מחקרים

"אנטרופיה מוגדרת כרמת אי-הסדר של מערכות בטבע," מסביר פרופ' בק-ברקאי מבית הספר לפיזיקה של אוניברסיטת תל אביב. "לדוגמה, לגביש, שבו כל אטום נמצא במקומו, יש אנטרופיה נמוכה; לעומת זאת לגז, שבו האטומים משוטטים באופן אקראי בחלל, יש אנטרופיה גבוהה. האנטרופיה היא מדד חשוב מאוד במחקר על מערכות מסוגים שונים - החל במולקולות מורכבות של חלבונים, וכלה בחומרים חדשים שאנו מפתחים למגוון צרכים. אך שיטות המחקר המקובלות היום, המסתמכות על סימולציות מחשב של תהליכים פיזיקליים, אינן מסוגלות לספק ביעילות מדד אמין לאנטרופיה. זאת מכיוון שככל שהמערכת מורכבת יותר, כמו למשל מולקולת חלבון, יש לה מספר אינסופי של מצבים אפשריים במרחב, וגם מחשב-על מתקדם יתקשה לחשב את כולם ולקבוע בסימולציה את רמת הסדר במערכת. בעיה זו מעסיקה את טובי המדענים כבר שנים רבות, אך עד כה לא נמצא לה פתרון יעיל ומספק."

איך מחשבים אי-סדר?

כעת, חוקרים ממעבדתו של פרופ' בק-ברקאי מצאו מענה פורץ דרך, יעיל ונגיש לסוגיה הקשה, ופיתחו שיטה פורצת דרך לחישוב האנטרופיה. את המחקר הוביל הדוקטורנט רם אבינרי ממעבדתו של פרופ' בק-ברקאי. המאמר התפרסם לאחרונה בכתב העת Physical Review Letters.

החוקרים הבחינו כי המשוואה המשמשת לקביעת אנטרופיה בפיזיקה זהה למשוואת אנטרופיה מתורת האינפורמציה, שיש לה תפקיד מרכזי בתוכנות נפוצות לכיווץ נתונים כגון ZIP, המצויות בכל מחשב וטלפון חכם. "אלגוריתם זה מהווה חסם עליון שקובע לאיזה גודל ניתן לכווץ את הקובץ הרלוונטי," אומר פרופ' בק-ברקאי. "למעשה בעידן הדיגיטלי כל המסמכים, מתמונות ומצגות ועד מסמכי WORD, עוברים כיווץ כדי שיתפסו פחות מקום במחשב או למטרת משלוח דרך האינטרנט. האלגוריתם לכיווץ נתונים סורק את הקובץ, וכשהוא מזהה דפוסים שכבר הופיעו קודם לכן, הוא אינו כותב אותם מחדש אלא מייצר הפניה לאזכור הקודם. בדרך זו הוא חוסך מקום והקובץ קטן. ככל שיש בקובץ חזרות רבות יותר, כך הוא בעצם מסודר יותר, ואז הקובץ המכווץ קטן יותר, וגם מדד האנטרופיה של המידע נמוך יותר."

לאחר שהבחינו בקשר בין האלגוריתם לכיווץ נתונים לבין משוואת האנטרופיה, הזינו החוקרים תוצאות של סימולציות מחשב פיזיקליות של מערכות מורכבות לתוכנות כיווץ מוכרות, המצויות היום בחינם בכל מחשב וטלפון חכם. התוכנות יצרו מהנתונים קבצים מכווצים, והחוקרים מצאו כי ניתן לתרגם את גודל הקובץ המתקבל למדד מדויק של אנטרופיה. כך הם יצרו לראשונה כלי נוח ויעיל לכימות האנטרופיה של מערכות מורכבות ביותר – ממערכות מגנטיות ועד למולקולות חלבון.

"חשיבותה של השיטה שלנו היא בפשטותה ובנגישותה," מסכם פרופ' בק-ברקאי. "מדובר בבשורה של ממש לחוקרים בתחומים רבים – מביולוגיה וכימיה ועד פיזיקה, מדע החומרים וננוטכנולוגיה. לראשונה יכול כל חוקר לכמת את האנטרופיה של מערכות מורכבות בקלות וביעילות, על המחשב האישי ואף על הטלפון הנייד שלו. לבעיה שהעסיקה את טובי המוחות נמצא כעת פתרון אמין ונוח, בעל יישומים פוטנציאליים רבים. כך לדוגמה ניתן באמצעות השיטה החדשה לזהות חלבונים בעלי צורת קיפול חריגה הגורמת למחלה; לחקור תהליכים של הרכבה עצמית הקשורים לייצור חומרים חדשניים; ולאפשר הבנה טובה יותר של תהליכים פיזיקליים מורכבים שעומדים בחזית הטכנולוגיה העתידית."

