# אורגניזם

| אורגניזם |
| --- |
|
ארבעה סוגי אורגניזמים: אמניטה מוסכריה, חיידק Escherichia coli, חמציץ נטוי ותנין יאור. |
| מיון מדעי |
|  |

**אוֹרְגָּנִיזְם** (בעברית: **יְצוּר**) הוא כל דבר חי המסוגל להתקיים ולהתרבות בכוחות עצמו ולבצע חילוף חומרים. בהגדרה אחרת, כל מה שיש בו תא אחד לכל הפחות. אורגניזם הוא פרט בדיד שגדל, מתפתח ועל פי רוב גם מתרבה.

האורגניזם מקיים במהלך חייו במו גופו את פעילויות החיים של המין אליו הוא שייך. חלק מהאורגניזמים (למשל אלמוגים ודבורי דבש) לא יכולים להתקיים בצורה עצמאית, אלא רק כחלק ממושבה.

האורגניזמים משפיעים על סביבתם בצורות שונות (חילופי גזים, הפרשות וכדומה). בתוך גופו של אורגניזם מתקיים הומאוסטזיס, כלומר התנאים הפיזיקליים והכימיים השוררים בתוך גופו נשמרים ברמה יציבה שמתאימה לפעילותו המיטבית, גם אם בסביבה שוררים תנאים שונים.

כל האורגניזמים מתחלקים לשלוש על ממלכות: אאוקריוטים, חיידקים אמיתיים וחיידקים קדומים.

לגבי הגדרת הנגיפים כאורגניזמים, קיימת מחלוקת פילוסופית בדבר. הם אומנם מכילים חומר גנטי ומסוגלים להתרבות בתוך תא פונדקאי, אולם מצד שני הם אינם מקיימים כל פעילות מטבולית ואינם מתרבים מחוץ לתא הפונדקאי. למעשה, הם אינם מכילים דבר מלבד חומצת גרעין, מספר חלבונים ולעיתים אף מעטפת ליפידית. לכן, היום רוב החוקרים אינם מגדירים אותם כאורגניזמים.

## הגדרה ומאפיינים בסיסיים

כל אורגניזם משתייך לאחת משלוש על-הממלכות: אאוקריוטים, חיידקים אמיתיים וחיידקים קדומים
אורגניזם הוא ישות ביולוגית המסוגלת לקיים את מאפייני החיים, ובהם ארגון פנימי, חילוף חומרים, שמירה על סביבה פנימית יציבה, תגובה לסביבה, גדילה והתפתחות, ורבייה. אורגניזמים יכולים להיות מורכבים מתא יחיד, כמו חיידקים ויצורים חד-תאיים רבים, או ממספר רב של תאים המתארגנים במבנים מורכבים, כמו פטריות, צמחים ובעלי חיים.

ההגדרה של אורגניזם מבוססת על מכלול תכונות ולא על תכונה יחידה. ישויות ביולוגיות שונות עשויות להציג חלק ממאפייני החיים אך לא את כולם. לדוגמה, נגיפים מכילים מידע גנטי ומשתכפלים באמצעות מנגנוני התא המארח, אך אינם מבצעים חילוף חומרים עצמאי ולכן מעמדם כאורגניזמים שנוי במחלוקת. לעומת זאת, כל היצורים התאיים המוכרים למדע מקיימים מערכת משולבת של תהליכים המאפשרת להם להתקיים כיחידות ביולוגיות עצמאיות יחסית.

אורגניזמים הם מערכות פתוחות המחליפות חומר ואנרגיה עם סביבתן. הם קולטים משאבים מן הסביבה, מעבדים אותם באמצעות תהליכים ביוכימיים, ומשתמשים בהם לצורך תחזוקה, גדילה, תנועה, רבייה ותגובה לשינויים סביבתיים. אף שהם פתוחים לסביבה, הם שומרים על רמה גבוהה של ארגון פנימי באמצעות מנגנוני ויסות ובקרה.

מאפיין מרכזי של אורגניזמים הוא היותם יחידות המסוגלות לשמר ולהעביר מידע ביולוגי. המידע התורשתי, המאוחסן בדרך כלל במולקולות DNA, מאפשר בנייה ותחזוקה של מערכות תאיות ומועבר בין דורות בתהליך הרבייה. עם זאת, תכונותיו של אורגניזם אינן נקבעות רק על ידי המידע הגנטי שלו, אלא גם על ידי יחסי הגומלין בין הגנים, הסביבה והתהליכים ההתפתחותיים.

ברמת האוכלוסייה, אורגניזמים הם חלק מתהליך אבולוציוני מתמשך. מאחר שמידע תורשתי עובר מדור לדור ועשויות להתרחש בו שינויים, אוכלוסיות של אורגניזמים משתנות לאורך זמן באמצעות מנגנונים כגון ברירה טבעית, מוטציות וסחף גנטי. יכולת זו להשתנות לאורך דורות היא אחד המאפיינים המבחינים בין מערכות ביולוגיות לבין מערכות שאינן חיות.

כל האורגניזמים החיים כיום קשורים זה לזה באמצעות היסטוריה אבולוציונית משותפת. הדמיון העמוק בין צורות החיים השונות — במבנה התא, במנגנונים ביוכימיים ובמערכת המידע הגנטי — מעיד על מוצא משותף של כלל החיים המוכרים.

## מבנה וארגון ביולוגי

תא פרוקריוטי (מימין) ואיקריוטי
כל האורגניזמים המוכרים למדע בנויים מ**תאים**, שהם יחידות המבנה והתפקוד הבסיסיות של החיים. התא הוא המערכת הקטנה ביותר המסוגלת לקיים באופן עצמאי את מכלול התהליכים הנחשבים חיוניים, ובהם חילוף חומרים, שמירה על סביבה פנימית, תגובה לגירויים ושכפול מידע תורשתי.

קיימים שני סוגים עיקריים של ארגון תאי: **תאים פרוקריוטיים** ותאים **אאוקריוטיים**. פרוקריוטים, הכוללים את קבוצות ה**חיידקים** וה**ארכאונים**, הם בדרך כלל יצורים חד־תאיים שבהם החומר הגנטי אינו מוקף בקרום גרעין. אאוקריוטים, הכוללים בעלי חיים, צמחים, פטריות ויצורים חד־תאיים רבים, מאופיינים בתאים שבהם החומר הגנטי נמצא בתוך **גרעין** מוקף קרום ובקיומם של **אברונים** פנימיים המבצעים תפקידים ייחודיים.

