יש ברירה (טבעית)

06.10.2002
06-10-2002
 
 
בין דומם לחי פרופ' שניאור ליפסון המחלקה לפיסיקה כימית

כיצד נבראו היצורים החיים הראשונים? ברור שבראשית התהוותו של כדור-הארץ ככוכב-לכת במערכת השמש, לפני כחמשת אלפים מיליון שנה, לא יכלו חיים כלשהם להתקיים עליו. מכאן שהחיים התהוו על
פניו בשלב כולשהו בתהליך התפתחותו. כיצד קרה הדבר? או לפחות, כיצד יכול היה לקרות? עד קרוב לאמצע המאה הנוכחית התקיימה מחלוקת בין שני מחנות של מדענים שביקשו לענות על השאלה הזאת.
 
היו מדענים שהאמינו כי חוקי הפיסיקה והכימיה השולטים בחומרנ הדומם יכולים - באופן עקרוני - להסביר את תהליכי החיים. לעומתם היו מדענים ופילוסופים, הקרויים "ויטאליסטים", שהאמינו כי בלעדי  מציאותו הנסתרת של כוח נוסף, "כוח החיים" (מעין תחליף להשגחה העליונה), אי אפשר להסביר את תופעת החיים. אולם הביולוגיה המולקולרית שחוללה מהפכה במדעי החיים במחצית השנייה של המאה העשרים, הצליחה לפענח את רוב סודות החיים והסבירה אותם בשפת הפיסיקה והכימיה, במונחים של מולקולות, של מבניהן ושל תפקודן. מאז ברור כי האמונה ב"כוח -החיים" מיותרת ואף שגויה.
 
מאז ברור שאפשר להסביר את כל תהליכי החיים באמצעות החוקים השולטים בחומר הדומם. השאלה הגדולה היא, אם כן, כיצד יכולים חוקים אלה להסביר את הופעתם של מבנים ותהליכים שהם ייחודיים
ואופיניים לחיים, ולחיים בלבד?
 
התכונה הייחודית לעולם החי, שמנה נובעים כל ההבדלים בין עולם החי ועולם הדומם, היא התכליתיות. לכל דבר בעולם הדומם יש סיבה, יש חוקים שהכל פועל לפיהם. אך לשום דבר אין תכלית. אין תכלית
לאטומים ולמולקולות, ולא להרים ולנהרות. אומנם, ייחוס תכונת התכליתיות לעולם הדומם מושרש עמוק בתודעתו של האדם הפרימיטיבי, ואף מוצא את ביטויו בשירה או באמונה הדתית. אולם מדעי הטבע
מפריכים השקפה זו מכל וכל. יכול ביאליק לומר "שמים בקשו רחמים עלי", יכול שלונסקי לומר כי "הרי אם נדלקים הכוכבים, משמע יש למי חפץ בכך", יכול נתן יונתן לומר כי "חופים הם לפעמים געגועים לנחל", אך אלה הן מטאפורות לחוויות המשורר, ולא תיאורים רציונאליים של המציאות. לכל בר דעת ומשכיל בימינו ברור כי הנחלים זורמים אל הים לא מפני שמאסו בחופיהם, אלא משום שחוקי הכובד וההידרודינמיקה קובעים את תנועת המים במורד; כי הכוכבים "נדלקים" בגלל החום הנפלט מריאקציות גרעיניות המתחוללות במרכזם; וכי השמים אינם אלא האטמוספירה שמסביבנו ומעבר לה משתרע לו החלל הבין-כוכבי.
 
