האם האבולוציה היא תיאוריה שניתנת להפרכה

ריצ'ארד בארנס, "Animal Logic" 

לרגע אחד בסוף חודש פברואר מלאו העיתונים כתבות, טורים, מכתבים ומאמרי מערכת סביב שאלת מעמדה המדעי של הביולוגיה האבולוציונית. הפולמוס ניצת בעקבות דברים שאמר המדען הראשי של משרד החינוך, אשר פקפק בתוקף המדעי של התיאוריה האבולוציונית וכינה את הידע הזה בלשון של גנאי "דת האבולוציה". הוא הוסיף ואמר כי אם ילמדו בבתי-ספר שמוצא האדם מן הקוף, הוא ידרוש שילמדו במקביל גם דעות אחרות. הדברים הללו הדהדו רטוריקה של קבוצות דתיות מסוימות, ביניהן הבריאתנים בארצות-הברית, אשר מפיצות את הטענה שהתיאוריה האבולוציונית אינה אלא אמונה שלא עומדת בקריטריונים מדעיים מקובלים.  

עצם הרעיון של יבוא בורות ותעמולה אנטי מדעית מן העבר השני של האוקיינוס, כאשר היבואן אינו אחר מאשר "שגריר" המדע במשרד החינוך, זעזע אנשי מדע רבים, החל בחוקרים הבודדים ועד האקדמיה הלאומית למדעים. תגובתם המהירה והתקיפה הביאה את שר החינוך להתנער מן הדברים מעל בימת הכנסת. ההתגייסות הזאת היוותה עבור רבים, ואני ביניהם, מקור לגאווה.

אלא שבלית ברירה, תשובת המדענים הותירה לא מעט שאלות הנוגעות לגופו של עניין, כשהן תלויות ועומדות ללא מענה. הסטנדרטים בהם צריכה לעמוד עבודה מדעית שונים מאוד מאלה של כתבה עיתונאית. העיתון, מעצם טבעו, נדרש לתגובות קצרות, סמכותיות ומצמצמות, בעוד שהרעיונות במדע נשפטים על-פי יכולתם להסביר עדויות ועל-פי עמידתם בבחינה שיטתית ומעמיקה, ולא על-פי זהותו של המדען או המוניטין שלו (אם כי גם לאלה עשויה להיות לעתים השפעה). מה שנמנע, במקרה זה, מהציבור הרחב, לבד מן ההבהרה של אי-הבנות נפוצות בנוגע לתיאוריה האבולוציונית, היא האפשרות להתרשם משפע העדויות רבות היופי לאבולוציה ולהנות מהאופן שבו הן מתיישבות עם התיאוריה.

אי-הבנה נפוצה, שמקורה דווקא אצל פילוסוף המדע קארל פופר, היא, שהתיאוריה האבולוציונית נבדלת מתיאוריות מדעיות אחרות בכך שטענותיה אינן "ניתנות להפרכה" (פופר חזר בו מן הביקורת הזאת מאוחר יותר). על מנת לבער את הטעות הזאת ובו בזמן להציע טעימה, גם אם על קצה המזלג, מן העדויות הרבות לאבולוציה, נתרכז כאן באחת מטענות היסוד של האבולוציה, והיא שכל קבוצה של מיני בעלי חיים וצמחים שחיים היום, או שחיו בעבר ונכחדו, חולקת יחסים היסטוריים של מוצא משותף.

צמדי מינים כמו סוסים וזברות, אריות ונמרים, בני אדם ושימפנזים התפצלו ממוצא משותף לפני זמן קצר יחסית (ראו איור 1). בשלב מוקדם יותר התפצלו הקנגוראוים והקואלות ולפניהם התפצלו האב הקדמון של הסוסים והזברות והאב הקדמון של האריות והנמרים זה מזה. בעבר הרחוק יותר התפצל האב הקדמון המשותף הזה (לסוסים, לזברות, לאריות ולנמרים) מהאב הקדמון של בני אדם והשימפנזים, ולבסוף, לפני כ-180 מיליון שנה, חי המין שהיה אב קדמון לכל השמונה. "קשרי המשפחה" ההיסטוריים הללו בין המינים, המבוססים על התפצלותו של מין קדמון פעם אחר פעם, ניתנים לייצוג במונחים של "עץ פילוגנטי". הטענה היסודית שנתמקד בה היא, שלכל קבוצה של מינים קיים עץ פילוגנטי יחיד, אשר מייצג את ההיסטוריה האבולוציונית של הקבוצה.