הן מבחינה אבולוציונית והן מבחינה מספרית, האורגניזמים הפרוקריוטיים (חיידקים וארכאונים) מהווים את צורת החיים הדומיננטית והנפוצה ביותר בכדור הארץ. הפרוקריוטים הופיעו לפני כ-3.5 עד 3.8 מיליארד שנים והיו צורת החיים היחידה במשך קרוב למחצית מהיסטוריית החיים, בעוד שהאורגניזמים האאוקריוטיים התפתחו בתקופה מאוחרת בהרבה. אף על פי כן, נקודת המבט האנושית נוטה לייחס דומיננטיות ליצורים רב-תאיים ואאוקריוטיים. הטיה תפיסתית זו נובעת מהתמקדותו הטבעית של האדם בעולם המקרוסקופי הגלוי לעין, מהשפעתם של מיתוסים דתיים ותרבותיים המציבים את האדם ובעלי החיים במרכז, ומחוסר היכרות ציבורית עם ההיסטוריה העמוקה של החיים. בפועל, רובם המוחלט של הפרטים ומגוון המינים בעולם כיום היו ונותרו מיקרואורגניזמים פרוקריוטיים חד-תאיים.

יתרה מזאת, קיימת תלות א-סימטרית מוחלטת בין שתי הקבוצות: בעוד שרוב הפרוקריוטים מסוגלים לשרוד באופן עצמאי וחלקם אף משגשגים במה שנראה לאדם כסביבות קיצוניות, אאוקריוטים רבים - ובהם צמחים ובעלי חיים, לרבות האדם, אינם מסוגלים להתקיים ללא יחסי סימביוזה עם פרוקריוטים. תלות זו באה לידי ביטוי בתהליכים ביוכימיים קריטיים, כגון קיבוע חנקן באדמה המאפשר את חיי הצומח, ותפקוד המיקרוביום במערכות העיכול והחיסון של בעלי החיים ושל האדם בפרט.

באורגניזמים **חד־תאיים** תא יחיד מבצע את כלל פעולות החיים. כאמור, רוב האורגניזם הקיימים הם חד-תאיים ובמשך רוב האבולוציה של החיים הם היו צורת החיים היחידה. רב-תאיים הם היוצא מהכלל והתפתחו בשלב מאוחר הרבה יותר. באורגניזמים **רב־תאיים** תאים שונים עוברים **התמחות** ומקיימים חלוקת תפקידים. תאים מתמחים מתארגנים לרקמות, רקמות לאיברים, ואיברים למערכות איברים, היוצרות יחד את האורגניזם השלם. רמות ארגון אלה יוצרות מבנים מורכבים שבהם תכונות חדשות מופיעות כתוצאה מהאינטראקציות בין המרכיבים השונים.

הן בתוך התא והן ברמות הרב תאייות קיימות באורגניזמים מספר רמות ארגון היררכי ביולוגי. מולקולות ביולוגיות מתארגנות למבנים על־מולקולריים, המרכיבים אברונים ומערכות תאיות; תאים יוצרים רקמות; אורגניזמים מקיימים יחסי גומלין באוכלוסיות ובמערכות אקולוגיות. כל רמה מבוססת על הרמות שמתחתיה אך גם מציגה תכונות חדשות שאינן קיימות ברכיבים הבודדים בלבד - תופעה המכונה **הגחה**.

למרות המגוון העצום של האורגניזמים, קיימת אחידות עמוקה במבנה הבסיסי של החיים. כמעט כל האורגניזמים משתמשים באותן קבוצות מרכזיות של מולקולות ביולוגיות: חומצות גרעין לאחסון מידע תורשתי, חלבונים לביצוע רוב הפעולות התאיות, ליפידים לבניית קרומי תאים ופחמימות ושומנים כמקורות אנרגיה וחומרי בניין.

גם מנגנונים בסיסיים רבים משותפים לכל צורות החיים המוכרות. לדוגמה, רוב האורגניזמים משתמשים במולקולת ATP כמטבע אנרגיה תוך-תאי, בריבוזומים לייצור חלבונים, ובקוד גנטי דומה המאפשר תרגום מידע גנטי לחלבונים. אחידות זו נחשבת לאחת העדויות המרכזיות לכך שכל החיים המוכרים כיום התפתחו מ**אב קדמון משותף**.

## אנרגיה, חומר ומטבוליזם

אורגניזמים הם סוג של **מערכות תרמודינמיות פתוחות** המתקיימות באמצעות חילופי חומר ואנרגיה עם סביבתן. בניגוד להרבה מערכות דוממות, אורגניזמים אינם נמצאים בשיווי משקל תרמודינמי, אלא שומרים על רמת ארגון פנימית גבוהה באמצעות קליטה מתמדת של חומרים ואנרגיה, עיבודם והפרשת תוצרי פסולת וחום לסביבה ולכן הן דוגמא לתרמודימיקה רחוקה משיווי משקל.

**מטבוליזם** הוא מכלול התהליכים הכימיים המתרחשים בתאי האורגניזם ומאפשרים את קיומו. תהליכים אלה כוללים פירוק של מולקולות לצורך הפקת אנרגיה, וכן בנייה של מולקולות חדשות הדרושות לגדילה, לתחזוקה ולרבייה. המטבוליזם כולל שני סוגים עיקריים של תהליכים: תהליכים קטבוליים, שבהם מולקולות מורכבות מתפרקות ומשתחררת אנרגיה, ותהליכים אנבוליים, שבהם התא משתמש באנרגיה כדי לבנות מולקולות ומבנים חדשים.

האנרגיה המשתחררת בתהליכים מטבוליים משמשת לביצוע פעולות תאיות רבות, ובהן סינתזה של חומרים, תנועה, העברת אותות, שמירה על מפלי ריכוזים בקרום התא ותחזוקת המבנה הפנימי של התא. במרבית התאים משמשת מולקולת ATP כמתווכת מרכזית להעברת אנרגיה בין תהליכים שונים.

