<div>
Science Feature Articles</div>

Saving Up Sunshine

עברית
 

One of the unsolved technical challenges holding back the global use of such renewable energy resources as solar or wind is that they’re not always able to deliver power when and where it’s needed. There’s plenty of sun and wind – enough to run all the factories, computers and air conditioners in the world; but supplying that energy on demand is still problematic.

If only we had a way to save the sun’s energy for a rainy day. Coal, for instance, is a form of stored energy: It can be burned at will to create steam, which, in turn, produces electricity. In contrast, solar panels and windmills convert sunshine and wind directly to electricity – useful for powering our homes, but hard to stockpile. Many solutions have been proposed, but most (oversized batteries, for example, or pumping large quantities of water uphill) remain expensive, unwieldy or impractical in other ways. One promising avenue that scientists have been exploring is that of converting the energy obtained from the sun or wind into a form that can be stored, transported and burned at a later date. In the 1980s and 1990s, Weizmann scientists began pursuing methods for storing solar energy in chemical bonds, using highly concentrated solar energy created in the Institute’s solar tower (thermochemical heat pipe).

Now, Prof. Igor Lubomirsky of the Institute’s Materials and Interfaces Department in the Faculty of Chemistry has come up with a novel alternative for converting solar energy into fuel. What’s more, his method is comparatively inexpensive, produces no environmentally hazardous waste and is very efficient. Rather than coal (which takes millions of years to be created and emits pollutants when burned), the new method produces carbon monoxide (CO) – a non-corrosive gas that can be burned directly in turbines or generators, or converted on-site into liquid fuel. Although it’s toxic in high concentrations, CO has been used for over a hundred years as an intermediate chemical product; tens of millions of tons are synthesized each year from coal or wood in one of the most developed of industrial processes.

In Lubomirsky’s approach, the CO is generated from CO2 in a relatively straightforward chemical process using a setup that’s something like a large, hot battery. Inside a special cell, a chemical compound is heated to around 900°C and an electric current is passed through the compound. When CO2 is continuously fed into the cell, the result is pure CO and oxygen.

“CO could be produced right at the smokestack of a power plant or other CO2 source,” says Lubomirsky, “so the greenhouse gases released from the plant would be removed and recycled before they have a chance to hit the atmosphere. The metal used in the process is off-the-shelf titanium, which is many times cheaper and more available than such precious metals as platinum that are often used in similar devices.” Other advantages of the method include a thermodynamic efficiency of over 85% (not counting the energy needed to heat the system), which is almost unheard of in the world of energy conversion, and the ease of transporting and burning CO.

Lubomirsky: “In the future, this method might be used to harvest solar or wind energy in places where it’s plentiful, convert it to CO and store or convert it into a liquid fuel such as methanol. This research is 100% the fruit of Weizmann Institute scientists and resources, especially the Institute’s Alternative Energy Research Initiative (AERI), which supports a number of important research projects in the field.”

Yeda, Ltd., the technology transfer arm of the Weizmann Institute, has applied for a patent for the method, and preliminary tests are planned for the near future.

Prof. Igor Lubomirsky’s research is supported by the Nancy and Stephen Grand Research Center for Sensors
and Security; the Phyllis and Joseph Gurwin Fund for Scientific Advancement; Yossie Hollander, Israel; Martin Kushner Schnur, Mexico; Rowland Schaefer, New York; and the Wolfson Family Charitable Trust.

Freeze and Heat

Can one freeze water by heating it? In research that recently appeared in Science, Lubomirsky, working with then research student David Ehre and Prof. Meir Lahav, demonstrated that water can turn solid at different temperatures, depending on the electric charge of the surface underneath. By creating conditions for the charge to be reversed, they found that ice could even form as the surface heated up.

The experiment was based on a long-standing conjecture that an electric charge could promote freezing by causing the water molecules to align with the charge. When water freezes at 0° Celsius, the ice crystals start to coalesce around dust particles or other impurities. But so-called super-cooled water, such as that in high clouds, can stay liquid well below the freezing point if nothing sets off crystallization. Testing the theory was problematic, however, as materials that hold a charge – mostly metals – also act as nuclei for ice formation.

The team solved the problem by placing the water on a special surface made of pyroelectric crystals; these can carry a charge when heated or cooled, but do not provide a nucleus for ice crystals. To their surprise, they found that whereas on a positively charged surface, the water froze at -7°C and on the uncharged surface at -12.5°C; on the negatively charged material, it only turned to ice at -18°C. When they put liquid water on the negatively charged surface, the water turned to ice when that surface was heated from -11°C to -8°C.

