<div>
Science Feature Articles</div>

מכונות לומדות

עברית
 
 
כל אחד יכול כיום לקנות מצלמה שיודעת למקד את התמונה בפניו של המצולם; מערכות ממוחשבות מתוחכמות משתמשות בזיהוי קול להמרת מילים נאמרות לטקסט כתוב, ואף לזיהוי הדובר. אלה הן שתי דוגמאות ליתרונות הלמידה החישובית (machine learning). אלגוריתמים של למידה מצליחים לעקוף את בעיות עומס המידע שאיתן מתמודד התיכנות ה"מסורתי" הודות לכך שהם מאפשרים למחשבים לרכוש ידע באופן אינטואיטיבי, בדומה יותר ללמידה אנושית. כך מצליחה המכונה, לאחר שנחשפה שוב ושוב לתמונות פנים או לקולות מדברים, להכיר את התבניות החוזרות – העמוקות - העומדות בבסיס המידע.
 
אלגוריתמים של למידה מסוג זה מסייעים למחשבים לרכוש מיומנויות שבני-האדם מסגלים לעצמם בעודם תינוקות. אולם מה באשר למיומנויות למידה מתקדמות יותר, כאלה המהוות אתגר גם לבני אדם בוגרים? ד"ר אוהד שמיר, שהצטרף באחרונה למחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית במכון ויצמן למדע, מתמקד בלמידה חישובית במקרים שבהם אילוצים שונים הופכים אותה לאתגר מורכב. דוגמה לכך היא הידע המשולב והמורכב הנדרש מרופא, אפילו לצורך פעילותו הבסיסית ביותר: כדי לאבחן נכונה את החולה הוא מסתמך על תוצאות של מספר בדיקות, על דיווחי החולה לגבי תסמינים שונים, ועל ניסיונו האישי. משיקולים מעשיים מוגבל מספר הבדיקות הנערכות לחולה, וכן מוגבלת כמות המשאבים העומדת לרשות הרופא לצורך ההחלטה. בהנחה שמחשב מקבל גישה לאותו מידע חלקי, האם הוא יכול ללמוד לאבחן מחלה כמו רופא מומחה?
 
דוגמה מורכבת עוד יותר היא המוח האנושי. אחת ממטרותיו של ד"ר שמיר היא ללמוד מערכות ממוחשבות הקרויות "רשתות עצביות מלאכותיות", אשר יודעות לעבד מידע באמצעות שיטות המחקות את פעילות המוח. "המערכות הממוחשבות הן היררכיות", אומר ד"ר שמיר, "בדומה לשכבות תאי העצב במוח, אשר מעבירות את המידע הנקלט משכבה לשכבה, בעודן מעבדות את תפיסתנו ואת מחשבותינו". לימוד הרשתות העצביות המלאכותיות באמצעים הקיימים היום מחייב מאמץ רב וכיוונון של תחומים רבים. ד"ר שמיר מקווה לפתח תוכנות שיבצעו את משימות הלמידה באופן אוטומטי יותר, וללא צורך במומחיות בתחום זה. מדעני מחשב רבים בעולם מקווים שבעתיד יוכלו מערכות כאלה להוות את הבסיס לאינטליגנציה מלאכותית מתקדמת.
 
תחומי עניין אחרים של ד"ר שמיר כוללים חקר פתרונות ללמידה חישובית במקרים של רשתות גדולות, מבוזרות ו"רועשות", כמו מנועי חיפוש. "רשתות עצומות, כמו גוגל, שהן גדולות מאוד וחסרות ארגון, נוטות לסבול ממגבלות למידה", הוא אומר. "לדוגמה, אלגוריתמים המחייבים גישה לכמויות גדולות של מידע הם בעייתיים כאשר המידע מפוזר בין מחשבים רבים ברחבי העולם – כיוון שבמקרה זה יהיה עליהם להשקיע מאמץ וזמן רב בעצם התקשורת עם כל מקורות המידע".
 

אישי

ד"ר אוהד שמיר. מיומנויות מורכבות
 
הצטרפותו של ד"ר אוהד שמיר למכון ויצמן למדע היא, במובנים רבים, שיבה הביתה: הוא נמצא עתה באותה מחלקה בה עובד אביו, פרופ' עדי שמיר. אוהד גדל ברחובות, והשתתף בחוגים לנוער שוחר מדע במכון. את כל לימודיו הגבוהים עשה באוניברסיטה העברית בירושלים, ובמסגרת זו החל לחקור בתחום הלמידה החישובית.
 
את מחקרו הבתר-דוקטוריאלי ביצע במרכז המחקר של חברת מייקרוסופט בקיימברידג', מסצ'וסטס. "מייקרוסופט העניקה לי הרבה חופש לעסוק בתחומי העניין שלי. אמצעים ותשתיות אינם מהווים שם בעיה. השהות שם העניקה לי גם אפשרות ליצור קשרים עם מספר אנשים אשר עובדים על יישומים מעשיים שונים בחברה, וקשרים אלה הובילו לרישום של מספר פטנטים". בזמן מגוריו בבוסטון התחתן שמיר עם מיכל, שמסיימת בימים אלה את עבודת הדוקטורט בלימודי הודו באוניברסיטת הרווארד. לימודיה של אשתו שימשו לשמיר תירוץ מוצלח להגשים את תחביבו האהוב ביותר – נסיעות בעולם, שבמהלכן, בין השאר, הוא מטפס על הרים. למרות שבימים אלה הוא עסוק בהתנעת מחקרו במכון, הוא מקווה למצוא בעתיד זמן להמשיך בתחביב זה.
 
ד"ר אוהד שמיר. מיומנויות מורכבות
מתמטיקה ומדעי המחשב
עברית

הקשרים

עברית
 
ד"ר רביד שטראוסמן וד"ר דבורה רוזנברג. עמידות
"תמיד ראיתי בעצמי רופא", אומר ד"ר רביד שטראוסמן, בעל תואר כפול MD/PhD, שהצטרף באחרונה למחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא במכון. "אך בתקופה שבה סיימתי את הלימודים הלכתי ונמשכתי למח
קר. ועדיין, גם כשאני עוסק במחקר במעבדה, המחשבה שלי נתונה לחולה הזקוק לטיפול". לחולים עליהם חושב ד"ר שטראוסמן יש כיום מעט מאוד תקווה לריפוי, מכיוון שסוגי הסרטן מהם הם סובלים עמידים לכימותרפיה. מדוע גידולים מסוימים מצטמקים בתחילת הטיפול הכימי, אולם מסרבים להיעלם לחלוטין, ואילו גידולים 
אחרים משלימים את התהליך עד סופו, אך חוזרים בגירסה עמידה מאוחר יותר? מדוע מתברר שטיפול אשר משמיד לחלוטין תאים סרטניים במבחנה – יעיל הרבה פחות בגוף האנושי?
 
 

תאים נורמליים (מסומנים באדום) מסוגלים להגן על תאים סרטניים (בירוק) מפני טיפול כימותרפיד"ר שטראוסמן החל לחקור את תופעת העמידות של סוגים שונים של סרטן במהלך מחקרו הבתר-דוקטוריאלי במכון "ברוד" של הרווארד ושל המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. במעבדתו של פרופ' טוד גולוב, המדען הראשי של מכון ברוד וראש התוכנית לחקר הסרטן, הוא חקר שאלה זו מזווית לא שגרתית. בעוד מדענים רבים מחפשים את התשובה בתאים הסרטניים עצמם, באמצעות השוואה בין אלה שמגיבים לכימותרפיה לבין אלה שעמידים אליה, ד"ר שטראוסמן ועמיתיו חשבו שהמפתח להבנת הבעיה נעוץ במקום אחר – בתיפקודם של תאי הגוף הבריאים.

