מחקר חדש מעולם הכימיה הצליח להסביר כיצד יכולה להיווצר מורכבות מאבני בניין פשוטות. החוקרים בנו מערכת שבה מבנים של מולקולות יכולים להיווצר ולהיהרס מעצמם וגילו שדווקא המבנים המורכבים יציבים יותר. למה זה מפתיע? כי כבר 50 שנה אנחנו בטוחים שהעולם עובד בדיוק להפך.

יש בטבע מורכבות מדהימה. בתוך גדילים ארוכים של DNA, המקופלים במעין אוריגמי מסתלסל, חבויות ההוראות ליצירת כל היצורים החיים – מחיידקי מעי ועד דובי פנדה. אחד המאפיינים הבולטים של יצורים חיים הוא יכולתם להתרבות ולהשתכפל. בני אדם מתרבים על־ידי העמדת צאצאים, תאי חיידקים מתרבים על־ידי חלוקה לשניים וברמה בסיסית אף יותר מולקולות של DNA ו־RNA משתכפלות בדיוק מופתי. השכפול של המולקולות האלה עומד בבסיסן של רוב התאוריות העוסקות בהיווצרות החיים [1]. אבל איך המורכבות הגדולה שאנו רואים בחיים יכולה לנבוע מכמה אבני בניין שמשתכפלות? 

כאשר דנים במורכבות ובאבולוציה, חשוב להזכיר את "המפלצת של שפיגלמן" [2, 3]. בניסוייו פורצי הדרך השתמש הביולוג סול שפיגלמן במקטעים קצרים של RNA שהוסיף לתמיסה פשוטה של אנזימים ושל נוקלאוטידים, אבני הבניין של RNA. זמן קצר אחרי כן התחיל ה־RNA להשתכפל. האנזימים שבתמיסה העתיקו את מקטעי ה־RNA ובנו מקטעים זהים חדשים. אך מכיוון שפעילות השכפול אינה מושלמת, לפעמים אירעו בה טעויות. בשל הטעויות האלה נוצרו מקטעים קצרים יותר של RNA. ככל שהתוצרים נהיו קצרים ופשוטים יותר, כך הם הועתקו בקלות והשתכפלו במהירות רבה יותר. לאחר שחזר על הניסוי כמה פעמים, ראה שפיגלמן שמרבית המקטעים שנותרו במבחנה היו קצרים פי 20 מאורך המקטע המקורי. כלומר האבולוציה בחרה את הפשוט והקצר על פני המורכב והארוך. 

ממצאיו של שפיגלמן מציבים מולנו פרדוקס: אם מקטעים קטנים ופשוטים משתכפלים ביעילות רבה יותר, כיצד ייתכן שהטבע מורכב כל כך? את הפרדוקס הזה ניסו לפצח צוות כימאים מאוניברסיטת חרוניגן (Gronigen) שבהולנד, ובהם גם הכימאי הישראלי, ד"ר עומר מרקוביץ'. החוקרים בדקו איך מתפתחת מורכבות בעזרת "תחרות" בין אבני בניין כימיות שבה רק אבני הבניין המתאימות שורדות [4, 5]. לשם כך הם בנו מערכת פשוטה שאבני הבניין בה לא היו RNA או DNA אלא מולקולות טבעתיות קטנות. כאשר מולקולות כאלה נפגשות, הן יכולות להתחבר וליצור סיבים ארוכים בתהליך שמדמה שכפול של מקטעי RNA (ראו סרטון [6]). החוקרים אפשרו לאבני הבניין להסתדר מעצמן, ואכן, כפי שצפה שפיגלמן, הם ראו שאבני הבניין התחברו בעיקר לסיבים קצרים ופשוטים של שלוש אבני בניין, ללא גיוון וללא מורכבות. כמו שאמרנו: בתחרות – הפשוט הוא המתאים ביותר.

כדי שהמערכת תהיה מציאותית יותר, הוסיפו החוקרים אלמנט מן החיים עצמם: המוות. הם הכניסו למערכת חומר "הרסני", וכך אפשרו לסיבים למות (להתפרק). החומר הזה פירק את הסיבים בתגובה כימית של חיזור והאיץ את יצירת הטבעות והסיבים מחדש בתגובה של חמצון. כעת התווסף לתחרות הבנייה של הסיבים גורם חדש: קצב הפירוק שלהם. 

