Colorful Post

בעודי עובד על פוסטים חדשים ומתמרן בין צבא, קריאת ספרים, משפחה ושלל דברים אחרים שמעסיקים אותי בימיי ה-'חופשיים' בבית, החלטתי לפרסם פוסט קליל שנועד לשתף אתכם בתמונות שיש לי במחשב. הן מעוררות בי לעיתים השראה, התפעלות או סתם נחת כשאני מניח את העיניים עליהן מידי פעם. מוזמנים לשמור ולהנות. (חלק מהתמונות יהיו בלינקים.)

נ.ב: לא שכחתי מהפורומים, אני עוד אחזור.

http://alyn.deviantart.com/art/Evolution-36462345

http://priteeboy.deviantart.com/art/Supernova-120391605

http://somnicelestia.deviantart.com/art/Galaton-2-98678885

http://versiani.deviantart.com/art/Astronomy-Domine-16422834

 

סיכום מאמר – ראשית התודעה

(מעובד ממאמר מאת Scientific American Israel דצ' 09 – ינ' 010 כרך 8 גיליון 2)

מושגי מפתח:

• צ'ארלס דרווין טען שיש רצף בין תודעת האדם לזו של בעלי החיים האחרים, השקפה שבה תמכו המלומדים שבאו אחריו.
• אך ראיות מצטברות מלמדות שלמעשה יש פער מנטאלי גדול בינינו ובין שאר היצורים. המחבר זיהה לאחרונה ארבעה היבטים ייחודיים של ההכרה האנושית
• מוצאן של התכונות המנטאליות הייחודיות האלה והאבולוציה שלהן עדיין עלומים, אך הרמזים צצים לאטם.

__________________________________________________________________________________

הקדמה

צ'ארלס דרווין אמר בזמנו שההבדל בין התודעה האנושית לבין שכלם של היצורים האחרים הוא הבדל של "דרגה, ולא של סוג." דעה זו נתמכת במחקרים גנטיים שמצאו בשנים האחרונות כי אנו חולקים כ-98% מהגנים שלנו עם השימפנזים. אם כך, מדוע שימפנזה אינו כותב המאמר הזה, או שר את שירי האבנים המתגלגלות? הראיות המצטברות מעידות שלא כתיאוריה של דרווין על המשכיות התודעה מן האדם למינים אחרים, יש פער עצום בין האינטלקט שלנו לזה של בעלי החיים. אמנם, כמה מאבני הבניין של ההכרה האנושית נמצאו גם במינים אחרים, אך אין הן אלא קצהו של המבנה האדיר המהווה את התודעה האנושית.

__________________________________________________________________________________

מרכיבי מפתח של התודעה האנושית

ארבע תכונות מבדילות בין התודעה האנושית לשכלם של בעלי החיים.

1. חישוביות מחוללת, המאפשרת לבני האדם ליצור מגוון אינסופי של מילים, מושגים ועוד. מאפיין זה כולל שני סוגי פעולה: פעולה מעגלית ופעולה מצרפת. מעגליות היא שימוש חוזר בכלל מסוים כדי ליצור ביטויים חדשים, המצטרפת היא ערבוב של יסודות בדידים כדי לחולל רעיונות חדשים.
2. שידוך רעיונות, המאפשר לקשר תחומים שונים של ידע וכך ליצור חוקים, יחסים חברתיים וטכנולוגיות.
3. סמלים מחשבתיים, המקודדים התנסויות חושיות ממשיות ודמיונות והיוצרים את הבסיס למערכת תקשורת עשירה ומורכבת. את הסמלים אדם יכול לשמור לעצמו או לחלוק עם אחרים.
4. חשיבה מופשטת, המאפשרת ליהנות בדברים שמעבר למה שאנו רואים, שומעים, ממששים, טועמים או מריחים.

__________________________________________________________________________________

חכמים מאין כמונו

אף על פי שאנו חולקים את רוב הגנים שלנו עם השימפנזים, נראה כי שינויים גנטיים קטנים שחלו בשושלת האדם מאז התפצלה משושלת השימפנזים חוללו הבדלים עצומים ביכולת החשיבה. המאפיינים המובהקים שהובאו מקודם יוצרים את מה שנקרא 'ייחודיות אנושית'.

אף שהאנתרופולוגים חלוקים בדעותיהם על המועד המדויק שבו התעצבה התודעה האנושית המודרנית, ממצאים ארכיאולוגים מעירים בבירור שבתוך תקופה אבולוציונית קצרה התחולל שינוי ניכר, שראשיתו לפני כ-800,000 שנה. בתקופה זו אנו רואים עצמות מנוקבות לשימוש ככלים מוסיקליים, קבורת אדם לצד אביזרים המצביעה על אמונות הקשורות באסתטיקה ובעולם הבא, ציורי מערות ועוד. שרידים אלו הם תזכורות מפוארות לאופן שבו התמודדו אבותינו עם בעיות סביבתיות חדשות ולכך שהם נאבקו להביע את עצמם בדרכים חדשות ויצירתיות בכדי לבטא את זהויותיהם התרבותיות. מה שניתן לומר בביטחון מלא הוא שכל בני האדם נולדים עם ארבעת מרכיבי הייחודיות האנושית, אבל צירוף המרכיבים האלה לכדי מתכון ליצירת תרבות משתנה מאוד מקבוצה לקבוצה. יש הבדלים של שפה, אמות מוסר ועוד. שימפנזים ובעלי חיים עדיין מעניינים ורלוונטיים להבנת מקור התודעה האנושית. למעשה, רק אם יפענחו אילו יכולות אנו חולקים עם בעלי חיים אחרים ואילו הן שלנו בלבד, יוכלו המדענים לקוות לצרף את פיסות המידע לסיפור התוותה של הייחודיות האנושית.