 
הסיבה לכך, הוא מסביר, היא שתאים סרטניים, כמו כל תאי הגוף, הם חלק ממערכת גדולה, מתוחכמת ומקושרת, בה מופעלים מנגנונים שונים לעזרה ולתמיכה הדדית. לתאים בריאים יש יכולת להזעיק עזרה מחלקים מרוחקים של הגוף, כמו לשד העצם, כאשר הם נפגעים או מצויים תחת התקפה. המדענים חשדו, כי באופן דומה, התאים הסרטניים מזעיקים עזרה כאשר הם מצויים תחת מתקפה כימותרפית.
 
 

 

על מנת לבדוק השערה זו גידלו החוקרים סוגים שונים של תאים סרטניים, ובחנו את רגישותם לתרופות כימותרפיות. ואכן, הם גילו כי גידולים הנבדקים במבחנה ומכילים אך ורק תאים סרטניים, רגישים ביותר לסוגים שונים של כימותרפיה. אולם, כאשר הוסיפו 

ביופסיה מגידול מסוג מלנומה. החץ האדום מצביע על עור תקין, והחץ הכחול מסמן את תאי הגידול הסרטניים. התאים המאורכים בצבע חום מכילים את החומר HGF, אשר מופרש מהתאים הרגילים ומציל את התאים הסרטניים מכימותרפיה

למבחנה סוגים שונים של תאים נורמליים, המצויים באופן רגיל בסביבת הגידול, הרגישות צנחה – ובמקרים מסוימים אף נעלמה לחלוטין. לאחר שמצאו כי תופעה זו מתרחשת בסוגים רבים של סרטן ובסוגים רבים של תרופות כימותרפיות, החליט הצוות להתמקד במלנומה – סוג הסרטן האחראי לרוב מקרי המוות מסרטן עור. הם גילו חלבון המופרש מתאים בריאים מסוימים אשר מצויים בגידול, ומגן על תאי המלנומה מפני אחת התרופות הכימותרפיות המתקדמות ביותר המשמשות כיום לטיפול במחלה זו. החלבון, שהוא גורם גידול המשפיע על תאי כבד (HGF - hepatocyte growth factor), ממלא תפקידים נוספים, בהם החלמה של פצעים.
 
בהמשך חיפשו המדענים עדויות לפעילותו של החלבון בדוגמאות גידול שנלקחו מחולי מלנומה. או אז הראו התוצאות, שכאשר תאים בסביבתו הקרובה של הגידול ייצרו כמויות גדולות של HGF, הגידול הראה עמידות לכימותרפיה, ואילו חולים שבהם התאים לא ייצרו HGF הפגינו תגובה טובה הרבה יותר לטיפול. מכך עולה כי HGF, כשלעצמו, מסייע להישרדות התאים הסרטניים בתגובה לכימותרפיה. בהתבסס על ממצאים אלה מתוכננים להתקיים בקרוב ניסויים קליניים שבמסגרתם יינתנו מעכבי HGF לחולי מלנומה, ביחד עם הטיפול הכימותרפי הסטנדרטי.
 
 
"גידול רגיל מכיל סוגים שונים של תאים – סרטניים ונורמליים כאחד", אומר ד"ר שטראוסמן. "מיגוון התאים הנורמליים המצויים בסביבתו הקרובה של הגידול עשוי לייצר עשרות חומרים שונים, אשר מסייעים לגידול לשרוד את הטיפול הכימותרפי. אנחנו מצויים בתחילתה של הדרך בניסיון להבין מה הם חומרים אלה וכיצד הם מסייעים לעמידות".
 

אישי

רביד שטראוסמן נולד ברמת-גן, ושירת כקצין בחיל האוויר. הוא סיים מסלול MD/PhD בבית הספר לרפואה של האוניברסיטה העברית בירושלים, ובמעבדתה של פרופ' שושנה רביד. לאחר שנה שבמהלכה עבד בבית-החולים "בילינסון" ביצע מחקר בתר-דוקטוריאלי במעבדתו של פרופ' חיים סידר באוניברסיטה העברית בירושלים. לאחר מכן המשיך למחקר בתר-דוקטוריאלי נוסף במעבדתו של פרופ' טוד גולוב במכון ברוד. "רביד, סידר וגולוב היו מנטורים במלוא מובן המלה", הוא אומר. "זו הייתה זכות גדולה לעבוד לצדם".
 
רביד נשוי לשרון, אנדוקרינולוגית של ילדים, ואב לארבעה ילדים בגילים שמ-11 עד שנתיים. בזמנו הפנוי הוא נוהג לשחק טניס.
 
 
 
ד"ר רביד שטראוסמן וד"ר דבורה רוזנברג. עמידות
מדעי החיים
עברית

אש ידידותית

עברית
 
מימין: פרופ' אברהם בן-נון, פרופ' יחיאל שי, ד"ר נתלי קאושנסקי ועומרי פינגולד. השפעה מעכבת
 
 
 
כאשר הגוף מותקף על-ידי חיידקים  או נגיפים, מתגייס ה"צבא" – המערכת החיסונית – כדי להילחם  בפולשים המזיקים, ולמנוע מחלות וזיהומים. נגיפים שונים, כמו HIV הגורם למחלת האיידס, פיתחו מיגוון אסטרטגיות המאפשרות להם להתחמק מתגובת מערכת החיסון במהלך הדבקת תאי הגוף. מדעני מכון ויצמן למדע חשפו באחרונה סוג חדש של "נשק" שמפעיל נגיף  ה-HIV, שמטרתו ליירט את פעילותם של "הכוחות המיוחדים" במערכת החיסונית – סוג של תאי דם לבנים הקרויים תאי T. על בסיס ממצאים אלה פיתחו המדענים חומר הפוגע בתגובה של תאי T. חומר זה עשוי להפחית את חומרתן של מחלות אוטואימוניות, כדוגמת טרשת נפוצה, אשר נגרמות כתוצאה מ"אש ידידותית" של אותם תאי T על תאי הגוף עצמם.
 
ד״ר אברהם אשכנזי
 

 

על מנת להדביק תא T צריך נגיף ה-HIV לחדור אל תוך התא. תהליך  החדירה מתבצע על-ידי איחוי המעטפת של הנגיף עם זאת של תא ה-T. שלב זה מתרחש בעזרתם של רצפים קצרים של חומצות אמינו, המהווים חלק מחלבון הממוקם על מעטפת הנגיף. האתר בו מתאחות שתי המעטפות נמצא בסמוך לקולטן של תאי T, שבאמצעותו מזהה התא פולשים מזיקים, ונפתחת תגובה יעילה כנגדם: חלוקה מהירה של תא ה-T ושיחרור חומרי דלקת אשר הורגים את הפולש.
 
