18.2 הכימיה של החיים

המאפיינים החשובים ביותר של החיים הם צמיחה ורבייה. היחידה הקטנה ביותר בה מתרחשים תהליכי חיים אלה היא התא. כל היצורים החיים הידועים מורכבים מתאי אחד או יותר, המכילים מערך מורכב של מולקולות. רוב הביולוגים חושבים שהאורגניזמים הפשוטים ביותר הם תאי החיים הפשוטים ביותר: חיידקים. עד כמה נוכל למתוח את הגדרת החיים? האם וירוס נחשב צורת חיים? למרות שוירוסים פשוטים יותר מאשר תאים, הם יכולים לשכפל את עצמם באמצעות חומרים של התא המארח. עם זאת, וירוסים לא יכולים לתפקד באופן עצמאי ללא תאים, והם כנראה התפתחו מתאים חיים ולא להיפך. באופן דומה, האם מכונות מסוימות או מחשבים נחשבים ישויות חיות? הטכנולוגיה התקדמה עד כדי כך שמכונות ומחשבים פיתחו תכונות חיים רבות.

היבט מרכזי של היצורים החיים הוא הטבע הדינמי שלהם. לעתים קרובות אנו מתייחסים בטעות לעצמנו כאל יצורים סטטיים, אך כמעט כל תא בגוף שלנו מוחלף אחת לשבע שנים. אפילו שלד האינרטי לכאורה שלנו חי ומשתנה, ומחליף את התאים שלו כל הזמן. אנחנו חייבים להמשיך ולשנות את התאים שלנו המעבדים חומרים חדשים כדי להישאר בחיים. כאשר עיבוד החומרים נפסק, אנחנו קוראים למצב זה מוות. הטבע הדינמי של היצורים החיים מתואר על ידי אנלוגיה של הביוכימאי הרוסי א. אופרין. חישבו על דלי שמים זורמים אליו מלמעלה ובתחתיתו ברז דרכו המים  זורמים החוצה באותו קצב. מפלס המים בדלי נשאר קבוע, ומשקיף מזדמן יקרא לתופעה זו "דלי מלא מים". אבל זה לא רק דלי עומד המכיל מים. המים בדלי בכל רגע נתון אינם אותם מים שהיו בו ברגע אחר, אך המראה החיצוני נותר קבוע. אנחנו כמו דליים עם מים, חומרים מזינים אותנו ואוויר זורם דרכנו. יש לנו גם תכונות מורכבות יותר, כגון היכולת להתרבות ולהשתנות, קיימים גם שינויים מבניים המאפשרים לנו להתפתח מדור לדור.

מה הם החיים? עשרת היסודות השכיחים ביותר ברקמה אנושית חיה מפורטים להלן:

•          65% חמצן

•          18% פחמן

•          10% מימן

•          3% חנקן

•          2% סידן

•          1.1% זרחן

•          0.35% אשלגן

•          0.25% גופרית

•          0.15% סודיום

•          0.15% כלור

נשווה זה הרכב של חומר ביולוגי עם עשרת היסודות הנפוצים ביותר בקרום כדור הארץ מתחת לרגליך:

•          46% חמצן

•          28% סיליקון

•          8.3% אלומיניום

•          5.6% ברזל

•          4.2% סידן

•          2.4% נתרן

•          2.3% מגנזיום

•          2.1% אשלגן

•          0.006% טיטניום

•          0.001% מימן

לעומת אלה, האטמוספירה של כדור הארץ פשוטה יחסית במובן הכימי:

•          75% חנקן

•          23% חמצן

•          1.3% ארגון

•          0.00013% פחמן

•          0.000013% ניאון

•          0.000003% קריפטון

•          0.0000007% הליום

•          0.0000004% קסנון

•          0.00000004% מימן

•          0.000000001% גופרית

לבסוף, ההרכב הכימי הכולל של היקום מיוצג היטב על ידי השמש, אשר יש אלה עשרה מרכיבים הנפוצים ביותר:

•          75% מימן

•          23% הליום

•          0.009% חמצן

•          0.004% פחמן

•          0.0014% ברזל

•          0.0010% סיליקון

•          0.0009% חנקן

•          0.0008% מגנזיום

•          0.0006% ניאון

•          0.0004% גופרית

ישנם כמה היבטים מעניינים לרשימת החומרים הכימיים בגוף האדם. ראשית, מעל 99% מהאטומים בגוף שלנו כוללים רק ארבעה יסודות: מימן, חמצן, פחמן, חנקן. כמות גדולה של מימן וחמצן באורגניזמים חיים (והיחס שני אטומי מימן לכל אטום חמצן) מציין קיומו של אחוז מים גבוה שמכיל כל גוף חי. חנקן הוא המרכיב הנפוץ ביותר באטמוספירה של כדור הארץ, ויש לו תפקיד חשוב בפעולתם של היצורים החיים.

פחמן אף הוא יסוד קריטי לחיים. כימיה אורגנית מוגדרת כמערכת של תהליכים שמעורבים בה מולקולות המכילות פחמן, מבלי קשר לשאלה אם מדובר באורגניזם חי. כל יסודות החיים (למעט מימן) נוצרים בתוך כוכבים והם מופצים על ידם ברחבי היקום. מדהים עד כמה הרכב היסודות של החיים דומה להרכב היסודות בכוכב, הרבה יותר ממה מכפי שהרכב זה דומה להרכב כדור הארץ הנמצא מתחת לרגלינו. לדוגמה, פחמן וחנקן חיוניים לחיים, אך הם שכיחים יותר בשמש מאשר בכדור הארץ. מלבד החמצן, היסודות הנפוצים ביותר בכדור הארץ הם: ברזל, סיליקון ומגנזיום – הממלאים רק תפקיד קטן בכימיה האורגנית.

מדוע החיים צורכים רק מעט מ- 85 היסודות היציבים הקיימים בטבע? התשובה טמונה ביכולת הייחודית של פחמן לבנות מולקולות מורכבות. הליום הוא היסוד השני בשכיחותו ביקום, אך הוא אינו יכול ליצור קשרים כימיים עם יסודות אחרים לשם בניית מולקולות מורכבות. תכונה זו עושה את ההליום חסר תועלת ליצירת חיים. בין המרכיבים הנפוצים ביותר באורגניזמים חיים מצוי המימן. המימן יכול להשתלב עם חמצן ליצירת שתי מולקולות בלבד: מים (H₂O) ומי חמצן (H₂O₂). באופן דומה, מימן יכול להשתלב עם חנקן כדי ליצור רק שתי מולקולות: אמוניה (NH₃) והידרוזין (N₂H₂). מצד שני, מספר דרכים שבהן יכול המימן להשתלב עם פחמן הוא כה גדול עד שמספר זה נותר בלתי ידוע! המולקולה הגדולה ביותר הרשומה בספרי הכימיה והפיזיקה היא הנוסחה כימית של C₉₀H₁₅₄. הפחמן הוא לפיכך אבן הבניין המושלמת עבור מבנים מורכבים.

ניתן לחשוב על תהליכים כימיים של החיים כצורה של אחסון מידע. כימיה אורגנית משתמשת רק במספר מצומצם של מרכיבים. עם זאת, מרכיבים אלה יכולים לשלב מורכבות רבה ביותר ולכן יש בהם פוטנציאל לאחסון כמויות גדולות של מידע. האם כימיה המבוססת על פחמן היא הדרך היחידה לאחסן מידע? כימאים (וסופרי מדע בדיוני) העלו השערות בדבר האפשרות שהכימיה של חיים תהיה מבוססת על סיליקון או על יסוד אחר. ספקולטיבי עוד יותר הוא הרעיון של חיים על בסיס עיקרון מארגן אחר, כגון שדות חשמליים או מגנטיים. איש מעולם לא ראה צורות חיים שכאלה, כך שאיננו יכולים לומר שום דבר מהותי עליהם. עם זאת, הכימיה של היסודות הנמצאים ביקום מובנת היטב. בהתייחס להתפתחות החיים, עולה פחמן על כל גורם אחר ביכולתו ליצור רשתות מורכבות ובכך לאחסן מידע.

כדור הארץ הוא כוכב לכת מימי. לכן, אנו עשויים לתהות אם המים חיוניים לחיים. ראשית, נציין כי מים הם הנוזל הנפוץ ביותר ביקום. כמויות חמצן  ביקום גדולות הרבה יותר מאשר סיליקון, המרכיב הראשי של הסלעים. לכן, כוכב הלכת הסלעי משתמש בכל הסיליקון העומד לרשותו כדי לשלבו עם החמצן במטרה לייצור סלעים. נותן עדיין מספיק חמצן לחברו עם היסוד הנפוץ ביותר, המימן, כדי ליצור מים או קרח. בשל כך החמצן נותר נוזלי בתחום רחב של טמפרטורות, המים פועלים כממס: החמצן ממיס חומרים אחרים כדי ליצור תמיסות. בתפקיד זה, מים שומרים על תפקודי תאים חיוניים רבים: יסוד זה  נמס ומשלב חומרים מזינים ומוצרי פסולת בתוך התא, כך מוסדרת הטמפרטורה של אורגניזם, ואפילו ממלאת תפקיד בהגנה של החיים מפני קרינת UV מזיקה. לכן, אין זה מפתיע שמקורן של צורות חיים מורכבות החל באוקיינוסים של כדור הארץ. למים תפקיד מכריע גם על פני הקרקע, חלק גדול ממשקל הצמחים (40%) ובעלי חיים (70%) מורכבים ממים. קיימים ממיסים אחרים, כגון אמוניה ואתל אתילי. עם זאת, מים הוא הנוזל הנפוץ ביותר, ויש לו יתרונות מיוחדים שנועדו להקל על תהליכי החיים.

ניתן למקם את הבסיס הכימי לחיים בסביבה קוסמולוגית. היקום המוקדם הכיל רק יסודות קלים ביותר: מימן, הליום וכמויות זעירות של ליתיום ובריליום. יקום כזה הוא אינרטי מבחינה כימית, או שאין לו בסיס לכימיה מורכבת. הפחמן, החנקן והחמצן הנחוצים ליצירת מולקולות אורגניות לא היו קיימים עד אשר דור ראשון של כוכבים מסיביים יצר את היסודות הללו בתהליך היתוך. יתר על כן, נדרשים מספר דורות של לידת כוכבים ומותם, לפני שהיסודות האלה שבים למרחב הבין כוכבי (על ידי פיזור מסה של כוכבים ענקיים, נובה וסופרנובות). במילים אחרות, כמות מרכיבי החיים גדלה והם הופכים להיות נפוצים יותר ככל שהיקום מתבגר. כמו כן, יש לנו ראיות טובות כי מחזור CNO (האמצעים שבעזרתם כוכבים יוצרים יסודות כבדים יותר מהליום) פועל בקרב כוכבים הנמצאים בגלקסיה שלנו וכוכבים בגלקסיות אחרות. מכאן נובע כי הבסיס הכימי לחיים קיים ברחבי היקום ואינו נובע ממערכת נסיבות מסוימת דווקא בקרבת הכוכבים שלנו. לכך, יש השלכות חשובות על ההסתברות שהחיים ייווצרו במקומות אחרים.

 

Author: Chris Impey