__________________________________________________________________________________

נפלאות התבונה

כששאלתי את בתי הקטנה מנין באות מחשבותינו, היא הצביע על ראש. שאלתי אותה האם לבעלי חיים יש מוח, והיא אמרה כן. כששאלתי אותה על הנמלה, היא אמרה לא.אנו, המבוגרים, יודעים שהגודל אינו יכול לשמש מדד לקיומו של מוח. מחקרים הראו כי רוב הסוגים השונים של תאי המוח מופיעים בכל מיני חולייתנים, כולל בני האדם. מחקרים נוספים על כמה בעלי חיים גילו כי יש להם הבנה אינטואיטיבית של חוקים פיזיקליים המאפשרת להם לעשות הכללות מעבר להתנסותם הישירה כדי ליצור פתרונות חדשים כשהם נחשפים לאתגרים לא מוכרים. בעלי חיים מראים גם התנהגויות חברתיות דומות להתנהגויות של בני אדם. שימפנזים, למשל, מוחים על חלוקת מזון לא הוגנת והם נכונים בהחלט להגיב למצבים חברתיים חדשים. תצפיות כאלו מעוררות השתאות נוכח יופיים של פתרונות המו"פ של הטבע. אך הפער עוד עצום, וכדי להמחיש את ממדיו של הפער והקושי אתאר את הייחודיות ביתר פירוט.

__________________________________________________________________________________

תהום רבה

בני האדם משתמשים בפעולות מעגליות בכל היבט של חיי הרוח, משפה מוזיקה ומתמטיקה ועד הפקת מגוון בלתי מוגבל של תנועות ברגלינו ובידינו. התהום המנטאלית מתרחבת כשאנו משווים את שפות האדם לתקשורת במינים אחרים. כמו בעלי חיים אחרים, לבני האדם יש מערכת תקשורת לא מילולית המעבירה את רגשותינו ואת הגורמים המניעים אותנו – הצחקוקים והבכי של תינוקות קטנים הם חלק ממערכתזו. אך רק לבני האדם יש מערכת תקשורת לשונית המבוססת על שימוש בסמלים מחשבתיים ועיבודם. אנו מסווגים כל סמל לקטגוריה מסוימת ומופשטת כגון שם עצם, פועל או שם תואר. טענה זו מצריכה הבהרה, מכיוון שהיא מעוררת ספקנות רבה. אפשר לחשוב שאוצר המילים של בעלי חיים נראה קטן כי החוקרים הלומדים את התקשורת שלהם אינם מבינים על מה הם מדברים, אני סבור שאין די בזה להסביר את הפער הגדול. חילופי הצלילים בין בעלי החיים מסתכמים בדרך כלל בנהמה או בהמיה, ייתכן שנהמה באורך של 500 מילישניות תכיל מידע רב, אך מדוע אפוא פיתחנו אפוא מערכת כה מורכבת ועתירת מילים אם יכולנו לפתור הכול בנהמה או שתיים? יתרה מכך, אם נסכים על כך שריקוד  הדבורה מייצג בסמלים את אבקת הפרחים השימושים האלה בסמלים נבדלים מאלה שלנו בחמישה אופנים:

1. מה שמעורר אותם הוא מיד עצמים או אירועים ממשיים ולא דמיוניים, הם מוגבלים להווה.
2. הצירופים מוגבלים למחרוזות של שניים, בלי כללים, והם מקובעים להקשרים מסוימים.
3. שפת האדם מיוחדת ושונה לגמרי ממערכות התקשורת של בעלי חיים אחרים גם בהתאמה לשני אופני פעולה, שמיעתי וחזותי, במידה שווה. ציפור שיר שתאבד את קולה או דבורה שתאבד את כושר הריקוד שלה לא יוכלו להמשיך ולתקשר. אך לאדם חירש, שפת הסימנים היא אמצעי תקשורת יעיל ובעל מורכבות מבנית ממש כמו שימוש בקול.
4. הידע הלשוני שלנו, עם החישובים שהוא מחייב, פועל גם עם תחומי ידע אחרים בדרכים מרתקות המשקפות להפליא את יכולתנו האנושית הייחודית ליצור חיבורים פרועים בין מערכות הבנה.
5. יש לפחות שתי יכולות לא לשוניות לספור, האחת מדויקת ומוגבלת למספרים קטנים מארבע. האחרת אינה מוגבלת בטווח, אך מקורבת למוגבלת ליחסי מספרים מסוימים – בעל חיים שיכול להבחין בין אחת לשתיים, למשל, יכול להבחין גם בין שתיים לארבע וכן הלאה. המערכת הראשונה מעוגנת באזור מוח העוסק במעקב אחר פרטים והשנייה באזור מוח המחשבים.

