איך נוצר המגוון שממנו מתרחשת הברירה הטבעית?

"תורת אבולוציה טובה חייבת לכלול שלושה מרכיבים", אומר מרק קירשנר, פרופסור בכיר לביולוגיה מערכתית באוניברסיטת הרווארד. "קודם כול צריך לייצר מגוון, אחר כך צריך להוריש תכונות לדורות הבאים, ובתהליך ההורשה הזה, צריכה להתקיים ברירה. כך, מינים מסוימים נעלמים ומינים אחרים משגשגים לאורך הדורות, ומינים חדשים נוצרים, כפי שאנחנו אכן רואים בעדויות בעולם שמסביבנו".

לדברי פרופ' קירשנר, צ'ארלס דארווין הסביר באופן מצוין את תהליך הברירה הטבעית - הפרטים המתאימים ביותר לסביבתם נהנים מיתרון תחרותי ולכן מספיקים להתרבות בעוד חבריהם הפחות תחרותיים באותה סביבה מתים מוקדם יותר ומתרבים פחות. "לגבי הרכיב השני, התורשה, הייתה לדארווין תיאוריה מוטעית לחלוטין", הוא אומר. "לנו יש היום ידע על גנטיקה, אך עד עתה לא היה לנו ההסבר לאופן שבו נוצר המגוון, ולא יכולה להיות ברירה אם אין מגוון".

למה הכוונה? נניח שאתם דג הניזון מחיות ים קטנות, ונניח שיום אחד משתנים זרמי המים באופן כזה שחלזונות טעימים מתחילים ליפול לכיוון קרקעית הים מלמעלה. במצב כזה, היה נחמד והישרדותי לו היה לכם פה הפונה כלפי מעלה, במקום קדימה כמו היום. אבל איך יכול להתפתח הפה הזה? הרי ביום שבו החלזונות מתחילים ליפול מלמעלה, אין אף דג שהפה שלו פונה כלפי מעלה. אז כיצד נוצרים הדגים עם הפיות הפונים כלפי מעלה, שמאוחר יותר הופכים מועדפים על ידי הברירה הטבעית ונעשים נפוצים?

במדע הפופולרי נוהגים לומר שהתשובה טמונה במוטציות. מעת לעת מתרחשת מוטציה אקראית ואחת מהמוטציות הללו גרמה לכך שהפה יופנה כלפי מעלה. אולם האם מוטציה אחת באמת יכולה לשנות את כיוון הפנה? ומה באשר לשינויים מורכבים הרבה יותר, כמו הצמחת רגליים או כנפיים ביצור שהיה פעם דג?

ואם מדובר בסדרת מוטציות אקראיות, מה קרה לשלבי הביניים, שבהם יש לא סנפיר אבל גם לא רגל, או שבהם הפה פונה בכלל באלכסון? הרי בשלב הביניים הזה יצורים הופכים פגיעים יותר ולא יועדפו על ידי הברירה הטבעית. כך, הם לא יזכו להגיע לשלב שבו תתרחש סדרה ארוכה של מוטציות, שתביא אותם לתצורה הסופית הרצויה.

על פניו, נראה שהרעיון שלפיו כל מוטציה צריכה להתרחש באקראי ורק כשכולן מתרחשות יחד באקראי נוצר, למשל, פה הפונה כלפי מעלה, לא מתאים למהירות שבה התרחשה האבולוציה על פי העדויות בשטח.

על החידה הזאת ניסו לענות קירשנר והביולוג ג'ון גרהרט מאוניברסיטת קליפורניה. קירשנר ביקר לאחרונה בישראל לצורך קבלת פרס הארווי של הטכניון, שהוענק לו במהלך אירוע חבר הנאמנים של המוסד האקדמי והתראיין ל"גלובס" על התיאוריה החדשה שלו.

"אמרנו לעצמנו, אולי יש דרך שבה הגוף לא צריך כל כך הרבה מידע גנטי כדי ליצור יד מכנף או להטות את הפה כלפי מעלה. אולי זה יותר קל מכפי שזה נראה תחילה", אומר פרופ' קירשנר. "קודם כול שאלנו את עצמנו, האם מוטציות יכולות לשנות את החיה לכל כיוון? או האם יש מגבלות על סוג ההבדלים שיכולים להיווצר? זמן רב החוקרים לא דיברו על כך בכלל. העובדה שהטבע נוטה לקבל שינויים מסוימים ולא אחרים - זה מה שהוביל אותנו לתשובה".

