במסגרת המחלקה למיקרוביולוגיה מולקולרית וביוטכנולוגיה באוניברסיטת תל אביב, בפיתוח שיטות מיקרוביולוגיות למלחמה בזיהום הסביבה.

ארוע זיהום נפט בחופי ישראל 
צילום: איריס האן - החברה להגנת הטבע

במסגרת המחקרים פותחה מערכת, המתבססת על אוכלוסיית חיידקים שמפרקים נפט ביעילות, והופכים אותו למים ולדו תחמוצת הפחמן. הייחוד של המערכת הזאת הוא בכך, שהיא מתאימה גם לטיפולים בשטח פתוח, כמו ים או חוף.

המחקר של הפרופסורים רון ורוזנברג הינו חדשני ומתקדם ביותר בעולם ונוסה כבר בשדה, הלכה למעשה, במספר מקומות בארץ ומחוצה לה.

החוקרים רוזנברג ורון זכו בפרס ״מגשים ישראל יפה״ לשנת 1994 מידי נשיא המדינה על טיפול מוצלח שבוצע בזיהום דלק במפרץ חיפה באמצעות טכנולוגיה שפיתחו

תקלה שאירעה באוניה שעגנה במפרץ חיפה, גרמה בעקבותיה לזיהום הדלק החמור ביותר בשנים האחרונות של מאות טונות דלק כבד, אשר נחתו תוך מספר שעות בחופים החוליים הנקיים שבין קריית ים ובין שפך נחל הנעמן.

איזור זה מכיל גם שמורת טבע להטלת הביצים של צב הים, ולכן היתה חשיבות מרובה לסילוק מהיר של הזיהום, אשר גרם באופן מיידי לנזקים אקולוגיים חמורים שהתבטאו בתמותה של צמחים ובעלי חיים ימיים וגם של ציפורים.

באתר הופעלה השיטה החדשנית של הפרופסורים רון ורוזנברג, לאחר החלטת ראש אגף ים וחופים במשרד איכות הסביבה כי יש לטפל בשטח, מבלי לסלק את חולות החוף, שאין להם תחליף.

בשלב הראשון נערך ניסוי שטח, על מנת לוודא שהשיטה יעילה ואינה גורמת לנזקים אקולוגיים. לאחר הניסוי המוצלח בוצע טיפול בקנה מידה מלא בחוף שנפגע והוא שוקם לחלוטין.

לאחרונה נבדק התהליך בצורה יסודית בארצות הברית, בשיתוף עם החברה האמריקנית הגדולה OHM, המתמחה בטיפול סביבתי. בנסיון שבוצע לטיפול בזיהומי נפט בקרקע בבסיס של הצי האמריקני, שנועד לפינוי ולשימוש אזרחי, נבדקו שלושה תכשירים שונים. תוצאות הטיפול בשני תכשירים מסחריים מתוצרת ארצות הברית היו זהות לאלו של חלקת הביקורת, שלא קיבלה כל טיפול. לעומת זאת, הטיפול היחיד אשר היה הרבה יותר יעיל מחלקת הביקורת, ובצורה שהיתה משמעותית מבחינה סטטיסטית, היה התכשיר שפותח באוניברסיטת תל אביב. תוצאות ניסוי זה  הוצגו בכנס שיקום ביולוגי, ,Bioremediation, שנערך לאחרונה בסאן דייגו, קליפורניה, והוא זכה לתגובות נלהבות.

פורסם ב"סינתזיס" 10, ספטמבר 1995.

כיצד התהוו החיים? - איריס פריי

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

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

מקור התמונה

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

דארווין ומוצא החיים

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

התהוות ספונטנית

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

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

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

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

לואי פסטר - חוקר בלתי תלוי?

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

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

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

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

פתרון מדומה - החיים הם נצחיים

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

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

חיידקים בחללית

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

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

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

השערת אופרין-הולדן

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

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

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

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

האלטרנטיבה השלישית

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

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

הניסוי של מילר - תחום מדעי נולד

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

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

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

שאלת הביצה והתרנגולת

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

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

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

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

חזרה לנקודת המוצא?

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

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

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

חיים - ממתי?

