ד"ר חיים ויצמן בוודאי היה רווה נחת מהידיעה, כי החיידק שמילא תפקיד חשוב במאמציו למען הקמת מדינת ישראל,עשוי לרשום לזכותו הישג בין-לאומי נוסף.

 

כמדען צעיר ומבטיח בתחום הכימיה האורגנית, במנצ'סטר, לפני מלחמת העולם הראשונה, גילה ויצמן חיידק שמייצראצטון ואלכוהול מסוג בוטיל. למרות שפרופסור בכיר אחד באוניברסיטה יעץ לו "לשפוך אתהחומר לכיור", המשיך ויצמן לחקור את החיידק. ההמשך רשום בספר דברי הימים. כאשר פרצה המלחמה, נוצר מחסור חמור באצטון, אשר היה חיוני להפקת אבקת שריפה.אצטון הופק אז בעיקר מעץ, אבל עקב מחסור בחומרי גלם אלה עלתה חשיבותו של החיידק של ד"ר ויצמן, שהיה מסוגל לייצר אצטון מתירס. על-פי בקשת הממשלה הבריטית ייצר ויצמן, באמצעות החיידק, כמויות משמעותיות של החומר החיוני. הישג זה העלה את יוקרתו, ועזר לו להשיג את הצהרת בלפור ההיסטורית משנת 1917, אשר הבטיחה הקמת בית לאומי ליהודים בארץ ישראל.

 

בימים אלה חוזר החיידק, הקרוי Clostridium acetobutylicum, לחזית המדע. פרופ' אדוארד ("אדי") באייר, מהמחלקה לכימיה ביולוגיתבמכון ויצמן למדע, מצא דרך להסתייע בחיידק של ד"ר ויצמן לצורך הקטנת זיהום הסביבה ולהפקת חומרים בעת ובעונה אחת. מדובר בגיוס החיידק לפירוק תאית (צלולוז), שהיא המרכיב העיקרי של דפנות תאי צמחים.

 

תאית היא שרשרת יציבה של מולקולות סוכר, אשר מקנה לעץ את חוזקו ומשמשת מרכיב חשוב במוצרים חיוניים כמו בד ונייר.שרשרת של יותר משבע יחידות סוכר כבר יוצרת חומר בלתי-מסיס, אבל התאית עשויה להכיל עד 10,000 יחידות סוכר, דבר שהופךאותה לחומר חזק במיוחד. בטבע, סיבי תאית של עצים וצמחים אחרים מפורקים על-ידי מיקרו-אורגניזמים שונים, באדמה ובמים. כדי לבצע את המלאכה המורכבת הזאת משתמשים אותם מיקרו-אורגניזמים במעין מכונה מולקולרית המורכבת ממעין "גל ארכובה" הנושא כמה אנזימים. מכונה זו, הצלולוזום, שוברת את התאית הקשוחה והלא מסיסה, וקוטעת אותה ליחידות של סוכרים מסיסים החוזרים למחזור הפעילות הביוכימית של תאי הצמח. הבעיה היא, שהצלולוזום הטבעי מתקשה מאוד לפרק תאית המצויה במוצרים מעשה ידי אדם, כגון נייר. כתוצאה מכך, מיליארדי טונות של נייר שאינו מתפרק מצטברים באתרי פסולת, ויוצרים בעיה סביבתית עולמית בעלת ממדים אדירים.

 

פרופ' אדוארד ("אדי") באייר, מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, ופרופ' רפאל למד מאוניברסיטת תל-אביב, אשר גילואת הצלולוזום בשנת 1983, ובשנים שלאחר מכן הבהירו את המבנה שלו, בונים כעת צלולוזומים "על פי הזמנה", אשר יכולים לבצע פעולות רבות ושונות, כולל פירוק יעיל של נייר. צלולוזומים "יזומים" אלה יכולים לפעול באופן עצמאי, או כחלק ממיקרו-אורגניזמיםשונים. כדי לשנות ולשפר את יעילותם של הצלולוזומים משתמשים המדענים בשיטות של הנדסה גנטית, המאפשרות להם להוסיף,לגרוע ולעצב מחדש יחידות משנה שונות הכלולות במכונת הצלולוזום.

