מסה: מה הם חיים? מחשבות של ביולוג

א.

היכולת של בעלי החיים לזהות יצור חי ולהבדיל בינו לבין עצם דומם היא עתיקת יומין ויש בה כורח הישרדותי. יכולת זו חיונית בין השאר כדי לזהות מזון, כדי להימנע מלהפוך למזון וכדי למצוא בני זוג לרבייה. בניגוד לאופן האינטואיטיבי שבו אנחנו מבחינים בין יצור חי לעצם דומם, ההבנה על מה מבוססת הבחנה זו, או במילים אחרות, הניסיון להגדיר מה הם חיים, הוא הרבה פחות פשוט. במאמר קצר זה אנסה לעמוד על המאפיינים העיקריים כדי להסביר מה הם חיים דרך משקפיים או מיקרוסקופ של ביולוג.

כל היצורים החיים משלבים בצורה ייחודית מרכיבים של חומר, מידע ואנרגיה. קיימים שילובים של חומר, מידע ואנרגיה  שבבירור לא היינו מגדירים כיצור חי, למשל טלפון סלולרי. עם זאת אפשר לדמיין שילובים השונים מאוד מהחיים המוכרים לנו שלא בהכרח היינו אומרים עליהם שהם אינם חיים. אין לנו מושג אם צורות חיים שונות קיימות במקומות אחרים ביקום אבל אפשר להניח במידה רבה של ביטחון שהיו בעבר על פני כדור הארץ צורות חיים שונות מאוד מהצורה הספציפית המוכרת לנו. צורה זו, שמקורה באב קדמון אחד המשותף לכל מי ומה שחי היום על כדור הארץ, ניצחה במהלך האבולוציה צורות חיים אחרות שלא שרדו ושקדמו לאב קדמון זה.

האמירה שכולנו צאצאים של אותו אב קדמון מביאה למה שהוא בעיני המאפיין הבסיסי ביותר ואולי אפילו הסממן החיוני היחיד להגדרה של חיים – היכולת להתרבות ולהעמיד צאצאים דומים. מיכולת זו משתמעת גם יכולת של העברת מידע מדור לדור. בכל שילוב של חומר, מידע ואנרגיה, המסוגלים להתרבות ולהעמיד צאצאים דומים ולהעביר מידע מדור לדור, יש בעיני סממן משמעותי של חיים. מכאן ברור מדוע אני לא רואה בטלפון סלולרי יצור חי שכן הוא לא מסוגל להעמיד צאצאים דומים. גם וירוס מחשב, למרות יכולתו להעמיד ״צאצאים״ דומים, אינו יצור חי שכן אין לו מרכיב חומרי.

בעוד יכולת רבייה והעמדת צאצאים דומים היא תנאי מספיק וחזק מאוד להגדרה של יצור כחי, השאלה מתעוררת אם היא גם תנאי הכרחי, כלומר האם יצור שאינו מתרבה איננו חי? לא רק שרוב רובם של היצורים החיים  שאנחנו פוגשים לא עוסקים ברגע זה בהתרבות, יש יצורים רבים כמו הדבורים והנמלים הפועלות או יצורי כלאיים כמו הפרד שלא מתרבים אף פעם ולמרות זאת אין לנו ספק שהם חיים.

אני מבקש לטעון שיכולת רבייה היא תנאי הכרחי לחיים לפחות בשלושה מובנים: המובן הצר, הרחב והעקרוני. במובן הצר – יצורים חיים מורכבים מתאים, ובכל יצור חי יש תאים המתרבים על ידי חלוקה לשני תאי בת כמעט בכל זמן נתון. גם אם היצור כולו אינו מתרבה בזמן מסוים או אפילו לא יכול להתרבות יותר או אפילו מעולם לא התרבה, הוא מורכב מתאים חיים המתרבים ומתחלפים כל העת. במובן הרחב –גם אם פרט מסוים אינו יכול להרבות עדיין הוא שייך לקבוצה או למין ביולוגי שכן מתרבה. מה שמביא אותנו למובן העקרוני – כל יצור חי הוא תוצר של תהליך רבייה שליצור חי, אחד או יותר, הדומים לו. נניח למשל פרד, שנוצר מזיווג של סוס וחמור, אומנם לא מסוגל להתרבות אבל הוא תוצר של תהליך רבייה. אחד המאפיינים המרתקים והייחודיים ביותר של החיים הוא שמדובר בתהליך המשכי ודינמי – חיים נוצרים רק מחיים וכל החיים נוצרו מחיים.[1]

ב.

כאשר דיברתי על יכולת הרבייה כמאפיין חיוני של יצורים חיים הדגשתי את היכולת של העמדת צאצאים דומים, ובכוונה לא זהים. הסיבה  לכך היא שלו האב הקדמון וצאצאיו היו מעמידים רק צאצאים זהים היה היום רק מין אחד של יצורים על פני כדור הארץ והחיים היו תופעה משעממת מאוד. העובדה שהצאצאים דומים אבל לא זהים גורמת להתפתחות אבולוציונית של צורות חיים חדשות. צורות חדשות אלה עוברות תהליך ברירה של הצאצאים המוצלחים ביותר, כלומר אלה שמצליחים להתרבות ביעילות המרבית בתנאי סביבה נתונים. תנאי הסביבה הדוממת והחיה משתנים כל העת והאבולוציה היא תהליך דינמי ואין סופי שבמהלכו נוצרות צורות חיים חדשות ומרתקות. דיון קצרצר זה באבולוציה באמצעות ברירה טבעית בא כדי להדגיש מאפיין נוסף ומרכזי של חיים והיא הדינמיות שלהם.

ההכרה בחיים כתהליך דינמי מעלה שאלה פילוסופית מרתקת: האם החיים הם חומר או תהליך?  לא מזמן שבתי ופגשתי חבר שלא ראיתי עשרות שנים. היה לי ברור מייד שזה אותו האדם  על אף שרוב תאי הגוף שלו התחלפו מספר רב שלפעמים מאז התראינו לאחרונה. ברור שבכל זמן נתון יש לחיים מרכיב חומרי, אבל האם מרכיב זה מייצג את החיים או האם הוא המהות שלהם? אני מתכוון להשאיר שאלה זו פתוחה.

המאפיין הבא שאדבר עליו הוא הומֵאוסטזיס: היכולת לקיים סביבה פנימית קבועה השונה מהסביבה החיצונית. כל היצורים החיים עטופים במעטפת המפרידה אותם מהסביבה החיצונית. מעטפת זו היא בררנית ומאפשרת מעבר של חומרים מסוימים וחוסמת חומרים אחרים. הדבר נכון הן לגבי מעטפת התא ברמה התאית והן לגבי העור החיצוני והפתחים שבו ברמת האורגניזם כולו. בתוך כל יצור חי יש אלפי סוגים שונים של מולקולות קטנות וגדולות והריכוז של כל אחת מהן מבוקר ונשמר בדרך כלל קבוע בתוך היצור החי בטווח צר מאוד של ריכוזים, השונה לרוב מריכוזם החיצוני. שמירה על הומאוסטזיס דורשת השקעת אנרגיה, בין השאר כדי להכניס ולהוציא חומר נגד מפל הריכוזים שלו. דוגמה מוכרת לכול ברמת האורגניזם היא השקעת אנרגיה כדי לנשום ולאכול. אם כך, הומאוסטזיס היא מאפיין בולט ביותר של יצורים חיים המתקיים מהרגע שהם נוצרים ומפסיק באופן כמעט מיידי כאשר הם מתים. פריצת מעטפת התא ו/או היצור מתרחשת כאשר היצור מת, כמו גם הפסקה של השקעת האנרגיה בהכנסה והוצאה של חומרים שונים ושמירה על ריכוזם. כלומר, אני ״עושה הומאוסטזיס״ משמע אני קיים.

בעוד ברמה העקרונית יצורים המעמידים צאצאים דומים והמקיימים הומאוסטזיס הם יצורים חיים, ברמה הפרקטית והאינטואיטיבית מאפיינים אלה בדרך כלל לא משמשים להבחנה בין עצם דומם ליצור חי. המאפיין השימושי ביותר הוא של יכולות החישה והתנועה של יצורים חיים הקשורות אלו באלו.

כל היצורים החיים מחיידקים ועד פילים מסוגלים לחוש את סביבתם. אפילו יצורים כמו נבגים של חיידקים או זרעים של צמחים הנמצאים במצב תרדמה בלתי פעילה מסוגלים לחוש אם תנאי הסביבה מתאימים כדי לצאת מתרדמה זו. ככלל יש ליצורים יכולת לחוש בחומרים הכימיים בסביבתם, מה שאצלנו מתבטא בחוש הריח והטעם, בסביבה הפיזית שלהם באמצעות חושי המישוש והשמיעה, ובקרינה אלקטרומגנטית באמצעות חוש הראייה. לחישה זו מגיבים יצורים חיים בתנועה כיוונית.

כאן אנחנו מגיעים למאפיין הבולט והמיידי ביותר של חיים. בניגוד לתנועה האקראית של עצמים דוממים, יצורים חיים נעים בצורה כיוונית. כאשר אנחנו רואים יצור חי אנחנו בדרך כלל מזהים אותו בזכות עצם התנועה שלו וצורתה. בניסוי מעניין חיברו מספר קטן של אורות לגפיים ומפרקים של יצור חי בתנועה. את האורות הראו לאנשים והם זיהו מייד שזו תנועה שליצור חי. יכולת זיהוי זו הופיעה בבני אדם כבר בגיל של מספר חודשים.[2]

אני מקווה שבשלב זה ברור מדוע טלפון נייד או כל טכנולוגיה אחרת לא נחשבים לפי הקריטריונים שלי לחיים. יש אולי מי שיחלקו על קביעה זו, בייחוד לאור יכולות החישה והתנועה הכיוונית של מכשירים השונים מאוד מאלו של חפצים דוממים הקיימים בטבע. אפשר לפתור לדעתי מחלוקת זו  אם נתייחס ליצירות טכנולוגיות של האדם כאל קטגוריה נפרדת שהיא אולי המשכית (extension) לאדם שיצר אותם.

ג.

עד כה עסקתי במאפיינים כלליים של יצורים חיים: רבייה, הומאוסטזיס, חישה, תנועה כיוונית ודינמיות המגדירים במידה רבה יצורים חיים. אכן, אם היינו נתקלים בשילובי חומר, מידע ואנרגיה בעלי מאפיינים אלה אי שם בחלל החיצון, סביר מאוד שהיינו מגדירים אותם כחיים, גם אם הם היו שונים מאוד מצורת החיים המוכרת לנו. אני רוצה להקדיש את יתרת המאמר לתיאור ביולוגי ספציפי קצת יותר של צורת החיים המוכרת לנו. תיאור זה יאפשר לנו לראות כיצד המאפיינים הכלליים שתיארתי לעיל מתאימים לצורת חיים שאנחנו מכירים. או ליתר דיוק, כיצד גזרתי מהסממנים המוכרים לנו  את המאפיינים הכלליים שבהם דנתי. מאחר שהגדרתי את החיים כשילוב ייחודי של חומר, מידע ואנרגיה אציג את המרכיבים האלה בחיים המוכרים לנו.

באשר למרכיב החומרי, יש לכל היצורים החיים על פני כדור הארץ כימיה משותפת המבוססת על יסוד הפחמן. לאטום הפחמן יכולת לקשור עד ארבעה אטומים אחרים ובצורה זו ליצור אינספור שרשראות ומבנים מורכבים ביותר. יחד עם הפחמן, חמצן, מימן וחנקן מהוויםכ־96% מכלל המסה של יצורים חיים. אין כמובן לזלזל בעשרות היסודות הנוספים החיוניים לחיים גם אם הכמות היחסית שלהם קטנה יותר.

אפשר לדמיין צורות אחרות של חיים, המבוססים לא על פחמן אלא על יסודות אחרים, אבל עד כה חיים כאלה לא נמצאו – לא כאן ולא בשום מקום אחר ביקום. למים נוזליים תפקיד חיוני בחיים שלנו וכאשר מדענים מחפשים חיים במקומות אחרים במערכת השמש או היקום, הם לרוב מחפשים תנאים שבהם מים יכולים להתקיים במצב צבירה נוזלי. שוב, אפשר בהחלט לדמיין חיים המבוססים על חומרים אחרים ושעדיין ״נרגיש״ שאלו חיים.

באשר למידע, כל היצורים החיים כיום משתמשים בדיוק באותה השפה הגנטית המקודדת במולקולת הדנ״א. ככל הידוע לנו הדנ״א היא המולקולה עתירת המידע ביותר ביקום. יש מולקולות דנ״א באורך מיליוני תת יחידות והן מהוות את המרכיב המקודד בכרומוזומים. מולקולה דומה, המכונה רנ״א. משמשת גם היא לעיבוד המידע ולתרגומו לחלבונים. הרנ״א והחלבונים הם התוצרים של המידע המקודד בדנ״א והם שמבצעים בצורה ישירה או עקיפה את כל הפעילות ביצורים חיים. הדוגמה הבסיסית של הביולוגיה המולקולרית שנוסחה לפני 65 שנה אומרת שדנ״א משועתק לרנ״א שמתורגם לחלבון.

באשר לאנרגיה, כמעט כל היצורים החיים מתבססים על אנרגיה שהופקה ישירות או בעקיפין מהשמש. צמחים וסוגי חיידקים מצליחים לבצע פעולות כימיות מורכבות באמצעות האנרגיה שהם קולטים מהשמש. בפעולות אלה הם מייצרים חומרים כימיים – סוכרים – המשמשים לאצירת אנרגיה. באמצעות אנרגיה זו מתבצעות כל הפעולות הכימיות האחרות שצורכות אנרגיה ביצורים חיים. מאפיין חשוב של יצור חי, שהוא מסוגל להשתמש בחומרים עתירי אנרגיה פשוטים יחסית כדי ליצור באופן עצמאי חומרים מורכבים ביותר. יצורים חיים הם מערכות מסודרות, וכדי לבנות מערכת מסודרת צריך להשקיע אנרגיה.

כל היצורים החיים מורכבים מתא אחד או יותר. הגדרה זו נוסחה על ידי שליידן ושוואן

(Schleiden &  Schwann) לפני למעלה מ־180 שנה, לפני דארווין ומנדל וכל הביולוגיה המודרנית. אמנם הגדרה זו תקפה גם היום ללא עוררין אבל ביולוגיה עשירה בשאלות פתוחות וביוצאים מהכלל. השאלה אם וירוס הוא יצור חי היא שאלה מורכבת. וירוס הוא מידע גנטי המקודד בחומצות גרעין (דנ״א אורנ״א) ארוז במבנה חלבוני. כאשר וירוס חודר לתא הוא מגייס את המנגנונים שלו כדי לשכפל את חומצות הגרעין המקודדות את המידע הגנטי שלו וכדי לבטא את החלבונים שלו. כלומר הוא חסר רבים מהסממנים של חיים – אין לו יכולת רבייה עצמית, אין לו מטבוליזם והוא לא מקיים הומאוסטזיס.  עם זאת חומצות הגרעין שלו זהות לאלו של כל היצורים החיים. אפשר גם להגיד שהיכולת שלו לזהות בצורה ספציפית תא כדי לחדור לתוכו הוא סוג של חישה.

לסיום, השאלה אם וירוסים הם יצורים חיים (או לא) מתקשרת למאפיין חשוב מאוד של החיים, שהוא יחסי הגומלין בין יצורים חיים שונים; בין  שאלה התאים השונים בגופנו ובין שאלה כל המינים השונים בבית גידול מסוים או אפילו כל היצורים החיים על פני כדור הארץ כולו. כשמדברים על חיים אין כמעט משמעות לדבר על חיים מבודדים כי אף יצור חי אינו מסוגל לחיות לבד וללא יצורים אחרים כמו גם  בסביבה דוממת. ההכרה ביחסי גומלין בין כל היצורים החיים לבין עצמם ועם סביבתם הביאה חוקרים מסוימים להמשיל את כדור הארץ כולו ליצור חי אחד, שלם וגדול. צורת תיאור זו זכתה לשם גאיה (Gaia) על שם אלת האדמה היוונית. כמו חוקרים רבים אחרים אני לא מתחבר לצורת תיאור זו של כדור הארץ כיצור חי, אבל בעיני זה יותר עניין של הגדרה ואני לא חולק על עצם הקיום והמהות של יחסי גומלין אלה.

כחוקרים במדעי החיים, יצורים חיים הם מושא המחקר שלנו. למרות זאת רובנו לא מקדישים מחשבה רבה למהות החיים. אחת הסיבות לכך היא שכמו תינוק בן יומו, אנחנו יודעים לזהות חיים בצורה אינטואיטיבית. את השאלה מה הם חיים אני שואל את עצמי בתחילת כל שנת לימודים כדי ללמד תלמידים בשנת הלימודים הראשונה בביולוגיה. במסה זו שיתפתי כמה מהרעיונות שעלו בי במהלך השנים לגבי שאלה זו וניסיתי להאיר את משמעות המושג חיים ממגוון כיוונים. החיים מורכבים ועשירים מאוד ואין פלא שלא קל לתאר ולהגדיר אותם.

‍

המכון למדעי החיים ע״ש סילברמן, האוניברסיטה העברית בירושלים

מקורות נוספים

ניתן להרחיב וללמוד על נושאים שונים aבהם נגעתי כאן – מבוא לחיים, דנ״א, תורשה, אבולוציה באמצעות ברירה טבעית וחלוקת תאים בסרטונים שהכנתי לקורס המקוון הפתוח ״סקס - רבייה מינית ממולקולות עד פילים״. בקורס יש סרטונים נוספים הרלוונטיים לרבייה ולחיים והוא מומלץ בחום.

ספרים מומלצים

Carl Zimmer (2021) Life'sEdge: The Search for What It Means to Be Alive.

ספר מעולה ועדכני זה עוקב אחרי ניסויים המנסים לעמוד על טבעם של החיים. הוא כתוב היטב וקריא מאוד גם למי שאין רקע בביולוגיה.

Nick Lane (2009) LifeAscending: The Ten Great Inventions of Evolution.

בספר נפלא זה מתאר ניק ליין את עשר ההמצאות האבולוציוניות החשובות ביותר לדעתו של החיים. אלו כוללות בין השאר את המצאת החיים עצמם, את התא המורכב ומסיים במוות שהוא מאפיין מרכזי נוסף של חיים שבו לא דנתי כאן. לליין יש מספר ספרים נוספים הדנים בשאלות הקשורות למשמעות הביולוגית של החיים והם כולם מומלצים (אבל הם ברמת פירוט מדעית גבוהה יחסית).