אורגניזמים אינם יוצרים אנרגיה אלא קולטים אותה מן הסביבה וממירים אותה לצורכיהם. מקור האנרגיה העיקרי של רוב מערכות החיים על פני כדור הארץ הוא אנרגיית השמש. **יצרנים ראשוניים**, כגון אצות, חיידקים פוטוסינתטיים, וצמחים, קולטים אנרגיית אור באמצעות תהליך ה**פוטוסינתזה** ומשתמשים בה ליצירת חומר אורגני מפחמן דו־חמצני ומים. חומר אורגני זה משמש מקור אנרגיה וחומרי בניין לאורגניזמים אחרים שמקבלים אותם דרך **מארג המזון**.

לצד הפוטוסינתזה קיימות מערכות אקולוגיות שבהן מקור האנרגיה אינו אור השמש אלא אנרגיה כימית. אורגניזמים מסוימים, בעיקר חיידקים וארכאונים, מפיקים אנרגיה באמצעות כימוסינתזה — חמצון של חומרים אי־אורגניים כגון מימן גופרתי, מימן או תרכובות ברזל. תהליכים אלה מאפשרים קיום של מערכות חיים גם בסביבות שבהן אין אור, כגון מעיינות הידרותרמיים בעומקי האוקיינוסים.

החומר והאנרגיה עוברים בין אורגניזמים ובין סביבתם באמצעות **מחזורים ביוגאוכימיים**. חומרי היסוד של החיים, כגון פחמן, חנקן, זרחן ומים, עוברים בין יצורים חיים, האטמוספירה, הקרקע והאוקיינוסים. באמצעות תהליכים כמו פוטוסינתזה, נשימה תאית, פירוק חומר אורגני וקיבוע חנקן, אורגניזמים ממלאים תפקיד מרכזי במחזור החומרים בכדור הארץ.

היכולת לשמור על סדר פנימי באמצעות זרימה מתמדת של אנרגיה וחומר קשורה לעקרונות התרמודינמיקה. אורגניזמים פועלים כ**מערכות דיסיפטיביות**: הם יוצרים ושומרים על ארגון מקומי גבוה תוך הגדלת האנטרופיה הכוללת של סביבתם. בכך הם אינם מפרים את החוק השני של התרמודינמיקה, אלא מתקיימים באמצעות חילופי אנרגיה וחומר עם העולם החיצוני.

## ויסות, הומאוסטזה וארגון עצמי

אורגניזמים הם מערכות דינמיות המשתנות ללא הרף, אך בה בעת הם שומרים על ארגון פנימי יציב יחסית. יכולת זו מתאפשרת באמצעות מערכות ויסות ובקרה המאפשרות לאורגניזם להתאים את פעילותו לתנאים פנימיים וחיצוניים משתנים. ללא מנגנוני ויסות כאלה לא ניתן היה לקיים את המבנה והתפקוד המורכבים המאפיינים מערכות חיים.

**הומאוסטזה** היא היכולת לשמור על תנאים פנימיים בתחום יציב יחסית למרות שינויים בסביבה החיצונית או בתהליכים המתרחשים בתוך האורגניזם. אין מדובר בשמירה על מצב קבוע לחלוטין, אלא באיזון דינמי שבו משתנים מבוקרים סביב ערכים מתאימים. דוגמאות להומאוסטזה כוללות ויסות טמפרטורת הגוף בבעלי חיים, שמירה על ריכוזי מלחים ומים, ויסות רמת החומציות ושמירה על רמות מתאימות של מולקולות שונות בתוך התא.

מנגנוני ויסות ביולוגיים מבוססים לעיתים קרובות על **מערכות משוב**. במשוב שלילי, שינוי במצב מסוים מפעיל תגובה המפחיתה את השינוי ומחזירה את המערכת לטווח הרצוי. לדוגמה, עלייה בטמפרטורת הגוף בבעלי חיים בעלי דם חם גורמת להפעלת מנגנונים המגבירים איבוד חום כמו הזעה. במשוב חיובי, לעומת זאת, תגובה מחזקת את השינוי הראשוני עד להשלמת תהליך מסוים, כגון בתהליכים התפתחותיים או בתהליכים פיזיולוגיים מסוימים.

בכל רמות הארגון הביולוגי מתקיים **ויסות**. ברמת התא, תאים מווסתים את כניסתן ויציאתן של מולקולות דרך קרום התא, את פעילותם של אנזימים ואת ביטוי הגנים שלהם. באורגניזמים רב־תאיים מתקיימות מערכות בקרה מורכבות הכוללות תקשורת בין תאים, מערכות עצבים והורמונים, המאפשרות תיאום בין חלקי הגוף השונים.

ארגון הדו-שכבה הליפידית בקרום התא בשני עלעלים של ליפידים, כשהזנבות פונים כלפי פנים והראשים כלפי חוץ. התארגנות כזו היא ספונטנית ולכן היא דוגמה לארגון עצמי.
לצד שמירה על תנאים פנימיים, אורגניזמים מקיימים **ארגון עצמי** - יצירה ושימור של מבנים וסדר מורכב באמצעות תהליכים פנימיים. תכונות רבות של מערכות חיים אינן נמצאות ברכיבים הבודדים אלא נוצרות מתוך יחסי הגומלין ביניהם. לדוגמה, רשתות של תגובות כימיות בתא, התארגנות של תאים לרקמות והתפתחות של מבנים מורכבים בעובר נובעות מאינטראקציות בין מרכיבים רבים. כאמור, מבחינה תרמודינמית, אורגניזמים הם מערכות פתוחות שאינן נמצאות בשיווי משקל. הם שומרים על סדר פנימי באמצעות קליטה מתמדת של אנרגיה וחומר מן הסביבה והעברת חום ותוצרי פסולת אליה. תהליך זה מאפשר קיום של מבנים מורכבים לאורך זמן, אך כרוך בעלייה כוללת באנטרופיה של הסביבה בהתאם לחוק השני של התרמודינמיקה.

דוגמה לארגון עצמי ביצורים חיים היא היווצרות דו-שכבה ליפידית כחלק מקרום התא: מולקולות שומן (פוספוליפידים) הנמצאות בסביבה מימית מסתדרות באופן ספונטני לשכבה כפולה, היוצרת גבול יציב בין פנים התא לסביבתו. תהליך זה אינו דורש הוראה חיצונית, אלא נובע מתכונותיהן הפיזיקליות של המולקולות.

