מוצא החיים

מוצא החיים או אביוגנזה (בלועזית: Abiogenesis) הוא כינוי  לתחום מחקר במדעי הטבע, החוקר את היווצרות החיים על פני כדור הארץ. ביסוד המחקר בתחום עומדת התאוריה המדעית שהחיים על פני כדור הארץ נוצרו בתהליכים אקראיים מחומר דומם.

המאמץ המחקרי העיקרי בתחום מוקדש לניסיון למצוא מסלולים כימיים בהם גדול יחסית הסיכוי לאביוגנזה בסביבת מולקולות כימיות נטולות חיים, כלומר באיזה מסלול כימי גדל הסיכוי ליצור חיים מחומר דומם.

השערה מקובלת היא שאירוע יצירת החיים התרחש סמוך לנביעות הידרותרמיות, בריכות געשיות או מעיינות חמים יבשתיים. מעיינות אלו פולטים אנרגיה וחומרים העשויים להיות שימושיים בסינתזות מולקולות מורכבות, ולאחר מכן מתאפשרת יציבותן של מולקולות אלו עם מעברן לאזורים הקרים יותר במים. באזורים אלו מצויות בימינו צורות החיים הקדומות ביותר הידועות לנו .

תורת האבולוציה מסבירה כיצד צורות חיים מורכבות ומגוונות הקיימות כיום התפתחו מצורות חיים פשוטות יותר. שאלת מוצא החיים מתמקדת בשאלת מוצאו של היצור החי הראשון. טרם נמצא הסבר שלם ומניח את הדעת למוצא החיים. מספר השערות ועדויות ניסיוניות מצביעות על פתרונות אפשריים לתעלומה זו מובאים להלן.

הנחות יסוד 
הראשון שהציע את האפשרות שהחיים התפתחו מחומר אי אורגני היה צ'ארלס דרווין אבי תורת האבולוציה. השערתו הייתה כי החיים התפתחו בתוך תערובת נוזלית של מלחי פוספט, ואמוניה שאפשרו, בשילוב עם אור, חום וחשמל את היווצרות החלבונים הראשונים.

ב-1924 פיתח ביוכימאי סובייטי בשם אלכסנדר אופרין תאוריה מקיפה יותר והציע ארבע הנחות יסוד המשמשות עד היום את הבסיס התאורטי לאביוגנזה:
 החיים יכלו להיווצר מחומרים רגילים בתהליך של אבולוציה כימית.
 חומרי הבסיס על פני כדור הארץ היו דומים לאלו הנמצאים במערכת השמש כגון ענקי הגזים: צדק ושבתאי המכילים מתאן, אמוניה, מימן ומים.
 בתחילה היו בנמצא תרכובות אורגניות פשוטות באוקיינוסים אשר יצרו את המרק הקדמון. בהדרגה עלתה רמת המורכבות של תרכובות אלו בתגובות כימיות רגילות אשר אפשרו קטליזה של תגובות כימיות נוספות ויצירה של מערכות מסודרות ואוטוקטליטיות .
 תחרות על המשאבים - בעיקר מולקולות הבסיס - גרמה לברירה טבעית אשר הניעה את תהליך העלייה במורכבות האורגניזמים ויצירת מגוון המינים הקיים כיום.

נכון להיום החיידק המאובן הקדום ביותר שתוארך התגלה במערב אוסטרליה ב-2011. על פי ההשערות גילו הוא 3.4 מיליארד שנה. גם אם ממצא זה אינו ודאי, הרי שלפני 2.4 מיליארד שנים, היחס בין איזוטופים יציבים של פחמן (12C ו-13C), ברזל (56Fe, 57Fe ו-58Fe) וגפרית (32S, 33S, 34S ו-36S) מצביע על כך שמקורם של מינרלים ומשקעים הוא ביוגני
ותוצרים מולקולריים מצביעים על קיומה של פוטוסינתזה.

