מדידה / גרשון קוריצקי

 

"בוא אמדוד לך חום", לי אמרה האחות
ושלפה מין מכשיר משוכלל.
"שכב בשקט, יקח שתי דקות לפחות",
אז עניתי לה: "זאת לא אוכל.

לא אחלוק את חומי עם אדם זולתי,
פן אשזור את חומי עם חומך.
לא אהיה לאובייקט תצפיות, יפתי,
לא לפני שתגידי את שמך".

"מתנשא שכמותך, מתבדל מהעם",
כך אמרה ופניה באור.
"תירגע, תתנהג כאחד האדם,
שכב ואל תשחק לי גיבור".

"לא, הביני, בחופש חשקתי מאז,
רק עלי כאן להיות הצופה:
בך, באור, בעולם החדש-הנועז,
תקראי בטובך לרופא".

"אדוני", היא אמרה לי בקול כה שקט,
"את מרחב-התצפית נא הגבל.
השזירות הן תמנע ממך את האמת,
אז תפסיק את מוחי לבלבל".

 

"בעולם היום-יומי, חייבים להחדיר אנרגיה באופן ישיר לתוך גופים שאנחנו רוצים לחמם או לקרר. אבל כשרוצים לשנות את הטמפרטורה של גופים זעירים בעלי מידות קוונטיות, כמו אטומים או חלקיקים תת-אטומיים, מספיק 'למדוד להם חום'", אומר פרופ' גרשון קוריצקי מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע. באחרונה הצליח פרופ' קוריצקי, יחד עם פרופ' לוסיו פרידמן מאותה מחלקה, להדגים את העיקרון הזה. תוצאות הניסוי שלהם עשויות, בעתיד, לפתוח פתח ליישומים חדשים בתחום התהודה המגנטית-גרעינית, ושיטות חדשות לאיחסון מידע.

לפני כשנתיים פרסמו פרופ' קוריצקי, ד"ר נעם ארז ותלמיד המחקר (דאז) ד"ר גורן גורדון, מאמר בכתב העת המדעי Nature, בו הם חזו שביצוע מדידות רצופות של מערכות קוונטיות מסוימות עשוי לגרום להן לשנות את מצבן למצב מסודר יותר או מסודר פחות (כאשר מערכת מסודרת יותר, אפשר לומר שהיא קרה יותר). חיזוי זה מבוסס על אחד מעקרונות הפיסיקה הקוונטית: מספר רב של מדידות רצופות משנה את תכונות המערכת. המפתח לתוצאה, לפי ממצאיהם של פרופ' קוריצקי ושותפיו למחקר, הוא בעיתוי, כלומר בתדירות של המדידות המחזוריות. מדידה בקצב מהיר מאוד, לדוגמה, עשויה לחמם את המערכת, ואילו אותן מדידות ממש, הנעשות בתדירות מעט יותר איטית, עשויות לקרר אותה (ראו בגיליון 51 של עיתון "המכון" - הקוונטים מתחממים ומתקררים).

 

בשלב זה נכנס לתמונה פרופ' פרידמן, שראה כאן הזדמנות להרחיב את גבולות היכולת של התהודה המגנטית הגרעינית (NMR). יחד עם פרופ' קוריצקי ועם החוקרים הבתר-דוקטוריאליים ד"ר גונזאלו אלוורז וד"ר דורג'ה בהקטווטסלה רא דסארי, הוא מצא דרך לבחון ב-NMR את האפשרויות לחימום או לקירור באמצעות שינוי קצב המדידות. "ה-NMR הוא למעשה הטכנולוגיה האידיאלית לביצוע ניסויים כאלה", אומר פרופ' פרידמן."הודות לגלים האלקטרומגנטיים בתדר נמוך והאיטיים יותר שעליהם הוא מתבסס, ה-NMR, ברוב המקרים, מדויק יותר".

