מוצא החיים

במדעי הטבע, מוצא החיים או אביוגנזהלועזית: Abiogenesis, אביוגנזה) הוא כינוי לתחום מחקר החוקר את היווצרות החיים על פני כדור הארץ. ביסוד התחום עומדת ההנחה שהחיים על פני כדור הארץ נוצרו בתהליכים אקראיים מחומר דומם.[1]

מאמץ לא מבוטל מושקע בניסיון להראות מנגנונים אפשריים לאביוגנזה. המחקר מנסה להתקדם משני כיוונים הפוכים: "מלמעלה למטה" - ניסיון להנדס תא חי מינימלי, כלומר התא הפשוט ביותר האפשרי שיכול להתקיים ולהתרבות. הכיוון ההפוך הוא "מלמטה למעלה" - ניסיון למצוא מנגנונים אפשריים שישפרו את הסיכוי לאביוגנזה בסביבת מולקולות כימיות המצויות בסביבה נטולת חיים.

הצעות שאינן מתחום הביולוגיה והביוכימיה כוללות את ההשערה שהיקום אינסופי - ולכן יש אינסוף פלנטות דמויות ארץ כך שכל סיכוי גדול מאפס חייב להתממש[דרוש מקור], והשערה דומה לגבי קיום אינסוף יקומים מקבילים. בשני המקרים אביוגנזה חייבת להתרחש, יהיו הסיכויים נמוכים ככל שיהיו ובתנאי שהם גדולים מאפס.

תורת האבולוציה מסבירה כיצד צורות חיים מורכבות ומגוונות הקיימות כיום התפתחו מצורות חיים פשוטות יותר. שאלת מוצא החיים מתמקדת בשאלת מוצאו של היצור החי הראשון. טרם נמצא הסבר שלם ומניח את הדעת למוצא החיים. מספר השערות ועדויות ניסיוניות מצביעות על פתרונות אפשריים לתעלומה זו מובאים להלן.

הנחות יסודעריכה

הראשון שהציע את האפשרות שהחיים התפתחו מחומר אי אורגני היה צ'ארלס דרווין אבי תורת האבולוציה. השערתו הייתה כי החיים התפתחו בתוך תערובת נוזלית של מלחי פוספט, ואמוניה שאפשרו, בשילוב עם אור, חום וחשמל את היווצרות החלבונים הראשונים.
ב-1924 פיתח ביוכימאי סובייטי בשם אלכסנדר אופרין תאוריה מקיפה יותר והציע ארבע הנחות יסוד המשמשות עד היום את הבסיס התאורטי לאביוגנזה:

  1. החיים יכלו להיווצר מחומרים רגילים בתהליך של אבולוציה כימית.
  2. חומרי הבסיס על פני כדור הארץ היו דומים לאלו הנמצאים במערכת השמש כגון ענקי הגזים: צדק ושבתאי המכילים מתאן, אמוניה, מימן ומים.
  3. בתחילה היו בנמצא תרכובות אורגניות פשוטות באוקיינוסים אשר יצרו את המרק הקדמון. בהדרגה עלתה רמת המורכבות של תרכובות אלו בתגובות כימיות רגילות אשר אפשרו קטליזה של תגובות כימיות נוספות ויצירה של מערכות מסודרות ואוטוקטליטיות.
  4. תחרות על המשאבים ומולקולות הבסיס גרמה לברירה טבעית אשר הניעה את תהליך העלייה במורכבות האורגניזים ויצירת מגוון המינים הקיים כיום.

נכון להיום החיידק המאובן הקדום ביותר שתוארך התגלה במערב אוסטרליה ב-2011. על פי ההשערות גילו הוא 3.4 מיליארד שנה[2][3]. גם אם ממצא זה אינו ודאי, הרי שלפני 2.4 מיליארד שנים, היחס בין איזוטופים יציבים של פחמן (12C ו-13C), ברזל (56Fe, 57Fe ו-58Fe) וגפרית (32S, 33S, 34S ו-36S) מצביע על כך שמקורם של מינרלים ומשקעים הוא ביוגני[4][5] ותוצרים מולקולריים מצביעים על קיומה של פוטוסינתזה[6][7].

