השאלה "האם אנחנו לבד ביקום?" מסקרנת, אך שאלה "איך הגענו לכאן?" חשובה לא פחות. הסקרנות הטבעית שלנו כבני אדם מובילה אותנו לשאול שאלות פילוסופיות עמוקות, והמדע הוא כלי שבו אנו מסתייעים כדי לחשוף חלק מהתשובות. עם זאת, מדובר בתצריף של פיסות מידע, שמטרתו לסלק את המסתורין סביב התפתחות החיים בכדור הארץ, אנחנו עדיין רחוקים מתשובה מלאה. חקר מקור החיים בכדור הארץ אינו מאמץ טריוויאלי. ההיסטוריה הביולוגיות והגיאולוגיות של כדור הארץ קשורות זו בזו, אין מדובר תחומים שונים הממתינים שנפריד ביניהם. נהפכהו, גילוי הסיפור של מוצא החיים, דורש שיתוף פעולה של מדענים ממגוון תחומים.
מקור החיים בכדור הארץ כרוך בראשית הביולוגיה בפלנטה שלנו. כדי להבין טוב יותר את האירועים המובילים למקור החיים, עלינו לבחון תחומים רבים מעבר לביולוגיה בלבד. עלינו לשקול בזהירות את התנאים הסביבתיים של כדור הארץ הקדום, מקורם של "יסודות החיים", כגון מולקולות אורגניות ומים, והמנגנונים שהובילו ליצירת התאים המוקדמים.
באדיבות וויקיפדיה
כדור הארץ שלנו נוצר בזמן שנוצרו שאר כוכבי הלכת במערכת השמש, לפני כ- 4.5 מיליארד שנים. הראיות הבלתי מעורערות הראשונות לחיים על כדור הארץ מופיעות בממצאים גיאולוגיים מלפני כ- 3.8 מיליארד שנה. מה קרה באותן מאות מיליוני השנים הראשונות? בזמן היווצרות כדור הארץ, מערכת השמש לא הייתה מקום נעים במיוחד. כדור הארץ הופצץ ללא הרף בגושי סלע ראשוניים. האוקיינוסים עדיין לא נוצרו ועל הארץ עדיין היה קרום מותך. כדור הארץ לא היה ראוי למגורים טרם הואטה הפצצת המטאורים, השביטים ופסולת חלל אחרת. במהלך מאות מיליוני השנים הראשונות, כדור הארץ השתנה באופן משמעותי; הקרום התקרר והתמצק, האוקיינוסים נוצרו, כך שהתנאים על פני כדור הארץ החלו להתייצב. מקובל לחשב שהחיים החלו כמעט מיד לאחר שכדור הארץ התייצב.
מדענים אינם בטוחים בדיוק מה היה מצבו של כדור הארץ במשך מאות מיליוני השנים הראשונות. לא נותרו סלעים מתקופה זו בגלל טקטוניית הלוחות והטבע הדינמי של פני כדור הארץ. הסלעים העתיקים ביותר המזוהים כיום נוצרו לפני 3.9 מיליארד שנה. עם זאת, זוהו גבישי זירקוניום סיליקט – שגילם 4.4 מיליארד שנים. בנוסף למחסור במידע גיאולוגי, אין לדעת מה היה הרכב האטמוספירה באותו זמן, אם כי ברור שעד לפני כמה מיליארדי שנים כדור הארץ לא היה עשיר בחמצן. נכון לעכשיו, רוב המדענים מסכימים כי האטמוספירה המוקדמת שלנו הייתה מ"צפיפות מתונה" ופירוש הדבר שהיא נשלטה על ידי פחמן דו-חמצני (CO2) וחנקן (N2) עם כמויות קטנות של פחמן חד חמצני (CO), מימן (H2) וגזי גופרית. לא משנה מה היה הרכב האטמוספירה בפועל, חשוב לציין כי החמצן לא היה אז שחקן מפתח. בשל המחסור בחמצן, חלק מהצורות הראשונות של החיים על כדור הארץ היו כנראה אנאירוביות: אורגניזמים שאינם דורשים חמצן למחייתם. כמו כן הוצע כי צורות החיים הראשונות הללו היו כנראה פוטוסינתטיות, ולכן שיחררו חמצן לאטמוספרה כתוצר לוואי. האטמוספרה נותרה דלילה עד שאורגניזמים חיים שחררו מספיק חמצן ובכך העלו את כמות החמצן באטמוספירה, וגם את כמויות האוזון, לרמות ניכרות.
באדיבות pixabay
טרם החלו להתפתח החיים בכדור הארץ, המרכיבים החיוניים להתפתחות החיים היו חייבים להתקיים. לכל הפחות, הצורה הראשונה של החיים זקוקה למים ולמולקולות אורגניות כדי ליצור את התאים, שאנו מקשרים בקלות עם אורגניזמים חיים. המדענים אינם בטוחים כיצד כדור הארץ קיבל את אספקת המים והחומר האורגני. כבר הזכרנו כי האוקיינוסים של כדור הארץ נוצרו בשלב מוקדם יחסית. ההרכב האיזוטופי של זירקוניום מעיד על כך שמים נוזליים היו קיימים בכדור הארץ כבר לפני 4.4 מיליארד שנה. מהיכן הגיעו כל המים האלה? כדור הארץ הוא אחד מארבעת כוכבי הלכת הארציים במערכת השמש שלנו. כוכבי לכת הארציים מאופיינים בהרכבי הסלעיים שלהם ובהעדר חומרים נדיפים, כולל מים. המים נמצאים בכמויות גדולות יחסית במערכת השמש, אך הם מרוכזים בגופים הפלנטריים החיצוניים. כפלנטה פעילה מבחינה וולקנית, סביר היה להניח כי מים שנמצאו בתוך כדור הארץ, בתהליך הספיחה של גושי חומר בזמן התהוותו, יכלו להשתחרר לאטמוספרה באמצעות התפרצויות געשיות. עם זאת, ספק אם די מים יכלו להצטבר על פני כדור הארץ כתוצאה מאותן התפרצויות געשיות בלבד. מספר מדענים מציעים כי המים הגיעו במהלך התנגשויות של שביטים בכדור הארץ, מיד לאחר היווצרותו בזמן ההפצצה הכבדה שעברה עליו. בהתבסס על הידוע כיום ביחס להרכב שביטים, מנגנון זה של אספקת מים יכול היה לתרום רק כ- 10% מהמים בכדור הארץ. מחקרים שנעשו לאחרונה במטאוריטים פחמניים ורגילים, חלק מהחומר העתיק ביותר במערכת השמש, הובילו לטענה כי המטאוריטים הם שהביאו מים לכדור הארץ. מבלי לציין איך בדיוק הגיעו המים לכדור הארץ, סביר להניח כי כל שלוש שיטות אלה תרמו בדרך כלשהי למאגרי המים בכדור הארץ.
באדיבות וויקיפדיה
מה עם מולקולות אורגניות מורכבות, כמו חומצות אמינו? נאמר בפשטות, מולקולות אורגניות הנחוצות לחיים כפי שאנו מכירים אותם, שמקורן בכדור הארץ או מחוצה לו, או בשילוב של שני תרחישים אלה. שוב, קשה לספק תיאור של תגובה כימית קונקרטית, שכן בידינו ידע מוגבל ביחס למצב כדור הארץ הקדום. עם זאת, מדענים ניתחו באמצעות הדמיות את התנאים המוקדמים ששררו בכדור הארץ. הראשון מבין המדענים האלה היה הרולד יורי וסטנלי מילר בתחילת שנות החמישים. מילר היה סטודנט לתואר שני צעיר ומבריק של יורי. יחד הם יצרו סביבה של האטמוספירה המוקדמת בכדור הארץ. לאטמוספירה זו הם הוסיפו אנרגיה באמצעות ניצוץ חשמלי, שנועד לייצג ברק בכדור הארץ הקדום. הם גילו שבניסוי פשוט זה נוצרו מגוון מולקולות אורגניות מורכבות. למרות שבניסוי זה לא נוצרו כל 20 חומצות האמינו המשמשות בצורות החיים כיום, זו הייתה העדות הראשונה שמולקולות אורגניות יכולות להיווצר כתוצאה מתגובות כימיות טבעית בכדור הארץ הקדום. לאחרונה, מדענים החוקרים תכונות חומרים מחוץ לכדור הארץ. מתברר כי מולקולות אורגניות אינן נדירות, כפי שסברו בעבר. ואכן, כמה מדענים טוענים כי כדור הארץ קיבל אספקת מולקולות מורכבות במהלך התנגשויות שביטים ומטאוריטים עם כדור הארץ.
באדיבות Astropedia Textbook
בזמן שהתנאים על כדור הארץ היו הולמים, מדענים מעריכים שהחיים התפתחו במהירות. חשוב להבין כי יש להתייחס ל"מהר" במקרה זה בקנה מידה של זמן גיאולוגי, היכול לייצג כמה אלפי עד כמה מיליוני שנים. אין ספק כי באותו זמן התנאים והחומרים הדרושים ליצירת החיים היו כולם בנמצא. עם זאת, נטוש עדיין ויכוח ביחס לשאלות איך ואיפה נוצרו החיים הראשונים בכדור הארץ? האם בצורת החיים הראשונה היה כבר דנ"א, או שמא איזו מולקולה אחרת שימשה לאחסון מידע? כיצד נבנו התאים הראשוניים? איך נוצרו החלבונים הראשונים? מדענים רבים מסכימים שדנ"א מסובך מכדי להיות המולקולה הראשונה שאחסנה מידע. במקום זאת, RNA או מולקולה אחרת אולי מילאו תפקיד זה עד שהתאים התפתחו כדי להפיק תועלת מ- DNA. אף אחד לא יודע, אך קיימות עבודות רבות ומרגשות הבוחנות את המולקולות הראשונות. לאחר בחינת היחסים האבולוציוניים בין האורגניזמים, הועלו גם הצעות לגבי המקום שבו נוצרו החיים. כמה מדענים חשים כי צורות החיים הראשונות על כדור הארץ מקורן בסביבות חמות, כמו סביב נביעות חמות או במעיינות חמים. מאידך גיסא, כמה ביוכימאים החוקרים את יציבות ה- דנ"א וקרומי התא מתנגדים לרעיון זה. טמפרטורות גבוהות לא היו תורמות להיווצרות ממברנת התא והיו תורמות להרס של מולקולות אורגניות כמו DNA ו- RNA.
חלקים רבים עדיין חסרים בתצריף שנועד לענות על השאלה "איך הגענו לכאן". הדרך המרגשת שעברו במהלך העשור האחרון נעשתה באמצעות שימוש בניסויי מעבדה המדמים את הצעדים לאורך הדרך. דרך זו מתחילה בכימיקלים פשוטים ומסתיימת ביצירת התא הראשון. עבודתם של ג'ק שוסטק וקבוצתו בהרווארד בולטת במיוחד. שוסטק הוכיח כי שומנים פשוטים מומסים במים יכולים להוביל ליצירת בועיות, או פרוטו תאים. גופים אלה קטנים הרבה יותר מאשר התאים המודרניים, אבל הם פועלים ומצליחים לרכז כימיקלים ולהגדיל את המורכבות של החומרים הכימיים האלה במשך הזמן. מרגש יותר, שוסטאק הוכיח כי אם חלקיקי חימר נמצאים בתאי פרוטו, ניתן לבנות בעזרתם באופן טבעי שברי רנ"א קטנים. הסריג המחזורי של מינרל החימר משמש כמשטח ליצירת "תבנית" של חתיכות רנ"א קטנות. ניתן למצוא בניסויים אלה שברים גדולים של אלפי אטומים. העבודה נמשכת, ודבר אחד ודאי, ככל שנבין יותר את מקורות החיים בכוכב הלכת שלנו, כך ניתן יהיה לנבא טוב יותר היכן אפשר לחפש חיים במקום אחר.
Author: Chris Impey