פרויקט "NOT BY CHANCE" - הפרכה מדעית של תאוריית האבולוציה: סוף פרק 2, המידע והחיים

לראשונה, תורגם לעברית ספרו של ד"ר לי ספטנר, "NOT BY CHANCE", שיצא לאור באנגלית ב- 1997. הספר מפריך מדעית את תאוריית האבולוציה של דרווין. המחבר הינו ד"ר לפיזיקה, בוגר M.I.T . הספר מתמקד בחוסר ההיתכנות המתמטית ההסתברותית של תיאוריית דרווין. ובכך שהתברר שהאורגניזם רק איבד מידע והפך לפחות מורכב. לפניכם כל הספר לקריאה, באדיבות המחבר והמתרגם.

ככל שאנו לומדים יותר על תפקיד  הגן ברמה המולקולרית, הגדרתו הולכת ונהיית סבוכה יותר. אפשר להגדיר גן בצורה מדוייקת ופשוטה כאזור פונקציונלי של מולקולת ה-DNA, אך לא יהיה בכך כדי לתרום לנו מבחינה אינפורמטיבית [Griffiths et al. 1986]. להגדרה אינפורמטיבית יותר, נגדיר את הגן ככל הרצפים ב-DNA הנדרשים ליצירת חלבון או מולקולת RNA Darnell et al. 1986]]. הגנים מחולקים לשני קבוצות כלליות:

1.      גנים מבניים, מקודדים בתוכם חלבון המגלם תפקיד כקטליזטור או במבנה התא. חלק מהגנים מקודדים בתוכם RNA, אשר גם הוא משחק תפקיד במבנה התא או כקטליזטור.

2.      גנים רגולטוריים (בקרה) גנים אלו שולטים על פעולות התא ואף על האופן שהפעולות מבוצעות. אחת מתפקידיהם העיקריים הוא להכתיב איזה חלבונים וכמות החלבונים שעל התא לייצר. לעיתים קרובות הם מבצעים זאת על-ידי קידוד של חלבון המכבה או מדליק גנים ספציפיים.

המידע ב-DNA נשען במידה רבה על תוכניות המקודדות בתוכה ליצירת חלבונים. המידע ב-DNA מכתיב את סדר חומצות האמינו בכל חלבון. המידע בגן נקרא ונרשם על מולקולת RNA ספציפי הנקרא RNA שליח ((messenger או mRNA^[1]. התכתובת מתבצעת בתיווך אנזים מיוחד הנקרא ^[2]RNA polymerase. התא שולח את ה-mRNA למקום ייצור החלבונים. החלבונים מיוצרים על-ידי גופים בתא הנקראים ריבוזומים (Ribosomes)^[3]. ניתן לדמיין לעצמנו את ה-mRNA כדיסק עליו מקליט התא מידע מהגן, ושולח אותו לריבוזום לבניית חלבונים.

התא שולט על תהליך בניית החלבונים באמצעות פעילותו במהלך העתקת ה-RNA. התא מפעיל פיקוח צמוד על הגנים, כדי שייצור החלבונים יתבצע אך ורק כשהתא נדרש להם.

ב-DNA גם מקודד ה-RNA שהתא מייצר. מכיוון שהחלבונים, ובמידה פחותה יותר ה-RNA שולטים בפעילות התא, החלבונים שהתא מייצר יקבעו במידה רבה את טבעו של התא. כיוון שמולקולות ה-DNA מצפינים בתוכם חלבונים ו-RNA , המידע שהם מכילים, קובע את טבעם של התאים. כתוצאה מכך, המידע ב-DNA קובע את הרקמות,האיברים ובסופו של דבר גם את צורת האורגניזם עצמו^[4].

כדי שהאורגניזם יתפקד היטב, נדרש לייצר את החלבונים הנכונים בעיתוי הנכון. לכן לכל תא יש מנגנון בקרה המכתיבה לכל אחד מהגנים מתי להידלק ומתי לכבות את עצמם. הגן נחשב לדלוק אם הוא פעיל ומכוון את ייצור החלבונים שלו. הוא נחשב למכובה כשהוא אינו פעיל.

