מסע לשורשי המורכבות

אם קל יותר ליצור מולקולות פשוטות, איך העולם שלנו נהיה כל כך מורכב?

 

מאת חבר סיינס אברוד אמיר נקר בשיתוף עמותת מדע גדול, בקטנה.

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.

*****

ראיון עם עומר מרקוביץ’:

– אתה כבר הרבה שנים באקדמיה, ספר לי קצת על המסלול שעברת.
אני מגיע מכימיה ומתמחה בסימולציות, זה מה שעשיתי בתואר השני באוניברסיטה העברית. אחרי שסיימתי את התואר השני, החלטתי לעבור למכון וייצמן ללימודי דוקטורט.
האמת שהתחלתי שם דוקטורט פעמיים. בהתחלה בפרוייקט על חלבונים, אבל הכול היה תקוע – גם אחרי שנה וחצי הפרויקט שלי לא זז והיה לי ממש משבר. מדרשת פיינברג (הגוף שאחראי על התלמידים במכון וייצמן) ממש באו לקראתי והיו מוכנים להקשיב ולעזור.
אחרי הרבה שיחות איתם הם הציעו לי למצוא מעבדה חדשה ואפילו איפסו לי את הדוקטורט. אז יצרתי קשר עם דורון לנצט מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית, והוא שמח לקבל אותי. באופן מפתיע היה לו עניין דווקא באלמנט הכימי של מקור החיים. רוב המעבדה שלו מתעסקים בגנטיקה, אבל הקטע של מקור החיים זה היה משהו קטן בצד. ככה נחשפתי לרעיון.

– נהנית לעבוד ככימאי במחלקה לגנטיקה מולקולרית?
אני חושב שהעולם של המחקר, ובמיוחד בשאלה של מקור החיים, מאוד השתנה. פעם היינו עובדים כל תחום בפני עצמו, אבל היום הדור הצעיר מבין שחייבים לשלב כמה תחומים ביחד. התחום הזה של מקור החיים בעיניי, הוא לא עובד כשאתה חושב רק על הביולוגיה, או רק על הכימיה או על הפיזיקה. זה באמת שילוב, ולכן זה מעניין לעבוד יחד. מאוד נהניתי.

– ואחרי שסיימת בוייצמן, עברת להולנד?

לא, היו לי עוד כמה תחנות בדרך. אחרי הדוקטורט מצאתי מעבדה בניוקאסל (בריטניה). עשיתי שם פוסטדוק של שנתיים בתחום של ביולוגיה סינטטית, אהבתי גם את העיר. כשסיימתי שם, התקבלתי לתוכנית של “מדען אורח” באוניברסיטת טוקיו.

– אתה המדען הישראלי היחידי ששמעתי שהיה בטוקיו, איך הגעת לשם?
בטוקיו יש מרכז גדול למחקר ראשית החיים ומדעי כדור הארץ. אז הכרתי את המחקר משם. פגשתי כמה מהחוקרים שלהם בכנסים וידעתי שיש להם איזו תוכנית של “מדען אורח”. כשהייתי לקראת סיום בניוקאסל, פניתי לחוקר שאני מכיר. הוא עזר לי להתחיל את התהליך, כתבתי בקשה והתקבלתי. הייתי שם חצי שנה, ומשם המשכתי לחרוניגן (הולנד).
בתחום שלי, הקבוצה בהולנד מאוד מפורסמת. כשהייתי בטוקיו שמעתי הרצאה מהחוקר הראשי. אחרי ההרצאה דיברנו קצת והוא סיפר שהם בדיוק מחפשים מישהו שחזק בסימולציות. דבר הוביל לדבר, והגעתי לפוסטדוק שני בהולנד.

– כמה זמן אתה בחרוניגן?

4 שנים. באתי בהתחלה לתקופה של שנה. ואז בדיוק נפתח המרכז לחקר מקורות (Origin Center), והם הציעו 8 מלגות אישיות למחקר “פתוח”. זו הייתה תוכנית שאפתנית, שאתה יכול לקחת את המחקר לכיוון שלך. הם רצו לאפשר למכון לצמוח בצורה אורגנית ככה. אז הגשתי וזכיתי ובאמת יצא לי לעשות מחקר ממש מעניין.

– מה משך אותך לעסוק בשאלת מקור החיים?

תשמע, זה מרתק בעיניי. אני חושב שבעולם של הביולוגיה אנחנו מבינים את האבולוציה טוב מאוד. אבל דווקא בכימיה, יש הרבה שאלות פתוחות. נגיד, האם יש סוף לאבולוציה? בביולוגיה אנחנו די בטוחים שאין, וזה עוזר להסביר את המגוון האינסופי של הטבע. אבל בכימיה? קשה לדעת. ובשאלות של מקור החיים אתה יכול לחקור דברים כאלה.

– רוב החוקרים בוחרים לנסוע לארה”ב לפוסט, מה משך אותך להולנד?

המחקר פה מעולה. לפי דעתי האישית, הקבוצה שבה אני נמצא היא אחת מהמובילות בעולם ב-Systems Chemistry ובשאלות מקור החיים. יותר מזה, החיים פה הם מאוד נחמדים. הולנד מדינה שמאוד פתוחה לזרים, אתה ממש מרגיש את זה. כולם כאן מדברים אנגלית, לא רק באוניברסיטה, אפילו בשוק ובסופר.

– חוץ מהמחקר המצוין, ראיתי שאתה אוהב להתעסק בהנגשת מדע, נכון?

