הקדמה:
אנחנו הופכים את הדף ועוברים להרצאה הבאה. כאן, בצד ימין, הייתי רוצה לצייר מפה ללא שמות של מקומות. צריך להיות ברור שזו מפה, וצריך להיות ברור שבמפה הזאת עובר גבול מותווה בעיפרון, המחלק את המפה לשניים. אנחנו מכירים סיפורים על מלחמות שפרצו ועל דם שנשפך מכיוון שדיפלומטים וגנרלים ציירו במפותיהם גבולות בקו מאוד עבה, שאחר-כך, בשטח, עורר מחלוקת עזה סביב השאלה היכן בדיוק עובר הגבול. פרופ’ שניאור ליפסון מתעניין בגבול כזה, אבל לא עבה, אלא דק ומדויק ככל האפשר: קו הגבול המבדיל את הדומם מהחי.
פרופ’ ליפסון, פרופסור אמריטוס במכון וייצמן למדע ברחובות, הוא אחד מבכירי המדענים בישראל וכולכם ודאי מכירים אותו. רק לשם שלמות ההצגה, לצורך התיבה הקטנה הזאת בצד ימין של העמוד למטה, אומר שהוא במקצועו פיסיקאי-כימאי, שהוא היה המנהל המדעי של מכון וייצמן למדע ורקטור האוניברסיטה הפתוחה, ושכיהן בעוד כהונות רבות במדע הישראלי. פרופ’ ליפסון ירצה על אחדות הטבע וייחוד החיים.
אסא כשר
אחד הפיסיקאים הגדולים של אמצע המאה הנוכחית, מקס דלברוק (Delbruck), לא האמין תחילה שהכוחות הפועלים בעולם הדומם, בהתאם לחוקים המוכרים של מכניקת הקוואנטים, דיים להסביר את המסתורין של החיים. אולם לאחר שעבר את הרוביקון והחל לעסוק במו ידיו בביולוגיה ניסויית, הוקסם מן האפשרות להבין את סודות החיים תוך שימוש בחוקי הפיסיקה והכימיה התקפים בעולם הדומם והחי כאחד. כך היה דלברוק לאחד מגדולי החלוצים של הביולוגיה המולקולרית, העוסקת בחקר תופעות החיים מנקודת הראות של הפיסיקה המולקולרית.
הנושא שברצוני להציג בפניכם הוא מה ניתן ללמוד מן הביולוגיה המולקולרית על אחדות הטבע החי והדומם מחד, ועל ייחוד החי מן הדומם מאידך, ובמיוחד כיצד ניתן להבין את היווצרות התכונה הייחודית ביותר לחיים, הלא היא ההתנהגות התכליתית, כתוצאה של ברירה טבעית בחומר דומם. אחלק את דברי לשלושה חלקים: האחד, סקר תמציתי של אותן התגליות של הביולוגיה המולקולרית הדרושות לענייננו; השני, כמה הערות על התכליתיות וההסבר הדארוויניסטי לקיומה לעומת המטאפיסי (טלאונומיה לעומת טלאולוגיה); ולבסוף, הצגת עיקרי התהליך המולקולרי של התהוות החיים מחומר דומם.
הביולוגיה המולקולרית לא נולדה ביום אחד, אך יש יום שניתן לראותו כיום המהפכה של הביולוגיה המולקולרית, הלא הוא ה-25 באפריל 1953, תאריך פירסומו של מאמרם הקצרצר (ראה תצלום) של ואטסון וקריק (Watson and Crick), שבו הם מציעים מבנה של סליל כפול למולקולות הדנ״א, ומסיימים במשפט לאקוני המהווה שיא של לשון ההמעטה הבריטית המפורסמת: ״לא נעלם מעינינו כי הצימוד המיוחד שהצענו מצביע מיד על מנגנון אפשרי לשיעתוק החומר הגנטי״. היתה זו תגלית מהפכנית ומדהימה בפשטותה, שגררה מבול של תגליות שחשפו וממשיכות לחשוף בזה אחר זה את הסודות הכמוסים ביותר של החיים.
רבים לפניהם ביקשו לדעת את מבנה הדנ״א ואת פשרו כנושא האינפורמציה התורשתית. היה זה הביוכימאי אדווין צ׳רגף (Chargaff), פליט יהודי מווינה שמצא מקלט באוניברסיטת קולומביה שבארה״ב, שחקר ביסודיות את הביוכימיה של הדנ״א.
הדנ״א היא מולקולת ענק הבנויה כשרשרת של יחידות רבות העשויות מארבעה בסיסים השונים זה מזה בפרטים, אך שייכים לאותה משפחה, משפחת הנוקלאוטידים. הבסיסים קרויים אדנין (א), גואנין (ג), תימין (ת) וציטוזין (צ). צ׳רגף גילה בהם חוקיות מופלאה, שאת פשרה לא הבין: למרות שדנ״א שבודד מיצורים שונים הכיל כמויות שונות של ארבעת הבסיסים, התקיים תמיד היחס א=ת, ג=צ, כלומר כמות יחידות מטיפוס א שווה לזו של יחידות מטיפוס ת, וכמות יחידות ג שווה לזו של יחידות צ. באותה התקופה, בין שנות ה-40 וראשית שנות ה-50, התמקדה תשומת לב רבה בבעיה מיהו נושא האינפורמציה התורשתית — האם זה החלבון, או שמא הדנ״א או צירוף של שניהם. כמו כן, ההתעניינות בבעיות הקשר בין המבנה הכימי והתיפקוד הביולוגי התחילה לחרוג מתחומי הביוכימיה. כמה פיסיקאים דגולים, ובהם לינוס פאולינג (Pauling) ומקס פרוץ (Perutz), התחילו להשתמש בקרני x כדי לפענח את המבנה של מולקולות ביולוגיות.