כיצד שולט התא בגנים שלו ? הוא מכבה ומדליק אותם באמצעות ווסתי בקרה מיוחדים. הווסתים הם בדרך כלל חלבונים הנקראים חלבונים רגולטוריים^[5].

מוקדם יותר בפרק, סיפרתי לכם שהעובר מתפתח מביצה מופרית, וכי התפתחות זו מוכתבת על-פי תוכנית, בדומה לתוכנית מחשב. הגן מייצר חלבונים הקובעים מצב התא. פעילותו של הגן תלוי במצבו הנוכחי של התא ושל ההתאים הסובבים אותו. התאים שמסביב לתא מכריזים על מצבם על ידי שליחת הודעות מיוחדות בצורת מולקולות חלבונים. ההודעות, בין אם מקורם מתאים אחרים, או מתוך התא עצמו, מכתיבים לגן מתי להידלק ומתי לכבות את עצמו. התאים מתפתחים על-ידי קריאת ההודעות הנכנסות ויצירת הודעות יוצאות על-פי התוכנית הגנטי שבהם. ההתפתחות הכוללת של העובר מתואמת באמצעות הודעות שכל תא מקבל מתאים אחרים ומבחוץ, ודרך ההודעות שהוא שולח החוצה לתאים אחרים^[6].

קיימים סוגים רבים של מולקולות המשפיעות על ההפעלת הגנים. הקבוצה הגדולה ביותר הידועה לנו הם ההורמונים. כל הורמון מיוצר בתא מיוחד, המהווה חלק מבלוטה ייחודית. הבלוטות המייצרים את ההורמונים מרכיבים את מה שנקרא המערכת האנדוקרונית. בבעלי חיים הבלוטות משחררות את ההורמונים לתוך מערכת הדם, המעביר אותם לייעדם בכל מקום שנדרש בגוף. להורמונים תפקיד, לא רק כבקרי הגנים, הם גם יכולים להשפיע על פעילות האנזימים, ועל מבנה התא [Darnell et al. 1986]. הם מגלמים תפקיד חשוב בהתפתחותו ובתפקודו הרגיל של הגוף.

התא מתחלק ומייצר שני תאים כמעט זהים, בתהליך הנקרא מיתוסיס. בדיוק לפני שהתא מתחלק, הוא משכפל את הכרומזומים שלו ויוצר סט כפול של כרומזומים. בעת החלוקה הוא מחלק סט אחד של הכרומזומים לכל אחד מתאי הבת. בכל פעם שהתא מתחלק כל אחד מתאי הבת מקבלת סט של כרומזומים הזהה לזו שבתא האם.

חלק מהתאים בעובר לא נועדו להיות חלק מגוף האורגניזם הבוגר. במקום זאת האורגניזם מניח אותם בצד והם הופכים לתאי המין, מהם יווצר הדור הבא. ההורה הזכר מייצר תאי מין זכריים וההורה הנקבה מייצרת תאי מין מסוג נקבה. הגמטים הם תאי הבת הנוצרים מתאי המין כשהם מתחלקים, בתהליך הנקרא מיוזיס. במיוזיס התא מתחלק פעמיים, אך הכרומזומים משוכפלים רק בחלוקה הראשונה. במהלך החלוקה השניה, נציגי זוגות הכרומזום מתחלקים ככל שאנו מבינים באופן אקראי. נציג אחד מכל זוג הולך לכל אחת מתאי הבת.

כתוצאה מכך, כל גאמט מקבל נציג אחד מכל זוג בכרומזום. לכן לתא הגאמט יש חצי מכמות הכרומזומים שיש בתא רגיל. הגאמטים נוצרים על-ידי ההורים. הכרומזומים בגאמטים הם בעצם בחירה אקראית של תאי המין המקוריים. גאמטים מסוג זכר ונקבה מתאחדים בהפריה ליצירת זיגוט.