במחקר רב-תחומי בהובלת ד"ר אלכסנדר גולברג מבית הספר לסביבה ולמדעי כדור הארץ ע"ש פורטר, ופרופ' מיכאל גוזין מבית הספר לכימיה, הצליחו החוקרים להפיק ביו-פולימרים בתהליך שאינו דורש קרקע חקלאית או מים מתוקים. תוצאות המחקר המהפכני התפרסמו בכתב העת היוקרתי Bioresource Technology.

^{נפלטו יחד מהמים. בעלי חיים ופסולת על חוף הים}

להחזיר את גלגל הזיהום של כדור הארץ לאחור

"חומר הגלם בו השתמשנו ליצירת הפלסטיק הביולוגי היה אצות רב-תאיות שגדלות בים", מסביר ד"ר גולברג. "האצות אכלו ארכאונים חד-תאיים (מיקרו-אורגניזמים חסרי גרעין ואברונים), שגם הם גדלים במים מלוחים מאוד. לאחר מכן הן תססו ויצרו את הפולימרים הביולוגים. מדובר בפריצת דרך משמעותית. התהליך שאנחנו מציעים יאפשר גם למדינות הסובלות ממחסור במים מתוקים, כמו ישראל, סין והודו, לעבור לפלסטיק מתכלה".

לדברי ד"ר גולברג, המחקר החדש יכול לחולל מהפכה בהורדת נטל הפלסטיק מהסביבה: "פלסטיק ממקורות מאובנים מהווה את אחד הגורמים המזהמים ביותר באוקיינוסים. מצד שני, תהליך הייצור של פלסטיקים מתכלים מצריך משאבים חשובים, שגם הם הולכים ומתמעטים. מדינה כמו ישראל, שהיא צרכנית פלסטיק גדולה, לא תקצה שטחים נרחבים ומים יקרים כדי לייצר ביו-פולימרים. במחקר שלנו הצלחנו להוכיח לראשונה שאפשר לייצר ביו-פלסטיק בתהליך שהוא ידידותי גם לסביבה וגם לתושבים".

בימים אלה עובדים החוקרים על דיוק שיטתם באמצעות שימוש בחיידקים שונים ובאצות שונות להפקת הפלסטיק. "כרגע אנחנו מנסים להבין כיצד זנים שונים של חיידקים מביאים לתסיסה שונה בקרב מינים שונים של אצות", אומר ד"ר גולברג. "כל אצה מייצרת סוכר שונה, כך שתוצר הפלסטיק הסופי גם הוא שונה. המטרה שלנו כעת היא למצוא את החיידקים ואת האצות המתאימים ביותר להפקת פולימרים לפלסטיקים".

"אנחנו סבורים שזוהי עדות מוחשית לתהליך שמתרחש ביקום ללא הרף: פירוק של גלקסיות ננסיות בידי גלקסיות גדולות יותר," מסביר ד"ר נח ברוש מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר. "אירוע כזה, שאורך כמיליארד שנים, מתרחש כשהכוכבים של הגלקסיה הננסית נמשכים על ידי כוח הכבידה של הגלקסיות הגדולות".

"במקרה שלפנינו, ראש הראשן נוצר ככל הנראה מכוכבי הגלקסיה הננסית שהיו קרובים לשתי הגלקסיות 'הטורפות' הנצפות במרכז הראש, ואילו הזנב הענק מורכב משרידיהם של כוכבים רחוקים יותר בגלקסיה המתפרקת. למעשה התצפית שלנו לכדה את תהליך הפירוק בעיצומו".

אקשן בשמיים

"אנחנו מחפשים אקשן בשמיים. אנחנו צופים באופן תמידי בגלקסיות ובאזורים הקרובים אליהן כדי לזהות עדויות לשינויים. האם הגלקסיה גדלה או מצטמצמת? האם היא נמצאת באינטראקציה כלשהי עם גלקסיות נוספות?", ומוסיף "בתצפיות שלנו אנחנו עוקבים כבר זמן מה אחר קבוצות צפופות של גלקסיות, המכונות Hickson Compact Group HCG)), על שם האסטרונום הקנדי פול היקסון, שזיהה אותן ב-1982. ההנחה שככל שהן קרובות זו לזו יתרחשו ביניהן יותר פעילויות".