__________________________________________________________________________________

מחשבות זרות

לאחר שהתפתחה אצל קדמונינו התודעה המודרנית, היא אפשרה להם לצאת ולתור אזורי ארץ חדשים. שורשי היכולות השכליות שלנו עלומים בעיקרם, אך לאחר שזיהו מדענים את המרכיבים הייחודיים של התודעה האנושית, הם יודעים כעת מה לחפש. בחיפוש הזה, אני מקווה שהנוירוביולוגיה תאיר את עינינו, אף כי המדענים אינם מבינים כיצד גנים בונים מוחות וכיצד פעילות חשמלית במוח בונה מחשבות ורגשות, אנו עדים למהפכה במדעי המוח שתשלים את החסר ותעזור לנו להבין מדוע מוח האדם שונה באופן כה מהותי ממוחותיהם של היצורים האחרים. עדיין אין לנו ברירה אלא להודות שתודעתנו שונה מאוד, אפילו מזו של קרובנו הפרימטים קרובים ביותר, ושאיננו יודעים הרבה על האופן שבו נוצר השוני הזה. האם שימפנזים יכולים לתכנן ניסוי כדי לחקור בני האדם? האם הם יכולים לדמיין כיצד זה יהיה בשבילנו לפתור אחת מבעיותיהם? לא, אף כי שימפנזים יכולים לראות מה אנו עושים, אין הם יכולים לדמיין מה אנו חושבים או מרגישים כי חסר להם המנגנון המנטאלי ההכרחי לכך. האם הגיעה תודעתו הייחודית לשיאה? בכל צורה של ביטוי אנושי, ובכלל זה לשונות של העולם, אני חושד שלעולם לא נוכל למצות את מרחב כל האפשרויות. יש מגבלות רציניות ליכולתנו לדמיין חלופות. אם יש מגבלות מהותיות למה ששכלנו מסוגל לקלוט, הרי שהמושג לחשוב מחוץ לקופסה הוא שגוי מעיקרו, אנחנו תמיד בתוך הקופסה – מוגבלים ביכולתנו לחזות חלופות. כפי שהשימפנזים אינם מסוגלים לדמיין איך זה להיות אנושי, כך אני לא יכולים לדמיין כיצד זה להיות חוצן אינטליגנטי. כל ניסיון ייתקל בקירות הקופסה אותה אנו מכנים תודעה.

__________________________________________________________________________________

סיכומו של דבר

באמצעות אבולוציה, שינוי מבני מהפכני בגנום שלנו והפוטנציאל שלו לעצב חיבורים חדשים בין תאי עצב וליצור מבנים עצביים חדשים, אנו עשויים להוליד תודעה חדשה, שתסתכל על אבותיה הקדמונים כפי שאנו מסתכלים על שלנו: בכבוד, בסקרנות ובתחושה שאנחנו כאן לבד – יצורים מופתיים בעולם של פשוטי שכל.

דעה אישית:

מאמר פוקח עיניים שחושף אותנו לנפלאות החשיבה והתבונה שלנו עצמנו. כמו כן, הוא גם חושף אותנו לערפול שבסוגיה המורכבת הזו הנקראת תודעה. באותו הקשר – מומלץ לקרוא את הספר "נפלאות החשיבה האנושית" של סטיבן פינקר, שכן הדוגמאות שהובאו במאמר זה הן על קצה המזלג. המאמר מראה את מרכיבי התודעה האנושית ודן בהם, ובכך מנסה ליצור קווי מתאר אשר יתחמו בצורה ברורה את ההבדלים בינינו לבין בעלי החיים בכל הקשור לתודעה. התקשורת, ללא ספק, האבן היקרה ביותר עליה מושתת כל הסיפור שלנו, ולה תפקיד עצום בכל הקשור למימוש הפוטנציאל של התודעה והאינטלקט האנושי. היא התוצר המרשים ביותר של האנושות אולי.

 

סיכום מאמר – ראשית החיים עלי אדמות

(מעובד ממאמר מאת Scientific American Israel דצ' 09 – ינ' 010 כרך 8 גיליון 2)

מאמר נפלא זה מהווה גם כן המשך ישיר לפוסט שלי על האביוגנזה. תכליתו המרכזית של המאמר היא הדיון והצגת המחקר בסוגיית המעבר בין החומר הדומם לחומר החיי, ובמישורים שנכללים בסוגיה: הכימיה הקדם-ביוטית, המולקולות המשכפלות, המבנים התאיים הראשוניים ותכונות החיים שלהם ועוד. המאמר הבא יעסוק בראשית התודעה.

מושגי מפתח:

• מדענים מצאו דרך שבה המולקולה הגנטית רנ"א הייתה יכולה להיווצר מהחומר הדומם שבכדור-הארץ הקדום.
• מחקרים אחרים מאששים את ההשערה שהתאים הפרימיטיביים שהכילו מולקולות דמויות רנ"א יכלו להתארגן באופן ספונטני, להתרבות, להתפתח וליצור את החיים.
• מדענים חותרים כיום ליצירת האורגניזם המלאכותי הראשון שיוכל לשכפל עצמו במעבדה. למעשה, הם מנסים ליצור חיים מחדש, בכדי להבין כיצר נוצרו מלכתחילה.

__________________________________________________________________________________

הקדמה

בכל תא חי רוחשות המוני מכונות מולקולאריות שיעוררו את קנאתם של אנשי הננו-טכנולוגיה.  מדביקות ומעתיקות מולקולות הקשורות בתורשה, מסיעות חומרי מזון, מעבירות מסרים מכאניים, כימיים וחשמליים והרשימה ארוכה. קשה לדמיין כיצד יכלו להיווצר באופן ספונטני, מחומר דומם על כדור הארץ הקדום לפני כ-3.7 מיליארד שנה. ב-1950, קבוצת ניסויים חלוציים הראו כי חומצות אמינו, אבני הבניין לחלבונים, נוצרות בקלות בתנאים מסוימים מחומרים מורכבים פחות. הדרך מפה לחלבונים עוד ארוכה, אך זוהי התחלה. התהליך היווצרות החלבונים משתתפים אנזימים – שהם חלבונים בעצמם. הדבר נראה פרדוקסאלי  – יש צורך בחלבונים כדי ליצור חלבונים? אם כך כיצד נוצרו החלבונים הראשונים? מצד אחד, הפרדוקס היה נעלם אם לאורגניזמים הראשונים לא היה צורך בחלבונים כלל. מניסויים שנערכו לאחרונה נמצא כי מולקולות רנ"א יכולות להיווצר באופן ספונטני, וייתכן כי רחשו את היכולת להעתיק את עצמן ולהתרבות ללא חלבונים.  ייתכן כי צורות החיים הראשונות היו בועיות מוקפות קרום שומני, שהכילו בתוכן מים בהם הומסו מולקולות גנטיות שהתרבו בעצמן. מוטציות אקראיות אפשרו להן 'להסתגל' לסביבתם, להתחרות, ואט אט להפוך לצורות החיים המוכרות לנו כיום. ייתכן כי לעולם לא נבין בדיוק את הנסיבות המדויקות בהם נוצרו, אך האתגר הסופי – יצירת אורגניזם מלאכותי – אם יצליח, הדבר יספר לנו הבנה ענקית לגבי כיצד יכלו החיים להיווצר, מה הסבירות לקיומם בעולמות אחרים ובעיקר – מה הם חיים.

