מבט לראשית החיים מבעד למראה שקרנית

דמיינו שאתם מביטים במראה בהשתקפותכם ומגלים שמושלים בה חוקים שונים – תנועות זהות שלכם מובילות לתוצאות שונות בהשתקפות, ומה שנראה כהעתק מושלם מתנהג אחרת לגמרי. זה נשמע מופרך, אך מדעני מכון ויצמן למדע והאוניברסיטה העברית גילו שכך בדיוק מתנהגות מולקולות "כיראליות" – מולקולות שיכולות להתקיים בשתי צורות שהן תמונות מראה זו של זו, בדומה ליד שמאל וימין. במחקר חדש שממצאיו התפרסמו בכתב-העת המדעי Science Advances נחשף שאלקטרון שחוצה כל אחת מתמונות המראה חש שדה מגנטי בעוצמה שונה לאורך תנועתו. ההתנהגות הלא-סימטרית הזו לא רק נוגדת את התפיסה המקובלת, אלא גם מספקת תימוכין לתאוריה לגבי מקור החיים בכדור-הארץ.

מולקולות כיראליות אומנם יכולות להתקיים בשתי צורות, אך כבר לפני יותר מ-150 שנה התגלה שביצורים חיים "נבחרה" צורה אחת – צורה "שמאלית" במקרה של חלבונים ו"ימנית" במקרה של סוכרים, די-אן-אי ואר-אן-אי. קשה להבין כיצד זה קרה, שכן על פי כללי הכימיה והפיזיקה המקובלים תמונות מראה הן בעלות אנרגיה זהה לחלוטין. תעלומה זו העסיקה מדענים רבים ופענוחה יכול לשפוך אור על האופן שבו נוצרו לראשונה מולקולות ביולוגיות, כלומר על מקור החיים.

צעד ראשון בדרך לפתרון נעשה בשנת 1999, אז הזרימו פרופ' רון נעמן ממכון ויצמן למדע ועמיתיו זרם חשמלי – זרם של אלקטרונים – דרך מולקולות כיראליות וגילו שכל תמונת מראה מתנהגת אחרת. אלקטרונים מתפקדים כמגנט זעיר, עם קוטב צפוני וקוטב דרומי, ויש להם תכונה שנקראת "ספין", המתארת לאיזה כיוון מופנה כל קוטב מגנטי. כאשר המגנטים הזעירים זורמים דרך מולקולה כיראלית הם נדרשים לנוע במסלול ספירלי וזה גורם להם "לחוש" שפועל עליהם שדה מגנטי, המסוגל להאיץ או לחסום את תנועתם. מה שהתגלה בזמנו, הוא שלשדה המגנטי בכל תמונת מראה יש השפעה הפוכה – צורה אחת מעבירה במהירות אלקטרונים שהקוטב הצפוני שלהם פונה לכיוון תנועתם, ולהפך.

""פריצת הדרך שלנו הייתה ההבנה שההבדל בין שתי הצורות שנדמו כתאומות מתעורר לחיים רק בתנועה"

"זה עדיין לא חשף מדוע הטבע 'העדיף' צורה ספציפית", מתאר פרופ' נעמן. "הרמז הבא, היה עדויות שהחלו להצטבר לפיהן תמונות המראה לא רק מעדיפות אלקטרונים עם ספין הפוך, אלא גם מעבירות אותם ברמת יעילות שונה. כמעט כולם הניחו שזה נובע מזיהום בדגימות, אך הפערים היו כה גדולים ודרגת הניקיון של הדגימות כל כך טובה, שההסבר לא סיפק אותנו".

במסגרת המחקר החדש, שהובילו פרופ' נעמן מהמכון ופרופ' יוסי פלטיאל מהאוניברסיטה העברית, השתמשו המדענים בזהב וכסף כיראליים ובמולקולה ביולוגית  כיראלית והזרימו זרם חשמלי דרך כל אחת מתמונות המראה שלהם. הניסוי חשף פערים גדולים בעוצמת השדה המגנטי שחשים אלקטרונים שנעים דרך כל אחת משתי הצורות של חומר כיראלי – הבדלים שהגיעו בזהב כיראלי לכ-30%. בעזרת הוכחות מתמטיות וסימולציות ממוחשבות הצליחו המדענים להסביר כיצד ייתכן הבדל בעוצמה: כאשר שדה מגנטי אינו מיושר עם כיוון התנועה של האלקטרון הוא "חש" רק חלק מעוצמתו, ומתברר שבכל תמונת מראה השדה המגנטי בכיוון שונה והאלקטרון חש חלק שונה מעוצמתו.

"פריצת הדרך שלנו הייתה ההבנה שההבדל בין שתי הצורות שנדמו כתאומות מתעורר לחיים רק בתנועה", מדגיש פרופ' פלטיאל. "במצב מנוחה אין הבדל, אך כאשר אלקטרונים מתחילים לנוע בכיוון מסוים ונחשפים בתנועתם לכוח מגנטי בעוצמה שונה – נוצר בין הצורות פער עצום שמשנה את התנהגותן הכימית והפיזיקלית".

