חוקרים חוזים את קיומו של "על-מוצק" במימן כבד

מחקר
חוקרים חוזים את קיומו של "על-מוצק" במימן כבד
כיצד חומר יכול להיות גם מוצק וגם לזרום ללא חיכוך? למעט מצבי הצבירה המוכרים לרובנו, מוצק, נוזל וגז, ישנם גם מצבי צבירה אקזוטיים ומרתקים במיוחד אשר מתקיימים רק בעקבות התכונות המשונות של חלקיקים קוונטיים. על-מוצקים הם חומרים כאלו, ויש להם שתי תכונות שנשמעות סותרות לחלוטין: מבנה בעל סדר מובנה וקבוע, וזרימה של החומר ללא חיכוך. מחקר חדש בהשתתפות חוקר מאוניברסיטת תל אביב מציג תחזית תאורטית לפיה דאוטריום, איזוטופ של מימן המהווה מרכיב במים כבדים, יכול לרכוש תכונה זו בלחצים גבוהים ביותר ובטמפרטורות נמוכות.
מתוך ממצאי המחקר עולה כי הדאוטריום, שמופיע כגז בתנאי החדר, מסוגל לשנות את מצב הצבירה ל"על-מוצק" כאשר הוא מצוי בלחץ של 8 מיליון אטמוספירות וקרוב לטמפרטורת האפס המוחלט. המחקר נערך בשיתוף פעולה בין ד"ר צ'אנג-וו מיונג מאוניברסיטת קיימברידג', פרופ' מיקלה פרינלו מהמכון האיטלקי לטכנולוגיה בג'נובה וד"ר ברק הירשברג מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters.
הקיום של על-מוצקים נחזה לפני למעלה מ-50 שנים ברמה התאורטית והצית מחלוקת עזה בקרב פיזיקאים. אולם, לפני כחמש שנים הוכח קיומו באופן חד משמעי בניסויים על אטומים קרים לכודים. החוקרים אומרים כי הבנת המנגנונים העומדים בבסיס התהליך וגילוי על-מוצקים חדשים היא נושא מחקר שתפס תאוצה רבה בשנים האחרונות, ואפילו ביתר שאת מאז התצפית הניסיונית.
"כדי שחומר יזרום ללא חיכוך, מה שמכונה 'על-זורם', פונקציות הגל של האטומים המרכיבים אותו צריכות לחפוף כך שלא ניתן יהיה להבחין ביניהן יותר. ואם כך, נשאלת השאלה – כיצד יתכן שישמרו על הסדר המרחבי שמאפיין מוצקים?", מסביר ד"ר הירשברג.
"הסיבה היא כזו: במחקר גילינו כי הלחץ הגבוה מאלץ את אטומי הדאוטריום להתקרב ולהפוך למוצק בעל תכונות של מתכת. במתכת, שהיא שם נרדף לחומר מוליך, האלקטרונים של אטומי הדאוטריום דוחים זה את זה קצת פחות מאשר בחומר מבודד, מה שמאפשר לאטומים להתקרב עוד יותר. שתי תכונות אלה יחד, מעודדות את היווצרות העל-זורם. נוסף על כך, הראינו בהדמיות מחשב כי דאוטריום הופך לעל-זורם, אך גם שומר על המבנה הגבישי שלו באותה העת, וכך מתקבל מצב הצבירה המכונה על-מוצק. מעט מאוד תחזיות לקיום של חומרים על-מוצקים פורסמו עד כה, ובפרט בחומרים מציאותיים ומוכרים כמו דאוטריום", מוסיף ד"ר הירשברג.
זורם כמו נוזל, מסתדר כמו מוצק. חומר על-זורם
ההדמיות החישוביות שערכו החוקרים, התאפשרו באמצעות אלגוריתם חדש לתיאור מערכות קוונטיות מיוחדות שפיתח ד"ר הירשברג, במהלך שהותו כפוסט-דוקטורנט במכון הטכנולוגי הפדרלי של ציריך (ETH Zurich). בזכות אלגוריתם זה, המבוסס על תיאוריה שפיתח הפיזיקאי ריצ'רד פיינמן, הצליח ד"ר הירשברג להפחית בצורה דרמטית את סך החישובים הנדרש לצורך הדמיית המערכת. בנוסף, כדי לתאר את תחום הלחצים והטמפרטורות הקיצוני, עשו החוקרים שימוש בכלים מתחום למידת המכונה ובכללם רשת נוירונים מלאכותית, לתיאור יחסי הגומלין בין האטומים בחומר.
"השימוש בלמידת מכונה עבור הכוחות המולקולריים הוא כיוון מבטיח בכימיה חישובית. התחזית התאורטית שאנו מספקים במאמר החדש פותחת אופקים חדשים, מכיוון שתחום הלחצים והטמפרטורות הרלוונטי יוכל להיבדק בעתיד הקרוב בניסוי. מעבר לכך אנו צופים כי התובנות שהופקו מהמחקר יהיו בעלות חשיבות גם באיתור על-מוצקים בחומרים נוספים", מסכם ד"ר הירשברג.
ד"ר ברק הירשברג
מחקר
ד"ר אשבל רצון משלבת כלים דיגטליים לחקר העולם העתיק ועובדת על מהדורות דיגיטליות חדשות של כל המגילות האסטרונומיות ומגילות הלוח מקומראן
אנחנו רגילים להתייחס ללוח השנה ככלי עזר לסימון אירועים ומועדים חשובים, אבל חשבתם פעם על הערך התיעודי האדיר שהוא טומן בחובו? לוח השנה היה ועודנו כלי למדידת זמן בעל השלכות פוליטיות חברתיות ודתיות חשובות, ובמחקר ארכיאולוגי והיסטורי הוא משמש כר נרחב למידע יקר ערך. בתקופת הבית השני, למשל, לפי התפיסה המקובלת במחקר, לוח השנה היווה אבן פינה במחלוקות בתוך החברה היהודית, בתקופה מרובת שסעים, שהובילו אף למלחמות אחים.
ד"ר אשבל רצון ממכון כהן להיסטוריה ולפילוסופיה של המדע ומהחוג לפילוסופיה יהודית ותלמוד חוקרת מדע יהודי עתיק והבנתו בהקבלה למדע של התרבויות הסובבות, בעיקר למדע הבבלי. בנוסף, היא חוקרת את המדע היהודי בהקשרו ההיסטורי, התיאולוגי והתרבותי. כחלק מעיסוקה בטקסטים עתיקים, היא עוסקת בשחזור ופענוח מגילות מדבר יהודה ובתרגום של כתבי יד מהעת העתיקה ומימי הביניים בשפות עברית, ארמית, יוונית וגעז, ומרבה לשלב כלים דיגיטליים לחקר העולם העתיק, תוך התמקדות בלוח השנה ובתפיסות האסטרונומיות בתקופת הבית השני.
מגילות מדבר יהודה הוא שם כולל לכ-25,000 קטעי קלף ופפירוס שהתגלו החל משנת 1947, רובם במערות קומראן ומקצתם באתרים נוספים במדבר יהודה. בין היתר, הקטעים מכילים את העותקים הקדומים ביותר של ספרי המקרא. כיום מטופלות המגילות במעבדות רשות העתיקות בירושלים, שם הן מנוטרות בשיטות מדעיות מתקדמות, ונשמרות בתנאים המדמים את התנאים שבהם שרדו במערות במשך 2,000 שנה. מאז התגלית ההיסטורית, ניצבו החוקרים בפני האתגר העצום של מיון השרידים וצירופם מחדש לכמעט 1,000 מגילות, שרובן הוסתרו במערות קומראן, ערב חורבן בית שני בשנת 70 לספירה. אתגר מרכזי נוסף הוא לנסות ולהבין עד כמה הספרייה של מערות קומראן משקפת את כלל העולם הרוחני בימי סוף בית שני, או שמא מדובר באוסף בלתי-מייצג של קבוצה אחת, בני כת יוצאת דופן (שרוב החוקרים מזהים עם האיסיים), שבמקרה הגיע לידינו.