היכולת לווסת, לשמור על יציבות יחסית וליצור סדר מתוך תהליכים פנימיים היא מאפיין מרכזי של מערכות חיים. עם זאת, היציבות של אורגניזמים אינה נובעת מקיפאון אלא מיכולת מתמדת להשתנות ולהסתגל - תכונה המקשרת בין מנגנוני ויסות לבין תגובה לסביבה ואבולוציה.

## תגובה לסביבה ותקשורת

היכולת לקלוט גירויים ולהגיב להם היא אחד המאפיינים היסודיים של אורגניזמים. גירויים עשויים לנבוע מן הסביבה החיצונית, כגון שינויים בטמפרטורה, בעוצמת האור, בזמינות מזון, בנוכחות טורפים או ביצורים חיים אחרים, או מן הסביבה הפנימית של האורגניזם, כגון שינויים בריכוזי חומרים, ברמת החמצן, במאזן המים או בנזק לרקמות. קליטת הגירויים ועיבודם מאפשרים לאורגניזם לשמור על תפקודו ולהתאים את פעילותו לתנאים המשתנים.

התגובות לגירויים עשויות להיות פנימיות או חיצוניות. תגובות פנימיות כוללות שינויים בביטוי גנים, בוויסות פעילותם של אנזימים, בהפרשת הורמונים, בקצב חילוף החומרים ובהפעלת מנגנוני תיקון והגנה. לדוגמה, עלייה ברמת הגלוקוז בדם גורמת להפרשת אינסולין, וחיידקים משנים את ביטוי הגנים שלהם כאשר מקור המזון בסביבתם משתנה.

תגובות חיצוניות מתבטאות בשינוי בהתנהגות או בתנועה, בעוד שתגובות אחרות משנות את אסטרטגיית החיים של האורגניזם. לדוגמה, חיידקים עשויים לנוע לעבר מקור מזון באמצעות שוטונים, אך הם גם משנים את דפוסי ביטוי הגנים ואת קצב החלוקה שלהם בהתאם לזמינות המשאבים. בתנאי עקה, מינים מסוימים יוצרים נבגים או מפעילים מנגנוני עמידות אחרים המאפשרים להם לשרוד תנאי סביבה קיצוניים. צמחים מפנים את גבעוליהם לעבר מקור אור (פוטוטרופיזם) או סוגרים את פיוניות העלים בתנאי יובש; ובעלי חיים מגיבים לגירויים באמצעות תנועת בריחה, חיפוש מזון, ויסות חום הגוף או שינוי דפוסי ההתנהגות שלהם.

מורכבותן של מערכות התגובה משתנה בין קבוצות האורגניזמים. ביצורים חד־תאיים התגובה מתבצעת באמצעות רשתות בקרה מולקולריות בתוך התא, בצמחים היא מבוססת בעיקר על הורמונים ואותות כימיים, ובבעלי חיים רב תאיים היא מתווכת לעיתים קרובות גם על ידי מערכת העצבים והמערכת האנדוקרינית. למרות ההבדלים במנגנונים, בכל האורגניזמים תגובה לסביבה היא תנאי חיוני להישרדות, לגדילה, לרבייה ולשמירה על הומאוסטזיס.

במינים רבים, התגובה לסביבה כוללת גם **תקשורת ביולוגית** כלומר קליטה, עיבוד והעברה של אותות בין תאים או בין אורגניזמים. תקשורת מתקיימת ברמות ארגון שונות. במיקרואורגניזמים, כגון חיידקים, אותות כימיים מאפשרים לפרטים באוכלוסייה לתאם פעילות משותפת, כגון יצירת ביופילם, הפרשת חומרים או ביטוי גנים בהתאם לצפיפות האוכלוסייה (חישת מניין). באורגניזמים רב־תאיים מתקיימת תקשורת רציפה בין תאים באמצעות מולקולות איתות, הורמונים, מגע ישיר או דחפים עצביים, המאפשרת תיאום בין רקמות ואיברים. בנוסף, אורגניזמים מתקשרים זה עם זה באמצעות אותות כימיים, חזותיים, קוליים, חשמליים או מכניים. תקשורת זו ממלאת תפקידים כגון מציאת בני זוג, הגנה מפני טורפים, סימון טריטוריה, שיתוף פעולה, העברת מידע על מקורות מזון ותיאום התנהגות חברתית.

תקשורת קיימת גם בצמחים – כאשר צמח מותקף על ידי חרקים, הוא עשוי לשחרר תרכובות אורגניות נדיפות (VOCs). צמחים סמוכים קולטים אותן ומפעילים מראש מנגנוני הגנה, כגון ייצור חומרים המרתיעים אוכלי עשב. פטריות מיקוריזה יוצרות רשת תת-קרקעית המחברת בין שורשיהם של צמחים שונים. דרך רשת זו יכולים לעבור חומרי מזון, מים וגם אותות כימיים הקשורים לעקה או להתקפת מזיקים. תקשורת בין בעלי חיים כוללת מגוון גדול של אותות. לדוגמה נמלים מסמנות שבילים למקורות מזון באמצעות פרומונים, ופרטים אחרים עוקבים אחריהם. חרקים רבים אחרים משתמשים בפרומונים למציאת בני זוג או לאזהרה. מינים רבים של עופות ויונקים, כגון סוריקטות, קופי ורווט וציפורי שיר, משמיעים קריאות אזהרה שונות בהתאם לסוג הטורף ופרטים אחרים יכולים לברוח או להתקבץ לשם התגודדות מול טורף.

אף שמנגנוני התקשורת שונים מאוד בין קבוצות האורגניזמים, כולם מבוססים על אותו עיקרון: יצירת אות, קליטתו על ידי תא או אורגניזם אחר, ועיבודו לכדי תגובה ביולוגית.

## מידע ביולוגי והתפתחות

אורגניזמים הם מערכות המבוססות על שמירה, עיבוד והעברה של **מידע ביולוגי**. מידע זה מאפשר לתאים לבנות את מרכיביהם, לווסת את פעילותם, להגיב לסביבה ולהעביר הוראות תורשתיות לדורות הבאים. ברוב האורגניזמים המידע התורשתי מאוחסן במולקולות **DNA**, אך תפקודו תלוי במערכות התאיות המפענחות אותו ומפעילות אותו.

