אחד הסודות הגדולים במדע הוא כיצד חיים נוצרים מחומר דומם – האם יש בכוחנו להסביר את התופעה?
אחד הניסים המפורסמים במסורת היהודית התרחש כאשר משה רבנו עמד מול פרעה וחרטומיו, השליך את מטהו ארצה וזה הפך לנחש. בהזדמנות נוספת חזר על הפעולה אהרון, אחי משה, והפך את מטהו לתנין. הפיכת חומר דומם ליצור חי היא תמה פלאית חביבה מאוד על המין האנושי. היא חוזרת על עצמה ביצירות תרבותיות רבות כמו שוליית הקוסם של גתה, עם המטאטא שקם לתחייה, או כמעט בכל סרט דיסני מאז ומעולם. אלא שמעשה הכשפים של יצירת חיים יש מאין כלל אינו מעשה כשפים. המעבר מדומם לחי אולי אינו ברור לנו, אבל הוא בפירוש השתלשלות האירועים הטבעית שהתרחשה בכדור הארץ עם התפתחות האורגניזמים הראשונים.
נקודת המעבר בין דומם לחי, ברמת החלקיקים, עשויה להיות עניין של מה בכך מבחינה פיזיקלית. פעולת גומלין כימית שהפכה לביולוגית, בעיקר על בסיס הגדרות שלנו. רגע אחד זו מולקולה כימית ורגע לאחר מכן זו צורת חיים. מבחינת האדם, לעומת זאת, הרגע הזה מהווה יקום שלם של משמעות. זה סוד קיומנו, נקודת ההתחלה של מי שאנחנו. אנו תופסים את החיים כתופעה נדירה בסדר הקוסמי, ייתכן אפילו חד-פעמית, ומתקשים לעכל את היתכנותה על רקע הסטטיסטיקה הכמעט בלתי אפשרית של צירוף הנסיבות המאפשר את קיומה. מאמץ אנושי אדיר הושקע בניסיון להבין את היווצרות החיים, אבל הנקודה ממשיכה לחמוק מהבנתנו.
הגבול בין חומר דומם לאורגניזם תלוי בהגדרות שלנו
יש לכך סיבות טובות. כל כך הרבה אתגרים חוצצים בינינו ובין סוד היווצרות החיים, שמשימת הפענוח נראית חסרת סיכוי. ד"ר רבקה ווילבנקס, בעלת רקע אקדמי בפילוסופיה וביולוגיה, מסבירה ב-Aeon כי באופן פרדוקסלי, החיים כתופעה רחבה נמצאים מעבר להישג ידם של היצורים שבהם היא מתגלמת. "בניסיוננו להגדיר חיים עלינו להביא בחשבון את החיים שאנו מכירים ואת אלה שאיננו מכירים". היא לא מתכוונת לאפשרות היפותטית של חיים מחוץ לכדור הארץ, אלא לעובדה הפשוטה שהחיים היחידים שנגישים עבורנו הם אלה שבהווה. כל החיים שהיו ואלה שיהיו יישארו לנצח מחוץ לתחום הזמין לנו. "בגלל הפער הזה בין חיים ממשיים לחיים פוטנציאליים", היא ממשיכה, "רבות מההגדרות לחיים מתמקדות ביכולת שלהם להשתנות ולהתפתח במקום לנסות להחליט על מאפיינים קבועים".
אבל גם ההגדרות שעוסקות בשינוי והתפתחות, שקיבלו תנופה משמעותית בעקבות עבודתו של צ'רלס דארווין, נכשלות בהסבר מניח את הדעת לתופעה. הגדרות מסוימות קובעות כי כל מערכת כימית שמסוגלת לעבור התפתחות דארוויניסטית עונה לקריטריון החיים. אבל הגדרה זו, מבהירה ווילבנקס, תיאלץ אותנו לטעון שמולקולת RNA, למשל, היא יצור חי. ואת זה, לדבריה, הרבה מדענים לא מוכנים לעשות. עדיין, מדענים אחרים מחזיקים בעמדה שיכולת התפתחות זו מספיקה והם אף מבצעים מניפולציות בחומרים במעבדה כדי לסנתז חיים באופן מלאכותי. המתנגדים יאמרו שהרחבת גבולות החיים גם לאפשרות יצירתם במעבדה היא מופרכת, שכן טרם הצלחנו להבין את רגע יצירת החיים וכיצד הוא מתרחש. וזו בעיה נוספת, שכן הרגע המקורי שבו קרה הדבר חלף לבלי שוב. לעולם לא נוכל להבחין בין העולם שלפני ואחרי היווצרות החיים. כל שאנו יכולים לעשות זה לנסות להבין איך חיים נוצרים בסביבה שבה הם כבר מצב נתון.