כשהכרומזומים משוכפלים, הם אינם עושים זאת בצורה מושלמת. אחת לשיכפול 10,000 זוגות בסיס, מתרחשת שגיאה [Darnell et al. 1986]. שגיאה זו מקבילה לשגיאה אחת לכל חמשה עמודים מודפסים. רמת דיוק זו, אולי טובה לצרכים משרדיים, אך דיוק זה אינו טוב דיו לרישום גנטי. העתקת המידע הגנטי חייב להתבצע ברמת דיוק הרבה יותר גבוהה, כדי שלא ילכו ויצטברו שגיאות במהלך הדורות.

כדי להפחית את כמות השגיאות, התא מבצע הגהה של ה-DNA ומתקן את השגיאות שהתרחשו בעת השיכפול. אולם גם אחרי ההגהה עדיין נשארים שגיאות, הידועים כשגיאות העתקה או החלפה בנוקלאוטיד בודד. שגיאות אלו הינן מוטציות המשתייכות לקבוצה הנקראת מוטציות נקודתיות^[7]. כמות שגיאות זו, נמוכה מספיק כדי שהמין יוכל לסבול אותם. לאחר ההגהה, כמות השגיאות יורדת לאחד בכל מיליארד ועד לאחד למאה מיליארד. שגיאה אחת למאה מיליארד מקבילה לשגיאה אחת בחמישים מליון דפים מודפסים. חמישים מיליון דפים מודפסים הינה תוצרת חיים של בערך מאה מדפיסים מקצועיים, לזה קוראים הגהה !! התא או האורגניזם יכולים לאפשר זאת טעות קטנה^[8].

בנוסף למוטציות הנקודתיות, יש שינויים גנטיים היכולים להשפיע על יותר מגן אחד. לדוגמא, קיים שינוי גנטי הידוע כשחלוף ((Recombination, בשינוי גנטי זה שני כרומזומים או חלקי כרומזומים מחליפים ביניהם חלקים. ההחלפה יכולה להתרחש כמתואר בתרשים 2.1 . חלק א'

שחלוף אינו תהליך פשוט. אנו עדיין לא מבינים כיצד שבירת הכרומזומים והחלפת הקטעים ביניהם נעשה באופן כה מדויק. אולם אנו יודעים שהוא נשלט על ידי אנזימים מיוחדים השוברים את הכרומזומים, מחליפים בין המקטעים, ומחברים מחדש את הקצוות החופשיים.

כיצד יכול להתבצע ביקוע וניתוק של סליל כפול בשני נקודות מתואמות, ולאחר מכן החלפת המקטעים וחיבור מחדש של הקצוות, כלל אינו ברור...באופן כללי שחלוף ((Recombination איננו...רצף פשוט של התרחשויות [Darnel et al. 1986 p. 556].

לא זו בלבד שהתהליך נמצא תחת בקרה של אנזימים, גם נדרשים מבנים מיוחדים בתא כדי שהתהליך יוכל להתרחש [Darnell et al. 1986, Stahl 1987].

יש גם סוגים אחרים של מוטציות, כדלהלן:

·         הכפלה של מקטע בגנום.

·         היפוך של מקטע.

·         מחיקה של מקטע.

·         הוספה של מקטע חדש.

·         העברה של מקטע ממקום אחד למקום אחר.

היפוך יכול להתרחש באמצעות שחלוף בתוך כרומזום יחיד, כפי שניתן לראות בתרשים 2.2. בחלק א' של תרשים 2.2 מוצג גנום כקו עליו מסומן הקטע מ-A עד B. במקטע זה יתבצע ההיפוך. בחלק ב' של התרשים נוצר סיבוב חד של 180 מעלות. כעת מקטע AB נשבר בנקודה A ובנקודה B כמתואר בחלק ג' של התרשים. עכשיו הקטע השבור מתהפך ומתחבר מחדש לקצוות השבורות של הגנום העיקרי, כמתואר בחלק ד'. כאשר הגנום יתישר כמתואר בחלק ה' נוכל לראות שהתבצע היפוך של המקטע AB.