פרופ' יחיאל שי, תלמיד המחקר  (דאז) ד״ר אברהם אשכנזי, ותלמיד  המחקר עמרי פינגולד מהמחלקה לכימיה ביולוגית, גילו כי רצפים אלה זהים בכל הזנים השונים של נגיף ה-HIV (וזאת למרות שמרבית חלבוני המעטפת של הנגיף מאופיינים בשונות רבה). עובדה זו הובילה אותם לשער, כי רצפים אלה ממלאים תפקידים משמעותיים – מלבד איחוי המעטפות. ביחד עם פרופ' אברהם בן-נון מהמחלקה לאימונולוגיה, ועמיתת המחקר מקבוצתו, ד"ר נתלי קאושנסקי, הם חקרו את ההשערה. ממצאיהם הראו, כפי שדווח בכתב-העת Blood, כי רצפים אלה בפני עצמם באים במגע ישיר עם הקולטנים של תאי ה-T, ומשבשים את העברת האותות התאיים מהקולטן, אשר אחראים להתרבות תאי ה-T ולפעילותם התקינה נגד פלישת הנגיף לתא. כתוצאה מכך נמנעת ההפעלה של תאי ה-T, והתגובה החיסונית נעצרת.
 
 
 
המדענים סברו, כי אפשר יהיה לנצל את הממצאים האלה כדי לעכב את התגובה החיסונית ההרסנית של מחלת הטרשת הנפוצה – מחלה אוטואימונית שבה נגרם נזק למערכת העצבים המרכזית כתוצאה מהפעלה מוגברת של תאי T. הם השתמשו בעכברי מודל למחלה, להם הוחדרו גרסאות של הפפטידים, ללא הנגיף כולו. או אז התברר, כי מתן הפפטיד אכן מעכב את התגובה החיסונית, וחומרת המחלה מופחתת. "למעשה, בכל הנוגע להשפעה המעכבת על תאי T, פעילות הפפטיד זהה לפעילות הנגיף השלם", אומר פרופ' בן נון.
 
במחקר המשך, עליו דווח בכתב-העת Journal of Biological Chemistry, הינדסו המדענים גרסה יציבה יותר של הפפטיד, אשר מבוססת על הרצפים המקוריים של נגיף ה-HIV. כך הצליחו לא רק להבין טוב יותר את המנגנון המולקולרי הייחודי שבאמצעותו מדביק הנגיף את תאי הגוף, אלא גם גילו כי הנגיף הקטלני עשוי דווקא להועיל. התברר, כי אפשר להשתמש בפפטיד המהונדס כדי למנוע את הפעלת תאי ה-T, ובכך לדכא את התפתחותן של תגובות אוטואימוניות המתווכות על-ידי תאים אלה. "מאחר שחומר זה פוגע ספציפית בתגובה של תאי T, אנו מקווים כי תהיה לו השפעה יעילה ביותר, תוך מינימום תופעות לוואי", אומר פרופ' שי.
 
 
 
 
 
מימין: פרופ' אברהם בן-נון, פרופ' יחיאל שי, ד"ר נתלי קאושנסקי ועומרי פינגולד. השפעה מעכבת
מדעי החיים
עברית

טובים השלושה

עברית
 

עומדים מימין: דליה אלינגר, ד"ר זיו סביליה, ד"ר יעל ליטנר דגן. יושבים: ד"ר תמר פז-אליצור ופרופ' צבי ליבנה. גורם סיכון

כ-85% מהמעשנים לא יחלו בסרטן ריאות, אך אחוז קטן של אנשים שאינם מעשנים יפלו קורבן למחלה הקשה. העישון הוא, כמובן, עדיין אחד מגורמי הסיכון העיקריים, אולם פיתוח מבחן להערכת הסיכון ללקות בסוג זה של סרטן עשוי למנוע מקרי מוות רבים. מחקר שנעשה באחרונה במכון ויצמן למדע מציע מבחן משולב, המבוסס על שלושה סמנים, לפיהם ניתן לקבוע עבור כל אדם "ציון תיקון די-אן-אי", המגלה את סיכוייו של אדם לפתח סרטן ריאות.
 
פרופ' צבי ליבנה וד"ר תמר פז-אליצור, מהמחלקה לכימיה ביולוגית, חוקרים זה מספר שנים סמנים כאלה – מולקולות ביולוגיות שפעילות מוגברת שלהן, או מופחתת, מצביעה על סיכון לסרטן. המחקר שלהם מתמקד במנגנוני התיקון התאיים של הדי-אן-אי, שתפקידם לתקן נזקים לגנום, הנגרמים, בין היתר, עקב החשיפה לחומרים הרעילים המצויים בעשן סיגריות. ההנחה היא, שדי בירידה קלה בתיפקוד של אותם מנגנוני תיקון כדי להתניע את התהליך הסרטני. ואכן, המדענים גילו סמן כזה, אנזים הקרוי OGG1, שפעילותו קשורה באופן הדוק לסרטן הריאות: רמות נמוכות של פעילות האנזים מעלות פי חמישה את הסיכון לחלות במחלה.
 
למרות שבדיקת OGG1 לבדו עשויה לספק אינדיקציה טובה לסיכון, המשיכו פרופ' ליבנה וחברי צוותו בחיפוש אחר מנגנונים נוספים לתיקון די-אן-אי, בתקווה לשפר את המבחן ולצמצם את סיכויי הטעות. לפני כשנה הם גילו אנזים נוסף, MPG, שקשור גם הוא לסיכון לפתח סרטן ריאות. באופן מפתיע, רמות פעילות גבוהות של MPG, ולא רמות נמוכות, נמצאו קשורות לסיכון מוגבר. המדענים סבורים, כי האיזון בין OGG1 MPG ואנזימי תיקון נוספים הוא חיוני, וכי הפרה של שיווי המשקל מובילה לתיקון לא יעיל של נזקי די-אן-אי.
 
סרטן ריאות. אילוסטרציה: Thinkstock
 
במחקר הנוכחי, שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי Cancer Prevention Research, לקחו חלק, מלבד פרופ' ליבנה וד"ר פז-אליצור, ד"ר זיו סביליה, ד"ר יעל לייטנר-דגן ודליה אלינגר ממעבדתו של פרופ' ליבנה, והוא נעשה בשיתוף עם פרופ' גד רנרט, ד"ר מילה פינצ'ב והדי רנרט מבית-הספר לרפואה של הטכניון והמרכז הרפואי כרמל, ד"ר רן קרמר מהמרכז הרפואי רמב"ם, פרופ' לורנס פרידמן ממכון גרטנר לחקר אפידמיולוגיה ומדיניות בריאות בתל השומר, ופרופ' עדנה שכטמן מאוניברסיטת בן גוריון בנגב. המדענים גילו שאנזים תיקון די-אן-אי שלישי, הקרוי APE1, קשור גם הוא לסיכון לחלות בסרטן ריאות. סיכון גבוה נמצא קשור לפעילות נמוכה של APE1, וזאת למרות שבגידולים בוגרים מצויות דווקא רמות גבוהות של האנזים. המדענים סבורים, כי APE1 ממלא שני תפקידים בשלבי ההתפתחות השונים של הגידול הסרטני: בתאים בריאים הוא פועל ברמה נמוכה, וכך מאפשר הצטברות של מוטציות אשר עשויות להאיץ את ההתמרה הסרטנית; בתאים שהפכו כבר לסרטניים, לעומת זאת, דווקא פעילות מוגברת של APE1 מהווה יתרון, משום שהיא מאפשרת הכפלה מהירה של די-אן-אי והאצה של חלוקת התאים.
 