בדרך-כלל קשה לשחזר את העץ הפילוגנטי של קבוצת מינים באופן ישיר (למשל, באמצעות מאובנים של צורות הביניים), אבל ניתן להסיק אותו בדרכים אחרות. אם מינים משתנים בהדרגה במהלך הדורות, אזי נצפה לכך שהדמיון בין מינים אשר התפצלו מאב קדמון משותף בעבר הקרוב, יהיה גדול יותר מהדמיון בין מינים שהתפצלו מאב קדמון בעבר הרחוק יותר. ככלל, אפשר ללמוד על מידת הקרבה האבולוציונית בין מינים על-פי מידת הדמיון ביניהם. העיקרון הזה עומד ביסוד רוב השיטות לשחזור עצים פילוגנטיים.

כמו תחומים רבים בביולוגיה, גם מלאכת השחזור הפילוגנטי עברה מהפכה עם פיתוח היכולת לקרוא את רצף ה"אותיות" ב-DNA. אנחנו נתמקד בחלק מסוים וחשוב ביותר של ה-DNA - הגנים אשר מקודדים את ההוראות לבניית חלבונים. מכיוון שגנים וחלבונים ימלאו תפקיד מפתח בסיפורנו, נאמר עליהם תחילה כמה מילים: חלבונים הם מולקולות גדולות אשר משתתפות בכל התהליכים המרכזיים בתא. רבים מהם הם אנזימים – אשר מבצעים תהליכי בנייה ופירוק בתא. אחרים ממלאים תפקיד מבני, כמו החלבונים שמרכיבים סיבי שריר ומאפשרים להם להתכווץ ולהתרחב. חלבונים נוספים משמשים לחישוב ולהעברת אינפורמציה, למשל האופסינים בתאי העצב ברשתית שלנו, אשר משנים את צורתם ומתחילים תהליך של יצירת אות עצבי כאשר פוגע בהם חלקיק אור באורך הגל המתאים. בהכללה מסוימת ניתן לומר, שמרבית המולקולות הספציפיות – "בעלי המקצוע" של התא - הן חלבונים.

מספר הגנים נע בין 2,000 ל-5,000 בחיידקים, כ-6,000 בשמר האופים, כ-15,000 בזבוב הפירות, בין 20,000 ל-25,000 בדגים, בעכברים ובבני אדם, ולמי שמתנחם בכך שאנחנו נמצאים במעלה הרשימה, נוסיף ונאמר כי לצמח האראבודופסיס, קרוב משפחה של החרדל והכרוב, יש כ- 26,000 גנים.

האופן שבו גנים מתורגמים לחלבונים זהה כמעט לחלוטין בכל עולם החי. חלבונים בנויים מ-20 סוגים של אבני בניין מולקולריות הנקראות חומצות אמיניות, אשר מסודרות בשרשרת. רצף מסוים כזה, באורך ממוצע של 400 חומצות אמיניות, קובע את תפקודו של החלבון. כל חומצה אמינית כזאת מקודדת על-ידי "מילה" בת שלוש אותיות ב-DNA (ACT, GAA וכיו"ב), כאשר התרגום של גן לחלבון נעשה מילה אחר מילה, עד אשר "מכונת התרגום" מגיעה למילה שמסמנת את סוף השרשרת – כמו נקודה בסוף משפט. טבלת התרגום הזאת – מהמילים לחומצות האמינו – זהה (עם וריאציות קלות ביותר) בכל האורגניזמים על פני כדור הארץ.

