שיכפול ראשון

01.06.2000
כל אחד מהריבועים מתאר אבולוציה של טיפות ליפידים כפי שהיא מתקבלת במודל המתמטי
 
 
הדרך שבה נוצרו החיים בכדור-הארץ הקדום היא אחת התעלומות המרכזיות בעולם המדע. התפיסה המקובלת בתחום זה אומרת, שישויות חיות מתאפיינות ביכולתן לשכפל את עצמן. חיידקים, צמחים ויצורים חיים אחרים יכולים, כידוע, לשכפל את עצמם (תוך יצירת שונות גנטית מסוימת בינם לבין צאצאיהם). אבל כיצד התפתחה היכולת הזאת? או, במלים אחרות, כיצד הופיעו החיים? המדענים סבורים, שעוד לפני האבולוציה של היצורים החיים התחוללה על כדור-הארץ הקדום אבולוציה כימית, שבה פעלה ברירה טבעית בין חומרים דוממים. על פי ההשערה הזאת, בשלב כלשהו באבולוציה הכימית נוצרו - באופן ספונטני - מולקולות שהיו מסוגלות לשכפל את עצמן. רגע זה נחשב על ידי רבים לרגע שבו נבראו החיים בעולמנו. מדענים רבים, במקומות שונים בעולם, המבקשים להוכיח את התיאוריה הזאת, מנסים זה זמן רב לתאר - ואולי אף לשחזר - את הדרך שבה אבולוציה כימית בין חומרים דוממים עשויה להוביל להיווצרות ספונטנית של מולקולות בעלות יכולת שיכפול עצמי.
 
שיכפול של מערכות מולקולריות מתקשר ליכולת להעביר ולהעתיק מידע. לפיכך, מדענים רבים נטו עד כה לשער, שהחיים החלו בהיווצרות ספונטנית של מולקולות שרשרתיות ארוכות, דוגמת אר-אן-אי, די-אן-אי או מולקולות של חלבונים שונים. מולקולות אלה, המצויות בכל התאים החיים הקיימים כיום, מכילות מידע הצפון בסדר של היחידות הכימיות המרכיבות את השרשרת המולקולרית. ניסויים שנועדו לחקות את התנאים שהתקיימו בכדור-הארץ הקדום לפני כארבעה מיליארד שנה הראו, כי אבני הבניין של המולקולות האלה אכן היו יכולות להיווצר באותה תקופה, באופן ספונטני. אבל עד כה לא הוכח כי אבני הבניין אכן יכלו להצטרף יחד ולהרכיב את המולקולות השרשרתיות צופנות המידע, העשויות, בתנאים מסוימים, לשכפל את עצמן.
 
הניסיונות למצוא מוצא מן המבוי הסתום הזה הובילו את פרופ' דורון לנצט, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, ואת תלמידי המחקר שלו, דניאל סגרה ודפנה בן-אלי, למסע חיפוש אחר חלופה לתיאוריית ההיווצרות הספונטנית של האר-אן-אי והחלבון. הם פיתחו מודל המתאר דרך חדשה להבנת ראשית החיים. על פי המודל הזה, היווצרות החיים היתה עשויה לנבוע מאבולוציה של מבנים העשויים מולקולות של ליפידים, שהם חומרי דמויי שומן. מודל זה תואר באחרונה במאמר שפירסמו החוקרים בכתב העת המדעי "רשומות האקדמיה האמריקאית למדעים" (PNAS).
 
הליפידים מהווים מרכיב עיקרי בקרומים המקיפים את התא ואת הגרעין המצוי במרכזו. הם בנויים משני חלקים: האחד "אוהב מים" והשני "שונא מים" (בדומה למולקולת סבון). אלה מולקולות פשוטות יחסית, והוכח שהן היו עשויות להיווצר בכדור-הארץ הקדום. בשל הרכבם המיוחד יכולים הליפידים ליצור ספונטנית מבנים על-מולקולריים גדולים, המכילים אלפי אבני בניין, שחלקן דומות למרכיבים הבונים את קרומיהם של התאים החיים. במחקרים אחרים הוכח שטיפות זעירות של ליפידים, הקרויות מיצלות, מסוגלות לגדול ולהתפצל באופן המזכיר את חלוקתם של תאים חיים. אך בכל אלה אין כדי לענות על השאלה הבסיסית: האם וכיצד יכולים מבנים ליפידיים לאצור ולהעביר מידע?
 