קבוצת הגלקסיות שנצפתה במחקר הנוכחי נקראת HCG 98. היא מורכבת מקבוצה צפופה של ארבע גלקסיות, ושוכנת במרחק 300 מיליון שנות אור מכדור הארץ. לשם השוואה, קצה היקום הנראה כיום נמצא במרחק כ-14 מיליארד שנות אור מכאן, כך שקבוצת HCG 98 היא למעשה 'שכנה' קרובה יחסית. התצפיות על קבוצת HCG 98 חשפו את הממצא החדש ויוצא הדופן, שלא התגלה עד היום מכיוון שהוא מאיר באור חיוור ביותר.

בתצפיות ובפיענוחן נעזרו האסטרונומים בטכנולוגיה מיוחדת: טלסקופ המאפשר תצפית וצילום של שטח נרחב יחסית בשמים, ובעל שיטת עיבוד המצרפת יחדיו תצלומים רבים של אותו אזור, המאפשרת לחוקרים להבחין גם בגופים חיוורים מאוד, שלא ניתן לראותם בדרך אחרת.

המחקר, בהובלת ד"ר ברוש, נערך בשיתוף עם מדענים באוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס ובאקדמיה הרוסית למדעים, והתצפיות בוצעו במצפה הכוכבים וייז שבמצפה רמון השייך לאוניברסיטת תל אביב, ועם טלסקופ זהה בארה"ב. מאמר אודותיו התפרסם בכתב העת המדעי של האגודה המלכותית לאסטרונומיה של בריטניה Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

בימים אלה ממשיכים החוקרים במצפה הכוכבים וייז בפרויקט גדול, שנעזר בטכנולוגיה המיוחדת לאיתור התרחשויות בסמוך לכמאה גלקסיות נוספות ברחבי היקום.

מחקר חלוצי במעבדה לביופיזיקה של פרופ' רועי בק-ברקאי בבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר מצביע לראשונה על קשר מובהק בין תנאים פיזיולוגיים השוררים בגוף - ריכוזי מלחים וטמפרטורה, לבין שינויים מבניים במיאלין העוטף את סיבי העצב, אשר מהווים תסמין מובהק של טרשת נפוצה. המחקר שנערך על ידי הדוקטורנטית רונה שהרבני, בשיתוף פעולה עם הדוקטורנטית מאור רם-און מקבוצת המחקר של פרופ' ישעיהו טלמון בטכניון, התפרסם לאחרונה בכתב העת PNAS.

המיאלין הוא מעטפת עשויה חומצות שומן זרחתיות וחלבונים, המבודדת את תאי העצב בגופנו ומאפשרת הולכה של דחפים עצביים. בסיבים המאפיינים חולי טרשת נפוצה, מעטפת המיאלין נפגעת על ידי המערכת החיסונית, והעברת האותות החשמליים מואטת או נפסקת לחלוטין.

"ההנחה היא שהתהליך מתרחש כשמערכת החיסון תוקפת את המיאלין, אך עד היום לא ברור כיצד מערכת החיסון מצליחה לחדור אליו, ולצערנו אין עדיין תרופה למחלה. אנחנו ביקשנו לבחון את ההיבט הפיזיקלי, הפיזיולוגי והמבני של התהליך הפוגע במיאלין", מסביר פרופ' בק-ברקאי.

"הגוף שלנו יודע לשמור על סביבה פיזיולוגית קבועה, הכוללת טמפרטורה אופטימלית וריכוזים מתאימים של מלחים שונים," אומרת רונה שהרבני. "במצב תקין שכזה נוצר מיאלין בתהליך התארגנות עצמית של חלבונים וחומצות שומן, שיוצרים יחדיו מעטפת רב-שכבתית בצורת 'רולדה' סביב סיבי העצב. אצל חולי טרשת נפוצה המעטפת עוברת שינוי מבני, ומקבלת בהדרגה צורה מחוררת של 'חלת דבש'. במצב כזה יכולים תאי מערכת החיסון לחדור לתוך המיאלין ולתקוף אותו מבפנים. אנחנו בדקנו אם השינויים המבניים במיאלין עשויים להיגרם על ידי שינויים בסוגי ובריכוזי המלחים ובטמפרטורה בגוף.

