כל צורות החיים על פני כדור הארץ מורכבות מחלבונים, שהם עצמם מורכבים מאותן 20 אבני בניין בשם חומצות אמינו. כעת, קבוצת חוקרים מהמכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה, מהמרכז לאבולוציה כימית ומהמרכז לראשית החיים של נאס"א, בהובלת האסטרוביולוגית ד"ר מורן פרנקל-פינטר, הצליחה לשחזר במעבדה את התחברות חומצות האמינו לשרשראות קצרות של חלבונים. חלבונים אלה, הנקראים גם פפטידים, מהווים את הבסיס לכל מבנה ביולוגי מורכב, כמו דנ"א ורנ"א. תוצאותיו המפתיעות של המחקר, שהתפרסמו בכתב העת Proceedings of the National Academy of Sciences, מראות שהכימיה שיצרה אותנו – וכל יצור חי אחר בכדור הארץ – מעדיפה את חומצות האמינו המצויות בביולוגיה על פני חומצות אחרות.
השערת החיים
שאלת ראשית החיים היא מהשאלות הגדולות ביותר במדע, והיא בעלת השלכות גורליות על המאמצים למצוא חיים על כוכבי לכת אחרים. אנחנו יודעים שלפני כארבעה מיליארד שנה, בתנאים המיוחדים של כדור הארץ הצעיר, תרכובות אורגניות בשם חומצות אמינו חברו יחד ויצרו את הפפטידים, אבל אנחנו עדיין לא יודעים איך זה קרה.
לפי השערה אחת, נוצרו סוגים שונים של פפטידים, חלקם מה-20 חומצות האמינו שאנו מוצאים ביצורים ביולוגיים היום, וחלקם עם חומצות אחרות. לפי השערה זו, העובדה שהיום אנו מוצאים אך ורק פפטידים עם אותן 20 חומצות נובעת מברירה טבעית, כלומר מאבולוציה ביולוגית. לפי ההשערה השנייה, הסלקציה קדמה בהרבה לראשית החיים והייתה כימית במהותה. מכאן יוצא גם, שאם אפשר לשחזר פפטידים בתנור, לא צריך תנאי קיצון מיוחדים כדי "להתניע" את החיים, אלא מספיק להניח כמה חומצות (הקיימות גם מחוץ לכדור הארץ) והפפטידים ייווצרו מעצמם עם קצת גשם ושמש.
"אנחנו יודעים שבכדור הארץ הקדום היה מגוון רחב של חומצות אמינו", מסבירה ד"ר פרנקל-פינטר, פוסט דוקטורנטית מטעם נאס"א. "לפי הערכות, לפני ארבעה מיליארד שנה היו מעל ל-500 חומצות אמינו שונות בכוכב הלכת שלנו, חומצות שאנו מוצאים גם במטאוריטים. ואילו בביולוגיה אנו מוצאים רק 20 חומצות שהן אוניברסליות, כלומר משותפות לכל החיים על פני כדור הארץ. רצינו להבין האם יש סיבה לכך שדווקא אותן 20 חומצות נבחרו ולא אחרות. קיימות מספר תיאוריות בנושא, אבל רובן בגדר תיאוריה בלבד. בניסוי שלנו ניסינו לבדוק האם אפשר ליצור פפטידים, כלומר שרשראות קצרות של חומצות אמינו, גם מחומצות אחרות שהיו מצויות על כדור הארץ הקדום".
חומצות האמינו שהמחקר התמקד בהן היו חומצות טעונות חיובית מבחינה חשמלית. הפפטידים נוצרו כאשר חומצות האמינו באו באינטראקציה כימית עם חומצות הידרוקסיות, מולקולות המורכבות מחמצן ומימן. הן חומצות האמינו והן החומצות ההידרוקסיות נוצרו באותה התקופה.. לפיכך, ד"ר פרנקל-פינטר וצוותה ניסו לדמות את התנאים בכדור הארץ הצעיר – ולראות אם חומצות אחרות יצליחו להתחבר לכדי פפטידים בנוכחותן של חומצות הידרוקסיות.
