אנטרופיה ואבולוציה

שנים רבות הטרידה את הביולוגים השאלה "האם החיים סותרים את החוק השני של התרמודינמיקה?" במציאות בה האנטרופיה של היקום רק גדלה, ביקום בו נראה שהחוק הכי חשוב הוא השאיפה לצמצום הפרשי אנרגיות, כיצד נוצרות מערכות ביולוגיות מורכבות ומסודרות? לשמחתנו השאלה נענתה בצורה מספקת, החיים לא סותרים את החוק השני, ההפך הוא הנכון, החיים משרתים אותו. מערכות ביולוגיות מסודרות הן תופעה אשר מעלה את האנטרופיה של היקום ולכן הן יכולות להתקיים. משום כך ישנו קשר הדוק בין אבולוציה לאנטרופיה.

האיש שהקדים את זמנו.

לודוויג בולצמן, ממייסדי התרמודינמיקה, האיש אשר ניסה לספר לעולם על סטטיסטיקה של המוני מולקולות, על חץ הזמן ועל אנטרופיה, הבין את הקשר ההדוק בין תרמודינמיקה לאבולוציה באומרו: "מלחמת הקיום בקרב היצורים החיים אינה על חומרי הגלם וגם לא על אנרגיה המצויה בשפע בצורת חום. המאבק הוא על אנטרופיה ההופכת זמינה במעבר שבין השמש החמה לאדמה הקרה". זוהי כנראה התובנה של בולצמן שהקדימה את זמנה בצורה המרשימה ביותר, כאשר השילוב בין אבולוציה ותרמודינמיקה רק  בחיתוליו וכבר מבשר לנו התפתחויות אשר עשויות לשנות את תפיסת האבולוציה מן היסוד. אך מדוע תרמודינמיקה כה מהותית בהבנת אבולוציה של מערכות ביולוגיות? על מנת להבין זאת עלינו לדון במושג הנקרא  Time reversal symmetry. או בעברית, סימטריות פיזיקלית.

סימטריה ושבירתה

סימטריות הפיכה בזמן היא מושג המתאר בעיה פיזיקלית סימטרית. כך שבמידה ונהפוך את כיוון הבעיה היא תתקיים כבבואת ראי עם מספרים זהים אך בכיוון ההפוך. ברובן המוחלט של הדיסצפלינות המוכרות לנו מן הפיזיקה מתקיים הכלל הזה: מכניקה של ניוטון, מכניקת קוונטים, חשמל ומגנטיות, כבידה ועוד. בשונה מרוב הפיזיקה המודרנית, במערכות ביולוגיות הסימטריה נשברת ואין אנו צפויים לראות צמח הופך לאיטו לזרע. זוהי תופעה הנובעת מכך שגדילת הצמח היא תהליך בלתי הפיך המתרחק משווי משקל. הדיסצפלינה הפיזיקלית העיקרית המתמודדת עם תהליכים בלתי הפיכים ושבירת סימטריה היא תרמודינמיקה.

המשוואה שמראה לנו כיצד נשברת הסימטריה

בצד שמאל של המשוואה אנו רואים את ההסתברות ששינוי ממצב נתון (המסומן באות j) למצב אחר (המסומן באות i) יהיה הפיך. אם השינוי הפיך ישנה הסתברות גבוהה שהמערכת תחזור למצב ההתחלתי שלה. אפשר לראות שמה שמשפיע האם זה יקרה או לא הוא השינוי באנטרופיה של הסביבה. המשוואה הזאת מראה לנו את הקשר ההדוק בין שבירת הסימטריה להעלאת האנטרופיה, כאשר תהליכים שיגדילו את האנטרופיה של היקום ייצרו תהליך הנוטה לכיוון ברור, שבירת הסימטריה מאפשרת לאורגניזם לקבע אינפורמציה במולקולות לזמן מסויים. זוהי נקודה קריטית, אם החלבונים שהאורגניזם מייצר יהיו בעלי זמן חיים קצר מאוד (סימטריה גבוהה) הם היו יאבדו את התפקוד והפעילות הנובעים מהאינפורמציה המבנית שבהם. המשוואה חושפת את הדרך בה האורגניזם משלם על זמן כמערכת חיה, נקודה המעלה שוב את הקשר ההדוק בין החוק השני לחץ הזמן.

ג'רמי אינגלנד

אינגלנד הוא פרופסור העומד בראש מעבדת ביופיזיקה בMIT וחוקר שאלות הנוגעות להיווצרות חיים. ולקשר בין אנטרופיה ואבולוציה. ג'רמי הרחיב את המשוואות של החוק ואז השתמש בהן ובמשוואה למעלה וקישר אותן לקצב הריבוי של חיידק מסוג אי קולי.

בצד שמאל של המשוואה נמצא קצב הגידול של חיידק. קצב גידול הוא כמובן משתנה עם חשיבות אדירה לאבולוציה. בצד הימני של המשוואה, מחוץ לסוגריים אנחנו רואים את האות היוונית למדה, שמסמלת פגיעות. הפגיעות מתארת כמה קצרים החיים של המולקולות שבאורגניזם. ככל שאורך החיים של המולקולות קצר יותר היצור החי קרוב יותר לסימטריה וקצב הגידול שלו יהיה יותר גדול. המשתנים הבאים שנמצאים בתוך הסוגריים המרובעים הם הפרש החום ובאנטרופיה שהאורגניזם הצליח להפיק. שני המשתנים הללו מבהירים שעל-מנת להתרבות בצורה יעילה דרוש מטבוליזם יעיל המפיק חום וכמובן הגדלה של האנטרופיה של היקום. כעת ניתן לשחק עם המשתנים ולהבין את האסטרטגיות האבולוציוניות של יצורים שונים.