__________________________________________________________________________________

צריך להתחיל במקום כלשהו

הידעת? במאי 2009 נפתרה השאלה שהטרידה מדענים בתחום הכימיה הקדם-ביוטית זה זמן רב, כשהוכיחו כי נוקליאוטידים יכולים להיווצר כתוצאה מתגובות כימיות ספונטניות באוניברסיטת מנצ'סטר, על ידי ג'ון סתרלנד ואנשי צוותו.

כיצד נוצר החומר הגנטי ממולקולות פשוטות יותר? אנו מסיקים כי הרנ"א קדם ל-DNA, כיום תא בן ימינו מעתיק את המידע הטמון בדנ"א ל-RNA ואז משתמש ב-RNA כתבנית ליצירת החלבון.  הייתכן שהשלב האחרון היה קיים בעבר לבדו? אחר כך אולי הופיע הדנ"א כדרך אחסון קבועה יותר בזכות יציבותו הכימית. רנ"א יכול לתפקד גם כן כאנזים, אז הוא נקרא ריבוזים. ריבוזים הם למעשה הוכחה 'מאובנת' לעולם הרנ"א הקדום, שכן הריבוזום הוא הכלאה בין רנ"א לחלבון, והרנ"א מחזיק בתפקיד הזרז בריבוזום. לכן הושקעו מאמצים בניסיון להבין את ראשית הרנ"א.  החומר הגנטי מורכב מאבני הבניין בשם נוקליאוטידים. הם מכילים שלושה מרכיבים שונים – סוכר, פוספאט ובסיס חנקני.  הם מהווים למעשה את הא-ב הגנטי.

1. בסיסי החנקן יכולים להיווצר באופן ספונטני, בסדרת שלבים, מציאניד אצטילן ומים.  כל אלו מולקולות פשוטות שהיו מצויות, ללא ספק, בתערובת הכימיקלים הקדומה בכדור הארץ.
2. גם סוכרים נוצרים בקלות מחומרי מוצא פשוטים. חימום תמיסה בסיסית של פורמלדהיד, שכנראה היה בכדור הארץ הצעיר, יוצר תערובת של סוגי סוכר רבים. הבעיה היא להשיג את הסוכר ה-'נכון' ליצירת הנוקלואטיד, במקרה של הדנ"א, ריבוז. הריבוז לא יציב, אם כך כיצד נהיה נפוץ בכדור הארץ על מנת לבנות את הנוקליאוטידים כשהוא מתפרק גם בתמיסה בעלת בסיסיות נמוכה?  ובכן, חוקרים מצאו דרכים שבהם הוא יכול להיות מיוצב וכך להיות נפוץ.
3. תעלומה נוספת היא רכיב הפוספאט. זרחן, היסוד המרכזי בפוספאט, נפוץ בקליפת כדור הארץ, אך לרוב מופיע במינרלים שאינם מתמוססים במים, כך שלא ברור איך הגיע הפוספאט לתערובת החומרים שקדמה לחיים. אפשרות שהועלתה היא המינרל שרייברסיט, הנפוץ במטאורים ואשר משחרר רכיבים זרחניים כאשר מתפרק במים. בנוסף, הזרחן אשר הוא משחרר מסיס הרבה יותר טוב במים מפוספאט ומגיב יותר טוב עם תרכובות אורגניות (המכילות פחמן).

__________________________________________________________________________________

צריך להרכיב

נניח שכבר יש לנו את קווי המתאר לקבלת בסיסים חנקניים, סוכר ופוספאט. הצעד הבא – לחבר ביניהם. אך זה בדיוק השלב הבעייתי. ערבוב חומרי המוצא במים אינו מוביל להיווצרותם הספונטנית של נוקליאוטידים. יש לספק אנרגיה כדי לקשור את המולקולות, על ידי הוספה, למשל, של תרכובת עתירת אנרגיה. באביב 2009 נתגלתה דרך עקיפה ליצירת נוקליאוטידים. הגישה נסמכת על החומרים ההתחלתיים הפשוטים שתיארנו קודם לכן, כמו נגזרות של ציאניד, אצטילן ופורמלדהיד.  במקום ליצור בסיס חנקני וריבוז בנפרד ולנסות לחבר ביניהם, ערבבו הצוות את חומרי המוצא כולם עם פוספאט, מערכת תגובות סמוכה שבה פוספאט מככב כזרז בכמה שלבים הביאו ליצירת מולקולה קטנה אותה אפשר לראות כחלק ממולקולת הסוכר המחובר לבסיס החנקני.  אחד ממאפייניה של המולקולה הקטנה והיציבה הזאת היא שהיא נדיפה. משמע היא יכלה להצטבר במקום אחר בדרגת ניקיון גבוה יותר, כשהיא הולכת עם המים המתאדים. שם היא נצברת במעין מאגר שבו יכולות להתרחש תגובות כימיות נוספות שיצרו את הסוכר השלם המחובר לבסיס החנקני. התהליך אלגנטי, אך אין הוא מייצר רק את הנוקליאוטידים הנכונים. למרבה הפליאה, חשיפת התערובת לקרינת UV הורסת רק את הנוקליאוטידים השגויים ומשאירה רק את הנכונים. התוצאה הסופית היא נתיב חלק ליצירת נוקליאוטידים מסוג C ו-U. נוצר כעת רק למצוא את הנתיב למציאת A ו-G, כך שיש עוד אתגרים, אך יש גם בסיס לא רע בכלל להסברת ההיווצרות של מולקולה סבוכה כמו רנ"א בכדור הארץ הקדום בצורה ספונטנית.