לעומת אלה, כשאנו מסתכלים בעולם החי, אנו רואים מיד שאין בו שום מבנה, שום תופעה, שום תהליך שאינו קשור במישרין או בעקיפין בתכלית כלשהי. בראש ובראשונה ישנן שתי התכליות הבסיסיות של כל
יצור חי: המשך קיומו של היצור עצמו והמשך קיומו של המין שהוא שייך אליו. משתי תכליות אלה נגזרות כל שאר "תכליות המשנה" למן יכולתו של תא להתחלק ועד ליכולתו של מוח לחשוב. חלבונים, חומצות גרעין וכל יתר התוצרים של התא החי, כמו גם איברים באורגניזם הרב-תאי, כל אלה קיימים לתכליתם, שכן אם כל אלה לא יתפקדו כנדרש, לא יוכל התא להתחלק ולא יוכל המוח לחשוב. בדומה לכך, גם קן הציפור, המטוס והמחשב הם עצמים תכליתיים, שכן הציפור או האדם יצרו אותם לתכליתם.
 
התכליתיות היא לכאורה ניגודה של הסיבתיות. סיבה ותכלית נוגדות זו את זו כמו חומר ורוח, כמו גוף ונשמה. הסיבה קודמת מטבעה למסובב. לעומת זאת, מעשה תכליתי מבוסס מלכתחילה על תוצאותיו,
בחינת סוף מעשה במחשבה תחילה. לפיכך, נטייה טבעית היא בבני-אדם, בייחוד באלה שדרך החשיבה המדעית אינה נהירה להם, או שאינה מקובלת עליהם, לראות בתכליתיות תכונה על-טבעית, או
חוץ-טבעית, שאינה ניתנת לפי תחושתם להסבר מדעי, בדומה לתכונות נפשיות כגון שאיפות, געגועים או בחירה חפשית. נטייה זו מונחת ביסודה של הטלאולוגיה הרואה בתכליתיות קטיגוריה נפרדת השייכת
כולה לעולם הרוח, שאינה ניתנת להשגה באמצעות חוקיו של הטבע הגשמי, ושאי אפשר להסבירה באמצעותם. בשימושה לשם הבנת תופעת החיים, הטלאולוגיה היא מפלטו האחרון של הוויטאליזם, שהחוט
המקשר את כל גילויו במשך מאות שנים הוא הטענה שהחי שונה מן הדומם ב"משהו" שהוא מחוץ לגדר הטבע.
 
השיטה המדעית היא ניגודה המוחלט של התפיסה הטלאולוגית. המדע מחפש את החוקים השולטים בתופעות ואת הקשר הסיבתי ביניהן. אין הוא מייחס את קיומה של תופעה להתגלמות תכלית כלשהי. אין הוא שואל "לשם מה?" אלה "משום מה?" ו"כיצד?". לפיכך היתה ההתנהגות התכליתית של גופים חיים בגדר חידה סתומה בהשוואה להתנהגות הסיבתית של גופים דוממים. אלה היו פני הדברים עד להופעת "מוצא המינים" של צ'ארלס דארווין.
 
תורת דארווין מצביעה על הברירה הטבעית כעל מנגנון המבטיח את הישרדותן של תכונות המועילות להמשך הקיום, ואת הכחדתן של תכונות המזיקות לתכלית זו. לפני דארווין אי אפשר היה להבין, ואפילו לדמות, כיצד חוקי הטבע המכניים יכולים להפיק מערכות מאורגנות. אחרי דארווין אי אפשר היה עוד להתעלם מהטענה הפשוטה כי בתהליך הברירה הטבעית בין תכונות מועילות יותר ומועילות פחות, מתפתחות ללא הרף תכונות חדשות שהן הבסיס להופעת מינים חדשים. זו הסיבה שממסדים דתיים שונים נזעקו להילחם עד חורמה בדארוויניזם, וחלקם ממשיכים בדבקות במלחמה זו גם כיום. זו גם הסיבה לכך שהפילוסופיה הטלאולוגית שוללת את הדארוויניזם, מנסה להתעלם ממנו, או שהיא מפרשת אותו לפי דרכה. לעומת אלה רואה הביולוג את התכליתיות כתכונה טבעית של האורגניזם החי, תכונה שאפשר להבינה כתוצאה של הברירה הטבעית, מבלי להזדקק לטיעונים מטאפיסיים. היטיב לבטא השקפה זו פרופ' ב. ד. דייוויס מאוניברסיטת הרווארד. בהרצאה שנשא בכנס על מנגנוני בקרה בתא החי הציע דייוויס את המונח "טלאונומיה" שמשמעותו היא "טלאולוגיה במובן שמתכוונים אליו הביולוגים, כלומר, תכונות שהן תוצאה של הברירה הטבעית ולא של צפיית הנולד מכוח עליון".
 