לפיכך לא ייפלא, כי בכמה מעבדות בעולם, בייחוד בבריטניה, ניסו לפענח את מבנה הדנ״א בעזרת קרני x. אך לפני שעלה בידיהם של פאולינג, פרנקלין (Franklin), וילקינס (Wilkins) ואחרים לפרש את תמונות ההתאבכות של קרני x, השיגו ואטסון וקריק מווילקינס די אינפורמציה כדי להציע מבנה לדנ״א: סליל כפול הבנוי משני סיבים מקבילים, שבו כל א על הסיב האחר צמוד לת על הסיב השני, וכן כל ת על הסיב האחד צמוד לא על השני; בדומה מופיעים גם הג והצ כזוגות צמודים על שני הסיבים המקבילים. מבנה זה התאים לתגלית של צ׳רגף. רעיונם המבריק של ואטסון וקריק היה כי לפי מבנה זה יכול כל סיב לשמש תבנית לשיעתוק הסיב המשלים, והתוצאה המהפכנית היא שמולקולת הדנ״א יכולה לשכפל את עצמה ולהוות בכך את הבסיס המולקולרי לשיכפול האינפורמציה התורשתית בתהליך ההתרבות של תאים.
מאמרם הכה בהלם את הקהילייה האקדמית ועורר סערה שלא היתה כמוה, הן בזכות הפשטות המדהימה של מבנהו והמסקנות המהפכניות שנבעו ממנו על מנגנון התורשה, והן בגלל הדרך הנועזת שבה הגיעו החוקרים לתוצאתם. הם עשו זאת בעבודת שבועות ספורים, תוך ניצול ממצאיהם של חוקרים אחרים, שהשקיעו עמל חיים כרי להגיע לתכלית הנכספת.
מה בין דומם לחי
אלפי מחקרים שהתפרסמו בעשרות השנים שחלפו מאז לא זו בלבד שאיששו בשלמות את עיקרי המודל של ואטסון וקריק, אלא גם חשפו במלואו את הבסיס הכימי — הן של תורת התורשה המנדלאית והן של תורת האבולוציה הדארווינית. לא כאן המקום לסקור את כל הישגיה של הביולוגיה המולקולרית, אך את העניין המרכזי הראשון בנושא דברינו ניתן לתמצת כבר עתה כדלקמן: הביולוגיה המולקולרית אומרת וחוזרת ואומרת בכל אחת מתגליותיה: אין לנו צורך בשום טענה, בשום הסבר, בשום הבנה שאינם נובעים מן הפיסיקה והכימיה של החומר הדומם. לא קיים שום כוח מיוחד, השונה מן הכוחות הפועלים בטבע הדומם, שנוכחותו דרושה כדי לתאר ולהסביר את תופעות החיים. במלים אחרות: הביולוגיה המולקולרית מעידה כמאה עדים על אחדות הטבע הדומם והחי.
מכאן מתבקשת מאליה השאלה המשלימה: מה יכולה הביולוגיה המולקולרית ללמדנו על ייחודו של החי מן הדומם? כיצד אותם הכוחות השולטים בעולם הדומם גורמים להופעת מבנים ותהליכים שהם ייחודיים ואופייניים לחיים ולחיים בלבד? כדי להשיב על שאלה זו עלינו לברר מה ההבדל היסודי בין החי לדומם, הבדל שכל יתר ההבדלים נגזרים ממנו, ומה מקורו של הבדל זה.
מה שעושה את תופעת החיים ייחודית הוא התיאום המופלא בין תהליכים כימיים ופיסיקליים מורכבים ביותר, שבהם משתתף מספר עצום של מולקולות שונות. את רוב המולקולות אנו מכירים, רבים מן התהליכים אנו מבינים, וכל זאת בזכותה של הביולוגיה המולקולרית: אולם עדיין עלינו להבין כיצד נתמקדו כל אלה בזמן ובמקום ליחידה הפועלת בהרמוניה, הלא היא התא החי. דווקא היכרותנו עם פרטי התהליכים של התא החי לא מותירה שום ספק לגבי המסקנה שהופעת החיים מחומר דומם אינה יכולה להיות אירוע פתאומי, מעבר חד מחומר דומם לחומר חי. אמנם כבר במאה ה-19 הוכיח לואי פסטר, כי גם היצורים הפרימיטיביים ביותר אינם נוצרים מחומר דומם, אולם רק עתה, לאור הישגי הביולוגיה המולקולרית, יודעים אנו עד כמה מורכבים הם תהליכי החיים והמבנים המולקולריים המקיימים אותם בתא החי. לפיכך, צירופם האקראי למערכת המתפקדת כתא חי, ואפילו הפרימיטיבי ביותר, לא ייתכן, כשם שלא ייתכן כי מטוס סילון או אפילו שעון ״פשוט״ ייווצרו מאליהם מתוך צירופם המקרי של חומרים ועצמים אלה או אחרים. מה שמאפיין יצירת מטוס, שעון, מכשיר, מכונה או כל מערכת14 דומה, הוא השימוש בתכונות החומרים וניצול חוקי הטבע שנבחרו במפורש לשם השגת התכלית שלשמה נבנתה המערכת. כמו המכונה, כך גם התא החי הוא מערכת מאורגנת, שכל חלקיה וכל התהליכים החלים בה מכוונים להשגת התכלית הראשונית של האורגניזם החי, הלא היא המשך הקיום האינדיווידואלי, היינו הישרדות ה״פנוטיפ״, מחד, וההתרבות או הולדת הצאצאים — כלומר הישרדות ה״גנוטיפ״, מאידך.
כיצד אותם הכוחות השולטים בשלם הדומם גורמים להופעת מבנים ותהליכים שהם ייחודיים ואופיינים לחיים ולחיים בלבד?