המידע הגנטי מקודד את הרצף של מולקולות **RNA** וחלבונים, המשמשים לבנייה ולתפעול של מערכות ביולוגיות. **חלבונים** ממלאים תפקידים רבים בתא, ובהם פעילות כאנזימים המזרזים תגובות כימיות, רכיבים מבניים המרכיבים את מבנה התא ואת ה"מכונות" וה"מפעלים הכימיים" שיש בו, וכן משמשים כקולטנים ומולקולות בקרה. תהליך העברת המידע מהחומר הגנטי אל מולקולות פעילות בתא מתואר באופן סכמטי באמצעות העיקרון המרכזי של הביולוגיה המולקולרית: DNA משמש כתבנית ליצירת RNA, ו־RNA משמש כתבנית לייצור חלבונים.

למרות חשיבותו של המידע הגנטי, אורגניזם אינו פועל כמימוש ישיר ופשוט של רצף ה־DNA שלו. פעילותם של גנים מבוקרת באמצעות מערכות מורכבות הקובעות אילו גנים יופעלו, באילו תנאים ובאיזו עוצמה - **התבטאות גנים** . מנגנוני ויסות אלה מאפשרים לתאים להגיב לשינויים בסביבה וליצור מגוון רחב של תפקודים מתוך אותו חומר גנטי.

באורגניזמים רב־תאיים כמעט כל התאים מכילים בדרך כלל את אותו מידע גנטי, אך תאים שונים מפעילים קבוצות שונות של גנים ולכן מתפתחים להיות בעלי מבנה ותפקיד ייחודיים (סוג התמחות ביולוגית). כך, לדוגמה, תא עצב ותא שריר מכילים מידע תורשתי זהה אך מבטאים גנים שונים המאפשרים להם לבצע תפקידים שונים. התמיינות זו של תאים היא הבסיס ליצירת רקמות, איברים ומערכות מורכבות.

**התפתחות** היא התהליך שבו אורגניזם גדל ומשתנה לאורך חייו בהתאם למידע התורשתי שלו ולתנאי סביבתו. באורגניזמים חד־תאיים ההתפתחות עשויה לכלול גדילה, שינוי במצב התא וחלוקה לתאים חדשים. באורגניזמים רב־תאיים ההתפתחות כוללת תהליכים מורכבים כגון חלוקת תאים, נדידת תאים, התמיינות ויצירת מבנים חדשים. **התפתחותו של עובר**, למשל, כוללת מעבר מתא יחיד למערכת מורכבת הכוללת סוגים רבים של תאים ורקמות.

היווצרות תכונותיו של אורגניזם היא תוצאה של יחסי גומלין בין מידע גנטי לבין תהליכים תאיים וסביבתיים. הגנים מספקים את המידע הדרוש ליצירת המערכת הביולוגית, אך אופן פעולתם מושפע מהסביבה הפנימית של התא, מאותות בין תאים ומתנאי הסביבה שבהם האורגניזם מתפתח. לכן תכונות ביולוגיות רבות אינן נקבעות על ידי גן יחיד, אלא נוצרות מתוך פעילות משולבת של מערכות רבות.

המידע הביולוגי מאפשר הן המשכיות והן שינוי. במהלך רבייה המידע הגנטי מועבר לדור הבא, אך העתקתו אינה מדוייקת לחלוטין ועשויים להתרחש בו שינויים. שינויים אלה, הכוללים מוטציות ושינויים אחרים במידע התורשתי, יוצרים שונות בין אורגניזמים ומהווים את הבסיס לתהליכים אבולוציוניים. כך, היכולת של מערכות חיים לשמר מידע לאורך זמן ובו בזמן להשתנות היא אחד המאפיינים המרכזיים המאפשרים את קיומם והתפתחותם של החיים.

## רבייה

רבייה היא התהליך שבו אורגניזמים יוצרים צאצאים ומעבירים אליהם מידע תורשתי. ברמת הפרט, רבייה אינה תנאי הכרחי להמשך חייו של אורגניזם יחיד, אך ברמת השושלת היא חיונית לשימור קיומה של קבוצת אורגניזמים לאורך זמן. באמצעות רבייה מועבר המידע הביולוגי מדור לדור, תוך אפשרות לשינויים היוצרים שונות בין פרטים.

קיימות שתי צורות מרכזיות של רבייה: רבייה אל־זוויגית ורבייה זוויגית. ב**רבייה אל-זוויגית** צאצאים נוצרים מפרט יחיד, בדרך כלל באמצעות חלוקת תא או יצירת עותקים גנטיים הקרובים מאוד לפרט המקורי. צורת רבייה זו נפוצה בקרב חיידקים, ארכאונים, יצורים חד־תאיים רבים וגם בחלק מהאורגניזמים הרב־תאיים. רביה זו היא ברירת המחדל והתקיימה במשך רוב תקופת האבולוציה. יתרונה הוא יכולת התרבות מהירה ללא צורך במציאת בן זוג, אך היא יוצרת בדרך כלל שונות גנטית מוגבלת בין הדורות.

ב**רבייה זוויגית** משתתפים בדרך כלל שני פרטים או שני תאים רבייתיים, וכל צאצא מקבל שילוב של מידע גנטי משני ההורים. תהליך זה יוצר **מגוון גנטי** רב יותר באוכלוסייה, משום שהמידע התורשתי עובר ערבוב ושילוב מחדש בכל דור. השונות הנוצרת באמצעות רבייה זוויגית עשויה להשפיע על יכולתן של אוכלוסיות להתמודד עם שינויים בסביבה.

באורגניזמים רב־תאיים התפתחות מערכת הרבייה כרוכה בהתמחות של תאים ומבנים ייעודיים. תאי רבייה, כגון תאי זרע וביציות בבעלי חיים, נוצרים בתהליכים מיוחדים שבהם נשמר המידע הגנטי אך גם נוצרים שילובים חדשים שלו. בצמחים קיימים מנגנוני רבייה מגוונים הכוללים רבייה מינית באמצעות זרעים וכן רבייה אל־זוויגית באמצעות מבנים וגטטיביים.

רבייה דורשת העתקה של מידע גנטי, אך העתקה זו אינה מדויקת לחלוטין. שינויים אקראיים ברצף ה־DNA, המכונים **מוטציות**, עשויים להופיע במהלך שכפול החומר הגנטי או כתוצאה מגורמים סביבתיים. רוב המוטציות אינן גורמות להשפעה משמעותית, או שהן מזיקות לאורגניזם, ומקטינות את הסיכוי שלו לשרוד או להתרבות. עם זאת חלקן הקטן עשויים להשפיע לטובה על תכונות הפרטים. שונות זו בין צאצאים היא הבסיס שעליו פועלים מנגנוני האבולוציה.

