באמצע המאה ה-20 ניסו המדענים סטנלי מילר (Miller) והרולד יורי (Urey) להתחקות אחרי התהליכים שהובילו לראשית החיים. בניסוי המפורסם הקרוי על שמם הם יצרו מעין סביבה קטנה של בריאה - שחזור של אותו "מרק קדמון" שמייצג את הכימיה של הסביבה המימית והאטמוספרית של כדור הארץ הקדום. הם מצאו שבתנאים המשוערים האלה, חומרים אורגניים מורכבים - חומצות אמינו, שהן אבני הבניין של החלבונים בתאיהם של כל היצורים החיים בעולמנו - יכולים להיווצר מחומרי מוצא פשוטים לא אורגניים. במילים אחרות: הגיאוכימיה יכולה להפוך לביוכימיה.
כעת, קרוב ל-70 שנה לאחר מכן, חוקרים מיפן ומארצות הברית שואפים להעפיל שלב נוסף הלאה בחיפוש אחר צפונות הקיום. במאמר, שפורסם בכתב העת Nature Ecology & Evolution, הם מנסים להתחקות אחרי תגובות ביוכימיות של חילוף חומרים (מטבוליזם) שהתרחשו בתאיהם של יצורים קדומים אך נעלמו במרוצת השנים. המסע הזה אחר החיבורים האבודים של הטבע הוא מאתגר במיוחד, ובדומה לניסוי מילר-יורי הוא מנסה לקשור בין גיאוכימיה לביוכימיה על סמך ראיות עקיפות.
3 צפייה בגלריה
בניסוי המפורסם הקרוי על שמם הם שחזרו את אותו "מרק קדמון" שמייצג את הכימיה של הסביבה המימית והאטמוספרית של כדור הארץ הקדום. המערכת בניסוי מילר-יורי
(איור: shutterstock)
מבצע בלשי
ראשית איגדו החוקרים למעלה מ-12 אלף תגובות ביוכימיות מוכרות מתוך מאגר מידע מקיף של אוניברסיטת קיוטו, והוסיפו להן עוד יותר מ-20 אלף תגובות ביוכימיות משוערות. על בסיס המאגר הנרחב הזה, בשילוב עם הידע הקיים על ההרכב הכימי של הקרקע, מאגרי המים והאטמוספרה של כדור הארץ הקדום, ניסו החוקרים להרכיב מודל שידמה את התפתחות תהליכי חילוף החומרים של יצורים בכדור הארץ, שלב אחר שלב. אך למרות כל מאמציהם, המודל שלהם יצר רק חמישה אחוזים מהתרכובות של הביוכימיה המודרנית.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
הממצאים המפתיעים על רבי הרגליים העצומים
טיפול RNA למחלה נדירה
היינו כחולמים: המדע מאחורי החלומות
אחת הדרכים המקובלות להיחלץ ממבוי סתום כזה היא לשלב במודל תרכובות מודרניות שלא היו קיימות בכדור הארץ הקדום - אך מהלך כזה שקול לתיאור של יוון הקלאסית שבו הפילוסוף אריסטו משתמש בשעון חכם בן זמננו. זה פשוט לא שייך. החוקרים בחרו בדרך יצירתית ומציאותית יותר לעקוף את המכשול. הם שאלו אילו תגובות ביוכימיות היו ואינן עוד? כלומר מהן התגובות הביוכימיות הדרושות ליצירת התהליכים המוכרים לנו בביוכימיה המודרנית, שהיו קיימות בעבר הרחוק אך אבדו במהלך מיליארדי שנות אבולוציה.
ידוע שכדור הארץ הקדום היה עשיר בחומרים לא אורגניים שיכלו לשמש תחליף לחלק מהמולקולות בתגובות הידועות לנו. לכן לא מן הנמנע שחילוף החומרים של יצורים קדומים התבסס עליהם בתגובות שנעלמו עם השנים. דוגמה אחת היא מולקולות המכילות גופרית, כמו מימן גופרי (H2S) וגופרית דו-חמצנית (SO2), ששימשו מקור אנרגיה מרכזי עבור יצורים חד-תאיים לאורך חלק ניכר מהאבולוציה ואף העשירו את אטמוספרת כדור הארץ הקדום בחמצן. ההתחקות אחרי התגובות האבודות הובילה את החוקרים להבחין בצוואר בקבוק במודל שלהם שקשור לאחת המולקולות החשובות ביותר בעולם החי – ATP.