פרופ' קירשנר ושותפו גרהרט הגו רעיון שניתן אולי לכנות "תיאוריית הלגו של האבולוציה". "נניח שיש במדינה מסוימת תשתית של הולכת חשמל - התשתית הזאת קבועה. כל מכשיר שתחבר לשקע יעבוד. כל אנרגיה שתשפוך לתוך מערכת החשמל תזין אותה. אין צורך להמציא את תשתית החשמל עבור כל מכשיר חדש או שיטת הפקה חדשה. כך גם במערכות ביולוגיות, יש שימור רב. בני אדם, שמרים וצפרדעים הם כל כך שונים זה מזה, ובכל זאת יש בהם דברים דומים והדמיון הוא בדיוק מה שגרם לדארווין לחשוב שכולנו באנו מאותו מקור.

"רק זמן רב אחרי דארווין גילינו עד כמה הוא צדק, למשל בכך שלכולנו יש אותו דנ"א ואותן ארבע אותיות של דנ"א שיכולות לקודד כל דבר, ואם מעבירים אות ממקום למקום אפשר לשנות את כמויות הייצור או את מיקום הייצור או תנאי הייצור. אנחנו לא כמו מערכות מכאניות. לדוגמה, אי-אפשר לתקוע מנוע של מכונת תפירה במטוס. כשתכננו מטוס היה צריך לבנות את כל המנוע מההתחלה, אבל ביולוגיה בנויה בצורה של מודולים, רכיבים שגרתיים שאפשר להעביר ממקום למקום.

"בבעלי חוליות כמונו אפשר לראות זאת בגפיים. יש אצבעות, כנפיים, סנפירים בצבעים שונים, בגדלים משתנים - אלה אברים שונים לחלוטין, אבל יש ביניהם דמיון רב. למשל, התצורה של חמש אצבעות היא פופולרית מאוד. לסוס יש פרסות שהן למעשה חמש אצבעות שהתאחו.

"ובכל זאת יש הבדל. כדי להחליף פרסה בכנף, העצמות צריכות להשתנות וכך גם השרירים והעצבים. אז אנחנו משערים שהמוטציות קובעות שינוי אחד - למשל באורך העצם, ולאחר מכן השינויים הנוספים מתאימים את עצמם. לא צריך ללמד את השריר להתארך כדי להתחבר לעצם, כי השריר תמיד מחפש את העצם ותמיד מתארך לכדי אורך העצם. העצב מתחבר אל השריר, מערכת הדם יודעת לחפש מקומות שצריך בהם חמצן. והנה, יום אחד מדענים חיברו יד אדם לתרנגול, והיא התחברה. לא היה צריך להגיד לה. כל פעם שהתרנגולת בלעה, היד התכווצה. זה ניסוי שנעשה".

"הרעיון הוא שמתרחש שינוי גנטי קטן אך הוא מתבטא בטבע כשינוי ענק. כך נוצרים בקלות יחסית הבדלים שנותנים יתרונות וחסרונות אדירים מול הסביבה ומאפשרים מגוון שממנו יכולה להיווצר ברירה טבעית. הוואריאציה אינה אקראית לגמרי. יש תיעוד היסטורי של האופן שבו יונקים חזרו לים ונולדו להם לווייתנים ואריות ים במהירות יחסית - על פני כמה עשרות מיליוני שנים או פחות. ובסך הכול יש בהם המון מן היונקים היבשתיים. היכולת של כל המערכות הללו ליצור מגוון רב כל כך בתוך שמירה על תכונות בסיס רבות - זה הכוח של האבולוציה".

- מדוע קוראים לכך תיאוריית הלגו של האבולוציה?

"לגו הוא אבן בניין שצורתה קשיחה מאוד ואפשר לבנות ממנה כל דבר. מאותם חלקים ניתן לבנות מיקי מאוד או משאית".

- אז כיצד ייתכן שאנחנו לא רואים ילדים שנולדים פתאום עם איבר חדש ומעניין? בדרך כלל תינוקות הם או "נורמליים" או שהאיברים שלהם תפקודיים פחות.