העבודה שהובילה לחיזוי של פרופ' קוריצקי התבססה על מודל של מערכת קוונטית פתוחה: מערכת שבה הרכב קטן של חלקיקים קוונטיים מקיים יחסי גומלין עם מספר רב של חלקיקים הנתונים בתוך "אמבט". בדומה לאופן שבו עצם גדול (יחסית) הטבול באמבטיית מים יחליף איתם חום עד להשוואת טמפרטורת ביניהם, כך גם עצמים קוונטיים המצויים באמבטיית חלקיקים נוטים להגיע לנקודת איזון עם סביבתם. במישור הקוונטי, האיזון הזה עשוי להתבטא בתכונות קוונטיות נוספות לתכונת החום. לדוגמה, הוא יכול להשפיע על תקיפת הסיחרור ("ספין") של חלקיקים שמרכיבים את גרעיני האטומים. הספין מתאפיין באחד משני כיוונים אפשריים: "למעלה", או "למטה". כאשר הספינים של החלקיקים מסודרים - כלומר כשהם ערוכים באותו כיוון - המערכת "מקוררת". ככל שסידורי הספינים אקראיים יותר, המערכת "חמה" יותר. לפי החיזוי של פרופ' קוריצקי, המדידות עשויות לשבש את תהליך ההגעה לאיזון בין העצם הקוונטי והאמבטיה - מה שסותר את התחזיות המבוססות על כללי התרמודינמיקה הקלאסיים. במילים אחרות, המדידה מסוגלת לשחרר את החלקיקים באופן חלקי מהשפעת האמבטיה, וכך לאפשר לחוקרים "לאפס" את הטמפרטורה שלהם.

בניסוי שביצע צוות המדענים הייתה האמבטיה עשויה ממספר גדול של פרוטונים (גרעינים של אטומי מימן). החלקיקים הקוונטיים היו גרעינים של האיזוטופ פחמן 13. כדי לדמות תהליך מדידה, השתמשו המדענים בפעימות מגנטיות קצרות, תוך שהם בודקים את סדר הספינים של גרעיני הפחמן 13. בהתחלת הניסוי היו גרעינים אלה במצב של אי-סדר, והספינים שלהם הצביעו לכל הכיוונים. אבל כששינו החוקרים את תדירות הפעימות המגנטיות - בטווח שבין פעימה אחת לעשר פעימות באלפית השנייה - אפשר היה לגרום לספינים להתארגן במקביל לשדה המגנטי או בכיוון הנגדי. "זה דומה לאיש שמשוטט הלוך וחזור בשביל", אומר פרופ' פרידמן. "באמצעות ההחלטה מתי ואיפה לעצור אותו אנחנו יכולים 'לאפס' את מהלך ההליכה שלו, וכך לשלוט בכיוון שבו הוא הולך. במערכת הניסויית שלנו הצלחנו, באמצעות הגישה הזאת, לסדר את הספינים של קבוצות החלקיקים הקוונטיים 'כלפי מעלה' או 'כלפי מטה', לפי רצוננו. במקרים מסוימים קיבלנו מערך טוב יותר מזה שאפשר לקבל בשיטות אחרות".

 

המדענים הופתעו לגלות התאמה כמעט מלאה ביו תוצאות הניסוי לבין התיאוריה, והם מתחילים לחשוב על יישומים אפשריים. פרופ' פרידמן, למשל, סבור ששיטה המאפשרת לשלוט בספינים של חלקיקים קוונטיים עשויה לשפר את היעילות של ניסוי NMR ו-MRI מסוימים. פרופ' קוריצקי מתכוון לחקור כיצד העיקרון הזה יכול לעזור להתגבר על אחד המחסומים לבניית מחשבים קוונטיים. "כדי ליצור רישום של זיכרון קוונטי", הוא אומר, "חייבים להתחיל ממצב אשר בו כל הספינים מסודרים באותו כיוון. השיטה שלנו יכולה להגיע למצב הזה ללא הפעלת 'אלימות' מיותרת. ייתכן שכדי ליצור את הסידור הנכון נצטרך רק למצוא את התדירות המתאימה של מחזור המדידות".

 

 

 

 

אנחנו רגילים להתייחס לחיידקים כאל גורמי מחלות, אך חיידקים רבים דווקא מועילים לאדם - בייצור מזון, בטיהור שפכים, בניקוי כתמי נפט, ובייצור ביו-אנרגיה. חיידקים מועילים אלה חשופים לאלפי סוגים שונים של נגיפים המדביקים והורגים אותם. בעבר סברו מדענים, כי חיידקים מתמודדים עם הנגיפים המדביקים אותם בצורות פרימיטיביות בלבד. אבל בשנים האחרונות התברר, כי בחיידקים רבים קיימת מערכת חיסונית מורכבת ביותר, אשר מסוגלת ללמוד להילחם גם בנגיפים שמעולם לא פגשה.