תורת דארווין מסבירה את התהוותם של מינים חדשים במהלך האבולוציה בשינויים הדרגתיים שהתחוללו בתכונות התורשתיות של המינים הקיימים. לא היתה במחקריו של דארווין תשובה לשאלת מוצא החיים, לתעלומת ההיווצרות של חומר חי מחומר דומם, המתבטאת בעיקר בהופעת תכונות טלאונומיות לראשונה בעולם הדומם. דארווין עצמו היה מודע לחשיבותה של שאלת מוצא החיים, אך סירב להתייחס אליה, בטענה שלא היו בידיו - או ביתר דיוק בידי המדע בן זמנו - הכלים הדרושים להתמודד עם השאלה הזאת. אבל מאז התחוללה מהפכת הביולוגיה המולקולרית, השתנו פני הדברים. הביולוגיה המולקולרית העמיקה, הרחיבה וביססה את תורת דארווין על יסוד מולקולרי מוצק, ובכך סללה את הדרך לחקר מוצא החיים, ולניסיונות המדעיים המסודרים לחקור את הדרך שבה יכלו להתהוות לראשונה תכונות טלאונומיות.
 
התרומה המכרעת בכיוון זה ניתנה ב - 25 באפריל 1953. בתאריך זה פירסמו ג'ים וטסון ופרנסיס קריק את מאמרם הקצרצר, בו הם מציעים מבנה של סליל כפול למולקולות הדי-אן-אי, ומסיימים בלשון  ההמעטה הבריטית המפורסמת: "לא נעלם מעינינו כי הצימוד המיוחד שהצענו מצביע מיד על מנגנון אפשרי לשיעתוק החומר הגנטי". היתה זו תגלית מהפכנית ומדהימה בפשטותה, שחשפה את הבסיס הכימי של תהליך ההורשה של תכונות טלאונומיות מדור לדור. חיש מהר נתגלה גם הצופן הגנטי, ואיתו הבסיס הכימי לשינויים בתכונות העוברות בתורשה. כשמצרפים את כל אלה מתקבל הסבר כימי-פיסיקלי לתופעת הברירה הטבעית, ונוצר גשר שמאפשר מעבר טבעי מעולם הדומם לעולם החי. הראשונים שעברו על הגשר הזה היו החוקר היהודי שאול שפיגלמן ובעקבותיו החוקר הגרמני מנפרד אייגן. הם הראו כיצד
מתבצע תהליך של ברירה טבעית במבחנה, כלומר גם במולקולות ולא רק ביצורים חיים.
 
כיצד תיתכן ברירה טבעית בחומר דומם? כדי לנסות ולתאר תהליך כזה, אפשר לחשוב על הדרך שבה מתחוללת ברירה טבעית בחומר חי, ולנסות להקיש מן החי על הדומם. ובכן, כדי שתחול ברירה טבעית
ביצורים חיים חייבים להתקיים שלושה תנאים: התרבות, השתנות והתחרות.
 
התרבות בכל עולם החי, מן החיידק ועד לאדם, תאים חיים מתרבים בתהליך שבו החומר התורשתי שלהם משתכפל, והם עצמם נחלקים לשני תאים שכל אחד מהם מכיל את אחד מהעותקים השלמים של אותו חומר תורשתי. כאן כדאי לזכור שהחומר התורשתי מיוצג בתא על ידי מולקולה בודדת.
 