המדענים פיתחו שיטה לשיקלול רמות הפעילות של שלושת האנזימים כדי לקבל "ציון תיקון די-אן-אי", אשר ביחד עם הרגלי העישון מאפשר לקבוע את הסיכון הכולל. מבחן זה (הקרוי OMA – ראשי תיבות של שמות שלושת האנזימים הנבדקים) נערך ב-100 חולים בסרטן הריאות, בהשוואה לאנשים בריאים, והבדיקה העלתה שאנשים המקבלים ציון נמוך במבחן תיקון הדי-אן-אי הם בעלי סיכון גדול פי 20-10 לחלות בסרטן הריאות. למרות שנדרשים ניסויים קליניים רחבי היקף כדי לקבוע את יעילותו של המבחן החדש, פרופ' ליבנה אופטימי באשר לסיכוייו להפוך לכלי יעיל להערכת הסיכון לסרטן, ומקווה כי הוא יסייע לזהות אנשים שאותם יש לשלוח לאיבחון מוקדם, על מנת להגדיל את הסיכוי להציל את חייהם. הוא מתכנן גם לפתח דרכים לשפר את פעילותם של אנזימי התיקון הפגומים, דבר שעשוי להוביל לפיתוח תרופה אשר תפחית את הסיכון לחלות בסרטן הריאות ובסוגי סרטן נוספים.
 
 
 
 
 
 
 
עומדים מימין: דליה אלינגר, ד"ר זיו סביליה, ד"ר יעל ליטנר דגן. יושבים: ד"ר תמר פז-אליצור ופרופ' צבי ליבנה. גורם סיכון
מדעי החיים
עברית

בחירה נכונה

עברית
 
מימין: פרופ' ערן סגל וד"ר ערן אלינב. מיקרוביום
אילו מזונות הם המתאימים והבריאים ביותר עבורכם? כיצד מושפעת רמת הסוכר בדמכם מאכילת סופגניה או ארוחה מלאה? כיצד תוכלו להוריד את רמות הסוכר בדם כדי להפחית סיכונים בריאותיים? ומה בדיוק כוללת אוכלוסיית החיידקים במעי שלכם, והאם ההרכב שלה תורם לבריאותכם או פוגע בה?
 
פרופ' ערן סגל וד"ר ערן אלינב ממכון ויצמן למדע מזמינים את הציבור להשתתף בפרויקט התזונה האישית – מחקר רחב היקף וראשון מסוגו, אשר בוחן את הקשר בין תזונה, רמות הסוכר בדם, ואוכלוסיות החיידקים במעי. מטרת המחקר היא לנתח את העלייה האישית ברמת הסוכר בדם בעקבות אכילת מזונות שונים, ולבחון כיצד היא מושפעת מהרכב אוכלוסיות החיידקים במעי, וזאת כחלק ממגמה עכשווית של פיתוח רפואה המותאמת אישית לכל חולה. כמה עשרות אנשים השתתפו עד כה במחקר, והשלימו שבוע של מעקב רציף אחר רמות הסוכר בדם והרגלי התזונה שלהם. המחקר מתבצע בשיתוף פעולה עם פרופ' זמיר הלפרין, מנהל המערך הגסטרו-אנטרולוגי במרכז הרפואי תל-אביב על-שם סוראסקי, וד"ר דוד ישראלי מבית- החולים כפר שאול.
 
רמות סוכר גבוהות בדם מהוות גורם סיכון להשמנה, וכן לסיבוכים רפואיים כמו סוכרת, מחלות לב ושבץ, אך בניגוד לדעה הרווחת, העלייה ברמות הסוכר בדם בתגובה לאכילת מאכל מסוים שונה אצל כל אדם ואדם. לאדם אחד עדיפה פסטה על פני לחם לבן, ולאחר ההיפך הוא הנכון. לכן, כדי לשמור על רמות סוכר תקינות בדם, יש לגלות מה היא התגובה האישית של כל אחד לכל סוג מזון, ולתכנן תפריט בהתאם. אחד מהגורמים העשויים להשפיע על התגובה של כל אדם למזון הוא הרכב חיידקי המעיים.
 
המתנדבים למחקר יספקו דגימה של חיידקי המעיים שלהם, יחוברו במשך שבוע למכשיר המודד באופן רצוף את רמות הסוכר בדם, ויתעדו את המזון הנצרך ואת שגרת היומיום שלהם. בתום השבוע, יוכלו לקבל מידע אישי מעניין ומועיל על עצמם, וכן להשוות את נתוניהם לאלה של שאר המשתתפים: כיצד משפיע כל סוג מזון על רמות הסוכר בדם? כיצד מושפעות רמות הסוכר מפעילות גופנית או משינה? משתתפי המחקר יקבלו גם גישה לאפליקציית תזונה. האפליקציה מאפשרת לתעד את הפעילויות היומיומיות ואת צריכת המזון, ומבוססת על מאגר מידע בעברית הכולל את הערכים התזונתיים המלאים של אלפי מזונות. בנוסף, תעמוד לרשות המשתתפים תוכנה לתכנון תפריטים, המאפשרת לבנות תפריט אישי אשר מבוסס על דרישות תזונתיות שונות והעדפות קולינריות.
 
משתתפי המחקר יקבלו גם ניתוח מפורט של הרכב חיידקי המעיים שלהם, וכן מידע על התפקידים החיוביים והשליליים של כל אחד מחיידקים אלה. אוכלוסיות החיידקים שבמעי משפיעות על המצב הבריאותי, על המשקל ועל ההרגשה הכללית. מחקרים שביצעו ד"ר אלינב ומדענים אחרים קושרים בין הרכב אוכלוסיית המעי לבין השמנת יתר קיצונית, סוכרת מבוגרים ועמידות לאינסולין. בניגוד לגורמי הסיכון הגנטיים למחלות אלה, את הרכב אוכלוסיות החיידקים במעיים ניתן לשנות, אפילו באמצעים פשוטים כמו בחירה נכונה של מזונות. ככל שיתקדם המחקר, כך ילמדו מדעני המכון יותר גם על השפעת המזון על חיידקי המעיים, ומשתתפי המחקר ייחשפו למסקנותיו – אשר עשויות לשפר את הרכב חיידקי המעיים שלהם.
 
איור: תפריט מזון אישי . רפואה מותאמת אישית לכל חולה
 
 
 
 
איור: מחקר בתחום התזונה וחיידקי מעי
מדעי החיים
עברית

החיים הכפולים של הגן הסרטני

עברית
 

מימין: בני שפירו, ד"ר ננסי גברט ופרופ' אברי בן-זאב. עומדים מאחור: אנה שואב וגל הזה. "הגיבור הטוב"

 
 
 
רוצח הופך למציל חיים - אמנם זה נשמע כמו תפנית בסרט פעולה, אך מדעני מכון ויצמן גילו שתסריט מסוג זה יכול להתרחש גם במחלת הסרטן. במחקר שהתפרסם לאחרונה בכתב-העת Cancer Research הם מצאו, כי גן הידוע כגורם סרטן (אונקו-גן) יכול למנוע את התפשטותו הקטלנית של הגידול הסרטני בשלב מאוחר יותר של המחלה.
 