תכונת התכליתיות היא סימן ההיכר היסודי ביותר של החומר החי, מן הנגיף ועד האדם, המבדילה בינו לבין הדומם. לשם הבנתנו את החומר הדומם והחוקים השולטים בו אין צורך במושג התכלית ואף אין לו כל משמעות. אפשר כמובן לומר כמטאפורה, כי כל הנחלים שואפים אל הים, או כי ״חופים הם לפעמים געגועים לנחל״, אך המציאות הפרוזאית היא כי זרימת המים בנחלים היא תוצאה של חוקי הגרוויטציה, ההידרודינמיקה והתרמודינמיקה, שבהם אין למושגי התכלית, השאיפה והגעגועים חלק ונחלה. לעומת אלה, בכל תופעות החיים מתגלה התכליתיות כתכונה דומיננטית המטביעה את חותמה על המבנה והתיפקוד של כל היצורים החיים על כל רמותיהם, למן רצף הנוקלאוטידים בדנ״א ועד ליכולת החשיבה של המוח האנושי. לפיכך נטייה טבעית היא בבני-אדם, בייחוד באלה שהמתוד המדעי אינו נהיר להם או אינו מקובל עליהם, לראות בתכליתיות תכונה על-טבעית, או חוץ-טבעית, שאינה ניתנת לפי תחושתם להסבר מדעי, בדומה לתכונות אנושיות או שאיפות, געגועים או בחירה חופשית. נטייה זו מונחת ביסודה של הטלאולוגיה, שהיא תורה בפילוסופיה, הדנה בתכליתיות ורואה בה קטגוריה נפרדת, השייכת כולה לעולם הרוח ואינה ניתנת להשגה בעזרת חוקי הטבע הגשמי. התכליתיות היא לפי תפיסות אלה ניגודה של הסיבתיות ה״מכאניציסטית״, ולא ייתכן כי תהיה מוסברת על ידה. בשימושה בהבנת תופעת החיים הטלאולוגיה היא מפלטו האחרון של הוויטאליזם, שהחוט המקשר את כל גילוייו במשך מאות שנים הוא הטענה שהחי שונה מן הדומם במשהו שהוא מחוץ לגדר הטבע.
האבחנה בין טלאונומיה לטלאולוגיה דומה מאוד לאבחנה בין אסטרונומיה לאסטרולוגיה
טלאולוגיה לעומת טלאונומיה
במאמרו ״האם מסבירה התורשה את ההתפתחות״ (״מדע״, כרך כ״ז, ע׳ 116, 1983), מפתח פרופ׳ ישעיהו ליבוביץ את התפיסה הטלאולוגיה בהרחבה, מתוך עיונים בהשקפותיהם של עמנואל קנט, קלוד ברנרד ואחרים. לפי טענתו, ״אין ביכולתנו להבין, ואפילו לדמות כיצד יפיקו חוקי הטבע המכניים מערכות מאורגנות״, שכן ״התכליתיות של15 ההתפתחות, התהוות האורגניזם השלם מן הביצה המופרית, אינה נגזרת מן הסיבתיות של הכימיה הגנטית”. חוקי הטבע אינם אלא ״רשות מבצעת״, ואילו ״ההתפתחות, שהמכניזם שלה עדיין פתוח לפנינו לגמרי, היא התגלמות של רשות מחוקקת”.
המתוד המדעי הוא ניגודה המוחלט של התפיסה הטלאולוגית. המדע מחפש את החוקים השולטים בתופעות ואת הקשר הסיבתי ביניהן. אין הוא מייחס את קיומה של תופעה להתגלמות תכלית שהיתה טבועה בתופעות שקדמו לה. אין הוא שואל לשם מה, אלא משום מה וכיצד. לפיכך היתה ההתנהגות התכליתית של גופים חיים לעומת זו הסיבתית של גופים דוממים חידה סתומה עד להופעת ״מוצא המינים״ של דארווין, כשם שההתנהגות השונה של גרמים שמימיים וארציים היתה חידה סתומה עד להופעת ״פרינקיפיה״ של ניוטון.
דארווין היה זה שהציע פתרון מדעי להתפתחותן ההדרגתית של תכונות תכליתיות ביצורים חיים. תורת דארווין מצביעה על הברירה הטבעית כעל מנגנון המבטיח הישרדותן של תכונות המועילות להמשך הקיום הפנוטיפי והגנוטיפי, והכחדתן של תכונות מזיקות. לפני דארווין אכן לא ניתן היה להבין ואפילו לדמות כיצד יפיקו חוקי הטבע המכניים מערכות מאורגנות. אחרי דארווין לא ניתן להתעלם מן הטענה הפשוטה כי בברירה טבעית נוצרות בלי הרף תכונות תכליתיות חדשות, שהן הבסיס להופעת מינים חדשים המותאמים לתנאי החיים של סביבתם יותר מאלה שקדמו להם והוכחדו במהלך האבולוציה. וו הסיבה שממסדים דתיים נזעקו להילחם עד חורמה בדארוויניזם, וממשיכים בדבקות במלחמה זו עד היום. וו גם הסיבה לכך שהפילוסופיה הטלאולוגיה שוללת את הדארוויניום או מנסה להתעלם ממנו, או שהיא מפרשת אותו לפי דרכה. לעומת כל אלה, רואה הביולוג בתכליתיות, אם אינו כבול בכבלי הדת או המטפיסיקה הטלאולוגית, תכונה טבעית של האורגניזם החי, שניתן להבינה כתוצאה של הברירה הטבעית, בלי להזדקק לטיעונים מטאפיסיים. היטיב לבטא השקפה זו פרופ׳ ברנרד דייוויס מאוניברסיטת הרווארד. בהרצאת הפתיחה שלו בכנס על מנגנוני בקרה בתא החי הוא מתייחם לטלאולוגיה ואומר:
״רוב הביולוגים, בבואם להשתמש במונח טלאולוגיה כדי לציין התפתחותם של מבנים ומנגנונים שיש בהם תועלת, מתכוונים במפורש או במשתמע לתכונות שהן תוצאה של הברירה הטבעית ולא של צפיית הנולד מכוח עליון, כמובנו המקורי של המונח. אולם השימוש במונח זה עלול לעורר ספק בנוגע להתייחסות הדתית של המשתמש בו, ולפיכך, ברצוני לתמוך בהצעה לאמץ את המונח טלאונומיה בכדי לתת ביטוי מפורש למובן שניתן עד כה לטלאולוגיה בפי הביולוגים. אני נזכר באימרתו של פון בריקה (Brucke) כי הטלאולוגיה היא כאותה גברת שבלעדיה אין הביולוג יכול לחיות, אך להיראות בחברתה בציבור הוא מתבייש. אם שינוי השם פירושו כי גברת זו והביולוג יהיו נשואים זה לזה מעתה כדת וכדין, ייתכן שצאצאיהם הרבים יורשו ביתר קלות לבוא בקהלנו״. גם ז׳ק מונו (Monod), בספרו המרתק על המסקנות הפילוסופיות של הביולוגיה המולקולרית (Chance and Necessity), מעדיף להשתמש במונח טלאונומיה לאיפיון ״כל המבנים, הביצועים והפעילויות התורמים להשגתה של מטרה״ במערכת ביולוגית. גם אני אשתמש בהמשך דברי בטלאונומיה כשם כולל לכל התכונות והתופעות שיש בהן מיסוד התכליתיות מבלי שיש בהן שמץ של חריגה מתחום התופעות הטבעיות. לדידי, האבחנה בין טלאונומיה לטלאולוגיה דומה מאוד לאבחנה שבין אסטרונומיה לאסטרולוגיה.