לצד העברת מידע גנטי בין דורות קיימים גם מנגנונים נוספים להעברת מידע ביולוגי. לדוגמה, אצל חיידקים וארכאונים קיימת העברה גנטית אופקית, שבה חומר גנטי יכול לעבור בין פרטים שאינם קשורים ישירות בקשר הורי. מנגנון זה תורם לשונות הגנטית של אוכלוסיות וליכולת הסתגלות מהירה בתנאים מסוימים.

היכולת להתרבות, להעביר מידע תורשתי וליצור שונות בין דורות מאפשרת לאוכלוסיות של אורגניזמים להמשיך להתקיים לאורך זמן ולהשתנות בתהליך האבולוציה. לכן הרבייה אינה רק מנגנון ליצירת פרטים חדשים, אלא אחד התהליכים המרכזיים המקשרים בין הביולוגיה של הפרט לבין ההיסטוריה ארוכת הטווח של החיים על פני כדור הארץ.

## אבולוציה

**אבולוציה ביולוגית** היא התהליך שבו אוכלוסיות של אורגניזמים משתנות לאורך דורות. שינויים אלה מבוססים על שינויים העוברים במידע התורשתי ועל הבדלים בהצלחה של פרטים בהישרדות וברבייה עקב ברירה טבעית. באמצעות תהליכים אבולוציוניים נוצרים לאורך זמן התאמות לסביבות שונות, מגוון של צורות חיים ותכונות ביולוגיות חדשות.

אחד העקרונות המרכזיים בביולוגיה המודרנית הוא שכל האורגניזמים החיים כיום קשורים זה לזה באמצעות **מוצא משותף**. משמעות הדבר היא שכל צורות החיים המוכרות התפתחו משושלות קדומות יותר, ובסופו של דבר מאב קדמון משותף אוניברסלי אחרון (LUCA – Last Universal Common Ancestor). אין משמעות הדבר שכל האורגניזמים התפתחו זה מזה באופן ישיר, אלא שהם חולקים אבות קדומים משותפים לאורך ההיסטוריה האבולוציונית.

העדות למוצא המשותף של החיים ניכרת בדמיון העמוק בין אורגניזמים שונים. כל צורות החיים המוכרות חולקות מאפיינים בסיסיים רבים, ובהם מבנה תאי דומה, שימוש ב־DNA כחומר תורשתי, קוד גנטי כמעט אוניברסלי, ריבוזומים לייצור חלבונים ומסלולים ביוכימיים משותפים. דמיון זה אינו מוסבר רק על ידי יעילות ביולוגית, אלא משקף היסטוריה אבולוציונית משותפת.

אחת התוצאות של מוצא משותף היא קיומן של **הומולוגיות** — תכונות דומות באורגניזמים שונים שמקורן במבנה או במנגנון שהיה קיים אצל אב קדמון משותף. הומולוגיות יכולות להופיע ברמות שונות: במבנים אנטומיים, כגון הדמיון בין הגפיים של חולייתנים שונים, ועד לרצפי DNA וגנים משותפים בין מינים רחוקים מאוד . מחקר הגנומים חשף דמיון רב בין אורגניזמים שבעבר נראו שונים לחלוטין, והראה כי מנגנונים גנטיים בסיסיים נשמרו לאורך מיליארדי שנות אבולוציה תופעה הנקראת **הומולוגיה עמוקה**.

המנגנון המרכזי המניע שינוי אבולוציוני הוא **ברירה טבעית**. כאשר קיימת שונות תורשתית בין פרטים באוכלוסייה, תכונות מסוימות עשויות להעניק יתרון בהישרדות או בהעמדת צאצאים. לאורך דורות, תכונות המגבירות את הצלחת הרבייה נוטות להיעשות שכיחות יותר באוכלוסייה. הברירה הטבעית אינה פועלת לכיוון מוגדר מראש, אלא תלויה בתנאי הסביבה, ביחסי הגומלין בין האורגניזמים לבין סביבתם ואף ביחסים בין האורגניזמים בתוך אותו מין.

לצד הברירה הטבעית קיימים מנגנונים נוספים המשפיעים על שינוי אבולוציוני. מוטציות יוצרות שינויים חדשים בחומר הגנטי; סחף גנטי משנה את שכיחותן של תכונות באוכלוסיות באופן אקראי, במיוחד באוכלוסיות קטנות; זרימת גנים מעבירה מידע גנטי בין אוכלוסיות; ובקרב מיקרואורגניזמים, העברה גנטית אופקית מאפשרת מעבר של גנים בין פרטים שאינם צאצאים ישירים זה של זה.

אבולוציה אינה מתרחשת ברמת הפרט אלא ברמת האוכלוסיות והשושלות. פרט יחיד נולד עם מידע גנטי מסוים ומשתנה במהלך חייו, אך שינוי אבולוציוני מתרחש כאשר שינויים תורשתיים נעשים שכיחים יותר או פחות באוכלוסייה לאורך דורות. לכן האבולוציה משלבת שני עקרונות משלימים: שמירה של מידע ביולוגי מצד אחד, ושינוי מתמיד שלו מצד שני.

## מוצא משותף ומגוון ביולוגי

תהליך האבולוציה מסביר כיצד נוצר המגוון העצום של החיים על פני כדור הארץ. התאמות לסביבות שונות הובילו להופעת מגוון רחב של צורות חיים, החל מחיידקים וארכאונים ועד לצמחים, פטריות ובעלי חיים מורכבים. עם זאת, מאחורי מגוון זה קיימת אחדות בסיסית – כל אורגניזם חי הקיים כיום בכדור הארץ הוא צאצא של מיליארדי שנות אבולוציה, שהתפצלו במסגרת עץ החיים. לכל היצורים החיים יש "קרובי משפחה" הדומים להם במידע גנטי ובתכונות שונות רבות, אך גם שונים מהם בהיבטים חשובים.