 

בדרך זו יצרו המדענים מאות סוגי צלולוזומים, שאחד מהם, שנמצא היעיל ביותר, מבוסס על שילוב של שלושה אנזימים. צלולוזום זה מכיל אנזימים הפועלים על-פי שתי שיטות המשלימות זו את זו. אנזים אחד חותך את התאית כשהואלוכד אותה בפתח המצוי במבנה שלו, כמעין "פקמן". האנזים השני קוטע את השרשרת המלקולרית של התאית כשהוא מעביר אותה דרך תעלה המצויה במבנה שלו. השימוש בצלולוזום מהונדס זה עדיין רחוק מיישום בטיפול בפסולת, אך במעבדה כבר רואים את ניצני ההצלחה: הצלולוזוםהמלאכותי מצליח להפוך נייר גרוס לעיסה של דו-סוכרים מסיסים, בתוך יום אחד. "הטבע לא מתגבר על הנייר בכוחות עצמו. לפיכך, אנו שואפים ליצור צלולוזום שיבצע פעולות שלא היו צפויות, ולא נדרשו על-ידי האבולוציה", אומר פרופ' באייר.

 

מדענים רבים, במקומות שונים בעולם, פועלים לפיתוח דרכים לשיפור תיפקודו של הצלולוזום במיקרו-אורגניזמים שונים.כיוון פעולה זה החזיר למרכז הבמה את החיידק של ד"ר ויצמן. עם פיענוח ומיפוי הגנום שלו התברר, של- Clostridium acetobutylicum  יש גנים לצלולוזום. אך ממש כמו גרוטאה אשר שכחו אותה במרתף במשך שנים רבות, הצלולוזום הזה אינו פעיל,כך שהחיידק אינו משתמש בו. בעקבות מחקריו וממצאיו של פרופ' באייר החלו מדענים צרפתיים להפעיל שיטות של הנדסה גנטית, במטרה להחזיר לפעולה את הצלולוזום של החיידק של ד"ר ויצמן, ולגרום לו לייצר אצטון ובוטיל אלכוהול מפסולת נייר, ולא מתירס, כפי שנעשה בשנות מלחמת העולם הראשונה. כך נראה, שהחיידק שתרם רבות להגשמת החזון הציוני, יחזור ויתרום גם להגשמת חזון המיחזור של פסולת עתירת תאית.

 

 

 

מים זורמים בצינורות, התפתחויות ושינויים במזג האוויר, מטוסים ממריאים, זרימת הדם בעורקים, חומרים כימיים מתערבבים במערבל, אפילו חלב שנמזג לספל קפה. כל התופעות האלה מושפעות על-ידי תופעה פיסיקלית אחת:  עירבול. פיסיקאים ומתמטיקאים חוקרים את התופעה הזאת מאז המאה ה18-, כאשר המתמטיקאי ליאונרד אוילר פיתח את המשוואות הראשונות  שתיארו זרימה לא ליניארית של נוזלים. הנוסחה הזאת עברה שינויים במאה ה19- כאשר קלוד-לויס נוויאר וג'ורג' גבריאל סטוקס, שהבחינו בכך שצמיגות הנוזל משפיעה על אופי הזרימה, שילבו בנוסחה מרכיבים שמבטאים את השפעת הצמיגות.