לדברי ד"ר רצון, "הקבוצה שחיה בקומראן פרשה מהמרכז בירושלים והייתה בעימות מתמיד עם מרבית העם. המגילות חוברו במחצית השנייה של האלף הראשון לפנה"ס, ונאספו לקומראן במאות האחרונות של תקופת הבית השני. היישוב שלהם נחרב על ידי הרומאים במהלך המרד הגדול, וכנראה שהם החביאו אותן בגלל המצב הפוליטי הקשה בארץ. המגילות שנמצאו מכילות גם טקסטים שהיו מקובלים על כלל העם, וגם טקסטים כתתיים פנימיים. אפשר לראות שחלק מהטקסטים המדעיים שנכללו במגילות מוקדמים להקמה של הכת, אבל הם ייחסו להם חשיבות גדולה וייצרו מתוכם לוח שנה ייחודי משלהם, שלא איפשר להם לחגוג את המועדים עם היתר בבית המקדש. הם היו קבוצה מאוד לוחמנית. ככל שהכת הלכה והסתגרה, היא כבר לא הסתמכה על הגישות המדעיות הרווחות, אלא המשיכה לכתוב על זה בתיווך פרשנויות והיכרות עם הטקסטים הפנימיים שלה."
"למעשה הטקסטים היהודיים האסטרונומיים הראשונים שאנחנו מוצאים הם במגילות קומראן," מסבירה ד"ר רצון. "במקרא אין כמעט התייחסות לנושאים האלה, למעט משפטים פה ושם, כמו בבריאת העולם. במחקר שלי אני מנתחת איך הם תפסו בתקופת הבית השני את הזמן והמרחב, ואני עושה את זה באמצעות הכלים הדיגיטליים של שחזור מגילות. בשביל לבדוק את הנושא הזה עד הסוף, צריך לדעת טוב יותר מה כתוב במגילות. המגילות התפוררו לחלקים רבים, והדרך לדעת מה כתוב שם היא לא רק לקרוא כל קטע בנפרד, אלא לחבר, לעשות את הפאזל, לשחזר מה היה כתוב ולא נשמר. וכאן אנחנו משתמשים בכלים דיגיטליים."
"רשות העתיקות צילמה את הפרגמנטים של המגילות בטכנולוגיה מיוחדת של אינפרא-אדום. אנחנו עובדים על המחשב עם התמונות, ומשתמשים בכלים של גרפיקה ממוחשבת. אנחנו מחברים את הקטעים, מייצרים פונט מכתב היד של הסופר, ומנסים להוסיף את הקטעים החסרים. הרבה טקסטים מדעיים חוזרים על עצמם, ולכן הם טקסטים שמבחינת השפה קל יותר להשלים למשפטים. אם חסרה הנוסחה למשל, נוכל להשלים, כי כבר מצאנו אותה בחלק אחר. יש לי תואר ראשון בפיזיקה, אז אני משתמשת במשוואות מתמטיות. למשל כשיש רק כמה נתונים, ואנחנו מכירים את צורת החשיבה ואת המבנים, ויש לנו נתונים מכמה ימים בשנה, אפשר לשחזר לפי זה מה הייתה המשוואה שמובילה אותם. אני עושה את החישוב ומוצאת את הקבועים החסרים."
"אני קוראת את כל המגילות האסטרונומיות, משחזרת אותן ואת התיאוריה המדעית שבהן, ובונה מזה את הראייה הכוללת יותר שלהם של זמן, מרחב ואסטרונומיה. שני המרכזים המדעיים הגדולים באותה תקופה נמצאים בבבל ובמצריים. המרכז ההלניסטי כבר לא יושב באתונה אלא באלכסנדריה. האסטרונומים היהודים לא ישבו במרכז המדעי של העולם באותה תקופה, וניתן לראות שבמגילות קומראן יש פחות השפעה יוונית, אבל כן יש השפעה בבלית, שחוקרים ראו כבר לפניי. ההשפעה הבבלית מלמדת שהם אנשים, לפחות חלקם או בתקופות שונות, מעורבים ומכירים מדע שקיים. מצד שני – הם מייצרים תיאוריות עצמאיות והשיקולים שלהם בבחירה של תיאוריה הם לא רק הדיוק המדעי. הם מכירים את התופעות הכלליות, אבל הם לא בוחרים בתיאוריה הכי מדויקת, בגלל שיקולים דתיים, כדי להתאים לתפיסות עולם מסורתיות. בתחום האסטרונומיה, בעיקר עניינו אותם זמני הזריחה והשקיעה של השמש והירח והמיקום על האופק, ששימשו גם לענייני לוח השנה, שהיה, כאמור, נושא מאוד מרכזי בתקופת הבית השני."
"אפשר לראות שהם גם שואפים שהתיאוריות המדעיות יהיו סימטריות יותר, ולכן יעשו את התוצאות יותר סכמתיות, מעוגלות, כדי שיהיו יפות יותר," מוסיפה ד"ר רצון. "גם לזה יש רקע תיאולוגי, כי אלוהים ברא את העולם והוא צריך להיות יפה, לא מורכב ממספרים מבולגנים. יש כאן תפיסה אפילו מיסטית ביחס למספרים - שצריכים להיות יחסים יפים ביניהם. ניתן לסכם ולהסיק שהתיאוריות שלהם לא היו תמיד הכי מדויקות, אך הן בעלות ערכים אסתטיים."
מחקר
חוקרים הוכיחו כי ניתן למקד חושך בדיוק כפי שניתן למקד אור
מה קורה לנו כשאנחנו נכנסים למקום חשוך מאוד? התחושה היא שהחושך עוטף אותנו ואנו מתקשות ומתקשים למקד את מבטנו בנקודה אחת. מחקר חדש של אוניברסיטת תל אביב, בשיתוף עם אוניברסיטאות בארצות הברית ובגרמניה וכן מכון החלל הגרמני (DLR), מראה לראשונה כי ניתן "למקד חושך", כלומר לרכז גלים לנקודה אחת במרחב שבה תתקבל עוצמת אור מינימלית. זאת בצורה אנלוגית למיקוד המוכר (למשל על ידי עדשות או מראות כדוריות), שבסופו מתקבלת נקודת אור בוהקת.
גלים אלקטרומגנטיים, גלי חומר וגלי כבידה משטחיים יכולים להתרכז לאזור קטן וממוקד במרחב, תופעה שמוכרת בתור מיקוד בהיר. זהו העיקרון על בסיסו פועלים שלל התקנים אופטיים ובהם עדשות, טלסקופים, מצלמות, מיקרוסקופים, זכוכית מגדלת וגם העין האנושית. עבודה קודמת שנעשתה במעבדתו של פרופ' עדי אריה, ממובילי המחקר החדש, ביחד עם חלק משותפיו למחקר זה, כללה את פיתוחו של מוליך גלים מסוג חדש, שמראה כי ניתן לבצע מיקוד גם ללא עדשה, כאשר אור או כל גל אחר עובר דרך חריץ צר ומתרכז לאזור בהיר במרחב.
