RESEARCH

קשה מאוד ולעיתים אף בלתי אפשרי להסתכל לתוך מערכות קוונטיות, שמורכבות מחלקיקים מיקרוסקופיים כמו אטומים או אלקטרונים. מחקר חדש באוניברסיטת תל אביב הצליח לבנות מערכת מכנית גדולה, שמצייתת לחוקי דינמיקה דומים לאלה המופיעים במערכות קוונטיות. המערכת החדשה מאפשרת להתבונן בתופעות שמתרחשות בתוך חומרים מיוחדים מסוג "טופולוגי" על ידי צילום התנועה של מטוטלות באמצעות מצלמה רגילה. המחקר, פרי של שיתוף פעולה של ד"ר יזהר נדר מהמרכז למחקר גרעיני-שורק, חביבה סירוטה-כץ מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית, ד"ר מיטל גבע ופרופ' יאיר שוקף מבית הספר להנדסה מכנית ופרופ' יואב לחיני ופרופ' רוני אילן מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב,  פורסם לאחרונה בכתב העת המדעי PNAS.

החוקרים מסבירים כי מושגים כגון "פונקציית גל", "סופרפוזיציה" ו-"מצבי צבירה טופולוגיים" מיוחסים בדרך כלל למכניקת הקוונטים, השולטת בעולם המיקרוסקופי של האלקטרונים, האטומים והמולקולות. לפי התיאור המקובל במערכות אלו לאלקטרון, שהוא חלקיק הנע באטום או במוצק, יכולות להיות תכונות אשר מביאות לידי ביטוי תופעות גליות, כגון ההסתברות להתפשט במרחב כמו גלים בבריכה שלתוכה נזרקה אבן, היכולת של האלקטרון להיות במספר מקומות בו זמנית, להתאבך עם עצמו ועוד.

כמו-כן, התכונות הגליות מובילות לתופעה יחודית הקיימת במוצקים מבודדים מסוימים, בהם למרות שהאלקטרונים בחומר המבודד לא זזים תחת השפעת שדה חיצוני, הסידור הפנימי של החומר בא לידי ביטוי במצב שנקרא "טופולוגי". פירוש הדבר הוא שלגל של האלקטרונים מתווסף גודל שיכול "להיסגר על עצמו" במספר אפשרויות שונות, בדומה לגליל לעומת טבעת מוביוס. מצב זה של האלקטרונים, שבגינו הוענק פרס נובל בפיזיקה בשנת 2016, נחשב למצב צבירה חדש של החומר, ומהווה נושא מחקר פעיל מאוד בעשורים האחרונים.

למרות העניין הרב, במערכות קוונטיות ובגבישים אטומיים קיימת מגבלה במדידה של תופעות אלו. זאת משום שבמערכות אלו, בגלל אופייה של מכניקת הקוונטים, אין דרך למדוד את פונקצית הגל האלקטרונית ואת הדינמיקה שלה ישירות. במקום זאת, חוקרים מודדים בעקיפין את התכונות הגליות והטופולוגיות של האלקטרונים בחומר, לדוגמא, על ידי מדידת המוליכות החשמלית של מוצקים. 

חמישים מטוטלות בשורה אחת

במסגרת המחקר, החוקרים חשבו מה אם נוכל לבנות מערכת מכנית גדולה, שתציית לחוקי דינמיקה דומים לאלה המופיעים מערכות הקוונטיות האלו, ובה נוכל למדוד הכול? ואכן הם בנו מערכת של חמישים מטוטלות בשורה, עם אורכי חוטים שהשתנו מעט בין מטוטלת אחת לשנייה. בנוסף, החוטים של כל זוג מטוטלות סמוכות חוברו אחד לשני בגובה משתנה ומבוקר, כך שהתנועה של כל אחת מהן משפיעה על תנועת שכנותיה.

