מתי פו-שואנג לי, ביוכימאי ומדען מחקר במכון ווייטהד בקיימברידג', מסצ'וסטס, נזקק לקצת אבקה למחקר שלו, הוא ידע בדיוק לאן ללכת. בכל אביב, עצי האורן המצלצלים ב-Wolden Pond בקונקורד משחררים עננים של אבקה זהוב שמצפים את המים ומתאספים במערבולות גלקטיות על החוף. הנרי דיוויד ת'רו, שבילה שנתיים ליד הבריכה בשנות הארבעים של המאה ה-1840, סוגר את התיאור המפורסם שלו על החוויה בתיאור כל כך הרבה אבקה, "היית יכול לאסוף חבית".
לי השתופפה על שפת הבריכה בקפוצ'ון שחור ומכנסי טרנינג, טבלה במבחנה, שואבת כמה מאות מיליליטר מים, עמוסים באבקה וכל מה שגדל בה. זה היה רחוק מלהיות מלא מהחומר, אבל זה הספיק יותר ממאמצים של לי לחקור את המבנה המולקולרי של הקליפה החיצונית של אבקה. החומר המרכיב את הקליפה, הנקרא ספורופולנין, כל כך קשיח שלעתים נקרא היהלום של עולם הצומח.
במשך יותר ממאה שנה, מדענים ניסו להבין את הבסיס הכימי לחוזק שאין שני לו. Sporopollenin מגן על ה-DNA באבקה ובנבגים מפני אור, חום, קור והתייבשות. בלעדיו, צמחים לא יוכלו לחיות ביבשה. אבל הקשיחות של ספורופולנין הקשתה לחקור אותו, אפילו עשרות שנים לאחר שהמבנים המולקולריים של תאית, ליגנין ופולימרים צמחיים בסיסיים אחרים התלבטו. "הטבע פיתח ספורופולן כדי להתנגד לכל התקף", אמר לי. "כולל על ידי מדענים."
אולם לאחרונה, ייתכן שההגנות של ספורופולנין התגברו. בשנת 2018, לי וחוקרים אחרים ב-Whitehead, בראשות הביולוג הצמחי ג'ינג-קה וונג, פרסם את המבנה השלם הראשון של ספורופולנין. עבודות שלאחר מכן של הצוות, שחלקן עדיין לא פורסמו, מילאה פרטים נוספים על האופן שבו קבוצות שונות של צמחים כוונו את המבנה הזה כדי לענות טוב יותר על הצרכים שלהם. המבנה המוצע שלהם והראייה המשופרת של ספורופולנין שהוא מציע אינם חפים מוויכוחים, אך הם הבהירו את תפקידה החיוני של המולקולה בסיוע לצמחים לכבוש את הארץ.
האניגמה האינרטית
כל צמחי הזריעה מייצרים אבקה; צמחי אדמה אחרים, כגון אזוב, מייצרים נבגים. נושאת מחצית מהמידע הגנטי שהצמחים צריכים כדי להתרבות, אבקנים ונבגים נעים בסביבה על הרוח או על בעל חיים מועיל, כדי להגיע לצמח אחר ממינו ולהפרות את תא הביצי שלו. אבל לאורך הדרך, אבקנים ונבגים צריכים להתמודד עם סכנות שנעות מהתייבשות לקרני השמש האולטרה סגולות ועד חרקים רעבים. מאז שצמחים מצאו רכישה לראשונה על אדמה לפני כ-470 מיליון שנה, שמירה על בטיחות המידע הגנטי בתוך אבקה ונבגים במהלך מסעם להפריה הייתה חשובה ביותר.
האסטרטגיה העיקרית שבה נוקטים צמחים כדי להגן על ה-DNA הזה היא לעטוף אותו במעטפת מיוחדת של ספורופולנין, אטומה ליסודות ובין החומרים הקשים ביותר שמיוצרים על ידי כל יצור חי. הוא נמצא שלם בסלעים בני חצי מיליארד שנה. א נייר 2016 מצא שבגלל חוסנו של ספורופולנין, נבגים שמרו על יציבותם בסדני יהלום בלחץ של 10 ג'יגה-פסקל, או 725 טון לאינץ' רבוע.
חוקרים ידעו ותהו על ספורופולן לפחות מאז 1814. הם הבחינו שגם לאחר ששאר גרגר אבקה או נבג הומס כימית משם, תמיד נשאר חומר מוזר. במשך רוב המאה הבאה, אלה שחקרו אותו בנבגים ובאבקה עבדו בנפרד, והתייחסו אליו באופן בלעדי כאל ספורונין או פולנין. זה זכה לכינוי ספורופולנין ב-1931 כדי לפייס את שתי הקהילות.