המחקר נערך על ידי פרופ' עדי אריה ופרופ' לב שמר מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן והדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן מהפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר. השתתפו בו גם חוקרים מאוניברסיטת אולם וממכון החלל הגרמני - ד״ר מנואל רודריגז גונקאלבס, ד״ר מתיאס צימרמן, פרופ׳ מקסים איפראימוב ופרופ׳ וולפגאנג שלייך, והחוקר פרופ׳ וויליאם קייס מארה"ב. פרופ' עדי אריה מופקד על הקתדרה לננו-פוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול. המחקר פורסם בעיתון היוקרתי Applied Physics B.
"מיקוד בדרך כלל מקושר לעלייה בעוצמת האור באזור מצומצם במרחב, כפי שניתן לצפות באור שעובר דרך עדשה. אנחנו ניסינו לבצע את הפעולה ההפוכה, כלומר להוריד כמעט לאפס את כמות האור בנקודה מסוימת במרחב", מסביר הדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן ומרחיב "התופעה שגילינו בניסוי, ושאותה חקרנו גם באמצעות תאוריה נלווית, מכונה מיקוד עקיפתי אפל. במסגרת התופעה הזו, גלים מתרכזים לנקודה אחת במרחב, אבל שלא כמו במיקוד בהיר מתקבלת מינימום של עוצמה, בעוד שבכל שאר המרחב ישנם גלים בעוצמה גבוהה."
במאמר מפרטים החוקרים את הניתוח התאורטי של הבעיה באמצעות כלים ממכניקת הגלים וממכניקת הקוונטים. החוקרים מציינים כי על פי התחזית התאורטית, תופעה זו יכולה להתרחש גם בהיעדר עדשה המרכזת את האור, בנוכחות סדק בלבד.
"הבסיס לעקרון הפעולה החדש שפענחנו, הוא שבמחצית מהסדק תתבצע השהיה של הגל, לעומת החצי השני שבו הגל יעבור לא השהיה. עבור גלים אופטיים למשל, ניתן לממש השהיה כזו על ידי הוספת לוחית דקה של זכוכית שתכסה את מחציתו של הסדק. הניסוי שבוצע השתמש ברעיון דומה, אבל עבור גלי מים", מוסיף רוזנמן.
רוזנמן מפרט לגבי השלב השני של המחקר, בו חזו בתופעה המרתקת גם בגלי כבידה משטחיים של מים: "יצרנו במעבדתו של פרופ' לב שמר מערך של גלי כבידה משטחיים בבריכת גלים שאורכה כ-5 מטרים. על בסיס התחזית התיאורטית הנדסנו את מבנה הסדק המיוחד במרחב הזמן, וצפינו לראשונה בתופעה של מיקוד עקיפתי אפל באופן ניסיוני. למעשה הבנו כי מיקוד עקיפתי אפל איננו רק התאום המנוגד למיקוד הבהיר, אלא שיש לו גם הרבה תכונות מעניינות בפני עצמו. למשל, ראינו כי המיקומים של מוקדי החושך שונים מאלה של מוקדי האור, וכי הוצאת המערכת מפוקוס עשויה לגרום להיווצרותם של פסי חושך רחבים".
החוקרים טוענים כי לתופעה החדשה שגילו יש השלכות מעניינות בהבנה של תופעות גליות, וכי ייתכנו יישומים שלה גם בגלים אקוסטיים ואלקטרומגנטיים. "בעזרת המסקנות מהניסויים שערכנו ומהתאוריה שבנינו, אנו מעריכים כי ניתן יהיה להעלים רעשים באופן ממוקד או ללכוד ולהזיז חלקיקים בצורה יעילה יותר. אמנם התופעה עוסקת בחושך, אך היא כנראה תביא הרבה אור מדעי לחיינו, שכן זהו פתח לתופעות פיזיקליות חדשות", מסכם רוזנמן.
חושך, תתרכז רגע. מתוך המחקר
מחקר
חוקרים באוניברסיטת תל אביב מצאו קשר בין חיידק במעי של החגב לבין התופעה ההרסנית של התלהקות ונדידה
"נחילי ארבה המכלים את היבולים וגורמים לרעב קשה הם תופעה מוכרת מימי קדם ועד ימינו אלה. בשלוש השנים האחרונות פגעה מכת הארבה באזורים נרחבים באפריקה, בהודו ובפקיסטן, וקיימות הערכות כי התופעה צפויה להתגבר בעקבות שינויי האקלים." מסביר מסביר פרופ' אמיר אילי מבית הספר לזואולוגיה. "נחיל ארבה נוצר כאשר חגבים, שעל פי רוב חיים בטבע כבודדים, מתקבצים יחד ומתחילים לנדוד, אך הסיבות להתנהגות זו עדיין אינן מובנות במידה מספקת, והאדם עדיין חסר אונים מולה. מחקרים בשנים האחרונות הראו שהמיקרוביום עשוי להשפיע על ההתנהגות בכלל וההתנהגות החברתית בפרט של בעל החיים הפונדקאי, בין היתר בקרב חרקים. אנחנו חוקרים אפשרות שלמיקרוביום, כלומר לאוכלוסיית החיידקים במעי של החגב, יש תפקיד בהתלהקות שיוצרת את נחיל הארבה, ואף פרסמנו מספר מאמרים בנושא. במחקר הנוכחי לקחנו את הבדיקה צעד נוסף קדימה."
צוות המחקר בהובלת פרופ' אמיר אילי והדוקטורנט עומר לביא גילה שאוכלוסיית חיידקי המעיים (המיקרוביום) של חגב שחי לבדו משתנה באופן משמעותי כשהוא מצטרף ללהקה. הממצא העיקרי הוא חיידק המכונה Weissella שכמעט ואינו נצפה במעי של חגב בודד אך הופך לדומיננטי במיקרוביום עם ההצטרפות ללהקה. בנוסף בנו החוקרים מודל מתמטי המוכיח כי ההתלהקות 'כדאית' לחיידק מבחינה אבולוציונית, שכן היא מאפשרת לו להתפשט ולהדביק מספר רב של חגבים נוספים. לדברי החוקרים, "הממצאים שלנו אינם מוכיחים כי החיידק הוא האחראי לתופעת ההתלהקות והנדידה – כלומר ליצירת הארבה, אך סביר להניח שיש לו תפקיד בתופעה, וזוהי השערה חדשה שמעולם לא הועלתה עד היום. אנחנו מקווים שהתובנה החדשה תהווה בסיס לפיתוח אמצעים למניעת או להפחתת תופעת הארבה שפוגעת בהמוני בני אדם, בעלי חיים וצמחים בעולם."
במחקר השתתפו גם פרופ' לילך הדני אוהד לוין-אפשטיין ויונתן בנדט מבית הספר למדעי הצמח ואבטחת מזון, פרופ' אורי גופנא מבית הספר סמוניס למחקר ביו-רפואי וחקר סרטן, וד"ר ערן גפן מאוניברסיטת חיפה-אורנים. המחקר מהווה דוגמה יפה לשיתוף פעולה בינתחומי מוצלח: חוקרי התנהגות ופיזיולגיה של חרקים (אילי, גפן), חוקרי מיקרוביולוגיה וחיידקים (גופנא) ומומחים למודלים אבולוציוניים ממוחשבים (הדני). המאמר פורסם בכתב העת Environmental Microbiology.