כעת השלב האחרון בהיווצרות מולקולת ה-RNA הוא פילמור: רכיב הסוכר מנוקליאוטיד אחד יוצר קשר כימי עם הפוספאט של משנהו, ואנו מקבלים שרשרת נוקלטואידים.  קשרים אלו דורשים אנרגיה להיווצרותם, מדענים שהוסיפו כימיקלים שונים לתמיסה המכילה גרסאות פעילות יותר של נוקליאוטידים הצליחו ליצור שרשראות רנ"א קצרות. בסוף שנות ה-90 הראו כי מינרלים המצויים בחרסית משפרים את התהליך. יכולתם הטבעית של המינרלים האלה לחבר בין נוקליאוטידים מקרבת בין מולקולות פעילות ומקלה על היווצרות הקשרים. הדבר מחזק כי ראשית החיים הייתה על משטחים מינרליים. התחלנו עם טריליוני רצפי רנ"א אקראיים, ברחנו באלה שהיה ביכולתם לשמש כזרז ושכפלנו אותם.  בכל מחזור בחלקם היו מוטציות שונות ששיפרו את יעילותם. שוב, בודדנו את המשופרים והשתמשנו בהם. בעזרת אבולוציה מונחית שכזאת הצלחנו ליצור ריבוזימים המסוגלים לזרז את העתקתם של גדילי רנ"א אחרים. לאחרונה, זכה עקרון השכפול העצמי של ה-RBA לאישוש נוסף. טרייסי לינקולן לג'רלד ג'ויס פיתחו שני ריבוזימים של רנ"א שיכלו לשכפל זהה את משנהו על ידי חיבור שני גדילי רנ"א קצרים יותר.  אמנם פיסות ה-RNA הארוכות הוכנו מלאכותית ולא ספונטנית, אך עדיין מתוצאות הניסוי עולה כי רנ"א הוא זרז המסוגל לזרז את שכפולו.  כיום חוקרים את הדרכים הכימיות לשכפול ללא סיוע זרז.

__________________________________________________________________________________

עניין של גבול

נניח כי הצלחנו להשלים את הפערים בהבנת הכימיה של ראשית החיים (קפצנו לעתיד), נוכל להתחיל לתהות כיצד הגיבו המולקולות זו עם זו ליצירת מבנה דמוי תא. הממברנה העוטפת כל תא עשויה משכפה שומנית כפולה. היא דואגת לתא כמחסום ושומרת שכל חלקי התא יישארו זה לצד זה. חלבונים מתוחכמים על פניה משמשים כמשאבות ואחרים מסייעים בבנייה ותיקון הממברנה. כיצד תא קדמוני חסר מכונות חלבונים שכאלו יכול היה לבצע מטלות שכאלה? ממברנות פרימיטיביות היו עשויות מחומצות שומן, מולקולות פשוטות יותר. בשנות ה-70 המאוחרות הראו כי ממברנות של חומצות שומן אכן מסוגלות להתארגן באופן עצמאי. אך נראה כי הן מהוות מחסום בלתי חדיר לנוקליאוטידים וחומרי מזון. אולם, נוקליאוטידים יכולים להחליק בקלות דרך הממברנה, כל עוד הממברנה והנוקליאוטידים פרימיטיביים ופשוטים מאשר אלו שבתא המודרני. הממצאים אפשרו להכין מודל ליכולת תא האב להעתיק מידע גנטי בעזרת חומרי המזון מסביבו, הכנת בועיות העשויות ממברנת חומצת שומן וכליאת פיסת רנ"א קצרה בתוכן. הבועיות נחשפות נוקליאוטידים פעילים מבחינה כימית החוצים את הממברנה באופן ספונטני, וברגע שהגיעו לפנים תא המודל מסתדרים על גדיל הדנ"א ומגיבים ליצירת הגדיל השלם. הניסוי אישש את ההשערות שאף כי תאי האב הראשונים הכילו רק רנ"א או משהו דומה, היה ביכולתם לשכפל את המידע הגנטי שלהם ללא אנזימים.

__________________________________________________________________________________

ויבדל אלוהים בין תא לתא

תאי מודל, שהכינו רנ"א או חומר דומה, התנפחו בשל האפקט האוסמוטי של מים שניסו להיכנס לתא כדי להשוות את הריכוזים בתוך התא ומחוצה לו. הדבר הפעיל מתח על הממברנות של הווסיקולות (בועיות) שהתנפחו, ומתח זה הניע את צמיחתן. זאת משום שהוספת מולקולות מרפה את המתח שהממברנה חשה ומפחיתה את האנרגיה במערכת. וסיקולות נפוחות גדלו למעשה על ידי גנבה של חומצות שומן משכנותיהן, שהתכווצו. השנה חקר סטודנט מחקר במעבדתנו את צמיחתם של תאי מודל לאחר שסיפק להם חומצות שומן חדשות, ולתדהמתנו, הווסיקולות, שהיו כדוריות בתחילה, לא גדלו באופן אחיד אלא שלחו תחילה חוט דקיק שבמשך חצי השעה הבאה התארך והתעבה, כך שלבסוף הפכה הווסיקולה לצינורית ארוכה ודרכה. המבנה היה בלתי יציב, וערבוב עדין גרם לווסיקולה להתחלק לכמה תאי אב קטנים שחזרו על התהליך. מכאן שאם קיימות אבני הבניין המתאימות, היוצרות תא אב אינה מסובכת כל כך:

1. הממברנה מתארגנת מעצמה.
2. הפולימרים הגנטיים מסתדרים מעצמם ואפשר לחבר בין שני המרכיבים האלה במגוון דרכים, כמו לדוגמא, אם הממברנות נוצרות מסביב לפולימרים קיימים.
3. שקיות המים עם הרנ"א הנוצרות יגדלו אף הן ויספחו מולקולות חדשות לתוכן, יתחרו על חומרי מזון ויתחלקו.
4. אמנם, כדי לחיות באמת עליהן להתרבות ולהתפתח. כדי לעשות זאת, עליהן להפריד בין שני גדילי הרנ"א, כך שכלל גדיל יחיד יוכל לשמש כתבנית לגדיל כפול חדש שיועבר הלאה.
5. התהליך הזה לא התחיל מעצמו אך הוא יכול להתחיל עם קצת עזרה – פעילות געשית על כדור הארץ הקר. סביר להניח כי הפרש הטמפרטורות גרם לזרמים במים, כך שתאי האב שבמים נחשפו מידי פעם לפרץ חום בהתקרבם לסלע חם, אך התקררו שוב כמעט מיד כשהמים התערבבו עם שאר מי השלולית הקרבה. פרץ החום יכול היה לגרום לדו-גדיל להיפרד לשני גדילים, ואז ליצור גדילים כפולים חדשים כשהתא חוזר לאזור הקר.
6. חלק מרצפי הרנ"א החלו לעבור מוטציות ולהפוך לריבוזימים שכבר היו מסוגלים להעתיק רנ"א ללא כל עזרה מבחוץ.

סוף דבר

קל לדמיין כיצד המשיך להתפתח מכאן ריבוזימים חדשים שאפשרו לתא לייצר חומרי מזון בתוך התא מחומרי מזון פשוטים יותר ולאט לאט ליצור מטבוליזם, ואולי לאחר מכן הוסיפו האורגניזמים ייצור חלבונים לרשימת התעלולים הכימיים. ייתכן כי החלבונים, ברבגוניותם המופלאה, השתלטו אז על תפקידו של הרנ"א וסייעו לשכפול המידע הגנטי ולמטבוליזם, ואולי לאחר מכן למדו האורגניזמים לייצר דנ"א,  נשא המידע הגנטי העמיד יותר. ברגע זה הפך העולם מעולם של רנ"א לעולם של דנ"א, והחיים כפי שאנו מכירים אותם החלו.

דעה אישית:

אחד מהמאמרים, אם לא הכי טוב, שיצא לי לקרוא על בריאה ספונטנית, אביוגנזה. אני מסכים שיש בו חלקים מעט יותר מסובכים להבנה (ככל הנראה אלו אשר נוגעים לכימיה) ואכן עדיין ישנם חלקים נרחבים הלוקים בערפול, ולמרות ההסברים לא נראים כה אלגנטיים ומובנים. אני בטוח שגם המדענים חושבים כך, ולא סתם הם משקיעים את מיטב כוח האדם והמשאבים בכדי להפיג את הערפל ולחשוף עוד חלקים מהפאזל, שכפי שאתם כבר רואים נחשף בצורה משמעותית ומרתקת. המאמר מביא השערות מודרניות ומציג את העבודה העכשווית של המדענים בתחום שעוסקים בו בלי הפסקה בכדי להשלים אינספור חורים ולמצוא את הנתיב האלגנטי שמראה כיצד החומר הדומם שעל כדור הארץ הקדום יכול היה באופן ספונטני להתארגן לכדי יצירת מבנים דמויי-תאים, המהווים את הקדם-חיים. מהם התחילו החיים לפרוח, לאט לאט, בתהליך שאין יתואר כמה הוא מורכב, אך הקסם והיופי הבלתי נתפס בו – כה מורכב, כה מסובך ומחוכם, ועם זאת – ספונטני וטבעי.

 

סיכום מאמר – בראשית היקום

(מעובד ממאמר מאת Scientific American Israel ' ראשית היקום' דצ' 09 – ינ' 010 כרך 8 גיליון 2)

מושגי מפתח:

• תחילת היקום לפני 13.7 מיליארד שנה, מאז התפשט והתקרר, התפתח ממרק חלקיקים יסודיים נטול צורה ליקום המורכב העכשווי.
• מיליונית השנייה הראשונה הייתה שיצקה את צורת היקום, נטמנו זרעי הגלקסיות ומבנים אחרי, נוצר חומר אפל וחומר , לא אנטי-חומר, נעשה שליט.
• עתיד היקום נתון בידי האנרגיה האפלה, צורה בלתי ידועה של אנרגיה שגרמה להתפשטות היקום להתחיל להאיץ לפני כמה מיליארדי שנים.

__________________________________________________________________________________

הקדמה

היקום שלנו היה נתון מחוץ להישג היד של המכשירים וההבנה שלנו רוב ההיסטוריה.  את ההתפתחויות הניעו במידה שווה רעיונות כבירים – מתורת היחסות ועד תיאוריות החלקיקים היסודיים המודרניות – ומכשירים רבי עוצמה: מטלסקופים מחזירי אור שלקחו אותנו אל מחוץ לשביל החלב, ועד האבל שהחזיר אותנו לימים שבהם נולדו הגלקסיות. ה-20 שנה האחרונות הואץ קצב ההתקדמות עם ההבנה שהחומר האפל אינו מורכב מאטומים רגילים, עם הבנת האנרגיה האפלה ועם הנצתם של רעיונות כמו התפיחה הקוסמית ויקומים מרובים.