במשך עשרות שנים לאחר מכן, הידע על המולקולה הסתיים במידה רבה בשם. חוקרים זיהו שספורופולנין יכול להיות המפתח להבנת האופן שבו צמחים כבשו כמעט כל בית גידול על פני כדור הארץ, והם חלמו להשתמש בחומר לכל דבר, החל מציפוי קליפות של ספינות ועד להגנה על חלבונים שבירים בחיסונים דרך הפה. אבל קבלת המבנה וההרכב הכימי של ספורופולנין הייתה תנאי מוקדם לכל עבודה נוספת, וספורופולנין תסכל כל מאמץ.
כימאים קובעים בדרך כלל את המבנה של מולקולה מורכבת על ידי פירוקה לחלקים המרכיבים אותה, מציאת המבנה של אלה, ואז חיבורם יחד. אבל ספורופולנין היה אינרטי מכדי שהסוכנים הכימיים הרגילים יוכלו לעכל אותו. החל משנות ה-1960, שיטות ביוכימיות חדשות וספקטרומטריית מסה עשו התקדמות מסוימת במבנה ובהרכב הכימי, וביולוגים מאוחר יותר אף הסיקו כמה פרטים מהידע על הגנים והתהליכים האנזימטיים המסנתזים את הספורפולנין.
אולם אף אחת מהשיטות הללו לא יכלה לספק תמונה מלאה של המולקולה. נראה שלספורופולנין יש שני עמודי שדרה מקבילים העשויים ממולקולות הנקראות פוליקטידים, לא שונה מעמודי השדרה של הסוכר בסליל הכפול של ה-DNA. נראה היה שעמודי השדרה הללו קשורים במארג של קישורים מסוגים שונים. אבל השרטוט הזה לא היה שלם, וחלק מהממצאים מהשיטות הביוכימיות והגנטיות התנגשו זה בזה.
"הדבר היחיד שכולם הסכימו עליו הוא הנוסחה האמפירית להרכב הפחמן, המימן, החמצן", אמר. יוסף בנוב, פרופסור לכימיה וביוכימיה באוניברסיטת ממוריאל בניופאונדלנד בקנדה.
Pitch Pine Perfect
לי התחיל לעבוד על ספורופולנין זמן קצר לאחר שהצטרף למעבדה של וונג במכון ווייטהד כפוסט דוקטורט בשנת 2014. בשכונת קיימברידג' בקנדל סקוור, שם המחקר הביו-רפואי הוא האובססיה העיקרית, המעבדה היא אחד המקומות הבודדים שבהם אנשים חוקרים צמחים, עם התמקדות מחקרית על הגלקסיה של מולקולות בוטניות שנותרו לא מאופיינות.
Sporopollenin היה אתגר שאי אפשר לעמוד בפניו עבור לי. תפקידו היה ידוע, והגנים לייצורו היו בכל צמח המייצר זרעים ונבגים, מה שמרמז שספורפולן הוא הסתגלות בסיסית המאפשרת לצמחים לחיות על היבשה ממש בתחילת בריחתם מהאוקיינוסים. (חלק מהמינים של אצות גם מייצרים חומר דמוי ספורופולנין, מה שמרמז שצמחי יבשה התאימו את הביוסינתזה של אותה מולקולה במהלך האבולוציה שלהם.) עם זאת, הכימיה מאחורי יכולת זו נותרה מטושטשת.
זה היה פיוטי אם עבודתו המוקדמת של לי על ספורפולן הייתה משתמשת באבקה שנאספה ממימי בריכת וולדן. אבל הנוחות גברה על הרומנטיקה: האבקה שהצוות שלו חקר בתחילה הוזמנה מאמזון. (אבקה מאורן זפת, שמייצר בשפע את החומר, נמכרת באופן נרחב כתוסף בריאות.) השאר הגיעו מקייפ קוד.
במשך חודשים, לי ומשתפי הפעולה שלו ערכו בדיקות ניסוי וטעייה על תרכובות שיכולות לבזות ביו-פולימרים קשים אחרים. בסופו של דבר, הם פיתחו תהליך רב-שלבי חדש שיכול לקחת דגימות של אבקה, לדפוק אותן במכונת כרסום כדורים ולשבור כימית את מולקולות הספורופולנין הכלולות. מחצית מכל מולקולה התפרקה לשישה חלקים נפרדים שניתן היה לאפיין אז על ידי ספקטרומטריית מסה.
