"כימיה וביולוגיה אינם עולמות נפרדים"

"כיצד התחילו החיים על פני כדור-הארץ? זו שאלה גדולה מכדי לחקור אותה בבת-אחת", אומר ד"ר עומר מרקוביץ', בוגר מכון ויצמן למדע וכיום חוקר בתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת חרונינגן (Groningen) שבהולנד ועמית של המכון ההולנדי לחקר מקורות. "המעבר מאין-חיים לחיים אינו שחור ולבן, אלא תהליך רב-שלבי". מחקרו של ד"ר מרקוביץ' מתמקד במקור הכימי של החיים, באבולוציה כימית ובסיבוכיות במערכות סינתטיות וביולוגיות. להלן ראיון שנערך עמו ופורסם באתר חדשות המדע ההולנדי NEMO Kennislink.

אפשר לחקור את ראשית החיים בדרכים שונות. מהי נקודת ההתחלה של המחקר שלך?

תחילה, אסביר היכן איני מתחיל – ומדוע. גישה מקובלת אחת היא להתחיל בחיים כפי שאנו מכירים אותם כיום – לדוגמה, בקטריה פשוטה – ולנסות ולהפשיט אותה ככל האפשר עד אשר מגיעים למינימום. בגישה זו מקבלים בקטריה מאוד "מינימאלית", אולם זו עדיין בקטריה מסובכת מכדי שתיווצר בצורה ספונטאנית.

אפשר גם להתחיל במולקולות שאנו יודעים שהיו קיימות בכדור-הארץ הקדום, אפילו לפני שהיו חיים. מולקולות שכאלה הן אבני בניין חשובות לחיים. ואז אפשר להמשיך ולנסות להבין כיצד תא פרימיטיבי יכול היה להיווצר מאבני הבניין הללו, אולי. אבל הסיכון בגישה זו הוא צרות אופקים, שכן אנחנו מניחים שמולקולות שהן חיוניות לחיים כיום, היוו את הבסיס לחיים הראשוניים; אין עדות שכך אכן הדבר. בהחלט אפשרי שהמולקולות הללו נהיו חשובות לחיים בשלב מאוחר יותר, ושנקודת ההתחלה הייתה שונה לגמרי. אם נהיה מקובעים על סט מסוים של מולקולות, אנחנו שוללים הסברים אפשריים אחרים.

אם כך, באיזו גישה אתה דוגל?

אני לא מנסה לפענח את כל התהליך מאין-חיים לחיים. במקום זאת, אני מתמקד בשני היבטים בתהליך: שכפול ואבולוציה. ישנה הסכמה רחבה ששני אלו הם מאפיינים קריטיים של חיים. ברצוני להבין כיצד תהליכים כאלו מתקיימים ברמה המולקולרית. כיצד יכולות שכאלו התפתחו? אנו יודעים שאפילו לפני שהיו קיימים חיים, נוצרו ערב-רב של מולקולות. איני מתמקד במולקולה ספציפית זו או אחרת; נקודות המבט שלי היא יותר מופשטת. מה חייב לקרות כדי שמולקולות שונות יוכלו לייצר ביחד מערכות המסוגלות להשתכפל ולהסתגל? עבורי, זוהי אבולוציה-כימית: מהי אבולוציה עבור מולקולות?

האם זה דומה לאבולוציה כפי שאנחנו מכירים אותה במערכות ביולוגיות?

כן, אני חושב שכן. אני מנסה להפעיל עקרונות ידועים מביולוגיה אבולוציונית על מערכות כימיות. כימיה וביולוגיה אינם עולמות נפרדים; כולנו חולקים אותה מציאות, ולכן אני חושב שאותם חוקים תקפים. הבעיה היא שאיננו מזהים כיצד חוקים כאלו פועלים על מולקולות/מערכות כימיות.

"אני לא מנסה לפענח את כל התהליך מאין-חיים לחיים. במקום זאת, אני מתמקד בשני היבטים בתהליך: שכפול ואבולוציה. ישנה הסכמה רחבה ששני אלו הם מאפיינים קריטיים של חיים. ברצוני להבין כיצד תהליכים כאלו מתקיימים ברמה המולקולרית"

האם אפשר בכלל לדבר על מולקולות במונחים כלליים? ההתנהגות של מולקולות היא בהתאם למאפיינים הספציפיים שלהן. אפילו שינויים קלים בין מולקולות יכולים להביא לתופעות כימיות שונות.