 

"נראה כי למערכת החיסונית בחיידקים יש יתרון על הגרסה האנושית של חיסון נרכש", אומר ד"ר רותם שורק מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע. "המערכת החיידקית יודעת לאגור מידע על מחלות קודמות, כמו בבני-אדם, אבל מסוגלת גם להעביר את היכולת החיסונית דרך הגנים לצאצאים. לעומת תינוקות אנושיים, הנולדים עם 'לוח חלק' בכל הנוגע למערכת החיסון, חיידקים שזה עתה נולדו יכולים להרוויח מניסיון המחלות שצבר החיידק ההורה".

 

מערכת החיסון הנרכשת של החיידקים פשוטה הרבה יותר מזו של בני-אדם, אבל עקרון הפעולה של שתיהן דומה: הן מזהות דפוסים מולקולריים מסוימים בפולש, ומייצרות נוגדנים אשר תוקפים כל גורם המציג את הדפוס הזה. החיידקים מבצעים את המשימה הזאת באמצעות מערכת גנטית הקרויה CRISPR. במהלך המפגש הראשון עם נגיף פולש לוכדת מערכת CRISPR פיסות די-אן-אי מהנגיפים, ושומרת אותן בתוך רצפים חיסוניים מוגדרים ("קסטות") בגנום החיידק. בהדבקות חוזרות של הנגיף משתמשת מערכת ה-CRISPR בקסטות אלה כדי ליצור מולקולות אר-אן-אי קטנות, שמתפקדות כנוגדנים. נוגדנים אלה נקשרים אל החומר הגנטי של הנגיף, ומונעים ממנו להתרבות.דגימות הדי-אן-אי החיסוני נשמרות ב"תיקייה" מיוחדת בגנום החיידק, וקסטות חיסוניות חדשות נוספות כל הזמן, כדי להתכונן לאיומים עתידיים.

 

כדי להבין את מערכת החיסון בחיידקים, ניתחו ד"ר שורק וד"ר עדי שטרן, חוקרת בתר-דוקטוריאלית מקבוצתו, את המידע המצוי על אלפי קסטות חיסוניות מסוג CRISPR. התוצאות, שהתפרסמו באחרונה בכתב העת Trends in Genetics, היו מפתיעות: מדי פעם הופיעו קסטות המכילות רצפי די-אן-אי שמקורן בחיידק - ולא בנגיפים. מחקר נוסף הוביל להבנה, כי מקורן של קסטות אלו ב"טעות" של המערכת החיסונית, והן גורמות למחלה אוטואימונית בחיידק. כך, לכידת פיסות של די-אן-אי "עצמי" בתוך קסטה חיסונית היא טעות שעבורה משלם החיידק מחיר הרסני: הדי-אן-אי שלו עצמו נחשף להתקפה של מערכת החיסון. "החיידקים נאלצו 'לסגור' את מערכות החיסון הנרכשות שלהם כדי לשרוד", אומר ד"ר שורק. "לא ציפינו למצוא מחלה כזאת בחיידקים - חשבנו שסובלים ממנה רק בעלי חיים גבוהים".

 

ד"ר שורק: "אחזקת מערכת חיסונית מורכבת גובה מחיר, ולכן רק לכמחצית מהחיידקים יש מערכת חיסון נרכשת; ייתכן שהסיכון גבוה מדי עבור היתר. עובדה זו מעניקה לנו מבט חדש על 'מירוץ החימוש' שיצרה האבולוציה המשותפת של הדבקה וחיסון: הנגיפים מתפתחים במהירות כדי להתחמק ממערכת החיסון, וזו משתפרת כדי להתמודד עם הנגיפים. בתחרות המטורפת הזאת קשה יותר ויותר להבדיל בין 'עצמי' לבין 'אחר', והטעויות הן אולי התוצאה הטבעית של המירוץ".

 

"המטרה שלנו כעת", מוסיף ד"ר שורק, "היא להבין כיצד אפשר לגרום באופן מכוון לתופעות אוטואימונית בחיידקים. אם נוכל לחולל מחלות אוטואימוניות בחיידקים גורמי מחלות, הם יהיו פגיעים יותר - דבר שיסייע לנו לסלק אותם מגופינו ביתר קלות. באופן אירוני, אנחנו מתכוונים להשתמש במנגנון ההגנה של החיידק כנשק נגדו - וכך לפתח תרופות אנטיביוטיות חדשות".