החצי השני של המולקולה, שאותה כינו קבוצת R (עבור "סורר"), התפרק רק כאשר ערבבו עם חומר ממיס אחר. הם יכלו לקבל תצוגה חלקית של R בדרך זו, אבל התהליך השפיל תכונות אחרות של המולקולה, ולכן הקבוצה של לי פנתה לטכנולוגיה אקזוטית יותר, ספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית, כדי לאפיין אותה.
פרחים עשו את ההבדל
פרי העבודה, נייר פורסם ב צמחים בדצמבר 2018, הציע את המבנה המולקולרי השלם ביותר של ספורופולנין עד כה.
בשיחה, לי השתמש בידיו כדי לתאר את הצורה המורכבת של המבנה. עם האגודל והאצבע שלו, הוא הראה כיצד מולקולות ארומטיות תלויות על עמוד השדרה בצורות L מתחלפות. הוא הדגים כיצד עמוד השדרה קשור בחיבורים הצולבים על ידי הפניית יד פחוסה אחת לתוך השנייה בזווית, כאילו הוא עוסק באיזו צורה מוזרה של תפילה. היחידות הבסיסיות הללו מתחברות יחד ליצירת מעטפת האקסין השלמה, שלובשת צורות שונות בתכלית בצמחים שונים, אם כי תת-היחידות המולקולריות הבסיסיות דומות ביסודן.
המבנה נתן אמון ברעיון שהקשיחות של ספורופולין נובעת מהקשרים המגוונים והקלוועים בין עמודי השדרה. קישורי אסטר ואתר אלה עמידים, בהתאמה, לתנאים בסיסיים וחומציים; יחד הם מתנגדים לשניהם. המבנה שהקבוצה של לי הציעה כלל גם כמה מולקולות ארומטיות שידועות כעמידות לאור אולטרה סגול, מה שהביא ליכולתו של ספורפולנין לשמור על DNA מהיסודות.
"ללא החידושים המטבוליים האלה, צמחים לא היו מסוגלים לנדוד ממים ליבשה מלכתחילה", כתב וונג באימייל אל מנה.
לאחרונה, לי ועמיתיו השתמשו בשיטתם כדי לאפיין ספורפולן מיותר מ-100 מיני צמחים יבשתיים מגוונים שנאספו מגנים בוטניים ברחבי צפון מזרח ארצות הברית. לדברי לי, שמתכוננת להגיש את תוצאות המחקר לפרסום, המבנה של ספורופולן משתנה בין סוגי צמחים בדפוס מוזר.
הם מצאו שג'מנוספרמים, קבוצת צמחי היבשה הכוללת ציקדים ועצי מחט כמו אורן זפת, וצמחי האדמה הנמוכים יותר כמו טחבים ושרכים נוטים להיות בעלי ספורופולינים ארוכים דומים. זה הגיוני מכיוון שהצמחים הללו מפיצים את האבקה שלהם ברצון על הרוח; הם זקוקים לספורופולנין בעל שרשרת ארוכה כדי להגן עליו.
אבל בקרב אנגיוספרים, או צמחים פורחים, המצב מורכב יותר. הפרחים שלהם מצלים על האבקה שלהם מפני שמש והתייבשות, וחרקים מעבירים אבקה ביעילות מפרח לפרח, וממזערים את החשיפה לסיכונים אחרים. כתוצאה מכך, אנגיוספרמים אינם זקוקים לספורופולן שלהם כדי להיות חזקים בצורה אחידה כל כך.
והכנת ספורופולנין ארוכות שרשרת היא תהליך עתיר אנרגיה, אמר לי, אז "כאשר פרחים התפתחו, הם לא רצו לייצר ספורופולנין דמוי אורן יותר." על פי לי וונג, נראה כי הבדלים משמעותיים התפתחו בין הספורופולינים המיוצרים על ידי שתי הקטגוריות העיקריות של אנגיוספירמים, חד-צמיתיים וד-קוטביים, המתפצלים במבני העוברים, כלי הדם, הגבעולים, השורשים והפרחים שלהם.
כמובן, ההבחנות אינן מוחלטות. כמה צמחים פורחים אכן מייצרים ספורופולנין עם מבנה דמוי אורן, אמר לי. "אולי אם היו לנו עוד 6 מיליון שנים, הם עלולים לאבד את התפקוד של אלה", או שאולי יש בלמים ואיזונים אקולוגיים אחרים במשחק המשמרים את המבנה הספורופולנין הזה עבור קבוצות מסוימות של צמחים.
"אבולוציה היא לא קו," אמר לי. "כמו הלווייתנים. בשלב מסוים הם חיו ביבשה; עכשיו הם חיים באוקיינוס." עם זאת, ללוויתנים עדיין יש כמה מאפיינים של חיות יבשה. אולי כמה אבקני פרחים שומרים על עקבות מיושנים מההיסטוריה שלהם.