נושאים מרכזיים במחקרעריכה

ג'ון ברנל, מחוקרי התחום, הציע כי היווצרות החיים התרחשה בשלושה שלבים:

כל אחד משלבים אלו העלה שאלות מחקריות רבות. שאלות מרכזיות המעלות עניין מיוחד:

  • מה מקורו של הקוד הגנטי המשותף לכל צורות החיים?
  • מדוע וכיצד נוצרה האחידות בכיראליות בכל צורות החיים?
  • מה היה אופי המולקולות בשלב האבולוציה הטרום תאית?

יצירת מונומריםעריכה

ההנחה הרווחת היא שהתרכובות האורגניות הראשונות נוצרו מן הגזים שהרכיבו את האטמוספירה בעבר. לפני כ-4 מיליארד שנים כדור הארץ היה בעל אטמוספירה דלת חמצן ומרובה תרכובות גופרית מההתפרצויות הגעשיות התכופות שהיו בו. ברקים היו תדירים בהרבה ממה שהם היום. הרכב התמיסה שהיה באוקיינוסים של כדור הארץ בתקופה זו מכונה המרק הקדום.

החוקר האמריקאי סטנלי מילר העמיד הנחה זו למבחן בניסוי מילר-יורי שבוצע בשנת 1953. הוא התקין מכשיר ומילא אותו בתערובת שחיקתה את האטמוספירה שכפי ששוער הייתה בכדור הארץ לפני 3.5 מיליארד שנה - תערובת גזים של מתאן, אמוניה, מימן ומים. הגזים סבבו במכשיר ומילר חיבר אלקטרודות שיפעילו עליהם התפרקויות חשמליות המדמות ברקים. תוך שבוע נוצרו בתערובת שלוש מתוך עשרים חומצות האמינו המשמשות אבני בניין של חלבונים, וחומרים אורגנים נוספים. בניסויים דומים שנערכו בשנים הבאות תוך שימוש בחומרים נוספים כגון גופרית הופיעו חומצות אמינו נוספות ואף חומצות גרעין (אבני הבניין של הדנ"א והרנ"א) וסוכרים פשוטים. בשנת 2008 נערך ניתוח מחדש של התוצאות, והתגלה כי בניסוי מילר-יורי נמצאו 22 חומצות אמינו, ולא 3.[דרוש מקור] 20 מבין החומצות הללו הן הדרושות לקיום חיים.

מקור נוסף לחומרים אורגניים עשוי להיות גופים המגיעים מן החלל החיצון.[8]. חומצות אמינו פפטידים קצרצרים ואף חלבון נמצאו בגופים שהגיעו לכדור הארץ מן החלל החיצון. בין אם גופים אלו מילאו חלק מרכזי באספקת מונומרים לתהליך היווצרות החיים ובין אם לאו, עצם נוכחותם מראה על האפשרות להיווצרות ספונטנית של חומרים אלו.

אחת החידות המרכזיות בהקשר של מוצא החיים היא מציאת הדרך שגרמה ליצירת עודף אננטיומרי של מולקולות כיראליות, כמו חומצות אמינו או סוכרים. אפילו ניסוי מילר-יורי לא הצליח לייצר תגובה סטריאוסלקטיבית שתיצור עודף כזה. ראיות לכך שמקורו של העודף מחוץ לכדור הארץ התגלו במטאוריט מורצ'יסון שמייצג את הרכב החומרים במערכת השמש הקדומה. ראיה נוספת מגיעה מתצפיות על קיטוב האור שמגיע מערפילית אוריון ועובר בדרכו חומר בין-כוכבי. מהמדידות נמצא שבאזורים מסוימים של החומר הבין-כוכבי יש עודף אננטיומרי של מולקולות כיראליות מסוימות.

