מה הם החיים?

מה הם החיים? ההיבטים הפיזיקליים של התא החי הוא ספר מדע פופולרי משנת 1944 שנכתב על ידי הפיזיקאי ארווין שרדינגר. ספר קצר זה דן באנטרופיה שלילית וברעיון של מולקולה מורכבת שמכילה את הקוד הגנטי של אורגניזמים. בכך, עסק בעצם בבסיס הפיזיקלי של תופעה ביולוגית - טבעם של גנים.
הספר יצא לאור בעברית בהוצאת מאגנס בשנת 2024, בתרגומם של גל מנלה ורונה אבירם, ובעריכתו של פרופסור אבשלום אליצור.

מדובר בספרון של כ-90 עמודים, שהתבסס על קורס של הרצאות פומביות שהעביר שרדינגר בפברואר 1943, בחסות מכון דבלין ללימודים מתקדמים, שם היה מנהל הפיזיקה התאורטית, בטריניטי קולג', דבלין. ההרצאות משכו קהל של כ-400, שהוזהרו "שהנושא הוא נושא קשה ושאי אפשר להגדיר את ההרצאות כפופולריות, למרות שבקושי יעשה שימוש בנשק הנורא ביותר של הפיזיקאי, דדוקציה מתמטית." הרצאתו של שרדינגר התמקדה בשאלה חשובה אחת: "כיצד יכולים האירועים במרחב ובזמן המתרחשים בתוך הגבול המרחבי של אורגניזם חי להתייחס לפיזיקה וכימיה?" שרדינגר ניסה לתרום את תרומתו לפאזל של אחדות המדע - ולקשרים בין פיזיקה, מתמטיקה, כימיה וביולוגיה.

בספר הציג שרדינגר את הרעיון של "מוצק א-מחזורי" המכיל מידע גנטי בתצורתו של קשרים כימיים קוולנטיים. בשנות הארבעים, רעיון זה עורר התלהבות לגילוי הבסיס הכימי של תורשה גנטית. אף על פי שהשערה על קיומו של מידע תורשתי כלשהו הייתה קיימת מאז 1869, תפקידו ברפרודוקציה וצורתו הסלילית עדיין לא היו ידועים בזמן הרצאתו של שרדינגר.

תוכן
שאלה שחוזרת בספר היא "כיצד הפיזיקה והכימיה יכולות להסביר את האירועים במרחב ובזמן המתרחשים בתוך היצור החי?" שרדינגר מתאר את הקשרים בין פיזיקה וכימיה לבין תהליכים ותופעות ביולוגיות במספר מישורים:

מדוע היצורים החיים מורכבים מאטומים רבים כל כך
הספר נפתח בשאלה "מדוע האטומים קטנים כל כך?" שאלה שנראית קצת מוזרה, שרדינגר מסביר כי האטומים הם קטנים יחסית לאדם וליצורים חיים אחרים, ומכאן השאלה האמיתית היא מדוע היצורים החיים גדולים כל כך לעומת האטומים? מדוע אנו רואים יצורים המורכבים מכמות גדולה מאד של אטומים ולא מכמות קטנה יותר? התשובה של שרדינגר היא שהעולם ברמת האטומים הבודדים (עוד לפני שיקולים של מכניקת הקוונטים) הוא עולם אקראי וכאוטי ונשלט על ידי חוקים סטטיסטיים. תנועתם של האטומים מאופיינת באי-סדר (תנועה בראונית) כך שקשה מאד לנבא להיכן ינוע אטום בודד.

שרדינגר מציין כי העולם האטומי שונה מאד מהעולם המקרוסקופי שנראה כאילו הוא נשלט על ידי חוקים מוחלטים. היצורים החיים מסתמכים על חוקים אלה, ונדרשים לסדר וארגון. מכאן עולה פרדוקס לכאורה שכן בקנה המידה של אטומים בודדים אין סדר ארוך טווח. התשובה של שרדינגר היא שהחיים מצליחים להתקיים בגלל שגופי היצורים החיים מורכבים ממיליארדי אטומים. באופן זה התנועות המקריות של האטומים מבטלות זו את השפעתה של זו ויחד יוצרות בממוצע דפוס בר-חיזוי לא רנדומלי.