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

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

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

לקריאה נוספת:

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

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

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

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

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

פעילותם של חיידקים צלוליטיים בכרס מעלי גירה - יהושע מירון ודניאל בן גדליה

למרות שמעלי גירה, כבני אדם וכחד קיבתיים אחרים, משוללים אנזימים צלוליטיים מתוצרת עצמית, הריהם מסוגלים לנצל מזונות מגוונים, ובהם מספוא עשיר בדופן תא צמחי, המורכב מפחמימות מבניות, צלולוז והמיצלולוז, כמקור לאנרגיה. יכולת זו של מעלי גירה, אשר מאפשרת גם לאדם לנצל מזונות שאינו יכול לנצלם בעצמו, נובעת מנוכחות מיקרואורגניזמים בכרס מעלי הגירה, שהתמחותם הינה תהליכי פירוק הדופן הצמחי. ממחקרים שנערכו בשנים האחרונות, עולה כי אוכלוסית הפרוטוזואה והפטריות שבכרס מעלי הגירה אינה שותפה באופן מכריע בתהליכי הפירוק האמורים, אלא קיימים מינים מסוימים של חיידקים צלוליטיים והמיצלוליטיים, שהתמחו בפירוק הפחמימות המבניות מן הדופן, עובדה המאפשרת את ניצול המזון הצמחי על ידי מעלה הגירה הפונדקאי.

סידרת מחקרים לאפיון ולזיהוי של החיידקים הדומיננטיים בתהליכי הפירוק, וללימוד מנגנוני הספיחה והאקטיביות , במגוון חומרי מספוא תאיתיים, נערכה בשנים האחרונות ביחידה המטאבולית שבמכון וולקני. המימצאים פורסמו בכתבי עת בינלאומיים, ולאחרונה בעברית ב"השדה" (כרך ע"ד, חוברת ז, תשנ"ד) ותמציתם מתפרסמת להלן, יחד עם התיאוריה, שגובשה על פי אותם מימצאים, ביחס לשלבי הפעולה הנחוצים לחיידקי כרס מעלי גירה, לשם פירוק דופן התא הצימחי.

חמישה זנים עיקריים של חיידקים בודדו ואופינו,במחקר שערכנו, מכרס פרות שניזונו על שחת אספסת. קבוצות מחקר נוספות, מארה"ב, קנדה וסקוטלנד, מצאו כי אותם חמישה זני חיידקים מפרקים את פחמימות המבנה ברוב חומרי המספוא והליגנוצלולוזות המקובלים בהזנת מעלי גירה. חמשת הזנים מפורטים להלן:

• : Fibrobacter succinogenes:
  חיידק גראם נגאטיבי, בעל תצורת מתג קצר, אשר צלולוז, כסילן, המיצלולוז וכנראה פקטין, הינם הפולימרים העיקריים המשמשים לו סובסטראט. רוב הקווים הם בעלי כושר פירוק דופן תא במבחנה, כושר ניצול סוכרי הדופן התאי המפורק להתרבות הינו נמוך עד בינוני, ומוצרי התסיסה הינם אצטאט, סוקצינאט ופורמאט.
  
  
• Ruminococcus flavefaciens:
  חיידק גראם פוזיטיבי, בעל תצורת כדור, אשר צלולוז, כסילן והמיצלולוז, הינם הפולימרים העיקריים המשמשים לו סובסטראט. לקו 17 כושר גבוה לפירוק דופן תאי במבחנה (לקווים אחרים כושר נמוך), כושר ניצול סוכרי הדופן התאי המפורק להתרבות הינו בינוני, ומוצרי התסיסה הינם אצטאט, סוקצינאט, פורמאט ומימן.
  
  
• Ruminococcus albus:
  חיידק גראם פוזיטיבי, בעל תצורת כדור, אשר צלולוז לא גבישי, כסילן והמיצלולוז, הינם הפולימרים העיקריים המשמשים לו סובסטראט. לקו 3SY כושר גבוה לפירוק דופן תאי במבחנה (לקווים אחרים כושר נמוך), כושר ניצול סוכרי הדופן התאי המפורק להתרבות הוא גבוה מאד, ומוצרי התסיסה הינם אצטאט, אתנול, מימן ופחמן דו חמצני.
  
  
• Butyrivibrio fibrisolvens:
  חיידק גראם נגאטיבי, בעל תצורת מתג מאורך, אשר כסילן, המיצלולוז, חלבון, פקטין, עמילן וצלולוז לא גבישי, הינם הפולימרים העיקריים המשמשים לו סובסטראט. לרוב הקווים כושר נמוך עד בינוני לפירוק דופן תאי במבחנה, כושר ניצול סוכרי הדופן התאי המפורק להתרבות הוא גבוה מאד, ומוצרי התסיסה הינם אצטאט, בוטיראט, פורמאט וכנראה לקטאט.
  
  
• Bacterioides ruminlcola:
  חיידק גראם נגאטיבי, בעל תצורת מתג קצר, אשר כסילן, המיצלולוז, חלבון, פקטין ועמילן, הינם הפולימרים העיקריים המשמשים לו סובסטראט. לרוב הקווים כושר מועט לפירוק דופן תאי במבחנה, כושר ניצול סוכרי הדופן התאי המפורק להתרבות הוא גבוה מאד, ומוצרי התסיסה הינם אצטאט, בוטיראט, ISO-VFA ואמוניום.
  
