דוד המלך והמכונה החשובה בעולם

מה היה נעים זמירות ישראל חושב של ה-ATP סינטז, המכונה המדהימה שמספקת אנרגיה לכל אחד מתאי הגוף שלכם?

מאת: מייקל ביהי[1]

בכנס מדעי שנערך לאחרונה צפיתי בהדמיה של המכונה החשובה ביותר בעולם: ATP סינטז.

בתוככי כל אחד מתאי גופו של כל יצור בעולם – מהלווייתן הכחול ועד דודה סימה – מותקנת המכונה המולקולרית הזאת שמייצרת אנרגיה כמו סוללות AA זעירות.

את המכונה הציג בפנינו ג'ון ווקר, מדען בריטי בן 81 שחוקר את ה-ATP סינטז כבר למעלה מארבעים שנה. בשנת 1997 זכה ווקר בפרס נובל לכימיה על שימוש בטכניקות מתקדמות כדי לפענח את מבנה המולקולה.

ATP סינטז מורכב מאלפי חומצות אמינו המאורגנות בעשר סוגים של שרשראות חלבון. כל אלה יוצרים מבנה מורכב המכוון זרם של חלקיקי חומצה כך שהם ינועו דרך תעלות עמוקות המוליכות אל פנים התא. תוך כדי זרימתו מסובב זרם החומצה גל זיזים, בדומה לאופן שבו שפך המים בסכר הידרואלקטרי מסובב טורבינה. הזיזים המסתובבים לוחצים על נקודות מסוימות בחלקו הנייח של הסינטז ומעוותים את צורתם. העיוות גורם לכך ששני כימיקלים – ADP וזרחן – נדחסים ביחד ויוצרים מולקולה עשירה באנרגיה: ATP.

כאשר גל הזיזים משלים את סיבובו ה-ATP משתחרר אל תוך החלל הפנימי של התא החי, שם הוא ינדוד עד למקום שבו האנרגיה שלו נחוצה. ובינתיים מכונת ה-ATP סינטז מתחילה מיד מחזור ייצור חדש של ATP.

ה-ATP הוא ה"מטבע האנרגטי" של התא החי. בכל פעם שצריך אנרגיה בשביל להניע תהליך כלשהוא בתוך תא, ה-ATP נשלח למקום ומטפל במשימה. מיליארדי מכונות ה-ATP סינטז המצויות בגוף האדם מייצרות בכל יום בסביבות 50 ק"ג של מולקולות ATP. אלה מתפרקות תוך זמן קצר תוך כדי הנעת תהליכים מטבוליים בגוף, והרכיבים המפורקים ממוחזרים והופכים לחומרי גלם לצורך יצור יחידות ATP חדשות.

מחקריו של ווקר, תוך שימוש במיקרוסקופיה מהסוג החדיש ביותר המכונה מיקרוסקופיה "קריו-אלקטרונית" חשפו את המנגנון הזה בפירוט חסר תקדים.

וכעת לשאלת מיליון הדולר: כיצד נוצרה מכונת ה-ATP סינטז?

רוב המדענים והאינטלקטואלים מאמינים כי התשובה לכך הם מנגנוני אבולוציה כמו מוטציות אקראיות וברירה טבעית. אבל דארווין הציע את התיאוריה שלו הרבה לפני שמדענים גילו מכונות אלגנטיות כגון ATP סינטז. תאוריית האבולוציה של דארווין עשויה להסביר עובדות מסקרנות כמו למה מינים השוכנים על איים מסוימים דומים לקרובי משפחתם השוכנים ביבשה הסמוכה. אבל האם היא מסוגלת להסביר מנין הופיע ה- ATP סינטז?

ג'ון ווקר חשב שהתשובה לכך חיובית והמדענים שבאו לשמוע אותו רכנו בדריכות על מושביהם כדי לשמוע את ההסבר.

