חידת הלב הפועם

אם נניח תא של שריר הלב על מצע ג'ל רך בתוך צלחת פטרי, הוא יפעם ויפעם – ממש כמו לב זעיר; ואם נניח שני תאים זה לצד זה, הם יתאמו את קצב פעימותיהם. מה בתאים אלה גורם להם להמשיך לפעום בתיאום, גם כשהם מנותקים מחללית האם – מערכת הלב המורכבת? באחרונה, הראו פרופ' שמואל (סאם) שפרן, מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון ויצמן למדע, ותלמיד המחקר שלו, אוהד כהן, כי אפשר לתאר את פעולת מנגנון הפעימה במונחים פיסיקליים בסיסיים ביותר – פיסיקה של קפיצים, משקולות והליכוני כושר.

פעימות תאי שריר הלב מבוקרות באמצעות זרמים של יוני סידן המאוחסנים באברון המכונה רטיקולום סרקופלזמי (SR). בקרום של ה-SR יש שני סוגי מסלולים נפרדים לסידן: תעלות שנפתחות ונסגרות לסירוגין ומאפשרות ליונים לנוע מריכוז גבוה ב-SR לריכוז נמוך בנוזל התוך-תאי, ומשאבות המחזירות את היונים פנימה אל המאגר. מנגנון זה, כשלעצמו, אין בכוחו להסביר את פעימות הלב, שכן ללא מעורבות גורם נוסף, מערכת התעלות והמשאבות הייתה מגיעה למצב יציב ושומרת על ריכוז קבוע של יוני סידן בנוזל התוך-תאי.

כדי לפתור את חידת הלב הפועם, פנו הביו-פיסיקאים תחילה לבחון את תעלות הסידן. בעוד המשאבות פועלות באופן שוטף, התעלות נפתחות לרווחה, ואז נסגרות בהדרגה. התנהגות זו נובעת מהעובדה שהיונים הראשונים שיוצאים דרך התעלה נקשרים לקצותיה, ושומרים עליה פתוחה לזמן מה – עד אשר תגובה זו דועכת. כאנלוגיה מכאנית פשוטה לפעילות המורכבת של התעלות, הציעו פרופ' שפרן וכהן את הפיסיקה של הקפיץ: "דמיינו קפיץ תלוי מתקרה, כשמשקולת מחוברת לקצהו", מסביר כהן. "אם אשחרר את המשקולת מאחיזתי באיטיות, כשאעזוב אותה לגמרי היא תישאר במקומה – זהו מצב אנלוגי למצב היציב של מערכת התעלות והמשאבות. אך אם אשחרר את המשקולת בבת-אחת, היא תפרפר מעלה ומטה סביב נקודה בחלל, בשל האינרציה – נטיית המאסה להמשיך בתנועתה אל מעבר לנקודה שבה כוח הכבידה, שמושך את המשקולת מטה, מבטל את הכוח של הקפיץ המושך מעלה. מנקודת מבט פיסיקלית, האופן שבו התעלות נותרות פתוחות לזמן מה לאחר שחרור יוני סידן דומה מאוד לאינרציה שגורמת למשקולת התלויה על קפיץ להתנדנד מעלה ומטה; הזרם המהיר של יוני הסידן 'דוחף' את התעלה אל מעבר למצב היציב".

"כפיסיקאים, אנחנו שואלים אם יש הסבר פשוט לתופעות המורכבות של העולם הביולוגי. באמצעות כינוס כמה תופעות ביוכימיות למספר מצומצם של פרמטרים פיסיקליים, הראינו שאנלוגיות למערכות פיסיקליות טהורות הינן כלי רב עוצמה שיכול לחשוף היבטים חדשים של מנגנונים ביולוגיים"

במאמר שפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Physics Review Letters, הראו החוקרים כי דמיון זה הוא יותר ממטאפורה מוצלחת – נוסחאות ביופיסיקליות המתארות את קצב פעילות התעלות מיתרגמות באמצעות אנליזה מתמטית למשוואה דמוית קפיץ, החוזה את תנודות הסידן שגורמות לתאי הלב לפעום. "אנלוגיות מסוג זה עשויות להוביל לתובנות חדשות בביופיסיקה של מערכת הלב", אומר פרופ' שפרן. "באמצעות אנלוגיה זו, הראינו שלא מדובר רק בתלות של התעלות בריכוז היונים (באנלוגיה, מיקום המשקולת), אלא גם בקצב השינוי בריכוז (באנלוגיה, מהירות המשקולת). התלות הזו היא שגורמת עיכוב בתגובת התעלה לריכוזי הסידן – ולכן ל'דחיפה' מעבר לנקודת היציבות".

ואולם התנודות של משקולת על קפיץ ילכו ויתמתנו בשל התנגדות האוויר, עד שהיא תגיע בסופו של דבר למנוחה, בעוד תא שריר הלב, בהינתן התנאים המתאימים, ימשיך לפעום ולפעום. תא שריר הלב צריך, לפיכך, להתגבר על ה"חיכוך" הביולוגי הגורם להפסקת מחזורי הסידן. במלים אחרות, כדי שהתנודות יימשכו – המערכת צריכה להיטען באנרגיה.

כדי להסביר כיצד התא מתגבר על החיכוך, דמיינו המדענים תסריט שונה ומשלים, שבו המשקולת מחוברת באמצעות קפיץ אופקי לקיר, ומונחת על מעין הליכון כושר אשר נע ללא הרף. בעוד ההליכון דוחף את המשקולת קדימה, הרחק מהקיר, הקפיץ מאט תנועה זו וכאשר הוא מגיע למתיחה מקסימלית – מושך את המשקולת בחזרה לאחור. פעולת תעלת הסידן דומה במקצת להליכון שמגביר את מהירות התנועה של המשקולת. עם זאת, בתעלת הסידן, ה"הליכון" הוא חלק בלתי-נפרד מהמערכת: הסידן שמשחררות התעלות ונקשר לקצותיהן הוא גם הגורם שמוביל לזרימה מוגברת של יונים דרכן. למרות ההבדל, החוקרים הראו כי משוואת "הקפיץ וההליכון" מסוגלת לתאר לא רק את פעימות התאים, אלא גם יכולה לחזות את משך הזמן שלהן – כשנייה אחת לכל פעימה.

"כפיסיקאים, אנחנו שואלים אם יש הסבר פשוט לתופעות המורכבות של העולם הביולוגי", אומר פרופ' שפרן. "באמצעות כינוס כמה תופעות ביוכימיות למספר מצומצם של פרמטרים פיסיקליים, הראינו שאנלוגיות למערכות פיסיקליות טהורות הינן כלי רב עוצמה שיכול לחשוף היבטים חדשים של מנגנונים ביולוגיים. אנחנו סבורים שהשיטה שלנו עשויה להתאים גם למערכות ביולוגיות חשובות אחרות, וכי אפשר יהיה להרחיבה מרמת התא הבודד לרמת הרקמות והאיברים – ואולי אף להסביר את פעולת הלב כמכלול"