החוקרים שמנסים לפצח את התעלומה ''מה הם חיים'' / צילום: shutterstock
כולם יודעים איך נראה חייזר. יש לו ראש גדול וקירח וסנטר מחודד, עיניים גדולות ומלוכסנות, אף פחוס, צוואר ארוך וגוף שלדי ללא בגדים. כמובן, אף אחד מעולם לא ראה חייזר, ומי יודע מדוע אנחנו בטוחים שהוא נראה ככה. יש מי שיגידו כנראה שכן ראינו אותם פעם, בעבר הרחוק והקרוב, ולכן אנחנו יודעים. אחרים יאמרו שזו דוגמה לכוחה של תרבות, לצרוב בנו תמונות שלא התקיימו מעולם, באותה העוצמה כמו אלה שראינו באמת, ואף יותר.
פרופ' שרה אימרי ווקר מאוניברסיטת אריזונה ופרופ' כריסטופר קמפז מאוניברסיטת סנטה פה, חוקרים את הגבולות האפשריים של החיים, על כדור הארץ ומחוץ לו. חיים אינטלגנטים, וחיים בכלל, ממש לא חייבים להיראות כמו החייזר שאנחנו מדמיינים, הם אומרים. הם אפילו לא צריכים לעמוד בכללים שאותם אנחנו בדרך כלל מייחסים לחיים על פני כדור הארץ, למשל הם לא חייבים להיות עשויים מפחמן. אולי החיים מחוץ לכדור הארץ, בכלל לא מתקיימים על משהו שנראה כמו גוף או תא חי, אלא על גבי אמצעי אחר לאגירת מידע.
לכן הם אולי בכלל לא חייבים להתקיים בכוכבי לכת שיש בהם תנאים דומים לאלה של כדור הארץ. אולי הם מתקיימים בצורות מוזרות בכוכבי לכת עם תנאים שונים מאוד.
החיים השקופים על פני כדור הארץ
ואם זה נכון - אולי יש אפילו עוד חיים על כדור הארץ שאנחנו לא מכירים בהם כחיים בגלל ההגדרה הצרה שלנו של המונח? "מאז שהייתי סטודנטית, ניסיתי להבין את בעיות היסוד של הפיזיקה ונפעמתי מכך שהמוח האנושי יכול להבין את החוקים שהם בבסיס העולם", מספרת ווקר. "אבל ככל שהעמקתי לחקור, שמתי לב לפער בין ההבנה שלנו את הפיזיקה של היקום כולו, לבין אי ההבנה של סוגיית מקור החיים והכללים המנהלים את החיים. אנחנו יודעים איך מורכבים תאים רבים ושונים, ואנחנו עדיין לא יודעים איך לבנות תא. איך זה יכול להיות?".
מה שהדגים את הפער בצורה מאוד ברורה בעיניה, הייתה העובדה שאין לנו בעצם מושג איך יכולים להיראות חיים בתנאים פיזיים אחרים. "אין לנו אפילו את הכלים לשאול את השאלות האלה כי ההגדרות שלנו של חיים הן כל כך עמומות".
לכן המשימה הראשונה שלה, הייתה להבין מהם המאפיינים הבסיסיים של החיים. "אני רוצה להבין אם יש חוקי פיזיקה שעוד לא גילינו, שיכולים להסביר את הרעיון של חיים, ומתוך כך נוכל לגזור איך הם נראים גם במקומות אחרים".
"במחקר מסוג זה אנחנו שואלים הרבה מאוד שאלות פילוסופיות, צריכים להפוך אותן לשאלות קונקרטיות", מסבירה ווקר. "למשל, מה המשמעות של מידע כחלק מהחיים. מדענים מדברים על כך שהגוף נושא מידע ומעביר מידע בתוכו, אוסף מידע על סביבתו וגם מחצין מידע. אפשר לומר שכלל אחד הוא שדברים חיים מעבירים ביניהם מידע".
העברת מידע בתור הבסיס לחיים
לחשוב על מידע בתור הבסיס לחיים, זו אופציה קצת שונה מאשר לחשוב, למשל, על DNA כבסיס לחיים. "קפיצת המדרגה היא שהמידע הוא לא פיזי.
