לזהות דפוסים במרק

אנחנו נוטים לחשוב על האבולוציה כתהליך כאוטי. החיים, כך לימדו אותנו, נוצרו באופן ספונטני במרק הקדום שהיה פה פעם. אבל מה אם ניתן לאתר דפוסים מסוימים בתוך התוהו ובוהו – תבניות של פעילות כימית שעשויות להסביר כיצד התפתחו חיים מורכבים מאבני בניין כה פשוטות? בשעה שרוב המחקר על אודות מקור החיים מתמקד בחומרים שמהם מורכבים החיים, במעבדה חדשה במכון ויצמן למדע שואלים שאלות אחרות לגמרי.

"מה הם החיים אם לא מולקולות המצויות בקשרי גומלין?", שואל ד"ר סרגיי סמנוב, מדען חדש במחלקה לכימיה מולקולרית ולמדע חומרים, ומשיב: "למעשה, ההבחנה בין 'חי' ל'דומם' נסמכת בדיוק על זה – על סוג ואופי התגובות הכימיות בין חומרים". בהתאם לכך, המעבדה שהקים באחרונה מתרכזת בדפוסי התגובות שנוצרים במפגש בין אבני הבניין הבסיסיות של החיים. דפוסים אלה, הוא מאמין, יכולים לסייע בפענוח חידת האבולוציה. "מה שאנחנו מחפשים זו דינמיקה של חומרים פשוטים שמייצרת תהליכים מורכבים. לכן אנחנו מתמקדים לא בחומרים עצמם אלא בדפוסי התגובות שלהם, שעשויים היו לייצר מולקולות מורכבות במרוצת האבולוציה".

""מה הם החיים אם לא מולקולות המצויות בקשרי גומלין? עצם ההבחנה בין 'חי' ל'דומם' נסמכת בדיוק על זה – על סוג ואופי התגובות הכימיות בין חומרים"

הרעיון להתמקד בדפוסי תגובות במקום בחומרים החל בזמן המחקר הבתר-דוקטוריאלי של ד"ר סמנוב בהרווארד, במעבדתו של פרופ' ג'ורג' ווייטסיידס. אך הרומן של סרגיי עם כימיה התחיל בגיל צעיר בהרבה – במטבח של הוריו בברית-המועצות. שם נהג לערוך ניסויים בעזרת ערכת כימיה לילדים שקיבל מתנה. "מתחתי את קצה גבול היכולת של הערכה הזאת", הוא נזכר בשעשוע. "בשלב מסוים זה כבר נהיה מסוכן מדי". את לימודי הכימיה הרשמיים התחיל באוניברסיטת מוסקבה ומשם נדד מערבה: תחילה לאירופה ואז לארצות-הברית.

בזמן שהותו בהרווארד גילה את מה שהוא מכנה "רשתות של תגובות כימיות" – דפוסים שחוזרים על עצמם ושאפשר להסביר באמצעותם תהליכים אבולוציוניים מורכבים. "מדובר בתהליכים כימיים שיוצרים לולאות משוב (feedback loops) – כלומר כאלה שיכולים להאיץ או לדכא את עצמם בעצמם. תהליכים אלה עשויים להיות המפתח להבנה כיצד יצורים מפותחים התפתחו מחומרים פשוטים מאוד", הוא מסביר.

אחד מדפוסי התגובה הפשוטים ביותר שניצבים בבסיס תהליכים ביולוגיים רבים הוא אוסילציה או תנודה חזרתית, כמו זו שמתקיימת למשל בשעונים – הן מכניים והן ביולוגיים. במאמר חדש שהתפרסם באחרונה יצרו במעבדתו של ד"ר סמנוב שעון כימי. המנגנון של השעון נסמך על תגובות בסיסיות בין חומרים פשוטים מאוד: "השעון שלנו הוא מעין מתג, יש לו שני מצבים", הוא מסביר, "המתג מאפשר מעבר ממצב אחד למשנהו וחוזר חלילה, וכך מתרחש תהליך מורכב שיכול לייצר התפתחות משמעותית".

במחקר, בהשתתפות התלמידים אלכסנדר נוביצ'קוב ואנטון גאנופולסקי, הראו המדענים כיצד המנגנון דמוי השעון שלהם אכן מייצר לולאת משוב שעשויה לתרום ליצירת שרשראות חלבון. "זוהי רק דוגמה קטנה לאיך תהליך פשוט כמו תנודה חזרתית  יכול לייצר חומרים מורכבים בהרבה מסך אבני הבניין שלהם", אומר ד"ר סמנוב. "אם אנחנו מצליחים להראות כיצד מנגנון פשוט כמו תנודה בין שני מצבים יכול להשפיע על תהליכים מורכבים כמו יצירת חלבונים, נוכל גם להציע תיאוריה רחבה יותר  ולמתוח קו בין החומרים הבסיסיים של המרק הקדום לחיים המורכבים של עולמנו".