 

עוד השתתפו במחקר: ד"ר גיל אמיתי, ליאת קרן ועמרי וורצל.  

הגבול בין דמיון למדע נחצה רק כאשר רעיונות נבחנים ומוכחים בניסויים, מועלים עקב כך בדרגה, והופכים לתפיסה המדעית המקובלת בתחומיהם. כך, בסיועם של מדעני מכון ויצמן למדע, חצו את הגבול הזה, בעבר, "חלקיקים מדומים". עכשיו הצליחו פרופ' מוטי הייבלום ושותפיו למחקר מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון, לראשונה בעולם, להוכיח את קיומם של זרמי אנרגיה הנישאים על-ידי חלקיקים חסרי מטען חשמלי. הוכחה זו מהווה צעד משמעותי במסע הארוך לפיתוחם של מחשבים קוונטיים.

 

 

הכל התחיל בשנת 1982, כאשר הפיסיקאי האמריקאי רוברט לפלין הציע הסבר לתופעה מסוימת (תופעת הול הקוונטית השברית). הוא הציע, שבתנאי המדידה נוצרים בזרם החשמלי מעין מבנים של אלקטרונים המתפקדים כ"חלקיקים מדומים", שכל אחד מהם נושא מטען חשמלי הקטן ממטענו ה"בסיסי" של אלקטרון בודד: שליש ממטען האלקטרון, חמישית ממנו, שביעית ממנו, ואף חלקים קטנים יותר (השם "חלקיקים מדומים" לא צריך להטעות. מכל בחינה מעשית, החלקיקים הללו מתנהגים כחלקיקים אמיתיים לחלוטין). ההוכחה הראשונה לנכונות התיאוריה של לפלין סופקה על-ידי חברי קבוצת המחקר של פרופ' מוטי הייבלום מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע.  הוכחה זו מילאה תפקיד חשוב בהחלטה להעניק לרוברט לפלין, להורסט סטורמר ולדניאל טסואי פרס נובל בפיסיקה לשנת 1998 (על גילוי ומציאת ההסבר לתופעת הול הקוונטית השברית).

 

 

השלב הבא בפלישתם של חלקיקים מדומים לתפיסת העולם שלנו התחולל כאשר ניסויים שבהם נבחנה תופעת הול הקוונטית השברית בתנאים טהורים יותר הצביעו על אפשרות קיומם של חלקיקים מדומים מסוג שונה לחלוטין: כאלה שהמטען החשמלי שלהם יהיה שווה לרבע ממטען האלקטרון (כלומר, המטען השברי הוא, במקרה זה, בעל מכנה זוגי - שלא כמו בחלקיקים המדומים שהציע לפלין, שהמכנה של המטען השברי שלהם הוא אי-זוגי). פרופ' הייבלום וחברי קבוצת המחקר שלו הוכיחו גם את קיומם של החלקיקים המדומים האלה, והצליחו למדוד את מטענם החשמלי, השווה לרבע ממטען האלקטרון.

 

 

באופן כללי, במערכת שבה מתחוללת תופעת הול קוונטית ממקמים אלקטרונים במערכת דו-ממדית (משטח), הנתונה להשפעה של שדה מגנטי חזק. כאשר מזרימים אלקטרונים במערכת זו, כל אלקטרון בודד "שואף" להמשיך ולנוע ישר - אבל השדה המגנטי הפועל על המערכת מטה את מסלולו. כאשר הטיית השדה המגנטי מתאזנת אל מול כוחות הדחייה של האלקטרונים הדוחים זה את זה (בשל העובדה שלכולם מטען חשמלי שלילי), האלקטרונים ה"חדשים" המצטרפים למערכת ימשיכו לנוע בה בקו ישר, על-אף "ניסיונותיו" של השדה המגנטי להטות את מסלולם.