 
עברית

Capturing Cancer

עברית
(l-r) Marco Cortesi, Dr. Rachel Chechik, Prof. Amos Breskin and Dr. Sana Shilstein. Using medical intelligence
 

(l-r) Marco Cortesi, Dr. Rachel Chechik, Prof. Amos Breskin and Dr. Sana Shilstein. Using medical intelligence

 

Military intelligence enables us to prepare for untoward events, improving our chances of curbing them. Likewise, “medical intelligence” – the early diagnosis of diseases, including cancer – can buy information and time, crucial factors that can significantly increase chances of recovery. For this reason, scientists all over the world are striving to develop advanced methods for the early diagnosis of cancer.

Prostate cancer is the second most common lethal cancer in men over 60, claiming a quarter of a million lives worldwide each year. There is a need for new methods that can provide reliable and sensitive early detection. Currently, recommended screening for prostate cancer is based on a combination of digital rectal examination, ultrasound and testing the amount of a prostate protein, PSA, in the blood. But these methods are neither sensitive nor reliable enough: Often the tests fail to sound the alarm bells, leaving the cancer to grow undetected, while in a considerable number of cases the tests set off false alarms, flagging benign and non-malignant conditions as potentially cancerous. In addition, these screening tests do not provide information about the exact size or location of the tumor and, worse, they are unable to determine the aggressiveness or clinical stage of the tumor. As a result, many older men are referred for biopsies, which, in as many as three out of four cases, prove negative (though even biopsies can produce false negatives). Because a biopsy is a painful and costly procedure, many scientists worldwide are searching for a non-invasive alternative.

Prof. Amos Breskin and Dr. Rachel Chechik, together with Dr. Sana Shilstein and research student Marco Cortesi of the Weizmann Institute’s Particle Physics and Astrophysics Department, in collaboration with Dr. David Vartsky of Soreq NRC, have recently developed a new concept for prostate cancer diagnosis. The method, which begins by detecting prostate zinc levels with X rays, is presently being tested in clinical trials in collaboration with Prof. Jacob Ramon and Drs. Eduard Fridman, Gil Raviv, Alexander Volkov and Nir Kleinman of Sheba Medical Center, Tel Hashomer; as well as Drs. Evyatar Moriel, Monica Huszar, Gabriel Kogan and Valery Gladysh of Kaplan Medical Center, Rehovot.

The method derives from three-decade-old observations that the concentration of zinc – an element found naturally and abundantly in healthy prostatic tissue – is low in the prostates of men suffering from advanced prostate cancer. The last decade has brought further insight into the role of zinc in the prostate; it’s involved, among other things, in the secretion of citrate-rich prostatic fluid.

The research team wanted to know whether a prostate zinc deficiency could be identified in earlier stages of cancer. They performed a clinical study on about 600 patients who had been referred for biopsies. They then measured the concentration of zinc in the biopsy samples using X-ray-based elemental analysis and compared the results with zinc levels in the blood. The results, which were published in The Prostate, not only showed that lowered levels of zinc in malignant prostate tissue could be detected at very early stages of the disease, they also showed, for the first time, that zinc depletion is positively correlated with tumor aggressiveness: The more aggressive the tumor, the greater the zinc depletion. In contrast, the benign tissue surrounding the tumor contained normal zinc levels. These three findings imply that mapping zinc in the prostate might be a useful way of pinpointing the exact location of a tumor and gauging its aggressiveness.

In a subsequent study, published in Physics in Medicine and Biology, the researchers tested whether images of prostatic zinc concentrations could potentially be used in a non-invasive X-ray-screening method. The method was assessed on the basis of computer-simulated images, using zinc concentration values obtained from the clinical trials. By analyzing the images and revealing the regions of depleted zinc, the researchers could not only classify an area as cancerous or benign but also determine the aggressiveness of the cancer as well as its dimensions and location within the prostate gland.

On the basis of these results, the team has launched an R&D program to promote the development of a non-invasive, transrectal probe that will generate zinc maps of the prostate gland through X-ray imaging.

Chechik: “Although it’s a few years away from production, we hope that the probe will be able to grade the aggressiveness of the tumor as well as indicate whether the cancer might have proliferated to areas outside the prostate gland. This information will help physicians decide whether a biopsy should be performed and significantly increase the sensitivity and accuracy of the biopsy.” Breskin: “The method is designed to help, in the future, in clinical decision making, as well as to be used to guide focal treatments. At the post-treatment stage, the probe could be an effective, non-invasive follow-up tool.”
 

Prof. Amos Breskin’s research is supported by the Helen and Martin Kimmel Center for Archaeological Science. Prof. Breskin is the incumbent of the Walter P. Reuther Chair of Research in Peaceful Uses of Atomic Energy.

 
עברית

הכי חם שיש

עברית
 מימין (עומדים): יוסוקה וואטנבה ופראקאר גארג. (יושבים): פרופ' יצחק צרויה, ד"ר איליה רבינוביץ, דיפאלי שרמה, ד"ר אלכסנדר מילוב, ד"ר מיכאל מאקק.