נושאים מרכזיים במחקר 
ג'ון ברנל, מחוקרי התחום, הציע כי היווצרות החיים התרחשה בשלושה שלבים:
 יצירה של מונומרים אורגניים – כגון, חומצות אמינו ונוקלאוטידים.
 יצירת פולימרים אורגניים – כגון חלבון ו-RNA.
 ההתפתחות מפולימרים אורגניים למבנה מאורגן של תא.
כל אחד משלבים אלו העלה שאלות מחקריות רבות.

יצירת מונומרים 

ההנחה הרווחת היא שהתרכובות האורגניות הראשונות נוצרו מן הגזים שהרכיבו את האטמוספירה בעבר. לפני כ-4 מיליארד שנים כדור הארץ היה בעל אטמוספירה דלת חמצן ומרובה תרכובות גופרית מההתפרצויות הגעשיות התכופות שהיו בו. ברקים היו תדירים בהרבה ממה שהם היום. הרכב התמיסה שהיה באוקיינוסים של כדור הארץ בתקופה זו מכונה המרק הקדום.

החוקר האמריקאי סטנלי מילר, בהנחיית הרולד יורי, העמיד הנחה זו למבחן בניסוי מילר-יורי שבוצע בשנת 1953 באוניברסיטת שיקגו. הוא התקין מכשיר ומילא אותו בתערובת שחיקתה את האטמוספירה שכפי ששוער הייתה בכדור הארץ לפני 3.5 מיליארד שנה - תערובת גזים של מתאן, אמוניה, מימן ומים. הגזים סבבו במכשיר ומילר חיבר אלקטרודות שיפעילו עליהם התפרקויות חשמליות המדמות ברקים. תוך שבוע נוצרו בתערובת שלוש מתוך עשרים חומצות האמינו המשמשות אבני בניין של חלבונים, וחומרים אורגנים נוספים. בניסויים דומים שנערכו בשנים הבאות תוך שימוש בחומרים נוספים כגון גופרית הופיעו חומצות אמינו נוספות ואף חומצות גרעין (אבני הבניין של הדנ"א והרנ"א) וסוכרים פשוטים.
בשנת 2008 נערך ניתוח מחדש של התוצאות, והתגלה כי בניסוי מילר-יורי נמצאו 32 חומצות אמינו, ולא 3. 20 מבין החומצות הללו הן הדרושות לקיום חיים.

מקור נוסף לחומרים אורגניים עשוי להיות גופים המגיעים מן החלל החיצון. חומצות אמינו פפטידים קצרצרים ואף חלבון נמצאו בגופים שהגיעו לכדור הארץ מן החלל החיצון. בין אם גופים אלו מילאו חלק מרכזי באספקת מונומרים לתהליך היווצרות החיים ובין אם לאו, עצם נוכחותם מראה על האפשרות להיווצרות ספונטנית של חומרים אלו.

אחת החידות בהקשר של מוצא החיים היא מציאת הדרך שגרמה ליצירת עודף אננטיומרי של מולקולות כיראליות, כמו חומצות אמינו או סוכרים. ניסוי מילר-יורי לא הצליח לייצר תגובה סטריאוסלקטיבית שתיצור עודף כזה. ראיות לכך שמקורו של העודף מחוץ לכדור הארץ התגלו במטאוריט מורצ'יסון שמייצג את הרכב החומרים במערכת השמש הקדומה. ראיה נוספת מגיעה מתצפיות על קיטוב האור שמגיע מערפילית אוריון ועובר בדרכו חומר בין-כוכבי. מהמדידות נמצא שבאזורים מסוימים של החומר הבין-כוכבי יש עודף אננטיומרי של מולקולות כיראליות מסוימות.

סמוך לנביעות הידרותרמיות קיימים מסלולים כימיים לסינתזה של חומרים אורגנים.