מידע ב-DNA, ניתן להעתיק למשהו שאינו DNA. הוא יכול להיות ב-RNA, הוא יכול להיות במחשב, אני יכולה לומר לך את הרצף והמידע יהיה בקול שלי. המחשבה שלי הייתה שאולי מידע שמשפיע על משהו פיזי - זה החיים.
"זה היה הרעיון העיקרי של מאמר שהוצאתי לאור ב-2013. אמרתי שם שהחיים מתקיימים כאשר למידע יש השפעה על מערכות פיזיות. כלומר, אנחנו אומרים שהפיזיקה של היקום עוסקת בחומרה, ואילו הפיזיקה של החיים עוסקת בתוכנה שרצה על החומרה. והתקווה שלי היא שבעתיד נעשה את מה שאין לנו מושג איך עושים היום: נבין לא רק ממה בנויים תאים, אלא איך מופיעות התכונות שהופכות את השלם ליותר מסך חלקיו. כלומר, מה הופך אדם לייצור שונה מסך התאים שמרכיבים אותו".
כלל 15 הצעדים לזיהוי חיים
"במידה מסוימת מה שבני האדם עושים היום עם טכנולוגיה הוא גבולי להגדרה של חיים. אנחנו מפיצים מידע שמשפיע על מערכות פיזיות, אבל המקור של המידע הוא אנחנו, וזה קצת מסבך את העניינים. זה גם יסבך את המצב אם נמצא מערכות מידע כאלה ביקום, ולא נדע אם זו הטכנולוגיה של משהו חי או הדבר החי עצמו. בכל מקרה, כיום תאים חיים, צמחים ובעלי חיים, הם הדבר הכי חי שאנחנו מכירים".
איך המחשבות הפילוסופיות הללו מתבטאות במחקר שאת עושה בפועל?
"היום אני עובדת בתחום שנקרא Assembly Theory. אם אנחנו יוצאות מנקודת ההנחה שהחיים הם האופן שבו מידע משפיע על מערכות פיזיות, אז אפשר להסתכל על, חללית למשל, ולהגיד - מה היקום היה צריך לעשות כדי שתהיה חללית? קודם כל היו צריכים להיווצר תאים חיים ואז הם היו צריכים להתפתח לבני אדם ואז בני האדם היו צריכים להמציא את החללית.
בדומה לכך, יש אלמנטים בטבלה המחזורית שנוצרו כבר במפץ הגדול, אחרים נוצרו בהתפוצצות של כוכבים, ואחרים יכולים להיווצר רק במעבדה, על ידי מערכת שמבינה מה היא עושה. אם אנחנו רואים אלמנט כזה, אנחנו אומרים - יש פה איפה שהוא בדרך יצור שמבין את החוקים. אי אפשר להגיע לזה בצורה רנדומלית.
"היקום מלא במולקולות מורכבות. כדי שיהיה DNA, כדי שיהיו חלבונים, צריכה להיות מערכת שיודעת לייצר DNA. וזו מערכת שכנראה עונה להגדרה של מה שאנחנו קוראים לו חיים".
ווקר ניסחה כלל לפיו אם דרושים יותר מ-15 צעדים כדי לבנות מולקולה, הרי שהיא הייתה צריכה להיווצר על ידי משהו חי. "הכוונה היא לאו דווקא למשהו חי תבוני. אני לא מנסה להגיד, למשל, שהחייזרים ביקרו כאן בכדור הארץ והשאירו לנו את ה-DNA. אבל, כדי שיהיה DNA, כנראה שהיו צריכים להיות לפניו חיים".
לשיטת ווקר, אם נראה על כוכב אחר מולקולה שדרושים 15 צעדים ומעלה כדי לייצר אותה, יהיה נכון לחפש שם חיים מסוג כלשהו. "כך אנחנו יכולים להתחיל לחפש את החיים האחרים ביקום, גם אם אנחנו לא יודעים את הכימיה שלהם". הכלל הזה אינו תלוי בכימיה מסוימת, אלא יכול להיות רלוונטי לכל יצור חי שנמצא בעולם.
כבר מצאנו מולקולה כזו מחוץ לכדור הארץ?