 

 
 
מיקרו-שניות בודדות אחרי המפץ הגדול התמלא היקום בפלסמה - מעין מרק חם של חלקיקים יסודיים הקרויים קוורקים וגלואונים. כמה חמים, בדיוק, היו החלקיקים האלה? מדענים העוסקים בשיחזור החומר הבראשיתי סבורים, כי מצאו את התשובה: ארבעה טריליון מעלות צלזיוס או יותר - בערך פי 250,000 מהטמפרטורה במרכז השמש - החום הגבוה ביותר שנוצר אי-פעם במעבדה.
 
בשנת 2005 הצליחה לראשונה קבוצה בין-לאומית של מדענים, שעבדה במאיץ היונים הכבדים (RHIC - Relativistic Heavy Ion Collider) במעבדה הלאומית ברוקהייבן שבניו-יורק, ליצור פלסמת קווארק-גלואון כמו זו שמניחים כי התקיימה בראשית קיומו של היקום. פרופ' יצחק צרויה, מהמחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן למדע, היה חבר בצוות שעבד בגלאי "פניקס" שבמאיץ. באמצעות גלאי זה - שחלקים ממנו פותחו ונבנו במכון ויצמן למדע - זוהו עדויות להשתחררות קוורקים וגלואונים למשך פרק זמן קצר מפרוטונים ומניטרונים שמקורם באטומי זהב. אטומים אלה משוגרים במהירויות גבוהות, מתנגשים אלה באלה, ונקרעים לרסיסים. תוצאות הניסוי הפתיעו את המדענים: הם סברו שהפלסמה תהיה דומה לגז, אבל פלסמת הקווארק-גלואון שנוצרה במאיץ התנהגה דווקא כנוזל מושלם - נוזל שבו החלקיקים משפיעים בעוצמה רבה זה על זה, וזורמים כמעט ללא התנגדות או צמיגות.
 
המאמץ לקבוע את הטמפרטורה של פלסמת הקווארק-גלואון הפך לאתגר שההתמודדות אתו דרשה כמה שנים טובות של עבודה. "כל גוף חם פולט חלקיקי אור, כלומר פוטונים", אומר פרופ' צרויה. "לכן,  אפשר למדוד את טמפרטורת הקוורקים והגלואונים באמצעות הפוטונים שרשמנו. לרוע המזל, פוטונים נפלטים גם מדברים אחרים במהלך ההתנגשויות, והיינו צריכים להחסיר מהתוצאות שלנו את כל הפוטונים ממקורות אחרים. הדבר דרש שליטה מלאה בכל מקורות הרקע לפוטונים במהלך המדידות". ארבעה טריליון מעלות הן טמפרטורה גבוהה די והותר כדי לקרוע את הפרוטונים הניטרונים המצויים בגרעיני אטומי הזהב. המדענים סבורים כי מחוץ למעבדה, טמפרטורות גבוהות כאלה לא נראו ביקום מאז שבריר השנייה הראשון לקיומו. ברגע שאחריו התחיל היקום להתקרר, והקוורקים והגלואונים התאחדו כדי ליצור פרוטונים וניטרונים - אבני היסוד של כל החומרים שאנו מכירים היום.
 
מדעני הצוות במכון ויצמן למדע, שכלל את פרופ' צרויה, ד"ר אלכסנדר מילוב, ד"ר איליה רבינוביץ ועמיתים נוספים, פיתחו ובנו גלאי חדש לפניקס - "גלאי עיוור להדרונים" (Hadron Blind Detector) - שעשוי לספק תוצאות מדויקות יותר. הגלאי הזה "עיוור" לחלקיקים בעלי מסה גבוהה יחסית (הדרונים), אך הוא מזהה את האלקטרונים הקלים יותר, שנפלטים בחום הקיצוני של פלסמת הקוורק-גלואון יחד עם החלקיקים ההפוכים להם, הפוזיטרונים. הגלאי הזה יאפשר למדוד זוגות של אלקטרון-פוזיטרון (שהם פוטונים וירטואליים), תוך הפחתה משמעותית של הפרעות רקע. הגלאי העיוור מופעל זו השנה השנייה, והמדידות המדויקות  שלו - שמטרתן למדוד את הטמפרטורה ותכונות נוספות של החומר הבראשיתי ביקום - הוגדרו כעדיפות ראשונה על-ידי הוועדה המייעצת של המעבדה בברוקהייבן. 
עברית

