מהיכן מגיע המידע הביולוגי?

הלוחמה המודרנית תלויה מאוד בתקשורת מהימנה. טלפונים קוויים ותקשורת אלחוטית משחקים כבר מזמן תפקיד מכריע בשליטה ובבקרה הצבאיים. ובכל זאת, עדיין נתונים שני ערוצי התקשורת הללו להפרעות באותות, כפי שיודע היטב כל מי שניסה להעביר הוראות בטלפון נייד מחוץ לטווח קליטה. במהלך מלחמת העולם השנייה, הזמין צבא ארצות הברית מחקר על אודות עקרונות התקשורת, אצל קלוד שנון, חוקר במעבדות בל. התוצאות של בדיקתו פורסמו בשנת 1949 תחת הכותרת The Mathematical Theory of Communication והספר הפך חיש מהר לקלאסיקה. 

התיאוריה של שנון מתבסת על קשר ישיר בין מידע ואנטרופיה. נדמיין שיחה עם חבר, בקו טלפון עם רעשי רקע. ברור כשמש שרעש הרקע אינו מוסיף אף פעם דבר לשיחה, אך הוא עלול למנוע ממך קבלת חלק מהמידע. תובנתו הגדולה של שנון היתה בכך שהבחין בעובדה שרעש הוא צורה של חוסר סדר, או אנטרופיה. מנגד, אות מייצג סדר: נשווה בין הנקודות והקווים המסודרים בקפידה של צופן המורס לבין קולות הנפצוצים של הפרעות אלקטרוסטטיות. בתיאוריה של שנון, הוא מתייחס למידע כאל ההפך מאנטרופיה.

מסיבה זו, מתייחסים לעיתים למידע כאל אנטרופיה שלילית. כאשר מידע הולך לאיבוד בערוץ תקשורת רועש, האנטרופיה עולה. לכן זו דוגמה נוספת לחוק השני של התרמודינמיקה השורה בכול. לכן ניתן להתייחס לשיבושי האותות בשתי דרכים שקולות זו לזו: כרעש החודר לערוץ, או כמידע הדולף החוצה. נקודת מבט חדשה זו על האנטרופיה יכולה לחול באופן כללי למדי על מערכות פיזיקליות. אפשר אם כן לחשוב על החוק השני כעל עלייה באנטרופיה או כעל ירידה בתכולת המידע של המערכת.

מובן שאת רעיונותיו של שנון ניתן ליישם על אורגניזמים ביולוגיים, שכן מידע הוא אחד המאפיינים המגדירים אותם. הדנ"א מאכסן את המידע הנחוץ לבניית האורגניזם ותפעולו. היבט אחד של תעלומת הסדר הביולוגי יכול אם כן להיות מבוטא על ידי השאלה: מהיכן מגיע המידע הביולוגי? תיאוריית התקשורת – או כפי שהיא מוכרת היום, תיאוריית המידע – גורסת שרעש הורס מידע, ושהתהליך ההופכי, יצירת מידע על ידי רעש, ייראה לנו כנס. מסר שיופיע מעצמו מתוך הפרעות רדיו יפתיע באותה מידה שתפתיע גאות היוצרת עקבות רגליים על החוף. חזרנו לבעיה הישנה: החוק השני של התרמודינמיקה מתעקש על כך שמידע לא יכול להיווצר ספונטנית כפי שחום אינו יכול לזרום ספונטנית ממקום קר למקום חם.

הפתרון לבעיה יכול להימצא שוב בעובדה שהאורגניזם אינו מהווה מערכת סגורה. תכולת המידע של תא חי יכולה לעלות אם המידע בסביבתו יורד. דרך נוספת לבטא זאת היא שמידע זורם מן הסביבה אל תוך האורגניזם. במהותה זו היתה כוונתו של שרדינגר כאשר אמר שהאורגניזם מתקיים על ידי "שתיית סדר" . החיים נמנעים מבליה על ידי החוק השני של התרמודינמיקה באמצעות יבוא מידע, או אנטרופיה שלילית, מסביבתם. המקור, אם כן, למידע ביולוגי, הוא סביבתו של האורגניזם.

הן חילוף החומרים והן ההתרבות מונעים על ידי זרם מידע מהסביבה אל המערכת הביולוגית. המזון מכיל אנרגיה מסודרת או מועילה , עשירה במידע. חשבו על המולקולות האורגניות המורכבות כעל פיסות קטנות של צופן מורס. חום הגוף הוא אנרגיה מבוזבזת, ענייה במידע, כמו קו טלפון עמוס רעשי רקע בלבד. זה המחיר שגובה החוק השני. אבל האורגניזם גדל בכל זאת, על ידי ריכוז מידע בתוך עצמו, וייצוא האנטרופיה.