גם ה"מכונות" שמבצעות את מלאכת התרגום, ובמרכזן הריבוזום (אשר כיכב בחדשות לאחרונה, הודות לעבודתה של פרופ' עדה יונת), דומות עד כדי השתאות בכל האורגניזמים על פני כדור הארץ. יותר מזה, השוואה שיטתית בין הגנומים - כלל ה-DNA - של מיני ארכיאה, חיידקים, פטריות, צמחים ובעלי חיים חשפה כ-500 חלבונים רבי-דמיון (ראו איור 2), אשר קשורים בפונקציות ליבה של תאים באשר הם. כל צורות החיים מבוססות ה-DNA מאז שחר ההיסטוריה של כדור הארץ נשענו על פעולתם של החלבונים הללו, ועל כן הם נשמרו עם שינויים קלים ביותר מאז חי האב הקדמון של כל האורגניזמים הקיימים היום, לפני יותר מ-2.5 מיליארד שנה.

ומה עם שאר החלבונים? ככל שהמינים שנשווה בינהם יהיו קרובים יותר כך נמצא יותר גנים/חלבונים משותפים (על מנת להימנע אפילו ממראית עין של מעגליות, נציין שעל מידת הקרבה בין מינים ניתן ללמוד בדרכים אחרות שאינן מסתמכות על גנים, כמו השוואות אנטומיות וניתוח ממצאים פליאונטולוגיים, כמו מאובנים). אם נשווה, למשל, בין הגנום של אדם ושל דג אבו-נפחא, אשר התפצלו מאב קדמון משותף לפני כ-450 מיליון שנה, נמצא שיש להם במשותף לפחות 7,350 גנים. ואם נפנה לצמד מינים אשר התפצלו ממש לא מזמן,  האדם והשימפנזה – אשר חלקו אב קדמון עד לפני  5-8 מליון שנה - נמצא שקרוב ל-100% מהחלבונים משותפים, כאשר 29% מהם זהים לחלוטין, ושיעור הדמיון הממוצע בין שרשרות חומצות האמינו שלהם גדול מ-99%.

לעתים דווקא היעדרו של חלבון במין מסוים מהווה ראיה חזקה ביותר להתרחשות אבולוציונית. הסילוקאנת (coelacanth) הוא דג גדול (כ-2 מטרים אורכו) שוכן מעמקים (מתחת ל-100 מטר), אשר מבנה השלד שלו, ובפרט ארבעת סנפיריו דמויי הגפיים, ממקמים את אבותיו מלפני כ-360 מיליון שנה כ"חוליה החסרה" בין הדגים להולכי על ארבע יבשתיים (טטראפודים), והדמיון בין השלד שלו לזה של אותם אבות קדמונים מזכה אותו גם בתואר "מאובן חי". אנחנו נתעניין בו דווקא בגלל ראיית הצבע שלו, או למעשה, בגלל היעדרה.

שלא כמו דגים, יונקים ומרבית בעלי החוליות האחרים, לסילוקאנת אין את אופסין ה-SWS, שרגיש לאורכי גל קצרים של אור נראה (Short Wavelength Sensitive). חיפוש ב-DNA של הסילוקאנת מגלה שהגן שמקודד את האופסין דווקא קיים, אבל הטקסט שלו משובש באופן שאינו מאפשר ייצור של חלבון תקין. לדוגמה, באמצע הגן, אחרי 67 מילים, מופיעה מילה שמסמנת עצירה. חיפוש של אותו גן בדולפינים ובלווייתנים מגלה ממצא דומה: בעוד שאצל ההיפופוטם והפרה, קרובי משפחה עימם חלקו אב קדמון לפני כ-55 מיליון שנה, קיים חלבון תקין, אצל הדולפינים והלווייתנים יש "גן מאובן" או פסאודו-גן, אשר אינו מאפשר את ייצור החלבון (ראו איור 3).

ודאי ניחשתם מהו ההסבר לממצאים הללו: הסילוקאנת, הדולפינים והלווייתנים מבלים את מרבית זמנם במעמקים, לשם מגיע רק תחום צר של טווח האור הנראה, באורכי גל של כ-480 ננומטר, שנראה לנו כחול. אצל הדולפינים והלווייתנים אופסין אחר – זה שאנחנו משתמשים בו לראיית לילה – עבר מספר שינויים שכיוונו אותו לאורך הגל הזה. באופסינים האחרים אין שימוש במעמקים, ולכן הם הולכים ומתנוונים לאיטם כתוצאה מפגיעתן החוזרת של מוטציות, ולפעמים אנחנו מצליחים לתפוס אותם בגנום לפני שהם נעלמים כליל.