יראה ופליאה

לדוד מלך ישראל לא היה מיקרוסקופ. אבל הוא היה מסוגל לראות ובתהילים קי"ט  הוא מביע את התפעלותו ממראה עיניו: "אוֹדְךָ עַל כִּי נוֹרָאוֹת נִפְלֵיתִי, נִפְלָאִים מַעֲשֶׂיךָ וְנַפְשִׁי יֹדַעַת מְאֹד".

דוד חש יראה והתפעלות מנפלאות גופו: עיניו הבוחנות את סביבתו, אוזניו המסוגלות לשמוע את קולות החי, לשונו המדברת עם אחרים, ידיו האוחזות בחרב, זרועותיו הלופתות מחרשה, אצבעותיו המנגנות על מיתרי הנבל. מעל לכל התפעל מנפשו המסוגלת להבין, להתבונן, לתכנן. שום יצור חי אחר לא מסוגל היה לחבר שירי הלל לבוראו כפי שעשה דוד.

העברים הקדמונים לא התעסקו הרבה במדע. אין בכך פלא. לאורך רוב ההיסטוריה האנושית בני אדם היו עסוקים בהישרדות מכדי שיהיה להם פנאי להקדיש לכל נושא אחר. אבל די היה בניסיונו האישי כדי ללמד את דוד שגופו מלא פלאות:  עיניים, שרירים, ועוד הרבה יותר.

איך כל אלה פועלים? ממה בדיוק הם עשויים? מה מתרחש בתוכם? כיצד מתפתח אפרוח בתוך ביצה, ואיך הופך בלוט לאלון?

התשובות המדעיות לשאלות הללו הצטברו באיטיות מייגעת.

600 שנה אחרי דוד המלך, היפוקראטס, המכונה "אבי הרפואה", הניח את היסודות הראשונים למדע כאשר עודד את תלמידיו למיין מחלות שונות ולעקוב אחר התפתחותן במקום לייחס אותן לתעלולי הפנתיאון היווני.  אחריו בא אריסטו, "אבי הביולוגיה", שהציג את הרעיון המהפכני של התבוננות: אם רצונך להבין כיצד פועל הטבע, קום מהכורסא, לך להסתכל, רשום את מה שראית.

אך כדי להבין את הטבע לא די בהתבוננות שטחית. צריך גם לדעת מה קורה בתוך הגוף.

הרופא הרומאי גלינוס עשה צעדים ראשונים בחשיפת המורכבות הפנימית של גוף האדם כאשר תיאר בפרוטרוט את מבנה העין. אבל גם גלינוס עשה טעויות. בעיניו החשופות הוא לא היה מסוגל לזהות את נימיות הדם הזערוריות ועל כן פספס עובדה יסודית כמו גילוי מחזור הדם. הוא סבר שהדם זורם מהלב באופן חד כיווני ופשוט נספג אל תוך איברי הגוף.

גלינוס זכה במשך דורות להערצה מופלגת כגדול הרופאים אך הדבר לא מנע מוויליאם הרווי האנגלי לגלות שבכל הנוגע לדם גלינוס טעה. באמצעות מערכת הספרות הערבית שזה עתה נכנסה לשימוש באירופה ביצע הרווי כמה חישובים פשוטים שהוכיחו כי הלב האנושי, המבצע כ-72 פעימות בדקה, אמור לפיכך להזרים כ-300 ליטרים של דם בשעה – פי כמה ממשקלו של אדם ממוצע! לא יתכן שהגוף מייצר כמות דם כה גדולה – מכאן המסקנה שגלינוס טעה. הדם אינו נספג באיברים אלא איכשהו עושה את דרכו חזרה ללב היכן שהוא ממוחזר שוב ושוב.

חשיבה מתמטית מהסוג שהרווי הכניס לתחום הרפואה החישה את נפילתו של גלינוס, ועדיין נזקקו החוקרים לעוד משהו בשביל להתקדם. הם נזקקו לראיה טובה יותר.

עדשות זכוכית היו מוכרות מימי קדם אבל רק במאה ה-17 הן לוטשו ברמה מספקת כדי להרכיב מהן מיקרוסקופ שימושי. באמצעות המכשיר החדש גילה מרסלו מלפיגי האיטלקי את מה שחישוביו של הרווי כבר הוכיחו: הוא הבחין בתנועתם של גופיפי דם אדומים שנעו בנימיות המחברות בין ורידים לעורקים – הוכחה חזותית לקיומו של מחזור הדם.