במסגרת המחקר גידלו החוקרים חגבים מסוג ארבה מדברי במעבדה, כבודדים ובקבוצה. הם אספו צואה של חגבים שגודלו בבדידות, איפיינו באמצעותה את אוכלוסיית חיידקי המעיים שלהם, ואחר כך צירפו אותם לקבוצה גדולה של כ-200 חגבים. בדגימה חוזרת, כעבור 7 ימים, נמצא שינוי משמעותי במיקרוביום של החגבים שגודלו כבודדים וצורפו לקבוצה. עומר לביא: "השינוי העיקרי שמצאנו היה בתפוצה של חיידק הקרוי weissella. חיידק זה, שנעדר כמעט לחלוטין מהמיקרוביום של החגב הבודד, הפך לדומיננטי במיקרוביום לאחר שהחגב צורף ללהקה."
בשלב הבא בנו החוקרים מודל מתמטי שהראה שההתלהקות 'כדאית' לחיידק מבחינה אבולוציונית, מכיוון שהיא מאפשרת לו להתפשט ולהדביק חגבים נוספים. בשל היתרון האבולוציוני שהוכח במודל העלו החוקרים השערה חדשה, כי ייתכן שהחיידק ממלא תפקיד בהתנהגות היוצרת התלהקות בקרב החגבים. במילים אחרות, ייתכן שהחיידק מעודד בדרך כלשהי את החגב הפונדקאי לשנות את התנהגותו ולהתקרב לחגבים אחרים.
פרופ' אילי מסכם: "המחקר שלנו תורם תרומה חשובה להבנת התופעה של התלהקות חגבים ויצירת נחילי ארבה – אחד הגורמים המובילים לרעב בעולם, מימי קדם ועד ימינו. במחקר מצאנו שינוי משמעותי בהרכב אוכלוסיית חיידקי המעי אצל חגבים שעוברים ממופע בודד למופע של להקה. השינוי העיקרי הוא התרבות עצומה של חיידק המכונה weissella, שכמעט ולא נצפה במיקרוביום של החגב הבודד, אך משתלט על אוכלוסיית חיידקי המעי כשהחגב מצטרף ללהקה. כמו כן בנינו מודל מתמטי המוכיח כי לחיידק יש 'אינטרס' אבולוציוני שהחגב הפונדקאי יצטרף ללהקה. הממצאים אמנם אינם מוכיחים כי החיידק הוא האחראי לתופעת ההתלהקות והנדידה – כלומר ליצירת הארבה, אך הם מצביעים על היתכנות גבוהה שיש לו תפקיד בתופעה, וזוהי השערה חדשה שמעולם לא הועלתה עד היום. אנחנו מקווים שהתובנה החדשה תהווה בסיס לפיתוח אמצעים למניעת או להפחתת תופעת הארבה שפוגעת בהמוני בני אדם, בעלי חיים וצמחים בעולם."
מחקר
מחקר חדש חושף שהרעילות המוגברת עשויה לגרום לפגיעה קשה במערכת העיכול ובבריאות האדם
כולנו מודעים לנזק העצום שיש לחלקיקי הפלסטיק על הסביבה ועל חיינו. מיקרופלסטיק הוא שם כללי לחומרי פלסטיק שמופיעים בתצורה של חלקיקים וסיבים זעירים בגודל של עשרות מיקרונים עד מילימטרים אחדים. הם נמצאים כמעט בכל מקום: במקווי מים, בקרקעות, במוצרי מזון, בבקבוקי מים, ואפילו בקרחונים בקוטב הצפוני. החוקרים מסבירים שכיוון שהפלסטיק אינו חומר טבעי, הוא מתפרק לאט מאד בטבע בתהליך שנמשך לעתים אלפי שנים, ובמסגרת תהליך זה נוצרים אותם מיקרופלסטיקים. לאורך התהליך, חלקיקי המיקרופלסטיק פוגשים מזהמים סביבתיים שנספחים על פני השטח של חלקיקי המיקרופלסטיק, וכצמד, הם עשויים להוות איום עבור בריאות הסביבה והאדם. מחקר חדש שנערך באוניברסיטת תל אביב חושף כעת ממצא נוסף מבהיל לא פחות: בסביבה ימית, המיקרופלסטיק סופח ומרכז אליו חומרים אורגניים רעילים ובכך מגביר את הרעילות שלהם פי 10. דבר זה עשוי להביא לפגיעה קשה בבריאותנו.
המחקר נערך בהובלת ד"ר אינס צוקר מבית הספר להנדסה מכנית בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, ומביה"ס לסביבה ולמדעי כדור הארץ ע"ש פורטר בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, ביחד עם הדוקטורנט אנדריי איתן רובין. המחקר פורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Chemosphere.
במסגרת המחקר, בחנו החוקרים את כל התהליך שעובר המיקרופלסטיק, החל מהאינטראקציות שהוא מקיים עם מזהמים סביבתיים ועד לשחרור המזהמים ויצירת רעילות מוגברת. הם מצאו כי הספיחה של אותם מזהמים אורגניים על גבי המיקרופלסטיק מגבירה את הרעילות פי 10 וכן עשויה להביא לפגיעה קשה בבני האדם שיחשפו למזון ושתייה מזוהמים.
"במחקר זה הראינו שאפילו ריכוזים מאוד נמוכים של מזהמים סביבתיים, שאינם רעילים לאדם, הופכים לכאלה כאשר הם ספוחים על המיקרופלסטיק. הסיבה לכך היא שהמיקרופלסטיק מהווה מעין מגנט למזהמים סביבתיים, מרכז אותם על גבו, 'מסיע' אותם דרך מערכת העיכול שלנו, ומשחרר אותם בצורה מרוכזת באזורים מסוימים, ובכך גורם לרעילות מוגברת", מסבירה ד"ר צוקר.
"הצלחנו להראות לראשונה 'מסלול חיים' שלם של המיקרופלסטיק, מרגע השחרור שלו לסביבה, דרך ספיחה של מזהמים סביבתיים ועד לרעילות מוגברת באדם", מוסיף הדוקטורנט אנדריי איתן רובין. "כמויות הפסולת המושלכות לאוקיינוס מדי שנה הן עצומות. הדוגמה המוכרת ביותר היא 'אי הפלסטיק' באוקיינוס השקט, ששטחו גדול פי 80 משטחה של מדינת ישראל. אבל לא מדובר רק בבעיה מרוחקת. נתונים מראים כי חופי ישראל הם בין המזוהמים ביותר בפסולת מיקרופלסטיק. לכל אחד מחלקיקי המיקרופלסטיק שמופרשים באזורים הללו יש פוטנציאל נזק אדיר, שכן הם משמשים כפלטפורמה יעילה ויציבה לכל מזהם שיזדמן בדרכן להגיע אל החי והצומח שנמצא אי שם ביבשה".
מימין לשמאל: ד"ר עמית קומאר-סארקאר, ד"ר אינס צוקר והדוקטורנט אנדריי איתן רובין
"גילינו כי באופן מפתיע למדי, שיכולת הספיחה של חלקיק מיקרופלסטיק מחומצן (התצורה של המיקרופלסטיק לאחר שעבר בלייה סביבתית), גבוהה משמעותית מחלקיק שאינו מחומצן. לאחר הטעינה של המיקרופלסטיק במזהמים הסביבתיים באמצעות מזון ומים מזוהמים, החלקיק הטעון עשוי להגיע למערכת העיכול. שם הוא משחרר את הרעלים בסמיכות לתאים של מערכת העיכול, ובכך מגביר את הרעילות של חומרים אלו. זוהי תזכורת כואבת נוספת להשלכות החמורות של זיהום הסביבה הימית והיבשתית בפסולת תעשייתית מסוכנת, שלצערנו רוויה בפלסטיק בעשרות השנים האחרונות. הסכנות אינן תאורטיות אלא מוחשיות מאי-פעם. אמנם יש לכך מודעות רבה, אך הצעדים המניעתיים בשטח עוד רחוקים מלהטביע חותם משמעותי".