שאלת מוצא החיים
התא החי הוא מערכת מאורגנת שכל חלקיה וכל התהליכים החלים בה מכוונים להשגת התכלית הראשונית של האורגניזם החי, הלא היא המשך הקיום האינדיווידואלי
מחקריו של דארווין עסקו בהתהוות מינים חדשים במהלך האבולוציה, כתוצאה של שינויים הדרגתיים בתכונות התורשתיות של המינים הקיימים. לפי תורת דארווין, קיומם של יצורים חיים הנאבקים על קיומם, כלומר המהווים כשלעצמם מערכת טלאונומית, הוא תנאי הכרחי ל״הישרדות הכשירים ביותר״ (Survival of the fittest), כלומר להופעת שינויים טלאונומיים במערכת. לא היתה במחקריו של דארווין תשובה לבעיה של מוצא החיים, של היווצרות חומר חי מחומר דומם, או במלים אחרות — לבעיה של הופעת תכונות טלאונומיות לראשונה. דארווין עצמו היה מודע לחשיבות הבעיה של מוצא החיים, אך דחה כל התייחסות אליה, כיוון שלא היו בידיו — ביתר דיוק: בידי המדע בן-זמנו — הכלים הדרושים להתמודד איתה. הביולוגיה המולקולרית העמיקה, הרחיבה וביססה את תורת דארווין על יסוד מולקולרי מוצק, ובכך סללה את הדרך לחקר מוצא החיים. הבה נתמצת בקיצור את תרומותיה העיקריות של הביולוגיה המולקולרית לדארוויניזם, בייחוד אלה שיש להן נגיעה לחקר מוצא החיים.
ראשית, אנו יודעים את פרטי הצופן הגנטי הטבוע בדנ״א16 בצורת הרצף של הנוקלאוטידים א, ג, צ, ת, את כל המנגנונים שבעזרתם מתורגם הצופן הגנטי משפת הנוקלאוטידים לשפת החלבונים, וכיצד מופעל הצופן הגנטי על ידי התא החי לשם יצירת החלבונים המבצעים את כל הריאקציות הכימיות של התא. אנו גם מכירים את תהליכי הבקרה להפעלתן ולדיכויין של ריאקציות אלה לפי צורכי התא. לאחרונה התחיל להתפענח גם הבסיס המולקולרי לתהליכי ההתמיינות של תאים שונים בגוף בהתאם למקומם ותפקידם. לבסוף, אנו מכירים במידה לא מעטה את הבסיס המולקולרי של תהליכי הרבייה התאית, כולל מנגנוני שיכפול הדנ״א והכרומוזומים המכילים אותו בתאים בעלי גרעין.
שנית, אנו מכירים את המנגנונים הרבים הגורמים, חלקם באקראי וחלקם במתכוון, לשינויים ברצף של הנוקלאוטידים המהווים את הדנ״א. אנו מכירים גם את המנגנונים המופקדים על שימור הצופן הגנטי ועל תיקון הטעויות המשתרבבות לתוכו בתהליך השיכפול, על מנת לשמור על אותה מידת דיוק מרבית של האינפורמציה המשוכפלת הדרושה להמשך התיפקוד של התא החי.
כתוצאה מן הברירה הטבעית מתקיים שיווי משקל בין המנגנונים המשמרים את הצופן הגנטי ובין אלה הגורמים לשינויים (מוטציות) בצופן, כיוון שעודף מוטציות פוגם בכושר ההישרדות של המינים, ואילו שימור-יתר של הצופן פוגם בכושר ההסתגלות שלהם לתנאים המשתנים. שיווי משקל זה משתנה בתהליך האבולוציה לטובת מנגנוני השימור. ככל שהאורגניזם משמר יותר אינפורמציה גנטית, כך ניתן לו לפתח תהליכים מורכבים יותר בעלי תכונות מועילות יותר.
המדע מחפש את החוקים השולטים בתופעות ואת הקשר הסיבתי ביניהן. אין הוא שואל לשם מה, אלא משום מה וכיצד
שלישית, אנו עדים לאחידות המופלאה של כל החיים על פני כדור הארץ, למן החיידקים והנגיפים הפשוטים ביותר ועד לצורות העילאיות של החי והצומח: בכולם מצויים אותם נוקלאוטידים, אבני הבניין של הצופן הגנטי, אותו מנגנון התירגום לשפת החלבונים, אותם חלבונים לאותם תפקידים בתא. לעומת זאת, אנו עדים להבדלים בין פרטי המבנה הכימי של חלבונים אלה אצל יצורים שונים. הבדלים אלה תואמים להפליא את רצף האבולוציה הביולוגית מן הצורות הפרימיטיביות ביותר ועד לעילאיות ביותר. למשל, ההמוגלובין של האדם דומה הרבה יותר לזה של הקופים העילאים מאשר לזה של היונקים הרחוקים ממנו בסולם האבולוציה. ואכן, חקר המבנה הכימי של חלבונים אלה אצל יצורים שונים מספק היום אותה האינפורמציה שסיפק בעבר חקר המאובנים להבנת התפתחות המינים. אלא שאינפורמציה זו היא עשירה יותר, מהימנה יותר, מקיפה יצורים רבים יותר וחודרת הרבה יותר רחוק לנבכי העבר. אפילו באחידות המבנה של הצופן הגנטי נתגלו פרצות. קיימים בתאים גופיפים הנושאים דנ״א משלהם ומשתכפלים בנפרד משיכפול התאים. הצופן הגנטי של גופיפים אלה (מיטוכונדריות) שונה בחלקו מזה של הצופן הגנטי של התא עצמו. גופיפים אלה הם שרידים של תאים פרימיטיביים ביותר, שהתקיימו לפני מיליארדי שנים ואשר חדרו לתאים אחרים ויצרו איתם מערכת של קיום בצוותא (סימביוזה). לימים, משנשתנו תנאי הקיום, נכחדו תאים פרימיטיביים אלה כיצורים עצמאיים, והמקום היחיד שבו שרדו מאז הוא פנים התא, שאיתו קיימו יחסי גומלין של תלות הדדית.