המיקרוסקופ שינה לחלוטין את תפיסת העולם של האדם. תופעות מוכרות נחזו לפתע ברזולוציה חסרת תקדים. הסדר המדויק בבריאה נחשף ברמת דיוק מעוררת התפעמות שאיש לא ראה קודם לכן. התגלו גם סוגים חדשים לגמרי של יצורים בלתי מוכרים – חיידקים – בהם הבחין לראשונה ההולנדי אנטוני ואן ליוונהוק.

אבל הממסד הרפואי חשש מהתהפוכות שגילויי המיקרוסקופ יביא בכנפיו ועל כן מאס במכשיר. במשך 150 שנה הוא כמעט נשכח לגמרי. רק במאה ה-18, בעקבות המהפכה התעשייתית שהביאה לעליה כללית ברמת החיים ובזמן הפנאי, הבשילו התנאים להתעניינות מורחבת בשאלות החיים. המיקרוסקופיה התעוררה מחדש וחקר הביולוגיה לעולם לא יהיה אותו דבר.

שאלות היסוד לא השתנו מזמנו של דוד המלך, אבל כעת ניתן היה להציע להן אבחנות חדות ומפורטות יותר. מיקרוסקופים המשיכו להשתפר ובמקביל חלה התקדמות בענפי מדע אחרים.

ב-1828 הכימאי הגרמני פרידריך וולר חימם אמוניום ציאניד במבחנה ונדהם לגלות שהוא ייצר בכך שתנן (אוריאה). זו הייתה תגלית מפליאה שכן אמוניום ציאניד הוא כימיקל לא-אורגני ושתנן הוא תוצר פסולת ביולוגי. מחקרו של וולר היה הראשון לנפץ את החלוקה בין העולם הלא אורגני לעולם האורגני. הוא הוכיח שהחיים מורכבים מחומר דומם. אם החיים עשויים מכימיקלים אזי גם הכימאים מסוגלים לחקור אותו. כך נולד תחום הביוכימיה.

עד מהרה התברר כי התא מורכב ממערכות משוכללות מאוד – אנזימים, חלבונים, חומצות גרעיניות, פחמימנים, ליפידים, ויטמינים ועוד – ולכולם תפקיד קריטי במערך הכולל של פעולת התא. כעת היה צורך במכשירי הדמיה משוכללים יותר ואכן אלה לא איחרו לבוא. בסוף המאה ה-19 התגלה האלקטרון. כעבור כמה עשרות שנים הומצא מיקרוסקופ האלקטרונים והשימוש בו פרח לאחר מלחמת העולם השנייה.

האלקטרון מיקרוסקופ חשף פרטים רבים של התא שהיו עד אז נסתרים מן העין. גרעין התא, שהצטייר כגוש שחור סתמי התקוע באמצע התא, התברר כמערכת מיון בעלת פתחים משוכללים (בהמשך יתברר כי אלה הם שערים שרק חומרים בעלי ה"כרטיס" המולקולרי הנכון יכולים לעבור בעדם).

יחלפו עוד חמישים שנה, עד תחילת שנות האלפיים, לפני שפיתוח הקריו-אלקטרו מיקרוסקופ – שילוב של מכשור אופטי משוכלל ויכולות מחשוב מאסיביות – יאפשר תיעוד מדוקדק של כמה מכונות מולקולריות ובהן ה-ATP סינטז.

המשחק נגמר

בשלב זה סבלנותם של המדענים שנאספו בפני ד"ר ד'ון ווקר החלה לאזול. האיש הקדיש כמעט שעה לתיאור הפלא הביולוגי של ה-ATP סינטז. אלגנטי ומורכב, מהונדס להפליא, מוכפל במיליארדי עותקים שהחיים עצמם תלויים בהם.