יצירת פולימריםעריכה

אחת ההשערות המקובלות במחקר היא עולם ה-RNA. על פי השערה זו, מונומרים אורגניים הפכו בריאקציות כימיות אקראיות ונדירות לפולימרים קצרים. סוג אחד של פולימרים כאלה, RNA, הוא גם בעל יכולת לזרז תגובות כימיות רצויות, כולל שכפול עצמי וגם בעל יכולת לשאת מידע לשכפול עצמי. בצורות החיים של ימינו, החלבונים מזרזים את רוב התהליכים הכימיים בתא והמידע התורשתי נשמר לטווח ארוך ב-DNA אולם בשלב ראשוני זה, כל המידע התורשתי וכל הפעולות הקטליטיות נעשו בעזרת RNA. גם בצורות החיים של ימינו ה-RNA משמש בכל תא גם לזירוז ייצור החלבונים עצמם, גם לזירוז שכפול ה-DNA וגם להעברת מידע תורשתי מה-DNA אל מערך ייצור החלבונים.

על פי ההשערה, האנרגיה לפעולות ה-RNA התקבלה מפירוק סוכרים בעזרת תרכובות גופריתנשימה גופריתית ובאזורים אוקייניים עם פעילות געשית תדירה היה ריכוז גבוה של RNA בזכות תרכובות הגופרית שנתנו אנרגיה לשכפולם.


יצירת תאעריכה

אופרין העלה את השערת יצירת הקואצרווטים - על פי השערה זו, החלבונים, שנוצרו בימים ובאגמים העתיקים, הצטרפו לטיפות מיקרוסקופיות הקרויות קואצרווטים (Coacervate) (אנ'), המסוגלות לקלוט לתוכן חומרים. כתוצאה מקליטת חומרים לתוכן הן גדלות, וכאשר הן מגיעות לגודל מסוים הן נחצות לשניים.

הטיפות שהמבנה החלבוני שלהם היה מוצלח יותר יכלו לקלוט לתוכם חומרים במהירות רבה יותר, כולל טיפות קטנות מהן. הן התחלקו מהר יותר והיו רבות יותר מטיפות בעלות מבנה חלבונים שונה.

חומצות הגרעין שבונות את ה-DNA בתאים הנוכחיים השתלבו בטיפות. מרגע שפיתחו חומצות הגרעין דרך לקבוע את מבנה החלבונים ניתן לשייך את הטיפות ליצורים החיים. חומצות הגרעין יכלו לפקח על בנייה של חלבונים שיזרזו וישלטו על תהליכי מטבוליזם וההתחלקות (התרבות).

השערה נוספת היא השערת הליפידים - מולקולות שומן פשוטות, אשר באופן טבעי מתארגנות ליצירת בועות בהן הסביבה הפנימית מופרדת מהסביבה החיצונית. כל התאים החיים על פני כדור הארץ תחומים במעטפת שכזו - שכבה כפולה של ליפידים, בתוספת "שערים" מולקולריים המאפשרים חילוף חומרים מבוקר.[9]. הדמיות מחשב הראו שהמודל מאפשר ברירה טבעית.[10]

גישות המחקרעריכה

המחקר העוסק ביצירת החיים מכיל בתוכו שתי גישות הפוכות – הראשונה: מלמטה למעלה: ראשית יש לבחון כיצד נוצרו אבני הבניין של החי ורק אז אפשר להמשיך ולבדוק כיצד הגענו מהם ועד לתא החי הראשון. השנייה: מלמעלה למטה: בחירת נקודה על רצף היווצרות החיים ומשם לבחון האם יכלה להיווצר באופן ספונטני. לאורך זמן אפשר שנוכל לחבר את הנקודות האלה ליצירת הסיפור המלא.