מחקר
הפעילות המוחית החריגה נגרמת על ידי כשל במנגנון הוויסות ועשויה לשמש לאבחון מוקדם כבר בשלב הרדום של המחלה
"על אף מאמצים רבים בכל העולם לאורך שנים רבות, אין עדיין תרופה יעילה למחלת האלצהיימר," אומרת פרופ' אינה סלוצקי מבית הספר לרפואה ע"ש סאקלר. "עם העלייה בתוחלת החיים הופכת המחלה לבעיה מרכזית, בריאותית וגם כלכלית בעולם המערבי. על פי מחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת Lancet Public Health Journal מספר הסובלים מדמנציה ברחבי העולם צפוי לגדול מ-50 מיליון ב-2019 ליותר מ-150 מיליון בשנת 2050. בצפון אפריקה ובמזרח התיכון צפויה עלייה של כ-370%, בישראל כ-145%, ובמערב אירופה כ-74%. הזינוק בתפוצת מחלת האלצהיימר צפוי להימשך, כתוצאה מהגידול הצפוי באוכלוסייה ובתוחלת החיים - אם לא יעלה בידינו לפתח טיפולים יעילים. זוהי נורת אזהרה הקוראת להשקעה מורחבת ומואצת בחקר הדמנציה, עם דגש על צורתה הנפוצה ביותר – מחלת האלצהיימר."
"טכנולוגיות הדמיה חדשניות שפותחו בשנים האחרונות חשפו כי משקעים עמילואידיים המאפיינים את מחלת האלצהיימר נוצרים במוחם של החולים כבר 20-10 שנה לפני הופעת התסמינים המוכרים של פגיעה בזיכרון וירידה קוגניטיבית. לצערנו, עד היום נכשלו רוב המאמצים לטפל באלצהיימר על ידי הורדת כמות החלבון שמרכיב את המשקעים (עמילואיד-בטא). עם זאת, אילו יכולנו לאבחן את המחלה בשלב מוקדם ואז להותירה במצב 'רדום' וטרום-תסמיני לשנים ארוכות, היה בכך הישג אדיר שעשוי להציל את איכות חייהם של מיליוני חולים. אנו סבורים כי זיהוי ופענוח של חתימה אופיינית של פעילות מוחית חשמלית בשלבים הטרום-תסמיניים של אלצהיימר מהווה מפתח לטיפול אפקטיבי".
החוקרים, מבית הספר לרפואה ומבית הספר סגול לחקר המוח באוניברסיטת תל אביב, בהובלת פרופ' אינה סלוצקי והדוקטורנטים דניאל זרחין ורפאלה עצמון, חשפו תופעה מוחית פתולוגית שמקדימה בשנים רבות את הופעתם הראשונה של תסמיני מחלת האלצהיימר. מדובר בפעילות מוגברת בהיפוקמפוס במצבי הרדמה ושינה, שנובעת מפגיעה במנגנון המייצב את הרשת העצבית. לדבריהם עשויה התופעה החריגה לאפשר אבחון מוקדם של מחלת האלצהיימר, דבר שעשוי להוביל לטיפול יעיל יותר במחלה הנחשבת עד היום לחשוכת מרפא.
במחקר השתתפו: ד"ר אנטונלה רוגיארו, הלית באלוה, שירי שוב, עודד שרף, ליאור חיים, נדב בוכבינדר, אורטל שיניקאמיין, ד"ר אילנה שפירא, ד''ר בועז סטיר, וד"ר גבריאלה בראון ממעבדתה של פרופ' סלוצקי, בשיתוף עם מעבדתו של פרופ' יניב זיו ממכון ויצמן, והמעבדות של פרופ' יובל ניר, פרופ' תמר גייגר, וד"ר אנטון שיינין מאוניברסיטת תל אביב, וחוקרים מיפן. המאמר פורסם בכתב העת Cell Reports.
החוקרים נעזרו בעכברי מודל לאלצהיימר והתמקדו באזור ההיפוקמפוס במוח, שממלא תפקיד מרכזי בתהליכי הזיכרון, וידוע כי הוא נפגע אצל חולי אלצהיימר. ראשית הם מדדו את פעילות התאים בהיפוקמפוס בזמן שהעכבר ער, פעיל, וחוקר את סביבתו - באמצעות שיטות מתקדמות שמודדות פעילות מוחית ברזולוציה של תאי עצב (נוירונים) בודדים. לדברי דניאל זרחין, "מחקרים קודמים בחנו את פעילות התאים במוחם של עכברי מודל מורדמים, ומצאו פעילות יתר בהיפוקמפוס ובקליפת המוח. להפתעתי, כשבדקתי עכברים ערים ופעילים, לא מצאתי כל הבדל בין פעילות הנוירונים והסינפסות במוחם של עכברים חולים לעומת קבוצת בקרה של עכברים בריאים."
לאור הממצאים ביקשו החוקרים לבחון את הפעילות בהיפוקמפוס במצבי הכרה שונים – בעת הרדמה או שינה טבעית. לדברי רפאלה עצמון, "ידוע שבחיות בריאות פוחתת הפעילות העצבית בהיפוקמפוס בעת שינה. אך כשבדקתי עכברי מודל למחלת האלצהיימר בשלב מוקדם, גיליתי שהפעילות העצבית בהיפוקמפוס נותרת גבוהה גם במהלך השינה. מדובר בוויסות כושל של פעילות התאים בהיפוקמפוס שלא נצפה עד היום בהקשר של מחלת האלצהיימר." דניאל זרחין מצא הפרעות דומות אצל עכברי המודל במצבי הרדמה: פעילות הנוירונים אינה נחלשת, הנוירונים פועלים בצורה מסונכרנת מדי, ונוצרת תבנית חשמלית פתולוגית הדומה להתקפים 'שקטים' בחולי אפילפסיה. הלית באלוה, שחוקרת בעיות שינה הקשורות למחלת האלצהיימר, מדגישה שהשיבוש שהתגלה מתחיל לפני שמופיעות הפרעות השינה המאפיינות חולי אלצהיימר.
פרופ' סלוצקי: "למעשה גילינו שמצבי המוח שחוסמים תגובה לסביבה – כמו שינה והרדמה – חושפים את הפעילות החריגה שנשארת סמויה במצבי ערות, וזה קורה עוד בטרם נצפו התסמינים המוכרים של מחלת אלצהיימר. למרות שאותה פעילות חריגה ניתנת לזיהוי גם בשינה, תדירותה גבוהה הרבה יותר בהרדמה. לכן חשוב לבדוק אם הרדמה קצרה עשויה לשמש לאבחון מוקדם של המחלה".