בשנת 1968 פורסם מחקר תאורטי המראה שבהתנפצות בועות בקצף גלי ים נוצרים תנאים קיצוניים המאפשרים קשירת חנקן מהאוויר וקבלת חומצות אמיניות ופורינים. ב-2007 פורסם מחקר המראה שהסיכוי ליצירת תרכובות אלו במנגנון זה גדול בסדר גודל מאשר בכל הדרכים האחרות שהוצעו גם יחד. בעקבות החישוב נערכו בהמשך ניסויים שאימתו את המחקר התאורטי מ-1968 והתקבלו בהם החומרים הצפויים. כמו כן אוששה ההצעה בסימולציות מחשב.

בשנת 2020 הודגמו מסלולים כימיים שנמצאו בסימולציה ממוחשבת ליצירה ספונטנית של מולקולות מורכבות רבות המשמשות במטבליזם החי.

יצירת פולימרים 
אחת ההשערות המקובלות במחקר היא עולם ה-RNA. על פי השערה זו, מונומרים אורגניים הפכו בריאקציות כימיות אקראיות ונדירות לפולימרים קצרים. סוג אחד של פולימרים כאלה, RNA, הוא גם בעל יכולת לזרז תגובות כימיות רצויות, כולל שכפול עצמי וגם בעל יכולת לשאת מידע לשכפול עצמי. בצורות החיים של ימינו, החלבונים מזרזים את רוב התהליכים הכימיים בתא והמידע התורשתי נשמר לטווח ארוך ב-DNA אולם בשלב ראשוני זה, כל המידע התורשתי וכל הפעולות הקטליטיות נעשו בעזרת RNA. גם בצורות החיים של ימינו ה-RNA משמש בכל תא גם לזירוז ייצור החלבונים עצמם, גם לזירוז שכפול ה-DNA וגם להעברת מידע תורשתי מה-DNA אל מערך ייצור החלבונים.

על פי ההשערה, האנרגיה לפעולות ה-RNA התקבלה מפירוק סוכרים בעזרת תרכובות גופרית – נשימה גופריתית ובאזורים אוקייניים עם פעילות געשית תדירה היה ריכוז גבוה של RNA בזכות תרכובות הגופרית שנתנו אנרגיה לשכפולם.

בשנת 2017 הראתה סימולצית מחשב כי קיימת התכנות להיווצרות עולם RNA בשלוליות חמימות בתנאי כדור הארץ הקדום, וכי ההשערה שאבני הבניין הנדרשות לתהליך יסופקו על ידי מטאוריטים היא מתקבלת על הדעת.

בשנת 2022 פורסם מחקר המראה ניסויית כי פפטידים באורכים שונים יכולים להיווצר ספונטנית ביעילות בתנאים המצויים בחלל החיצון.

יצירת תא 
אופרין העלה את השערת יצירת הקואצרווטים - על פי השערה זו, החלבונים, שנוצרו בימים ובאגמים העתיקים, הצטרפו לטיפות מיקרוסקופיות הקרויות קואצרווטים (Coacervate) , המסוגלות לקלוט לתוכן חומרים. כתוצאה מקליטת חומרים לתוכן הן גדלות, וכאשר הן מגיעות לגודל מסוים הן נחצות לשניים.

הטיפות שהמבנה החלבוני שלהם היה מוצלח יותר יכלו לקלוט לתוכם חומרים במהירות רבה יותר, כולל טיפות קטנות מהן. הן התחלקו מהר יותר והיו רבות יותר מטיפות בעלות מבנה חלבונים שונה.

חומצות הגרעין שבונות את ה-DNA בתאים הנוכחיים השתלבו בטיפות. מרגע שפיתחו חומצות הגרעין דרך לקבוע את מבנה החלבונים ניתן לשייך את הטיפות ליצורים החיים. חומצות הגרעין יכלו לפקח על בנייה של חלבונים שיזרזו וישלטו על תהליכי מטבוליזם וההתחלקות (התרבות).