טיבו של החומר התורשתי
השאלה הבאה שבה עסק הספר היא המנגנון שאפשר את הגנטיקה. בשנות ה-40, זמן פרסום הספר, לא ידעו עדיין כיצד המידע התורשתי עובר מדור לדור, עם זאת היו מספר ניסויים בתחום הגנטיקה שסיפקו רמזים לכך. בתקופה זו, המדענים ידעו כבר כי מה שמעביר את המידע התורשתי, גנים, נמצאים בכרומוזומים שבגרעין התא. בנוסף, המחקר של מקס דלבריק ועמיתיו הראה כי שינוי זעיר בחלק מן הכרומוזומים, אפילו ברמה של אטומים בודדים, יכול לגרום למוטציות, כלומר שינוי בתכונות של האורגניזם. כמו כן, החוקרים גילו כי השינוי הזה יציב כמו השינוי המקורי - הוא עובר לדורות הבאים וגם בהם תופיע תכונה בגרסת המוטציה שלה.

שרדינגר מצביע פעם נוספת על פרדוקס לכאורה שקיים בניתוח - אטומים בודדים לא יכולים לשמור מידע בגלל שהם נעים ללא הרף. מכאן עולה השאלה כיצד קבוצה קטנה של אטומים יכולה לשמור מידע וכיצד עובד המנגנון שבו שינוי שנערך במקום זה נשמר בצורה יציבה גם בדורות הבאים. התשובה של שרדינגר היא שהחומר התורשתי הוא מולקולה כזו שבה יש קשר יציב בין האטומים שיכול להישאר יציב במשך זמן רב. במכניקת הקוונאטים יציבות זו דומה ליציבות חומר מוצק ולכן שרדינגר דימה את המולקולה הלא ידועה הזו לגביש. גביש זה צריך להיות גביש מיוחד שכן גבישים בדרך כלל הם בעלי תבנית שחוזרת על עצמה בדיוק באותו סדר - בצורה מחזורית - אבל סידור כזה לא יכול לשאת מידע רב. שרדינגר טען כי המידע התורשתי שמור ב"גביש לא-מחזורי". הוא חזה נכונה כי לגביש זה יהיו יחידות בסיס מעטות אבל יחידות אלה לא יחזרו על עצמן בסדר קבוע. המידע שמתקבל מה"גביש" הזה הוא הסדר של היחידות הבסיסיות שלו, המייצרות יחד סדר או "תוכנית בניה" הנדרשות כדי "לבנות" את היצור החי במהלך התפתחות העובר. כדי להדגים את כוונתו שרדינגר ציין כי קוד מורס הבנוי מ-3 סוגי תווים (קו, נקודה, רווח) מאפשר לשאת או לשמור כל מסר מורכב שנרצה. באופן דומה ה"גביש הלא מחזורי" יכול לקודד כמות גדולה מאד של מידע למרות פשטותו.

לימים התברר כי תיאור זה מתאים בדיוק למבנה ה-DNA ולדרך בה ארבעת סוגי מולקולות הבסיסים שלו יכולות לקודד מידע תורשתי באופן יציב. ב-DNA יש נוקלאוטידים מארבעה טיפוסים - אדנין, ציטוזין, גואנין ותימין (אורציל ב-RNA). הפענוח של מבנה -DNA על ידי ווטסון וקריק מתאים בדיוק לרעיונות של שרדינגר של מולקולות ענק עם מספר קטן של אבני בניין המסודרות בצורה לא מחזורית. כדי להבין את הצופן הגנטי נדרשת גם תובנה נוספת לפי רצף של שלושה בסיסים כאלה יצור "מילה" כך שהם מתורגמים בהמשך לחומצת אמינו מסוימת. רצף הנוקלאוטידים מתרגם בהמשך לשרשרת של חומוצות אמינו, ורצף של חומצות אמינו כאלה, בתוספת היבטים נוספים כמו מבנה שלישיוני של קיפול החלבון קובע את מבנה החלבון ומכאן גם את דרך התפקוד שלו.

