מסע בעקבות הבועית האלוהית: המחקר של פרופ' לנצט התחיל בטיול עם הכלבה ונגמר במסקנות מטלטלות על מקור החיים

בראשית ימי כדור הארץ, לא היו בהם חיים, רק חומרים דוממים. זה אומר שמתישהו לאורך ההיסטוריה חומר חי נוצר מתוך חומר דומם, וכך פרדוקס ראשית החיים מתמצה בשאלה אחת: כיצד זה קרה? הרי היום, חרף כל מאמציהם של בני אדם, חומר דומם אינו יכול להפוך לחי באופן ספונטני.

דמיינו מה היה קורה אם היינו מגלים כיצד נוצרו חיים מדומם. האם היינו יכולים להחיות פלנטות נוספות סביבנו? או להתחיל במעבדה אבולוציה מקבילה לזו שעבר כדור הארץ כדי להגיע ליצורים תבוניים נוספים שניתן יהיה לשוחח איתם? האם היינו מגלים את סוד האלמוות?

אך מה היה אותו זיק באותו רגע היסטורי שהפך את הדומם לחי? חוקרי ראשית החיים, חבורה רב-תחומית מעולמות הפיזיקה, הביולוגיה, הכימיה, הגיאולוגיה, המתמטיקה ועוד, מחדדים את השאלה עוד יותר: אם היום החיים משתכפלים באמצעות מנגנון מורכב מאוד המערב חומר גנטי (DNA ו-RNA) וחלבון, מה מהם בא קודם? החלבון בטבע מרכיב יצורים חיים על בסיס תוכנית הכתובה ב-DNA, אבל ה-DNA חייב את החלבון כדי להשתכפל וכדי להוציא לפועל את המידע הכתוב בו. אז מה מהם היה הראשון? וכיצד הוא פעל בלי האחר?

ואולי היה זה בכלל חומר אחר שהתחיל את החיים? זה מה שטוען פרופ' דורון לנצט ממכון ויצמן למדע כבר 25 שנה. התיאורה שלו אומרת שמקור החיים הוא בחומר שלישי - שומן. התיאוריה שלו קנתה לו מקום של כבוד, אך גם מבקרים במילייה של חוקרי ראשית החיים. בקרוב הוא צפוי לערוך לראשונה הדמיית מחשב שעשויה לענות על חלק מהביקורת. אבל את ההוכחה הסופית והחד-משמעית "יביאו כנראה רק הילדים והנכדים המדעיים שלי", הוא אומר, משום שהניסוי מורכב כל כך.

החומרים שמהם היה עשוי המרק הקדום

מהם בעצם החיים, שאת התחלתם אנחנו מחפשים? אין הסכמות גורפות על ההגדרות, אבל יש בכל זאת כמה עקרונות מנחים: אחד מהם הוא שהתנאי לחיים הוא שכפול, כלומר, מערכת חיה היא מערכת שיכולה להרבות את עצמה וליצור מערכת נוספת המכילה מידע שהיה אגור במערכת הראשונה. תנאי נוסף לחיים הוא צריכה של אנרגיה. "סלע איננו צורך אנרגיה", אומר לנצט. "אנחנו, לעומת זאת, צורכים אנרגיה כדי לקיים מעין שיווי משקל שיש בו דינמיות. אנחנו כל הזמן גם נבנים וגם מתפרקים". יסוד נוסף של החיים הוא שהגוף החי מכיל מרכיבים (בעיקר חלבונים) המשפיעים על התגובות הכימיות שקורות בו וגורמים להן לקרות באופן מהיר וספציפי יותר. בלשון הכימיה המרכיבים האלה נקראים קטליזטורים של ריאקציות כימיות.

לפני שנבין כיצד היו יכולים להיווצר חיים, הבה נצלול רגע לתיאור החומרים המרכיבים את החיים היום. למשל חלבונים, אומר לנצט, "הם מולקולות שמורכבות משרשרות של 'אותיות' שכל אחת מהן היא חומצה אמינית. הסדר של החומצות האמיניות גורם לחלבון להתקפל בצורה מאוד מסוימת ומורכבת, שהופכת אותו למעין ננו-מכונה, שיודעת לעשות המון דברים מדהימים. למשל החלבונים יודעים לגרום לריאקציות כימיות מאוד מדויקות בתא החי, לעומת מצב של חימום, למשל, שבו ריאקציות הן יותר אקראיות ולא צפויות. חלבונים גם בונים את התאים ואת הגוף. ישנם חלבונים בשלד התא, בעור, בשרירים, בשערות. וכל זה הוא רק חלק זעיר מהתפקידים שיש לחלבונים בגוף".