תשע טבעות

עברית
 
 
ד"ר יעל דיסקין-פוזנר, אורי גדרון וד"ר מיכאל בנדיקוב. אלקטרוניקה אורגנית
 
שרשרות של אטומי פחמן עומדות בבסיס הטכנולוגיה של החברה האנושית המתקדמת. הן מרכיבות את החומרים הפלסטיים, ומצויות בתרופות, במוצרי איפור, בחומרי ציפוי, ובזמן האחרון גם בתאי שמש ובמצגים אלקטרוניים - כיחידות אורגניות הקולטות או פולטות אור. התחום ההולך ומתפתח של האלקטרוניקה האורגנית (כלומר, זו שמשתמשת בשרשרות פחמן) מבוסס על מולקולות ייחודיות עשויות ממספר טבעות הכוללות אטומי פחמן, אשר מסוגלות להוליך חשמל או לתפקד כמוליכים למחצה. יתרונותיהן של שרשרות הפחמן - עלות הייצור הנמוכה שלהן, נוחות השימוש בהן, והאפשרות לבנות מהן התקנים זעירים ולהתאים אותן לשימושים רבים - יצרו להן ביקוש רב. לכן, מדענים מחפשים ללא הרף אחר סוגים חדשים של מולקולות אורגניות בעלות תכונות חשמליות, בעיקר כאלה שעשויות להציע אפשרויות חדשות לתעשיית האלקטרוניקה ולתעשיות נוספות.
 
ד"ר מיכאל בנדיקוב מהמחלקה לכימיה אורגנית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, ותלמיד המחקר מקבוצתו, אורי גדרון, הצליחו לפתח משפחה חדשה של מולקולות אורגניות מוליכות למחצה. "זו באמת הייתה הפתעה", אומר ד"ר בנדיקוב, "במיוחד לנוכח העובדה שמדענים אחרים כבר עשו מאמצים רבים לייצר את המולקולות האלה - ונכשלו. המשימה נחשבה לבלתי-אפשרית".
 
כל המולקולות האורגניות המוליכות חשמל מצייתות לאותו כלל בסיסי: אטומי הפחמן נקשרים זה לזה בקשרים כימיים המסוגלים להתחלף בין קשר יחיד לקשר כפול. בנוסף, אורך השרשרת המינימלי האפשרי הוא שש טבעות - זהו האורך הקטן ביותר המאפשר הולכת חשמל באופן מהימן. בסוג נפוץ אחד של מולקולה אורגנית מוליכה למחצה, כל טבעת בשרשרת מכילה, לצד אטומי הפחמן, גם אטום אחד של גופרית. כימאים שונים ניסו להחליף את הגופרית ביסודות אחרים, בניסיון ליצור מולקולות בעלות תכונות חדשות. אפשרויות ההחלפה מוגבלות למספר קטן של יסודות הסמוכים לגופרית בטבלת היסודות המחזורית. הכימאים סברו כי החמצן - אשר נקשר למולקולות באופן דומה לגופרית - יהווה תחליף קל ופשוט. למרבה הצער, השרשרות שהצליחו לקבל הכילו רק חמש טבעות, או פחות מכך - אורך שאינו מאפשר לשרשרות לתפקד כמוליכים למחצה. כל הניסיונות להפיק שרשרות ארוכות יותר הפיקו מולקולות בלתי-יציבות.
 
יחד עם ד"ר יעל דיסקין-פוזנר, מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, שסייעה בפיענוח המבנה של המולקולות החדשות, הצליחו ד"ר בנדיקוב וגדרון לייצר מולקולות אורגניות מוליכות למחצה המבוססות על חמצן, אשר מכילות תשע טבעות ובכל זאת מצליחות לשמור על יציבותן. תגליתם התפרסמה באחרונה בכתב העת Journal of the American Chemical Society מחקרים ראשוניים של המולקולות האלה מצביעים על מספר תכונות ייחודיות. כך, לדוגמא, הן פלואורוסנטיות - זוהרות בצבעים שונים כשמאירים אותן באור פשוט. בנוסף, הן מסיסות ונוחות לעבודה - תכונות שימושיות ליישומים תעשייתיים רבים.
 
תכונה נוספת של המולקולות החדשות עשויה להיות בעלת ערך רב במיוחד: נראה כי הן ידידותיות לסביבה הרבה יותר מסוגים אחרים של מולקולות אורגניות מוליכות למחצה. ד"ר בנדיקוב סבור, בשלב זה, כי לאחר השימוש הן יתפרקו ביעילות ובתנאים טבעיים, אך נדרשים ניסויים נוספים כדי לבדוק את הנושא. הבסיס להנחה שלו הוא העובדה שגרסאות קצרות יותר של המולקולות האלה קיימות בטבע, והן מתפרקות בתנאים טבעיים. לכן, ייתכן שאפשר להפיק מולקולות כאלה משאריות צמחים, במקום מדלקים מאובנים בלתי-מתחדשים - כפי שנהוג כיום.
 