במקרה של רבייה, תכולת המידע של הדנ"א משתנה הרבה יותר לאט – משך דורות רבים – כתוצאה ממוטציות אקראיות. מוטציות הן המקבילה הביולוגית לרעשי רקע בקו הטלפון. ה"אות" הוא הדנ"א החדש שזה עתה נוצר. מוטציות מוצלחות הן אלה המותאמות טוב יותר לסביבתן, ולכן הסביבה היא זו המספקת, או יותר נכון בוררת, את המידע שיהיה בסופו של דבר בדנ"א. כך מזינה הסביבה את המידע לתוך המסר הגנטי באמצעות הברירה הטבעית.

התבוננות במאבק לקיום במונחים של דעיכה וזרימה של מידע, מעוררת שאלה מסקרנת. האם מוטציות הן חדשות טובות או חדשות רעות? אם שכפול הגנום היה נאמן למקור במאה אחוז, לא היו החיים מסוגלים אף פעם להתאים עצמם לנסיבות המשתנות, וההכחדה היתה בלתי נמנעת. מצד שני, יותר מדי טעויות בהעתקה, והמסר הגנטי יתדלל, ובסופו של דבר יאבד. כדי להצליח, צריך המין להגיע לאיזון בין מוטציות רבות מדי למעטות מדי.

אנו יכולים לראות את הפשרה הזאת בפעולה בחיינו שלנו. כשהייתי בן שבע שנים, מתה דודה מבוגרת שלי משחפת. היתה זו הפעם הראשונה שבה שמעתי על חולִי השחפת שהיה מפחיד פעם, והיתה זו גם הפעם האחרונה למשך זמן רב. אפילו בשנות החמישים המוקדמות של המאה העשרים, הפך המוות ממחלה עתיקה זו נדיר בבריטניה, ומספר המקרים ירד בעשור שלאחר מכן במהירות והפך כמעט לזניח.

גילוי האנטיביוטיקה סטרפטומיצין בשנת 1943, ובעקבותיו השימוש בחיסון BCG סילקו את השחפת ביעילות מסדר היום הציבורי. עד עתה. לפתע חזרה השחפת לחדשות כרוצח החדש ביותר העמיד לתרופות. יחד עם זנים חדשים של סלומונלה, זיבה, ודלקת ראות, מאיימת השחפת לשוב ולהוות סכנה בריאותית ממדרגה ראשונה. מה קורה?

חלק מהתשובה נמצא באופן בו מסוגלים החיידקים לעבור מוטציה במהירות גבוהה מאוד. דבר זה, בשילוב עם יכולתם להתרבות במהירות עצומה, כמעט מבטיח שהם יתגברו על כל תרופה שישליך עליהם מקצוע הרפואה. לא חשוב עד כמה גדולה המהירות בה מגיעים החוקרים עם אנטיביוטיקה חדשה, מזנקים מחוללי המחלות המשתנים תמיד צעד אחד לפניהם.

המלחמה בין הרופאים לחיידקים היא דוגמה טובה לאבולוציה הדארווינית בפעולה. למרות שמצב המחלות המדבקות מסובך על ידי גורמים רפואיים שונים, ניתן לראות עיקרון פשוט בתהליך השכפול הבסיסי.

כפי שכבר הסברתי, טעויות בהעברת המידע הן כמו רעשים, או אנטרופיה, בערוץ תקשורת. הרעש גורם למידע לזלוג החוצה – במקרה הזה מדובר במידע גנטי. כנגד השיבוש ההדרגתי הזה במסר הגנטי, נמצאת הברירה הטבעית, המשמשת כמקור מידע. אם הסביבה אינה מסוגלת להחזיר לגנום, באמצעות הברירה הטבעית, אותה כמות מידע שדלפה החוצה, יגיעו בסופו של דבר הטעויות לנקודה שבה תשבשנה את תהליך ההעתקה עצמו, וההתרבות תגיע לקִצה. מצב עניינים נורא כזה כונה על ידי הביוכימאי הגרמני מנפרד אֵיגן "קטסטרופת השגיאה".

ביכולתנו לכמת את קטסטרופת השגיאה על ידי כך שנשאל כמה פיסות מידע קיימות באורגניזם, וכמה מהן יכולות לזלוג החוצה לפני ששושלת מסויימת תימחה מעל פני האדמה. איגן הדגים את העובדה שככל שיש לאורגניזם מספר גדול יותר של גנים, כן חייב שיעור השגיאות להיות נמוך, בכדי למנוע את קטסטרופת השגיאה (בפרופורציה הפוכה פשוטה). במילים אחרות, העתקה רשלנית הורגת אורגניזמים מורכבים. לאורגניזם מפותח יחסית יש כ- 100,000 גנים, המסוגלים לאכסן כמאה מיליון פיסות מידע, שכל אחת מהן חשופה לשגיאות העתקה.