מצד אחד, המערכת צייתה לחוקי הפיזיקה היומיומיים שלנו - חוקי ניוטון, אבל הערכים המדויקים של אורכי המטוטלות ושל החיבורים ביניהן יצרו קסם: חוקי ניוטון עצמם הביאו לכך שהגל שיצרה תנועת המטוטלות, יציית בקירוב מצויין למשוואת שרדינגר - המשוואה היסודית של תורת הקוונטים, ששולטת על תנועת האלקטרונים באטומים ובתוך מוצקים. התוצאה היא שהדינמיקה של המטוטלות, הנצפית לעין בעולם המאקרוסקופי (ונמדדה בפשטות על ידי הטלפונים הניידים של החוקרים), מחקה בצורה מדויקת התנהגויות של אלקטרונים בגביש.  

כשהחוקרים הסיטו כמה מטוטלות בתוך השורה, ואז עזבו אותן ונתנו לגל הנוצר להתקדם באופן חופשי, הם יכלו למדוד ישירות את התפתחות הגל בתוך המערכת - משימה בלתי אפשרית כשמדובר על תנועת אלקטרונים. יכולת זו אפשרה מדידה ישירה של שלוש תופעות. הראשונה מכונה תנודות בלוך. במערכת אלקטרונית תופעה זו מיוחסת לאלקטרונים הנמשכים בכיוון מסויים על ידי מתח חשמלי, ולמרות זאת לא נעים בכיוון המתח, כמו במתכות רגילות, אלא מבצעים תנודות הלוך ושוב בשל נוכחות הסביבה המחזורית של הגביש. תופעה זו מיוחסת רק למוצקים נקיים מאוד, שקשה מאוד למצוא בטבע. לעומת זאת, במערכת המטוטלות, נצפה גל כשהוא נע הלוך ושוב בצורה מחזורית, בדיוק בהתאם לניבוי של בלוך.

התופעה השנייה שנצפתה ישירות במערך המטוטלות מכונה מנהור זנר. מנהור היא תופעה קוונטית ייחודית, אשר מאפשרת מעבר של חלקיקים דרך מחסום, בניגוד לאינטואיציה הקלאסית. במקרה של מנהור זנר הדבר בא לידי ביטוי בפיצול של חבילת הגלים תחת כח חיצוני גדול מספיק, שלאחריו החלקים נעים בכיוונים הפוכים. חלק אחד של הגל חוזר לאחור כמו בתנודת בלוך רגילה, וחלק אחר מצליח ״למנהר״ דרך מצב אסור וממשיך להתקדם. הפיצול של הגל לשניים, ובעיקר החיבור בין תוצאת המנהור לתנועת הגל ימינה או שמאלה, היא סימן היכר של משוואת שרדינגר. אכן, זו הייתה הסיבה העיקרית שהיא גרמה לשרדינגר עצמו חוסר נחת, מה שהביא אותו לנסח את הפרדוקס המפורסם שלו, לפיו ממשוואת שרדינגר עולה שמנהור קוונטי באטום בודד יכול להוביל לכך שהגל של חתול שלם מתפצל לחתול-חי וחתול-מת. החוקרים ניתחו את תנועת המטוטלות וחילצו ממנה את הפרמטרים של התנועה – כמו למשל את היחס בין העוצמות של שני חלקי הגל המפוצל, ששקול להסתברות למנהור זנר הקוונטי. תוצאות הניסוי הראו התאמה מצוינת עם הניבויים של משוואת שרדינגר.

חשוב לזכור כי בסופו של דבר, מערכת המטוטלות היא מערכת הנשלטת על ידי חוקי הפיזיקה הקלאסית, ולכן אינה יכולה לדמות את כל העושר של מערכות קוונטיות. לדוגמא, במערכות קוונטיות עצם המדידה יכולה להשפיע על התנהגות המערכת (ולגרום לחתול להיות, לבסוף, או חי או מת, כשצופים בו). ואילו כאן אין תופעה מקבילה. אבל גם בתוך הגבולות האלה, מערך המטוטלות מאפשר מדידה של תכונות מעניינות ולא טריוויאליות שמתקיימות במערכות קוונטיות, אבל שלא ניתן למדוד אותן בהן בצורה ישירה.