בעוד שהחלקיקים המדומים נעים בכיוון אחד, יש מקרים שבהם התיאוריה שהציעו מספר מדענים כללה תחזית כי חלקיקים מדומים אחרים, שאינם נושאים מטען חשמלי, אלא רק אנרגיה, ינועו בכיוון הפוך. תחזית זו עלתה כבר בשנות ה-90 של המאה הקודמת, אך עקב הקושי למדוד חלקיקים נייטרליים כאלה, קיומם לא הוכח עד למחקר העכשווי שביצעו חברי קבוצת המחקר של פרופ' הייבלום.

 

 

כדי למדוד ולהוכיח את קיומם של החלקיקים המדומים הנייטרליים, נושאי האנרגיה, בנו המדענים מערכת ניסוי ייחודית שבה הניחו מחסום קוונטי עביר-למחצה על דרכם של החלקיקים האלה. החלקיקים הנייטרליים שהתנגשו במחסום התנפצו וקיבלו מטענים חשמליים חיוביים ושליליים (בהתפלגות אקראית). כך נוצר זרם לא אחיד. התנועה הלא סדירה יצרה רעש חשמלי (ללא זרם ממוצע חשמלי). רעש חשמלי זה נמדד באמצעות מכשירי מדידה רגישים במיוחד. כך הצליחו המדענים להוכיח את קיומם של החלקיקים המדומים הנייטרליים, נושאי האנרגיה.

גילוי החלקיקים הייחודיים האלה סיפק מידע חדש על המצב הקוונטי של המערכת, ולמעשה פתח שדה מחקר חדש שמתמקד בזרימתם של זרמי אנרגיה. למשל, קיומם של זרמי אנרגיה במערכת שבה מתחוללת תופעת הול הקוונטית השברית, שבה נוצרים חלקיקים מדומים בעלי מטען השווה לרבע ממטען האלקטרון, עשוי להצביע על כך שהמערכת מצויה במצב קוונטי לא אבלי (ראו מסגרת), דבר שמשמעותו היא, שמערכת כזאת עשויה לשמש ביט קוונטי, שעליו יוכלו להתבסס מחשבים קוונטיים.

אפשרות חישוב זו עולה מהעובדה, שבמערכת כזאת מתחוללת תופעה חדשה: החלפת מיקומיהם של שני חלקיקים מדומים מעבירה את המערכת כולה למצב קוונטי שונה. היכולת לחולל הבדל מהותי כזה במערכת הוא זה שעשוי לאפשר למערכת זו לתפקד כביט קוונטי, שעשוי לשמש בסיס לפיתוח מחשב קוונטי.   

 

 

 

נילס הנרי אבל נולד בשנת 1803 בנורווגיה, כבנו של כומר עני. הוא לא זכה להכרה הראויה בחייו, ורק לאחר מותו משחפת בגיל 26 התפרסם, בין היתר, בזכות הגדרת סוג של חבורות הנושא את שמו ("חבורות אבליות"). חבורה אבלית מקיימת חילוף סימטרי בין מערכי הכפלה של חבריה. כלומר: התוצאה שתתקבל מהכפלת אל"ף בבי"ת שווה לתוצאה שמתקבלת כאשר מכפילים בי"ת באל"ף.

 

 

 

 

תהליך ההתפתחות של הסרטן למעשה מורכב הרבה יותר מכפי שהערכנו עד כה. מסקנה זו נובעת ממחקר שהובילו מדענים ממכון ויצמן, והתמקד באחד הנושאים ה"חמים" ביותר במחקר העכשווי בביולוגיה: מקטעים זעירים של חומר גנטי הקרויים מיקרו-אר-אן-אי. המדענים גילו יותר מ-20 מולקולות קטנות כאלה פועלות יחד כדי למנוע את גידולו של סרטן. משמעות הדבר היא, שכדי שתא בריא יהפוך לתא סרטני, הוא צריך להתגבר על החסימה המשותפת הזאת.

מולקולות המיקרו-אר-אן-אי, אשר נתגלו בשנות ה-90, ממלאות תפקיד מפתח בשליטה על היווצרות החלבונים. גודלם בסך הכל כ-22 "אותיות גנטיות", אך מולקולות אלה יכולות לחסום גנים שלמים על-ידי כך שהן חוסמות את השליחים הכימיים המעורבים בהפקת החלבונים. "לאחר שהתברר עד כמה חיוניות מולקולות המיקרו-אר-אן-אי לחיי התא, אנחנו צריכים לחשוב מחדש על כל הידוע על בקרת התהליכים בתא", אומר פרופ' יוסף ירדן מהמחלקה לבקרה ביולוגית.