היקום הנצפה כיום מכיל 100 מיליארד גלקסיות אשר כל אחת מכילה כ-100 מיליארד כוכבים. הגלקסיות שומרות על לכידותן בעזרת כוח החומר האפל. היקום מתפשט בקצב גובר בשל האנרגיה האפלה. הנושא המרכזי ביקום הוא ההתפתחות שלו מאז למאפייניו כיום. הקוסמולוגים, במסעם חזר  לבראשית היקום, עוברים עד למיליונית השנייה הראשונה, ואף מלפניה. לגבי תקופה זו יש בינתיים רק השערות.

__________________________________________________________________________________

יקום מתפשט

מבוא: התפשטות המרחב היא המניעה את התפתחות היקום, כשהמרחב נמתח כמו יריעת גומי של בלון מתנפח, הגלקסיות מתרחקות זו מזו וגלי האור מתארכים (ולכן נעשים אדומים יותר).

אדווין האבל הראה ב-1924 שהגלקסיות מתרחקות זו מזו בתבנית סדירה שאפשר לתארה באמצעות קשר מתמטי המוכר היום בשל "חוק האבל". עפ"י חוק זה, ככה שהגלקסיה רחוקה יותר, כי היא מתרחקת מהר יותר. הרצת החוק אחורה בזמן מורה על מפץ גדול שאירע לפני 13.7 מיליארד שנה. לחוק האבל נמצא פירוש נוח באמצעות תורת היחסות הכללית: המרחב עצמו מתפשט, והגלקסיות פשוט נישאות המרחב. גם האור נמתח – תהליך שמקטין את האנרגיה שלו – ולכן ככל שהיקום מתפשט הוא מתקרר. ההתפשטות מספקת את הסיפור המסביר כיצד נוצר היקום של היום.  הדמיות מחשב מראות שהכוכבים והגלקסיות נוצרו כשהיקום היה בן כ-100 מיליון שנה. לפני כן היה היקום בתקופה הקרויה "העידן האפל" שבו היה כמעט חשוך לגמרי. המרחב – דייסה חד גונית של חמישה חלקים של חומר אפל, שהלכה והידלדלה כשהיקום התפשט.

__________________________________________________________________________________

זוהר קלוש של התחלה חמה

מעבר לעידן האפל, מצוי הזוהר של המפץ הגדול החם. היום אנו רואים קיר של גלי מיקרו – קרינת הרקע הקוסמית שהתגלתה ב-1964. הקרינה מאפשרת הצצה ליקום בגיל 380 אלף שנה, בעידן שבו נוצרו אטומים, לפני כן היקום היה מרק אחיד של גרעיני אטומים, אלקטרונים ופוטונים. כשהמרק התקרר נקשרו האלקטרונים זה לזה ויצרו אטומים. ב-1992 גילו הפרשים קלים בעוצמת הרקע, המשקפים גבשושיו ת קלה בפיזור החומר. היה די בגבשושיות אלו ליצור את זרעי הגלקסיות והמבנים הגדולים יותר שיתהוו מאוחר יותר.

________________________    לפני המפץ הגדול ___________________________

הקוסמולוגים אינם יודעים עדיין כיצד החל היקום, אך ישנם מספר תרחישים תיאורטיים.

א.      לא היה עידן קודם – החומר והאנרגיה, המרחב והזמן החלו פתאום להתקיים במפץ.[

ב.      התהוות קוונטית – המרחב והזמן הרגילים התפתחו מתוך מצב בראשיי שאפשר לתארו באמצעות תיאוריה קוונטית של הכבידה.

ג.        רב-יקום – היקום שלנו ויקומים אחרים נבטו מתוך מרחב אינסופי.

ד.      יקום מחזורי – המפץ הגדול הוא השלב האחרון במחזוריות נצחית של התפשטות, קריסה והתפשטות מחדש.

מושג: עידן פלנק: 10 חזקת -43, פרק הזמן הראשון שיש לו משמעות – בו הזמן והמרחב מתעצבים.

קרינת הרקע הקוסמית מכילה את התכונות הבסיסיות של היקום, כגון צפיפותו הכללית והרכבו, ורומזת על רגעיו הראשונים. כשאנו מקרינים לאחור, אנו רואים את הפלזמה הבראשיתית נעשית חמה וצפופה יותר. כשהיקום היה בן 100,000 הקרינה הייתה צפופה מהחומר, והדבר  מנע ממנו להתקבץ. זה מסמל את ההתארגנות הכבידתית של כל המבנים שאנו רואים כיום. לשכיחות הדאוטריום, נתון בעל רגישות גבוהה מאוד לצפיפות האטומים ביקום, יש תפקיד מיוחד – הערך הנמדד שלה מורה על כך שהחומר הרגיל מהווה 4.5 אחוז מכלל צפיפות האנרגיה ביקום, השאר חומר אפל ואנרגיה אפלה. ההערכה מתאימה להרכב שחושב מקרינת הרקע הקוסמית, והיא ניצחון גדול לא רק למודל התפתחות היקום, אלא לפיזיקה המודרנית בכלל.

__________________________________________________________________________________

תשובות במרק הקוורקים

מוקדם יותר ממיקרו שנייה, אפילו פרוטונים ונויטרונים לא יכלו להתקיים, היקום היה מורכב ממרק יחידות בסיסיות: קוורקים, לפטונים ונשאי כוח – פוטונים , בוזונים וגלואונים. מרק הקוורקים אכן התקיים מפני שניסויים במאיצי חלקיקים יצרו תנאים דומים כאן על כדור הארץ.

