אחת הדרכים המקובלות להציג את הקשרים בין היצורים בעולם החי והצומח היא צורת עץ, אולי בהשראת עץ הדעת או עץ החיים שאנחנו מכירים מספר בראשית. כבר ב-1801 המורה והכומר הקתולי הצרפתי אוגוסטן אוז'ייה (Augustin Augier) תיאר בצורת עץ את הסדר המופלא ששורר בעולם הבוטניקה. ב-1809 פרסם ז'אן-בטיסט דה למארק (de Lamarck) עץ חיים משלו: איור שייצג את טענתו שבעלי החיים מתפתחים במקביל זה לזה ושהתפתחותם מכוונת על ידי כוח עליון.
מדענים נוספים שפעלו אחריהם, ובהם אדוארד היצ'קוק (Hitchcock), היינריך גאורג ברון (Bronn), רוברט צ'יימברס (Chambers) ומדענים אנונימיים אחרים שקדמו לדרווין, תיארו את מבנה העץ בדיוניהם על התפתחות החיים. ב-1859 פרסם צ'רלס דרווין את ספרו "מוצא המינים" אחרי שקיבל מכתב מעמיתו אלפרד ראסל וולאס (Wallace), שגם הוא ראה את העולם דרך עדשת האבולוציה. "מוצא המינים" עיצב את תפיסתנו לגבי עולם החי: הוא מתפתח ומשגשג כמו עץ, מבסיס משותף שממנו נבענו כולנו.
4 צפייה בגלריה
מימין אילן היוחסין עבור בעלי חיים ומשמאל עבור צמחים. עץ החיים כפי שתיאר אדוארד היצ'קוק ב-1840
(איור: מתוך ויקיפדיה, נחלת הכלל)
מגלים את הגזע של עץ החיים
אילן היוחסין המשותף הזה עורר את השאלה אם יש מקור אחד לכל צורות החיים. יש שמנסים להבין איזה מין היה מוקדם יותר ומה סדר הופעת המינים, ואילו אחרים מחפשים את המין שהיה בבסיס העץ, האב הקדמון של כולנו.
קארולוס לינאוס (Linnæus), אבי הטקסונומיה, חילק את עולם החי והצומח לקטגוריות. הוא טען שאפשר לתאר את עולם החי בתור עץ עם בסיס משותף שממנו מסתעפים שני ענפים נפרדים – צמחים ובעלי חיים. מחקרים בשנות ה-90 של המאה העשרים הוסיפו עוד ענפים לבסיס העץ וטבעו את הביטוי "האב הקדמון האחרון המשותף" (Last universal common ancestor), ובקיצור לוקה (LUCA).
לוקה הוא האב הקדמון המשותף לכל היצורים החיים, האב של שלוש העל-ממלכות (Domain) שכוללות את הפרוקריוטים, האאוקריוטים והארכיאה. כשאנו רואים תינוק, אנו מנסים לעיתים להבין למי הוא דומה יותר – לאבא או לאימא. הרי הוא חולק איתם בסיס גנטי משותף. באותו אופן, מחקר חדש מנסה להתחקות אחרי דמיונו של לוקה לחיים המוכרים לנו ולהבין את השפעותיו על העולם.
4 צפייה בגלריה
כולם היו בניו של לוקה. עץ החיים מחולק לשלוש על-ממלכות: פרוקריוטים, ארכיאה ואאוקריוטים
(איור: VectorMine, Shutterstock)
ממה כולנו מורכבים
החוקרים שהצביעו על הגזע המשותף שעומד בבסיס עולם החי לא טעו. הם עוד לא דיברו במונחים של גנטיקה וביולוגיה מולקולרית בנות זמננו, אבל הם חזו את המאוחר: בבסיס החיים המוכרים כיום עומדים הקוד הגנטי, עשרים חומצות אמינו, ומולקולות ATP שהן מקור אנרגיה מרכזי לתהליכי החיים. המחקר על לוקה עורר מחלוקות רבות בקרב מדענים במשך השנים, בעיקר בגלל הבדלים בגישות ובנתונים השונים שבהם השתמשו או בתיארוך של התקופה שבה לוקה חי.