 

משוואות נוויאר-סטוקס, ועוד מספר משוואות שנגזרות מהן, משמשות כיום בתחומים שונים, מהנדסה כימית ואווירית ועד לבניית מודלים מתמטיים לחישובי אקלים; ובכל זאת, הן צופנות בתוכן כמה תעלומות. אחת מהן נכללת בין שבע הבעיות המתמטיות המאתגרות ביותר של המאה ה21-, ברשימה שהרכיב מכון קליי בקיימבריג', מסצ'וסטס. למי שיפתור אחת מהחידות הללו מציע המכון היוקרתי פרס של מיליון דולר. השאלה שעל הפרק בעניין משוואות נוויאר-סטוקס היא: האם הפתרונות שלהן "נשברים" (או "מתפוצצים") בזמן, או האם הם ימשיכו להיות חלקים ורציפים עד אין סוף. הביטוי "נשבר" או "מתפוצץ" בהקשר זה משמעותו קבלה של ערכים אין-סופיים בחלק ממרכיבי הפתרון של הנוסחה, כאשר מחשבים את התפתחות תופעת  הזרימה לאורך זמן. אם וכאשר מתקבלים ערכים אין-סופיים, המתמטיקאים אומרים שהפתרון "נשבר" או "מתפוצץ",  ושהמודל המתמטי אינו מתאר בנאמנות את התופעה הפיסיקלית, ולכן אינו תקף. ישנם מתמטיקאים הסבורים שבפתרונות  של תופעת העירבול עשויים להתחולל אין סוף שברים בכל רגע. אבל האם זה באמת כך? האם הפתרונות באמת נשברים במרוצת הזמן? התשובה לשאלה זו נותרה בגדר תעלומה, המהווה את האתגר שעל פתרונו הציע מכון קליי את הפרס הגבוה.

 

פרופ' אדריס תיתי, מהמחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית במכון ויצמן למדע, מעוניין בדרכים שבהן המתמטיקה מסוגלת לתרום באופן משמעותי לפתרון בעיות בעולם האמיתי, כגון תופעת זרימת הנוזלים: "פיסיקאים שואלים 'מהם המנגנונים שמונחים ביסוד התופעה הזאת?'מהנדסים שואלים 'איך אני יכול לשלוט בתופעה הזאת?' אבל המתמטיקאים לומדים מהתצפיות של השניים האחרים, מסיקים מסקנות באשר לבסיס התופעה, מפתחים מסגרת מתמטית מתאימה (ולעיתים תיאוריה חדשה לחלוטין), שמסייעת לנו להבין ולחקור בדייקנות את התופעה ולענות על השאלות האלה".

 

פרופ' תיתי הראה, שכמה גרסאות של נוויאר-סטוקס שמשמשות לחישוב דפוסים של זרימה עירבולית, מסוגלות להניב תוצאות רציפות לכל הזמנים ללא שבר. הראשונה שבהן היא גרסת המשוואות המתארת זרימות בורגיות (מסלול זרימה המזכיר בורג: קווים סימטריים של זרימה המסתחררים מסביב למערבולת מרכזית). "אבל זרימה כזאת", אומר פרופ' תיתי, "אינה זרימה תלת-ממדית אמיתית. אפשר לתאר את קווי הזרימה האלה כמונחים על משטח דו-ממדי, ובדרך זו להקטין את סיבוכיות הבעיה". עבודה זו בוצעה בעבר, בעת שפרופ' תיתי עבד באוניברסיטת קורנל שבניו-יורק. יחד עם עמיתיו הוא הצליח להוכיח, שזרימות בורגיות הן בלתי-  משתנות: ברגע שהן מתחילות, הן ממשיכות לזרום לעולם לפי נוסחת הזרימה ההתחלתית.

 

קבוצת המשוואות השנייה היא באמת תלת-ממדית, דבר שמסבך ומסרבל את הפתרון. ההוכחה החדשה של פרופ' תיתי לרציפות בלתי-נשברת של פתרונות המשוואות האלה, שאותה פיתח באחרונה במכון ויצמן למדע, פתרה בעיה פתוחה מרכזית בתחום של תהליכי זרימה בתחום הגיאופיסיקה, ותרמה תרומה משמעותית לקידום הידע בתחום זה. מדובר במשוואות שנוסחו בשנת 1922 ככלי לחיזוי מזג אוויר, בידי לואיס פרי ריצ'ארדסון, אחד הראשונים שניסו ליצור מודל מתמטי לחישוב התנועה המורכבת של אוויר מסביב לכדור-הארץ. במטלה זו הוא נאלץ להתמודד עם תנועה בשכבה גדולה, דקה מאוד ומעוגלת,  המשולבת בתנועה אנכית המתחוללת באותה שכבה דקה (אילו כדור-הארץ היה תפוח גדול, האטמוספירה הייתה הקליפה הדקה שלו). כדי להתאים את המודל המתמטי לתופעות אמיתיות, ניצל ריצ'ארדסון את רדידות האטמוספירה, ובאמצעות קירובים פישט את משוואת התנועה האנכית, והחליף אותה בשיווי המשקל שבין כוחות לחץ האוויר לבין כוחות הציפה (שיווי משקל הידרוסטטי).