בהערכה גסה, אם שיעור השגיאות נמוך מאחד חלקי מאה מיליון לשכפול, תימנע קטסטרופת השגיאה. ומנגד, החיידקים, שיש להם הרבה פחות גנים, יכולים להסתדר גם עם שיעור שגיאות גבוה בהרבה. נראה שהטבע מכיר את החוק של איגן. תאים כמו שלנו מצליחים להקטין את שיעור השגיאה שלהם לבערך אחד למיליארד, בעוד שאצל החיידקים הקצב גבוה בהרבה – בסביבות אחד למיליון. מכאן נובעות הבעיות עם מוטציות עמידות לתרופות. עבור הנגיף, שמספר הגנים שלו קטן עוד יותר, שיעור המוטציות יכול להיות גבוה אף יותר. שיעור השגיאות האופטימלי עבור כל מין יהיה בדרך כלל בדיוק מתחת לקטסטרופת השגיאה, דבר המספק פשרה בין יציבות לגמישות.

לקטסטרופת השגיאה חשיבות מכרעת בבעיית הביוגנזה. באורגניזמים מודרניים, ישנם מנגנונים מתוחכמים להגהה ותיקון שגיאות, שתפקידם לשמור על שיעור שגיאות נמוך. תאים משתמשים לעתים בקבוצה של אנזימים, שהתפתחו משך מיליארדי שנים, כדי לשכלל ולשפר את תהליך ההעתקה. שום אנזים מעין זה לא היה זמין לאורגניזמים הראשונים. תהליך השכפול שלהם היה חייב להיות עתיר שגיאות. על פי החוק של איגן, פירושו של דבר הוא שאם האורגניזמים הראשונים הצליחו להתחמק מקטסטרופת השגיאה, סימן שהגנומים שלהם (או המשכפלים הפרֶהביוטיים) היו חייבים להיות קצרים מאוד.

אבל כאן אנו נתקלים בפרדוקס. אם הגנום קצר מדי, הוא אינו מסוגל לאצור די מידע לבניית מנגנון ההעתקה עצמו. איגן האמין שאפילו ציוד השכפול הפשוט ביותר זקוק להרבה יותר מידע מכפי שניתן היה לאכסן אי פעם ברצף פרימיטיבי של חומצות גרעין. 10 כדי להגיע לדרגת האורך הדרושה לקוד עבור אנזימי ההעתקה הנחוץ, מסתכן הגנום בכך שייפול קורבן לאותה קטסטרופת שגיאה נגדה הוא מנסה להיאבק. ואם לבטא זאת בצורה פשוטה: גנומים מורכבים דורשים העתקה מהימנה, והעתקה מהימנה זקוקה לגנומים מורכבים. אז מה בא קודם? פרדוקסים כאלה של הביצה והתרנגולת אופינים לבעיות הביוגנזה.

עד כה השתמשתי כלאחר יד במונח מידע. מדעני המחשב מקפידים להבחין בין תחביר לבין סמנטיקה. מידע תחבירי הוא פשוט נתונים גולמיים, מסודרים אולי על פי חוקי הדקדוק, בעוד שמידע סמנטי יש בו סוג מסויים של הקשר או מובן. מידע כשלעצמו אינו חייב שיהיה לו מובן. פתיתי השלג מכילים מידע תחבירי בסידור הספציפי של צורותיהם המשושות, אבל הדפוסים הללו חסרי תוכן סמנטי, אין בהם שום משמעות החורגת מהמבנה עצמו.

מנגד, התכונה המיוחדת של המידע הביולוגי היא, שהוא גדוש משמעות. הדנ"א מאכסן את ההוראות הדרושות לבניית אורגניזם מתפקד; זו התוכנית, או האלגוריתם למוצר מפורט ומוגדר מראש. פתיתי שלג אינם מקודדים דבר ואינם מסמלים דבר, בעוד הגנים עושים זאת בפירוש. כדי להסביר את החיים הסבר מלא, לא מספיק פשוט לזהות מקור לאנרגיה חופשית, או אנטרופיה שלילית, המספק מידע ביולוגי. עלינו להבין גם כיצד נוצר מידע סמנטי. המסתורין האמיתי כאן הוא טיבו של המידע, ולא עצם קיומו. כל העניין הזה של קונפליקט עם החוק השני של התרמודינמיקה היה בעיקר הסחת דעת מהנושא העיקרי.

המקור למידע סמנטי יכול להיות רק סביבתו של האורגניזם, אבל כאן מתבקשת השאלה כיצד הגיע המידע לסביבה מלכתחילה. בטוח שהוא אינו ממתין, כמו קטעים של תוכנית שקיימת מראש, לטבע שיחבר אותם יחדיו. הסביבה איננה מתכנן אינטיליגנטי. אז מה ידוע לנו על תכולת המידע של הסביבה עצמה? למעשה, למה הכוונה כאן כשאומרים "הסביבה"? בית הגידול של האורגניזם? הביוסיפרה? מערכת השמש? בסופו של דבר, הסביבה היא כל היקום כולו. כשהולכים לאורך שרשרת הסיבתיות, הופכת השאלה לשאלה קוסמולוגית. ואז אנו מעומתים עם השאלה האולטימטיבית: מהיכן הגיעה תכולת המידע של היקום?