ראשית הברירה הטבעית בחומר הדומם
מכל אלה נובעות שתי מסקנות ראשוניות לגבי חקר מוצא החיים: האחת, כי הברירה הטבעית היא ביסודה תהליך כימי, והשנייה, כי התא החי, ואפילו הפרימיטיבי ביותר, הוא עדיין מערכת טלאונומית כל-כך מורכבת, שבשום אופן אי-אפשר לראות בה את השלב הראשוני של התהוות החיים מחומר דומם. לפיכך אין מנוס מן המסקנה, שהיא הנושא המרכזי והתכלית של דברי: הברירה הטבעית התחילה בחומר דומם, כתהליך כימי שקדם להופעת החיים והיה תנאי להתהוותם. הדנ״א, הצופן הגנטי, החלבונים — כל אלה נוצרו כתוצאה של תהליך אבולוציוני של ברירה (סלקציה) בחומר שעדיין לא ניתן לכנותו חומר חי, כיוון שעדיין לא היו לו תכונות טלאונומיות מובהקות. מנגנון של ברירה טבעית הקנה לו תכונות כאלה, ומאז ואילך התפתח בהדרגה עד שהגיע לצורת התא החי. את שלבי ההתפתחות הזאת אין אנו יודעים, כיוון שלא נמצאה דרך לשחזר את אשר אבד, אך ביכולתנו להסביר בעיקרון כיצר תהליך כזה יכול היה לקרות, ולתאר את התכונות העיקריות של שלביו ההכרחיים. תיאור הברירה הטבעית בחומר דומם מחייב כמובן שימוש במושגים, דרכי חשיבה ומונחים של הכימיה והפיסיקה, אך במסגרת דברי כאן אשתדל לסבר גם את אוזניהם של אלה שהכימיה והפיסיקה אינם בראש מעייניהם. לשם כך הכינותי רשימה מזערית של מושגים ומונחים בכימיה, שבה ורק בה אשתמש להלן. עיון ברשימה זו עשוי להקל על הקוראים את הבנת המשך דברי, ואולי לתת להם תחושה שהם יודעים כימיה יותר משהיה נדמה להם (ראה מסגרת).
ובכן, סיפורנו מתחיל בתקופה הקדם-ביולוגית, שהתקיימה על פני כדור הארץ לפני יותר משלושה מיליארד (שלושת אלפים מיליון) שנים. כעתה כן אז היה כדור הארץ מוקף אטמוספרה, ופניו התחלקו לימים ויבשות, אולם ההרכב הכימי של האטמוספרה ופני הארץ היו שונים מאוד משהם היום. ישנן השערות רבות בעניין זה, ולכל אחת סימוכין משלה, אך17 פרטים אלה אינם מענייננו. די לנו להניח שהן באטמוספרה והן בימים נמצאו תרכובות רבות, שונות ומשונות, וביניהן התחוללו בלי הרף ריאקציות כימיות. אלה מביניהן שהתפרקו לאט ונוצרו מהר ומחומרי מוצא המצויים בשפע היו כמובן נפוצות יותר מאלה שנוצרו לאט ומחומרי מוצא נדירים והתפרקו מהר. רבות מן הריאקציות זורזו על ידי זרזים (קטליזטורים), וככל שהזירוז היה יעיל יותר, כך גדל ריכוזם של התוצרים ופחת ריכוזם של חומרי המוצא. מותר להניח כי קרינת שמש, שינויי טמפרטורה, ברקים וקרינה קוסמית השתתפו גם הם בחגיגה הכימית הגדולה.
הברירה הטבעית החלה בחומר הדומם בתהליך כימי שקדם להופעת החיים והיה תנאי להתהוותם
מולקולות הן החלקיקים הזעירים ביותר המהווים את החומרים שמסביבנו. מולקולה בנויה מאטומים הקשורים ביניהם בקשרים כימיים.
ריאקציה כימית היא תהליך שבו משתנים קשרים כימיים. בריאקציית קישור או הרכבה (סינתזה) נוצרים קשרים כימיים. בריאקציית פירוק (דיסוציאציה) הם ניתקים. חומרים המקיימים ביניהם ריאקציה כימית נקראים חומרי מוצא, ואלה הנוצרים על ידי הריאקציה נקראים תוצרים.
זרז (קטליזטור) הוא מולקולה המחישה את מהלך הריאקציה בלי שהיא עצמה תשתנה על ידי הריאקציה. בתהליך הזירוז (קטליזה) סופח הזרז אליו זמנית את המולקולות המשתתפות בריאקציה ועל ידי כך מקל עליהן את תהליך הקישור (ספיחה היא התחברות של אטומים או מולקולות בכוח חלש מזה היוצר את הקשר הכימי).
זירוז עצמי (אוטוקטליזה או תהליך אוטוקטליטי) הוא תהליך שבו התוצר של הריאקציה (או אחד התוצרים, אם נוצר יותר מתוצר אחד) זהה לזרז. בגלל חשיבותו לדיוננו, מן הראוי שנגדיר את הזירוז העצמי ביתר פירוט: נתאר לעצמנו שני חומרים A ו-B הנכנסים לריאקציה בנוכחות זרז C. אם התוצר של הריאקציה הוא עצמו C, הרי C אינו זרז סתם אלא זרז עצמי.
כאשר מולקולות נקשרות זו לזו כחוליות בשרשרת, קוראים לחוליה מונומר ולשרשרת פולימר. רנ״א הוא פולימר טבעי הבנוי, כמו הדנ״א, מנוקלאוטידים (בסיסים), אך בסיסיו שונים במקצת מאלה של הדנ״א, ואין הוא יוצר, בדרך כלל, סליל כפול.