 

"ה'משוואות המותאמות של דינמיקות גדולות של האוקיינוס והאטמוספירה' של ריצ'ארדסון פגעו באלגנטיות של הסימטריה שמאפיינת את משוואות נוויאר-סטוקס", אומר פרופ' תיתי. באופן מתמטי, המשוואות האלה נראות מסובכות יותר מהמשוואות  המקוריות של נוויאר וסטוקס, ואחרי כל המאמץ והוויתורים האלה, לפני שנים אחדות התברר שגם הן משיגות תוצאות רציפות לאורך זמן  מוגבל בלבד". אבל פרופ'תיתי הצליח באחרונה להוכיח, כי אחרי ככלות הכל הפתרונות למשוואות של ריצ'ארדסון אכן רציפים לאורך זמן, כלומר, שהם אינם נשברים בזמן. תוצאה זו התקבלה בעולמם של המתמטיקאים בהפתעה, והיא נחשבת כהתקדמות משמעותית בפיתוח מודלים מתמטיים תקפים לתהליכי זרימת נוזלים בתחום הגיאופיסיקה.

 

פרופ' תיתי: "אחד הדברים היפים באתגרים מתמטיים כמו משוואות נוויאר-סטוקס הוא, שקל יחסית לנסח אותן ולהסבירן, אבל הן מעסיקות אותנו בחיפוש פתרונות למשך עשרות, מאות, ולפעמים אפילו אלפי שנים".

 

פרופ' אדריס תיתי נולד וגדל במשפחה ערבית בעכו העתיקה. הוריו לא סיימו אפילו את לימודיהם בבית-הספר היסודי, אבל התעקשו שארבעת בניהם יקבלו את החינוך הטוב ביותר בבית-הספר הפרטי "טרה סנטה" שבעכו. שם, בעזרת מורים שהוא בקשר איתם עד היום הזה, התגלה אדריס תיתי הצעיר כתלמיד מצטיין במתמטיקה ובפיסיקה. בשנת 1974 הוא החל ללמוד בטכניון. לאחר קבלת תואר שני במתמטיקה עיונית מהטכניון, הוא עבר למתמטיקה שימושית, סיים את  לימודיו לתואר שלישי באוניברסיטת אינדיאנה, וביצע מחקר בתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת שיקגו. לאחר מכן כיהן  במשך שנתיים כמרצה באוניברסיטת קורנל, ואז עבר לאוניברסיטת קליפורניה באירוויין, שם הועלה לדרגת פרופסור  מלא בשנת 1989. עשר שנים לאחר מכן, בשנת 1999, הגיע לראשונה למכון ויצמן למדע כפרופסור אורח. בשנת 2003 הצטרף  למחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית במכון. בנוסף לעבודתו המדעית במכון הוא רואה עצמו מחויב לתרום להעלאת רמת החינוך המדעי בישראל בכלל ובמגזר הערבי בפרט.