הכפלה של גן יכולה להתרחש באמצעות שחלוף, כאשר נקודת החציה אינה נמצאת במקום זהה בשני הכרומזומים בזוג, כמתואר בתרשים 2.3. בהתחלה לכל כרומזום יש עותק אחד של הגן. כעת הכרומזום העליון נשבר בנקודה B, והכרומזום התחתון נשבר בנקודה G. לאחר ה שחלוף, לכרומזום החדש ABGH אין את הגן (המסומן ככתם שחור אובלי) לעומת זאת, בכרומזום AFGBCD הגן מופיע פעמיים.

המקטע שבין מקומם של שני השבירות, יוכפל בכרומזום אחד ויחסר בכרומזום השני.

מומחי הגנטיקה מצאו שהיפוך, השמטה, הוספה ו שחלוף, אינם סתם ארועים מקריים. קטעים מיוחדים של ה-DNA הקופצים מסביב, בתוך הכרומזום גורמים לשינויים הגנטיים הללו. נמצא כי חתיכות קצרות של DNA, הנקראים טרנספוזונים (Transposons) קופצים ממקום למקום בכרומזום. הם נמצאו גם מפעילים חתיכות אחרות קצרות יותר, וגורמים גם להם לקפוץ. חתיכה של DNA שהופעל על-ידי טרנספוזון נקרא  רצף הוספה (IS) Insertion Sequence. הוא נקרא כך, מכיוון שאפשר להוסיף אותו לגן. הוא נלקח ממקום אחד בגנום ומוכנס מחדש במקום אחר. ניתן גם למחוק IS לאחר שהתוסף. ניתן גם לשכפל ממנו עותקים רבים, ניתן אפילו להפוך אותו כדי לייצור היפוך. בנוסף ליכולתם של טרנספוזונים ו-IS לקפוץ ממקום למקום בכרומזום עצמו, הם יכולים גם לקפוץ מכרומזום אחד לשני [Darnell et al. 1986, Federoff 1984]. ניתן אפילו להעביר IS המגיע מ-Plasmid (מבנה קטן בתא המכיל DNA אך אינו כרומזום), לתוך הכרומזום. שחלוף בין שני IS זהים, יכול למחוק, להכפיל או להפוך אותו [Stryer 1988]. באופן זה IS יכול להיות אחראי לפעולות של מחיקה, הכפלה והיפוך.

בתוך טרנספוזון נמצאים מקטעים של DNA שמקודדים שניים מהאנזימים הנדרשים לו כדי לבצע את פעילותו. התא עצמו מספק את האנזימים האחרים הנדרשים. תנועת האלמנטים הגנטיים הללו, העומדים בפני ביצוע של המוטציות השונות שהזכרנו, נמצא שהוא תהליך מורכב, וכנראה שטרם גילינו את כל המורכבויות שבה. אך מכיוון שאיש אינו יודע מדוע הם מתרחשים, הרבה מומחי גנטיקה מניחים שהם מתרחשים רק באופן אקראי. לי קשה להאמין שתהליך כה מדוייק ומבוקר, כמו שחלוף של אלמנטים גנטיים קוראים רק במקרה. יש מדענים המגדירים מכניזם כאקראי, לפני שאנו לומדים מהו באמת עושה. אם מוטציות נקודתיות הם המקור לשונות באבולוציה, נוכל לומר שהשונות הינה אקראית. אך אם המקור לשונות הוא התהליך המורכב של שחלוף, אזי אין הצדקה לומר שהאבולוציה מבוסס על ארועים אקראיים. אנו נחזור לנושא זה בפרק 5 ושוב בפרק 7.