 אותו עיקרון, מסביר אינספור פסאודו-גנים ידועים אחרים- מה שאין בו שימוש מתנוון ולבסוף נעלם. פסאודו גנים מהווים דוגמה לקבוצה גדולה עוד יותר של אברים מנוונים, שכוללת את התוספתן ואת עצם הזנב שלנו, שרידי אגן בנחשים ובלווייתנים ועוד. כל אלה הם עדות חיה לאברים שהיה להם שימוש אצל אב קדמון. קשה מאוד להעלות על הדעת הסבר אחר לקיומם של אותם אברים מנוונים, חסרי שימוש ותוחלת, אשר דומים דמיון מובהק לאברים מתפקדים במינים אחרים.

אם אתם מתחילים לקבל את הרושם שלא ניתן "להפוך אבן" ב-DNA בלי להיתקל בסימני האבולוציה, ושלא רק שאין קושי למצוא אותם, אלא שבלתי אפשרי להימנע מהם – הרי שקיבלתם את הרושם הנכון. יתרה מכך, ניתן למצוא אינספור עדויות לאבולוציה גם במגוון רחב של מקומות אחרים, כמו במערכות בסיסיות בתא (במטבוליזם האנרגטי או בפוטוסינתזה בצמחים, למשל), באנטומיה, בדפוסי תפוצה גיאוגרפיים של מינים, ברקורד המאובנים, ועוד ועוד.

מכל מקום, ייתכן כי הספקנים שביניכם (ובמדע אנחנו מעודדים ספקנות) יטענו במידה רבה של צדק, כי רבות מן העובדות שתיארנו עד כה הוסברו בראי האבולוציה, ולא נוסחו כמבחן לתיאוריה עצמה. אמנם, אחת מסימניו העיקריים של הסבר מדעי טוב הוא היכולת ליישב בפשטות מחלקות גדולות של עובדות, אבל גם יכולת הניבוי מהווה אבן בוחן חשובה. לכן חשוב להבין שגם לתאוריה האבולוציונית לא חסרים מבחני ניבוי.

שרידי אגן בלווייתנים ובנחשים

לשם הצגת מבחנים אלה נשוב לשאלת קיומו של עץ פילוגנטי, שמייצג את יחסי הקרבה האבולוציוניים בקבוצה של מינים. הפעם נשווה בין מופעים שונים של אותו החלבון (או הגן) במינים שונים, ונשתמש במידת הדמיון שנמצא על מנת לשחזר את העץ. כדי למדוד את המרחק בין החלבונים של שני מינים שונים נעמֵד אותם זה מתחת לזה (כמתואר באיור 2), ונספור את ההבדלים בחומצות האמינו בין השניים. אם נחזור על אותו תהליך עבור כל צמד מינים נקבל טבלת מרחקים, ומן הטבלה ניתן יהיה לבנות את העץ על-פי האלגוריתם הבא:

נמצא את צמד המינים שהמרחק ביניהם הוא הקטן ביותר בטבלה. כיוון שסביר להניח שהמינים הללו עדיין חלקו אב קדמון אחרי שהתפצלו מאבותיהם הקדמונים המשותפים עם כל אחד מהמינים האחרים – נחבר את הצמד לאב קדמון משותף.

נעדכן את טבלת המרחקים על-ידי מיזוג הצמד הזה למין אחד, שהמרחק של המינים הנותרים ממנו הוא ממוצע המרחקים משני המינים שמוזגו. בהמשך, כאשר מין "ממוזג" יתחבר למין אחר – פשוט נחבר את האב הקדמון שמתאים לצמד אל המין האחר.

3. נחזור על הצעדים הללו עד שנגיע לאב הקדמון של כל המינים (מספר הצעדים יהיה קטן באחד ממספר המינים).

למעשה, ישנן שיטות רבות וחכמות יותר לשחזור עצים, אך לענייננו, די בכך שנבין את העיקרון.

מה שהופך את היכולת לבנות עצים למבחן רב-עוצמה של התיאוריה האבולוציונית, היא האפשרות לחזור על הבנייה הזאת על סמך חלבונים (או גנים) שונים: אם המרחק בין חלבונים במינים שונים משקף את יחסי הקרבה האבולוציוניים בין המינים הללו, אזי העצים שייבנו על בסיס חלבונים שונים יהיו בהכרח דומים.