  

בדיקה מורפולוגית של החיידקים במיקרוסקופ אלקטרוני סורק, בטכניקת הכנה חדשנית (שימוש בפריטין קטיוני) לייצוב פני השטח של החיידקים, העלתה כי שלושת הזנים הראשונים המנויים לעיל, שגודלו על דופן תאי שחת אספסת כמקור בלעדי לפחמימות, התאפיינו בפני שטח חוץ קפסולאריים מגורגרים ובעלי בליטות, שכונו "תקביצי פוליצלולוזום" (ראו תמונה), כינוי שמקורו בדמיון המורפולוגי שבין הבליטות שעל פני שטח חיידקי הכרס, לבין מבנים דומים שכונו כך בחיידק Clostridium thermocellum ובחיידקים צלוליטיים אחרים.

חיידקי Fibrobacter succinogenes 2BL הספוחים על דופן תאי קש באזור של פיונית טבעית.
שים לב לפתיחת תלכידי הצלולוזום והפיכתם לשלוחות שקושרות את החיידק לדופן.
(הגדלה פי 35,000)

אותם שלושה זני חיידקים, כאשר גודלו, לעומת זאת, על סוכרים מסיסים, צלוביוז או גלוקוז, כמקור פחמימות בלעדי, הפגינו פני שטח חלקים, ללא תקביצי פוליצלולוזום. כאשר נבדק כושר החיידקים להסתפח לצלולוז, לאחר שהורגלו לפני הספיחה למצע גידול המבוסס על דפנות תאים של אספסת או למצע שכלל צלוביוז מסיס כמקור פחמימות בלעדי, נתגלה כי החיידקים שהורגלו לגדילה על דופן תא צמחי, היו בעלי כושר ספיחה לצלולוז, גדול מאשר זה של החיידקים שגודלו על סוכר מסיס. שימוש במיקרוסקופ אלקטרוני סורק, בהמשך המחקר, לימד כי גידול זני חיידקים אלו על מצע מעורב, שכלל דופן תאי אספסת עם צלוביוז מסיס, גרם לאפיון פני השטח של החיידקים הספוחים לחלקיקי דופן התא, בהופעת תקביצי פוליצלולוזום.

ממימצאים אלה ניתן היה להסיק, כי החיידקים הצלוליטיים הספוחים לדופן התא, עוברים כתוצאה מן המגע בחלקיקי דופן התא, אינדוקציה גנטית חיובית הגורמת לייצור תקביצי הפוליצלולוזום, תכונה שמועברת לדור החיידקים הבא, ומסייעת בתהליכי הספיחה, ההתישבות על דופן התא ופירוקו. לעומת זאת, בנוכחות סוכר מסיס, צלוביוז או גלוקוז, אשר מנוצל ביעילות לגדילה, אין החיידקים נזקקים להשקעת האנרגיה הנדרשת לשם ייצור הפוליצלולוזום, עובדה המותירה את פני השטח החיידקי חלקים ומפחיתה את כושר הספיחה שלהם. מסקנה זו נתמכת כיום בעדויות נוספות שפורסמו בספרות.

בהמשך המחקר, נסרקו במיקרוסקופ אלקטרוני סורק פני השטח של קווים מסוימים של חיידקי F. succinogenes וחיידקי B. fibrisolvens, שגודלו בתרביות נקיות, ובשילובים של צימדי חיידקים, על מיגוון רחב של דפנות תאים מצימחי מספוא שונים ומליגנוצלולוזות. קווי F. succinogenes שגודלו על דפנות תאים מכל המקורות הצמחיים, אופיינו בנוכחות תקביצי הצלולוזום, בעוד שחיידקי B. fibrisolvens נתגלו כבעלי פני שטח חלקים, גם כשהיו צמודים לחלקיקים.

הכושר לפרק את דופן התא הצימחי, של חיידקי כרס שונים, נבחן בסידרה של חומרי מספוא וליגנוצלולוזות. קווי F. succinogenes מצטיינים ביותר בפירוק דופן התא (בכל המצעים שנבדקו, פורקה הצלולוזה טוב יותר מאשר המיצולולוז), בעוד שקווים של חיידקי B. fibrisolvens, R. flavefaciens ו-R. albus, מפגרים אחריהם.

המסקנות מנסיונות אלה ואחרים, בהם גודלו צימדי זנים של חיידקי כרס על דפנות תאים מבודדות של מיני שחת וליגנוצלולוזות, היו כדלהלן:

בכל שילובי צימדי הזנים שנכדקו, לחיידקי F. succinogenes היה תפקיד מפתח בקביעת דרגת הפירוק של דופן התא.