להפתעתם של החוקרים, לאחר שהוסיפו את החומר ההרסני, ניצחו בתחרות דווקא הסיבים המורכבים. אומנם קצב הבנייה שלהם היה איטי, אבל הפירוק שלהם היה קשה הרבה יותר. בהתבוננות מקרוב מצאו החוקרים שבתחילה נבנו במהירות סיבים קצרים ופשוטים, אך עם הזמן הם התפרקו ומאותן אבני בניין נוצרו סיבים ארוכים ומורכבים יותר.

רבות מן התאוריות על מקור החיים טוענות שנדרשת "הצתה" שתוביל לשכפול – מקור של אנרגייה שירעיד את אבני הבניין הראשוניות ויעודד את היווצרותן של מולקולות מורכבות יותר. במחקר זה הוצגה הוכחה ראשונית לכך – אכן בהוספת מרכיב של "מִחזור" למערכת נעוצים שורשיה של המורכבות.

לסיכום, על־ידי הוספת אלמנט של הרס למערכת פשוטה הצליחו כימאים להראות כיצד יכולה להיווצר מורכבות מאבני בניין פשוטות. המחקר שבר מוסכמות שעמדו על תילן כ־50 שנה, ולפיהן במערכת תחרותית הפשוט עדיף מן המורכב. מחקר זה פותח צוהר למחקרים נוספים שינסו להסביר מהו מקור החיים, וכיצד ייתכן שאבני בניין פשוטות יצרו את המורכבות של הטבע כולו.

נכתב בשיתוף עמותת סיינס אברוד.

ד"ר עומר מרקוביץ' הוא חבר בעמותת סיינס אברוד. עומר השלים את לימודי הדוקטורט במחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן. כיום, הוא פוסט־דוקטורנט באוניברסיטת חרוניגן ועמית במרכז ההולנדי לחקר מקורות (Origins Center). במחקרו ד"ר מרקוביץ' משתמש במולקולות כימיות פשוטות כדי לבחון את עקרונות האבולוציה בכימיה. מטרת מחקרו היא ללמוד כיצד ייתכן שהחיים התחילו מ"מרק כימי".

תוכלו לקרוא עוד על מחקריו של עומר באתר האישי שלו

עמותת סיינס אברוד (ScienceAbroad) היא ארגון ללא כוונת רווח הפועל משנת 2006 לאיגוד מדעניות ומדענים ישראלים בחו"ל. מטרתה לחזק את הקשרים עם חוקרות וחוקרים ישראלים בעולם והשבת מוחות לישראל. קהילת המדעניות והמדענים של סיינס אברוד מונה יותר מ־3000 אנשי מחקר מהאוניברסיטאות הטובות בעולם. ארגון סיינס אברוד מעניק כלים, מפתח קשרים ופותח דלתות למדעניות ומדענים ישראלים המבקשים לשוב לישראל, על מנת שיביאו עימם את הידע, הניסיון והקשרים שצברו בחו"ל אל האקדמיה והתעשייה הישראלית, כמנוע צמיחה. בנוסף, חברי הארגון מעורבים בפרויקטים לשיפור תדמיתה של ישראל ומיתוגה של ישראל כמרכז מחקר ופיתוח, וכן להנגשת המדע לקהל הרחב בישראל ובעולם.

עריכה: אדוה שוורץ

מקורות והרחבות: 

[1] ריצ'ארד דוקינס, הגֶן האנוכי, פרק 2: המשכפלות

[2] על המפלצת של שפיגלמן 

[3] סרטון על ניסוייו של שפיגלמן  

[4] המאמר המתאר את המחקר

[5] כתבה שהתפרסמה על המחקר באתר PHS.ORG  

[6] סרטון על המערכת שבנו החוקרים

[7] ריאיון עם ד"ר עומר מרקוביץ' על פילוספיית המחקר שלו 

[8] "כך הכל התחיל" – כתבה של ד"ר מרקוביץ' שהתפרסמה במגזין גלילאו ב־2012

עוד סרטונים: 

סרטון TED-Ed על מקור החיים (כתוביות בעברית)

סרטון TED-Ed על אבולוציה (כתוביות בעברית)