המולקולות החדשות כבר מעוררות עניין רב בקרב מדענים. בינתיים, ד"ר בנדיקוב וחברי הצוות שלו ממשיכים לחקור אותן, כדי לגלות אילו תפקידים חדשים מסוגלות מולקולות הן מסוגלות לבצע.
 
 
 
כימיה
עברית

שביל קליפות הגרעינים

עברית
 

מימין: יואל רקח, גדעון יקותיאלי, יגאל תלמי ועמוס דה-שליט, לאחר כנס מדעי בבזל, ספטמבר 1949.

הייתי יכול להיות דוקטור לפיסיקה גרעינית
הייתי יכול ללמוד פילוסופיה שנה חמישית
הציעו לי לפתוח מסעדה גדולה עם שיש
הציעו לי לנהל סניף של בנק מקומי
מיליון דולר
 
"מיליון דולר"
מילים, לחן וביצוע: רפי פרסקי
 
לפני 101 שנים הפגיז ארנסט רתרפורד יריעות זהב בקרינת אלפא שמקורה בראדיום. בניסוי התגלה, שהמטען החשמלי באטום ורוב המסה שלו נמצאים בתחום קטן מאוד, פי עשרות אלפים מממדי האטום. כך התגלה גרעין האטום. תוצאות הניסוי הובילו אותו להצעת "המודל הפלנטרי" של מבנה האטום, כגרעין שסביבו נעים אלקטרונים במסילותיהם, בדומה למבנה מערכת השמש, שבה כוכבי-לכת נעים במסילותיהם סביב השמש.
 
מודל, בהקשר זה, הוא תיאוריה באשר למערכת מסוימת בטבע. המודל מתואר ומנוסח באמצעות מערכת משוואות אשר מהווה פישוט מסוים, שכן אין אפשרות לתאר במדויק את מלוא מורכבותה של המערכת. המשוואות צריכות להיות פתירות, והפתרונות חייבים להתאים (בקירוב) לתוצאות של ניסויים או תצפיות. נילס בוהר הבין את הקשיים לקיום ה"המודל הפלנטרי", והצליח להתגבר עליהם באמצעות יישום והרחבה של תורת הקוונטים של מקס פלנק, לתנועת האלקטרונים באטומים. התיאוריה של בוהר איפשרה לחשב ולחזות נכונה את שיעורי האנרגיה ותכונות נוספות של אטומים. עקרון האיסור של וולפגנג פאולי סיפק הסבר לעובדה, שבכל "קליפה" שבה נעים האלקטרונים יכולים להימצא רק מספר מסוים של אלקטרונים. לכן האלקטרונים נעים במערכת של "קליפות" מסביב לגרעין בדומה לקליפות הבצל. עובדה זו היא הבסיס למערכת המחזורית של היסודות.
 
עוד שמונה שנים חלפו, ורתרפורד הציע "ניחוש": בגרעין האטום מצויים, בנוסף לפרוטונים, גם חלקיקים מאסיביים חסרי מטען חשמלי. הוא הציע לכנותם "ניטרונים". כעבור 12 שנים, בשנת 1932, גילו בתם של פייר ומארי קירי, אירן קירי, ובעלה, פרדריק ז'וליו, שאלומה של חלקיקים לא ידועים, הפוגעת בגרעינים של אטומים שונים עשויה לחלץ מהם פרוטונים. הם סברו שהאלומה שהשתמשו בה היא אלומה של קרינת גאמא, אבל ג'יימס צ'דוויק הראה ש"ככל הנראה, מדובר באלומה של ניטרונים, שעליהם דיבר רתרפורד". באותה שנה תאר ורנר הייזנברג את גרעיני האטומים כמורכבים מפרוטונים וניטרונים. כך נולדה הפיסיקה הגרעינית.
 

אנרגיית הקשר

כבר אז היו מכשירים למדידת מסות של גרעינים. ממסות אלה ניתן היה לחשב, לפי נוסחת איינשטיין E=Mc2 את האנרגיות הקושרות את הפרוטונים והניטרונים בגרעין. כבר באותה שנה, על בסיס מדידות אלה, הציע ג'והן ברטלט את מודל הקליפות של הפרוטונים והנייטרונים בגרעין, בדומה לקליפות האלקטרונים באטום. לפי מודל זה הם נעים במסילות מסביב למרכז הגרעין. למרות ההבדל הגדול בין הגרעין לאטום, שבו יש מרכז המפעיל כוחות חשמליים על האלקטרונים, הצליח ברטלט להראות התאמה עם העובדות באשר לגרעינים שבהם עד שמונה פרוטונים וניטרונים.
 