על פי ממצאי השעון מולקולרי, האב קדמון משותף אדם–שימפנזה חי והתפצל לפני כ-4 עד 8 מיליוני שנים. לבני אדם, לשימפנזים ולגורילות יש אב קדמון משותף עתיק יותר, שחי לפני כ-6 עד 10 מיליוני שנים. ככל שנעים לאחור בציר הזמן, מתגלים אבות קדמונים של קבוצות רחבות יותר: האב הקדמון המשותף לאדם, לבבון וקופים נוספים חי לפני כ-25 מיליון שנה, ואילו האב הקדמון של האדם והסוס חי לפני כ-95 מיליון שנה, בעיצומו של עידן הדינוזאורים. כל היונקים החיים כיום - ובהם האדם, העטלפים והלווייתנים - חולקים אב קדמון משותף שהיה יונק קדום שחי לפני הופעת קבוצות היונקים המודרניות. אב קדמון זה כבר היה בעל מאפיינים ייחודיים ליונקים, כגון שיער, בלוטות חלב ומבנה מסוים של הלסת והאוזן, אך הוא לא השתייך לאף אחד מהמינים החיים כיום. האדם וחולייתנים אחרים, כגון דגים, ציפורים, צבים חולקים אב קדמון משותף קדום יותר -בעל חוליות קדום שחי מאות מיליוני שנים לפני זמננו. אב קדמון זה לא היה "דג שהפך בהמשך לאדם", אלא מין קדום שממנו התפצלו לאורך הזמן שושלות שונות, שחלקן הגדול נכחדו וחלקן הובילו לחולייתנים החיים כיום.

האדם, האלמוג, הדינוזאורים, והמדוזות חולקים אב קדמון משותף קדום בהרבה, שחי לפני הופעת קבוצות בעלי החיים המודרניות. אב קדמון זה היה בעל חיים פשוט יחסית, אך הוא כבר הכיל חלק מהמאפיינים הבסיסיים המשותפים לבעלי החיים, כגון תאים איקריוטיים, מנגנוני תקשורת תאית ותהליכים גנטיים שהתפתחו לאורך זמן. גם האדם והבננה קשורים זה לזה באמצעות מוצא משותף. שניהם שייכים לקבוצת האאוקריוטים ולכן חולקים אב קדמון משותף איקריוטי קדום, שחי לפני מאות מיליוני עד יותר ממיליארד שנים. אב קדמון זה כבר היה בעל תא בעל גרעין ומערכות תאיות מורכבות, שמהן התפתחו בהמשך השושלות השונות של בעלי החיים, הצמחים, הפטריות והאאוקריוטים האחרים. ככל שמתרחקים לאורך עץ החיים, מוצאים אבות קדמונים משותפים קדומים יותר ויותר, עד לאב הקדמון המשותף האוניברסלי האחרון (LUCA), שממנו התפתחו השושלות שהובילו לכל צורות החיים המוכרות כיום.

הפיצולים בעץ האבולוציוני מתרחשים כאשר אוכלוסיות של אותו מין או של שושלת משותפת מופרדות זו מזו ונחשפות לתנאי סביבה שונים. עם הזמן מצטברים ביניהן הבדלים גנטיים, הנובעים ממוטציות, ברירה טבעית, סחף גנטי ושינויים אחרים, והם עשויים להוביל להתפתחות תכונות שונות ולהיווצרות מינים חדשים. כך, לטאת החומה האיטלקית שחיו במקור באי אחד ועברו לאי אחר שיש בו פחות חרקים ויותר צמחים, התפצלו למין נפרד שיש לו שרירי לסת חזקים יותר. באופן כללי, שני מינים החיים כיום עשויים להיות שונים מאוד זה מזה, אף שהם צאצאים של אותו אב קדמון משותף שחי בעבר.

עץ החיים האבולוציוני שונה באופן יסודי מהרעיון המכונה "שרשרת ההוויה הגדולה" — תפיסה היסטורית שלפיה קיימת שרשרת רציפה של יצורים, המתחילה ביצורים פשוטים ומתקדמת בהדרגה לעבר יצורים מורכבים יותר, כאשר האדם נמצא בקצה העליון שלה. תפיסה זו אינה מתארת את האבולוציה. האבולוציה אינה תהליך המכוון ליצירת יצורים "מתקדמים יותר", אלא תהליך הסתעפות שבו אוכלוסיות משתנות בהתאם לתנאי הסביבה וליחסי הגומלין שלהן. כל המינים החיים כיום הם תוצאה של מילארדי שנות אבולוציה, ואין משמעות מדעית לקבוע שמין אחד "גבוה" או "מפותח" יותר ממין אחר.

## אורגניזמים ומערכות אקולוגיות

אורגניזמים אינם מתקיימים בבידוד, אלא כחלק מ**מערכות אקולוגיות** שבהן מתקיימים קשרים מורכבים בין יצורים חיים לבין סביבתם הפיזית. כל אורגניזם מושפע מתנאי הסביבה שבה הוא חי, אך בה בעת גם משפיע עליה באמצעות פעילותו. יחסי גומלין אלה יוצרים מערכות דינמיות שבהן החיים והסביבה מעצבים זה את זה לאורך זמן.

הסביבה שבה מתקיים אורגניזם כוללת הן מרכיבים ביולוגיים - כגון יצורים אחרים מאותו מין, טורפים, מתחרים, טפילים ושותפים לסימביוזה - והן מרכיבים שאינם חיים, כגון טמפרטורה, מים, אור, הרכב הקרקע וריכוזי חומרים כימיים. תכונותיו של כל אורגניזם משקפות במידה רבה את ההתאמות שהתפתחו לאורך האבולוציה לתנאי הסביבה שבהם חיו אבותיו.

אורגניזמים מקיימים מגוון רחב של יחסי גומלין עם יצורים אחרים. טריפה יוצרת קשר שבו אורגניזם אחד ניזון מאורגניזם אחר ומשפיעה על גודלן של אוכלוסיות. תחרות מתרחשת כאשר יצורים שונים משתמשים באותם משאבים מוגבלים. טפילות מתארת קשר שבו טפיל מפיק תועלת מאורגניזם מארח תוך השפעה עליו. לעומת זאת, בהדדיות שני הצדדים עשויים להפיק תועלת מהקשר. דוגמה לכך היא הקשרים בין צמחים לבין מיקרואורגניזמים המסייעים להם בקליטת חומרי מזון, הקשר בין אלמוג לאצות או הקשר בין אדם ויונקים אחרים לבין מיקרוביום.