"טוב, זה בכל זאת לא קורה ברגע אחד ועם מוטציה אחת. מדובר בתהליך קצר ברמה האבולוציונית - מיליוני שנים".

- אז היום אנחנו יצורים מודולריים. אבל מהיכן הגיע אביהם של כל היצורים המודולריים? מתי ואיך התרחשו ההתפתחויות הגדולות? מי ברא את הלגו הראשון, את תשתית רשת החשמל?

"התשובה הכנה היא - אני לא יודע. תהליכי הליבה האלה התפתחו כנראה לפני מיליארדי שנים, לאורך מיליארדי שנים. אני מדמה בעיני רוחי ארבע תקופות, שבכל אחת התפתחה יכולת אחרת. אני כן יכול לומר שמודולריות היא מרכיב שבעצמו תורם להישרדות, ולכן ברור שהטבע משמר אותו. פעם היו פסי רכבת שונים לכל מיני סוגי רכבות. פסים צרים לעלייה על הר ורחבים יותר לנסיעה במישור, אבל מרגע שנהגה הרעיון הגאוני שפסי רכבת צריכים כולם להיות זהים, כבר לא יילכו לאחור. כעת השינויים נעשים במקום אחר".

- לפני כמה שנים התפרסמה תיאוריית שיווי המשקל המקוטע (Punctuated Equilibrium) שגרסה כי האבולוציה מתפתחת בהתפרצויות של שינויים מהירים, ואז נחה שנים רבות, ואז שוב חלים שינויים מאוד מהירים. האם התיאוריה הזאת מתחברת לזו שלך?

"אני לא כל כך קונה את התיאורה הזאת. זה הסיכון בלימוד ממאובנים בלבד. ראינו שפתאום חל שינוי בעמוד שדרה של חיית ים מסוימת אחרי שנים שהוא לא השתנה, אבל אולי לא ראינו שעוד משהו השתנה בה מלבד עמוד השדרה בתקופה השקטה לכאורה. אני כן מאמין שהייתה תקופה של שינוי רב ומאז דברים השתנו מעט מאוד בבסיס, אבל כלפי חוץ, במבנה של החיות, היו שינויים גדולים".

- האם יש קשר בין הגישה שלך לבין הגילוי מהשנים האחרונות של האפיגנטיקה, היכולת של הגוף לכבות ולהדליק גנים מסוימים בהתאם לשינויים בסביבה?

"קלי לראות כיצד האפיגנטיקה מאפשרת התאמה טובה לסביבה והישרדות. נניח שיש שני דגים ששוחים להנאתם בטמפרטורה של 25 מעלות ופתאום עולה חום המים ל-30 מעלות. אחד מהם מת, והשני עובר שינוי אפיגנטי. הוא לא כל כך שמח ב-30 מעלות, אבל הוא חי. כעת יש לקבוצה הזאת ששרדה הזדמנות ליצור מוטציות שיהפכו את הדג למתאים יותר גנטית ל-30 מעלות. דארווין היה אומר שמלכתחילה היו בקבוצה הזאת דגים שמתאימים גנטית ל-30 מעלות, אבל זה לא כל כך מסתדר עם המציאות של אבולוציה, גם בקבוצות קטנות. אף פעם לא היו שורדים כך מספיק דגים שמתאימים".

גורמים המתווכחים עם תיאוריית האבולוציה נוטים לומר שהמורכבות של איברים, למשל עין, לא ניתן להסבר על פיה והם לא היו יכולים להיווצר ללא כוונת מכוון. התיאוריה של פרופ' קירשנר, שגם פרסם עליה ספר מדע פופולרי בשם Plausibility of Life: Resolving Darwin's Dilemma, היא נדבך אחד בדרך לפתרון הסוגיה ללא הסבר של כוונת מכוון. "אני ממליץ על הספר למתעניינים באבולוציה וגם למתנגדים לאבולוציה, כדי שיוכלו לראות אם לדעתם השאלה שלהם נענתה ואם הם צריכים עכשיו למצוא שאלה חדשה לתקוף את האבולוציה באמצעותה", אמר לאחר פרסום הספר, אבל הוא מודה שאין לו יומרות לשכנע.