השערה נוספת היא השערת הליפידים - מולקולות שומן פשוטות, אשר באופן טבעי מתארגנות ליצירת בועות (מיצלות) בהן הסביבה הפנימית מופרדת מהסביבה החיצונית. כל התאים החיים על פני כדור הארץ תחומים במעטפת שכזו - שכבה כפולה של ליפידים, בתוספת "שערים" מולקולריים המאפשרים חילוף חומרים מבוקר. הדמיות מחשב הראו שהמודל מאפשר ברירה טבעית. בהמשך, פורסם מאמר המביא ראיות ניסוייות ליכולת של שומנים לזרז תגובות כימיות ובכך לאפשר שכפול של המיצלה ביתר קלות.

גישות המחקר 
המחקר העוסק ביצירת החיים מכיל בתוכו שתי גישות הפוכות –
הראשונה: מלמטה למעלה: ראשית יש לבחון כיצד נוצרו אבני הבניין של החי ורק אז אפשר להמשיך ולבדוק כיצד הגענו מהם ועד לתא החי הראשון.
השנייה: מלמעלה למטה: בחירת נקודה על רצף היווצרות החיים ומשם לבחון האם יכלה להיווצר באופן ספונטני. לאורך זמן אפשר שנוכל לחבר את הנקודות האלה ליצירת הסיפור המלא.

כיום מתקיים מחקר ענף לגבי העולם שהתקיים טרם הופעתה של LUCA (האב הקדמון המשותף), ואין כיום השערה אחת מוסכמת בשל חוסר הוודאות לגבי התנאים ששררו לאחר התקררות כדור הארץ (עידן האדן) עם זאת, ההשערה המרכזית בה מתמקד המחקר היא השערת עולם הרנ"א. השערה זו מבוססת על גילוי הריבוזים ב-1981, אנזים זה המכיל רנ"א וחלבונים התברר כבעל יכולת שכפול עצמי (בניגוד לדנ"א), כאשר החלק הקטליטי בתוכו הוא מולקולת הרנ"א המאפשר את השכפול. הבעיה עם מולקולת הרנ"א שהיא נוטה להתפרק במהירות מחוץ לתא, פתרון אפשרי לכך הוא שימוש במייצבים כימיים. בראשית שנות ה-70 פיתח מנפרד אייגן מנגנון היפותטי בו מולקולות רנ"א ואחרות עשויות לעבור סבבים ספונטניים של שכפול עצמי.

התפתחות ממלכות העל של החיים
ידוע כיום כי התאים הפרוקריוטיים היו האורגניזמים הראשונים שנוצרו על פני כדור-הארץ, לפני כ-4 מיליארד שנים. בכמיליארד השנים הבאות לא התרחשו שינויים משמעותיים במורפולוגיה או ברמת ארגון התא. אלא רק שינויים בתפוצת התאים ובפיזיולוגיה שלהם בהתאמה לסביבות רבות. נוצרו לפחות שתי על ממלכות של פרוקריוטים: הבקטריה והארכאה. הארכאה נתגלתה לאדם רק בשנות ה-80 של המאה ה-20 ולא מן הנמנע שקיימות או שהתקיימו על ממלכות פרוקריוטיות נוספות.

מיליארד שנים לאחר התפתחות התא הראשון, נוצרו האאוקריוטיים מבקטריה שהובלעה בארכאה. בתחילת התהליך היו הבקטריה והארכאה האלה סימביונטים. חלק מהחומר התורשתי של הבקטריה עבר אל החומר התורשתי של הארכאה. הארכאה סיפקה לבקטריה את החלבונים הנחוצים לה ואילו זו הפכה לאברון הנשימה של הארכאה בסביבות חמצניות. בקטריות אחרות הפכו לאברוני הפוטוסינתזה של הארכאה. הבקטריות התפתחו למיטוכונדריון ולכלורופלסט. הארכאה, שהחלה לבטא חלק גדול מהחומר התורשתי של הבקטריה גם לצרכיה שלה ולא רק לשירות הבקטריה הסמביונטית, הפכה לתא אאוקריוטי. באאוקריוטיים נוצרו ממברנות פנימיות דומות לאלה של הסמביונטים שלהם, שמידרו אזורים נוספים מלבד המיטוכנדריון והכלורופלסט כגון גרעין התא שבו מצוי החומר התורשתי. התרבות הבקטריות והאאוקריוטים שיכולים היו לבצע פוטוסינתזה הפכה את אטמוספירת כדור הארץ כולו לחמצנית. הארכאות חסרות הסמביונטים נדחקו לסביבות דלות חמצן (כדוגמת ים המלח וקרקעית האוקיינוס). עם התרבות החמצן באטמוספירה נוצרה שכבת האוזון, שהורידה את רמת הקרינה המייננת על פני כדור הארץ ואפשרה יציבות רבה יותר למולקולות ביוכימיות.