סיב עצבי עטוף במיאלין בריא

המתכון: להמליח במידה ולשמור על טמפרטורה קבועה

החוקרים יצרו במעבדה חומר המדמה מיאלין עשוי חומצות שומן וחלבונים, וביחס כמויות המצוי במיאלין תקין. הם חשפו את החומר לסביבות של חמישה סוגי מלחים – אשלגן, נתרן, מגנזיום, סידן ואבץ, בריכוזים שונים, וכן לטמפרטורות משתנות, ובדקו מה קורה לו.

הממצאים העלו כי אפילו שינוי קטן בריכוז הפיזיולוגי של כל אחד מהמלחים בנפרד יכול לגרום לשינוי במבנה המיאלין שנוצר במבחנה, מ'רולדה' בריאה ל'חלת דבש' המאפיינת טרשת נפוצה. עוד נמצא כי אותו שינוי מבני נוצר גם בטמפרטורה העולה על 42 מעלות צלסיוס.

"למעשה, כבר בסוף המאה ה-19, לפני כ-120 שנה, ידעו הרופאים כי חולה בטרשת נפוצה שנכנס לאמבטיה חמה עלול לחוות התקף של המחלה, ואף השתמשו בתופעה זו למטרות אבחון. יתכן מאוד כי אם יבדקו, ימצאו אצל חולי טרשת נפוצה מדדים מקומיים של ריכוזי מלח גבוהים יחסית, ובהחלט כדאי לבדוק את הקשר של אלה להתפתחות המחלה בגוף", אומר פרופ' בק-ברקאי.

לשאלה אם נוכל בעזרת תזונה מותאמת לשלוט בהתפרצות המחלה עונה פרופ' בק-ברקאי "המחקר אכן מרמז על כך, וידוע כי קיים קשר בין תזונה לבין התפרצויות של סימפטומים של המחלה. עם זאת, חשוב להבין כי המרחק בין מה שאנחנו אוכלים לבין מה שיהיה בסביבה הבין תאית הוא גדול מאד, לאור העובדה שישנם מנגנונים רבים ושונים בגוף שמווסתים את הנ״ל. הרגישות המבנית שאנחנו מצאנו למלחים מסויימים ולטמפרטורה יכולים להצביע על כיוון למחקר ביולוגי רלוונטי בנושא ועל המנגנון הפיזיקאלי שתומך בו, אבל מכאן ועד לשקול אם לאכול או לא לאכול בננה או פופקורן עם מלח יש עוד דרך ארוכה".

"ממצאי המחקר הבסיסי-פיזיקלי שלנו פותחים פתח לכיווני מחקר חדשים בנוגע לטרשת הנפוצה, הנחשבת כיום לחשוכת מרפא", מוסיף ומסכם פרופ' בק-ברקאי "אנו ממשיכים לחקור גם כיוונים אחרים בהם שינויים במיאלין גורמים למחלות דומות. דוגמא אחת היא מחלת ה-ALD, בה שינויים קלים בהרכב המיאלין מביאים להרס מוחלט שלו. אנו מקווים בכל לבנו שעמיתינו מתחום המחקר הרפואי 'ירימו את הכפפה', וישתמשו בממצאי המחקר שלנו כדי לזהות את הגורמים למחלה ולפתח אבחון מדויק, ואולי בעתיד אף תרופה יעילה".

אחד מפלאי העולם, וכיוצא בזה גם של המדע, הוא העובדה שהרכיב הזעיר ביותר ביקום, מעיד על האדיר ביותר, ולהיפך. זה מתבטא ביתר שאת, בצורה שהיא לעתים בלתי נתפסת, במבנה האטום. "החומר בעולמנו, החל בגוף שלנו וכלה בכוכבי השמים, בנוי מאטומים, וכל אטום מורכב מגרעין המכיל פרוטונים ונויטרונים (המכונים יחדיו נוקלאונים), ומאלקטרונים החגים סביבו. לכן כל תגלית הנוגעת לגרעין האטום היא משמעותית, בדרך זו או אחרת, להבנת היקום כולו."  אומר פרופ' אלי פיסצקי מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב. בימים אלו מחקר חדש בהובלתו שופך אור חדש על המתרחש בתוך גרעין האטום.

כדי לבחון מה מתרחש בתוך גרעין האטום נעזרים המדענים במאיצי חלקיקים. המאיץ מייצר אלומת חלקיקים באנרגיה גבוהה, ו'מפציץ' באמצעותה את הגרעין עד שהוא מתפרק. תוצרי ההתפרקות נמדדים באמצעות גלאים רגישים ביותר, והממצאים מאפשרים לחוקרים לשחזר את האירוע, ולהסיק מסקנות לגבי מבנה הגרעין ומה שקורה בתוכו.