"בתנאי הניסוי לקחנו חומצות אמינו רבות, גם כאלה שלא נמצאות היום ביצורים חיים, והכנסנו אותן לתנור יחד עם החומצות ההידרוקסיות", אומרת ד"ר פרנקל-פינטר. תנאי החום והיובש של התנור המיוחד דימו את התנאים של כדור הארץ הקדום ועודדו את יצירת הקשרים בין החומצות. כאשר הוצאנו את המגש שלנו, הופתענו לגלות שחומצות האמינו שנמצאות היום בביולוגיה, החומצות שבין היתר מרכיבות אותנו, יצרו הרבה יותר חלבונים מאשר חומצות האמינו הלא-ביולוגיות. בעצם, מצאנו שיש בסיס כימי לכך שחומצות האמינו האלה נבחרו על ידי הטבע ליצור את הפפטידים".
1280px-Hadean.jpg
המתכון המושלם
המסקנה השנייה שהפתיעה את החוקרים קשורה לשלד החלבוני של חומצות האמינו. "חומצות האמינו יוצרות מבנה מדויק מאוד כשהן מתחברות זו לזו בביולוגיה", מסבירה ד"ר פרנקל-פינטר. "אבל מבחינה כימית טהורה, לחומצות האמינו הטעונות חיובית שבחנו יש שני קצוות טעונים חיובית, כלומר שתי אפשרויות להתחבר אחת עם רעותה, והיה אפשר לצפות שבניסוי שלנו נקבל 50%-50% לכל אפשרות. בפועל, חומצת האמינו ליזין הטעונה חיובית נקשרה באופן טבעי, ממש כמו שאנו מוצאים בביולוגיה, ביחס של 7 ל-1. אם בביולוגיה היו נוצרים חלבונים באופן רנדומלי, ולא באופן שיוצר את השלד היציב המאפיין אותם בימינו, החלבונים היו פגומים ולא פונקציונליים, וכנראה שיש סיבה כימית בסיסית להעדפת אבני הבניין של ימינו – שנוטות ליצור חלבונים סדורים על פני סידורים אפשריים אחרים".
"ההשערה שלנו מבוססת על כך שבכדור הארץ הקדום היו אבני בניין רבות, וחלק מאוד מצומצם מהן נבחר לשמש לבניית מולקולות מורכבות בטבע", מוסיפה ד"ר לורן ויליאמס, ראש המרכז לראשית החיים של נאס"א. "אך אנו לא יודעים כמה סלקציה הייתה ברמת הכימיה הטהורה עוד לפני שנוצרו חיים, וכמה סלקציה הוכתבה ברמת הביולוגיה בשלב מאוחר יותר, לאחר שהחיים החלו. תוצאות המחקר שלנו מובילות למסקנה שחלק מהבחירות הללו נעשו בשלב מוקדם ביותר, שהקדים לראשית החיים".
ויכוח מדעי עתיק יומין
שתי התוצאות הניסוי החדש מוסיפות משקל רב לכף אחת בוויכוח מדעי עתיק יומין: האם החיים בעולמנו נוצרו בנסיבות חריגות והרסניות מאוד, או שמא מעגלים פשוטים של גשם ושמש יצרו את החלבונים הראשונים על אדמה רגילה או על סלעים לחופי האגמים? כמובן, לוויכוח הזה ישנה השפעה מכריעה לגבי שאלת קיומם של חיים מחוץ לכדור הארץ. ד"ר פרנקל-פינטר ועמיתיה משוכנעים שהחיים נוצרו בתהליך כימי רגיל ובנסיבות רגילות – ולכן מן הסתם נוצר פעמים רבות בכוכבי לכת הדומים לכוכב הלכת שלנו.
"אני אהיה מאוד מופתעת אם אין חיים מחוץ לכדור הארץ", אומרת ד"ר פרנקל-פינטר. "הכימיה שאנחנו עובדים איתה היא פשוטה, והיא זמינה בהרבה כוכבי לכת. יש מקומות בהם הכימיה היא לא על בסיס מים – כמו בטיטאן, ירחו של שבתאי, שם אנו מוצאים כימיה מבוססת מתאן נוזלי – אבל על כוכבי לכת מימיים עם מעגלים עונתיים של שמש וגשם אנו מצפים שראשית החיים תהיה דומה ומוכתבת על ידי אותם תהליכים כימיים. יתרה מכך, התוצאות של המחקר שלנו מצביעות על כך שהאוניברסליות של לפחות חלק מאותן 20 חומצות אמינו שמרכיבות אותנו היא רלוונטית לא רק לכדור הארץ, אלא גם לכימיה באשר היא. במילים אחרות, אם וכאשר נמצא חיים בכוכב לכת מימי אחר, אני מאמינה שהם יעדיפו את חומצות האמינו הטעונות חיובית שעברו סלקציה כימית במחקר שלנו על פני האחרות".