היום אני מבין שאני מאוד נהנה מהנגשת מדע. זה עזר לי הרבה להבין את המחקר שלי. בזמנו התחלתי עם “מדע על הבר” במכון וייצמן. זה היה בעיניי ממש מוצלח. המשתתפים היו מאוד מגוונים, מהנשיא של המכון ועד אחרון הסטודנטים, כמוני.
זה ממש הצליח, הגיע קהל והיו דיונים מעניינים. זה מאוד שונה מלדבר מול מדענים כשאתה מול קהל בבר.
האמת, כשרק התחלתי עם “מדע על הבר”, לא ידעתי למה אני נכנס: לתת הרצאה בכנס מדעי זה לא פשוט, אבל על הבר הפורמט הוא מאוד פרוע, וזה עוד יותר קשה. אתה לא יודע מה עלולים לשאול אותך. פעם הגיע מישהו ששאל “האם לדעתך הזמן הוא מעגלי?” אין לי תשובה לזה! הוא ממש הפתיע אותי. יכול להיות שכשהסכמתי להרצאה הראשונה, אם הייתי יודע איך ארגיש רגע לפני ההרצאה לא הייתי מתנדב.

אני גם חושב שבימינו הנגשת מדע זה מאוד חשוב, בהיבטים של “להחזיר לציבור”. וגם אתה מגדיל את החשיפה למחקר שלך ולעבודה שלך – זה עוזר גם בהמשך. והאמת שככל שמתעסקים בזה יותר, כמו כל דבר, זה גם הולך יותר בקלות.

– מה מבחינתך הצעד הבא?

אני רוצה להיות חוקר באקדמיה. אני מוכן לעבוד בכל מקום בעולם. אני מעדיף לחקור בארץ אבל אני באמת פתוח לכל מקום.
אני רוצה להבין איך אבולוציה מתרחשת בכימיה. בביולוגיה אנחנו מבינים את זה די טוב, אבל כשמדברים על מערכות כימיות זה עולם אחר לגמרי. יש מעט מאוד בעולם שמתעסקים בשאלות האלה.

– התחלת כבר לחפש?

אני עכשיו בתהליכים של הגשה. זה דורש הרבה התבוננות עצמי. לחשוב על מה שעשיתי, ואתה צריך לכתוב את התוכניות שלך בצורה מאוד מדויקת. אני חושב שהגשות הראשונות הן מאוד קשות ותובעניות.

– מה בעצם התהליך של מציאת משרה באקדמיה?

דבר ראשון כדאי לעשות התבוננות עצמית, לחשוב. הנה המסלול שאני עברתי, מה הבחירות שעשיתי? אתה יודע, לא הכל היה מתוכנן וברור לאורך כל הדרך. צריך הרבה לחשוב על הדרך שעשית ולאן אתה רוצה ללכת. איפה אתה רוצה לשים את החותם שלך? ולכתוב את זה.
ברגע שאתה מחליט לאן להגיש זה תהליך. מבקשים ממך לכתוב כל מיני מסמכים: מה האסטרטגיה שלך למחקר ומה ללימוד, ואתה צריך למצוא ממליצים מתאימים. חשוב מאוד שתהיה התאמה. לא סתם לשלוח, להסתכל מי האנשים במחלקה ולחשוב איך המחקר שלך מתאים למכון הספציפי.

– איך אתה רואה כחוקר ישראלי בחו”ל את סיינס אברוד?

היופי של סיינס אברוד זה שזה משהו גלובאלי. זה בעיניי ממש מגניב שהמדינה משקיעה בזה, אין דברים כאלה בעולם. שיש קשר חזק כזה בין מדענים שונים שמגיעים מאותה מדינה. רוב הקשרים שלי הם דרך הקבוצה בפייסבוק. אתן לך דוגמה: הייתה לי איזה בעיה טכנית, וחיפשתי תשובה בספרות ולא מצאתי. אז כתבתי בקבוצה. מעניין שדווקא שקבוצה של ישראלים היה לי מאוד קל ונוח לשאול. מהר מאוד התפתח דיון מדעי רציני ועזרו לי. זה קבוצה מאוד חזקה. זה מבחינתי היופי של 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 גרוניגן 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 בבאתר האישי שלו

 

עמותת “מדע גדול, בקטנה” הוקמה במטרה לבנות גשר בין הקהילה המדעית ועולם המדע אל הציבור הרחב. העמותה מנגישה מדע באופן מקצועי, אמין ואובייקטיבי. מנהלי העמותה ומתנדביה הכותבים במסגרת הפעילות בעמותה, הם כולם מדענים פעילים או חובבים, ובעלי תארים מתקדמים מאוניברסיטאות מובילות. לכל כותבי העמותה יש ניסיון עשיר בהנגשת מדע, בכתב וגם בעל פה, וכל הכתבות נתונות לביקורת מדעית הכוללת ביקורת עמיתים של מומחי התחום הפעילים בעמותה. כולם, פועלים בהתנדבות מלאה ומתוך רצון ותשוקה אמיתית להנגשת מדע בעבור כל אחת ואחד שמתעניינים בדברים המרתקים שמתרחשים בסביבה של כולנו.

 

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  

 [6]סרטון על המערכת שבנו החוקרים 

 [7]ריאיון עם ד”ר עומר מרקוביץ’ על פילוספיית המחקר שלו 

 [8]“כך הכול 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) 

Centre for Systems Chemistry, Stratingh Institute, University of Groningen, Nijenborgh 4, 9747 AG Groningen, The Netherlands

Origins Center, University of Groningen, Nijenborgh 7, 9747 AG Groningen, The Netherlands

Share this post

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on print
Share on email