כל פולימר, טבעי או סינתטי, הבנוי מנוקלאוטידים, קרוי פולינוקלאוטיד. פוליפפטיד הוא פולימר הבנוי מחומצות אמיניות הקשורות זו לזו בקשרים פפטידיים. חלבונים הם פוליפפטידים המשרתים בתא החי בתפקידים שונים.
אנזים הוא חלבון המשמש כזרז.
עתה הבה נמקד את תשומת ליבנו בתוצר מן התוצרים, ודווקא באחד הנדירים ביותר. ייתכן שנדירותו נבעה מכך שחומרי המוצא שלו אף הם היו נדירים, וייתכן כי ליצירתו היה דרוש זרז וזה לא נזדמן אלא לעיתים רחוקות. בין כך ובין כך, אם נוצרה מולקולה נדירה ואם לא האריכה ימים, הרי משהתפרקה נותר הסיכוי להיווצרותה שנית קטן כשהיה, העולם נשאר כשהיה, והמולקולה היתה כלא היתה. אם היתה מולקולה נדירה זו זרז לריאקציה מסוימת, הרי כל זמן שהתקיימה, רבו תוצרי אותה ריאקציה, אך עם היעלמה — נעלמו גם הם במשך הזמן. לא כן הדבר אם אותה מולקולה נדירה היתה לה התכונה של זירוז עצמי (אוטוקטליזה), כלומר אם היתה לה הסגולה לזרז ריאקציות שיצרו מחומרי המוצא המצויים בסביבתה מולקולות הזהות לה עצמה. במקרה זה ייתכן שעוד לפני שהתפרקה שיכפלה מולקולה זו את עצמה, כלומר יצרה עוד אחת כמוה, ושתיים אלה יצרו עוד שתיים כמותן. כך נוצרו משתיים ארבע, מארבע שמונה וכן הלאה וכן הלאה, על פי טור גיאומטרי (64,32,16,8,4,2,1…). גידול לפי קצב כזה קרוי גידול אקספוננציאלי. כזה הוא קצב גידול אוכלוסיות לפי תורת מלתוס (Malthus), שהשפעתה היתה רבה על מחקריו של דארווין, לפי עדותו של דארווין עצמו. זהו גם קצב הריאקציה בפיצוץ גרעיני. לגבי המולקולה שבה עסקינן ניתן לומר, שאם גם היתה התהוותה הראשונית מאורע נדיר ביותר, הרי משנוצרה, תפח ריכוזה בסביבתה עד לגבול שבו החלו חומרי המוצא ליצירתה לאזול. מכאן ואילך המשיך18 החומר שהיה מורכב מאותן מולקולות אוטוקטליטיות להיווצר בהתאם לקצב שבו המשיכו להיווצר חומרי המוצא שלו.
נסכם דיון זה בקביעה, שלזירוז העצמי יש תכונה ייחודית שאין לשום ריאקציה כימית אחרת, והיא הכושר להפוך חומר נדיר לחומר שכיח. במקום שבו נוצרה אי-פעם באקראי מולקולה אוטוקטליטית אחת, והתקיימו בו התנאים להתרבותה, השפיע תהליך ההתרבות על כל התחלקות ריכוזי החומרים בסביבתה. היא עצמה הפכה מתופעה מיקרוסקופית לתופעה מאקרוסקופית, כלומר לכמות חומר הניתנת לצפייה ולמדידה. חומרי המוצא שלה פחתו בהתאם, וריכוזי כל יתר החומרים המקיימים בדרך ישירה או עקיפה ריאקציות כימיות עם חומרי המוצא של אותה המולקולה השתנו אף הם. מולקולות אוטוקטליטיות מקיימות לפיכך תהליך כימי הדומה לתהליך הרבייה הביולוגית, וקיומן הוא התנאי הראשון הדרוש, אם כי אינו היחיד, להתהוות חיים מחומר דומם. קיומן מסביר בדרך כימית, בלי להסתמך לא על טיעונים טלאולוגיים או טלאונומיים ולא על מעשי ניסים, כיצר תיתכן התופעה המופלאה לכאורה של שכיחותן של תרכובות שהופעתן הראשונית היא בהכרח מאורע נדיר ביותר. הדנ״א וכל מרכיבי התא החי הנוצרים בהשראתו באמצעות הצופן הגנטי שייכים כמובן לקטגוריה זו.
נמשיך עתה ונשאל, מה קרה אם בתהליך האוטוקטליזה חלה ״טעות״ כלשהי. טעות פירושה שהמולקולה האוטוקטליטית לא זירזה הפעם יצירת מולקולה זהה לה, ובמקום זה נוצרה מולקולה השונה ממנה במעט או בהרבה. אם מולקולה חדשה זו עצמה לא היתה אוטוקטליטית, הרי טעות זו נשארה בגדר מאורע בודד וחסר חשיבות, אולם אם תוצר הטעות היה אף הוא מולקולה אוטוקטליטית, הרי עתה באו לעולם שתי מולקולות אוטוקטליטיות שונות. שונות במה? אם נזקקו שתיהן לשם שיכפולן בחומרי מוצא שונים, אזי כל אחת מהן התרבתה באופן בלתי תלוי בשנייה; אך אם שיכפולן, במלואו או בחלקו, נעשה מאותם חומרי המוצא, כפי שסביר להניח בגלל הדמיון שביניהן (שהרי השנייה אינה אלא טעות בשיכפול האחת), הרי בהכרח נוצר ביניהן מצב של תחרות על חומרי המוצא. כל עוד חומרי המוצא היו מצויים בשפע, המשיכו שתיהן להתרבות, אם כי לא בהכרח באותו הקצב. זו שהתרבתה יותר מהר והיתה יותר יציבה, ריכוזה הלך וגדל בקצב רב מזה של רעותה. אולם הרי ראינו שבמוקדם או במאוחר חייבים חומרי המוצא לאזול, מחמת עוצמתו האקספוננציאלית של הגידול האוטוקטליטי. לכן חייב היה להגיע רגע שבו שני האוטוקטליזטורים יחד צרכו חומרי מוצא בקצב השווה לקצב היווצרותם של חומרים אלה. אולם, הואיל וקצב הגידול של שניהם היה שונה, היה קצב הגידול של המולקולה האחת גדול מקצב פירוקה ולכן זו המשיכה לגדול, ואילו קצב הגידול של המולקולה האחרת היה קטן מקצב פירוקה, ולכן היא החלה לפחות. כשנוצר מצב כזה, היתה עדיפות ברורה לאותה מולקולה ששיכפלה עצמה בקצב מהיר יותר ו/או התפרקה בקצב איטי יותר, ואילו בת-תחרותה היתה בנחיתות מוחלטת. בסופו של דבר נעלמה המולקולה הנחותה כליל ונשארה זו העדיפה. ואין זה משנה אם העדיפה היתה המולקולה המקורית או השגויה. לפנינו דוגמה כימית טהורה של העיקרון הדארוויניסטי של “הישרדות הכשיר ביותר״.