לבסוף, בשלב השאלות והתשובות, אחד המשתתפים הציב בפני ווקר את השאלה הישירה: איך תהליך דרווניסטי עיוור מסוגל לייצר מלאכת מחשבת מופלאה כזאת?

הנה התשובה המלאה שסיפק ווקר: "[זה קרה] לאט, באמצעות שלב ביניים כזה או אחר".

לשמע הדברים מלמלתי לעצמי: "המשחק נגמר".

אם חתן פרס נובל שהקדיש את מרבית שנותיו המקצועיות להכרה מעמיקה של אחת ממערכות היסוד של החיים אינו מסוגל להסביר כיצד היא התהוותה בסדרה של מוטציות ממוזלות – למרות שהוא בקיא בפרטי הפרטים של פעולת המערכת! – אזי סביר להניח שהסבר כזה אינו קיים והניסיון למצוא אותו משול לציד הסנייפ[2].

אבל אם לא דרווין – אז מה כן?

בין שהדבר מתאים לרגישויות הפילוסופיות שלנו ובין שלא, דוד המלך נתן את התשובה הבסיסית לפני 3,000 שנה: ה-  ATPסינטז נוצר בכוונת מכוון. הם תוכנן בידי ישות תבונית.

איך יכול היה רועה-לשעבר נטול כל הכשרה ביולוגית מקצועית להגיע למסקנה הזאת בלי מיקרוסקופ אלקטרונים וכל יתר המכשירים המודרניים? פשוט, משום שזיהוי פעולתה של התבונה אינו כרוך בחשיפת פרטים חבויים שטרם התגלו לעין. הוא מצריך רק את הכרת היחסים בין החלקים שכבר רואים בעליל.

תכנון (design) משמעו "סידור תכליתי של חלקים". כדי לזהות תבונה בפעולה די שנראה חלקים המאורגנים לתכלית גדולה מהם. במקרה של ATP סינטז, השילוב של חלקים נפרדים הפועלים בצוותא לביצוע תכלית הגדולה מכל חלק בודד ברורה לעין, הודות למחקרים פורצי הדרך של ג'ון ווקר ואחרים. אבל אפילו בעין בלתי מזוינות ובלי להכיר את ה-ATP סינטז, דוד המלך יכול היה לראות את אותו סידור תכליתי במבנה אצבעותיו, בעצמותיו, ובשריריו.

בשביל לזהות תכנון לא צריך להכיר את חומרי הגלם מהם האובייקט עשוי. היוונים הקדמונים יכלו לזהות שפסל מגולף להפליא הוא אובייקט מתוכנן למרות שלא הכירו את ההרכב הכימי של השיש. ילד מסוגל לזהות בנקל שמכשיר טלפון הוא אובייקט מתוכנן למרות שהוא יצטרך ללמוד שנים בשביל להבין את העקרונות המפעילים אותו.

הדבר נכון גם לגבי החיים. החלקים הגלוים לעין שכה הרשימו את דויד המלך מסודרים באופן תכליתי, וכך גם החלקים הנסתרים והמקרוסקופיים המסתתרים מאחוריהם שנחשפו רק באלפי שנות עמל מדעי. הודות לקדמה המהממת של המדע אנחנו כיום יודעים על מורכבות גוף האדם הרבה יותר מכפי שידעו אבותינו. אך הידע הנוסף הזה לא רק שאין הוא מערער את רושם התכנון, כי אם מגביר אותו אלפי מונים.

לו היה דוד המלך נמצא איתנו שם בכנס המדעי הוא מן הסתם היה טופח על כתפו של ג'ון ווקר, מחייך, ואומר לו רק שתי מילים.

"נוֹרָאוֹת נִפְלֵיתִי".

 

הערות:

[1] מייקל ביהי הוא פרופסור לביולוגיה באוניברסיטת להיי ועמית בכיר במרכז למדע ותרבות של מכון דיסקברי.

נערך ע"י הרב אליעזר אייזיקוביץ', ע"פ מאמרו של ביהי כאן.

[2] ביטוי אמריקני שמשמעו ניסיון לצוד חיה דמיונית שאינה קיימת.