וגם זה לא עניין פשוט. אנחנו יודעים לזהות יצורים אחרי שהם עברו לשלב הביולוגיה די בקלות, אבל כשמפרקים את המרכיבים שלהם לגורמים עד לרמה הפיזיקלית, אובדת לנו האחיזה באלמנט החיים שלהם. אליסון אק ראיינה את פרופסור ג'רמי אינגלנד עבור המגזין Nautilus ובו הפיזיקאי החוקר את היווצרותם הספונטנית של חיים לוקח אותנו למסע בין חלקיקים ומנסה להצביע על הנקודה הקריטית שבה הם הופכים מאסופה אקראית של חומרים לדפוס מאורגן שעונה להגדרת "חיים". לדבריה, הבעיה היא שלתחומי מדע שונים יש שפה שונה, וכדי להסביר ביולוגיה במונחים פיזיקליים דרוש תרגום. כפי שאנו יודעים, לעיתים רבות מעבר בין שפות מקשה על שמירת הנאמנות למקור, מה שמשבש את ההבנה. הרגע שבו משהו הופך מפיזי לביולוגי, עד כה לפחות, אבד בתרגום.
תא מתחלק. מתי אוסף אטומים מתחיל לעבוד כפונקציה בעלת מטרה משותפת?
חיים הם תהליך כימי שפועל להשגת מטרה כלשהי
כאן נכנס לתמונה אינגלנד ומציע הסבר מאיר עיניים. הפיזיקאי חובש הכיפה פיתח תיאוריה חדשה שמכונה Dissipative adaptation ועיקרה הוא כזה: חיים מתאפשרים כאשר חומר דומם, בתהליך כימי, משנה את צורתו בדרך בלתי הפיכה תוך השקעת אנרגיה. כאשר תהליך זה חוזר על עצמו מספיק פעמים, באחד משינויי המצבים יכול החומר הדומם להפוך לצורת חיים בסיסית. הרקע לתובנה הזו נובע, איך לא, מההגדרה של אינגלנד לחיים, שבאופן מעט מפתיע היא אינטואיטיבית למדי. הוא מסביר דרך הדוגמה של אנזים האחראי לייצור מולקולות DNA מסוכר, חנקן ופוספט. "כשאתה רואה את הסיפור הזה פרוש לפניך, הכול הגיוני מאוד – זה פשוט נראה לנו כאילו הוא פועל כדי להגשים מטרה. ואולם, הדברים האלה בקושי ניתנים להבדלה מחומר דומם. פרק אותם לחתיכות מעט קטנות יותר, וכל שהן מסוגלות זה להסתובב ולרטוט".
משמע – חיים מתרחשים כאשר תהליך כימי פועל לטובת מטרה. "חומצות אמינו", הוא טוען בציוריות, "לא יכתבו לך סונטה. אבל כשאתה שוזר כמה מאות מהן יחד, פתאום אתה מקבל מכונה שנראה כאילו יוצרה לתכלית ספציפית". ההבדל בין חי לדומם נוגע, אם כן, לפונקציה של העצם. העולם הפיזיקלי אדיש לכך. כפי שמסבירה אק, החלל והזמן לא נועדו לשרת פונקציה מסוימת, הם פשוט מצב נתון. כך גם אבן או אוויר. אז איך קורה שמצבור אטומים מתחיל יום בהיר אחד לשרת מטרה, לעבוד כדי להשיג משהו?