התופעה השלישית שנצפתה ישירות בניסוי היא התפתחות של חבילת גלים בתווך בעל מאפיינים טופולוגיים לא טריוויאליים. כאן החוקרים מצאו דרך למדוד בצורה ישירה את המאפיין הטופולוגי מתוך הדינמיקה של חבילת גלים בתווך – משימה כמעט בלתי אפשרית בחומרים קוונטיים. לצורך כך, מערכת המטוטלות כוונה פעמיים, כך שהמטוטלות דימו את משוואת שרדינגר של אלקטרונים, פעם במצב טופולוגי, ופעם במצב טריוויאלי (כלומר רגיל). מתוך השוואה של הבדלים קטנים ביותר בתנועת המטוטלות בין שני הניסויים ניתן היה להבחין בין שני המצבים. האבחנה דרשה מדידה עדינה למדי ובאה לידי ביטוי בהפרש של בדיוק חצי תנודה של המטוטלות בין שני הניסויים, שכל אחד ארך כ-12 דקות, וכלל כ-400 תנודות שלמות של המטוטלות. הפרש קטן זה נמדד בדיוק מובהק ועם התאמה לתיאוריה.

הניסוי פותח פתח למימוש של בעיות נוספות, מעניינות ומורכבות אפילו יותר, כמו השפעות של רעש וזיהומים או של זליגת אנרגיה על הדינמיקה של חבילות גלים במשוואת שרדינגר. אלו השפעות שאפשר לדמות בקלות במערכת, בעזרת הפרעה יזומה ומבוקרת לתנועת המטוטלות.

המחקר הובל על ידי פרופ' קולין פרייס והסטודנט ראם בקנשטיין מהחוג לגיאופיזיקה בבית הספר לסביבה ולמדעי כדור הארץ ע"ש פורטר באוניברסיטת תל אביב. המאמר פורסם בכתב העת Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society (QJRMS). 

איום נוסף על הריאות של כדור הארץ

"יערות האמזונס הם יער הגשם הטרופי הגדול ביותר בעולם, והם ממלאים תפקיד קריטי בוויסות אקלים כדור הארץ," מסביר פרופ' פרייס. "יערות אלה אף מכונים 'הריאות של כדור הארץ', מכיוון שבאמצעות תהליך  הפוטוסינתזה הם מייצרים חלק משמעותי מהחמצן באטמוספירה וסופגים ממנה כמות גדולה של פחמן דו-חמצני – גז חממה שיש לו תרומה משמעותית לשינויי האקלים. בנוסף, יערות הגשם עצמם מייצרים גשם: העצים פולטים לאוויר אדי מים שהופכים לגשם מקומי, וגם נישאים על ידי הרוח ומביאים גשם למקומות מרוחקים."

עם זאת החוקרים מציינים כי תהליכים חשובים אלה מצויים כיום בסכנה בשל פעילות נרחבת של בירוא יערות באמזונס. "כשהאדם כורת עצים ומפנה שטחים לצרכים מגוונים: שימוש בעץ עצמו, חקלאות, פיתוח תשתיות, כריית מינרלים, ועוד. למעשה, ב-30 השנים שבין 1990 ל-2020 חוסלו באגן האמזונס יערות ששטחם הכולל גדול מיבשת אירופה כולה. הרס היערות גורם לפגיעה ברמת החמצן ולעלייה בגזי החממה באטמוספרה, וגם לשיבוש בגשמים שעלול להגיע לכדי בצורת באזורים מסוימים. בנוסף, לעתים קרובות העצים שנכרתו נשרפים, וכך נפלט לאוויר פחמן דו-חמצני נוסף, שמגדיל את הנזק הסביבתי". 

במחקר זה, הראשון מסוגו בעולם, ביקשו החוקרים לעקוב אחר שינויים בהיקף סופות הרעמים באגן האמזונס בעשורים האחרונים. בהיעדר נתוני סופות רעמים מהאמזונס שחוזרים עשרות שנים אחורה, בנו החוקרים מודל אמפירי המסתמך על פרמטרים אקלימיים מהמרכז האירופאי ERA5, שאוסף נתונים מאז 1940, ולצד נתוני סופות רעמים שנאספו באמצעות רשת עולמית של חיישנים לאיתור ברקים שנקראת WWLLN -Worldwide Lightning Location Network.