כיום מתקיים מחקר ענף לגבי העולם שהתקיים טרם הופעתה של LUCA (האב הקדמון המשותף), ואין כיום השערה אחת מוסכמת בשל חוסר הוודאות לגבי התנאים ששררו לאחר התקררות כדור הארץ (עידן האדן) עם זאת, ההשערה המרכזית בה מתמקד המחקר היא השערת עולם הרנ"א. השערה זו מבוססת על גילוי הריבוזים ב-1981, אנזים זה המכיל רנ"א וחלבונים התברר כבעל יכולת שכפול עצמי (בניגוד לדנ"א), כאשר החלק הקטליטי בתוכו הוא מולקולת הרנ"א המאפשר את השכפול. הבעיה עם מולקולת הרנ"א שהיא נוטה להתפרק במהירות מחוץ לתא, פתרון אפשרי לכך הוא שימוש במייצבים כימיים. בראשית שנות ה-70 פיתח מנפרד אייגן מנגנון היפותטי בו מולקולות רנ"א ואחרות עשויות לעבור סבבים ספונטניים של שכפול עצמי.


התפתחות ממלכות העל של החייםעריכה

ידוע כיום כי התאים הפרוקריוטיים היו האורגניזמים הראשונים שנוצרו על פני כדור-הארץ, לפני כ-4 מיליארד שנים. בכמיליארד השנים הבאות לא התרחשו שינויים משמעותיים במורפולוגיה או ברמת ארגון התא. אלא רק שינויים בתפוצת התאים ובפיזיולוגיה שלהם בהתאמה לסביבות רבות. נוצרו לפחות שתי על ממלכות של פרוקריוטים: הבקטריה והארכאה. הארכאה נתגלתה לאדם רק בשנות ה-80 של המאה ה-20 ולא מן הנמנע שקיימות או שהתקיימו על ממלכות פרוקריוטיות נוספות.

מיליארד שנים לאחר התפתחות התא הראשון, נוצרו האאוקריוטיים מבקטריה שהובלעה בארכאה. בתחילת התהליך היו הבקטריה והארכאה האלה סימביונטים. חלק מהחומר התורשתי של הבקטריה עבר אל החומר התורשתי של הארכאה. הארכאה סיפקה לבקטריה את החלבונים הנחוצים לה ואילו זו הפכה לאברון הנשימה של הארכאה בסביבות חמצניות. בקטריות אחרות הפכו לאברוני הפוטוסינתזה של הארכאה. הבקטריות התפתחו למיטוכונדריון ולכלורופלסט. הארכאה, שהחלה לבטא חלק גדול מהחומר התורשתי של הבקטריה גם לצרכיה שלה ולא רק לשירות הבקטריה הסמביונטית, הפכה לתא אאוקריוטי. באאוקריוטיים נוצרו ממברנות פנימיות דומות לאלה של הסמביונטים שלהם, שמידרו אזורים נוספים מלבד המיטוכנדריון והכלורופלסט כגון גרעין התא שבו מצוי החומר התורשתי. התרבות הבקטריות והאאוקריוטים שיכולים היו לבצע פוטוסינתזה הפכה את אטמוספירת כדור הארץ כולו לחמצנית. הארכאות חסרות הסמביונטים נדחקו לסביבות דלות חמצן (כדוגמת ים המלח וקרקעית האוקיינוס). עם התרבות החמצן באטמוספירה נוצרה שכבת האוזון, שהורידה את רמת הקרינה המייננת על פני כדור הארץ ואפשרה יציבות רבה יותר למולקולות ביוכימיות.

התפתחות הרב-תאייםעריכה

לפני כמיליארד שנים החלו להופיע באוקיינוסים אורגניזמים רב-תאיים. ההתפתחות האבולוציונית של האורגניזמים הרב-תאיים התרחשה מספר פעמים בנסיבות בלתי-תלויות באורגניזמים שונים כמו ספוגיות, חומיות, כחוליות, ריריות ומיכובקטריה.