את ההסבר מתחיל אינגלנד בחוק השני של התרמודינמיקה, שאומר, בהפשטה גסה, שכל מערכת סגורה יכולה להיות באחד משני מצבים: איזון, או שאיפה לאקראיות ככל שעובר הזמן. אקראיות לעולם לא תפחת במערכת, מה שגורם לתהליכים להיות בלתי הפיכים. למשל, מסבירה אק, "שלג נמס והופך לשלולית, אך שלולית לא יכולה לקבל צורה של פתית שלג בכוחות עצמה ובאופן ספונטני". שני דברים חשובים שצריך לדעת על החוק הזה: הוא אבן יסוד במדע הפיזיקה, והוא מונע את היווצרותם של חיים. מדוע? כי בזמן שהחוק קובע שאקראיות תמיד גוברת, החיים הם דווקא מבנה מאורגן בעל תכלית.
לא בטוח שאנו מסוגלים להניח את האצבע על נקודת ההיווצרות
ארווין שרדינגר, הפיזיקאי המיתולוגי שמפורסם בניסוי המחשבתי שהגה על החתול שחי ומת בו-זמנית, טען כי חיים הם לא מערכות סגורות, אלא פתוחות. מערכות פתוחות מאופיינות ביכולת לבצע תהליך ולחזור למצבן המקורי. אם תהליך כזה מתחיל כתוצאה מפרץ אנרגיה חיצוני, והחומר מכלה את האנרגיה בתהליך, הוא לא יכול לחזור למצבו הקודם גם אם הוא מערכת פתוחה, שכן הטריגר – האנרגיה – הגיע מבחוץ וכעת איננו. החומר יוכל לחזור למצבו בפרץ אנרגיה נוסף, אך הוא יוכל גם לעשות משהו אחר – לשנות את מצבו פעם נוספת ולקבל צורה חדשה. חומרים מסוימים עשויים להיות 'טובים יותר' בספיגה ובכילוי אנרגיה, וככל שהחומר הספציפי נוטה יותר לכיוון של שינוי בלתי הפיך, כך עולה הסיכוי להיווצרות חיים, כיוון שנוצר דפוס פעולה מאורגן. החומר סופג אנרגיה, משנה מצב, מכלה את האנרגיה בתהליך, וחוזר חלילה. צעד אחר צעד החומר משתנה בצורה בלתי הפיכה, והשינויים מצטברים. כשהתהליך חוזר על עצמו מספיק פעמים, הוא נראה בעין האנושית כפועל לצורך תכלית, או במונחים דארוויניסטיים, כבעל כושר הסתגלות לסביבה. באחד משינויי המצבים אנו מגדירים את התהליך כביולוגיה ומכאן הדרך לישות חיה קצרה יחסית.
המשמעות של כך היא שאנחנו מחפשים גבול חד, נקודה ברורה של מעבר, אבל החיים במובנים פיזיקליים נתפסים רק בראייה לאחור, כסדרת אירועים. כמו הזריחה שאי אפשר לשים את האצבע על הרגע המדויק שבה היא מתרחשת. האם זה הפוטון הראשון שחוצה את קו האופק? ואולי אלה מספר פוטונים שנעים במקביל כקרן אור? ומה לגבי האור שנשבר דרך העננים עוד בטרם חצו הפוטונים את קו האופק, הזמן שבו הופך העולם משחור לכחול? האם שם התרחשה הזריחה? הכול תלוי בהגדרות שלנו, כי לעולם הפיזיקלי זה לא משנה. בו הדברים פשוט מתרחשים. התובנה הזו עלולה אמנם להקנות לחיים דוק של חוסר חשיבות, אבל מי אמר שאנחנו צריכים לקחת את עצמנו יותר מדי ברצינות?
תמונת כותרת: Petr Brezina / shutterstock
כתבות נוספות שעשויות לעניין אותך:
העולם המוזר של שכפול אנושי – האם תיתכן יצירת עותק זהה שלנו במעבדה, או ביקום מקביל?
רמזים מהעבר שמסתתרים בגופנו מספרים על הקשר שלנו לטבע – וליקום בכלל
מתי הפכנו לבני אנוש ומה עושה אותנו לכאלה – החלקים החסרים בפאזל מקורות האדם
עוד מרדיו מהות החיים:
