מרטין הנקזיק: הקו בין החיים והלא-חיים

באופן היסטורי, הייתה הפרדה גדולה בין מה שאנשים החשיבו כמערכות לא-חיות מצד אחד, ומערכות חיות מצד שני. למשל, זה משתרע מהקריסטל היפה והמורכב הזה שאינו חי, עד החתול היפה והמורכב למדי בצד השני. במהלך 150 השנים האחרונות בערך, המדע טשטש את ההבחנה הזו בין מערכות לא-חיות וחיות ועכשיו אנו חושבים שעשוי להיות מין רצף שקיים בין השניים. אפשר לקחת דוגמא אחת מכאן: וירוס הוא מערכת טבעית, נכון? אבל הוא מאוד פשוט, מאוד פשטני. הוא לא באמת עונה על כל הדרישות, אין לו את כל התכונות של מערכות חיות ולמעשה הוא נטפל למערכות חיות אחרות כדי להתרבות ולהתפתח.

אבל מה שאנו עומדים לדבר עליו כאן הערב הם ניסויים שנעשו על הקצה הלא-חי של הספקטרום -- כלומר ביצוע ניסויים כימיים במעבדה, ערבוב של רכיבים לא-חיים כדי ליצור מבנים חדשים, ושהמבנים החדשים האלו עשויים להכיל כמה תכונות של מערכות חיות. למעשה אני מדבר כאן על לנסות ליצור מעין חיים מלאכותיים.

אז מהן התכונות האלה עליהן אני מדבר? הנה הן. ראשית, אנו מביאים בחשבון שלחיים יש גוף. זה הכרחי כדי להבדיל בין היחיד לבין הסביבה. לחיים יש גם חילוף חומרים. זהו תהליך באמצעותו החיים ממירים משאבים מהסביבה לכדי אבני יסוד כדי לשמר ולבנות את עצמם. לחיים יש גם סוג של מידע תורשתי. אנו, כבני אדם, מאחסנים את המידע כדנ"א בגנים שלנו ומעבירים את המידע הזה לילדינו. אם נחבר את השניים -- הגוף וחילוף החומרים -- נוכל ליצור מערכת שעשויה לזוז ולהשתכפל, ואם נחבר אותם למידע תורשתי, נוכל ליצור מערכת שתהיה יותר דמויית-חיים, ואולי אף תתפתח. אלו הם הדברים שננסה לעשות במעבדה, לבצע מספר ניסויים בעלי תכונת חיים אחת כזו או יותר.

איך אנו עושים את זה? אנו משתמשים במערכת מודל לה אנו קוראים פרוטו-תא. אפשר לחשוב עליו כאל תא פרימיטיבי. מדובר במודל כימי פשוט של תא חי, ואם תקחו בחשבון שלתא בגוף שלכם עשויים להיות כמה מיליוני סוגים שונים של מולקולות שצריכות להתאגד, להשתלב לכדי רשת מורכבת כדי לייצר דבר חי, כפי שאנו קוראים לו. מה שאנו רוצים לעשות במעבדה דומה מאוד, אבל בסדר גודל של עשרות סוגים שונים של מולקולות -- מדובר בהפחתה קיצונית במורכבות, אבל עדיין לנסות ולייצר משהו דמוי-חי. מה שאנו עושים הוא להתחיל בקטן ולהמשיך לטפס עד שנגיע למערכות חיות. תחשבו לרגע על הציטוט הזה של לדוק, מלפני מאה שנים, המדבר על סוג של ביולוגיה מלאכותית: "יצירת חיים מלאכותיים, אם תקרה אי פעם, לא תהיה כזו תגלית מרעישה כמו זו שאנו בדרך כלל מקשרים לרעיון." זוהי הצהרתו הראשונה. כלומר, אם ניצור חיים במעבדה, זה ככל הנראה לא ישפיע על החיים שלנו כלל.

"אם אנו מקבלים את תיאוריית האבולוציה, אזי הצעד הראשון של יצירת חיים מלאכותיים חייב לכלול יצירת צורות-חיים הנמצאים באמצע בין העולם האי-אורגני והאורגני בין העולם הלא-חי והחי, צורות בעלות רק חלק מהמאפיינים הבסיסיים של החיים" -- עליהם שוחחנו הרגע -- "להם מאפיינים נוספים יתווספו לאט בצורה של התפתחות, על ידי הפעולה האבולוציונית של הסביבה." אז אנו מתחילים בקטן, אנו יוצרים כמה מבנים בעלי כמה מן התכונות הללו של החיים, ואז ננסה לפתח אותם כדי שיהיו יותר דמויי-חיים. והנה הדרך בה אנו מייצרים פרוטו-תא. אנו נעזרים במושג הנקרא הרכבה-עצמית. שמשמעותו היא שאני יכול לערבב כמה כימיקלים ביחד במבחנה במעבדה שלי, וכימיקלים אלו יחלו להיקשר באופן עצמי וייצרו מבנים הולכים וגדלים. נניח בסדר גודל של עשרות-אלפי, מאות-אלפי מולקולות יתחברו וייצרו מבנה גדול שלא היה קיים בעבר. ובדוגמא ספציפית זו, לקחתי מספר מולקולות ממברנה, ערבבתי אותם ביחד בסביבה הנכונה, ותוך שניות הן יצרו את המבנים המורכבים והיפים למדי האלו. הממברנות הללו גם דומות למדי, מבחינת צורתן ותפקידן, לממברנות בגוף שלכם, ואנו יכולים להשתמש בהן, אפשר לומר, כדי להרכיב את הגוף של הפרוטו-תא.

כמו כן, ביכולתנו לעבוד עם מערכות שמן ומים. כפי שאתם יודעים, כששמים יחד שמן ומים, הם לא מתערבבים, אבל על ידי הרכבה עצמית ביכולתנו לגרום לטיפת שמן להיווצר, ואנו יכולים להשתמש בה בתור גוף עבור האורגניזם המלאכותי או הפרוטו-תא שלנו, כפי שתראו בהמשך. אלו הם רק ענייני יצירת גופים, נכון? כמה מבנים ארכיטקטונים. מה לגבי ההיבטים האחרים של מערכות חיות? אז יצרנו את מודל הפרוטו-תא הזה שאני מראה. התחלנו עם חימר טבעי שנקרא מונטמורילוניט. זהו חימר טבעי מהסביבה. הוא יוצר משטח פעיל כימית. הוא יכול לקיים חילוף חומרים עליו. סוגים מיוחדים של מולקולות נוטים להתחבר לחימר. לדוגמא במקרה הזה, רנ"א, כאן באדום -- מדובר בקרובה של הדנ"א -- היא מולקולה המכילה מידע -- היא יכולה להגיע ולהתחבר עם המשטח של החימר. המבנה הזה יכול לארגן את התצורה של גבול הממברנה סביב עצמו, כך שהוא יוצר גוף ממולקולות נוזל סביבו, וזה נראה בירוק כאן במיקרוגרף. אז רק דרך הרכבה-עצמית, ערבוב דברים ביחד במעבדה, אנו יכולים ליצור משטח בעל חילוף חומרים עם כמה מולקולות מידע מחוברות בתוך הגוף של הממברנה, אוקיי?

אז אנו בדרך למערכות חיות. אבל אם תראו את הפרוטו-תא הזה, לא תחשבו שמדובר במשהו שהוא באמת חי. למעשה הוא חסר-חיים למדי. מרגע ההתגבשות, הוא לא עושה משהו באמת. אז משהו חסר. כמה דברים חסרים. אז כמה דברים שחסרים הם, לדוגמא, אם ישנו זרם של אנרגיה דרך מערכת, מה שאנו רוצים הוא פרוטו-תא שמסוגל לרתום חלק מהאנרגיה הזו כדי לשמר את עצמו, בדומה למערכות חיות. אז יצרנו מודל פרוטו-תא שונה למעשה פשוט יותר מהקודם. במודל הפרוטו-תא הזה, מדובר רק בטיפת שמן, אך בעלת חילוף חומרים כימי בתוכה שמאפשר לפרוטו-תא להשתמש באנרגיה כדי לעשות משהו, כדי להיות דינמי, כפי שנראה כאן. מוסיפים את הטיפה למערכת. זו בריכה של מים, והפרוטו-תא מתחיל להזיז את עצמו בתוך המערכת. טיפת שמן נוצרת ע"י הרכבה עצמית ובעלת חילוף חומרים כימי בתוכה כך שהיא מסוגלת להשתמש באנרגיה, והיא משתמשת באנרגיה הזו כדי להזיז את עצמה בתוך הסביבה שלה.