בשנות ה-30 גילה ואלטר אלזסר "מספרי קסם": מספרי הפרוטונים או הניטרונים בגרעינים יציבים במיוחד (2, 8, 20, 28, 50, 82 ו-126). הוא ניסה להסביר את תופעת "מספרי הקסם" באמצעות תיאור מבנה של גרעין המורכב מ"קליפות" שמכילות פרוטונים וניטרונים. פיסיקאים רבים, ובהם גם הישראלי יואל רקח (1965-1909) מהאוניברסיטה העברית בירושלים, ניסו לחשב את האנרגיה של ניטרונים ופרוטונים בגרעין, באמצעות מודל הקליפות. החישובים צלחו במידה מסוימת רק באשר לגרעינים בעלי "מספרי הקסם" הקטנים (2, 8, 20).   
 
בשנת 1936 קיבל המודל "מכת מוות" מידיו של נילס בוהר, שהסתמך על תהליכים גרעיניים שבהם חלקיק שפוגע בגרעין נבלע בו - ולאחר מכן הגרעין פולט קרינת אלפא או גאמא. תופעות אלה סתרו, לדעת רבים, את אפשרות קיומן של "קליפות" בגרעין. במקום זאת, החלו לעלות תיאוריות סטטיסטיות שונות. יואל רקח (שבאחרונה מלאו 100 שנה להולדתו), לא נטש את שיטות החישוב שפיתח לשימוש במודל הקליפות. הוא סבר, שאם השיטות האלה אינן מתאימות לגרעין, אפשר יהיה להשתמש בהן לחישובי אנרגיות של אטומים, ועשה זאת בהצלחה רבה. לימים התברר ששיטות אלה אכן התאימו גם לתיאור תופעות בגרעינים.
 
בשנת 1948 נכנסה לתמונה המורכבת הזאת הפיסיקאית מריה מאייר. היא פירסמה מאמר שבו הראתה, על בסיס של ממצאים מניסויים רבים שבוצעו במקומות שונים בעולם, את הממשות של "מספרי הקסם". כעבור שנה, בעקבות שאלה של אנריקו פרמי, הציעה מריה מאייר את "המודל הקואזי-אטומי", שהוא, למעשה מודל הקליפות. היא טענה, שבין הספין של הפרוטונים והניטרונים (תנע זוויתי פנימי) לבין המסילות שלהם פועלים כוחות חזקים, שאינם פועלים באטומים שלמים. לפיכך, סדר הקליפות בגרעינים שונה מהסדר באטומים, ו"מספרי הקסם" מופיעים  באופן טבעי. במילים אחרות, המודל מתאים למציאות. כך חזר "מודל הקליפות" למרכז הזירה המדעית. אותו הסבר לסדר הקליפות בגרעין הוצע באותו הזמן באופן בלתי-תלוי גם על-ידי הנס ינסן. מאייר וינסן קיבלו על הישגיהם אלה את פרס נובל בפיסיקה.
 
בשנת 1949 נשלחו כמה תלמידי מחקר ישראליים ללימודי דוקטורט בחו"ל. עמם נמנו גם עמוס דה-שליט ויגאל תלמי, שהשלימו את לימודיהם לתואר שני בהנחייתו של יואל רקח. לאחר שהשלימו לימודי דוקטורט בציריך, בהנחיית פאול שרר וולפגנג פאולי, המשיך עמוס דה-שליט למחקר בתר-דוקטוריאלי במכון לטכנולוגיה של מסצ'וסטס MIT, ואילו יגאל תלמי בחר באוניברסיטת פרינסטון.
 
בשנת 1954 חזרו השניים, עם מספר פיסיקאים צעירים נוספים, לארץ, וגילו שממשלת ישראל, שתיכננה להקים מכון למחקר בפיסיקה, נסוגה מהתוכנית. כאן נכנס לתמונה מכון ויצמן למדע, שהזמין את עמוס דה-שליט להקים במסגרתו מחלקה לפיסיקה, ואת שאר החברים להצטרף אליה. "מודל הקליפות" היה אז בגדר חדשות חמות. באמצעותו אפשר היה לקבוע באילו מסלולים יכולים (אם כי לא חייבים) פרוטונים וניטרונים לנוע. כאשר היה מדובר בגרעין שקליפותיו סגורות (מאוכלסות במלואן), אפשר היה, בעזרת המודל, לדעת את מצבו הקוונטי, אבל אי-אפשר היה לחשב את האנרגיה שלו (לשם כך היה צורך לדעת את עוצמת הכוח השיורי של הכוח החזק, שמצמיד את חלקיקי הגרעין אלה לאלה, ומונע את התפזרותם לכל עבר).
 