מטרת המחקר הייתה לזהות גנים המעורבים בהיווצרות גרורות של סרטן המעי הגס. בניסוי בעכברים, להם הוזרקו תאים מגידולים סרטניים של בני אדם, פענחו המדענים שרשרת ארוכה של אירועים ביוכימיים המובילה להיווצרות גרורות. השרשרת מתחילה במוטציה, הנמצאת אצל למעלה מ-80% מהחולים בסרטן המעי הגס, אשר משבשת מנגנון איתות מסוים בתאים. הם גילו כי השיבוש, כשלעצמו, מעלה את רמתו של גן האחראי להידבקות תאים, הקרוי L1, וכך מגדיל את תנועתיות התאים בחזית הפולשנית של הגידול. דבר זה מסייע, בסופו של דבר, לשליחת גרורות לאיברים רחוקים, בעיקר לכבד.
 
יתר על כן, המדענים גילו כי L1 משפיע גם על הביטוי של אחד הגנים בשרשרת האיתות - הגן הקרוי c-Kit, שבמקרה זה מונע יצירת גרורות. כאשר רמת הביטוי של c-Kit הייתה נמוכה, הגידולים שלחו גרורות לכבד, אך כאשר העלו המדענים את רמתו של c-Kit - לא נוצרו גרורות, אפילו בנוכחות L1. הגן c-Kit מונע את היווצרות הגרורות באמצעות עידוד התאים להיצמד האחד לשני בצורה מסודרת, בדרך בה התאים מאורגנים ברקמות ריריות נורמליות, ולא כפי שמתנהגים תאים סרטניים פולשניים.
 
הממצא היה מפתיע ביותר, מכיוון ש-c-Kit מוכר בתור אונקו-גן, כלומר, גן הגורם סרטן. במילים אחרות, התברר כי אותו גן הגורם סרטן בתחילת התפתחותו של הגידול, כולל התרבות מוגברת של תאי סרטן המעי הגס, מונע את התפשטותם של תאים אלה כגרורות לכבד בשלבים מאוחרים יותר.
 
בהמשך התברר עוד, כי ממצאים אלה רלבנטיים לבני אדם. כאשר המדענים בדקו את הפרופיל הגנומי של גידולים מ-300 חולים בסרטן המעי הגס, הם מצאו כי רמות ה-c-Kit ברקמות המעי היו נמוכות בכל החולים בהשוואה למעי של אנשים בריאים.
 
צוות המחקר, בראשות פרופ' אברי בן-זאב מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא, כלל את ד"ר ננסי גברט, אנה שואב, ד"ר אמיר בן-שמואל, גל הזה ואסתר בקוש. המחקר בוצע בשיתוף
פעולה עם ד"ר מיכל שפר מקבוצתו של פרופ' איתן דומאני, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות.
 
המחקר אמנם חושף את אחד המנגנונים המולקולריים שבאמצעותו שולח סרטן המעי הגס את גרורותיו לכבד, האתר הנפוץ ביותר להתפשטותו, אך בנוסף מצביע על התהליך הסרטני בכל מורכבותו. מתברר, שאותו הגן יכול להיות "הגיבור הרע" בשלב אחד של מחלת הסרטן ו"הגיבור הטוב" בשלב אחר. מדעני מכון ויצמן למדע מסיקים מכך, שנדרשת זהירות רבה בטיפולים בסרטן המכוונים כנגד אונקו-גנים מסוימים. במיוחד, כאשר ניתנת תרופה על מנת לדכא את c-Kit, במטרה למנוע את התפשטות הסרטן, צריך לוודא שהטיפול אינו משבש את תיפקודו של אותו הגן במניעת יצירת הגרורות. במסקנה זו תומכים ממצאים של מדענים אחרים, שגילו באחרונה כי אונקו-גן נפוץ נוסף, c-Myc, מתנהג באותה צורה כפולה כמו c-Kit: הוא מגביר את היתרבותם של תאי סרטן השד, אך כשהוא מתבטא ביתר, הוא מונע את התפשטותם ואת יצירת הגרורות.
 
ללא הגן c-Kit מתנהגים תאי המעי הגס באופן פראי ופולשני (משמאל), אך כאשר c-Kit מתבטא כראוי, התאים חוזרים להתנהגותם המסודרת (מימין)
 
 
 
 
מימין: בני שפירו, ד"ר ננסי גברט ופרופ' אברי בן-זאב. עומדים מאחור: אנה שואב וגל הזה. "הגיבור הטוב"
מדעי החיים
עברית

אנרגיה מאדום לירוק

עברית
מימין: ד"ר אוסיפ שוורץ, ד"ר צביקה דויטש, פרופ' דן אורון, בן לשם וליאור נאמן. חלקיקי אור
אור השמש יכול לספק את כל צורכי האנרגיה של האנושות, אך אנרגיה סולארית עדיין מהווה חלק זעום מכלל שוק האנרגיה העולמי. מכשול משמעותי אחד בתחום זה הוא חוסר היעילות. למשל, כאשר תאים סולאריים ממירים את אור השמש לחשמל, מרבית האנרגיה הולכת לאיבוד: בערך רבע מהאנרגיה מתבזבזת מפני שהתאים יכולים לקלוט חלקיקי אור, הקרויים פוטונים, רק מעל סף מסוים של אנרגיה. כל הפוטונים שהם בעלי אנרגיה נמוכה מתבזבזים, דבר המפחית את יעילות התא ומעלה את עלות הפקת האנרגיה.
פתרון אפשרי אחד הוא להפוך שני פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה לחלקיק אחד בעל אנרגיה גבוהה, אשר ייקלט על-ידי התא הסולארי, אך תהליך זה מהווה אתגר עצום. בדיוק כפי שקל יותר לשבור אגרטל לחתיכות מאשר לחבר אותו בחזרה, כך גם קל יותר לפרק חלקיק מאשר למזג שני חלקיקים לחלקיק אחד. קשה במיוחד לקבל כתוצאה מתהליך זה פוטונים בעלי צבע מסוים, כלומר, בעלי רמת אנרגיה מסוימת. כעת פיתחו מדעני מכון ויצמן שיטה חדשנית כדי להתגבר על הקושי. את המחקר, אשר התפרסם בכתב-העת Nature Nanotechnology, ביצעו פרופ' דן אורון ותלמידי המחקר צביקה דויטש וליאור נאמן, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות.
 
ננו-גבישים אשר הופכים שני פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה לפוטון אחד בעל אנרגיה גבוהה, תחת מיקרוסקופ אלקטרונים
בעזרת תהליכים כימיים המבוססים על תמיסות בנו המדענים ננו-גבישים בצורת מקלונים שאורכם כ-50 ננומטר (מיליארדית המטר). לשם המחשה, בשטח שתופסת הנקודה בסוף משפט זה ניתן להכניס כמיליארד גבישים כאלה. בקצה אחד של הננו-מקלון מצוי אלקטרון הקולט פוטונים בזה אחר זה. בשלב הראשון מעורר האלקטרון על-ידי פוטון אחד, ולאחר מכן הוא נדחף לרמת אנרגיה גבוהה יותר על-ידי הפוטון הבא. כך הוא הופך לאלקטרון בעל אנרגיה גבוהה, שמועבר לקצה השני של המקלון, שם הוא פולט פוטון בעל אנרגיה גבוהה יותר מזו של כל אחד מהפוטונים שנקלטו.
 