כלומר, התרבות התאים מתחילה בתהליך שכפולה של המולקולה הזאת, תהליך שבו נוצרים מן המולקולה הנושאת את התורשה שני עותקים הזהים למקור.
 
שכפול (אוטוקטליזה) של מולקולות פשוטות הוא תהליך כימי שאפשר לבצעו במעבדה. לפיכך לא מן הנמנע שבין התהליכים הכימיים המרובים לאין-ספור שהתרחשו ללא הרף בעולם הקדום בטרם היות החיים, התחוללו גם תהליכי שכפול. לתהליכי השכפול תכונה ייחודית לעומת כל יתר התהליכים הכימיים האפשריים. אם מולקולות שאינן משתכפלות נוצרות לעתים נדירות הרי שמספרן נשאר מזערי וכמעט שאי אפשר לגלותן. לעומת זאת, אם נוצרת באקראי מולקולה המסוגלת להשתכפל, ייתכן שהיא תשתכפל לפני שתתפרק, ואז יהיו כבר שתי מולקולות שמסוגלות להשתכפל. השתיים תשתכפלנה לארבע, הארבע
לשמונה וכן הלאה. נקל לראות עד כמה קצב השכפול הולך וגדל. אותו זמן הדרוש ליצירת שתי מולקולות מהמולקולה המקורית הראשונה, דרוש גם ליצירת שני מיליון מולקולות ממיליון מולקולות קיימות, וכן גם ליצירת שני מיליארד מולקולות ממיליארד מולקולות קיימות.
 
הנה כי כן ההשתכפלות של מולקולות כמוה כהתרבות תאים חיים, אלא שמולקולה משתכפלת פשוטה לאין ערוך מתא חי, ולכן יצירה של תא חי מחומר דומם באקראי, בשלב אחד, היא בלתי אפשרית לחלוטין, ואילו יצירה אקראית של מולקולות משתכפלות היא תהליך שאינו חורג מגדר הטבע. למעשה, לא זו בלבד שזהו תהליך אפשרי, אלא שבלעדיו לא היו יכולות להתהוות ולהתפתח ברירה טבעית ותכונות טלאונומיות בחומר דומם. לכן, מעצם עובדת קיומם של חיים בהווה, נובעת המסקנה ההכרחית כי בעבר נוצרו מולקולות משתכפלות.
 
השתנות כאשר מולקולות משתכפלות בכמויות גדולות והולכות, לא יתכן בשום אופן שתהליך השכפול שלהן יהיה מדויק לחלוטין. בכל תהליך כימי יש סטיות היוצרות תוצרים השונים במעט או בהרבה מן  התוצר העיקרי, וגם בתהליך השכפול יכולות להתחולל סטיות. אם תוצריהן של הסטיות האלה אינם מסוגלים להשתכפל, הם ייעלמו בסופו של דבר.
 
אך אם בין תוצרי הסטיות ימצאו כאלה שמסוגלים אף הם להשתכפל, ייווצר מצב חדש: במקום סוג אחד ויחיד של מולקולות משתכפלות, ייווצר אוסף של כמה סוגי מולקולות משתכפלות הנוצרות זו מזו והשונות זו מזו גם בקצב השתכפלותן וגם בקצב התפרקותן. השתנותן של מולקולות משתכפלות היא התופעה המקבילה להשתנות תאים חיים הקרויה מוטציה.
 
התחרות מולקולות שונות זו מזו, הצורכות את אותם חומרי מוצא בתהליך השתכפלותן "נאלצות" להתחרות אלה באלה על חומרי המוצא ההולכים וכלים בהדרגה. מולקולות המשתכפלות לאט יחסית, או שהן מתפרקות מהר יותר מה"מתחרות" האחרות, אינן מסוגלות לעמוד בתחרות. ברגע שקצב התפרקותן עולה על קצב השתכפלותן הן נידונות לכליה. לפיכך, בכל אוסף של מולקולות משתכפלות מתחוללת ברירה טבעית, הדומה בכל לברירה הטבעית המתחוללת בין יצורים חיים, כפי שתיאר זאת דארווין. הברירה הטבעית מוליכה בהכרח לתהליך של אבולוציה מתמדת שבה מופיעות ללא הרף מולקולות משתכפלות חדשות השורדות ביעילות רבה יותר בהשוואה למולקולות המשתכפלות האחרות, מכיוון שהן מתאימות יותר לתנאי סביבתן. לעומתן, המולקולות המשתכפלות שהתאימו פחות לתנאי הסביבה, נכחדו לנצח. כושר ההישרדות הוא הגילוי הראשון של תכונת התכליתיות (טלאונומיה) בחומר דומם.
 
ארגון האם חומר דומם בעל תכונות טלאונומיות ראוי להיחשב עדיין כחומר דומם? או שמא מן הראוי לראות בחומר כזה את תחילת המעבר מן הדומם אל החי? בין אם נבחר בהשקפה הראשונה, או בשנייה, המרחק בין מולקולה משתכפלת ששרדה בברירה טבעית לבין תא חי, פרימיטיבי ככל שיהיה, הוא עצום. כיצד הצליח הטבע לצלוח את המרחק הזה?
 
כדי לנסות ולענות על השאלה הזאת אין די בהבנת דרך פעולתה של הברירה הטבעית על המולקולות המשתכפלות, ויש לבחון את השפעתה גם על סביבתן. השפעה אחת כזאת מתבטאת, למשל, בעובדה שהקצב הגובר והולך של ההשתכפלות גורם להיעלמות הדרגתית של חומרי המוצא הנחוצים להשתכפלות. לעומת היעלמותם של חומרי המוצא, מתמלאת הסביבה במולקולות המשתכפלות עצמן ובתוצרי הלוואי שלהן. כך נוצר מצב שבו חומרי המוצא כלים והולכים, ולעומתם, תוצרי הלוואי מצטברים והולכים. מצב זה מקנה יתרון רב למולקולות משתכפלות המסוגלות להשתמש בתוצרי הלוואי כבחומרי מוצא. כך נוצר תהליך מחזורי, שבו חומרי מוצא הופכים למולקולות משתכפלות, שהופכות לתוצרי לוואי, שהופכים לחומרי מוצא חדשים. מכאן מתפתחת בהדרגה מערכת מורכבת שמשכפלת את עצמה כגוף אחד. תהליך זה מוליך את האבולוציה של מערכות משתכפלות לקראת מורכבות גדלה והולכת. כל תוצר לוואי שעוזר למערכת המשתכפלת להשתכפל מהר יותר ולהתפרק לאט יותר, שורד יחד עם המערכת והופך להיות חלק ממנה. במלים אחרות, הברירה הטבעית דוחפת את המערכות המשתכפלות לרמות גבוהות יותר של תכליתיות ושל מורכבות. כתוצאה מכך מופיעה במערכות המשתכפלות תכונה חדשה: הן נעשות בהדרגה למערכות מאורגנות.
 
מערכת מאורגנת היא מערכת שחלים בה תהליכים רבים ושונים, שכולם מתואמים ביניהם לתכלית משותפת: קיום המערכת והתרבותה.
 
התא החי הוא מערכת מאורגנת להפליא. הדרך מן המולקולות המשתכפלות הראשונות אל התא החי היתה חייבת לעבור תהליך רב-שלבי והדרגתי של התארגנות גוברת והולכת, שכן האבולוציה מתבטאת
בשינויים רצופים. אולם שינויים אבולוציוניים אלה - ממש כמו האבולוציה מהתא החי הקדום אל האדם - יכולים היו להתחולל באופן טבעי אך ורק בדרך הברירה הטבעית.
 

שתף

שתף