כפי ששמענו קודם לכן, תנועה מאוד חשובה בסוגי המערכות החיות הללו. היא זזה בפנים, חוקרת את הסביבה שלה, ומשנה את הסביבה שלה, כפי שאתם רואים, בעזרת הגלים הכימיים הללו שנוצרים ע"י הפרוטו-תא. במובן מסויים, היא מתנהגת בדומה למערכת חיה שמנסה לשמר את עצמה. אנו לוקחים את אותו הפרוטו-תא הנע כאן, ושמים אותו בניסוי נוסף, גורמים לו לנוע, ואז אני עומד להוסיף מעט "מזון" למערכת, אותו תראו בכחול כאן, אוקיי? אז אני מוסיף מקור מזון למערכת. הפרוטו-תא נע. הוא נתקל במזון. הוא מסדר את עצמו מחדש ואז למעשה הוא מסוגל להגיע לנקודה במערכת בה ריכוז המזון מקסימלי ועוצר שם. מבינים? אז לא רק שלמערכת הזו יש גוף, יש לה חילוף חומרים, היא מסוגלת להשתמש באנרגיה, היא נעה בפנים. היא יכולה לחוש בסביבה המקומית שלה. ולמצוא משאבים בסביבה כדי לשמר את עצמה.

אין לה מוח, אין לה מערכת עצבים. מדובר באסופת כימיקלים בעלת התנהגות דמויית-חיים מעניינת ומורכבת כזו. אם נספור את כמות הכימיקלים במערכת הזו, כולל המים שבצלחת, נגיע לחמישה כימיקלים שעושים זאת. אחר כך שמנו את הפרוטו-תאים ביחד בניסוי אחד כדי לראות מה הם יעשו, ובהתאם לתנאים, יש לנו שני פרוטו-תאים משמאל שזזים ואוהבים לגעת במבנים השונים בסביבה שלהם. בצד שני, יש לנו שני פרוטו-תאים זזים שאוהבים להקיף אחד את השני, והם יוצרים מין ריקוד מורכב אחד עם השני. אוקיי? אז לא רק שלפרוטו-תאים יחידים יש התנהגות, מה שפירשנו כהתנהגות במערכת הזו, יש להם גם, בעיקרון, התנהגות קולקטיבית, דומה לזו של האורגניזמים. ועכשיו כשכולכם מומחים לפרוטו-תאים, נשחק משחק עם הפרוטו-תאים הללו. ניצור שני סוגים שונים. לפרוטו-תא A ישנה כימיה מסויימת בתוכו, וכשהיא מופעלת, הפרוטו-תא מתחיל לרטוט סביב ולרקוד. זכרו, מדובר בדברים פרימיטיביים, אז פרוטו-תאים מרקדים זה דבר שמעניין אותנו מאוד. (צחוק)

לפרוטו-תא השני ישנה כימיה שונה בתוכו, וכשהיא מופעלת, כל הפרוטו-תאים מתאספים ומתאחדים לאחד גדול. אוקיי? ואנו פשוט נשים את שניהם יחד באותה מערכת. הנה קבוצה A, והנה קבוצה B, ואז אנו מפעילים את המערכת, ופרוטו-תאי B, הכחולים, מתאספים כולם. הם מתאחדים ויוצרים כתם אחד גדול, והפרוטו-תאים האחרים פשוט רוקדים סביב. וזה קורה עד שכל האנרגיה במערכת מוצתה, ואז המשחק נגמר. חזרתי על הניסוי הזה מספר פעמים, ופעם אחת משהו מאוד מעניין קרה. הוספתי את הפרוטו-תאים הללו ביחד למערכת, והפרוטו-תאים A ו- B התאחדו ויצרו פרוטו-תא בן כלאיים - AB. זה לא קרה קודם. הנה זה. ישנו עכשיו פרוטו-תא AB במערכת. פרוטו-תא AB אוהב לרקוד מעט, בעוד פרוטו-תא B עוסק בלהתאחד, אוקיי?

אבל אז משהו אפילו יותר מעניין קורה. ראו כיצד שני הפרוטו-תאים הגדולים, בני-הכלאיים, מתאחדים. עכשיו יש לנו פרוטו-תא רוקד ומקרה של שכפול עצמי. אוקיי? (צחוק) שוב, רק עם כתמי כימיקלים. הדרך בה זה עובד היא שישנה מערכת פשוטה של חמישה כימיקלים כאן, ואחת נוספת שם. כשהן מוכלאות, אתה יוצר משהו שונה מבעבר, מורכב יותר מבעבר, ואתה גורם להופעת סוג נוסף של התנהגות דמויית-חיים, במקרה זה, בדמות שכפול.

אז כיוון שאנו יכולים ליצור פרוטו-תאים מעניינים שאנו אוהבים, בעלי צבעים מעניינים והתנהגות מעניינת, והם קלים מאוד לייצור, ויש להם מאפיינים דמויי-חיים מעניינים, אולי לפרוטו-תאים הללו יש משהו לספר לנו על מקור החיים בכדור הארץ. אולי הם מייצגים שלב נגיש בקלות, אחד מהשלבים הראשונים, דרכו התחילו החיים בכדה"א הצעיר. לבטח היו קיימות מולקולות בכדה"א הצעיר, אבל הן לא היו התרכובות הטהורות הללו עימן אנו עובדים במעבדה ושהראיתי בניסויים הללו, אלא היו תערובת מורכבת של כל מיני דברים, כיוון שתגובות כימיות שאינן בשליטה יוצרות תערובת מגוונת של רכיבים אורגניים. חשבו על כך כ"מרק קדמוני", אוקיי? וזו בריכה שקשה מדי לאפיין במלואה, אפילו ע"י שיטות מודרניות, והתוצר נראה חום, כמו הזפת כאן בצד שמאל. תרכובת טהורה נראית בצד ימין, להשוואה.

זה דומה למה שקורה כשאתם לוקחים קריסטלי סוכר טהורים במטבח, שמים אותם במחבת, ומפעילים אנרגיה. אתם מדליקים את הגז ומתחילים ליצור ולשבור קשרים כימיים בסוכר, ויוצרים קרמל בגוון חום, נכון? אם לא תגעו בזה, אתם תמשיכו ליצור ולשבור קשרים כימיים, ותצרו תרכובת אף יותר מגוונת של מולקולות שיוצרות סוג של חומר שחור ודמוי-זפת במחבת שקשה לנקות. אז כך היה נראה מקור החיים. צריך היה להשיג חיים מהרפש הזה שהיה קיים בכדור הארץ הצעיר, לפני ארבעה, ארבעה וחצי מיליארד שנים. אז האתגר הוא כזה, לוותר על כל הכימיקלים הטהורים במהעבדה, ולנסות ליצור פרוטו-תאים בעלי מאפיינים דמויי-חיים מתוך ה"מרק הקדמוני" הזה.