בשנת 1982 העמידו דייוויד פני (David Penny), ביולוג חישובי מניו זילנד, וחברי קבוצתו את הפרדיקציה הזאת למבחן. הם בחרו חמישה חלבונים והשוו בין הרצפים שלהם ב-11 מיני יונקים: קוף מקק, כבשה, סוס, קנגורו, עכבר, ארנב, כלב, חזיר, אדם, פרה ושימפנזה. בצעד הבא הם בנו עצים פילוגנטיים של 11 המינים על סמך כל אחד מחמשת החלבונים ובחנו את הדמיון בין העצים השונים.

מדוע שהעצים יהיו דומים ולא זהים? ישנן מספר סיבות לכך שהשחזור על סמך השוואות בין חלבונים לא יהיה מדויק לגמרי: לפעמים אותו שינוי של חומצה אמינית מתרחש בשני ענפים שונים וכתוצאה מכך המרחק שנמדוד בין המינים קטן. במקרים אחרים לא יתרחשו כלל שינויים בענף מסוים, מה שיקשה עלינו את מלאכת השחזור, וכיו"ב. אולם הויתור על זהות מוחלטת רחוק מלהפוך את המבחן למוגבל או חלש. קיימים למעלה מ-34  מיליון עצים אפשריים של 11 המינים, כך שההסתברות ששני עצים יהיו דומים בדרך מקרה, קטנה מאוד.

פני וקבוצתו כימתו את ההסתברות באופן הבא: ראשית, הם הגדירו מדד למרחק בין עצים. כל אב קדמון בעץ מסוים (צמתים אדומים באיור 4א) מגדיר קבוצה של מינים שהם צאצאיו; לפיכך, עץ של 11 מינים מגדיר 10 קבוצות, שכל אחת מהן כוללת מינים בדרגת קרבה מסוימת. פני וקבוצתו מדדו את המרחק בין זוג עצים כמספר "קבוצות הקרבה" המוגדרות  על-ידי אחד העצים ולא על ידי האחר. אם, למשל, נותיר את כל העץ באיור 4א על כנו, למעט תת-העץ שכולל את הפרה, הכבשה והחזיר, שאותו נשנה כמתואר באיור 4ב, אזי המרחק בין העץ המקורי לעץ החדש יהיה 2, שכן בעץ האחד הפרה והכבשה יופיעו כקבוצה, בשני הכבשה והחזיר הם שיופיעו כקבוצה, כשכל שאר הקבוצות זהות. אחרי שמדדו את המרחק בין זוג עצים, פני וקבוצתו חישבו את ההסתברות שיימצא מרחק שווה או קטן יותר בין עצים שנבחרו באקראי.

הם מצאו דמיון מעורר השתאות בין העצים שנבנו על סמך החלבונים השונים. ההסתברות שדמיון כזה, או גדול ממנו, יתקבל באקראי, קטנה מאחד ל-10¹² (מיליון מיליונים). תוצאה זו תואמת את ציפיותינו על- פי התיאוריה האבולוציונית, לפיהן הדמיון בין החלבונים השונים משקף עץ פילוגנטי יחיד, שמתאר את יחסי הקרבה ההיסטוריים בין המינים. כאשר פני וקבוצתו השתמשו בחמשת החלבונים יחדיו, הם קיבלו את אותו עץ שמצאו סיסטמטיקאים על סמך השוואות אנטומיות בין מינים וממצאים פליאונטולוגיים הרבה לפני עידן ה-DNA.