לאחר שגן עובר מוטציה, התא שומר ודואג על הגן החדש כמו על כל גן אחר. הוא מעתיק את השינוי בכל הפעמים הבאים שהתא מתחלק באותה נאמנות כפי שהוא עושה ביתר הכרומזום.

מוטציה בגן יכול לשנות את ההשפעה שיש לגן על האורגניזם. שגיאה בבסיס אחד של קודון^[9] יכול לשנות את חומצת האמינו המקודדת בתוכו. במקרה זה חומצת האמינו תשתנה, אלא אם כן הקודון הישן והחדש, במקרה מקודדים בתוכם את אותו חומצת אמינו. לעיתים קרובות, שינוי של חומצת אמינו בחלבון משנה את תכונות החלבון^[10]. ישנם חומצות אמינו, שהשינוי בהם, יגרמו רק לשינויים קלים בביצועי החלבון. אך באחרים הוא יכול לחולל שינוי מהותי.

ידועים כמה דוגמאות בהם, להחלפה בודדת בנוקלאוטיד השפעה חזקה על בני אדם. אחד מהם הוא החלפת T ב-A, בגן המקודד את אחד השרשראות בחלבון ההמוגלובין אנושי. שינוי זה מתרחש בקודון, עבור חומצת האמינו הששי, הידוע כשרשרת ביטא של החלבון. המוטציה משנה חומצת גלוטמה לוואלין, התוצאה הינה מחלה רצינית הידועה כ- sickle cell anemia [Luzzatto and Goodfellow 1989].

דוגמא נוספת הוא שינוי מ-C ל-,A בגן המקודד פיגמנט הנקרא רודופסין, ברתינה של העין. כתוצאה משינוי זה, חומצת האמינו ה-23 של חלבון הרודופסין, משתנה מפרולין להיסטיידין. התוצאה היא מחלת עיניים, המובילה לעיוורון [Dryja et al. 1990 Applebury 1990].

שינוי נוקלאוטיד בודד בגן רגולטורי, יכול לייצור שינוי במנגנון הבקרה. מוטציה בגן בקרה מתורגם לשינוי בחלבון בקרה המקודד בתוכו. השינוי יכול לבוא לידי ביטוי בעוצמה שבו החלבון נקשר לגן הנשלט על ידו. RNA polymerase וחלבון משבית הם דוגמאות לחלבוני בקרה. לעיתים שינוי בחומצת אמינו אחת הורס לחלוטין את יכולת החלבון לתפקד.

לעיתים קרובות מוטציה בגן המקודד אנזים מובילה לשינוי בפעילות של האנזים. מוטציה בגני בקרה מסויימים יכולה לגרום לשינויים בהתפתחות העובר. כאשר המוטציה מתרחשת בתא המין, השינוי הופך גם לתורשתי, והופיע בכל הדורות הבאים. שינוי בפנוטייפ נתון לכוחות הברירה הטבעית.

כבר כתבנו לעיל, שאחד משני החלקים המרכיבים את תיאורית האבולוציה, הינו שינוי אקראי ברמת הגנוטייפ. לדעת דרוויניסטים רבים, המקור העיקרי לשונות הוא בשגיאות ההעתקה. גם סוגים אחרים של שינויים גנטיים, כגון אותם שתיארנו לעיל, יכולים להתרחש. אך תיאורית דרווין מתבססת על כך שהמוטציות יהיו גם אקראיות וספונטניות. רשימת המוטציות שהבאנו, גם אם נניח שהנן אקראיות וספונטניות אינן יכולות לתרום לתהליך האבולוציה יותר משגיאות ההעתקה. לשגיאות ההעתקה יש גמישות רבה יותר לייצור רצף חדש, בהשוואה לכל המוטציות האחרות^[11].