במהרה לאחר הופעתם, נרשמה פעילות אבולוציונית מהירה במשך כ-10 מיליון שנים. התרחשות זו הובילה ליצירת מרבית האורגניזמים שאליהם אנו עדים כיום, יחד עם יצירת שושלות יוחסין אשר נכחדו זמן-מה לאחר-מכן. ניסיונות להסברת ההתפתחות האבולוציונית המהירה כוללים תאוריה שגורסת הצטברות חמצן מספקת באטמוספירה כתוצאה מפעילות פוטוסינתטית. לפני בערך 500 מיליון שנים החלו צמחים ופטריות ליישב את היבשה, ובמהרה הצטרפו אליהם תולעים שמהן התפתחו פרוקי הרגליים ובעלי חיים חסרי חוליות נוספים. באוקיינוסים התפתחו מיתרניים ומהם חולייתנים כגון דגים. מדגי הריאות התפתחו דו-חיים, שהופיעו לראשונה על היבשה בערך לפני 300 מיליון שנים. מדו החיים התפתחו זוחלים שמהם התפתחו היונקים לפני 200 מיליון שנים לערך. מהזוחלים התפתחו גם דינוזאורים שמהם התפתחו העופות לפני 100 מיליון שנים. עם התפתחות האורגניזמים הגדולים, המשיכו האורגניזמים הקטנים, בעלי מבנה מורפולוגי דומה לזה של הראשוניים להתקיים כשרוב הביומסה של היצורים החיים כיום היא של מינים פרוקריוטיים שונים.

הסברים שאינם מדעייםעריכה

הגישה המונותאיסטיתעריכה

לפי הסבר זה המתייחס לרוב לסיפור בריאת העולם, כל האורגניזמים בעולם, ובכלל זה האדם, נבראו בצורתם הסופית על ידי בורא, המכונה לרוב אלוהים. כל אורגניזם נברא עם מאפיינים של יצור בוגר - לדוגמה: העץ נברא עם טבעות שנתיות, האדם נברא עם שיניים ושיער, וכו'. הסבר זה מקובל בקרב מאמיני דתות מונותאיסטיות רבות וזהו גם ההסבר הבולט בקרב המתנגדים לתורת האבולוציה (ראו גם בריאתנות).

לעומתם יש בריאתנים חדשים (ראה תכנון תבוני), המודים כי ההסבר הטבעי היחיד להתפתחות החיים הוא אבולוציוני, אולם הם שוללים את עצם האפשרות שיש הסבר טבעי לארגונן המורכב של מערכות ביולוגיות, ובעיקר של המערכת החיה הראשונית. לפיכך הם טוענים כי יש כוח עליון תבוני אשר תכנן את מהלך הדברים ואולי אף יצר את הגרעין הראשוני ממנו התפתח הכל.

חלק ממאמיני היהדות, מקבלים את תיאורית האבולוציה ברובה. וזאת על פי גישת הרב קוק "אין זה כלל עיקר של תורה לספר לנו עובדות פשוטות ומעשים שהיו. העיקר הוא התוך, ההסברה הפנימית, וזה יתרומם עוד יותר בכל מקום שנמצא כוח סותר שאנו מתעודדים להתגבר על ידו" . למעשה תורת האבולוציה עוסקת בהסברת "האיך" - כיצד העולם התפתח לכדי מה שהוא היום, אבל התורה עוסקת ב"מדוע" - כלומר מסבירה מדוע אוסף של חומרים דוממים הפך לבסוף לעולם מלא חיים מגוונים ותבוניים. על פי גישה זו האבולוציה היא רק תיאור מעשה בראשית בהרחבה ואין כל סתירה בין פרטי תורת האבולוציה לבין גישת היהדות, אלא התייחסות לדברים שונים.