 

"אאוריקה", צעק ארכימדס כשהבין, בעודו משתכשך באמבטיה, שגוש חומר המושקע במים דוחה כמות מים שמשקלה שווה למשקלו  (ולא כמות מים שנפחה שווה לנפח החומר המושקע). כך נוצר מושג המשקל הסגולי, שמלווה את האנושות ומוכר היטב לכל תלמיד בבית הספר. אבל עכשיו מתברר, שארכימדס אמנם גילה את האמת, אבל לאמת זו יש היבט נוסף, שנעלם מעיניו. פרופ' גרגורי ("גרישה") פלקוביץ, ראש המחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, מצא שחלקיקי חומר קטנים מאוד, המרחפים בגל מים עומד, נעים בכיוונים שונים, הנקבעים על-פי מידת ה"אהבה" שלהם למים. חומר ש"אוהב" מים (הידרופילי) דוחה כמות מים שמשקלה עולה על משקלו, ולכן ינוע כלפי מעלה; ואילו חומר "שונא" מים (הידרופובי) דוחה כמות מים שמשקלה קטן ממשקלו, ולכן ינוע וישקע כלפי מטה.

 

תגלית מפתיעה זו, המוסיפה פן חדש לחוק יסוד בפיסיקה, התגלתה כאשר פרופ' פלקוביץ וד"ר סרגיי לוקשוק מאוניברסיטת האל שבאנגליה התבוננו בחלקיקי חומר המרחפים בגל מים עומד. גל עומד הוא גל שנע לפנים ולאחור, מעלה ומטה, באופן שסך כל התנועה הממוצע שלו הוא אפס (התנועה מעלה שווה לתנועה מטה, והתנועה לפנים שקולה לתנועה לאחור). חלקיקי חומר זעירים שמרחפים בגל כזה אמורים להימצא במקומם, ללא תנועה. אבל פרופ' פלקוביץ וד"ר לוקשוק הבחינו בכך שחלקיקי טפלון - שהם "שונאי מים" - שקעו אט אט כלפי מטה, ואילו חלקיקי הזכוכית - שהם "אוהבי מים" - נעו והתקדמו בגל, כלפי מעלה.

 

פרופ' פלקוביץ: "הוספת פן חדש לחוק יסוד בפיסיקה אינה אירוע שכיח, ואני שמח מאוד על הזכות שנפלה בחלקי, לשוחח, במובן מסוים, מעבר למחסום הזמן, עם ארכימדס, אחד מהאבות המייסדים של מדעי הפיסיקה".

 

 

ידיים קטנות במיוחד - פרופ' הורסט סטורמר מאוניברסיטת קולומביה, חתן פרס נובל בפיסיקה לשנת 1998, נוהג לספר, בחיוך, שזו התכונה החשובה שהוא מחפש אצל המועמדים לתפקידי חוקרים בתר-דוקטוריאליים במעבדתו. זו דרכו לומר, שבמה שקשור לבניית התקנים אלקטרוניים, הגודל באמת קובע. ככל שההתקן קטן יותר, זעיר יותר, הוא מאפשר לבנות מערכות מהירות, יעילות ומדויקות יותר. השאלה היא, עד כמה אפשר להמשיך  ולמזער את ההתקנים. האם, למשל, אפשר לחבר חוט למולקולה בודדת ולמדוד את תכונות הולכת החשמל שלה? שילוב מפתיע של כוחות מדעיים, שהתגבש במכון ויצמן למדע, הוביל למציאת דרך לביצוע המשימה הזאת, שמגדירה מחדש את גבול אפשרויות המיזעור.

 

פרופ' ישראל בר-יוסף, ראש המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, ופרופ' עמיר יעקבי מאותה מחלקה, ניסו למצוא דרכים למדוד הולכה של זרם חשמלי דרך מולקולה אורגנית אחת (הולכה נמדדת בדרך כלל בגושים של מתכות, או בגבישים). כדי למדוד את ההולכה דרך המולקולה הבודדת, יש לחבר לשני קצותיה תיילים מוליכי חשמל. אלא שלא כל כך קל לחבר מולקולה מיקרוסקופית לתיילים מאקרוסקופיים. במילים אחרות, המולקולה קטנה מכדי שאפשר יהיה לחבר אותה לתיילים הדקים ביותר שבנמצא.

