הסדר הפיזיקלי החבוי מוכיח: גם מערבולות שומרות על "ריחוק חברתי"

תנועת חלבונים בקרום התא (ממברנה) היא אחת הבעיות שמעסיקות פיזיקאים, כימאים וביולוגים רבים. מהעבר השני, בסקאלה הגדולה פי כמה מיליארדים, תופעות אטמוספריות ואוקיינוגרפיות שונות עומדות אף הן בעין הסערה של העיסוק הפיזיקלי. על אף שנראה כי מערכות אלה מבולגנות לחלוטין ומבוססות על תנועה אקראית וכאוטית, מחקר חדש מראה כי ישנם מבנים סדורים בתוך שתיהן, והם מתנהגים לפי אותו סט כללים פיזיקליים.

"במחקר החדש הראינו כי הדינמיקה של חלבונים בממברנה זהה לזו של מערבולות בזורם אידיאלי כמו למשל בתופעות מזג אוויר," מסברירה ד"ר נעמי אופנהיימר מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה. "זה מפתיע מאוד, כי התיאור הפיזיקלי של המערכות הללו בא לידי ביטוי במשוואות שונות ובקני מידה שונים. ממברנה היא נוזל מאוד צמיג, כמו דבש, כך שכוחות החיכוך בה מאוד חזקים, ואם לא ננסה להפעיל כוח באופן אקטיבי – שום דבר לא יזוז בתוכה. לעומת זאת, בזורם אידיאלי הצמיגות זניחה, כלומר כמעט שאין חיכוך והכל ממשיך לזרום לנצח בנחת, ללא הפרעות."

המחקר העיוני בוצע בהובלת ד"ר אופנהיימר בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, בשיתוף עמית המחקר ד"ר מתן-יה בן ציון וכן חוקרים מארה"ב. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Nature Communications. החוקרים הגיעו למחקר החדש עם תובנות ממחקרים קודמים שביצעו, ולפיהם חלק מהחלבונים המשובצים בממברנה התאית מסתובבים, יוצרים מערבולות קטנות, מתנגשים זה בזה ולבסוף מתארגנים במבנה של משושים.

ד"ר אופנהיימר מרחיבה לגבי התכונה המעניינת שצצה תוך כדי המחקר: "בחנו מקרה בו יש כמות גדולה של מערבולות. התנועה של המערבולות היא כאוטית, אבל שאלנו את עצמנו האם יש בכל זאת סדר שחבוי בבלגן, גם אם אין התנגשויות בין המערבולות. מסתבר, שאף על פי שאין התנגשויות, עדיין חלות מגבלות על התפלגות המערבולות על פני השטח."

חוקי השימור של המערבולות

כאן, טוענים החוקרים, נכנסים למשחק חוקי שימור. בטבע ישנם מספר חוקי שימור יסודיים דוגמת שימור אנרגיה, שימור תנע ושימור מטען. הפיזיקאית היהודייה-גרמניה אמי נתר פיצחה לפני כמאה שנים את הקשר בין סימטריה לבין חוקי שימור. היא זיקקה אותו לכדי משפט בעל יופי מתמטי רב ואשר נקרא על שמה.

"במקרה של המערבולות", מוסיפה ד"ר אופנהיימר, "ישנם חוקי שימור גאומטריים שנובעים מהסימטריה במבנה של המערכת. חוקים אלה מכתיבים למערכת מגבלות מרחביות שונות על ההתפלגות של המערבולות – מרתק לראות שאפילו שהתנועה כאוטית ומבולגנת, מערבולות אף פעם לא מתרחקות יותר מדי אחת מהשנייה וגם לא מתקרבות יותר מדי אחת לשנייה, והדבר נובע בדיוק מחוקי השימור."

התכונה עליה מדברת ד"ר אופנהיימר ואשר מונעת מהמערבולות להתקרב או להתרחק האחת מהשנייה ולייצר מעין סדר לא טריוויאלי, נקראת "היפר-יוניפורמיות". תכונה זו נפוצה למדי בטבע, והיא מופיעה למשל בקולטני האור בעיניהן של ציפורים רבות, וככל הנראה עוזרת להן לראות טוב יותר.

ד"ר אופנהיימר מוסיפה ומסכמת: "התופעה השנייה והלא פחות מעניינת שראינו, היא שכאשר יש שני סוגי מערבולות, סוג אחד איטי וסוג שני מהיר, מתרחשת דינמיקה משונה המביאה לכך שבתום פרק זמן מסוים המערבולות האיטיות יהיו בחוץ והמהירות יהיו בפנים, מכיוון שהמערבולות המהירות כביכול 'גונבות' סדר מהמערבולות האיטיות. גם את התופעה הזו הצלחנו להסביר במונחי חוקי השימור של המערכת ושיקולים נוספים. אחת מהסוגיות החמות בפיזיקה בימינו היא השלכה ממערכות מיקרוסקופיות אל המקרוסקופיות ולהפך, כך שהמחקר שלנו יוצר בדיוק את הגשר הזה, ואני מאמינה כי יהיו מחקרי המשך רבים סביב הדינמיקה הקסומה הזו."