בכדי שברירה טבעית בין מולקולות אוטוקטליטיות תגרור בעקבותיה תהליך אבולוציוני, לא די, כמובן, בשתי מולקולות אוטוקטליטיות. דרוש קיומו של אוסף גדול מאוד של מולקולות אוטוקטליטיות שכולן תלויות באותם חומרי מוצא ושכולן או חלקן עשויות ״לשגות״ בתהליך הזירוז העצמי ולהרחיב בדרך זו את האוסף חדשות לבקרים. ברירה טבעית באוסף כזה עשויה להימשך בלי גבול ולהעשיר בלי הרף את מרכיביו בתכונות חדשות שנקנו על ידי ״הישרדות הכשיר ביותר״. ואכן, הדנ״א של כל היצורים החיים היום בעולם, מן החיידקים ועד לכולנו, הוא אוסף שכזה, אוסף גדול מאוד. כל המולקולות המהוות אותו שונות זו מזו בסדר הבסיסים; כולן משכפלות עצמן בלי הרף; כולן תלויות בדרך זו או אחרת באותם חומרי המוצא; ובכולן אכן קורית פה ושם טעות בתהליך השיכפול.
לזירוז העצמי יש תכונה ייחודית שאין לשום ריאקציה כימיה אחרת, והיא הכושר להפוך חומר נדיר לחומר שכיח
בכדי להבין את מוצא החיים עלינו לשאול מה נשתנה בין אוסף הדנ״א הקיים היום בעולם החי והצומח ובין אוסף בעל תכונות דומות שהתהווה לפני 4-3 מיליארדי שנים. ההבדל המהותי ביניהם הוא אחד ויחיד: האוסף הקיים כיום יש לו היסטוריה בעלת מיליארדי שנים של ברירה טבעית, ואילו האוסף הראשוני ציין את ראשית דרכה של היסטוריה זו. אולם ניתן לפרק הבדל זה לשלושה מרכיבים עיקריים, בהסתמך על תהליכי החיים המוכרים לנו מן הביולוגיה המולקולרית. תהליכים אלה, חלקם משותפים לכל היצורים החיים ומעידים על תכונות יסוד שנשתמרו במשך מיליארדי שנים, וחלקם שונים אצל יצורים פרימיטיביים כאותם סוגי חיידקים שהשתנו מעט מאוד מאז ראשית החיים, או כאותן מיטוכונדריות בתאים שהזכרנו לעיל, אשר הצופן הגנטי שלהם שונה מן הצופן האוניברסלי.19
ראשית, השיכפול העצמי של הדנ״א נעשה בעזרת מנגנון מתוחכם של אנזימים, שהסינתזה שלהם מוכתבת על ידי הצופן הגנטי הטמון בדנ״א עצמו, ואילו השיכפול הקמאי תרם כמובן להתהוותו של מנגנון זה. שנית, חומרי המוצא לתהליך השיכפול של הדנ״א, הלא הם ארבעת הבסיסים א, ת, ג, צ, מיוצרים על ידי התא, ותהליך ייצורם אף הוא מוצפן בצופן הגנטי ואילו חומרי המוצא של השיכפול הקמאי חייבים היו להיות זמינים מראש. שלישית, תהליך השיכפול של הדנ״א מתקיים בפנים התא החי, כלומר בסביבה סגורה ומוגנת שהיא עצמה פרי הברירה הטבעית, ואילו השיכפול הקמאי התקיים בסביבה של חומר דומם.
איננו יודעים מה היו המונומרים שמהם נוצר לראשונה באקראי הפולימר הקמאי המשכפל עצמו ואלו חומרים נוספים השתתפו בזירוז התהליך של יצירתו. נקל להניח כי בראשית היה השיכפול של אותו זרז עצמי איטי ובלתי מדויק, ופעמים רבות נעלמו התוצרים מן העולם בלי להשאיר זכר. אולם משקרה המקרה ונוצר זרז עצמי בעל כושר הישרדות מספיק, החלו הוא והזרזים העצמיים שנוצרו ממנו בטעות להתרבות, והתהליך של ברירה טבעית נכנס לפעולה. זרז עצמי כזה חייב היה להיות פולימר הדומה במשהו לפולינוקלאוטידים של התא החי, שאם לא כן לא היתה האבולוציה יכולה להוליך ממנו אל התא החי. עדיפות בברירה הטבעית היתה לאותן שרשרות פולימריות ששיכפלו עצמן מהר יותר, שהתפרקו לאט יותר, ואשר שימרו ביתר דיוק את סדר המונומרים לאורך השרשרת, כיוון שאלה התרבו יותר מאחרות, ובתחרות על חומרי המוצא שרדו הן על חשבון האחרות.