"עוד לא. כדי לחקור את הכימיה של כוכבים רחוקים, נהוג להוציא למשלחות חלל מכשיר שנקרא ספקטרומטר, שמשדר אור אל חפצים וקולט את ההרכב הכימי שלהם לפי פיזור האור שמוחזר אליו. אבל המכשיר הזה רלוונטי עד משקל מולקולרי מסוים, ואילו למולקולות האלה דווקא צריך משקל מולקולרי גבוה. אז אנחנו מנסים להבין איזה מכשיר אנחנו צריכים ומה אפשר להבין באמצעות המכשירים שכבר יש לנו".
ווקר קצת ביקורתית לגבי האופן שבו מחפשים היום חיים ביקום. "היום מחפשים קודם כל פלנטות עם תנאים דומים לאלה שעל כדור הארץ, ואני לא בטוחה שאלה הכוכבים שיש בהם בהכרח חיים".
חוק הכפלת האנרגיה שמתקיים בכל היצורים
קמפז הגיע לתחום מכיוון קצת אחר. כמו ווקר, הוא חושב שהשאלה "מה חי?" לא תלויה בחומר ממנו עשויים החיים, אלא בעקרונות המכוונים אותם. קמפז למד פיזיקה ומתמטיקה, ואת הדוקטורט שלו עשה בתחום הביופיזיקה ב-MIT. כמו ווקר, גם הוא חש במחסור בתיאוריה מארגנת לביולוגיה. "בעוד בפיזיקה הצלחנו לנבא את קיומם של חורים שחורים לפני שאי פעם ראינו אחד, בביולוגיה אנחנו לא קרובים לתיאוריות המאפשרות רמת ניבוי כזו".
קמפז בוחן את היחס בין גדלים של יצורים. "אני שואל את עצמי - איך משתנים מאפיינים של האופן בו משהו חי פועל בהתאם לגודל שלו". כך למשל, התברר שבעל חיים שהוא כפול בגודלו מבעל חיים אחר, ישתמש תמיד בפי 1.75 מכמות האנרגיה. ואם נכפיל שוב את הגודל, שוב נקבל גידול של פי 1.75 באנרגיה. קמפז מסביר: "אם אותו גוף חי עושה אופטימיזציה לאופן שבו הוא מעביר משאבים, תמיד נקבל את התוצאה הזו. זה אוניברסלי. זו בעצם פיזיקה בתוך הביולוגיה". קמפז מאמין שכלל כזה יהיה רלוונטי לכל יצור חי בעולם, לא משנה ממה הוא עשוי.
קמפז חוקר חיידקים ומוצא כללים נוספים כאלה. "למשל, אני שואל האם יש קשר בין הגודל, לבין כמות המידע הגנטי. האם כמות המידע שיצור חי צריך לאגור, משתנה בהתאם לגודל שלו".
יצורים גדולים יותר מעבירים יותר מידע?
במחקר שביצעו ווקר וקמפז יחד, הם בדקו כיצד משפיע מספר האנזימים הכולל בתא, על היחסים בין סוגי האנזימים השונים (מולקולות שתפקידן לאפשר או לזרז תהליכים כימיים בין מולקולות אחרות). קמפז: "אם נפשט זאת, אנחנו רואים שבתאים עם מעט אנזימים (לרוב תאים קטנים יותר) יש שיעור גבוה יותר של אנזימים שמחברים בין מולקולות. לעומת זאת, בתאים עם הרבה אנזימים (תאים גדולים בדרך כלל), יש יותר אנזימים שהתפקיד שלהם הוא לפרק חומרים". כלומר, אם ככל שהיצור גדל יש בו יותר אנזימים שהתפקיד שלהם הוא פירוק חומרים, זו יכולה להיות ההגדרה ליצורים חיים.
אך קמפז מדגיש שאנחנו לא יודעים עדיין מדוע זה כך. "כי אין לנו עדיין את התיאוריה הבסיסית של החיים". אבל החוק בינתיים מתקיים במגוון מאוד רחב של תאים חיים וחיידקים. "השתמשנו בדאטה-בייס עצום של רצפי תאים".
גם מחשבים יכולים להתברר כחיים?