השפעת גומלין חיובית נמצאה בין זני F. succinogenes לבין זני B. fibrisolvens או B. ruminlcola, ביחס לפירוק וניצול של פחמימות דופן התא.

השפעת גומלין חיובית נמצאה בין זני R. flavefaciens ו-R. albus לבין זני B. fibrisolvens או B. ruminlcola, ביחס לפירוק וניצול של פחמימות דופן התא.

השפעת גומלין שלילית נמצאה בין זני F. succinogenes, R. flavefaciens ו-R. albus.

בדיקה במיקרוסקופ אלקטרוני סורק, של אתרי ההתישבות של חיידקי הכרס, בריקמות הגבעול והעלה של חומרי המספוא שנבדקו, לימדה כי מושבות צפופות של חיידקים קיימות רק בריקמות הפרנכימה, הפלואם וההובלה החשופות, מהן קולפה שיכבת המגן של תאי האפידרמיס, המצופה בקוטין. לעומת זאת, חיידקים בודדים בלבד נמצאו ברקמות שמוגנות באפידרמיס.

על סמך המימצאים והמסקנות שתוארו, גובשה תיאוריה ביחס למנגנון ולשלבי פעולת החיידקים הצלוליטיים, בעת פירוק חלקיקי דופן תאי צימחי בכרס של מעלי גירה, והיא מפורטת להלן: < br>

המספוא התאיתי מורטב ומנוטרל ע"י הרוק, ויחדיו עם גריסתו בשיני מעלה הגירה, במהלך תהליכי העלאת הגירה, מוגדל שטח הפנים החשוף של ריקמות הצמח.

אל חלקיקי הצמח החשופים והשבורים נספחים במהירות חיידקים בכרס מעלה הגירה, תהליך אשר בו משתתפים בעיקר חיידקי F. succinogenes ו-R. flavefaciens.

אינדוקציה גנטית ליצירת תקביצי פוליצלולוזום חוץ קאפסולריים מתרחשת בחיידקים הצלוליטיים הספוחים לחלקיקים, בעקבות המגע עם דופן התא. התקביצים המיוצרים בכל החיידקים המתישבים באתר, מסייעים בספיחה לחלקיקים ובפירוק הדופן התאי.

באיזורים חשופים מאפידרמיס מתחילה התרבות מהירה של חיידקי R. flavefaciens והתרבות איטית יותר של חיידקי F. succinogenes.

דרך הקצוות השבורים או הגמצים הטבעיים נעשית חדירה אקטיבית של זני F. succinogenes וחלק מהזנים של R. flavefaciens, אל תוך החלל התאי הצמחי.

קשרים גליקוזידיים בסיבוני הצלולוז מפורקים, וכן חל פירוק מצומצם יותר של סוכרי ההמיצלולוז המקושרים לליגנין ולפנולים, תוך ריווח הדופן המישני, בכיוון השכבות 3S, 2S ו1-S.

חיידקים נוספים, בעיקר R. albus, B. fibrisolvens ו-B. ruminlcola, הגדלים במהירות על פרגמנטים קיצרי שרשרת שמשתחררים מדופן התא, נכנסים לפעולה.

מתפתחת אוכלוסיה מישנית של חיידקים מנצלי חומצה, לרבות מתאנוגנים, באיזור הדופן המפורק.

תוך 24 שעות מפורקות ריקמות הפארנכימה והשיפה, כמו גם חלק מהאפידרמיס והסקלארנכימה וחלק קטן ביותר מן העצה.

תפקיד הפרוטוזואה בפירוק הדופן אינו ברור. כנראה שפטריות הכרס אינן משתתפות בפירוק הדופן במשך 24 השעות הראשונות לשהות חלקיקי הדופן התאי בכרס.

עבודת מחקר זו נועדה לסייע בהבנת מנגנון פעולת החיידקים הפעילים בפירוק דופן תאי צמחי בכרס מעלי גירה. לעבודה עשויות להיות השלכות חשובות בכיוונים שונים: היא עשויה לקדם פיתוח צמחי מספוא עתידיים, בעלי ערך תזונתי רב, שיתרום להגדלת תנובת החלב, השומן והחלבון בפרות חלב, ולגדילה מהירה שאינה מלווה בהשמנה של עגלים ושל טלאים. היא עשויה לקדם הנדסה גנטית בחיידקי הכרס, לשם הגדלת נצילות המספוא הגס בכרס, וקבלת מוצרי תסיסה בהתאם לצורכי המגדל.

ד"ר יהושע מירון ופרופ' דניאל בן גדליה - היחידה המטאבולית, מכון וולקני 

פורסם ב"סינתזיס" 9 , עמ' 33-32, יוני 1995