הפולימר המסתורי
חוקרי צמחים אחרים מסכימים שהעבודה המבנית של לי ו-וונג על ספורופולן שיפרה את הידע שלנו על המולקולה. אבל לא כולם משוכנעים שהצעתם נכונה או שהיא מסיימת את החיפוש שנמשך מאה שנים אחר מבנה הספורופולנין.
"זה היה הרבה יותר ברור מבעבר", אמר ג'ונג-נאן יאנג, ביולוג שלומד ספורופולנין באוניברסיטת שנגחאי רגילה. "אבל זה צריך להיות מאומת." לדבריו, לי ועמיתיו עדיין חייבים לזהות את הגנים האחראים לאנזימים הדרושים לייצור תכונות מסוימות של ספורופולן אורן.
A מחקר 2020 שמטרתו "להסיר מיסטיקה ולפרום" את המבנה המולקולרי של ספורופולן היווה אתגר ישיר יותר. באמצעות שלל שיטות ועבודה על ספורופולנין מטחב קלאב ולא אורן, הקבוצה של באנוב באוניברסיטת ממוריאל הגיעה למבנה ששונה בכמה מובנים חשובים מזה שהוצע על ידי לי וונג. והכי חשוב, אמר באנוב, "הוכחנו שאין תרכובות ארומטיות בתוך הספורופולנין." הפער, הוא חושב, עשוי להיות מוסבר על ידי הבדלים בין ספורופולנין באורן וטחב מועדות.
"הדעה האישית שלי היא שהם לא נכונים", אמר לי, אבל הוא מעדיף לא להגיב יותר עד שכמה תוצאות רלוונטיות מהמעבדה שלו יהיו מוכנות לפרסום.
"זה עדיין הפולימר המסתורי למדי", אמר טיגן קוויליצ'יני, ביולוג צמחי במועצת המחקר הלאומית של קנדה. למד ספורופולנין, באימייל. 'למרות מה שמציעים כמה דיווחים".
קשה אבל עדיין אכיל?
למרות המחלוקות על המבנה שלהם עבור ספורפולנין, לי ואחרים במעבדת וונג עברו לשאלה אבולוציונית אחרת: האם הטבע הבין כיצד לפרק את החומר הכמעט בלתי ניתן להריסה זה שהוא הרכיב?
בעודו טייל ברחבי בריכת וולדן בחיפוש אחר פתחים מצופים באבקה אחרים, לי השווה את הספורופולנין לליגנין, הפולימר הצמחי שמחזק עץ וקליפת עץ. לאחר שצמחים עציים התפתחו לראשונה לפני כ-360 מיליון שנה, התיעוד הגיאולוגי מראה שפע של ליגנין מאובן בשכבות במשך עשרות מיליוני שנים. ואז פתאום לפני כ-300 מיליון שנה, הליגנין נעלם. היעלמותו מסמנת את הרגע שבו פטרייה בשם ריקבון לבן התפתחה אנזימים המסוגלים לפרק את הליגנין ואכלה הרבה ממנו לפני שהספיקה להתאבן.
לספורפולן, טען לי, חייב להיות גם פטרייה או חיידק אחר המסוגל לפרק אותו. אחרת היינו טובעים בחומר. החישובים האחוריים של המעטפה של לי הם ש-100 מיליון טון של ספורופולנין מיוצרים ביערות מדי שנה. זה אפילו לא מסביר את הספורופולנין המיוצר על ידי עשבים. אם שום דבר לא אוכל את זה, לאן כל זה הולך?
זו הסיבה, כמקור למדגם האבקה האחרון שלו, לי בחר לוותר על אמזון פריים לטובת יום ב- Walden Pond. תצפיות של הצוות שלו מצביעות על כך שכמה מיקרואורגניזמים הגדלים בצלחות פטרי יכולים לשרוד כשהם מוזנים רק מספורפולנין וחנקן. דגימות מוולדן, המלאות באופן טבעי בקהילות מיקרוביאליות באגם, אמורות לעזור ללי לקבוע אם אוכלוסיות של פטריות וחיידקים אחרים בטבע יכולות לפתוח את החומרים התזונתיים במולקולות הבלתי שבירות לכאורה של ספורפולן.
כשנשנשנו אצות וחטיפי גרנולה ליד שפת הבריכה, היה קל לראות את כל הסיטואציה מנקודת המבט של הפטריות. הטבע שונא לבזבז ארוחה - אפילו ארוחה כל כך קשה ללעיסה.