במחקר שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי Science Signaling, בדקו תלמידי המחקר רועי אברהם ואלדמע שושנה-חן ממעבדתו של פרופ' ירדן את הקשר בין המיקרו-אר-אן-אי לבין גורם גדילה הקרוי EGF, אשר מורה לתא להתחלק. EGF חיוני לצמיחת הרקמות בזמן ריפוי פצעים ובמהלך ההתפתחות העוברית, אך כאשר משתבש משהו באותותיו, הוא עלול לגרום לתא להתחלק ללא רסן ובכך להוביל לסרטן.

 

להפתעתם הרבה גילו המדענים, כי כאשר מתחבר ה-EGF לתא נורמלי, לא סרטני, הוא גורם כמעט מיד לירידה בכמותן של 23 מולקולות מיקרו-אר-אן-אי, וכי מיד לאחר מכן מופעלים מספר גנים בעלי פוטנציאל סרטני אשר גורמים לתא להתחלק. במילים אחרות, 23 מולקולות מיקרו-אר-אן-אי אלה מעורבות בדרך כלל בחלוקת התא: כאשר יורדות הרמות שלהן בתא באופן זמני, הן מאפשרות ל-EGF לקדם את הצמיחה.

מה שמפתיע ביותר בממצאים אלה הוא הגילוי של פעולה מתוזמנת של מקטעי מיקרו-אר-אן-אי רבים כל כך. נראה, שבמקום "בלם" חזק אחד השולט בפעילותו, יש ל-EGF יותר מעשרים בלמים מיניאטוריים הפועלים יחד כדי למנוע מהתא לעבור חלוקות רבות מדי. דמיינו, למשל, כי במקום בלם יד אחד במכונית, יהיו בה למעלה מעשרים בלמים קטנים על ההגה ועל דוושת הגז.

 

אך מה קורה בעת מחלת הסרטן? אולי התאים הסרטניים מתחילים להתחלק ללא שליטה מפני שהמיקרו-אר-אן-אי אינם חוסמים את ה-EGF כראוי? בבדיקת גידולים ממאירים רגישים ל-EGF שנלקחו מהשד ומהמוח, מצאו המדענים כי הרמות של אותם 23 מיקרו-אר-אן-אי נמוכות באופן חריג.

מחקר זה שופך אור חדש על פעילותן של מולקולות המיקרו-אר-אן-אי, ובכך מבהיר היבטים שונים של הסרטן. הממצאים עשויים לסייע בגילוי או באבחון של הסרטן באמצעות הירידה ברמות המיקרו-אר-אן-אי הקשורים לגידולים סרטניים. יתר על כן, מדידת רמות המיקרו-אר-אן-אי עשויה לתת קנה-מידה לתוקפנותו הביולוגית של הגידול, או לסייע לקבוע האם טיפול כימותרפי מסוים מצליח להתגבר על הסרטן.   

 

 

פיטופלנקטון - יצורים זעירים דמויי צמחים הצפים במי הים - חיוניים לבריאותו של כדור-הארץ. "למרות שהם מהווים רק מחצית האחוז מהביומסה הצמחית הגלובלית, הם אחראים לכמחצית מהפוטוסינתזה המתקיימת על כוכבהלכת שלנו. לכן, למעשה, עלינו להודות לפיטופלנקטון על כל נשימה שנייה שלנו", אומר ד"ר אסף ורדי, שהצטרף באחרונה למחלקה למדעי הצמח במכון ויצמן למדע. האצות החד-תאיות האלה - שמקור שמן הוא במלה היוונית "נדידה" - מהוות את הבסיס למארג המזון הימי: ללא הפיטופלנקטון לא היו חיים באוקיינוסים. מסיבות שאינן מובנות לחלוטין, הריבוי שלהם מואץ מדי פעם, וכתוצאה מכך נוצרות פריחות של אצות (blooms) המכסות מאות ואלפי קילומטרים על פני ימים, אגמים ואוקיינוסים, עד שמתחוללת קריסה מתוזמנת המביאה להיעלמותן. במהלך הפריחות האלה - אותן אפשר לזהות אף בצילומי לוויין מן החלל - הפיטופלנקטון משתווים ליערות הגשם בפעילותם הפוטוסינתטית, כלומר ביכולתם לקלוט פחמן דו-חמצני ולשחרר חמצן. בכ-5% ממיני האצות מלווה הפריחה בתופעות חיוביות פחות: במקרים אלה, הקרויים "גאות אדומה" (red tide), נוצרים רעלנים אשר מסוגלים לפגוע בדגים וביונקים הימיים, וכאשר הם מועברים דרך מארג המזון ומי שתייה - הם מרעילים גם חיות משק ובני-אדם.