התגלית הנוכחית, המתייחסת למהירות התנועה של חלקיקים בתוך גרעין האטום, התגלתה במעבדת מאיץ האלקטרונים ג'פרסון שבווירג'יניה, ארה"ב. המחקר בוצע על ידי החוקרת מיטל דואר ממעבדתו של פרופ' פיסצקי, בהשתתפות חוקרים מ-MIT ומאוניברסיטת  ODUבווירג'יניה, ארה"ב, והתפרסם בכתב העת Nature. למחקר תרומה חשובה, בין היתר, לחקר כוכבי הנויטרונים – הכוכבים הצפופים ביותר ביקום, אשר ככל הנראה קשורים לייצור היסודות הכבדים בעולמנו.

מהירים השניים מן האחד

"ידוע שהפרוטונים והנויטרונים (נוקלאונים) נעים בתוך הגרעין," מסביר פרופ' פיסצקי. "על פי רוב כל נוקלאון נע לבדו, אך אנו גילינו במחקרים קודמים שלעתים הם יוצרים זוגות. הזוגות הללו מורכבים כמעט תמיד מפרוטון ונויטרון. עוד מצאנו, שכאשר נוצר זוג, כל נוקלאון בזוג נע במהירות גבוהה בהרבה ממהירותו של נוקלאון בודד. מהירותו של נוקלאון בזוג כזה מגיעה ליותר ממחצית ממהירות האור."

במחקר הנוכחי בחרו החוקרים להתבונן בגרעיני אטומים של חומרים כבדים, כמו למשל עופרת. "בגרעינים כבדים, מספר הנויטרונים (בעלי מטען שלילי) גבוה משמעותית ממספר הפרוטונים (בעלי מטען חיובי)," אומר פרופ' פיסצקי. "הסיבה: מכיוון שלפרוטונים יש מטען חשמלי חיובי, הם דוחים זה את זה, וקשה לקשור מספר גדול של פרוטונים יחד לגרעין יציב. לנויטרונים, לעומת זאת, אין מטען חשמלי, וניתן "לארוז"  מספר גדול יותר בקלות יחסית. לכן בגרעין של אטום עופרת, לדוגמה, יש 126 נויטרונים, ורק 82 פרוטונים."

לכאורה, במצב שבו יש הרבה יותר נויטרונים, יש סיכוי גדול יותר להיווצרות זוגות של נויטרונים מבחינה סטטיסטית. "זה דומה למסיבה שבה יש פי 1.5 גברים (נויטרונים) ביחס לנשים (פרוטונים)," מסביר פרופ' פיסצקי. "במצב כזה יש לנשים הרבה יותר סיכוי לרקוד עם בן זוג, או במילים אחרות: בכל רגע נתון, אחוז הפרוטונים המצומדים לזוגות גבוה מאחוז הנויטרונים המצויים בזוגות. ומכיוון שלחלקיקים בזוג יש מהירות גבוהה יותר, שיעור הפרוטונים עם אנרגיה קינטית מוגברת גבוה משיעור הנויטרונים עם אנרגיה קינטית מוגברת.

ניתן לסכם זאת כך:

> כמות הנויטרונים בגרעין באטומים של חומרים כבדים גבוהה בהרבה מכמות הפרוטונים בגרעין

> הפרוטונים נצמדים לנויטרונים ליצירת זוגות, ומותירים נויטרונים רבים ללא זוג

> לחלקיקים "בזוגיות" מהירות גבוהה יותר מחלקיקים בודדים

> לכן, אחוז הפרוטונים המהירים בגרעין גבוה מאחוז הנויטרונים המהירים, אף על פי שמבחינה כמותית הפרוטונים במיעוט

"תגלית זו עשויה לגרום לשינוי חשוב במודלים המקובלים של כוכבי נויטרונים: להבנתנו בכל כוכב נויטרונים יש גם אחוז קטן של פרוטונים, ותנועתם בכוכב תושפע מהנויטרונים הקרובים להם, כפי שקורה בגרעינים." אומר פרופ' פיסצקי. "המחקר שלנו הוא מחקר של מדע בסיסי, ללא יישומים מידיים, אך מכיוון שהיקום כולו מורכב מהחלקיקים שאנו חוקרים, יש לממצאים שלנו משמעות רבה להבנת העולם בו אנו חיים, החל ברמה הבסיסית ביותר."