כל גן הקיים באוכלוסיה, יכול להופיע ביותר מצורה אחת, לכל אחת מהצורות קוראים אללאלה. לכל אללאלה יכולת השפעה משלה על הפנוטייפ. לדגמא פרח אדום ופרח לבן, הם ביטויים לשני אללאלים שונים של אותו הגן.  כמו גם עיניים כחולות וחומות בבני אדם. לגן אחד יכולים להיות אללאלים רבים ושונים באוכלוסיה. לעיתים קרובות, באורגניזם אחד ימצאו שני אללאלאים שונים של אותו הגן, הם יופיעו בכל אחד משני הנציגים של זוג הכרומזומים. סט האללאים בגנום של יצור אחד, כמעט תמיד יהיה שונה אחד מהשני. חושבים ששינויים אלו נובעים ממוטציות שהתרחשו בעבר.

נציג אחד מכל זוג של כרומזומים מגיע לצאצאים, אחד מהאב ואחד מהאם. לשני הנציגים של הזוג אותם הגנים, אך לעיתים קרובות האללאים שונים ביניהם.

אם שני ההורים שונים זה מזה רק באללא אחד בכל כרומזום, אזי פוטנציאל השונות בין הצאצאים הוא עצום. לדוגמא, בבני אדם יש 23 זוגות כרומזומים. כשהאם מייצרת גאמטים מסוג נקבה, היא יכולה למשוך ממאגר של יותר מ-2 בחזקת 23 או 8,400,000 אללאים שונים^[12]. גם לאב פוטנציאל זהה ליצירת גאמטים מסוג זכר. הצאצאים היוצאים משני ההורים, יכולים למשוך ממאגר של 8,400,000 כפול 8,400,000, דהיינו בערך 70 טריליון. מספר הגדול פי עשרת אלפים מאוכלוסית כדור הארץ. הפונטנציאל לשונות הוא אם כן עצום.

אך אם נוסיף לכך גם תהליכי שחלוף ((Recombination, נוכל להכפיל פעמים רבות את פוטנציאל השונות. כאשר גן המין מתחלק בתהליך של מיוזיס  (Meiosis) והכרומזומים מחליפים חלקים ביניהם, יכולים להופיע הרבה קומבינציות חדשות. אם כל כרומזום ישבר רק במקום אחד, אזי במקום לערבב 23 כרומזומים מכל הורה, במהלך המיוזיס יכולים להתערבב 46 חתיכות של כרומזומים מכל הורה. אם נציגי כל זוג כרומזומים, שונים אחד מהשני בשני החתיכות, אזי מספר האפשרויות בגאמט אחד הופך להיות 2 בחזקת 46, או בערך 70 טריליון. בין שני ההורים מספר האפשרויות מטפס לכמעט 5 כפול 10 בחזקת 27. במציאות הכרומזומים יכולים להישבר ביותר ממקום אחד, כך שמספר האפשרויות יכולה גם להיות הרבה מעבר לכך.  

הערות לפרק 2:

1.      נוקלאוטידים בשרשרת ה-DNA. החוליות בשרשרת ה- DNA נקראות נוקלאוטידים. ה-נוקלאוטידים בנויים מנוקליאוסיידים המחוברים לקבוצת פוספטים. קבוצת הפוספטים בנויה מאטום של פוספורוס המחובר ל-4 אטומי חמצן, שהוא גם החוליה שמתחברת לנוקליאוסיידס. החיבור הוא על-ידי שיתוף של אחד מאטומי החמצן בין שניהם. הנוקליאוסייד בעצם בנוי מחיבור בין שני מולקולות, אחד מהם סוכר, והשני נקרא בסיס. ב-DNA, הסוכר הוא מסוג Deoxyribose (מכאן ה-DNA מקבל את שמו). סוכר מסוג Deoxyribose, מורכב ממולקולה של 19 אטומים, והבסיסים מורכבים ממולקולות שבין 12 ו- 16 אטומים כל אחד, תלוי בסוג הבסיס.

לקריאת כל פרקי הספר בצורה מסודרת - לחצו כאן ותקבלו את רשימת הלינקים המלאה