בשיטה זו הצליחו המדענים להפוך שני פוטונים אדומים, בעלי אנרגיה נמוכה יחסית, לפוטון אחד ירוק בעל אנרגיה גבוהה יותר. למעשה, ניתן לכוון את המערכת כמעט לכל צבע: היא מאפשרת גמישות רבה, מפני שאפשר לשלוט בתכונות הננו-מקלונים באמצעות שינוי קוטרם.
 
כדי לעזור לננו-גבישים לעבור מהמעבדה לתעשייה מנסים כעת המדענים להגביר את יעילות המערכת, ולהגיע לשליטה טובה יותר בצבעי הפוטונים. בעתיד, ניתן יהיה אולי להשתמש בגבישים מסוג זה בשילוב עם חומרים נפוצים יותר, כגון סיליקון, החומר ממנו עשויים רוב תאים הסולאריים המסחריים. סיליקון אינו קולט פוטונים מרמת האינפרא-אדום ומטה, וייתכן כי אפשר יהיה לתפוס את הפוטונים האלה בעזרת הננו-גבישים.
 

מיקוד בזמן

כשמדובר בחקר המוח, למושג "הארה" עשויים להיות כמה מובנים. מחקרים אשר שופכים אור חדש על פעילות המוח אפשר לבצע באמצעות "שיטות מאירות" – כאלה הכרוכות בעירור תאי העצב במוח, הנוירונים, באמצעות קרן אור. למשל, ניתן לכוון קרן אור על נוירונים בודדים כדי לברר עם אילו נוירונים נוספים הם מתקשרים. בסופו של דבר, יכולים המדענים לגלות בדרך זו רשתות שלמות של נוירונים האחראים לכל תיפקודינו, החל מזיכרונות ומרגשות וכלה בתנועות ובהתנהגויות.

אמנם, אפשר לחקור רשתות אלה באמצעות אלקטרודות, אך קרן אור היא פחות פולשנית, וקל יותר להזיז אותה ממקום למקום. הבעיה היחידה היא, שכאשר מכוונים את הקרן לאיזור עמוק בתוך המוח, היא מאירה את האיזור כולו, ולא רק את נוירון המטרה.

 

במחקר אשר בוצע בשיתוף עם מדענים מצרפת מצאו פרופ' דן אורון וחברי קבוצתו פתרון לבעיה זו. כפי שדווח בכתב-העת Nature Photonics, הם הצליחו לעורר נוירונים עמוק בתוך רקמת המוח – שכבה של מוח עכבר שעוביה עולה על 200 מיקרון – באמצעות דחפים (פולסים) קצרים של לייזר. קבוצתו של פרופ' אורון כללה את תלמיד המחקר בן לשם ואת החוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר אוסיפ שוורץ מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות. הם שיתפו פעולה עם קבוצתה של ד"ר ולנטינה אמיליאני מאוניברסיטת פריס דקארט – ד"ר אייריני פפאגיאקומו ואורליאן בגה – ועם עמיתיה, ד"ר ברנדון סטל וד"ר ג'ונתן ברדלי.

תאי עצב תחת מיקרוסקופ דו-פוטוני. משמאל: שימוש בקרן לייזר ממוקדת. במרכז: שימוש בשיטת המיקוד בזמן. מימין: ללא מיקוד בזמן

המחקר התבסס על שיטה הקרויה "מיקוד בזמן" (temporal focusing), שפותחה בעבר במכון ויצמן למדע. כפי שניתן ללמוד משמה, מדובר בשליטה במיקוד בזמן של קרן הלייזר, ולא במיקוד מרחבי. בשיטה זו מאירים את הדוגמית בפולסים ארוכים של אור, אשר מתקצרים כאשר מגיעה הקרן לשכבה הרצויה, בה היא גורמת להארה הרצויה. כתוצאה מכך מעורר רק נוירון המטרה, אשר הונדס גנטית כדי להגיב לפולסים קצרים, אך לא לפולסים ארוכים. יתר על כן, בשיטה זו מואר הנוירון בצורה אחידה, וגבולותיו מוגדרים באופן חד. החדות מתאפשרת מפני שהמיקוד בזמן מקטין באופן דרמטי את פיזור האור בתוך רקמת המוח. חלק מהפוטונים אמנם מתפזרים, אך הם אינם מפריעים לעירור מפני שאינם מגיעים לרקמת המוח בזמן ה"נכון", כלומר, בזמן הארת נוירון המטרה. השיטה מאפשרת דיוק יוצא דופן בזכות אורכם הקצר של הפולסים, הנמשכים כמאה פמטו-שניות בלבד (כל פמטו-שניה היא מיליונית מיליארדית השניה).

 

בעזרת שיטה זו אפשר יהיה לחקור רשתות נוירונים על-ידי עירור נוירונים בודדים באמצעות פולסי לייזר קצרים.

 
מימין: ד"ר אוסיפ שוורץ, ד"ר צביקה דויטש, פרופ' דן אורון, בן לשם וליאור נאמן. חלקיקי אור
חלל ופיסיקה
עברית

רגיש, לא ספונטני

עברית
 

מימין: ד"ר יונתן אנהורי, פרופ' אלי זלדוב, וליאור אמבון. יישום יעיל

מדעני מכון ויצמן למדע עשו צעד חשוב לקראת הבנת התופעה המרתקת של מוליכות-על: הם הצליחו ליצור את התקן ה-SQUID (התקן המשמש למדידת שדות מגנטיים) הקטן ביותר אי-פעם, אשר שובר את שיאי הרגישות והרזולוציה. רגישות ההתקן, המכונה "ננו-SQUID על מחט", היא כה גבוהה, עד שהוא מסוגל להבחין בשדה המגנטי של אלקטרון בודד – ה"גביע הקדוש" של תחום הדימות המגנטי.
 
מוליכות-על היא תופעה קוונטית המתרחשת בטמפרטורות קיצוניות ביותר. כאשר חומרים מסוימים מקוררים לטמפרטורות נמוכות מאוד, מתרחש ה"קסם": הם מאבדים את כל ההתנגדות למעבר זרם חשמלי דרכם, ודוחים מתוכם שדות מגנטיים. תכונות יוצאות דופן אלה מאפשרות, בין היתר, את בנייתן של רכבות המרחפות באוויר, האצת חלקיקים למהירות הקרובה למהירות האור, וסריקת גוף האדם במכשירי
MRI לצורכי איבחון וטיפול רפואי מוליכי-על מהווים גם את הבסיס ליצירת התקני SQUID (ראשי תיבות של Superconducting QUantum Interference Device), המאפשרים לחקור את התופעה של מוליכות-העל. למרות שהתגלו לפני למעלה מ-100 שנה, מדענים עדיין אינם מבינים במלואה את הפיסיקה העומדת בבסיסם של מוליכי-על.
 
בניגוד למיקרוסקופיה אופטית, המתבססת על קרני אור ועדשות לצורך הגדלה של דוגמאות קטנות, המיקרו-סקופיה הסורקת פועלת באמצעות גשוש (probe) כלשהו המוזז על פני הדוגמה, כדי למדוד תכונה מסוימת בנקודות שונות. דוגמה לכך היא יצירת מפה תרמית של כף היד באמצעות הזזת מד-חום ומדידת הטמפרטורה במספר נקודות על פניה. במקרה זה, הגשוש הוא ננו-SQUID המודד את עוצמת השדה המגנטי בנקודות שונות על פני דוגמה.
 