ההשלכות של התגלית מרחיקות לכת הרבה מעבר לגבולות הכימיה והפיזיקה, שכן הן מספקות קצה חוט להבנת ראשית החיים על כדור הארץ. לפני כשלוש שנים, פרסמה קבוצת המחקר של פרופ' דימיטר ססלוב מאוניברסיטת הרווארד תאוריה שלפיה החיים החלו על גבי משטחים מגנטיים טבעיים בקרקעית אגמים קדומים. קרקעיות אלה היו עשירות ב"מגנטיט" – המינרל המגנטי ביותר בטבע.

כאשר מולקולה כיראלית מתקרבת למשטח מגנטי, האלקטרונים שבה מתחילים לנוע, ובקצה נאספים אלקטרונים שמפנים כולם את אותו הקוטב לעבר המשטח. כשהקוטב הזה הפוך מזה שמציג המשטח עצמו, המולקולה הכיראלית נמשכת אליו, וכשהוא זהה – נדחית. לכן, אם המשטח מציג קוטב מגנטי קבוע, וכל אחת מתמונות המראה מציגה קוטב שונה, רק אחת מהן תימשך אליו. משיכה זו גורמת רק לאותה תמונת מראה להצטבר ולהפוך לגביש יציב. לפי התאוריה שפותחה בהרווארד, זה בדיוק מה שקרה למולקולה כיראלית קדמונית בשם RAO, שממנה התפתח האר-אן-אי.

"התאוריה הזו מסבירה היטב כיצד אחת מתמונות המראה יכולה להשתלט, אם המשטח המגנטי תמיד מציג קוטב מסוים שמושך אותה", מסביר פרופ' נעמן. "הבעיה הייתה שמשטחי המגנטיט אינם אחידים, שכן יש בהם אזורים שמפנים החוצה קוטב צפוני ואחרים שמפנים קוטב דרומי, וכך נדמה שכל אחת מתמונות המראה יכולה להצטבר".

כאן בדיוק נכנסת לתמונה התגלית החדשה. מכיוון שתמונת מראה אחת מעבירה אלקטרונים עם קוטב אחד ביעילות גבוהה יותר לקצה, היא תתמגנט טוב יותר למשטח שיש בו את שתי האפשרויות. המדענים אף הבחינו בניסויים כי כאשר מולקולה כיראלית ביולוגית באה במגע עם משטח מתכתי ההבדלים בשדה המגנטי בין תמונות המראה שלה מתעצמים – והם עשויים להיות חזקים מספיק כדי להבטיח שרק צורה אחת תצטבר.

במקרה של המולקולה הקדמונית RAO, התגלה שהצורה הימנית עדיפה. היתרון הפיזיקלי הזה הפך צורה זו לברירת המחדל של כל מולקולות האר-אן-אי בטבע. חלבונים מתורגמים מאר-אן-אי, ותהליך התרגום הוא כזה שאם כל מולקולות האר-אן-אי ימניות אז כל החלבונים יהיו שמאליים. כך, הממצאים החדשים פותרים תעלומה בת 150 שנה וגם תומכים באפשרות שהחיים בכדור-הארץ אכן נולדו על גבי סלעים מגנטיים בקרקעיות אגמים קדומים.

את אותו תהליך ברירה טבעי מימי בראשית ניתן לחקות כיום במעבדה לתועלת האדם. "בתגובות ביולוגיות ישנה חשיבות רבה לתמונת המראה שמעורבת, ושימוש תעשייתי בצורה הלא נכונה יכול להיות במקרה הטוב חסר תועלת, ובמקרה הרע הרסני לבריאות האדם ולטבע", אומר פרופ' נעמן. "על בסיס התגלית שלנו, ניתן להבטיח בדיוק רב מאי פעם, באמצעות משטחים מגנטיים, שבתהליכי ייצור יצטברו רק גבישים של חומר כיראלי מהצורה המבוקשת. כך, ניתן יהיה בעתיד לייצר תרופות, דשנים וחומרי הדברה יעילים ובטוחים בהרבה".

במחקר השתתפו גם דניאל גולדברג, ניר יורן וד"ר שירה יוכליס מהאוניברסיטה העברית בירושלים; ג'יה האו סו, כריסטופר סייבל ופרופ' אנה א. קרילוב מאוניברסיטת דרום קליפורניה; פרופ' יורגן גאוס מאוניברסיטת מיינץ על-שם יוהאן גוטנברג, גרמניה; פרופ' שמואל זילברג מאוניברסיטת אריאל; פרופ' ס. פורקן אוזטורק מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה; ופרופ' יונאס פרנסון מאוניברסיטת אופסלה, שוודיה.