שאלה מרכזית שמעסיקה מדענים רבים במקומות שונים בעולם היא, כיצד משפיעים שינויי האקלים - העלייה בטמפרטורה ובריכוזי הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה - על גורל הפריחות באוקיינוסים. שינויי האקלים עשויים להעלות את טמפרטורת מי הים, ובכך לגרום להפחתת הערבול בין שכבות המים - ערבול אשר מסייע באספקת חומרים מזינים חיוניים לאצות. בנוסף, מי שופכין עתירי חנקות, פוספטים ומזהמים אחרים, מגבירים כבר היום את פריחת האצות המזיקות באגמים (למשל בכנרת) ובסמוך לחופים. מחקריו של ד"ר ורדי - אשר מובילים אותו משולחן המעבדה עד לים הפתוח - מנסים ללמוד את הביולוגיה התאית, הגנומיקה והאקולוגיה המורכבת של הפיטופלנקטון. הוא עושה זאת באמצעות מחקר גנטי, שנועד לחשוף תהליכים תאיים אשר באמצעותם מתמודדים יצורים אלה עם סביבה שמשתנה מעת לעת, ומתמקד בתהליכים האחראיים לפריחת האצות ולקריסתן. היצורים המככבים במחקריו כוללים את ה"צורניות" (diatoms) - יצורים בעלי קליפה עשויה חומר דמוי זכוכית (סיליקה), בעלי מיגוון אין-סופי של צורות מורכבות - ואת ה"קוקוליתופורים" (coccolithophores), שהצדף שלהם, אשר עשוי מסידן פחמתי, הופך אותם למשתתפים חיוניים במחזור הפחמן.

במחקרו הבתר-דוקטוריאלי גילו ד"ר ורדי ושותפיו למחקר, שנגיפים אחראים לקריסת פריחת האצות. כאשר בחנו מקרוב את הרצפים הגנטיים של פיטופלנקטון ושל נגיפים, הם גילו מספר ממצאים מפתיעים, אשר הובילו אותם לפתח תיאוריות חדשות באשר לאקולוגיה ולאבולוציה של האורגניזמים האלה. כך, לדוגמה, הם גילו עדויות לקיומו של מנגנון תאי המוביל למוות מתוכנת של תאים (אפופטוזיס). האפופטוזיס מתחולל בכל הסוגים של יצורים רב-תאיים: תאים פגומים או זקנים מוציאים את עצמם להורג, כדי שאורגניזם כולו ימשיך לחיות. מדוע שאורגניזם חד-תאי - כמו הפיטופלנקטון - יתאבד, ומהי המשמעות האקולוגית של התאבדות כזו? תשובה אפשרית אחת היא, שהגנים להתאבדות התא התפתחו ביחד באורגניזם המארח ובנגיף, במטרה למנוע הידבקות והתפשטות של הנגיף, שיגרום למוות המוני של המארח - ובעקבותיו גם למות הנגיף. אפשרות אחרת היא, שהנגיפים מגייסים את מנגנוני האפופטוזיס של התא המארח כדי "לבקוע" ממנו, לאחר שהם מסיימים את תהליך ההתרבות שלהם בתוכו. הסבר זה נתמך על-ידי הגילוי, שנגיפי האצות מכילים גנים ומסלולים ביוכימיים שנראו קודם לכן רק באורגניזמים מארחים. ואכן, הגנום שלהם הוא בין הגדולים שהתגלו עד היום בנגיפים, וכולל 500 גנים (לעומת, לדוגמה, תשעה גנים שמכיל נגיף ה-HIV).