התפתחות הרב-תאיים
לפני כמיליארד שנים החלו להופיע באוקיינוסים אורגניזמים רב-תאיים. ההתפתחות האבולוציונית של האורגניזמים הרב-תאיים התרחשה מספר פעמים בנסיבות בלתי-תלויות באורגניזמים שונים כמו ספוגיות, חומיות, כחוליות, ריריות ומיכובקטריה.

במהרה לאחר הופעתם, נרשמה פעילות אבולוציונית מהירה במשך כ-10 מיליון שנים. התרחשות זו הובילה ליצירת מרבית האורגניזמים שאליהם אנו עדים כיום, יחד עם יצירת שושלות יוחסין אשר נכחדו זמן-מה לאחר-מכן. ניסיונות להסברת ההתפתחות האבולוציונית המהירה כוללים תאוריה שגורסת הצטברות חמצן מספקת באטמוספירה כתוצאה מפעילות פוטוסינתטית. לפני בערך 500 מיליון שנים החלו צמחים ופטריות ליישב את היבשה, ובמהרה הצטרפו אליהם תולעים שמהן התפתחו פרוקי הרגליים ובעלי חיים חסרי חוליות נוספים. באוקיינוסים התפתחו מיתרניים ומהם חולייתנים כגון דגים. מדגי הריאות התפתחו דו-חיים, שהופיעו לראשונה על היבשה בערך לפני 300 מיליון שנים. מדו החיים התפתחו זוחלים שמהם התפתחו היונקים לפני 200 מיליון שנים לערך. מהזוחלים התפתחו גם דינוזאורים שמהם התפתחו העופות לפני 100 מיליון שנים. עם התפתחות האורגניזמים הגדולים, המשיכו האורגניזמים הקטנים, בעלי מבנה מורפולוגי דומה לזה של הראשוניים להתקיים כשרוב הביומסה של היצורים החיים כיום היא של מינים פרוקריוטיים שונים.

הסברים שאינם מדעיים

הגישה המונותאיסטית
לפי הסבר זה המתייחס לרוב לסיפור בריאת העולם, כל האורגניזמים בעולם, ובכלל זה האדם, נבראו בצורתם הסופית על ידי בורא, המכונה לרוב אלוהים. כל אורגניזם נברא עם מאפיינים של יצור בוגר - לדוגמה: העץ נברא עם טבעות שנתיות, האדם נברא עם שיניים ושיער, וכו'. הסבר זה מקובל בקרב מאמיני דתות מונותאיסטיות רבות וזהו גם ההסבר הבולט בקרב המתנגדים לתורת האבולוציה (ראו גם בריאתנות).

לעומתם יש בריאתנים חדשים (ראה תכנון תבוני), המסכימים כי ההסבר הטבעי היחיד להתפתחות החיים הוא בצורה של התפתחות איטית, אולם הם שוללים את עצם האפשרות שיש הסבר טבעי לארגונן המורכב של מערכות ביולוגיות, ובעיקר של המערכת החיה הראשונית. לפיכך הם טוענים כי יש כוח עליון תבוני אשר תכנן את מהלך הדברים ואולי אף יצר את הגרעין הראשוני ממנו התפתח הכל.