איך הגענו מעולם של חומרים דוממים ופשוטים יחסית למולקולות מורכבות כל כך ולתאים חיים המכילים אלפי סוגים של מולקולות? לפני כמעט 100 שנה, בשנת 1924, הוציא החוקר אלכסנדר אופארין, ברוסית בלבד, את הספר "מקור החיים". רק כעבור כמה עשורים הוא תורגם לאנגלית וזיכה את אופארין בכינוי "דרווין של המאה ה-20". אופארין הוא לא שם ידוע בציבור הרחב, אבל הוא המציא קונספט שרובנו מכירים, את רעיון ה"מרק הקדום" שלפיו צפו להם כל מיני חומרים שהתקבצו ומצאו יכולות שכפול פרימיטיביות ויצרו את החיים הראשונים. "לדעתי, הוא צדק יותר מכל התיאוריות השליטות בתחום היום", אומר לנצט.

לנצט לקח את אופארין צעד קדימה. הוא אומר דבר כזה: יש ארבעה חומרים אורגניים שיכלו להיות המקור לחיים: חומצות גרעין (RNA ו-DNA), חלבונים, סוכרים ושומן. "שניים מאלה הם חומרים 'חכמים', שמכילים המון מידע", אומר לנצט. "שניים הם חומרים 'טיפשים', או ככה הם נראים. אנחנו הצענו שדווקא השומנים הם הפתרון לשאלת ראשית החיים".

הביטו בשמן הזית הביתי שלכם. האם ייתכן שמקור החיים נמצא בו? האם הוא יכול להיות חומר שמעביר מידע, מזרז תהליכים כימיים ומשתכפל? אז שמן זית - לא. אבל יש מולקולות שומניות מסוג מעט שונה, הנקראות ליפידים, למשל חומצות שומן המצויות בדטרג'נטים. יש להם "ראש" שמתמוסס במים ו'"זנב" שומני שאינו מתמוסס במים. הליפידים מצויים בשפע בגופנו, ואפילו יוצרים את הקרום השומני (ממברנה) המקיף כל תא חי. כתוצאה מהתכונות המסיסות הללו, נוטים הליפידים ליצור כדוריות של המון חומצות שומן כאלה. על פי ספרו של אופארין, ליפידים כאלה ובועות וכדורים העשויים מהליפידים היו קיימים ב"מרק הקדום" ואולי היו החומר הדומיננטי בו. על כך מסכימים גם רוב החוקרים בתחום.

"לרבים היה ברור שלא סביר ש-DNA ו-RNA וגם חלבונים נוצרו ספונטנית בתוך מרק קדום", אומר לנצט. "פיזיקאי אמריקאי בשם פרימן דייסון טען בספרו הפופולרי 'אינסופי לכל הכיוונים' שיכולים להיות חיים ללא DNA, ואני אמרתי אז לעצמי, 'הוא משוגע', ורבים מהקולגות שלי מרגישים כך עד היום. אבל אחרי שאמרתי 'הוא משוגע', אמרתי לעצמי, 'אולי ננסה להבין מה הוא אומר שם'. התברר שהעוקץ של הרעיון היה שמולקולות קטנות ופשוטות בהרבה מ-DNA יכולות להגיב זו עם זו בצבירים באופן שהצביר כולו מעתיק את עצמו".

לנצט פיתח בעקבות זאת מתווה למודל ממוחשב המתאר את התנהגותם של צבירים כאלה. את עיקרי התיאוריה פיתח "בשלושה שבועות שבהם הייתי אחראי להוציא את הכלבה ובטיולים היה לי משעמם". רק אחרי שלוש שנים של עבודה על המודל, הוא הבין שצבירים המורכבים מחומצות השומן ומהליפידים האחרים הם בעלי התכונות המתאימות באופן אידיאלי לרעיונותיו של דייסון.

 כך נוצרו החיים על פי פרופ' דורון לנצט

המידע כתוב על השקית

"דייסון אמר שאסופה של חומרים שאינם מופיעים בהכרח בצורה של מחרוזת, כמו DNA או כמו חלבון שמתחיל כשרשרת ואז מתקפל, אלא סתם חומרים אסופים בתוך שקית כלשהי, שיש ביניהם קשרים חלשים, יכולים ליצור רשת של אינטראקציות הדדיות שהתוצאה שלה היא תהליך דמוי שכפול", מסביר לנצט. בסופו של דבר, לנצט החליף את הרעיון הכללי של "שקית" ב'"בועת ליפידים". אבל פריצת הדרך הייתה שהמידע אינו אגור בחומרים הנמצאים בתוך אותה בועת ליפידים, אלא הבועה היא המידע. באנלוגיה: אין שקית ובתוכה מידע, אלא המידע כתוב על השקית.