קיימת אפשרות נוספת: ייתכן כי תהליכים אבולוציוניים הובילו את הפיטופלנקטון לפתח מנגנוני עמידות בפני הידבקות בנגיפים, ברמת האוכלוסייה. כלומר, במקום מקרה של תא המקריב את עצמו למען היצור השלם, היצור החד-תאי מקריב את עצמו למען ה"קהילה" כולה. בעבר כבר גילו מדענים, כי מספר סוגים של מיקרו-אורגניזמים משתתפים בפעילות קבוצתית מורכבת, תוך שהם מתקשרים זה עם זה באמצעות אותות כימיים. כעת מחפש ד"ר ורדי עדויות לקיומם של אותות כאלה בפיטופלנקטון, ומבודד את חומרים האחראיים לתקשורת ולקביעת גורל התא - להם הוא קורא "אינפו-כימיקלים (infochemical). כמה מהחומרים שזיהה - חלקם מיוצרים בפיטופלנקטון וחלקם בנגיפים - מופיעים רק בשלבים מסוימים של תהליך ההידבקות. "אנחנו משתמשים בחומרים האלה כסמנים ביולוגיים (ביו-מרקרים), לצורך הבנה ובה יותר של יחסי גומלין ביולוגיים באוקיינוסים", הוא אומר. "הסמנים מאפשרים לעקוב אחר מצבן של אוכלוסיות הפיטופלנקטון באוקיינוסים, לזהות את תהליך ההידבקות בזמן אמת, ואת השפעתו על מארג המזון". כך, לדוגמה, במחקר שביצע באחרונה בפיורדים שבחופי נורווגיה הצליח ד"ר ורדי לגרום להופעת פריחה כזאת בתנאים מבוקרים, והשתמש במתקנים ובאמצעים מיוחדים כדי לחקור את יחסי הנגיף והמאכסן במהלך פריחת האצות. סוגים אחרים של אינפו-כימיקלים עשויים לשמש את הפיטופלנקטון כדי הגן על עצמו מפני מיקרו-אורגניזמים ימיים מתחרים - בדומה לאופן פעולתן של אנטיביוטיקות. ד"ר ורדי סבור, שאף רעלני ה"גאות האדומה" עשויים להיות סוג של אינפו-כימיקל: "ייתכן שהפיטופלנקטון משתמשים בחומרים האלה כאמצעי תקשורת וכסמן לעקה סביבתית, במטרה להתאים את עצמם לתנאים משתנים". זיהוי אינפו-כימיקלים יאפשר בקרה ביולוגית על פריחות הרעילות על-ידי שיבוש מסלולי התקשורת בין האצות באמצעות חומרים טבעיים שהם מייצרים.

הבנה מדויקת של מרכיבי האיזון הביולוגי היא שלב חיוני בניסיונותינו להשיב את האיזון על כנו, אך למחקר כזה יכולות להיות גם השלכות צפויות פחות. למשל, האינפו-כימיקלים שגורמים לאפופטוזיס עשויים לשמש לטיפולים עתידיים נגד סרטן, או כתרופות אנטי-נגיפיות חדשות. בנוסף, פיענוח הרצפים הגנטיים של פיטופלנקטון בעלי קליפה מורכבת מבחינת ארכיטקטונית - כמו אלה שחוקר ד"ר ורדי - עשוי לספק מידע שימושי למדענים בתחומים נוספים, כמו חוקרי ננו-טכנולוגיה אשר מעוניינים לחקות את העיצוב של מבנים כאלה, או חוקרים העוסקים בפיתוח דלקים ביולוגיים אשר מבוססים על אצות, שמחפשים גנים שיגדילו את כמות השמנים שמייצרת האצה.

 

 

אסף ורדי נולד בחיפה ולמד באוניברסיטה העברית בירושלים. לאחר קבלת תואר שלישי באקולוגיה מולקולרית בשנת 2004, יצא למחקר בתר-דוקטוריאלי ב- Ecole Normale Superieure שבפאריס, ובאוניברסיטת רטגרס שבניו ג'רזי. בשנת 2010 הצטרף למכון ויצמן למדע.

ד"ר ורדי נשוי לאמנית ניבי אלרואי, אשר מקבלת השראה ממושגים ביולוגיים מהמחקר המדעי שלו - כמו אפופטוזיס ותקשורת בין-תאית - ומעניקה להם פרשנות מחודשת בעבודותיה. באחרונה שיתפו השניים פעולה בכתיבת ספר ילדים שמסביר עקרונות ותהליכים אקולוגיים באמצעות הצגת חיי מיקרו-אורגניזמים בטיפה של מי ים.