אנו יכולים לראות את ההרכבה העצמית של גופי טיפות השמן הללו שוב שראינו קודם, והכתמים השחורים בפנים מייצגים סוג כזה של זפת שחורה -- זפת שחורה, מגוונת, מורכבת מאוד ואורגנית. ואנו שמים אותם באחד הניסויים הללו, כפי שראיתם קודם, ואנו רואים תנועות חיות מתרחשות. הם נראים ממש טוב, תנועה יפה מאוד, וגם נראים כבעלי סוג של התנהגות בה הם בערך מקיפים אחד את השני ועוקבים אחד אחר השני, בדומה למה שראינו קודם -- אבל שוב, זה כשעובדים בתנאים קדמוניים, ללא כימיקלים טהורים. הפרוטו-תאים מתודלקי הזפת הללו יכולים גם לאתר משאבים בסביבה שלהם. אני עומד להוסיף משאב מצד שמאל, כאן, שמפעפע לתוך המערכת, ואפשר לראות שהם מאוד אוהבים את זה. הם הופכים נמרצים מאוד, ומסוגלים למצוא את המשאב בסביבה, בדומה למה שראינו קודם. אבל שוב, (ניסויים) אלו נעשו בתנאים קדמוניים, תנאים מאוד מבולגנים, לא מהסוג של תנאי מעבדה סטריליים. אלו פרוטו-תאים מאוד קטנים ומלוכלכים, למען האמת. (צחוק) אבל הנקודה היא שיש להם מאפיינים דמויי-חיים.

ניסויי החיים המלאכותיים הללו מסייעים לנו להגדיר תוואי אפשרי בין מערכות חיות ולא-חיות. ובנוסף, הם מסייעים לנו להעשיר את דעתנו לגבי השאלה מהם החיים ואילו חיים ייתכנו אי שם -- חיים שעשויים להיות שונים לגמרי מהחיים שאנו מכירים בכדור הארץ. וזה מוביל אותי למושג הבא, שהוא "חיים משונים". זהו מונח שנטבע ע"י סטיב בנר. נעשה בו שימוש בקשר לדו"ח מ- 2007 של המועצה הלאומית למחקר בארצות הברית, בו הם ניסו להבין כיצד נוכל לחפש אחר חיים אי-שם ביקום, במיוחד אם החיים הללו שונים מאוד מהחיים על כדה"א. אם נגיע לכוכב אחר ונחשוב שעשויים להיות שם חיים, כיצד נוכל אפילו לזהות אותם כחיים?

ובכן, הם הגו שלושה קריטריונים מאוד כלליים. הראשון -- והם רשומים כאן. הראשון הוא שעל המערכת לא להיות בשיווי-משקל. כלומר, המערכת לא יכולה להיות מתה, למעשה. בעיקרון, המשמעות היא שישנה אנרגיה שנכנסת למערכת בה החיים יכולים להשתמש כדי לשמר את עצמם. זה דומה לשמש שזורחת על כדה"א ומאפשרת פוטוסינתזה, שמאפשרת את המערכת האקולוגית. ללא השמש, ככל הנראה לא היו חיים על הכוכב הזה. שנית, חיים צריכים להימצא בצורת נוזל, כלומר אפילו אם נמצא כמה מבנים מעניינים, מולקולות מעניינות יחד אבל הם יהיו קפואים לגמרי, אזי זהו לא מקום טוב לחיים. ושלישית, חייבת להיות אפשרות ליצור ולשבור קשרים כימיים. ושוב, זה חשוב כיוון שהחיים ממירים משאבים מהסביבה לאבני-יסוד כדי לשמר את עצמם.

היום, סיפרתי לכם על פרוטו-תאים מאוד מוזרים ומשונים -- חלקם מכילים חימר, בחלקם ישנו "מרק קדמוני", בחלקם ישנו שמן, בעיקרון, במקום מים. רובם אינם מכילים דנ"א, ולמרות זאת יש להם מאפיינים דמויי-חיים. אבל הפרוטו-תאים הללו עונים על הדרישות הכלליות של מערכות חיות. אז ע"י קיום הניסויים הכימיים הללו של חיים מלאכותיים, אנו מקווים לא רק להבין משהו בסיסי לגבי מקור החיים והקיום של החיים על הכוכב הזה, אלא גם אילו חיים ייתכנו אי-שם ביקום. תודה רבה. (מחיאות כפיים)