התקן ה-SQUID
מלבד אתגר הרגישות הנדרשת מה-SQUID, כדי להפיק דימות באיכות גבוהה יש להתגבר גם על מספר אתגרים גיאומטריים. כדי להשתמש ב-SQUID כגשוש לצורך סריקה, יש להתגבר על שתי מגבלות טכניות: עליו להיות קטן ככל האפשר לצורך קבלת רזולוציה גבוהה של הדמיה, ועליו להתקרב לדוגמה ככל האפשר.
 
החוקרים הבתר-דוקטוריאליים ד"ר יונתן אנהורי וד"ר דניס וסיוקוב, תלמיד המחקר ליאור אמבון, ועמיתים נוספים מקבוצתו של פרופ' אלי זלדוב, במחלקה לפיסיקה של חומר מעובה, הצליחו להתמודד עם האתגר – כפי שדווח באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Nanotechnology. המדענים יצרו מערכת ייחודית: הם לקחו צינור זכוכית, התיכו ומשכו אותו עד לקבלת חוד דק – הצורה הגיאומטרית האידיאלית עבור מיקרוסקופיה סורקת. לאחר מכן הצליחו לייצר התקן SQUID על הטבעת שבקצה החוד, שקוטרה 46 ננומטר בלבד – נתון שהופך אותו ל-SQUID הזעיר ביותר שיוצר עד כה. את צינור הזכוכית עם ההתקן בקצהו הדביקו לקולן ("מזלג") קוורץ, ובנו מיקרוסקופ סורק המאפשר לקבל הדמיות מגנטיות ממרחק של ננומטרים ספורים מהדוגמה.
 
 
התקני SQUID יוצרו עד כה באמצעות תהליכי ליטוגרפיה על גבי שבבי סיליקון שטוחים. שיטה זו מגבילה את מיזעורם של ההתקנים, ואת היכולת לקרבם לדוגמה. "אצלנו נוצרה, למעשה, בעיה הפוכה – איך למנוע מהגשוש להתקרב אל הדוגמה יתר על המידה, ו'להתרסק'", אומר ליאור אמבון. "קיימים אמנם סורקי SQUID בעלי רגישות גבוהה יותר לשדות מגנטיים אחידים, אולם השילוב של הרגישות הגבוהה, היכולת לקרב את הגשוש לדוגמה, וממדיו הזעירים, הוא זה שמאפשר לנו לשבור את שיאי הרזולוציה, הדיוק והרגישות".
 
מיקרוסקופ אלקטרונים סורק בו מותקן ה-SQUID
כבר כעת מתברר, כי המכשיר הייחודי הוא כלי מחקרי רב-עוצמה: הוא משמש לבחינת הדינמיקה של מערבולות מגנטיות במוליכי-על, ושל מגנטיזם קוונטי בסדר גודל ננו-מטרי – תחום המחקר העיקרי של פרופ' זלדוב. המדענים מקווים, כי הוא יאפשר לא רק הבנה טובה יותר של מוליכות-על, הדרושה לשם יישום יעיל יותר של התופעה, אלא גם יוביל לתובנות חדשות בנוגע לתופעות פיסיקליות ייחודיות אחרות. באופן לא צפוי, ה-SQUID התגלה כמכשיר בעל יכולות מגוונות, המסוגל לחקור מערכות וחומרים אחרים, מלבד מוליכי-על. אומר ליאור אמבון: "כבר עתה נוצר תור של מדענים ממכון ויצמן למדע וממוסדות בחו"ל, המעוניינים בשיתוף פעולה אקדמי למדידת התכונות המגנטיות של דוגמאות שונות ברמה הננו-מטרית".
 
 
התקן ה-SQUID
חלל ופיסיקה
עברית

אטום באמבטיה

עברית
 
 
האם חוקי התרמודינמיקה חלים על מכונות הנשמעות לתורת הקוונטים? למשל, האם מכונות קיטור, שעבורן נוסחה התרמודינמיקה מראשיתה, נשמעות לאותם כללים שלפיהם פועלת מכונה הבנויה מאטומים בודדים? עד לאחרונה התשובה שניתנה לשאלה זו הייתה חיובית, על אף שאי-אפשר היה להוכיח זאת. אולם, מחקר חדש של פרופ' גרשון קוריצקי, מהפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, בשיתוף מדענים מצ'כיה ומפולין, מעלה אפשרות כי מכונות קוונטיות כפופות למגבלות אחרות מאלו של התרמודינמיקה המסורתית. כלומר, חוקי התרמודינמיקה עצמם נשארים בתוקף בעולם הקוונטי, אך לא כן הדבר לגבי חלק מהשלכותיהם. ממצאים אלה חושפים היבטים קוונטיים ייחודיים בפעולת מכונות הממירות חום לעבודה או עבודה לקירור. תיאוריה זו תוארה באחרונה בכתבי העת המדעיים Physical Review Letters ו-Physical Review.
 
נקודת הפתיחה של המחקר הנוכחי הייתה אפקט מפתיע שהתגלה במחקר קודם בקבוצת המחקר של פרופ' קוריצקי: מדידות של מערכת קוונטית, כגון אטום בודד, מאפשרות לחמם או לקרר אותו, על-פי קצב המדידות. התנאי לאפקט מוזר זה הוא, שמרווח הזמן בין המדידות יהיה קצר מ"זמן הזיכרון" של הסביבה (המתוארת כ"אמבט-חום") בה שרוי האטום, שהוא הזמן בו האמבט מחליף אנרגיה עם האטום - מקבל ומחזיר את האנרגיה באופן תנודתי.
 
תגלית זו פורסמה ב-2008 בכתב- העת Nature (ראו גם גיליון "המכון" מספר 51), ואומתה בניסוי שבוצע בקבוצת המחקר של פרופ' לוסיו פרידמן מהפקולטה לכימיה במכון, ופורסם ב-2010 בכתב-העת Physical Review Letters (ראו "המכון" 61). שינוי הטמפרטורה של האטום נבע מכך, שמדידות תכופות משנות את אנרגיית-הקשר בין האטום לבין אמבט- החום, אם הן מתרחשות בתוך זמן-הזיכרון של האמבט. מדובר בתופעה קוונטית מובהקת, על אף שהאטום המצוי בתוך אמבט-חום נחשב (קודם למחקר זה) לאובייקט הנוהג לפי התרמודינמיקה המסורתית, ואילו כאן נמצא כי האמבט, גם אם הוא מיקרוסקופי, פועל על האטום באופן קוונטי-קוהרנטי בתוך זמן הזיכרון שלו.
 
מימין: דוד גלבוואסר-קלימובסקי ופרופ' גרשון קוריצקי. אפקט קוונטי
 
המחקר הנוכחי, שביצע תלמיד המחקר דוד גלבוואסר-קלימובסקי בהנחיית פרופ' קוריצקי, מראה כי אותו אפקט קוונטי מאפשר לאטום להשפיע באופן מהותי על המדידות: אם נחבר לאטום מתנד, הוא יגביר את תנודתו, בתנאי שהמדידות יהיו תכופות יותר מזמן הזיכרון של האמבט. כמו שינוי הטמפרטורה, גם ביצוע העבודה באמצעות מדידות תכופות מתאפשר באמצעות משאב שלא נוצל עד כה: שינוי באנרגיית- הקשר בין האטום לבין הסביבה. תיאוריות קודמות בתחומים אלה (כמו זו של הפיסיקאי רולף לנדאור מ-1960) התעלמו ממשאב זה.
 