כאשר המחקר פורסם – ב-1982, סך כל רצפי ה-DNA שהיו ידועים מכל המינים, הסתכם בפחות ממיליון אותיות. זהו מספר האותיות בספר באורך בינוני. כיום, המספר הזה גדל פי מאה אלף (>10¹¹). אילו היינו רושמים את האותיות בספרים ומניחים את הספרים זה על גבי זה, גובה הערימה היה כפול מעומקו של הגרנד קניון. המספר הזה מכפיל את עצמו כל 18 חודשים לערך. בתוך אוקיינוס הרצפים הזה ההתאמות בין עצים מהסוג שפני וקבוצתו מצאו, חוזרות על עצמן פעם אחר פעם - עם הרבה יותר מחמישה חלבונים, ובקבוצות מינים מכל רחבי עולם החי והצומח. כמו כן, על-פי רוב העצים מבוססי ה-DNA דומים מאוד לאלה ששיחזרו סיסטמטיקאים. אילו היינו מבצעים חשבון כמו זה שתואר לעיל על סמך הרצפים שידועים היום, היינו נדרשים לרבבות אפסים על מנת לתאר את גודלה הזעיר של ההסתברות לכך שההתאמות הללו יתקבלו באקראי. לעומת זאת זה בדיוק מה שהיינו מצפים לראות על-פי התיאוריה האבולוציונית.

אפשרות העקרונית של תצפית אשר תשנה את תפיסתנו, או של רעיון שנעלם מעינינו עד כה, היא נשמת אפה של העשייה המדעית, ולכן יש נטייה להימנע מהכרזות על ודאות במדעי הטבע. עם זאת, ניתן לומר שהביטחון שלנו בטענות היסוד של התיאוריה האבולוציונית אינו נופל מזה שיש לנו במוצלחות שבתיאוריות המדעיות, כמו אלה של הפיזיקה או הכימיה.

ניתן בהחלט גם לומר, שהטענות הללו מבוססות הרבה מעבר לספק הסביר. הבחירה במינוח המשפטי בהקשר הזה איננה מקרית. עדויות מבוססות DNA חוללו מהפכה במשפט הפלילי, שכן הזיהוי של שאריות DNA בזירת פשע אמין ומדויק לאין ערוך מהזיהוי על-פי שאריות אריג או על-פי ניתוח של טביעות אצבעות, למשל. השימוש בעדויות כאלה כבר הוביל לזיכויים בדיעבד במאות מקרי רצח ברחבי העולם. כמו כן, בדיקות DNA מהוות ראיה מכרעת בנוגע לשאלת האבהות. ברפואה, בדיקות גנטיות לקביעת נשאות של מחלות גנטיות הן כבר דבר שבשגרה, ובחזית המחקר הביו-רפואי הפך ניתוח הקשרים בין הבדלים ב-DNA למחלות לתחום מרכזי. כלומר, עדויות כמו אלו שתיארנו כאן, ממלאות תפקיד הולך וגדל ולעתים אף הרה גורל, בתחומים רבים ומתרחבים בחיינו. ההבדל הוא, שסך העדויות המאששות את טענותיה של התיאוריה האבולוציונית, גדול לאין שיעור מזה המשמש במשפט וברפואה.

התיאוריה האבולוציונית הייתה בקונצנזוס המדעי הרבה לפני עידן הDNA ובמיוחד מאז שנות השלושים של המאה העשרים, עת הסינתזה המודרנית של הגנטיקה והדרוויניזם יישבה בין השינויים האבולוציוניים שאנחנו רואים בטבע ובחקלאות ובין חוקי הגנטיקה של מנדל.  העדויות שתיארתי כאן אינן אלא דוגמאות ספורות מני רבות, שמגיעות ממגוון רחב של תחומים, החל בזואולוגיה וכלה בביולוגיה המולקולרית והחישובית, וממשיכות לבסס את ההסכמה הזאת. כיום, איסוף עדויות לאבולוציה משמש בעיקר למטרה פדגוגית ואיננו נושא מחקר מרכזי בפני עצמו. למותר לציין שכלים של אנליזה אבולוציונית ממלאים היום תפקיד מרכזי בתחומים רבים במדעי החיים וברפואה.

אין פירוש הדבר שחקר האבולוציה הוא תחום פתור וסגור. ההפך הוא הנכון. שאלות על דרך פעולתם של תהליכי האבולוציה, אשר מאפשרים את היווצרותן של מערכות ביולוגית מופלאות, מווירוסים ועד המוח האנושי, הן נושא למחקר מרתק, אינטנסיבי ופורה מאי-פעם. הגישה לרצפי DNA חוללה, ועודנה מחוללת, מהפכה במחקר האבולוציוני, משום שעקבות תהליכי האבולוציה רשומות לאורכם ולרוחבם של הגנים, והן רק מחכות לנו שנבוא ונקרא בהן.