"יתרונם של הליפידים", אומר לנצט, "הוא שהם מייצרים צבירים (כלומר את הבועות והכדוריות הללו) באופן ספונטני, באופן שיכולה להיות ביניהם אינטראקציה יעילה הרבה יותר מזו שבין חומרים המפוזרים סתם באוקיינוס".

איזה מידע יכול להיות אגור בגושיש של חומר שומני? אחד החידושים המרכזיים של לנצט הוא שבניגוד ל-RNA ול-DNA וחלבון, שבהם המידע דומה לטקסט ותלוי בסדר ה"אותיות" הכימיות, בצביר השומנים המידע הוא הרכבי, כלומר המידע הוא היחס בין הכמויות של החומרים השונים בתוך הצביר. ידוע שצבירים מושכים אליהם חומרים שונים וכך גדלים ואחר כך מתפצלים. אם הצביר מושך חומרים ביחס זהה לזה שכבר קיים בו, ורק אז מתפצל, זה שכפול שבמסגרתו עובר גם מידע.

כל תא חי בגופנו, או בעולם שמסביבנו, קודם כל גדל באופן שמשמר את ההרכב שלו, ורק אחר כך מתפצל. תופעה זו ידועה ומתועדת היטב בתחום הביולוגיה של התא. לדברי לנצט, עובדה זו מניחה יסודות איתנים לתיאוריית שכפול הליפידים.

"מי שלא מכיר היטב את עולם הליפידים רואה בכולם אותו חומר שומני משעמם. במציאות הם כלל לא אותו דבר. יכול להיות צביר המורכב מליפידים שונים מאוד זה מזה. שאלת השאלות היא כיצד מעתיק צביר ליפידי את הרכבו כשהוא קולט עוד ועוד פרודות ונפחו גדל. התשובה לכך מצויה בתופעות של זירוז הדדי של ריאקציות, הקרוי רשת קטליטית. הצלחתי לבנות מודל ממוחשב של צביר שמורכב מחומרים שונים, והדמיות המחשב הראו שבזכות החומרים המסוימים בו, הצביר גם מושך אליו בדיוק אותם חומרים מהסביבה ביחסים הנכונים, וכאשר הוא מגיע לגודל מסוים - הופ, הוא מתפצל ונוצרים שני צבירים המכילים חומרים באותו יחס וממשיכים למשוך אותם מן הסביבה".

לנצט מדגיש שיש מודלים מתמטיים רבים שמראים כיצד מידע יכול לשכפל את עצמו בצורה המדמה חיים. "אך המודל שלנו הוא היחיד שבאמת מייצג חומרים שקיימים במציאות ואת האופן שבו הם באמת מתנהגים".

השאלה שדרווין לא העז לעסוק בה

איך הגענו מבועיות השומן לחיים כמו שאנחנו מכירים אותם?

"אותה חומצת שומן שיש לה זנב דוחה מים וראש אוהב מים יכולה להיות מורכבת מזנב שהוא שומני וראש שהוא חומצה אמינית, או נוקלאוטיד (יחידת הרכב של RNA). הליפידים יכולים לשמש פלטפורמה להביא למשחק עוד חומרים ואז בהדרגה, תוך שלבי אבולוציה ממושכים, שרשראות החלבון ושרשראות ה-RNA עושות יותר ויותר דברים שדומים למה שהחיים היום עושים".

השלב הבא הוא לשים במעבדה גיגית עם חומצות שומן ולראות אם נוצרים בה חיים?

"הלוואי שזה היה כל כך פשוט. זה לא יקרה מכמה סיבות. סיבה אחת קשורה להסתברות. כשהחיים החלו להופיע, אם כל שטח האוקיינוסים של כדור הארץ היה מלא בצבירי מולקולות שומן, היה מספר קרוב ל-10 עם 33 אפסים של צבירים, ואז, גם אם האירוע של שכפול עצמי היה בהסתברות נמוכה מאוד, הדבר היה יכול לקרות. כמה בועיות אנחנו יכולים לשים בגיגית שלנו? שבר זערורי של המספר בכוכב הלכת כולו! בנוסף, אי אפשר לעקוב במכשור המדעי הקיים אחר גורלו של כל צביר שומני שגודלו קטן בהרבה מזה של חיידק".

לכן עד כה המחקרים של לנצט (קרוב ל-50 מאמרים בתחום הזה, גם בכתבי עת מובילים), התבססו על מודלים מתמטיים שמדמים במחשב את ההתנהגות של חומצות השומן. "פורסמה תחזית ריאלית שבעוד 10-15 שנה יאפשרו שיטות ומחשבים המדמים ממש כל מולקולה, תוך התחשבות בהרכב האטומים המדויק שלה, לשחזר כמעט כל אינטראקציה ואינטראקציה בין החומרים הכימיים שמתרחשים בחיידק חי", אומר לנצט. "בינתיים, המודל החישובי קרוב מספיק כדי לדמות כל אינטראקציה כימית שמתרחשת בתוך בועית שומן. אנחנו יוצאים לתכנן כעת מודל חדש במערכת מדויקת עוד יותר, שלא רק תאשש שוב שתהליך כזה יכול לקרות, אלא גם תספק עוד מידע לגבי מהו בדיוק הרכב מולקולות השומן שהיה להן הסיכוי הטוב ביותר להרכיב את החיים הראשונים".