"ברק הינו תוצאה של שדה חשמלי עצום שנפרק בבת אחת, ומשדר גלי רדיו שניתן לקלוט אותם גם במרחק של אלפי קילומטרים," מסביר פרופ' פרייס. "החיישנים של רשת WWLLN פרוסים ב-70 מוסדות מחקר בכל העולם, והם קולטים וממפים סופות רעמים בכל מקום על פני כדור הארץ, בזמן אמת וללא הפסקה. גם כאן באוניברסיטת תל אביב, על הגג של הבניין למדעים מדויקים, יש לנו חיישן שקולט גלי רדיו מסופות רעמים שמתחוללות באזור שלנו, וגם באפריקה, בהודו, ואפילו בדרום אמריקה. הצלבת המידע מהתחנות השונות, מאפשרת קביעה מדויקת של המיקום והזמן של כל ברק, וכך מתקבלת מפה גלובלית של ברקים לאורך זמן."   

ירידה של כ-8% בהיקף סופות הרעמים

באמצעות המודל האמפירי בדקו החוקרים את הקשר בין כמות והתפלגות סופות הרעמים לבין שינויים בטמפרטורה באזור האמזונס החל משנות ה-80. ניתוח סטטיסטי של הנתונים העלה ממצאים מפתיעים: על אף העלייה בטמפרטורה הנובעת מההתחממות הגלובלית, חלה ירידה של כ-8% בהיקף סופות הרעמים. החוקרים: "כשבדקנו לעומק את הממצאים הבלתי צפויים, גילינו שאזורי הירידה בסופות הרעמים חופפים במידה רבה לאזורים שבהם בוצעה פעילות נרחבת של בירוא יערות. זו הפעם הראשונה שהתגלה קשר בין סופות רעמים לבירוא יערות. לפי ההערכה שלנו, אובדן של כל מגטון פחמן - שווה ערך לכמיליון עצים גדולים שנכרתו, מביא לירידה של כ-10% במספר סופות הרעמים."   

פרופ' פרייס מסכם: "במחקר זה בדקנו מגמות בסופות רעמים באגן האמזונס בעשורים האחרונים. ציפינו למצוא עלייה בכמות הסופות בעקבות ההתחממות הגלובלית, כפי שנצפה באזורים רבים בעולם, אך להפתעתנו מצאנו מגמה הפוכה: ירידה של 8% במהלך 40 שנה. בירור נוסף העלה שמרבית הירידה נצפתה בדיוק באזורים בהם יערות הגשם בוראו והוחלפו בחקלאות או בשימוש אחר של האדם. ניתן להסביר זאת בכך שבהיעדר היערות פחתה משמעותית הלחות באוויר, שהיא מקור האנרגיה והלחות להיווצרות סופות רעמים. התוצאה היא פחות סופות רעמים, פחות עננים, פחות גשם, וכתוצאה מכך גם פחות צמיחה של היער. כך נוצר תהליך של היזון חוזר שיכול לגרום להתייבשות היערות, דבר שעלול לפגוע משמעותית באפקטים החיוניים של 'הריאות של כדור הארץ' – ייצור חמצן וספיגת פחמן דו חמצני." 

צוות החוקרים כולל את מר גאורגי גרי רוזנמן, דוקטורנט מבית הספר לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב, פרופ' דניס בונדר מאוניברסיטת טוליין שבארה"ב, פרופ׳ וולפגנג שלייך מאוניברסיטת אולם שבגרמניה, פרופ׳ לב שמר מבית הספר להנדסה מכנית מאוניברסיטת תל אביב ופרופ׳ עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל  ומופקד הקתדרה לננו-פוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול. המחקר פורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Physica Scripta.

איור 1 - חלק עליון: תיאור סכימטי של המערכת הניסיונית למדידת גלי כבידה משטחיים על פני מים וחילוץ מסלולי בוהם והפוטנציאל הקוונטי. חלק תחתון: (a) צילום חזית של הבריכה בה נוצרים הגלים. (b) מחוללי הגלים הנשלטים על ידי מחשב. (c) חיישנים המודדים את גובה פני המים.