שאלות מפתח: טבעו של החומר האפל, האי-סימטריה בין חומר לאנטי-חומר ומקורו של מרק הקוורקים עצמו. כעת נראה ששלב מרק הקוורקים היה ערש הולדתו של החומר האפל. זהות החומר האפל עלומה, אך קיומו מבוסס. הגלקסיה שלנו וכל גלקסיה אחרת מחזיקה בכוח הכבידה של החומר האפל. אחד המועמדים לחלקיק שאולי מרכיב את החומר האפל הוא הנויטרינו, הקל ביותר במשפחה משוערת חדשה של חלקיקים. מסתו פי 100-1000 ממסת פרוטון. ב-LHC מנסים לחפש אחר החלקיק הזה או תוצרי לוואי הנוצרים בתגובה אליו. עוד מועמד האקסיון. פיזיקאים  סבורים שהיקום הכיל במקור כמויות שוות של חומר ואנטי-חומר, אבל ברגע מסוים נוצר עודף קל של חומר, הפרת האיזון הזו הבטיחה שישערו מספיק קוורקים לאחר שהאיון שהתרחש כשהקוורקים פגשו אנטי-קוורקים.

__________________________________________________________________________________

לידתו של היקום

כשקוסמולוגים מנסים ללכת עוד אחורה ולהבין את ראשית היקום עצמו, הרעיונות נעשים פחות מוצקים. תורת היחסות הכללית של איינשטיין סיפקה לנו בסיס תיאורטי במשך מאה שנה של התקדמות בהבנת התפתחות היקום, אבל היא אינה עולה בקנה מידה עם עמוד התווך השני של הפיזיקה בת ימינו: תורת הקוונטים. בעזרת תיאוריה מאוחדת נוכל לגשת לטפל ברגעיו הראשוניים של היקום, כשהיקום היה בן פחות מ-10 חזקת -43 שניות, והמרחב-זמן קיבל צורה. ניסיונות זמניים לאיחוד התורות הביאו להשערות מרתקות על אודות הראשית עצמה של קיומנו. תורת המיתרים, למשל, חוזה את קיומם של ממדים נוספים בחלל ואת האפשרות שיקומים אחרים מרחפים בחלל הזה. האירוע שאנו מכנים המפץ הגדול היה אולי התנגשות של היקום שלנו באחר. רעיון הרב יקום עוד בחיתוליו. הוא מספק תשובות חדשות לשתיים מן השאלות הגדולות במדע: מה אירע לפני המפץ הגדול ומדוע חוקי הפיזיקה נראים כפי שהם, או כפי שנוסח "האם לאלוהים הייתה ברירה בבחירת החוקים." מפי איינשטיין. הרב-יקום מבטל את השאלה על מה שאירע לפני המפץ מפני שהיו אין סוף התחלות במפצים גדולים. בדומה, גם תהייתו של איינשטיין נדחקת הצדה – באינסוף יקומים, כל נוסו כל האפשרויות של חוקי הפיזיקה, ולכן אין סיבה מיוחדת לחוקים השולטים על היקום שלנו. לקוסמולוגים רגשות מעורבים לגבי הרב-יקום. אם אין שום דרך לתקשר עם התת-יקומים, הם מחוץ לתחומי המדע.

__________________________________________________________________________________

מאורעות עתידיים שניתן לחזות

א.      ההאצה מסתיימת והיקום ממשיך להתפשט לנצח (100 טריליון שנה, נכבים הכוכבים האחרונים)

ב.      ההאצה נמשכת, בעוד 30 מיליארד שנה ההאצה הקוסמית דוחפת את הגלקסיות האחרות אל מחוץ לשדה הראייה שלנו – אובדות העדויות למפץ.

ג.        ההאצה גוברת, הקריעה הגדולה – האנרגיה האפלה פורמת את כל המבנים מצבירי על ועד אטומים, בעוד 50 מיליארד שנה.

ד.      ההאצה משנה את כיוונה להאטה מהירה ולקריסה – הקריסה הגדולה, לאחריה מתרחש אולי שוב מפץ גדול במחזוריות אינסופית, בעוד 30 מיליארד שנה.

______________________________________________________________________________

סיכומו של דבר

אירועים שכוונו בידי החוקים של הפיזיקה אפשרו לחומר להתגבר על האנטי-חומר, יצרו את הגבשושיות שזרעו את הגלקסיות, מילאו את המרחב בחלקיקי חומר אפל המספק תשתית כבידתית ווידאו שהחומר האפל יבנה את הגלקסיות לפני שהאנרגיה האפלה תשפיע במידה ניכרת והתפשטות היקום תחל להאיץ. הרעיון שאנו יכולים להבין משהו כה גדול הוא רעיון מגוחך ויהיר. במאה השנים האחרונות התקדמנו בהבנתנו של היקום כפי שהוא ואת מקורות, אני סמוך ובטוח בהתקדמות נוספת בשנים הבאות ונחוש בדעתי שאנו חיים בתור הזהב של הקוסמולוגיה.

חוות דעת אישית

נהניתי מהמאמר, כמו תמיד מאמרי של SA כתובים נפלא. המאמר חידש לי אך לא רבות, אם כי הרשים בכך שהיה מקיף מאוד ומפורט על הדברים שכבר היו יחסית ידועים. נדמה כי הדרך עוד ארוכה עד למאמר אשר יתמקד בדברים היותר רגישים, כגון התיאוריות של מה היה לפני תחילת היקום (אשר אמנם התמקדו קצת ברב-יקום במאמר, אך ה-'קצת' הוא בלשון המעטה) ומה באשר להבנה של החומר האפל והחלקיקים שלו. ה-LHC, ככל הנראה נצטרך לחכות לתוצאות שתנפיק לנו. הדבר יקח זמן, אך נקווה שנופתע והדבר יקדים ויאיר את פנינו לתגלית מהפכנית שנקרא עליה בשקיקה במאמר חדש. השתדלתי לסכם את תמצית הדברים העיקריים והרלוונטים ביותר בעיניי, אני ממליץ בחום לב על מנוי ל-Scientific American Israel.

המאמר הבא – תחילת החיים. בתקווה שבמאמר הזה אוכל למצוא חומר על אביוגנזה, הבטחתי פוסט מורחב יותר, אשתדל לעמוד בהבטחה בין כו וכו.