"האנושות יכולה ללמוד המון מדברים מוזרים"

אבולוציה אינה התחום היחיד או אפילו העיקרי שאותו חוקר פרופ' קירשנר. את מרב זמנו הוא מקדיש לחקר ביולוגיה מערכתית, התפתחות העובר והתא ושאלות של תזמון בטבע. "אם היינו צופים בהצגה שבה כל השחקנים מבצעים את הוראות הבימוי ואומרים את הטקסט בדיוק המרבי, אבל לא בזמן הנכון, הרי הייתה זו לא הצגה אלא קקופוניה. כך גם בהתפתחות התא והעובר - לולא היה הטבע מקפיד על תזמון נכון, ההתפתחות הזאת לא הייתה יכולה להתרחש כסדרה", הוא מסביר את העניין שלו בתזמון.

נאמר על קירשנר בעבר שהסיבה היחידה שבגללה הוא עוד לא זכה וכנראה כבר לא יזכה בפרס נובל היא שהוא עורך מחקרים פורצי דרך במגוון תחומים, בעוד פרס נובל ניתן לרוב על עבודה אחת שחוקר הקדיש לה את כל חייו. "אכן בקריירה שלי עבדתי על המון דברים ולא בהכרח הייתי ממליץ על זה כאסטרטגיה", הוא אומר.

- איך אתה מחליט על מה לעבוד?

"אני מחפש בעיות שאחרים אינם מתייחסים אליהן. בדרך כלל אני מגיע אליהן על ידי קריאה של מאמרים ישנים, שאחרים שכחו מהם. לעתים בתקופה מסוימת כל האנושות חושבת שבעיות מסוימות הן נורא חשובות, אבל אז אם במשך תקופה ארוכה אין התקדמות, שמים את כל התחום בצד ושוכחים ממנו, אבל הבעיה בעינה נותרה ואם אני חוזר אליה היום אני כבר מצויד בגישות חדשות ובטכנולוגיות חדשות שיכולות להאיר את התחומים הישנים באור חדש".

אחת הדוגמאות היא השאלה איך נקבע גודל של תא בגוף, נושא ההרצאה שנשא בטכניון בעת ביקורו. "בעבר הרחוק עלתה השערה שלבני אדם קטנים יותר יש גם תאים קטנים יותר, ולהיפך. בפועל זה לא נכון ובכל רקמה התאים פחות או יותר דומים (חוץ מתאי שומן, שהם באמת גדולים יותר אצל אנשים שמנים יותר)", הוא אומר. "היום אנחנו יודעים שמה שקובע את גודל התא הוא קצב הגדילה שלו ומתי הוא מתחלק, וכך עלתה השאלה אם הגודל של התא הוא רק תופעת לוואי של מהירות הצמיחה וקצב החלוקה. אנחנו גילינו שתאים אכן יודעים עד כמה הם גדולים או קטנים, והם שואפים לגודל מסוים. כשתא הופך גדול הוא יכול פתאום להאט את קצב הצמיחה שלו, הוא אומר 'אני תא קצת שמן, אולי כדאי שארזה', ותאים קטנים צומחים פתאום מהר. נראה שיש גודל אופטימלי מסוים לכל סוג תא, שהאבולוציה בררה, אבל תאי סרטן מאבדים את הרגולציה הזו ויכולים להיות שני תאי עור סרטניים בגדלים שונים לחלוטין. אנחנו לא יודעים מה גורם לכך, אבל אולי אם נמשיך לבדוק, זה יעזור לנו להבין טוב יותר את הסרטן".

פרופ' קירשנר לא יצא לחקור את השאלה הזאת כדי לרפא סרטן, אלא פשוט כי היא עניינה אותו. "אני חושב שהביולוגיה מפיקה תועלת מלהסתכל על דברים מוזרים. למשל, שמרים הם יצורים מאוד ביזאריים. יש להם אפשרות לעבור מזכר לנקבה או להיות לרגע שני המינים יחד, וכשהתאים שלהם מתחלקים לפעמים הם זהים אבל לפעמים נוצר תא אם שממשיך להוציא תאים קטנים והתא המקורי מזדקן. יש משהו שניתן ללמוד מכך על הזדקנות. אתה לא מצפה ללמוד על הזדקנות מיצור חד תאי, ובכל זאת. אז אני חושב שהאנושות יכולה ללמוד המון מדברים מוזרים. הרי מנקודת המבט של השמר, אנחנו די מוזרים".