מצבים קוונטיים

פרופ' יגאל תלמי. מסתכלים בקליפה

כשמדובר בגרעין שבו יש חלקיק אחד (ניטרון או פרוטון) מחוץ לקליפות סגורות (כלומר, במעין התחלה של קליפה חדשה), קשה היה לחשב את אנרגיית היוניזציה, כלומר כמה אנרגיה יש להשקיע, כדי "לתלוש" את החלקיק הזה מהגרעין. אם יש מספר פרוטונים וניטרונים מחוץ לקליפות סגורות, המצב מסובך יותר:  גרעין כזה עשוי להימצא בכמה מצבים קוונטיים, ואי-אפשר לדעת מה מצב היסוד (המצב ה"טבעי") שלו. לשם כך היה צורך לדעת את הכוחות השיוריים הפועלים בין הפרוטונים והניטרונים שנמצאים מחוץ לקליפות הסגורות. אם לא די בזה, המצב הסתבך אפילו עוד יותר: בניסויי פיזור של חלקיקים בודדים התברר, שבטווחים קצרים, הכוחות הפועלים בין החלקיקים חזקים מאוד, ולעיתים אלה כוחות דחייה. תופעה זו לא התאימה לתנועה הבלתי-תלויה של הפרוטונים והניטרונים במסילותיהם. עובדה זו סיבכה עוד יותר את השאלה, מדוע  מודל הקליפות זוכה להצלחה כה רבה. לשאלה זו אין עד היום תשובה מניחה את הדעת. עם זאת, התעוררה בעיה מעשית מאוד: הוברר סופית שאי-אפשר להשתמש במודל הקליפות בכוחות שנמדדו בין חלקיקים בודדים. הכוחות השיוריים שונים מאוד מכוחות אלה, ולא הייתה דרך מדויקת לקבל אותם בחישובים.
 
לשטח הזה נכנסו עמוס דה-שליט, יגאל תלמי וחבריהם במחלקה הצעירה לפיסיקה של מכון ויצמן למדע, שחקרו את מודל הקליפות, בנוסף למחקרים אחרים בפיסיקה גרעינית ובפיסיקה של חלקיקים שהמקור היחיד ליצירתם היה בקרינה הקוסמית.
 
כדי לחשב את אנרגיית הקשר בין הפרוטונים והניטרונים החיצוניים (שמחוץ לקליפות סגורות), ובהיעדר מידע על הכוחות השיוריים, פותחה במכון דרך לקבוע אותם על-פי אנרגיות של גרעינים שנמדדו בניסויים. התברר, שבהרבה מקרים הספיק המידע שהיה קיים על אנרגיות שנמדדו כדי לקבוע כוחות שמהם אפשר היה לחשב בהצלחה אנרגיות של גרעינים רבים, הן במצבי היסוד שלהם והן במצבים מעוררים (חישוב רמות האנרגיה - הספקטרום של גרעין). שימוש בשיטה זו, שפותחה במכון, הוביל ל"ניבויים" מוצלחים, שכמה מהם היו מפתיעים. מכמה מקרים אופייניים אפשר היה להסיק תכונות כלליות של הכוחות השיוריים.
 

עשרה מיליון מצבים

התיאור של השיטה, יחד עם התיאוריה של מודל הקליפות, בהמשך לעבודותיו של יואל רקח, פורסם בספרם של עמוס דה-שליט ויגאל תלמי, Nuclear Shell Theory, בשנת 1963. ספר זה זכה לתפוצה רבה, ונחשב לספר יסוד בין פיסיקאי הגרעין בעולם. שיטת חישוב האנרגיות התקבלה על-ידי הקהילה המדעית העולמית, והיא משמשת כיום לחישובים מסובכים שבהם יש להתחשב במספר מסילות, עד שמספר המצבים האפשריים מגיע לעשרה מיליון ויותר.
"במצבים מורכבים כאלה", אומר פרופ' תלמי, "המודל מספק תוצאות סבירות, וחוזה בקירוב טוב את התוצאות המתקבלות בניסויים. גם בחישובים אלה מתחשבים רק בכוחות השיוריים הפועלים בין שני חלקיקים. אבל עם כל ההצלחה של מודל הקליפות הפשוט, הייתי רוצה להבין מדוע הוא כל כך מוצלח. זו שאלה פתוחה שמחזיקה מעמד עשרות שנים". 
  