בשלב הבא ביקשו החוקרים לברר מה גורם לתופעה החריגה. לצורך כך הם הסתמכו על מסקנות ממחקרים קודמים של מעבדתה של פרופ' סלוצקי וחוקרים אחרים על הומאוסטזיס (מצב איזון) של רשתות עצביות: בכל מעגל עצבי קיימת נקודת איזון, ולצדה מנגנון מייצב שנכנס לפעולה כשהאיזון מופר, ותפקידו להשיב את הפעילות העצבית לנקודת האיזון המקורית. האם פגיעה במנגנון זה היא הגורם המרכזי לחוסר ויסות שלילי של פעילות מוחית בעת שינה או הרדמה אצל עכברי המודל לאלצהיימר? כדי לבחון זאת גידלה ד"ר אנטונלה רוגיארו רשתות נוירונליות מההיפוקמפוס של עכברים חולים ובריאים, וביצעה בהן סדרת ניסויים במעבדה. ראשית היא בחנה את השפעתן של תרופות הרדמה שונות על הנוירונים ומצאה שהן מורידות את נקודת האיזון של הפעילות העצבית. ברשתות נוירונים שנלקחו מעכברים בריאים הפעילות נותרה נמוכה לאורך זמן, אך ברשתות הנוירונים של עכברי המודל לאלצהיימר הפעילות לא מצליחה להישמר בנקודת האיזון הנמוכה ועולה מיד בחזרה, על אף נוכחות חומרי ההרדמה. בניסוי נוסף הגבירה ד"ר רוגיארו את הפעילות של תאי העצב, וגם כאן מצאה כי בקבוצת עכברי המודל קיים כשל במנגנון שאמור להשיב את הפעילות לנקודת האיזון התקינה.
כעת ביקשו החוקרים לבחון תרופה פוטנציאלית למנגנון הוויסות הפגוע. פרופ' סלוצקי: "תופעת חוסר היציבות בפעילות עצבית שמצאנו במחקר זה מוכרת ממחלת האפילפסיה. במחקר קודם גילינו שתרופה קיימת לטרשת נפוצה עשויה לסייע לחולי אפילפסיה על ידי הפעלת מנגנון הומאוסטטי שמוריד את נקודת האיזון של הפעילות העצבית. הדוקטורנטית שירי שוב בדקה את השפעת התרופה על פעילות ההיפוקמפוס בעכברי מודל לאלצהיימר, ומצאה שגם במקרה זה התרופה מייצבת את הפעילות ומקטינה את הפעילות הפתולוגית הנצפית בזמן הרדמה."
פרופ' סלוצקי מסכמת: "המחקר שלנו העלה מספר ממצאים עם פוטנציאל לאבחון מוקדם של אלצהיימר, ואף למתן מענה למחלה. ראשית מצאנו שמצבי הרדמה ושינה חושפים פעילות מוחית פתולוגית בשלבים מוקדמים של מחלת האלצהיימר, לפני הופעתן של בעיות קוגניטיביות. שנית גילינו את הגורם לפעילות הפתולוגית – פגיעה במנגנון בסיסי המייצב את הפעילות החשמלית במעגלים מוחיים. ושלישית, אנו מציעים תרופה מוכרת לטרשת נפוצה שעשויה, לאחר התאמה, לסייע גם לחולי אלצהיימר בעקבות גילוי מוקדם."
כעת מתכננים החוקרים לשתף פעולה עם מרכזים רפואיים בארץ ובעולם על מנת לבחון אם המנגנונים שנחשפו בעכברי המודל ניתנים לזיהוי גם בחולי אלצהיימר בשלבים מוקדמים של המחלה. לצורך כך הם מבקשים לשלב מעקב א.א.ג. בהליכי ניתוח, על מנת למדוד את הפעילות המוחית של המנותחים במהלך ההרדמה. הם מקווים שהממצאים יקדמו פיתוח תרופות שיסייעו לחולים בעקבות גילוי מוקדם של מחלת האלצהיימר.
מחקר
המחקר הצליח למצוא סדר חבוי במערכות פיזיקליות מסתובבות "מבולגנות" לכאורה, כגון חלבונים ומערבולות
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."
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."
מחקר
החוקרים יצרו רשתות דו ממדיות ממיקרו-סיבים פולימריים, שמשנות את צורתן כתלות בטמפרטורה
חוקרים מאוניברסיטת תל אביב גילו לראשונה שורה של תכונות פיזיקליות הקיימות ברשתות של מיקר וסיבים פולימריים, בראשן תכונת "זיכרון צורה". גילויים אלה פותחים דלת למגוון יישומים טכנולוגיים וביולוגיים, החל מהנדסת רקמות וכלה ברובוטיקה.
"במחקר ייצרנו רשתות דו ממדיות ממיקרו-סיבים פולימריים, שמשנות את צורתן כתלות בטמפרטורה." מסביר ד"ר עמית סיט מבית הספר לכימיה. "גילינו לראשונה כי לרשתות ישנן תכונת זיכרון צורה – תכונה מפתיעה במיוחד שלא הכרנו. בקירור הרשתות מתנפחות ויכולות לשנות את צורתן המקורית, אולם זיהינו כי לאחר חימום הרשתות, הן מסוגלות לרכוש מחדש את הצורניות המקורית שהייתה להן בטרם החימום. עקרון זה, המודגם על סוגים שונים של רשתות, מציע דרך חדשה לשלוט בשינוי הצורה של חומרים, וניכר כי אפילו שינויים מינוריים במבנה הסיבים מיתרגמים לשינוי דרמטי בהתנהגות המקרוסקופית של הרשתות."
הרשתות הדו ממדיות שפותחו ויוצרו במעבדתו של ד"ר סיט מבוססות על פולימר בשם PNIPAAm, והן "מודפסות" בתהליך המכונה טווייה יבשה (Dry Spinning). בתהליך זה, הסיבים נמתחים מתוך תמיסת הפולימר הנוזלית, ותוך כדי כך הם מתקשים במהירות והופכים למוצקים, כאשר נידוף מהיר של הממס מותיר את הפולימר כסיב דק. שיטה זו מאפשרת יצירה של סיבים בקוטר של מאית עובי השערה וכן ארגון שלהם באופן מסודר במרחב, בדומה להדפסה תלת ממדית.
את המחקר הובילו ד"ר סיט והדוקטורנטית שירן זיו שהרבני מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, והוא פורסם בעיתון היוקרתי Advance Functional Materials.
ד"ר סיט מוסיף: "אחת הדרכים העיקריות בהן מערכות ביולוגיות יוצרות תנועה ומייצרות כוחות היא באמצעות רשתות היררכיות שמורכבות מסיבים דקים וזעירים, ויכולות לשנות את צורתן וגודלן בהתאם לגירוי חיצוני. רשתות מעין אלו קיימות ברמת התא הבודד, ולוקחות חלק במגוון תהליכים תאיים וגופניים. כך למשל, השרירים בגוף האדם מבוססים על רשתות של סיבים חלבוניים, שמתכווצות ומתרפות בעקבות גירוי עצבי. הצלחנו להראות כי שינוי הצורה של רשתות דו ממדיות המורכבות מסיבים פולימריים המגיבים לחום, נשלט על ידי התכונות הפיזיקליות של כל סיב. בשינוי תנאים אלה, הרשתות נוטות להציג בקירור אחד משני נתיבי התנהגות – בנתיב אחד הסיבים נותרים ישרים, והרשת משמרת את הצורניות הסדורה שלה, ובנתיב השני הסיבים מתעקמים, והרשת הופכת למבולגנת ממש כמו ספגטי. היופי הוא שתכונת זיכרון הצורה קיימת בשני נתיבי ההתנהגות הללו, ובחימום חוזרים לתצורת הרשת המקורית."