הסברים חלופיים נוספיםעריכה

גנרציה ספונטנית
בתקופה הקדומה היה מקובל לחשוב, שיצורים מורכבים יכולים להיווצר ישירות מחומר דומם. כך למשל עכברים מופיעים באסמי תבואה, ורימות מתהוות בבשר נרקב. גם חז"ל קיבלו את הנחת היסוד הזאת וברמב"ם מצוין שהכינים נבראו "מן הזיעה" תאוריה זו, המכונה יצירה (גנרציה) ספונטנית, באה לידי ביטוי עוד בכתביו של אריסטו. השפעתם של הוגי הדעות היוונים הייתה רבה, ורק במאה ה-17 החלו להתעורר ספקות באשר להתכנותה של גנרציה ספונטנית. בספרו מ-1646 היה תומאס בראון אחד הראשונים לקרוא תיגר על תורת הגנרציה הספונטנית. למרות הביקורת הרבה על פרסום זה, ב-1668 הצליח האיטלקי פרנצסקו רדי להראות כי זבובים המטילים את ביציהם בבשר הם המקור להתפתחות הרימות בו. מהמאה ה-17 ואילך, העדות הנסיונית הצטברה בהדרגה ודחקה את רגליה של תורת הגנרציה הספונטנית; בתחילה עוד ניתן היה להחזיק בה לגבי יצורים מיקרוסקופיים. היו שסברו למשל, כי חידקים יכולים להיווצר מחומר נרקב. אך בסופו של דבר תיזת הגנרציה הספונטנית הופרכה סופית על ידי לואי פסטר בסדרה של ניסויים ב-1861. מוסכם היום כי כל היצורים החיים כיום נוצרו מיצורים חיים קודמים.
קדמות העולם/נצחיות המינים
הסבר לפיו העולם, כולל מיני האורגניזמים שבו, היה תמיד כפי שהוא כיום. אחד מתומכי הסבר זה היה הפילוסוף היווני אריסטו שלרעיונותיו היו תומכים רבים בראשית העת החדשה. גם הסבר זה לא מקובל כיום בעקבות הידע על התפשטות היקום וגורמים נוספים.

ראו גםעריכה

לקריאה נוספתעריכה

קישורים חיצונייםעריכה

הערות שולייםעריכה

  1. ^ A. R. Mushegian, E. V. Koonin, A minimal gene set for cellular life derived by comparison of complete bacterial genomes., Proceedings of the National Academy of Sciences 93, 1996-09-17, עמ' 10268–10273 doi: 10.1073/pnas.93.19.10268
  2. ^ Schopf JW, Kudryavtsev AB, Agresti DG, Wdowiak TJ, Czaja AD (מרץ 2002). "Laser--Raman imagery of Earth's earliest fossils". Nature 416 (6876): 73–6. PMID 11882894. doi:10.1038/416073a. 
  3. ^ Wilde SA, Valley JW, Peck WH, Graham CM (ינואר 2001). "Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago". Nature 409 (6817): 175–8. PMID 11196637. doi:10.1038/35051550. 
  4. ^ Hayes, John M.; Waldbauer, Jacob R. (2006). "The carbon cycle and associated redox processes through time". Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 361 (1470): 931–950. doi:10.1098/rstb.2006.1840. 
  5. ^ Archer, Corey; Vance, Derek (2006). "Coupled Fe and S isotope evidence for Archean microbial Fe(III) and sulfate reduction". Geology 34 (3): 153–156. doi:10.1130/G22067.1. 
  6. ^ Cavalier-Smith, Thomas; Brasier, Martin; Embley, T. Martin (2006). "Introduction: how and when did microbes change the world?". Phil. Trans. R. Soc. B 361 (1470): 845–850. doi:10.1098/rstb.2006.1847. 
  7. ^ Summons, Roger E.; et al. (2006). "Steroids, triterpenoids and molecular oxygen". Phil. Trans. R. Soc. B 361 (1470): 951–968. doi:10.1098/rstb.2006.1837. 
  8. ^ ד"ר גל חיימוביץ', ‏חלבון מהחלל החיצון, במדור "חדשות מדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 25 במרץ 2020
  9. ^ מכון ויצמן, ‏החיים החלו מטיפת שומן, באתר "הידען", 18 באוגוסט 2000
  10. ^ גלי וינרב, ‏מסע בעקבות הבועית האלוהית: המחקר של פרופ' לנצט התחיל בטיול עם הכלבה ונגמר במסקנות מטלטלות על מקור החיים, באתר גלובס, 14 בספטמבר 2019