מהי התאמה?

בתורת האבולוציה של דארווין יש מושג בולט שנקרא התאמה, או באנגלית: Fitness. מוטציות אקראיות גורמות לשינויים, והשינויים שייטיבו עם היכולת של יצור חי נתון להתאים יותר לסביבה שלו, יישמרו. לכן ישנה סלקציה תמידית שיוצרת התאמה של היצורים החיים לסביבתם. תופעה הידועב כ- 'ברירה טבעית'. והיא ללא ספק הדבר החשוב ביותר שהבין דארווין. הבעיה היא שתורת האבולוציה של דארווין לא נותנת לנו כלים להשוואה של יצורים רחוקים זה מזה. הסיבה היא שאין בה קריטריונים ברורים להתאמה וחסרה בה הבנה של אנטרופיה שמסבירה על מה בכלל היצורים החיים נאבקים. בוא נראה האם אפשר ליצור את הקריטריונים הללו מהמשוואה שג'רמי פיתח

האסטרטגיה של החיידק

לחיידק ישנה סימטריה גבוהה הנובעת מכך שהוא מערכת פשוטה ,משימוש בחומרי גלם בעלי אורך חיים קצר כגון חלבונים פשוטים ורנ"א (שהוא בעל זמן חיים קצר מאוד יחסית לדנ"א). הסימטריה הזאת מהווה יתרון אבולוציוני בקצב הגידול של החיידק. העובדה כי אורך חיים קצר של מולקלות היא יתרון אבולוציוני עלולה ליהיות מבלבלת אך עלינו לזכור, לבניית דברים מורכבים ועמידים יותר ישנו מחיר כבד בזמן הבנייה ובעלות הבנייה. נקודה זאת מביאה אותנו לאסטרטגיה המטיבה עם המין לעומת אסטרטגיה המיטיבה עם הפרט. כאשר  פגיעות החיידק מטיבה עם המין אך לא בהכרח עם הפרט. שני המשתנים אשר נותרו במשוואת קצב הגידול הם: חום הנוצר בעבודה וההפרש באנטרופיה הפנימית, שניהם גדלים בצורה אקספוננציאלית ולכן חשובים מאוד בקביעת קצב הגידול. יכולות הפירוק המרשימות של החיידק חשובות בהבנת המשתנים הללו. בשל הגישה האדירה שיש לחיידקים לאנרגיה פוטנציאלית והעובדה כי חלק ניכר מן האנרגיה מושקע במטבוליזם, הולכת ומתבהרת האסטרטגיה של החיידקים. כאשר הם יתרבו בהתאם לכמות האנרגיה הפוטנציאלית עד להגעה לפירוק מקסימלי של החומר. האסטרטגיה הזאת מעניקה לחיידקים את הזכות להוות 13 אחוז מהמשקל הביולוגי על כדור הארץ. האורגניזם (שאינו ממלכת הצמחים) בעל המשקל הרב ביותר בעולמנו.

האסטרטגיה האבולוציונית של בני האדם

אמנם המשוואה מדברת על רבייה א-מינית ולכן לא ניתן להחיל אותה בצורה ישירה על בני אדם, אך ברור כי גם אם העיקרון ברבייה מינית מורחב במידת מה הוא נישען על יסודות זהים. אצל בני האדם אנו רואים אסטרטגיה שונה מאוד מן החיידק, במיוחד ביחס שבין הפרט לקהילה. לבני האדם סימטריה נמוכה מאוד משום שהם מערכת מורכבת מאוד המורכבת ממנגנונים מפותחים, חלבונים מורכבים ודרישה גבוהה לסדר ולהומואוסטזיס (שמירה על תנאים יציבים וקבועים). כל אלו הפכו את האדם למערכת המיטיבה מאוד עם הפרט, יכולותיו ואורך חייו. השקעה זאת בפרט באה על חשבון הקהילה, דבר המתבטא בכך שהביומסה של האדם היא רק  0.01% . על מנת להזין ולייצר מערכת מורכבת כגון האדם ישנו צורך בחום והפרשים גדולים באנטרופיה הפנימית. כך שמבחינת פרט אנו יעילים בקצירת אנרגיה פוטנציאלית. לעומת זאת כקהילה קצירת האנרגיה הפוטנציאלית שלנו אינה יעילה כשל החיידקים. דוגמא לכך היא שבימים בהם ישנו יותר אוכל לבני האדם הם לא יוכלו להכפיל את מספרם בצורה אקספוננציאלית עד לשימוש בכלל האוכל בדומה לחיידקים. בנוסף חלק ניכר מהאנרגיה שלנו אינו מושקע במטבוליזם אלא במוח ובמערכות הרבייה המינית.

לסיכום

אנו נמצאים כעת בתחילתה של מהפכה בתפיס האבולוציה שלנו. הביולוגים שיטמיעו במהרה את התובנות של אינגלנד ימצאו עצמם בחזית המחקר המדעי. יחד עם כל ההתפתחויות המרגשות הצפויות לנו עלינו להישאר צנועים ולהבין כי גם שילוב של תרמודינמיקה ואבולוציה אינו יוכל לספק את התשובה המלאה על השאלה- מהם חיים.

מקורות

Statistical physics of self-replication JL England

Dissipative adaptation in driven self-assembly JL England

Statistical physics of adaptation JL England

מיפקד האוכלוסין של החיים בכדור הארץ, מכון ויצמן