בהמשך הראו המדענים, כי חיבור האטום לשני אמבטי חום, האחד חם והאחר קר, מאפשר ליצור מכונה שתמיר חלק מאנרגיית החום לפעולה שביצע האטום על מתנד (יגביר את תנודתו). אך אם תדר המתנד יהיה גבוה מדי, תפעל המכונה כמקרר שיפחית את טמפרטורת האמבט הקר.
 
לפי התיאוריה החדשה, המכונה הקטנה והפשוטה ביותר האפשרית היא אטום יחיד המצוי במגע עם אמבטי-חום ומחובר למתנד פשוט המשמש בוכנה קוונטית. המדענים מקווים, כי ממצאים אלה יסייעו בגישור בין התרמודינמיקה לבין תורת הקוונטים, יובילו לפיתוח עתידי של מכונות ממוזערות מתקדמות, ויאפשרו קירור יעיל של התקנים ממוחשבים זעירים (מגבלות הקירור של התקנים כאלה מהוות כיום אחד מהגורמים המקשים על מיזעור התקנים ממוחשבים).
 
אומר פרופ' קוריצקי: "התיאוריה החדשה מציבה בין השאר סימן שאלה לגבי קביעתו של נרנסט מ-1908, שאין אפשרות להגיע לאפס המוחלט בזמן סופי. לדעתי, ייתכן שאפשר יהיה להגיע לנקודה אולטימטיבית זו, אם המערכת המקוררת היא שרשרת ספינים (מגנטים זעירים), אשר קשורה לאטום יחיד המשמש כמקרר. שרשרת הספינים פשוט תקפא לחלוטין. פיסיקאים לא מעטים, שחונכו לזהות את החוק השלישי של התרמו- דינמיקה עם קביעת נרנסט כי אי-אפשר להגיע לאפס המוחלט, עשויים לחוש אי-נוחות לגבי תחזית זו, המציעה בחינה מחדש של משמעות החוק השלישי. אבל הפתעות וחילוקי דעות, כידוע, הם ממנועי הצמיחה החזקים ביותר של המדע המודרני". פרופ' קוריצקי סבור, שהוויכוח יוכרע באמצעות ניסויים שאפשר לבצעם בגזים קרים.
 
רן ויינשטוק, י"א, אורט הנרי רונסון, אשקלון
 
 
 
 
מימין: דוד גלבוואסר-קלימובסקי ופרופ' גרשון קוריצקי. אפקט קוונטי
כימיה
עברית

במקום הנכון, בכיוון הנכון

עברית
 
מימין: ד"ר מרק שוורצמן, פרופ' ארנסטו יוסלביץ ודוד ציביון. ארגון עצמיאחד האתגרים הגדולים הניצבים לפני מדענים שעוסקים בננו- אלקטרוניקה דומה מאוד לזה המעסיק הורים לילדים קטנים: כיצד מלמדים אותם "להסתדר לבד". הרכיבים הננו-אלקטרוניים הם קטנים כל כך, עד שאין שום סיכוי ליצור אותם באמצעות סידור חיצוני. יש "לסמוך עליהם" שיתארגנו באופן עצמאי, וליצור עבורם את התנאים שיאפשרו זאת.
 
מאמץ רב בתחום הארגון העצמי מושקע בננו-חוטים של חומרים מוליכים למחצה – אבני הבניין הבסיסיות של רכיבים אלקטרוניים – אך ההצלחות בתחום זה היו, עד לאחרונה, מוגבלות. מדענים פיתחו אמנם שיטות לגידול ננו-חוטים באופן אנכי על משטח, אך צורתם אינה מסודרת והם מגיעים לאורך קצר למדי. בזאת לא מסתיימים הקשיים: לאחר תהליך הגידול יש "לקצור" את הננו-חוטים, להניח אותם בצורה אופקית, לחפש היכן בדיוק הם נפלו (שכן הנפילה היא אקראית), ורק אז ליצור מהם מעגלים חשמליים. צוות מדענים בראשות פרופ' ארנסטו יוסלביץ, מהמחלקה לחומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, הצליח להתגבר על המגבלות האלה, וייצר לראשונה ננו-חוטים המתארגנים באופן עצמאי, תוך שליטה מלאה במיקומם, בכיוונם ובאורכם. תהליך הייצור המבוקר והמסודר איפשר למדענים להרכיב מאות טרנזיסטורים ושערים לוגיים פעילים מהננו-חוטים במקום בו הם נוצרו.
 
תצלום במיקרוסקופ אלקטרונים סורק של מעגל לוגי המבוסס על 14 ננו-חוטים
 
ההישג הנוכחי, שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי PNAS, מבוסס על שיטה שפיתח פרופ' יוסלביץ לפני כשנתיים לגידול ננו-חוטים בצורה אופקית ומסודרת. במחקר הנוכחי, בו השתתפו ד"ר מרק שוורצמן ודוד ציביון מקבוצתו של פרופ' יוסלביץ, ואולגה רסלין וד"ר דיאנה מהלו מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה, ביקשו המדענים להתקדם צעד נוסף, וליצור מהננו-חוטים מעגלים חשמליים שמתארגנים בעצמם. לשם כך היה עליהם להגיע לשליטה מדויקת יותר במיקומם של הננו-חוטים.
 
כדי לעשות זאת יצרו המדענים מעין "תבנית" בעלת חריצים דקים בגודל אטומי, המכוונת את כיוון התפתחותם של הננו-חוטים, והניחו זרזים, המהווים את "גרעין הצמיחה" של הננו-צינור, במרכז החריצים. כך עלה בידם לקבל ננו-חוטים בעלי כיוון, אורך ומיקום מוגדרים. בהמשך יצרו המדענים טרנזיסטור מכל אחד מהננו-חוטים שבתבנית, והצליחו ליצור מאות טרנזיסטורים בעת ובעונה אחת. הננו-חוטים שימשו גם ליצירת רכיב חשמלי מורכב יותר – מעגל לוגי הקרוי Address Decoder, המהווה רכיב חיוני במחשבים. המעגל הלוגי שיצרו תירגם בהצלחה מספרים בינאריים בני שלוש ספרות למספרים טבעיים. בזכות רעיונותיו ותוצאות ראשוניות אלה זכה פרופ' יוסלביץ למענק האירופי היוקרתי ERC Advanced Grant.
 
"השיטה שלנו מאפשרת לקבוע מראש את הסידור של הנו-חוטים כך שיתאימו למעגל החשמלי שנרצה ליצור מהם, במקום 'לכפות' את המעגל החשמלי על המקום שאליו הגיעו באקראי הננו-חוטים", מסביר פרופ' יוסלביץ. היכולת ליצור מעגלים חשמליים של מוליכים למחצה אשר מתארגנים בעצמם באופן יעיל פותחת פתח למיגוון יישומים טכנולוגיים, כמו התקני LED, לייזרים, תאים פוטו-וולטאים, ועוד.
 
 
מימין: ד"ר מרק שוורצמן, פרופ' ארנסטו יוסלביץ ודוד ציביון. ארגון עצמי
כימיה
עברית

עמודים