המודל שמציעים לנצט ותלמידיו מציע פתרון אפשרי לשאלה זו. הוא מבוסס על ההשערה, כי בתנאים ששררו על כדור-הארץ הקדום נוצרו אלפי ואף מיליוני סוגים שונים של מולקולות דמויות ליפידים, ועל תחשיב מתמטי שלפיו, בתנאים אלה, יכלו טיפות הליפיד להכיל כמות מידע המשתווה כמעט לזו הגלומה בשרשרות המולקולריות של אר-אן-אי או חלבון. פרופ' לנצט: "המודל שלנו מראה כיצד יכול המידע להיות גלום בהרכב, כלומר ביחס הכמותי שבין אלפי הסוגים של החומרים הליפידיים השונים. אלא שבמקרה זה, שלא כמו במקרים של השרשרות המולקולריות של החלבון ושל האר-אן-אי, אין משמעות לסדר המרכיבים. הדבר דומה למידע הגלום בבושם: המרשם הסודי כולל רק רשימת כמויות של המרכיבים הריחניים, בעוד שסדר ההוספה שלהם לתמהיל הכללי אינו חשוב כלל וכלל".
 
במלים אחרות, לנצט ותלמידיו גורסים שלמבנים הליפידיים הקדמוניים היה מעין "גנום הרכבי", באנלוגיה לגנום ה"סידרתי" (רצף המרכיבים של הדי-אן-אי) המאפיין יצורים בני זמננו. בעזרת המודל המתמטי שיצרו הם מוכיחים, כי לטיפות הליפיד יכלו להיות מעין תכונות תורשתיות. בהדמיות מחשב הם הצליחו להראות כיצד עובר הגנום ההרכבי, במידה מסוימת של דיוק, מ"דור" אחד למשנהו. תהליך תיאורטי זה מבוסס על ההנחה, כי מולקולות דמויות ליפיד, שהיו מצויות כבר בתוך הטיפות, שימשו מעין "ועדת קבלה" למולקולות שביקשו להצטרף אליהן, וכי הן "נעתרו" ו"הסכימו" לקבל כמה מהן ודחו אחרות.
 
המודל של לנצט, סגרה ובן אלי, המבוסס כולו על עקרונות כימיים-פיסיקליים בסיסיים, מדמה את התהליך הכמו-אבולוציוני הזה. הוא מראה כיצד מבנים טיפתיים בעלי הרכב ייחודי נוצרים, גדלים, מתפצלים, משתכפלים, צוברים "מוטציות הרכביות", ומשתתפים בתהליכים סבוכים של ברירה ואבולוציה. פרופ' לנצט: "בתהליכים כאלה, היישות המשתכפלת היא האוסף המולקולרי כולו, ולא אף אחת מן הפרודות הבודדות. זאת בניגוד למודלים קודמים, שתיארו את היווצרות החיים כתהליך שבו היישות המשתכפלת שנוצרה היתה מולקולה בודדת, דמויית אר-אן-אי. נקודת המוצא של המודל החדש מבוססת על כימיה פשוטה, אך התוצאה היא התנהגות סבוכה, דמויית חיים. לפיכך, אנו מקווים שהמודל יוכל להוות את הגשר בין הדומם לעולם החי".
 
המודל זוכה כבר לתמיכת מדענים מרכזיים בתחום, ותואר במהדורה החדשה של ספרו של הפיסיקאי והסופר המדעי הנודע פרימן דייסון, "ראשית החיים". השאלה החשובה הבאה היא: כיצד התרחש המעבר מטיפות ליפידיות למבנים סבוכים הדומים יותר לתאים החיים של היום. במובן זה, המודל החדש הוא בבחינת צעד ראשון בדרך ארוכה.
 
שיכפול ראשון

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם