תמונה: Natata / Shutterstock.com
דובי הקוטב נחשבים לטורפים היבשתיים הגדולים בעולם. הפרווה הלבנה, שממרחק נראית כמעט שקופה, מסייעת להם להסתוות בקרח. פרופ’ ג’ון וואנג מאוניברסיטת קופנהאגן שבדנמרק ושותפיו רצו ללמוד אילו שינויים גנטיים עברו דובי הקוטב שאפשרו להם להשתלב היטב בסביבה הקפואה והמאתגרת, ולפתח את החזות החסונה והאצילית שלהם. לשם כך הם ריצפו את הגנום של 89 דובים. רובם היו דובי קוטב, אבל עשרה נוספים היו דובי גריזלי חומים שהגיעו מחלקים שונים של ארה”ב. המסקנה שאליה הגיעו החוקרים היא ששני סוגי הדובים התפתחו מאב קדמון משותף לפני כ-400 אלף שנה (Liu, Lorenzen, Fumagalli, +26, 2014).
עד כה חשבו שהמוטציות בונות יכולות חדשות. כעת מבינים שתפקידן הפוך – להרוס
אך הנתונים שנאספו מהריצוף הגנטי של שני סוגי הדובים הובילו את החוקרים למסקנות מעניינות אפילו יותר. הם הצליחו לאתר את המוטציות שגרמו לדובים להסתגל לסביבה הקפואה. ידוע למשל שכדי להתמודד עם הקור הארקטי דוב קוטב נושא בגופו כמויות גדולות מאוד של שומן – לפעמים אפילו כמחצית ממשקל גופו. בני אדם ויונקים אחרים אינם מסוגלים להתמודד עם כמויות שכאלו כי במהרה הכולסטרול, בעיקר “הרע”, עלול לגרום לחסימת כלי דם או להוביל להתפתחות מחלות לב.
ממכתביו המקוריים של דארווין | תמונה: Peter Macdiarmid/Getty-Images
כשפרופ’ וואנג ושותפיו בחנו את המוטציות הספציפיות המבדילות את שני סוגי הדובים שנבדקו – דובי הקוטב הלבנים ודובי הגריזלי החומים – הם גילו 16 מוטציות מרכזיות שמתוכן תשע קשורות לצריכת שומן. וכאן בדיוק התגלה דבר מפתיע – המוטציות פגעו בתפקוד הגנים ולא שיפרו אותם. במילים אחרות, הדוב הצליח להתאים את עצמו לסביבה הקיצונית באמצעות מוטציות שהרסו חלק מתפקוד הגנים של האב הקדמון. את הפרווה הבהירה והאצילית השיגו דובי הקוטב בעקבות שיבוש תפקודם של שני גנים אחרים.
האם התאוריה שלפיה התפתחנו מהקוף יכולה להיות במקרה כזה עדיין תקפה?
מאז שצ’ארלס דארווין פרסם את התיאוריה שלו בספר “מוצא המינים” (1859) נהגו להתייחס לשינויים אקראיים במידע התורשתי – מה שמאוחר יותר התברר כמוטציות אקראיות – בתור המנוע שמוביל להתפתחות המינים. מעין כוח שיוצר חידושים המביאים לשינויים הנדרשים. כך היצורים החיים יכולים לפתח בהדרגה יכולות חדשות העוזרות להם להתאים את עצמם טוב יותר לסביבה ולשפר את סיכוייהם לשרוד. באמצעות המוטציות האקראיות התפתחו גם מינים חדשים בתהליך הדרגתי: מיצורים חד תאיים החיים במים התפתחו יצורים רב תאיים; לאחר מכן התפתחו יצורים שעברו ליבשה; מהם התפתחו הזוחלים ובהמשך גם היונקים; משם הקופים ובסופו של דבר בני האדם. כדי להדגים את התהליך תיאר דארווין שינויים הדרגתיים שהתרחשו במבנה המקור של מיני הפרושים השונים (סוגים של ציפורי שיר) בהם נתקל במהלך ביקורו באיי הגלפגוס: הוא בחן את השינוי ההדרגתי במקור שלהם שהפך מעבה וגדול לקטן יותר ויותר.
איור: מושיק גולסט
אבל ב-50 השנים האחרונות, ובמיוחד בשני העשורים האחרונים, מאז שהריצוף הגנטי הפך לתהליך פשוט וזול המאפשר לנו לראשונה לראות ישירות את המוטציות ברמה המולקולרית, מדענים מתחילים להבין שהתהליכים שמתרחשים שונים מאוד מהדרך בה חשב עליהם דארווין.
עד כה המדענים חשבו שהמוטציות מצליחות לבנות בעצמן יכולות חדשות, אבל למעשה הן עושות ההיפך – במרבית המקרים הן הורסות את המנגנונים הגנטיים הקיימים. אז איך יתכן שהתפתחו יצורים מתקדמים יותר באמצעותן? האם התאוריה שלפיה בני האדם התפתחו מהקופים, יכולה להיות במקרה כזה עדיין תקפה?
מוטציות – בעיקר לשינויים הקטנים
קשה לחשוב על תיאוריה מדעית שהצליחה להשפיע על ההשקפה האנושית כמו שהצליחה תורתו של דארווין. מאז שפורסמה באמצע המאה ה-19, היא עיצבה את האופן בו אנחנו תופסים את עצמנו ואת היחסים שלנו עם העולם שמסביבנו.
התיאוריה של דארווין מציעה שני עקרונות מרכזיים שמנחים את ההתפתחות ההדרגתית של המינים. העיקרון הראשון הוא שמתרחשים שינויים אקראיים במידע התורשתי – אותן מוטציות שהזכרנו. העיקרון השני, טוען דארווין, הוא זה שמבטיח התפתחות חיובית של המינים – הברירה הטבעית. על פי הברירה הטבעית תכונות חדשות מועילות המשפרות את סיכויי ההישרדות של האורגניזם יתפשטו בהדרגה בדורות הבאים בקרב האוכלוסייה.
הראשון שהבין זאת היה הביולוג היפני מוטו קימורה שטען כי ייתכן שמרבית המוטציות אינן חשובותהארא
אם התכונה החדשה מועילה באמת, היא אפילו תתקבע בכלל האוכלוסייה ותחליף בסופו של דבר תכונה קודמת. לעומת זאת, תכונה חדשה מזיקה, הפוגעת בכשירותו של הפרט, תיעלם במהרה כלא הייתה.
אולם כשדארווין פרסם את התיאוריה שלו לא היה ברור היכן מתרחשים אותם שינויים אקראיים במידע התורשתי ואיך הם באים לידי ביטוי ברמה המולקולרית. רק בעקבות פענוח מבנה הדי-אן-איי, ב-1953, התברר שמדובר במוטציות גנטיות – שהן שינויים בקוד הגנטי הנגרמים לעתים קרובות כתוצאה מטעויות בהעתקת מולקולות הדי-אן-איי.
תמונה: Shutterstock
מאז פענוח הדי-אן-איי יוחס למוטציות האקראיות, וליתר דיוק – לחיוביות שבהן – תפקיד מרכזי בתור הכוח המניע בתהליך האבולוציה. באמצעותן תהליכי הברירה הטבעית עובדים, ותכונות חיוניות להישרדות מצליחות להתפשט באופן נרחב באוכלוסייה. באמצעותן מתפתחות גם משפחות מינים חדשות במידת הצורך. אבל בשנים האחרונות מחקרים הראו שבמקרים רבים השפעתן של המוטציות האקראיות אינה חיובית, אלא שלילית.
הראשון שהחל להבין שהמוטציות פחות מועילות מכפי שחושבים היה הביולוג היפני מוטו קימורה שטען כי ייתכן שמרבית המוטציות אינן חשובות כפי שאנחנו נוהגים לחשוב. ב-1968, במאמר מהפכני שלימים ייסד את “התיאוריה הנייטרלית”, טען קימורה שמרבית המוטציות הן בכלל נייטרליות – לא תורמות ולא פוגעות בכשירותו של הפרט – ולכן תהליכי הברירה הטבעית אינם חלים עליהן.
אני לא רואה כיצד תהליכים דארוויניסטיים יבנו אלמנטים גנטיים שיבדילו משפחה אחת מאחרת
פרופ’ יצחק פלפל מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן הסביר לי בעבר ש”לפני כן, הרעיון היה שמוטציות צריכות לשנות, לשפר. אם למשל אנחנו והפרות הם אורגניזמים שונים, זה נגרם מכך שהמוטציות שיש לנו בגנים אלו או אחרים הן שגרמו לנו להיות שונים מפרות ולכן הן התקבעו באוכלוסייה.
“אבל קימורה הסביר לנו שזה בדיוק ההפך. שרוב המוטציות קורות לא בגלל שהן חשובות. רוב המוטציות שיש לנו הן ניטרליות – אינן תורמות ואינן גורעות מהכשירות של האורגניזם. התיאוריה שלו הביאה לשינוי יסודי מאוד”.
ב-2002 פרופ’ ריצ’ארד קרטר מאוניברסיטת אדינבורו החליט לסקור את המוטציות שאפשרו לאנשים לפתח חסינות לטפיל המלריה (Carter, Mendis, 2002). פרופ’ קרטר גילה שבאזורים שונים הסובלים מהמחלה, כמו בחופי הים התיכון וברחבי אפריקה, התפשטו סוגים שונים של מוטציות המקנות רמה כזו או אחרת של חסינות למחלה. אבל כשבחן את הסוגים השונים של המוטציות התברר שכמעט כולן קשורות באובדן תפקוד גנים הקשורים לכשירות מסוימת של תאי הדם האדומים. חלקן קשורות למחלות כמו תלסמיה או אנמיה חרמשית (הקשורות לפגיעה בייצור תקין של המוגלובין). אחרות מזיקות פחות אך גם הן מעורבות באובדן כשירות מסוימת – הן פוגעות בתפקוד הגן עצמו או באזור המווסת את הפעלת הגן.
פרופ’ מייקל בהה (Michael Behe) מאוניברסיטת ליהי שבארה”ב, מחבר הספר “דארווין מנוון” (Darwin Devolves, 2019) הציע לכך הסבר בריאיון שערכתי איתו. “במקרים רבים הדרך המהירה ביותר והקלה ביותר להתאים לשינוי בסביבה היא לפרק משהו קיים ולהשליך אותו”. פרופ’ בהה טוען שמכיוון שקיימים כל כך הרבה דברים מועילים העלולים להינזק כתוצאה משינויים אקראיים, נראה שמוטציות אקראיות ומהירות עלולות לגרום במקרים מסוימים ליותר נזק מאשר תועלת.
הגנים נשברים והתיאוריה טובעת
בהה, פרופ’ לביוכימיה, עסק בתחילת דרכו המדעית בחקר המבנה של הדי-אן-איי. אבל ספר שנפל לידיו לקראת סוף שנות ה-80, “אבולוציה, תיאוריה במשבר” (Denton, 1985) גרם לו להתחיל לבחון אחרת את כל מה שלמד. “מייקל דנטון, גנטיקאי ורופא, העלה בספר שאלות רבות לגבי התיאוריה של דארווין שמעולם לא חשבתי עליהן וגם מעולם לא שמעתי עליהן אף על פי שכבר כיהנתי כפרופסור”, מספר פרופ’ בהה.
בספר מעלה דנטון סוגיות ותהיות רבות, בהן אחת הנוגעת לרמת המורכבות של המערכות הביולוגיות שאינה פחותה מרמת המורכבות של מערכות הנדסיות. כיצד ייתכן שתהליכים אקראיים, שעל פי רוב אינם מובילים לפתרון יעיל, יכולים להוביל לפיתוחן של מערכות מורכבות וסדורות? שאלות מורכבות יותר שמעלה דנטון נוגעות להתפתחות החיים הראשוניים, אבל אליהן עוד נחזור בהמשך.
פרופ’ מייקל בהה
“הופתעתי, והתחלתי להתעניין בנושא”, מספר פרופ’ בהה. “החלטתי לבדוק את זה בעצמי – לנסות להסביר את התפתחותן של המערכות המורכבות שאנחנו נתקלים בהן פעמים רבות בביוכימיה. נדהמתי לגלות שלמעשה אף אחד לא באמת הסביר אותן. כל ההסברים נראו מזויפים, רק פָסָאדָה שאין מאחוריה כלום. גם לא מצאתי מאמרים אקדמאים המראים בצורה מסודרת כיצד המנגנונים של דארווין מסוגלים לבנות משהו, כך שהתחלתי להתעניין בנושא הרבה יותר”.
ב-1996 פרסם פרופ’ בהה את ספרו הראשון, “הקופסה השחורה של דארווין”, ומאז היה לאחד הדוברים המובילים של תנועת “התכנון התבוני” (לא בריאתנות). התנועה דוגלת ברעיון שתכנון מכוון, ולא תהליכים אקראיים, הוא מה שהוביל להתפתחות החיים בכדור הארץ. מאז יסודה מעוררת תנועת התכנון התבוני התנגדות נחרצת בקהילה המדעית.
אף כימאי לא יודע להסביר כיצד התפתחו הדברים באמצעות התהליך הדארוויניסטי
בספר החדש שלך אתה טוען שמוטציות הן בעיקר מזיקות.
“כן, זה משהו שמתגלה רק ב-20 השנים האחרונות מאז שריצוף הדי-אן-איי הפך לתהליך אוטומטי ושגרתי והרבה יותר קל לעשות אותו”.
כלומר, משפחות חדשות לא יכולות להתפתח לדעתך באמצעות התהליכים שתיאר דארווין.
“הן לא. אני לא יכול לראות כיצד תהליכים דארוויניסטיים יבנו אלמנטים גנטיים חיוביים כלשהם שיבדילו משפחה אחת מאחרת. אני ביוכימאי כך שאני מסתכל על הרמה המולקולרית. אנחנו לא יודעים מה מבחין בין משפחה אחת לאחרת ברמה המולקולרית”.
וחוקרים אחרים מגיעים למסקנות דומות לשלך?
“הם בדרך כלל רק מדווחים על הממצאים בלי להעיר הערות לגביהם. אני די בודד כאן, אבל אני מבין אותם. צריך להיות פתוח בשביל חשיבה כזאת, אחרת אתה לא יכול לראות את זה. לפני 30 שנה גם אני חשבתי שהתיאוריה של דארווין נכונה, ואז אני זוכר שאמרתי לעצמי: ‘או קי, זה מה שהאבולוציה עשתה’. אם אתה לא חושב על זה ואתה לא חשדן לגבי זה אז אתה לא מבחין בבעיות.
“אנשים הבחינו שלאורך האבולוציה היו גנים שנשברו (גנים שיצאו מכלל תפקוד, ר”ת), ושלפעמים השבירות האלו גם מועילות, אבל אף אחד לא שאל שאלות כמו ‘האם התהליך בו מוטציות הורסות תפקודים קיימים הוא בעצם התהליך השכיח ביותר?’ או ‘אם גנים נשברים בקלות שכזאת אז כיצד בעצם מלכתחילה הצליחו להתפתח כל המנגנונים הביולוגיים המתוחכמים האלו בתהליכים עיוורים וללא הנחיה?’ – אלו תמיד היו השאלות שאף אחד לא שאל. אנשים רק התחמקו מהשאלות האלו.
“ויש גם עניין נוסף. אם אנשים לא ישתמשו בתיאוריה של דארווין הם יתחילו לחשוב על הסברים אחרים ואז מגיעים לתחום של תיאולוגיה שמאז ימיו של דארווין סיכן ביולוגים”.
אתה חושב שלמדע יש בכלל כלים לענות על שאלות כאלו?
“לגבי שאלות כמו ‘האם זה באמת אלוהים שמאחורי כל זה’, אני חושב שלמדענים יהיה קשה מאוד להיכנס לזה. אבל זה לא אומר שאנשים מתחומים אקדמיים אחרים לא יכולים. אני בטוח שפילוסופים, תיאולוגים ואנשים מתחומים רבים יכולים לתרום לדיון הזה”.
ראשית החיים
אחת הסוגיות המורכבות ביותר בכל הנוגע לתהליכי התפתחות החיים קשורה לשלבים הראשונים, לדרך שבה התפתחו כאן החיים מלכתחילה. כל עוד לא קיים ייצור חד תאי חי (או לכל הפחות מולקולת די-אן-איי) המסוגל לשכפל את עצמו ולהוליד צאצאים, מנגנוני הברירה הטבעית המבוססים על שינויים הדרגתיים קטנים מדור לדור פשוט לא יכולים לעבוד. בלי שיפורים הדרגתיים קטנים כל מה שנשאר על פי התיאוריה של דארווין הם השינויים האקראיים, העיוורים. לכן, שאלת ראשית החיים היא אחת הסוגיות הסבוכות ביותר בכל הנוגע לתורת האבולוציה של דארווין, גם היום.
לאורך השנים הועלו מגוון תיאוריות לגבי מקור החיים. מרביתן קשורות לסוג של “מרק קדמון” בו מולקולות צברו מורכבות הדרגתית עד שנוצרו החלבונים הראשונים, או לחילופין מולקולות הדי-אן-איי הראשונות. אלו בתורן כבר אולי יכלו לשכפל את עצמן, כך שמשלב זה, בתהליכי ברירה טבעית, הובילו להתפתחות התאים הראשונים. אבל גם בתיאוריות אלו קיימות עדיין סוגיות מורכבות שטרם קיבלו מענה.
צ’ארלס גרנר (Charles Garner), פרופ’ לכימיה אורגנית מאוניברסיטת מיסיסיפי שבארה”ב, הסביר לי בעבר על המורכבות הזו. “אחת הבעיות קשורה לזמינות של ‘אבני הבניין’ שמהן מרכיבים מולקולות כמו די-אן-איי או חלבונים”. בדבריו הוא התייחס לסדרת ניסויים שנערכה בעבר, בה ניסו לבחון אלו מולקולות יכולות להתפתח באופן אקראי בתנאים המדמים את הימים הקדומים של כדור הארץ. “התברר שלא הופיעו כל סוגי חומצות האמינו המוכרות כיום, וגם לא כל הסוכרים או אבני הבניין של הדי-אן-איי. יש אלמנטים רבים (חומצות אמינו וכדומה, ר”ת) שעדיין חסרים, שמעולם לא נראו”.
“בעיה אחרת היא שמרגע שיש לך את האלמנטים, איך מרכיבים אותם יחד בסדר הנכון? הם הדגימו שאפשר לעשות רמה נמוכה של הרכבה בתנאים מאוד מסוימים אבל לא יוצא שום דבר מאוד מרשים. כשמנסים לצרף את הדברים, חייבים לצרף אותם בסדר מאוד מסוים כדי שהם יהיו פעילים”.
בספר Darwin’s Doubt (2013), סטיבן מייר (Meyer), דובר מוביל נוסף של תנועת התכנון התבוני, מציין תהליך בעייתי נוסף שלמעשה הועלה כבר בתקופתו של דארווין – “הפיצוץ הקמבריוני” – המתייחס לתקופה שראשיתה לפני כ-580 מיליון שנה. עד אותם ימים, החיים על פני כדור הארץ היו פשוטים מאוד. מורכבים מתאים בודדים שהתפתחו לאט מאוד ושלכל היותר התארגנו במושבות.
אולם תוך תקופה קצרה יחסית של כ-80 מיליון שנה (מ-580 מיליון ל-500 מיליון שנה), שהתאפיינה בהתפתחות אבולוציונית מואצת, הופיעו מיני חיים מתוחכמים חדשים רבים בהם רכיכות ובעלי שריון. מייר טוען בספרו שהתפתחות הדרגתית כמו זו שמציע דארווין דורשת תהליכים ממושכים הרבה יותר מאלו המופיעים בשרידים שנשארו מאותה תקופה.
פרופ’ ג׳יימס טור (James Tour) מאוניברסיטת רייס שביוסטון, טקסס סיפר לי שהוא נוהג לשאול מדענים כיצד לדעתם התפתחו החיים, אך עדיין לא הצליח לקבל לכך תשובה מניחה את הדעת. ״אני לא אומר שאין מדענים המבינים את זה, אני טוען שאין כימאים המבינים את התהליכים האלו. אם תשאלי כימאי על המנגנון, הוא צריך להראות לך מולקולות. בתחומי מחקר אחרים מראים לך מולקולות ומבנים שבהם הדברים הופיעו. כשאני מבקש תיאור כיצד הכול התפתח באמצעות התהליך הדארוויניסטי, אף כימאי לא יודע להסביר את זה. ביולוגים רבים המסבירים את זה “טסים” בגובה של עשרה קילומטרים אבל לא יורדים לפרטים של המבנים המולקולריים – איך כל זה יכול היה לקרות”.