קבוצת המחקר, בהובלת חוקרים מאנגליה, ערכה השוואות רבות כדי למצוא סימנים גנטיים, השתמשה במאובנים ובנתה מודלים אפשריים לקיומו של לוקה בסביבות שונות ובזמנים שונים, תוך כדי השוואה למחקרים קודמים ולממצאיהם.
בבסיס המחקר עמדה ההנחה שיש סמנים גנטיים אוניברסליים (Universal marker genes) שנשמרים לאורך הדורות בעולם החי. לרוב אלה גֵנים או חלקים מהם, והם נמצאים בעותק יחיד החל מגזע העץ ועד כל המינים, כמעט, שבקצה ענפיו. החוקרים השתמשו בשילוב של סמנים גנטיים שונים – סמנים שייחודיים לכל מין שלוקה קדם לו וסמנים שקדמו אפילו ללוקה עצמו והשאירו חותם ב-DNA שלו. השימוש הזה בסמנים, יחד עם מידע משלושה עשר ממצאי מאובנים, אִפשר לחוקרים לתארך ולמצוא את הזמן שבו חי לוקה.
4 צפייה בגלריה
עולם החי מתפתח ומשגשג כמו עץ, מבסיס משותף שממנו נבענו כולנו. הפרושים מאיי גלפגוס, מפרי עטו של המאייר ג'ון גולד בספרו של דרווין "מסע הביגל", 1839
(צילום: ויקיפדיה, נחלת הכלל)
אנחנו ולוקה: קרובים רחוקים
אפשר להתחקות אחרי קצב האבולוציה וצבירת המוטציות של הגֵנים על ידי ספירת השינויים בבסיסי ה-DNA או בחומצות האמינו בחלבונים, וכך אפשר להשתמש בהם בתור שעון מולקולרי. החוקרים טוענים שכך הצליחו לדייק יותר ממחקרים אחרים. הם העריכו שלוקה נוצר לא הרבה אחרי היווצרות כדור הארץ, בטווחי זמן גיאולוגיים קצרים יחסית, לפני בערך 4.2 מיליארד שנים. מכיוון שכדור הארץ קיים בערך 4.5 מיליארד שנים, ייתכן שהחיים התפתחו מוקדם ומהר משחשבנו.
החוקרים השוו בין משפחות גֵנים כדי להסיק על תהליכי החיים של לוקה, בשונה מדמיון בין גֵנים בודדים שבחנו בעבר. כפי שאפשר לזהות שחלק מכנף העטלף דומה לזרוע האדם – הן הומולוגיות ובעלות מוצא משותף – כך אפשר למצוא חלקי גֵנים או חלקי חלבונים שנמצאים אצל בעלי חיים היום ודומים למה שהיה ללוקה. כך אפשר ליצור עצים של משפחות גֵנים ולבדוק אם הם דומים לעצי המינים שנבדקים. כשמחפשים דמיון בין בני משפחה שמפרידות ביניהם מיליארדי שנים, קשה יותר להסתכל על מרכיב בודד ונדרשת הסתכלות רחבה יותר.
אי אפשר היה להשתמש בבדיקות הומולוגיה מקובלות, ולכן החוקרים בנו התפלגויות סטטיסטיות לחישוב ההיתכנות שמשפחת גֵנים זו או אחרת הייתה קיימת בכל אחד מפיצולי הענפים בעץ שעליו נמצא לוקה ועליו נמצאים גם מינים בני זמננו. הזיהוי בשיטה הזאת הוביל את החוקרים למסקנה שלוקה היה דומה לפרוקריוט מודרני בגודל ה-DNA שלו – 2.75 מיליון בסיסים – שמקודד ל-2,650 חלבונים בממוצע לכל אורגניזם.