מטבע האנרגיה של החיים
אדנוזין טרי-פוספט (ATP) הוא מולקולה אורגנית עתירת אנרגיה שמורכבת מאטומי מימן, פחמן, זרחן וחמצן, ומשתייך מבחינה כימית למשפחת הפורינים. ה-ATP מספק אנרגיה למגוון תהליכים תאיים, וגם משתתף בבניית חלבונים, העברת אותות ועוד. הבעיה היא שיש בו פרדוקס, משום שכדי ליצור מולקולות ATP חדשות צריך לצרוך ATP קיים. אבל אם זה המצב, איך נוצרו מולקולות ה-ATP הראשונות?
3 צפייה בגלריה
ה-ATP מספק אנרגיה למגוון תהליכים תאיים, וגם משתתף בבניית חלבונים, העברת אותות ועוד. מבנה המולקולה
(איור: shutterstock)
השערת החוקרים לפתרון השאלה הייתה שבימי תחילת החיים חלק מהתגובות המטבוליות התבססו על מולקולה אחרת – פוליפוספט – במקום ATP. בשונה מ-ATP, הפוליפוספט הוא מולקולה אנאורגנית, כלומר אין בה אטומי פחמן כלל ומקורה בתהליכים גיאוכימיים. לכן היא יכלה להימצא עוד לפני תחילת החיים האורגניים. הם מצאו שכשמוסיפים למודל שלהם פוליפוספט, מספיקות שמונה תגובות מטבוליות בלבד כדי ליצור יותר ממחצית מהחומרים האורגניים של ימינו. המודל אף מאפשר להתחקות אחרי האבולוציה של חילוף החומרים, כלומר תזמון הופעתן של התגובות הכימיות המרכזיות.
סדר שיהיה כאן!
שאלה נוספת שהחוקרים ניסו לבדוק בעזרת המודל היא האם האבולוציה של הביוכימיה היא לינארית, כלומר התגובות הכימיות התפתחו בזו אחר זו, או שמדובר במעין פסיפס, כלומר תגובות שהתפתחו בתקופות שונות יכולות להיפגש וליצור תגובה חדשה. התשובה, לדבריהם, היא גם וגם – האבולוציה הלינארית והלא-לינארית תורמות שתיהן ליצירת תגובות חדשות.
3 צפייה בגלריה
כדור הארץ הקדום (משמאל) וכפי שהוא היום עם קו מחבר ביניהם, שמייצג יצירת תרכובות לאורך זמן
(איור: Nasa Goddard Space Flight center / Francis Reddy)
כל זה טוב ויפה, אבל עדיין לא עונה על השאלה המקורית של המחקר: אילו תגובות ביוכימיות היו ואינן עוד? אחד מכותבי המאמר, הריסון סמית' מהמכון הטכנולוגי של טוקיו, מנסה להשיב עליה: "ייתכן שלעולם לא נדע בדיוק, אבל המחקר שלנו מניב פיסת מידע חדשה כראיה – שמונה תגובות בלבד [...] דרושות כדי לגשר על רוב הפער שבין גיאוכימיה לביוכימיה. זה לא מוכיח שמרחב הביוכימיה האבודה הוא קטן, אבל זה מראה שאפילו תגובות שנכחדו יכולות להתגלות מחדש על בסיס רמזים שנותרו בביוכימיה המודרנית".
בזכות המחקר החדש נחשף עוד טפח על הקשר בין אדם לאדמה, שהסופר המקראי עמד עליו כבר בפרק השלישי של ספר בראשית: "כִּי עָפָר אַתָּה וְאֶל עָפָר תָּשׁוּב". מסר שיש בו גם הרבה צניעות לגבי מקומו של האדם בעולם, ובהחלט ראוי למחשבה.
יהונתן ברקהיים, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