 

בעוד הפיסיקאים מנסים למצוא פתרון לבעיה, ישב בבניין אחר במכון פרופ' יוסי שפרלינג מהמחלקה לכימיה אורגנית, והתמקד בתהליכי העיבוד של המידע הגנטי בתא. מתברר, שהמידע האגור בגנים עובר תהליכי עריכה מורכבים, הקובעים ומעצבים את המידע שעל-פיו ייוצרו החלבונים. כדי לעקוב אחר התהליך הזה, הצמיד פרופ' שפרלינג ננו-חלקיקים עשויים מזהב למולקולת האר-אן-אי שליח, המעבירה את המידע הנחוץ לבניית החלבון מגרעין התא אל הריבוזום שבחלל התא. כששמע על הבעיה שמעסיקה את הפיסיקאים, עלה פרופ' שפרלינג על אופניו, רכב לקצה האחר של קמפוס המכון, ונקש על דלתו  של פרופ' בר-יוסף.

 

בעזרת המומחיות שפיתח פרופ' שפרלינג בהצמדת ננו-חלקיקי זהב למולקולות בודדות, חיברו המדענים שני חלקיקים כאלה למולקולה בודדת של בנזן,  ולאחר מכן לשתי מולקולות בנזן ("די-פניל") הצמודות זו לזו. כך עלה בידיהם לגשר באמצעות ננו-חלקיקים בין העולם המיקרוסקופי של המולקולה הבודדת, לעולם המאקרוסקופי של התיילים מוליכי החשמל. בשלב הבא בנו פרופ' בר-יוסף ופרופ' יעקבי התקן זעיר שבמסגרתו שילבו את מולקולת הדי-פניל עם שני חלקיקי הזהב משני קצותיה,  כך שמגעי ההתקן יכלו להעביר זרם חשמלי אל חלקיק הזהב, וממנו - דרך המולקולה האורגנית שאורכה כננומטר אחד בלבד - אל חלקיק הזהב השני ואל צדו השני של המעגל החשמלי הזעיר. במחקר זה השתתפו תלמידי המחקר טלי דדוש מהמחלקה לכימיה אורגנית, ויואב גורדין מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה.

 

באמצעות ההתקן הזה, המכיל מעין חוט, או גשר העשוי ממולקולה אורגנית בודדת, החלו המדענים לבצע סידרה של ניסויים במטרה לבחון את תכונות ההולכה של המולקולה. אחת השאלות שנשאלו במחקר זה הייתה: מה הוא הגורם האחראי לתכונת ההולכה של המולקולה? מה גורם לכך שמולקולה אחת תעביר זרם חשמלי, ואילו מולקולה אחרת לא תעשה זאת? כאשר המטען החשמלי של האלקטרונים "פרוס" על פני שטחים גדולים של המולקולה, כל תוספת של אלקטרון בצד אחד של המולקולה תביא ליציאת אלקטרון אחר מהצד האחר. משמעות התופעה הזאת היא, שזרם חשמלי עבר דרך המולקולה (נכנס מצד אחד ויצא מצד אחר). אבל מה יקרה כאשר המטען של האלקטרונים  בכל אחת ממולקולות הבנזן המרכיבות את הדי-פניל אכן פרוס על שטחים נרחבים - אבל בין שתי מולקולותהבנזן ממוקם אטום חמצן? הודות להתקן החדש שפיתחו התברר למדענים, שדי באטום חמצן אחד כזה כדי לבלום את מעבר הזרם החשמלי דרך "גשר" הדי-פניל. מאמר על המחקר הזה  פורסם בכתב העת המדעי "נייצ'ר".  

 

בעתיד מתכננים המדענים לבחון השפעות של שינויי מבנים נוספים על תכונות ההולכה של מולקולות אורגניות בודדות, עד שיעלה בידם לפתח דרך לשלוט בתכונות ההולכה של החוט המולקולרי. שליטה כזאת עשויה לאפשר, בעתיד, יצירה של ננו-טרנזיסטורים  מתקדמים, שיעצבו מחדש את עולם המושגים בתחום האלקטרוניקה.