אנטרופיה וחיים

שאלה נוספת שמופיעה בספר נוגעת לפרדוקס לכאורה שקיים בביולוגיה ביחס החוק השני של התרמודינמיקה. לפי החוק, במערכת מבודדת רמת האנטרופיה אינה יכולה לרדת. היות שאנטרופיה מפורשת לרוב כאי סדר, נראה כאילו החיים מפרים את החוק השני של התרמודינמיקה - החיים הם בעלי מבנים מסודרים (מולוקולות DNA, תאים וכו'), והם מצליחים לשמור את הסדר במשך דורות רבים. כאשר יצורים חיים מתרבים הם אף מגדילים את כמות המבנים המסודרים שיש בעולם. כל זה מתנגש לכאורה עם הרעיון לפיו "אי סדר" (אנטרופיה) תגדל באופן ספונטני במערכת מבודדת.

שרדינגר מצביע על כך שהסתירה מתקיימת רק לכאורה. החיים אינם מערכת מבודדת אלא מחליפים חומר ואנרגיה עם סביבתם. הירידה באנטרופיה שאכן מתרחשת בתוך הגוף של היצורים החיים, כרוכה בעליה גדולה יותר של אנטרופיה בסביבתה הא-ביוטית. כך שאם יצור חי יהיה בתוך סביבה א-ביוטית אזי כלל המערכת הכוללת את היצור החי ואת המערכת הא-ביוטית מצייתת לחוק השני ויש בה עליה באנטרופיה. בנוסף לכך, כדור הארץ כולו מקבל בכל רגע נתון שטף של אנרגיה חופשית בצורת אור שמש. ניצול אור השמש הזה (על ידי יצרנים ראשוניים כמו צמחים וכחוליות, ובהמשך על ידי יצורים שאוכלים אותם או יצורים אחרים במעלה שרשרת המזון) מאפשר להפחית את העלייה באנטורפיה. כך למרות שסה"כ כמות האנרגיה הנכנסת והיוצאת מכדור הארץ היא בממוצע אותה כמות, האיכות של האנרגיה שונה - נכנסת אנרגיה חופשית המסוגלת לבצע עבודה ומה שנפלט או חום - אנרגיה בעלת אנטרופיה גבוה יותר ופחות יכולת לקיים עבודה.

שרדינגר ניסח רעיון זה בטענה כי יצורים חיים ניזונים מ"אנטרופיה שלילית". רעיון הזה מאפשר ליישב, לפחות באופן עקרוני, בין החוק השני הגורם לירידה הדרגתית של סדר במערכת סגורה, לבין העובדה שיצורים חיים הם מערכות מסודרות ויציבות.

בשנות ה-40 היו מדענים והוגי דעות רבים שדגלו בויטליזם – עמדה שטענה שהחומר החי שונה מהותית בטבעו מהחומר הדומם. לפי הגישה הזאת, כוחות לא ידועים, שאין להם קשר לחוקי הפיזיקה שולטים בעולם החי, והם אלה שמאפשרים את המורכבות, היציבות והייחודיות שלו. שרדינגר (ובעקבותיו רוב הביולוגים והפיזיקאים) התייחס לחיים כאל תופעה פיזיקלית, ובהסברים שלו ערער את הויטליזם.

שרדינגר גם שיער שאולי אנחנו לא מכירים את כל חוקי הפיזיקה, וכי ייתכן שהמחקר הביולוגי יעודד מציאת חוקי פיזיקה חדשים, רעיון שבינתיים לא קיבל חיזוק.

ביקורות ותגובות
הספר עורר מחשבות והשפעות בקרב רבים (ראו בהמשך) אולם גם נתקל בביקורות שליליות שונות.
אנתרופיה וחיים
מרבית הביקורת על הספר נגעה בתחילה להסבר לגבי המושג "אנטרופיה שלילית". פיזיקאים, כמו פרנסיס סימון, טענו שהמונח הוא שגוי ומטעה, והציעו הסברים מדויקים יותר. שרדינגר התייחס לביקורתו של סימון בהערה שהוסיף למהדורה השנייה של הספר.

הסבר של אנטרופיה וחיים בצורה ברורה יותר ניתן על ידי הפיזיקאי רוג'ר פנרוז. ניתן לשים צמחים מסוימים בתוך בקבוק עם קרקע מתאימה ומים ואז לסגור אותם לתמיד. הצמחים יחיו, יתרבו וימותו בתוך הסביבה הסגורה של הבקבוק למשך זמן רב. ניתן לשכלל את הדבר זה למערכת אקולוגית משוכללת יותר הכוללת פרוקי רגליים וכן חד תאיים המאפשרים פרוק והרכבה של יסודות שונים וכך קיום של מחזורים ביוגאוכימיים שונים כמו מחזור החמצן, מחזור הזרחן, מחזור הפחמן ומחזור החנקן, באופן שריכוזי החומרים בתוך הבקבוק נשארים בריכוזים קבועים מה שמאפשר את המשך החיים בבקבוק.

החומרים בבקבוק נשמרים במערכת סגורה, כך שלא נגרע או מתווסף חומר. לעומת זאת כדי שהחיים בבקבוק יימשכו יש צורך בהספקת אור מתמדת - אור נחוץ לשם קיום פוטוסינתזה - זו מאפשרת חיים לצמחים ואלו בתורם מאפשרים את הזנת היצורים החיים והמיקרו אורגניזמים אחרים. האנרגיה הזו נפלטת לבסוף כחום. לכאורה ניתן למחזר גם את האנרגיה - לצפות את כל הדפנות הפנימיות של המכל בחומר מחזיר אור, נשמור על שכבות בידוד מסביבו כך שכל החום יישאר בתוך הבקבוק. אפילו ניתן לייצר מתקן שימיר אנרגיה כימית מהפרשות בעלי החיים לשם יצור אור. באופן זה לכאורה כל האנרגיה שנדרשת לקיום החיים בתוך המכל תשמר בתוכו בדומה לכך שאנו שומרים בו מחזור סגור של כל היסודות שיש בו.

אם נכין בקבוק אטום שכזה ונפתח אותו כעבור כמה שבועות נגלה שכל היצורים החיים שהיו בו, ימותו. האנרגיה שנדרשת לקיום החיים חייבת לבוא ממקור חיצוני ואז להפלט החוצה כחום. במערכת תרמודינמית מבודדת החומר והאנרגיה יישארו באותו גודל שהיו, אבל האנטרופיה במערכת תגדל למקסימום.

בכדור הארץ או במכל סגור החיים מתמודדים עם עליית האנטרופיה על ידי כך שאנרגיה שנכנסת היא בעלת אנטרופיה נמוכה (נצילות גבוהה) והיא יוצאת כאנרגיה בעלת אנטרופיה גבוהה (נצילות נמוכה - כמו החום הנפלט מהמנוע). בכדור הארץ הפוטונים הבאים מהשמש מכילים הרבה פוטונים שיש להם אורכי גל קצרים - ירוק, כחול, סגול ואולטרה סגול, לעומת זאת הקרינה העוזבת היא בעלת פוטונים בעלי אורך גל גדול יותר - אינפרא אדום. מכאן מעיר אבשלום אליצור כי ניתן לנסח את הדברים בצורה שניסח אותם שרדינגר - החיים ניזונים מאנטרופיה שלילית.

טענות נוספות
הביקורות על הספר משנות ה-60 ואילך היו חריפות יותר ונגעו לחוסר בקיאותו של שרדינגר במחקר הביולוגי של תקופתו, דבר שהוביל אותו להתבסס על מידע מיושן ושגוי. עם זאת אפילו בעשור השני של המאה ה-21, כשברור שפרטים רבים בספר כבר מיושנים מבחינה ביולוגית, הרעיונות העולים ממנו עדיין יכולים להצית את הדמיון ואת המחשבה של מדענים בקשרים בין פיזיקה, כימיה וביולוגיה.

ביקורת נוספת על הספר הייתה שרעיונותיו לא היו מקוריים, ושאת חלקם העלו מדענים אחרים, לעיתים עשרות שנים קודם לכן. מקס פרוץ, חתן פרס נובל בכימיה לשנת 1962, כתב ב-1987 במאמר ביקורת על הספר, שלאכזבתו "הדברים הנכונים בספר אינם מקוריים, ומה שכן מקורי היה שגוי כבר על פי מה שהיה ידוע בזמן כתיבתו". התגובה לכך היא ששרדינגר לא הצטיין במתן קרדיט למדענים אחרים, אולם גם לא טען שרעיונותיו מקוריים. הספר מבוסס על הרצאות לקהל הרחב, שמטבען מספרות על ממצאים ידועים ולא מתיימרות בהכרח להציג ממצאים חדשים. כמו כן קיימת הסכמה רחבה כי באופן הצגת הדברים, ובנקודת המבט הייחודית שלו על הנושא, שרדינגר שבה את ליבם של מדענים רבים ושינה את התפיסה הרווחת לגבי נושאים אלה.

השפעת הספר
הספרון השפיע על דורות של מדענים. רבים העידו כי היווה מקור השראה ישיר לעבודתם, בעיקר חוקרים שהניעו את מהפכת הביולוגיה המולקולרית בשנות ה-50 וה-60 של המאה ה-20. חלק ניכר מאותו דור הורכב מפיזיקאים שעברו לחקור היבטים בביולוגיה, לעיתים בעקבות הקריאה של הספר. בין מי שהעידו כי הספר השפיע עליהם בצורה חזקה נכללו גם ג'יימס ד. ווטסון ופרנסיס קריק (שהחל כפיזיקאי). בשנת 1953, הם הציעו במשותף את מבנה הסליל הכפול של חומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA) על בסיס, בין שאר תובנות תאורטיות, ניסויי עקיפה של קרני רנטגן שערכה רוזלינד פרנקלין. רעיונות שונים שהובילו אותם הופיעו בספרו של שרדינגר לדוגמה למשל הרעיון שמידע גנטי צריך להיות "מקודד" איכשהו באופן כימי על גבי מולקולה גדולה ויציבה.

בספרו המקיף על מהפכת הביולוגיה המולקולרית, The Eighth Day of Creation, כתב הוראס פ. ג'דסון: "כולם קוראים את שרדינגר" ("Everybody read Schrödinger"). הוא התכוון בכך להשפעה העצומה שהייתה לספרון זה על רבים מחלוצי המהפכה: על פי ספרו של ג'יימס ווטסון "הסליל הכפול", ספרו של שרדינגר העניק לווטסון השראה לחקר הגנים, שהוביל לגילוי מבנה הסליל הכפול של ה-DNA. גם פרנסיס קריק, שותפו של ווטסון למחקר, ציין כי רעיונותיו של שרדינגר בנוגע לאחסון המידע הגנטי במולקולות השפיעו עליו ועל מחקרו. גם מוריס וילקינס, שותפם של ווטסון וקריק לפרס נובל עבור גילוי מבנה הדנ"א, קרא את הספר קודם לגילוי. כך עשה גם סימור בנזר (Seymour Benzer), אף הוא מחלוצי המהפכה, ורבים אחרים.

ראו גם
 היסטוריה של התרמודינמיקה
 החוק השני של התרמודינמיקה
 מערכת דיסיפטיבית
 ארגון עצמי
 מערכת אקולוגית
 אחדות המדע
 גילוי מבנה ה-DNA

הערות שוליים

קישורים חיצוניים
 מה הם החיים?, ההיבטים הפיזיקליים של התא החי, הספר בהוצאת מאגנס, 2024
 גל מנלה, כשהפיזיקאי שאל "מהם החיים?", מכון דוידסון לחינוך מדעי, 15 באוקטובר 2020
 'מה הם החיים?', ארווין שרדינגר, "הנפש כמהה למחשבות גדולות, על היסודות של חיינו.", מגזין "מקו ועד תרבות", דצמבר 2024
 שרון קנטור משוחחת עם פרופ' אבשלום אליצור, כאן הסכתים, "שלושה שיודעים", נובמבר 2024
 פוסט של פרופסור אבשלום אליצור על הספר, עם הסבר על "אנטרופיה שלילית", רשת פייסבוק, 13.01.2025


קטגוריה:ספרי ביולוגיה
קטגוריה:ספרי מדע פופולרי
קטגוריה:ביוכימיה
קטגוריה:תרמודינמיקה
קטגוריה:ביולוגיה מולקולרית
קטגוריה:דיכוטומיות