"אנחנו בוררים את המחקרים המצליחים מהר מדי"

מלבד פעילותו בתחום המחקר, פרופ' קירשנר פועל גם בהיבטים החברתיים של המדע, למען צעירים העוסקים בתחום ולמען חופש המידע במדע.

"כדי למשוך צעירים לתחום הזה הם זקוקים לתחושה שיש עתיד. יש הרבה סטרס ולחץ במדע ומלחמה על תקציבים. יש מי שאומרים שזה דבר טוב, אבל אני חושב שלפעמים מחקר צריך להתפתח לאורך זמן ואנחנו בוררים את המצליחים מהר מדי. במאה ה-19 אנשים עשירים ממילא הפכו למדענים והם פשוט הקדישו את חייהם למחקר של רעיון אחד. היום הציבור מממן את המחקר והוא חושב עליו כמו על מפעל שמשלמים עליו ויוצאים ממנו מוצרים שמשפרים את הבריאות שלו, את הגאדג'טים שלו או שמספרים לו משהו מעניין.

"אבל גם את המטרות הללו הכי קל להגשים כאשר מאפשרים לחוקרים לבחון דברים באופן חופשי, לחקור את המוזר רק כי הוא מוזר. אנחנו רוצים שחוקרים יוכלו ללכת אחרי הרעיונות שלהם, ואני דואג מאוד מכך שהם לא רואים במחקר קריירה יציבה ושהסביבה כל כך תחרותית וקשה. באופן אישי, הייתה לי דווקא קריירה נוחה ונעימה, אך עבור הדור הבא זה כבר לא ככה. אין להם ההזדמנויות שהיו לי".

- מה הפתרון לכך?

"המערכת סובלת משני כשלים, האחד הוא מנהיגות והשני הוא שאנשים חושבים שהמצב הוא בסדר גמור כפי שהוא היום. יש כשל של המדענים לומר 'אלה לא הערכים שלנו וכך אנחנו לא רוצים לעבוד'. היום אפילו פילנתרופים מרגישים שהם מאוד חכמים אם הם לא סתם נותנים את הכסף למישהו מומחה מהם אלא עושים לו מיקרו-מנג'ינג".

באשר לחופש המידע במדע, אומר קירשנר: "ישנם היום רק כמה כתבי עת הנחשבים מובילים והם מוצפים במאמרים ובוחרים מאמרים לפי הצרכים העיתונאיים שלהם (כלומר, רייטינג). אני לא חושב שהמטרה שלנו היא לתת לעורך שרוצה לראות את שם כתב העת שלו במדור המדע של 'ניו יורק טיימס' להרגיש טוב עם עצמו. בחירה כזו מטעם כתב העת יכולה לגמור קריירה לאדם, וזה יוצר שוב לחץ אדיר על הסטודנט ועל המערכת. כמו כן, נדרשות שנים רבות לפרסום מאמר, וזה לא טוב למדע. וגם ההפצה כל כך מוגבלת. היינו רוצים שכל האנשים בכל המדינות יוכלו לקרוא את זה, והיום הפרסום הוא למטרות רווח! לא של החוקר אלא של כתב העת. החוקר עושה את המחקר וכתב העת נהנה מכל הכסף. זה זנב שמכשכש בכלב".

כל הדברים האלה הם הסיבה שפרופ' קירשנר היה שותף לייסודו של כתב עת פתוח, שלא למטרות רווח, בכוונה שיתחרה בכתבי העת המכובדים. "אחרינו הופיעו עוד כתבי עת פתוחים אך רציניים, ואני מרגיש שאנחנו מובילים מגמה, אבל זה עדיין לוקח זמן. התחלנו בתהליך נוסף, שבו מדענים פשוט מעלים את המאמרים שלהם למאגר פתוח ללא ביקורת עמיתים, וכשזה יפורסם, זה יפורסם. כן, יש שם ג'אנק, והתקווה היא שכשזה יזוהה כג'אנק, אנשים יבינו שזה רק פוגע במוניטין שלהם".