את התוצאות המעניינות שראו ד"ר סיט וצוותו, הם הסבירו באמצעות מודל חישובי פשוט. הדוקטורנטית שירן זיו שהרבני מרחיבה בנושא: "המודל התאורטי שלנו מבוסס על הבנה בסיסית של מערכות קפיצים, שהן מערכות קלאסיות ומוכרות היטב. את שני נתיבי ההתנהגות שבהם חזינו במעבדה, הצלחנו לתאר באמצעות שינוי פרמטרים במערכת הקפיצים, והמודל סייע לנו להראות באופן חד משמעי כי מגוון גורמים גאומטריים, בעיקר קוטר הסיב אך גם הצפיפות של הרשת כולה, קשורים קשר הדוק לתכונות המקרוסקופיות של הרשת."
"עם היישומים של הרשתות הפולימריות", מוסיף ד"ר סיט, "ניתן להפליג אל מחוזות המדע הבדיוני, אבל ברמה הפרקטית ובעתיד הקרוב אנו מתכננים להשתמש ברשתות כדי לייצר בדים ומבנים תלת ממדים שישנו את צורתם ברזולוציה מיקרונית, באופן שיתוכנת ממש כחלק ממבנה החומר עצמו. במקביל, אנו עובדים על שימוש ברשתות משנות צורה לפיתוח של שרירים מלאכותיים קטנטנים שיוכלו לשנות פוקוס של עדשות רכות, להפריד ננו ומיקרו-חלקיקים ולהניע מלקחיים זעירים לטובת לקיחת ביופסיה של תאים בודדים."
זיו שהרבני מסכמת ואומרת: "עם התובנות מהמחקר שלנו אפשר לנתח ולהסיק איזה ארגז כלים נדרש לצורך פיתוחים שכאלה. המחקר ארך למעלה משלוש שנים, ולקחו בו חלק גם פרופ' אלי פלקסר מהמכללה האקדמית להנדסה אפקה בתל אביב, וכן סטודנטים, תלמידי מחקר ואף תלמיד תיכון. אין ספק כי הידע שרכשנו במהלכו הוא חדשני ובעל פוטנציאל טכנולוגי רב."
מחקר
התקווה: תוך מספר שנים לאפשר לבני אדם משותקים לחזור לתפקוד
האם היום שבו אנשים משותקים יוכלו לעמוד על רגליהם ולצעוד מחדש קרוב משחשבנו? בפעם הראשונה בעולם חוקרים ממרכז סגול לביוטכנולוגיה רגנרטיבית באוניברסיטת תל אביב הצליחו להנדס חוט שדרה אנושי תלת ממדי ולהשתיל אותו בחיות מודל שסבלו משיתוק כרוני. התוצאות מרשימות ביותר: כ-80% מהעכברים המושתלים חזרו ללכת. כעת החוקרים נערכים לקראת השלב הבא של המחקר - ניסויים קליניים בבני אדם. המטרה להצליח תוך מספר שנים לייצר חוט שדרה אנושי שיאפשר לאנשים משותקים לחזור ולעמוד על הרגליים.
פריצת הדרך העולמית במחקר נערכה בהובלת קבוצת המחקר של פרופ' טל דביר ממרכז סגול לביוטכנולוגיה רגנרטיבית, בית ספר למחקר ביו-רפואי ולחקר הסרטן ע"ש שמוניס והמחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת תל אביב. צוות המעבדה של פרופ' דביר כולל את הדוקטורנטית ליאור ורטהיים ואת החוקרים ד"ר ראובן אדרי וד"ר יונה גולדשמיט. למחקר סייעו, בין השאר, פרופ' עירית גת-ויקס, גם מבית ספר למחקר ביו-רפואי ולחקר הסרטן ע"ש שמוניס, ופרופ' יניב אסף מבית הספר סגול למדעי המוח, וד"ר אנג'לה רובן מבית הספר למקצועות הבריאות ע"ש שטייר, כולם מאוניברסיטת תל אביב. תוצאות המחקר מתפרסמות היום בכתב העת היוקרתי Advanced Science.
צוות המחקר מימין לשמאל: ליאור ורטהיים, פרופ' טל דביר וד"ר יונה גולדשמיט (צילום: מרכז סגול לביוטכנולוגיה רגנרטיבית)
"הטכנולוגיה מתבססת על לקיחת ביופסיה קטנה של רקמת שומן ביטני מהמטופל", מסביר פרופ' דביר. "כמו כל רקמה בגוף שלנו, הרקמה הזאת מורכבת מהתאים ומהחומר החוץ-תאי, כמו קולגן וסוכרים. הפרדנו את התאים מהחומר החוץ-תאי, ובהנדסה גנטית החזרנו את התאים למצב הדומה לתאי גזע עובריים – כלומר, תאים שיכולים לאחר הכוונה מדויקת להפוך לכל סוגי התאים בגוף. במקביל, ייצרנו מהחומר החוץ-תאי ג'ל מותאם אישית לחולה, על מנת שלא לעורר תגובה חיסונית ודחייה של השתל לאחר ההשתלה. את תאי הגזע הכנסנו לתוך הג'ל, ובתהליך המחקה את ההתפתחות העוברית של חוט שדרה הפכנו את התאים לשתלים תלת-ממדיים של רשתות עיצביות המכילות תאי עצב מוטוריים".
צלחות פטרי עם תרביות רקמה (צילום: מרכז סגול לביוטכנולוגיה רגנרטיבית)
רשת נוירונים (צילום: מרכז סגול לביוטכנולוגיה רגנרטיבית)
את שתלי חוטי השדרה האנושיים השתילו פרופ' דביר וצוותו בחיות מודל שסבלו משיתוק. החיות נחלקו לשתי קבוצות: חיות מודל שסובלות משיתוק זמן יחסית קצר (המודל האקוטי) וחיות מודל שסובלות משיתוק ממושך, זמן המקביל לשנה שלמה בחיי אדם (המודל הכרוני). לאחר ההשתלה, 100% מהעכברים שסבלו משיתוק אקוטי ו-80% מהעכברים שסבלו משיתוק כרוני שבו ללכת.
"החיות עברו תהליך שיקומי מהיר, שבסופו הן הלכו יפה מאוד", מספר פרופ' דביר, "זאת הפעם הראשונה בעולם שבה רקמות מהונדסות מתאים וחומרים אנושיים המושתלות בחיות מודל משתקמות משיתוק כרוני, שהוא למעשה המודל הרלוונטי ביותר לטיפול בבני אדם משותקים. בעצם השתלנו חוטי שדרה אנושיים לחלוטין בעכברים, כאשר השאיפה שלנו היא כמובן להשתיל שתלים אנושיים בבני אדם. צריך להבין שיש בעולם מיליוני אנשים משותקים כתוצאה מפגיעות בחוט השדרה – ואין להם שום טיפול קיים. אותם אנשים אשר נפצעו בגיל צעיר מאוד, יאלצו עד יומם האחרון לשבת בכיסא גלגלים, עם כל העלויות הבריאותיות, החברתיות והכלכליות של שיתוק. המטרה שלנו היא לייצר שתלי חוט שדרה מותאמים אישית לכל משותק ומשותקת, להשתיל אותם, ולגרום לשיקום הרקמה הפגועה ללא חשש מדחייה".
על בסיס הטכנולוגיה המהפכנית להנדסת איברים שפותחה במעבדה, הוקמה ב-2019 חברת מטריסלף (matricelf.com), שכבר מייצרת את שתלי חוטי השדרה האנושיים ועתידה להשתילם במשותקים.