עושים גלים

תאוריית דה ברוגלי-בוהם (De Broglie–Bohm theory), הידועה גם בשם מכניקה בוהמית, מתארת את ההתפתחות של פונקציית גל של חלקיק קוונטי במרחב ובזמן על ידי סדרה של מסלולים מוגדרים (הקרויים מסלולי בוהם) שהחלקיק נע באחד מהם. מסלולים אלה נקבעים על ידי משוואת תנועה התלויה בפונקציית הגל ההתחלתית. באופן שקול, ניתן להגדיר פוטנציאל קוונטי שמגדיר את התפתחות פונקציית הגל. התאוריה נקראת על שמם של לואי דה ברוגלי (1892–1987) ודייוויד בוהם (1917–1992) והוצעה על ידם על מנת להסביר את התופעות הנמדדות בפיסיקה קוונטית.

איור 1 - ימין: מדידות ניסיוניות של ניסוי שני הסדקים ומסלולי בוהם שנמדדו (פסים שחורים). המימוש של הסדקים נעשה בתחום הזמן, על ידי יצירת שני פולסים של גלי כבידה משטחיים, בזמנים (t=-4, +4 sec). ניתן לראות את ההתפתחות של מסלולי בוהם לאורך בריכת הגלים (ציר X). יש אזורים שאף מסלול לא חוצה אותם, ועוצמת הגל שתימדד בהם תהיה אפס. הסיבה לכך היא שנוצרת באזורים אלה התאבכות הורסת. לעומתם, יש אזורים שבהם יש צפיפות גבוהה של מסלולי בוהם, ובהם עוצמת הגל מקסימלית (כתוצאה מהתאבכות בונה). איור 2 - שמאל: מראה את הפוטנציאל הקוונטי. הגל נע רק ב'עמקים' (כלומר באזורים שבהם הפוטנציאל נמוך) ולא מגיע ל'הרים' (כלומר לאזורים שבהם הפוטנציאל גבוה).

חלון חדש להבנת הדינמיקה של גלים

בעוד שתאוריית דה-ברוגלי-בוהם פותחה עבור תיאור של מערכת קוונטית, הניסוי שבוצע עוסק במערכת קלאסית של גלי כבידה משטחיים על פני מים, אך כאלו שמקיימים את משוואת שרדינגר. לפיכך, צוות החוקרים זיהה כי ניתן ליישם את תאוריית דה ברוגלי-בוהם כדי לבחון באופן נסיוני את מסלולי בוהם ואת הפוטנציאל הקוונטי, אבל בהתקן גדול שניתן לראותו בעין. בניסוי מיוצרים גלי כבידה משטחיים בבריכה באורך של 18 מטרים, שמתנהגים באופן דומה לגלי חומר זעירים בעולם הקוונטי וכך החוקרים הצליחו למדוד במערכת מקרוסקופית תופעות שנחזו במקור למערכות קוונטיות.

בפרט, ניתן לראות בניסוי שחזור מלא של מסלולי בוהם של הניסוי המפורסם של עקיפת חבילת גלים דרך שני סדקים. המימוש של הסדקים נעשה בתחום הזמן על ידי עירור שני פולסים של גלי כבידה משטחיים במישור הכניסה של בריכת הגלים, ולאחר מכן נמדדה ההתפתחות של פונקציית הגל לאורך הבריכה, וממנה נקבעו מסלולי בוהם והפוטנציאל הקוונטי. המערכת הניסיונית שימשה גם למדידת חבילות גלים אחרות כגון חבילת גלים הנוצרת מעקיפה של שלושה סדקים, וחבילת גל שצורתה פונקציית איירי (Airy). מעבר לאישוש התיאוריה של בוהם לגלים קוונטים ומסלולי בוהם, ניסויים אלו פותחים חלון חדש לקראת הבנת הדינמיקה של סוגים שונים של גלים קלאסיים, לרבות גלים אלקטרומגנטיים, פלזמה, אקוסטיים ועוד. מסלולי בוהם מאפשרים להמחיש בצורה ויזואלית כיצד גלים אלה מתפתחים במרחב ובזמן ונותנים הבנה אינטואיטיבית לתופעות של התאבכות בונה והורסת של גלים אלה.