הכללים שאתה מוצא הם רק של מערכות חיות?
"אנחנו חושבים שיש לחיים חוקים מסוימים שמערכות לא חיות, לא חייבות לעמוד בהם. אני חושב שהסיבה היא שרק חיים משתמשים באנרגיה כדי ליצור פונקציות. כשאני אומר פונקציה הכוונה היא למשל לחפש משאבים, לקחת משאבים, לתקן את עצמך, לאגור מידע ולהתרבות".
מה יקרה לכללים האלה אם ננסה ליישם אותם על חיים שמופיעים רק בתצורת מידע?
"אני באמת לא יודע. אפשר לחשוב על אנלוגיות בין גודל לצריכת אנרגיה, בין הרכבה לפירוק גם כאשר מדובר במחשב. למשל האם מחשבים שיש בהם פחות מידע, עוסקים יותר בחיבור מידע מאשר בפירוק? זה לא משהו שאני עושה היום, אבל זו דוגמה שיכולה לבחון את ההשערה שלנו בתנאים קיצוניים".
"אבולוציה דומה לזו של בעלי חיים": האם אפשר להגדיר ערים בתור יצור חי?
באחד המאמרים של פרופ' כריסטופר קמפז, מאוניברסיטת סנטה פה, הוא בוחן את האפשרות להגדיר גם ערים כסוג של חיים. "מה שאמרנו במאמר הוא שכבר היום אנחנו מבחינים בשכבות שונות של חיים".
"אפשר לראות את התרבות האנושית כסוג של יצור חי שהחומר שהיא מורכבת ממנו הוא מוחות אנושיים. יש דרכים לכתוב משוואות שמתארות את האבולוציה של ערים כך שהיא נראית מאוד דומה לאבולוציה של בעלי חיים. וגם הערים שומרות על חלק מכללי הסקיילינג, כלומר למשל שצריכת האנרגיה שלהן תשתנה עם הגודל שלהן, באותה מידה שזה יקרה לתא חי. אפשר לכתוב מספר פונקציות שיתאימו לצמחיה, לחיידק, לבעלי חיים, לעיר וגם לחברה מסחרית".
על פי העיקרון הזה, האם לעיר או לחברה מסחרית יש גם אינטלגנציה ומודעות?
"חיים זה לאו דווקא אינטלגנציה. אני רואה את החיים בספקטרום. יש דברים שיש בהם מעט 'חיות', ולאחרים יש יותר. זה נכון גם לגבי אינטלגנציה. בעיניי גם לבקטריה יש אינטלגנציה. אני לא מדבר על מושבות של בקטריות בהכרח, אלא גם ממש כל חיידק בפני עצמו. חיידקים מקבלים החלטות. האם יש להם תודעה? מודעות? זה כבר הרבה יותר מורכב להבין. אבל אם משהו מקבל החלטות שמעלות את סיכוי ההישרדות שלו, מבחינתי זה חיים וזה סוג של אינטלגנציה.
"עבור מערכות שבני אדם יצרו, השאלה היא - מי אנחנו מגדירים כמקבל ההחלטה? האם אפשר לומר שהתרבות מקבלת את ההחלטה או שאוסף של מוחות אנושיים קיבל אותה?".
הקשר בין הגדרת החיים לתכנון עירוני
בינתיים, במישור הפחות פילוסופי והיותר פרקטי, אתה משתמש בכללי הסקיילינג שלך גם כדי להמליץ בתחום תכנון הערים.
"אם העיר שלך צומחת מהר מאוד, יש כנראה פונקציות של העברת מידע והעברת משאבים שלא יעמדו בקצב. ערים גדולות יותר מייצרות יותר הכנסה לאדם בממוצע, אבל אי השוויון בהן גדל. חלק מהשכבות לא מרוויחות מצמיחת הערים בכלל, ואפילו קשה להן לשרוד.
"המשוואות שלנו, שמגדירות את הקשר בין הגודל של דבר חי למאפיינים אחרים שלו, יכולות להכתיב גם אילו שינויים דרושים כדי שהעיר תשמור על איזון, ולהערכתנו, זה גם יפחית מצבים של אי שוויון".