ואז כבר תוכל לשים אותן בגיגית?

"אני לא מאמין שבימי חיי נצמצם את האפשרויות כך שנוכל באמת להגיע למצב שבו אנחנו מכניסים לגיגית חומר שבסבירות גבוהה יוצר שכפול והעברת מידע לפי המודל שלי. גם אם כן, כדי לזהות את התהליך שקורה בגדלים זעירים, נצטרך כנראה לא מיקרוסקופ משוכלל כי אם מערך שלם של גלאים, בערך כמו במאיץ החלקיקים ב-CERN. אם אכן יהיה לנו מכשיר רגיש כזה, אולי גם אנחנו נמצא את הבועית האלוהית שלנו".

לנצט מזכיר שאבי תורת האבולוציה, צ'רלס דרווין, לא העז לחשוב על ראשית החיים בספריו. הוא מתחיל את תיאוריית האבולוציה כשכבר יש חיים. "אבל יש אזכור אחד, לא במאמר או ספר רשמי אלא במכתב שכתב לקולגה, לרעיון 'השלולית הקטנה והחמימה', שבה נוצר במקרה חומר שיכול להשתכפל ולהעביר מידע. אמירה זו קדמה בהרבה לרעיון של אוראפין לגבי 'המרק הקדום', אך דומה לה. היום, אם היה נוצר חומר כזה, הוא מיד היה מועלם על ידי חומרים חיים קיימים, או מוטמע בתוכם,אלא שאז לא היו עדיין חיים אחרים, והמולקולות הללו יכלו להתפתח ולעבור תהליכי שינוי ושיפור ללא הפרעה מן החי. ואם מקבלים את תורת האבולוציה של דרווין, שינויים קטנים יכולים כבר להגיע מצבירי שומן ועד החיים של היום".

מה בעצם אומרות תיאוריות מתחרות לגבי מקור החיים?

"התיאוריה השליטה היא שפתאום הופיע RNA, שיודע לאגור מידע וגם להיות זרז. אבל RNA לא היה יכול להופיע סתם כך ולשרוד במרק הקדום, כי המון אינטראקציות אחרות היו מפריעות לו".

לא יכול להיות שקרה המקרה והסתדר RNA מוצלח, כמו שאתה אומר שהסתדרה בועית שומן מוצלחת אחת מתוך 10 בחזקת 33 אפשרויות?

"לא, כי הליפידים יודעים לשחק את משחק האפשרויות טוב יותר מכל חומר אחר. כשמדובר בבועיות של חומצות שומן שצריכות לשמור על יחס של חומרים בין אחת לשנייה, אפשר לדמיין המון צבירים שנוצרים מתוך 'גן חיות' של חומרים, וכל אחד מהצבירים יכול לגלות דרגה כלשהי של יכולת שכפול. המתירנות הכימית של ליפידים וצביריהם היא המפתח. נוצרת תחרות דרווינית שבה צבירים מסוימים משתכפלים בכל פעם קצת יותר טוב ועוד קצת יותר טוב, בתהליך הדרגתי. לעומת זאת, ב-RNA, אם סוטים קצת מהמבנה של הבסיסים הקיימים, הוא לא משתכפל בכלל. נראה שה- RNA הוא מכונה שהאבולוציה יצרה ושכללה לאורך עידן ועידנים, ואילו את חומצות השומן המשתכפלות אפשר היה ליצור תוך מספר קטן יותר של דורות".

עד כמה התיאוריה שלך מקובלת היום?

"המאמרים שלנו מתפרסמים בכתבי עת מדעיים מובילים ואנחנו לא מנודים מהכנסים של מקור החיים. המבקרים אומרים לי: תוכיח בניסוי, וכאמור אני יכול לקדם את התיאוריה כרגע רק בניסוי ממוחשב. בתחומים אחרים, בייחוד בפיזיקה ואסטרופיזיקה, ניסוי מחשב מאוד מקובל, אך את הביולוגים קשה יותר לשכנע. את הפרופסורה שלי קיבלתי בתחום של חקר חוש הריח ובתחום חקר הגנום. רק אחרי שבנאדם נהיה פרופסור גמור (כמאמר ש"י עגנון), הוא יכול לקחת על עצמו משימה מוזרה כזו כמו חקר ראשית החיים".