פרופ' דביר, ראש מרכז סגול לביוטכנולוגיה רגנרטיבית, מסכם: "אנחנו שואפים להגיע לניסויים קליניים בבני אדם בתוך מספר שנים, במטרה להעמיד את אותם אנשים על הרגליים. התוכנית הפרה-קלינית של החברה כבר נידונה עם ה-FDA. מאחר שמדובר בטכנולוגיה מתקדמת ברפואה רגנרטיבית, ומאחר שלמטופלים המשותקים אין כיום חלופה טיפולית, ישנו סיכוי סביר כי הטכנולוגיה תאושר יחסית במהירות".
מחקר
כבר לפני 170,000 שנה האדם הקדמון השכיל למקם את המדורה בנקודה האופטימלית ביותר במערה כדי ליהנות ממקסימום חום וממינימום נזק בריאותי משאיפת עשן
מחקר פורץ דרך של חוקרי ארכיאולוגיה פרהיסטורית באוניברסיטת תל אביב מעיד על יכולות גבוהות של בני האדם הקדומים כבר לפני 170,000 שנה. החוקרים פיתחו ויישמו לראשונה מודל הדמיה ממוחשב על אתר פרהיסטורי מוכר, ומצאו כי בני האדם הקדומים ששהו במערה השכילו למקם את המדורה בנקודה אופטימלית שאפשרה ניצול מירבי של האש לצורכיהם לצד שאיפת עשן מינימלית.
את המחקר הובילה הדוקטורנטית יפית קידר יחד עם פרופ' רן ברקאי וד"ר גיל קידר מהחוג לארכיאולוגיה ולתרבויות המזרח הקדום ע"ש יעקב מ. אלקוב בפקולטה למדעי הרוח ע"ש לסטר וסאלי אנטין. המאמר פורסם בכתב העת Scientific Reports.
יפית קידר מסבירה כי בין חוקרי הפרהיסטוריה בעולם מתנהל כבר שנים רבות דיון בנושא השימוש באש על ידי בני אדם קדומים: באיזה שלב באבולוציה למד האדם לשלוט באש, ולהדליק אותה כשחפץ בכך? מתי הוא החל להשתמש באש באופן יזום ויומיומי? על פי מה נקבעה חלוקת המרחב באתרי מערה? לדבריה, מוסכם כי יכולות אלה היו נחלתם של בני אדם מודרניים, אך אין הסכמה אם בני אדם קדומים יותר היו בעלי כישורים דומים.
"אחד הנושאים שעומדים במוקד הדיון הוא מיקומן של מדורות במערות שבהן שהו בני אדם קדומים לאורך זמן. במערות רבות נמצאו מדורות רב-שכבתיות, כלומר מדורות שהובערו באותה נקודה במערה לאורך תקופות ארוכות. במחקרים קודמים, בעזרת מודל ממוחשב של סירקולציה של אוויר במערות ותוכנה המדמה פיזור עשן בתוך מרחב סגור, מצאנו שבכל הנוגע לשאיפה מינימלית של עשן בעונת החורף - המיקום האופטימלי של המוקד הוא בקצה האחורי של המערה. המיקום הפחות מוצלח הוא בפתח המערה", מסבירה יפית.
במחקר הנוכחי החוקרים ביקשו לבחון את הממצאים הללו מול המציאות בשטח, כלומר מול מדורה ממערת לזארט שבדרום מערב צרפת שבה חיו בני אדם קדומים לפני 170-150 אלף שנה. "על פי המודל שפיתחנו על סמך מחקרים קודמים, המדורה אמורה הייתה להיות בקצה האחורי של המערה. אך המדורה בשכבה שבדקנו הייתה ממוקמת דווקא במרכז המערה. לכן ניסינו להבין מדוע מיקמו בני האדם הקדומים את המדורה בנקודה זו ולבדוק אם התפזרות עשן המדורה באוויר היוותה שיקול משמעותי בחלוקה המרחבית של האתר לאזורי פעילות שונים", מסבירה יפית.
כדי לבחון את הסוגיה ביצעו החוקרים מגוון סימולציות ממוחשבות של פיזור עשן עבור 16 מדורות אפשריות במערה, ששטחה הכולל 290 מ"ר. עבור כל מדורה נבדקה צפיפות העשן ברחבי המערה באמצעות אלפי חיישנים וירטואליים שפוזרו בחלל מהרצפה ועד לגובה של 1.5 מטר, במרחק של חצי מטר זה מזה. כדי להבין את המשמעות הבריאותית של שאיפת העשן, הושוו המדידות למדדים המומלצים של חשיפה לעשן שפרסם ארגון הבריאות העולמי. כך מופו במערה 4 אזורים עבור כל מוקד: אזור אדום, שבו לא מומלץ לשהות כלל בשל צפיפות גבוהה של עשן; אזור צהוב, שבו ניתן לשהות לטווח זמן קצר; אזור ירוק, שבו ניתן לשהות מספר שעות ואף ימים ללא הגבלה; ואזור כחול שהוא נקי מעשן.
"גילינו שממוצע צפיפות העשן, על פי מדד של חלקיקים במרחב, הוא אכן מינימלי כשהמדורה ממוקמת ליד הקיר האחורי, כפי שקבע המודל שלנו. אך מצאנו גם שבמצב זה האזור בעל צפיפות העשן הנמוכה, שמתאים לשהייה ולפעילות ממושכת, מרוחק יחסית מהמדורה עצמה. לכן, בני האדם הקדומים היו זקוקים לאיזון: מדורה שבקרבתה הם יכולים לעבוד, לבשל, לאכול, לישון, להיפגש, להתחמם, וכד', ועם זאת לשאוף כמות מינימלית של עשן. התברר שכאשר מביאים בחשבון את כל צרכי האדם – הפעילות היומיומית מול נזקי שאיפת עשן – המדורה מוקמה בנקודה האופטימלית במערה", אומרים ד"ר קידר ויפית קידר.
מערת לזרט, צרפת, במהלך החפירות. צילום: De Lumley, M. A.. néandertalisation (pp. 664-p). CNRS éditions. (2018Les restes humains fossiles de la grotte du Lazaret. Nice, Alpes-Maritimes, France. Des Homo erectus européens évolués en voie de
על פי ממצאי המחקר, גודלו של המרחב אופטימלי שבו כדאי למקם את המדורה כדי ליהנות מצד אחד מיתרונותיה אך מצד שני לא לשאוף עשן עומד על 25 מ"ר. במחקר גילו החוקרים שבני האדם הקדומים אכן מיקמו את המוקד באזור זה, הן בשכבה העיקרית שנבחנה והן בשכבות ארכיאולוגיות אחרות.
"המחקר שלנו מראה שבני אדם קדומים השכילו, גם ללא סימולציות וחיישנים, למקם את המדורות שלהם ולנהל את מרחב המערה באופן מושלם כבר בתקופה קדומה מאוד, לפני כ-170 אלף שנה, זמן רב לפני הופעתו של האדם המודרני באירופה", אומר פרופ' ברקאי ומסכם "יכולת זו משקפת תבונה, ניסיון, וכושר תכנון, וכן מודעות לנזק הבריאותי הכרוך בשאיפת עשן. בנוסף, מודל ההדמיה שפיתחנו עשוי לסייע לחוקרי פרהיסטוריה, בבואם לחפור אתר חדש, לחפש את המדורות ואזורי הפעילות במיקומים האופטימליים."
במחקרי המשך ייעזרו החוקרים במודל שפיתחו כדי לבחון את השפעתם של חומרי בעירה שונים על פיזור העשן, שימוש במערה בעונות שונות של השנה במקביל למדורה פעילה, שימוש במספר מדורות בו-זמנית, ועוד.