אין לנו שום ידיעה או אפילו השערה כיצד נוצר הצופן הגנטי
לו היה האוסף מורכב מפולימרים קצרים בלבד, היה מספר הצירופים האפשריים של סדר המונומרים מוגבל, והברירה הטבעית היתה מגיעה לסופה חיש מהר עם הישרדות הפולימר ״המוצלח ביותר״. לא כן הדבר אם ה״טעויות” בשיעתוק כללו גם הגרלה הדרגתית של אורך הפולימרים. התארכות השרשרת מגדילה באופן עצום את מספר הצירופים השונים של סדר המונומרים, ובדרך זו מעמידה בפני הברירה הטבעית אפשרויות בלתי-מוגבלות. לכן יש לשער שכך קרה בהיסטוריה של הברירה הטבעית של הזרזים העצמיים. תחילתה בשרשרת פולימרית קצרה בעלת תכונות חסרות ייחוד כלשהו פרט לכושר השיכפול העצמי. בהמשכה נוצרו שרשרות ארוכות יותר, שהסיכוי להתהוותן באקראי היה אפסי, אך כושר ההישרדות שלהן בתנאים שהתקיימו בסביבתן היה גבוה, כיוון שהברירה הטבעית הקנתה להן תכונות ייחודיות שהבטיחו את הישרדותן. תכונות אלה ראויות להיקרא תכונות טלאונומיות, ואוסף שרשרות פולימריות בעלות תכונות כאלה מייצג את ראשית המעבר מן החומר הדומם לחומר החי.
ניסוי מעבדתי מעניין
התיאור דלעיל של ראשית ההתהוות של תכונות טלאונומיות בחומר דומם אינו אלא ניסיון לבטא בשפה יומיומית, פשוטה ככל האפשר וללא שימוש בנוסחאות מתמטיות, את עיקרי רעיונותיו של פרופ׳ מנפרד אייגן (Eigen) הכתובים במאמרו Self Organization of Matter and the Evolution of Biological Macromolecules.
אנו עדים לאחידות המופלאה של כל החיים על פני כדור הארץ. למן החיידקים והנגיפים הפשוטים ביותר ועד לצורות העילאיות של החי והצומח
אייגן ועוזריו גם ביצעו ניסוי מעבדתי שבו הופגנה לראשונה האפשרות של יצירה קמאית של מולקולות בעלות תכונות טלאונומיות. הם הכינו תמיסה שהכילה את הבסיסים א, ת, ג, צ, בריכוזים שווים, ואנזים המזרז שיכפול של הרנ״א של נגיף מסוים, אך לא הכילה רנ״א כלשהו. כעבור שעות מספר נוצרה מאליה שרשרת קמאית של פולינוקלאוטידים שהחלה לשכפל את עצמה תוך שגיאות. כעבור כמה עשרות דורות של שיכפול עצמי נוצר בכלי רוב עצום של פולינוקלאוטידים בעלי רצף ייחודי של בסיסים, אותו רצף שהשתכפל מהר ביותר בתנאים ששררו בכלי. כאשר חזרו על אותו הניסוי בתנאים שונים, נשתנה ההרכב של השרשרת ה״מנצחת״ ונשתנו תכונותיה. למשל, כאשר הניסוי התבצע בטמפרטורה גבוהה, נוצר ״זן״ עמיד בפני חום; כאשר הכניסו לתמיסה מלכתחילה אנזים המפרק קשרים מסוימים בין נוקלאוטידים אך אינו פוגע בקשרים אחרים, נוצר ״זן״ עמיד בפני אותו אנזים, כלומר רצף המכיל רק את אותם הקשרים בין נוקלאוטידים שאין בכוחו של האנזים לפרקם. עמידות בפני חום, כמו עמידות בפני אנזים ״עוין״, היא ללא ספק תכונה טלאונומית. נוסיף ונציין כי בסידרת ניסויים שלא נפרטם כאן הוכיח אייגן כי אכן בתחילת התהליך נוצר בכלי אוסף מגוון של פולינוקלאוטידים שונים, ורק כתוצאה מן הברירה הטבעית נשרד ה״זן״ המתאים ביותר לסביבתו.
מערכת של פולימרים המשכפלים עצמם, ולו גם ביעילות גבוהה, אינה אלא שלב מעבר מן הדומם אל החי, והדרך ממנה ועד לראשית החיים עדיין ארוכה. עדיין חסרים בה השלבים השני והשלישי שמנינו לעיל לגבי ההבדלים בין דנ״א והמערכת הקמאית. בכדי להגיע אליהם חייבת היתה מערכת זו להתקרב בהדרגה, בדרך של ברירה טבעית, לשלבים גבוהים יותר של התנהגות טלאונומית, שהוליכו בסופו של דבר לאספקה עצמית של חומרי המוצא לשיכפול עצמי וליצירת תא מוקף קרום, שהוא הסביבה שבה מתקיימים תהליכי החיים. שלב מכריע בדרך זו היה התהוותו של הצופן הגנטי, שבו סדר הנוקלאוטידים מכתיב יצירתם של חלבונים, שהם הזרזים לכל הפעולות הכימיות המקיימות את החיים כתהליך מאורגן. אין לנו עדיין שום ידיעה או אפילו השערה כלשהי כיצד נוצר הצופן הגנטי. אולם נוכל לומר במידה מסוימת של ביטחה, כי קדמו ליצירתו תהליכים פשוטים יותר של אינטראקציה בין פולינוקלאוטידים המשכפלים עצמם, שדמו במעט או בהרבה לרנ״א של היום, ובין פולינוקלאוטידים הבנויים מחומצות אמיניות, הקרויים פוליפפטידים, שדמו במעט או בהרבה לחלבונים של היום. אם הפולינוקלאוטידים והפוליפפטידים סייעו זה לזה בדרך של זירוז כימי הדדי, כלומר אם כל אחד זירז ישירות או בעקיפין את היווצרותו של האחר, יכלה להיווצר מערכת משולבת המשכפלת עצמה, בתחילה אמנם תוך טעויות רבות. מכאן יכלה הברירה הטבעית להוליך בהדרגה להיווצרות מערכת משולבת בעלת צופן גנטי, הסגורה בתוך קרום שדרכו היא מקבלת את חומרי המוצא הדרושים לתיפקודה, והמשכפלת עצמה כיחידה מאורגנת, כלומר לתא חי.
בסיכום, למרות שאנו רחוקים מרחק רב מלגלות את פרטי תהליך האבולוציה מן הזרז העצמי הקמאי ועד לתא הראשוני על כל מרכיביו, יכולים אנו לתמצת את עיקרו של התהליך במשפט אחד; קיומן של מערכות אוטוקטליטיות וברירה טבעית ביניהן בעולם טרום-ביולוגי הוא התנאי ההכרחי להיווצרות חיים מחומר דומם בדרך הטבע, בלי התערבות ״כוח עליון״. ■21