החללית Gaia שוגרה ע"י סוכנות החלל האירופית ב-2013 ומאז היא מנטרת באופן קבוע את המיקום של למעלה ממיליארד כוכבים בגלקסיה שלנו בדיוק חסר תקדים. ארגון הכולל כמה מאות מדענים ברחבי אירופה (כולל ישראל), מעבד את הנתונים המגיעים מהחללית ומנגיש אותם לשימוש הקהילה המדעית כולה. אחד הצוותים, ובהם קבוצת מחקר של אוניברסיטת תל אביב בהובלתו של פרופ' (אמריטוס) צבי מזא"ה מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה, מתמקד במחקר של כוכבים כפולים המתגלים מתוך נתוני החללית. לאחרונה פרסם הארגון רשימה של יותר מרבע מיליון כוכבים כפולים שאחד מבני הזוג הוא חור שחור – אובייקט שמיימי מן הנדירים ביקום, החג סביבם, בהם חור שחור שנמצא במרחק 1500 שנות אור מכדור הארץ.

בן זוג בלתי נראה

צוות החוקרים מאוניברסיטת תל אביב, שכולל גם את ד"ר סהר שחף (הנמצא כעת במכון וויצמן), ד"ר שמחון פייגלר וד"ר דולב בשי, פיתח טכניקה לזיהוי כוכבים כפולים שאחד מבני הזוג הוא חור שחור. קשה מאוד לגלות חורים שחורים, מפני שהאור איננו יכול להבקיע את כוח המשיכה החזק שבסביבתו של החור השחור. כאשר חור שחור "דומם" כזה נמצא במערכת זוגית עם כוכב רגיל, משתמשים בתנועת הכוכב הנראה כדי למדוד את המסה של בן הזוג הבלתי נראה ולהוכיח שזהו אכן חור שחור. בשנים האחרונות פורסמו מספר הצעות לזיהוי חורים שחורים דוממים במערכות זוגיות, אבל בכל המקרים התעוררו שאלות קשות שערערו את אמינות הזיהוי.

הנתונים של גאיה שפורסמו לאחרונה איפשרו לזהות מספר קטן של כוכבים שתנועתם על פני מישור השמיים מעידה על קיומו של חור שחור דומם כבן זוג. לפני חודשים אחדים גילה צוות בינלאומי, שכולל את קבוצת המחקר מאוניברסיטת תל אביב, חור שחור ראשון, Gaia BH1, שנמצא במרחק של 1500 שנות אור. תצפיות ייעודיות מן הקרקע שנערכו באינטנסיביות בחודשים האחרונים אישרו כעת את קיומו של Gaia BH2, חור שחור שני הנמצא במרחק של כ-4000 שנות אור. שני החורים השחורים כבדים (כל אחד) פי 10 מן השמש שלנו.

"זהו גילוי מרגש", אומר פרופ' צבי מזא"ה. "השילוב הראשון מסוגו בין התצפיות מן הקרקע, לבין נתוני החללית, מוכיח מעל לכל ספק שגילינו שני חורים שחורים דוממים. הקירבה היחסית שלהם אלינו מראה כי מספרם של החורים השחורים הדוממים בחלל הוא גדול, והנתונים של החללית הממשיכים לזרום יביאו לגילויים של אובייקטים רבים כאלה, כפי שאכן ציפו עבודות תיאורטיות שונות. אני גאה שקבוצת המחקר שלנו זכתה להשתתף בעיבוד הנתונים של גאיה, ואחר כך במעקב אחרי המועמדים שהתגלו, שילוב ראשון מסוגו שהביא לזיהויים של שני חורים שחורים קרובים יחסית. אני מקווה שהגילוי יוביל להבנה מעמיקה על אופן ההיוצרות של מערכת כפולות כאלה, תהליך שפרטיו אינם מובנים כרגע". 