חלק קטן ממאמיני היהדות, מקבלים את תיאורית האבולוציה ברובה. וזאת על פי גישת הרב קוק "אין זה כלל עיקר של תורה לספר לנו עובדות פשוטות ומעשים שהיו. העיקר הוא התוך, ההסברה הפנימית, וזה יתרומם עוד יותר בכל מקום שנמצא כוח סותר שאנו מתעודדים להתגבר על ידו". למעשה תורת האבולוציה עוסקת בהסברת "האיך" - כיצד העולם התפתח לכדי מה שהוא היום, אבל התורה עוסקת ב"מדוע" - כלומר מסבירה מדוע אוסף של חומרים דוממים הפך לבסוף לעולם מלא חיים מגוונים ותבוניים. על פי גישה זו האבולוציה היא רק תיאור מעשה בראשית בהרחבה ואין כל סתירה בין פרטי תורת האבולוציה לבין גישת היהדות, אלא התייחסות לדברים שונים.

הסברים חלופיים נוספים

 גנרציה ספונטנית בתקופה הקדומה היה מקובל לחשוב, שיצורים מורכבים יכולים להיווצר ישירות מחומר דומם. כך למשל עכברים מופיעים באסמי תבואה, ורימות מתהוות בבשר נרקב. גם חז"ל קיבלו את הנחת היסוד הזאת וברמב"ם מצוין שהכינים נבראו "מן הזיעה" תאוריה זו, המכונה יצירה (גנרציה) ספונטנית, באה לידי ביטוי עוד בכתביו של אריסטו. השפעתם של הוגי הדעות היוונים הייתה רבה, ורק במאה ה-17 החלו להתעורר ספקות באשר להתכנותה של גנרציה ספונטנית. בספרו מ-1646 היה תומאס בראון אחד הראשונים לקרוא תיגר על תורת הגנרציה הספונטנית. למרות הביקורת הרבה על פרסום זה, ב-1668 הצליח האיטלקי פרנצסקו רדי להראות כי זבובים המטילים את ביציהם בבשר הם המקור להתפתחות הרימות בו. מהמאה ה-17 ואילך, העדות הנסיונית הצטברה בהדרגה ודחקה את רגליה של תורת הגנרציה הספונטנית; בתחילה עוד ניתן היה להחזיק בה לגבי יצורים מיקרוסקופיים. היו שסברו למשל, כי חידקים יכולים להיווצר מחומר נרקב. אך בסופו של דבר תיזת הגנרציה הספונטנית הופרכה סופית על ידי לואי פסטר בסדרה של ניסויים ב-1861. מוסכם היום כי כל היצורים החיים כיום נוצרו מיצורים חיים קודמים.

 קדמות העולם/נצחיות המינים  הסבר לפיו העולם, כולל מיני האורגניזמים שבו, היה תמיד כפי שהוא כיום. אחד מתומכי הסבר זה היה הפילוסוף היווני אריסטו שלרעיונותיו היו תומכים רבים בראשית העת החדשה. גם הסבר זה לא מקובל כיום בעקבות הידע על התפשטות היקום וגורמים נוספים.

ראו גם
האב הקדמון הכולל
ניסוי מילר-יורי
אסטרוביולוגיה
פנספרמיה - תאוריה הגורסת כי מוצא החיים אינו מכדור הארץ, אלא מן החלל.
אובסל

לקריאה נוספת
פול דייוויס, הנס החמישי: החיפוש אחרי מוצא החיים, תרגמה מאנגלית: תמר ביסטריצר, בהוצאת מעריב, 2004.
 אטנבורו ד', החיים עליי האדמות, תרגמה מאנגלית: נעמי כרמל, בהוצאת מסדה, 1980.
 איריס פריי, מוצא החיים: מסתורין או בעיה מדעית, (אוניברסיטה משודרת, 1997)

קישורים חיצוניים

 ד"ר איריס פריי, כיצד התהוו החיים, אתר סנונית
 
 המסע מראשית החיים לאדם, ארז גרטי, מכון דוידסון
 ראשית החיים ואיך חומר דומם הופך לחי (ניוזגיק, 2012).
 
 הצלחנו לשחזר את אבני הבניין של החיים באתר הסוכנות החלל הישראלית

הערות שוליים

תאוריות מדעיות