חיזוי מרכיבי ה-DNA של לוקה אִפשר לבדוק איך נראתה סביבת חייו. החוקרים בחנו סביבות חיים אפשריות על סמך הצעות ממחקרים קודמים והפרופיל המטבולי שיצרו עבור לוקה, כלומר הפעולות של חילוף חומרים שהוא קִיים. המסלולים המטבוליים שהחוקרים הצליחו לאפיין מראים שלוקה לא היה זקוק לחמצן, בדומה למסלולים של הארכיאה ורוב החיידקים האל-אווירניים, שלא נזקקים לחמצן. אולי לוקה קיבע פחמן ואולי אפילו ידע לנצל מימן לקיום תהליכי חיים. חסרים אצל לוקה סמנים לניצול מתאן ולביצוע פוטוסינתזה, אבל הוא ככל הנראה ידע לעשות גלוקונאוגנזה או גליקוליזה, מסלולי חילוף חומרים המערבים גלוקוז. התהליכים האלה דורשים יכולת לניצול פחמן. כל זה אומר שלוקה אולי היה אוטוטרוף, יצור שמייצר לעצמו את מזונו, וגם אורגנו-הטרוטרוף, יצור שמזין את עצמו ממקור אורגני חיצוני.
מה היה ללוקה, מה לא היה
בניתוח מסלולים מטבוליים עבור משפחות גֵנים השתמשו במסד נתונים של מסלולים מטבוליים וגֵנים מוכרים כיום, ובמסד הנתונים הזה חיפשו התאמות להערכוֹת, לאומדנים של החומר התורשתי של לוקה. בעזרת תוכנה נוספת יצרו אילנות יוחסין בין הגֵנים שאותרו בלוקה לבין חיידקים מוכרים ועשו הערכה לשלמות של כל מודל מטבולי שמוּכּר כיום, מה שמספק תובנות לגבי קיומם של מסלולים מסוימים בלוקה, במלואם או חלקית. כך החוקרים הצליחו להשלים באופן חלקי 37 מסלולים מטבוליים שקשורים ליצירת חומצות אמינו.
החוקרים מצאו ב-DNA המשוער של לוקה עדויות למרכיבים של מערכת שמוכרת לנו מחיידקים ומקושרת למערכת דמויית מערכת חיסון – מערכת הגנה מפני פגיעות בתא החיידק, ה-CRISPR. מציאתה אצל לוקה מעלה את ההשערה שהאורגניזם לוקה נדרש להתמודד עם חומר תורשתי זר לו, כלומר חומר תורשתי שמקורו ביצורים שכנים. האם המערכת שימשה מלכתחילה להגנה או שמא הייתה תחילה רק לשם תקשורת בין מינים או פרטים שונים קדומים? ייתכן שכבר היה מרוץ חימוש על פני כדור הארץ בין יצורים שונים כגון נגיפים ובין לוקה.
החוקרים זיהו מסלולים שמקושרים לאברונים שיצרו ליפידים – מולקולות שהן בעיקר שומנים. האברונים האלה יצרו חלבונים שמזהים אותות, סיפקו חלבונים מהממברנה לפלזמה ובנו חומצות אמינו. החוקרים לא הצליחו לוודא שהתקיימה אצל לוקה ממברנה פוספוליפידית – פוספוליפיד הוא מרכיב מרכזי בממברנות, קרומי התא בעולם החי.
אם כך, לוקה, שמייצג את האוכלוסיה הקדמונית, כנראה היה יצור די דומה לחיידקים מוכרים לנו והיו לו מרכיבים מודרניים שנדרשים לקיום החיים כפי שהם מוכרים לנו. הוא יכול היה לחיות בפתחים הידרותרמיים רדודים או במעיינות חמים. החוקרים משערים שסביבת החיים של לוקה הייתה מוגבלת באנרגיה או מימן, אבל לא בחנקן.
המחקר עדיין לא מסביר את המעבר האבולוציוני מראשית החיים, מהיצור הבודד דמוי לוקה, לקהילות בנות זמננו. בנוסף, ייתכן שהיו כבר חיים נוספים במקביל ליצורים דמויי לוקה, אך הם לא שרדו. חלקים בפאזל חסרים עדיין, ועם זאת, החוקרים הצליחו לשפוך אור על מנגנונים רבים ולקדם את ההבנה שלנו לגבי מקור החיים המשותף לכולנו כפי שהוא מוצג בעץ החיים.
קסניה ז'ורבל, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