העקרונות שאותם אני מחפש נוגעים ליחסים בין מולקולות היוצרות ביחד רשת. יחסי הגומלין ביניהן, ובעיקר היקפם של יחסים אלה, משפיעים על התנהגות המערכת כולה. אם נשווה זאת לתא החי, שבו מספר עצום של תגובות מתרחשות בו-זמנית, אך כמה מהן מתרחשות במהירות ברגע מסוים, וכך מאטות או מעוררות תגובות אחרות; כלומר, זוהי מערכת סינכרונית המתפקדת בהתאם. במלים אחרות, אני מחפש התנהגות מתהווה (התנהגות שאי אפשר לחזות אותה מתוך המרכיבים הבודדים) של הרשת, ואני מנסה לגלות אילו תכונות של המערכת קשורות להתנהגות כזו או אחרת.

כיצד המחקר שלך נראה בפועל?

אני בעיקר בונה ומשכלל מודלים ממוחשבים המחקים מערכות כימיות. אני בר-מזל לשתף פעולה עם קבוצת המחקר של פרופ' סיברן אוטו כאן בחרונינגן, כך שאני יכול להשתמש במידע ובתוצאות אמת מהניסויים שלהם בעבודתי. במחקר שלהם, הם יצרו מערכת כימית המשתכפלת בעזרת יצירת טבעות. טבעות אלו יכולות להתאסף למשהו שנראה כמו סיביות קטנות, אשר בתורן מפגינות התנהגויות מעניינות. המודלים שלי מתחילים ממערכת זו. לאחר מכן אני ממזג זאת עם תובנות מאבולוציה-ביולוגית על מנת לגלות את הנסיבות הדרושות בכדי לגרום לאבולוציה-כימית.

האם אתה יכול לתת דוגמה של עיקרון מאבולוציה-ביולוגית שאתה משתמש בו?

היווצרות מינים (Speciation) היא דוגמה טובה. אבולוציה-ביולוגית מלמדת אותנו שזמינות ומגוון של אוכל הם כוחות מניעים חשובים מאחורי התמחות מינים והתמיינותם. כאשר יש מקור יחיד למזון, המינים אשר מכלים אותו הכי מהר וביעילות ייהפכו למרכזיים, שכן לא נותר מקום למינים אחרים. אולם, אם יש סוגי מזון שונים, סוגים שונים של מינים יתפתחו מכיוון שאין יותר צורך בהתמחות, והתחרות על המזון תפחת. חשבו למשל על "פרושי דרווין" עם סוגי המקור השונים.

כיצד זה מתורגם לרמה המולקולרית?

מערבבים סוגים שונים של אבני בניין המסוגלים ליצור טבעות וסיביות – גם כאשר הם מתערבבים אחד עם השני – אך יש להם קצב תגובה שונה. המשתכפל אשר יגיב הכי מהר יהפוך לדומיננטי, אולם מה יקרה כאשר תאזל אבן הבניין המועדפת עליו? האם הוא יסתגל או שמשתכפל אחר ייקח את מקומו – משתכפל שגדל אמנם בקצב איטי יותר, אך הוא פחות בררן ויכול לעבוד עם מגוון של אבני בניין? על-ידי התאמת התנאים והמאפיינים באופן שוטף, אני מקווה לגלות מהם הגורמים המכריעים שיאפשרו למינים כימיים שונים להיווצר.

על מה אתה מבסס את הבחירות שלך? כיצד אתה מבטיח שהמודלים שלך עדיין רלוונטיים לכימיה?

זה לא אקראי לגמרי; הבחירות שלי מבוססות על מידע מניסויים כימיים שנערכים במעבדתו של פרופ' אוטו. זו נקודת המוצא שלי. בהמשך אני בוחר משתכפלים השונים במעט מאלו הקיימים, אך לא שונים מכדי להגיב אחד עם השני. אני מנסה לקבל החלטות מושכלות, אך בסופו של יום מדובר בהחלטות, ולכן אי אפשר באמת לדעת. אנחנו מחליפים באופן שוטף מידע ויש השפעה הדדית בין הניסויים במעבדה למודלים שלי, והדבר משמש אותי לשיפור התחזיות, וחוזר חלילה.

מה אתה מקווה ללמוד בסופו של דבר מהמודלים שלך?

מטרתי הסופית היא לגלות את החוקים האוניברסליים של האבולוציה.

זה מאוד שאפתני

כן, אבל זה לא יקרה בן רגע. הפרויקט שלי מתוכנן להימשך עוד כשנתיים, ואני מקווה ללמוד עוד הרבה בדרך. לדוגמה, כיצד ניתן לתכנן מערכת עם עשרה משתכפלים פוטנציאליים אשר תוביל בסופו של דבר ליצירה של חמישה מינים, וכיצד לשכלל אותם? אם אצליח לחזות כיצד יש לבצע ניסוי שאלה תוצאותיו, זה יהיה צעד ענק.