המחקר נערך בהובלת הדוקטורנט רביב דהרן, בהנחיית ד"ר רעיה סורקין מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ובשיתוף פעולה עם פרופ' מיכאל קוזלוב מאוניברסיטת תל אביב, וקבוצת חוקרים מאוניברסיטת ציגווה בסין. המחקר פורסם לאחרונה בכתב-העת היוקרתי PNAS.

העקמומיות חשובה לאיחוי

ד"ר סורקין מסבירה: "איחוי ממברנות הוא תהליך חיוני בגופנו המתרחש בתהליכים שונים כגון מעבר אותות במוח, תהליכי הפריה ותקשורת בין תאים. הבנה מעמיקה יותר של התהליך יכולה לקדם את עולם הרפואה בטיפולי פוריות, מתן תרופות ועוד. במעבדה אנו מנסים להבין את ההיבט הכימי-פיזיקלי של תהליך זה. בתאים יש ממברנות דינמיות בצורות שונות. ישנן ממברנות עם עקמומיות מאוד גבוהה, ומכך עולה השאלה מדוע נדרשת עקמומיות כזאת? ככל הנראה הצורה העקמומית חשובה למגוון תהליכים כמו למשל תהליך האיחוי".

במסגרת המחקר החדש, החוקרים התמקדו בשני חלבונים הממוקמים על גבי ממברנות התאים. חלבון אחד נמצא על הביצית והוא קריטי בתהליכי ההפריה, והשני חיוני ליצירת בועיות המשמשות לתקשורת בין תאים. במעבדה יצרו החוקרים מערכת המאפשרת לבחון את ההשפעה של עקמומיות ומתח הממברנה על התארגנות ומיקום החלבונים. בהמשך, החוקרים יצרו בועיות ממברנות גדולות, כדי שיהיה קל להבחין בהשפעות השונות, וסימנו את החלבונים עם צבען ביולוגי. בשלב הבא הם השתמשו במכשיר לכידה אופטית, המכונה מלקחיים אופטיים, שבעזרתו ניתן לבצע מניפולציות לחלקיקים מיקרוסקופיים.

החוקרים מציינים כי מדובר בטכנולוגיה שמאפשרת להחזיק ולהזיז חלקיקים בעזרת אור. בעזרת כדור זכוכית קטן המוחזק במלכודת האופטית ניתן למשוך מהבועית צינוריות ממברנה דקות, ובכך לדמות תהליכים ביולוגיים שבהם צינוריות כאלה נוצרות, כפי שקורה בפני השטח של הביצית. החוקרים שילבו את המלקחיים האופטיים עם מכשיר נוסף שבאמצעותו ניתן לשאוב חלק מהממברנה, דבר המאפשר שליטה בעקמומיות ובמתח שלה.

ד"ר סורקין: "באמצעות המערך הזה הצלחנו להוכיח שהחלבונים הללו 'אוהבים לנדוד' לאזורים בעלי עקמומיות גבוהה. בעבודות קודמות נמצא שעכברה שבה החלבון הזה חסר תהיה עקרה. זאת אומרת שלצורה העקמומית של קרום הביצית ולנדידת החלבון לאזור הזה יש חשיבות גדולה בתהליך ההפריה. תגלית זו תאפשר בעתיד לפתח טיפולי פוריות או אמצעי מניעה חדשים.

אנו מאמינים שמחקר רב תחומי הוא המפתח להבנת תהליכים ביולוגיים שחשובים לבריאות ואיכות החיים שלנו. ישנה אמירה מפורסמת של ריצ'ארד פיינמן, "מה שאני לא יכול ליצור, אני לא יכול להבין". זו הגישה שלנו במעבדה: אנחנו רוצים לדמות תהליכים ממברנליים מהמרכיבים הכי בסיסיים שדרושים למנגנונים ביולוגיים ההכרחיים לחיים כמו הפריה או תקשורת בין תאים. על ידי שליטה מדויקת במאפייני התהליך כמו הצורה ומתח הפנים של הממברנה, נוכל להבין את המנגנונים ולטפל במצבים פתולוגים. על ידי כך אנו מקווים לתרום לשיפור הבריאות ואיכות החיים".