יחסי הגומלין בין אורגניזמים לסביבתם פועלים גם בקנה מידה גדול. יערות, שוניות אלמוגים, קרקעות ומערכות אקולוגיות אחרות אינם רק מקומות שבהם חיים אורגניזמים, אלא מערכות שחלק גדול ממבניהן ותהליכיהן נוצרו כתוצאה מפעילותם של היצורים החיים. במובן זה, החיים אינם רק תוצאה של תנאי כדור הארץ אלא גם אחד הגורמים שעיצבו תנאים אלה.

קשרים בין אורגניזמים יוצרים רשתות מורכבות של זרימת חומר ואנרגיה. יצרנים ראשוניים, כגון צמחים ואצות, ממירים אנרגיית שמש לחומר אורגני; צרכנים מקבלים אנרגיה באמצעות אכילת אורגניזמים אחרים; ומפרקים, כגון פטריות וחיידקים, מפרקים חומר אורגני ומחזירים יסודות כימיים לסביבה. תהליכים אלה מקיימים את **מארג המזון** ואת **המחזורים הביוגאוכימיים** של יסודות חיוניים.

### ויסות עצמי של מערכות אקולוגיות

מערכות אקולוגיות אינן רק אוסף של אורגניזמים החיים זה לצד זה, אלא מערכות מורכבות שבהן מתקיימים קשרי משוב בין המרכיבים החיים לבין הסביבה הפיזית. קשרים אלה יכולים להשפיע על יציבות המערכת, על הרכב המינים ועל קצב התהליכים המתרחשים בה.

לדוגמה, יחסי טריפה יכולים לווסת את גודלן של אוכלוסיות ולמנוע ממין מסוים להשתלט לחלוטין על משאבים זמינים (או לגרום לכך שאיילים אוכלים את כל הצמחים מהם הם ניזונים ובכך לגרום לרעב המוני בקרב האיילים). צמחים משפיעים על תנאי הקרקע, על הלחות ועל זמינות חומרי המזון, ובכך יוצרים תנאים המשפיעים על מינים אחרים. מיקרואורגניזמים בקרקע ובים ממלאים תפקיד מרכזי בפירוק חומר אורגני ובהחזרת יסודות כימיים למחזורי הביוגאוכימיים החיוניים לקיום החיים.

ויסות זה מתרחש גם ברמה הביוגאוכימית. פעילותם של אורגניזמים משפיעה על מחזורי הפחמן, החנקן, הזרחן והמים, ובכך משנה את התנאים הכימיים והפיזיקליים של סביבתם. לאורך מיליוני שנים הצטברו קשרי גומלין אלה ויצרו את המערכת המשולבת של הביוספרה, שבה החיים משפיעים על התנאים המאפשרים את המשך קיומם.

### שינויים סביבתיים, הכחדות ואבולוציה

מערכות אקולוגיות אינן קבועות, אלא משתנות ללא הרף בעקבות שינויים ביולוגיים, גאולוגיים ואקלימיים. שינוי בטמפרטורה, בהרכב האטמוספירה, בזמינות מים או בריכוזם של חומרים כימיים בסביבה עשוי לשנות את תנאי החיים של מינים שונים ולהוביל לשינויים בגודל האוכלוסיות, בהתפשטותן או בהיעלמותן.

כאשר שינויים סביבתיים מתרחשים במהירות או בעוצמה רבה, מינים רבים עשויים שלא להספיק להסתגל אליהם באמצעות אבולוציה, והתוצאה עלולה להיות הכחדה. לאורך ההיסטוריה של כדור הארץ התרחשו אירועי גם הכחדה המונית שבהם חלק גדול ממיני החיים נעלם בפרקי זמן קצרים יחסית מבחינה גאולוגית. אירועים אלה נקשרו לשינויים משמעותיים כגון שינויי אקלים קיצוניים, פעילות געשית רחבת היקף, שינויים בהרכב האטמוספירה או באוקיינוסים ופגיעות אסטרואידים.

עם זאת, הכחדות הופעת מינים חדשים ושינויים סביבתיים אינם רק תוצאה של גורמים חיצוניים. אורגניזמים אינם רק מושפעים מן הסביבה אלא גם משנים אותה באופן פעיל. החיים הם כוח מרכזי בעיצוב התנאים הפיזיקליים והכימיים של כדור הארץ. לדוגמה, יצורים פוטוסינתטיים קדומים, כגון ציאנובקטריה, שינו את הרכב האטמוספירה באמצעות שחרור חמצן ויצרו את **"אסון החמצן"**, תהליך שיצר לחץ אבולוציוני חדש על אורגניזמים רבים והשפיע באופן עמוק על התפתחות החיים המאוחרים יותר. צמחים משפיעים על מחזור המים והפחמן באמצעות קליטת פחמן דו־חמצני ושחרור אדי מים, ובעלי חיים ומיקרואורגניזמים משפיעים על מחזורי החומרים בקרקע ובמערכות ימיות. כלל המערכות שבהן מתקיימים חיים על פני כדור הארץ מכונות **ביוספרה**, ובהן אורגניזמים משתתפים במחזורים ביוגאוכימיים של יסודות ותרכובות כגון פחמן, חנקן ומים.

לפיכך מתקיים קשר דו־כיווני בין אבולוציה לבין מערכות אקולוגיות: הסביבה משפיעה על הברירה הטבעית ועל התפתחות המינים, בעוד שהמינים עצמם משנים את סביבתם ובכך משפיעים על התנאים שבהם מתרחשת האבולוציה. תהליך זה מכונה לעיתים **אבולוציה אקולוגית** או **אבולוציה משותפת** כאשר מדובר בהשפעה הדדית בין מינים.

הקשרים בין אורגניזמים לבין סביבתם מדגימים את אופיים של החיים כמערכת משולבת: אורגניזמים מושפעים מהעולם שבו הם חיים, משתנים באמצעות האבולוציה בהתאם אליו, ובו בזמן משנים אותו. לכן הבנת אורגניזם דורשת לא רק חקר המבנה והתהליכים הפנימיים שלו, אלא גם הבנת מקומו בתוך המערכת האקולוגית הרחבה.

## ראו גם

* אורגניזם מודל
* מיקרואורגניזם
* נגיף

## הערות שוליים

## קישורים חיצוניים

 ערך זה הוא קצרמר בנושא ביולוגיה. אתם מוזמנים לתרום לוויקיפדיה ו**להרחיב אותו**.