 
מימין: יואל רקח, גדעון יקותיאלי, יגאל תלמי ועמוס דה-שליט, לאחר כנס מדעי בבזל, ספטמבר 1949.
חלל ופיסיקה
עברית

ריקוד המכונה

עברית
יתכן כי הפתרון למשבר האנרגיה מצוי ממש מעבר לחלון - בצמחים. הם יצרני המזון וממירי האנרגיה, והם גם האחראים על האיזון האקולוגי באמצעות ויסות הרכב הגזים באטמוספירה. הצמחים המציאו "תאים פוטו-וולטאיים" - אשר מסוגלים לקלוט את אנרגיית השמש ולהמיר אותה בחומר עתיר אנרגיה, שבו הם משתמשים כבדלק - כחלק מהתהליך הקרוי פוטוסינתזה. כמות הפחמן הדו-חמצני השנתית שהצמחים קולטים לצורך תהליך זה עומדת על 300 מיליארד טונות - פי 10 מכל הפחמן הדו-חמצני שמייצר האדם בשנה. מנגנוני הפוטוסינתזה עשויים, אם כן, להוות מפתח לניצול יעיל יותר של המשאבים הטבעיים העומדים לרשותנו, למשל להגברת קצב הצמיחה של גידולים חקלאיים ושל צמחים המשמשים כדלק ביולוגי, כמו אצות. המגבלה העיקרית נעוצה בעובדה שאפילו הצמחים - שהמציאו את התהליך ושיכללו אותו במהלך מיליוני שנות אבולוציה - הגיעו כבר מזמן לקצה גבול יכולתם. הפוטוסינתזה היא תהליך שאינו ממצה את הפוטנציאל הטמון באנרגיית השמש.
 

מימין: אלעד נור, ארן בר אבן וד"ר רון מילוא. אנרגיה חלופית

האם בני-האדם יכולים ללמד את הצמחים כיצד לשפר את תהליך הפוטו-סינתזה? מחקר של ד"ר רון מילוא וחברי קבוצתו, ארן בר-אבן ואלעד נור מהמחלקה למדעי הצמח במכון ויצמן למדע, שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי "רשומות האקדמיה האמריקאית למדעים" (PNAS), רומז כי התשובה לכך עשויה להיות חיובית. ד"ר מילוא משתמש בכלים ובגישות מתחום הביולוגיה המערכתית כדי לחקור היבטים כמותיים של תהליך הפוטוסינתזה במטרה לייעל אותם. עבודתו משלבת שיטות חישוביות-תיאורטיות עם שיטות ניסיוניות, במטרה "לפרק" את המכונה הפוטוסינתטית לרכיביה - אנזימים שנוצרו והותאמו לתפקידם בתהליך אבולוציוני שנמשך מיליוני שנים. באופן זה הוא מקווה ליצור שילובים יעילים יותר של הרכיבים השונים של התהליך.
 
כיצד פועלת המכונה? הצמחים יודעים לקחת אטומי פחמן אי-אורגני המצויים באטמוספירה בצורת גז פחמן דו-חמצני, ולהעביר אותם אל עולם החיים בכך שהם מייצרים מהם מולקולות סוכר – תהליך הקרוי "קיבוע פחמן". המולקולה הפחמנית הראשונית שהם מייצרים מהווה אבן בניין בסיסית לחומרים רבים אחרים, ובנוסף, היא מתפקדת גם כ"סוללה" אוגרת אנרגיה. ייצור הסוכר ממולקולות של פחמן דו-חמצני נעשה באמצעות רצף מעגלי של תהליכים אנזימטיים הקרוי "מעגל קלווין". קיימים גם חיידקים אשר יודעים לקבע פחמן בכששה מסלולים אחרים.
 
המחקר של ד"ר מילוא וחברי קבוצתו בדק אפשרות שימוש בהרכבים של אנזימים שונים, מתוך מאגר של 5,000 אנזימים  מוכרים למדע, והשתמש בהם כברכיבים שאפשר "לגזור ולהדביק" כדי ליצור את המעגל המהיר ביותר (בדומה לאופן בו מחברים רכיבים אלקטרוניים כדי ליצור את המעגל החשמלי המוצלח ביותר). האלגוריתם הממוחשב שפיתחו סורק את כל השילובים האפשריים, כשהוא מתחיל באנזימי המפתח שלוכדים את הפחמן מהאטמוספירה,ומתקדם לאורך השלבים של ייצור מולקולת הסוכר.
 
באופן זה הצליחו המדענים לגלות מערכת תיאורטית שיעילותה עולה פי שניים עד שלושה על זו של הפוטוסינתזה הטבעית. כיום הם עושים ניסיונות ראשונים לייצר את המערכת בפועל, ולבחון את יעילותה במבחנה. ד"ר מילוא: "ממצאים אלה עשויים לפתוח נתיב חדש להתמודדות עם האתגר שבהגדלת ייצור המזון ומקורות האנרגיה המתחדשת, באמצעות שיטות ביו-הנדסיות".
 

מדע במספרים

כמה תאים מצויים בעור של בן-אדם? ומכמה תאי עצב מורכבת קליפת המוח? מהו גודלם של התאים בריאה? נתונים כאלה חשובים לא רק לאספנים של עובדות טריוויה, אלא בעיקר לביולוגים, שבשנים האחרונות נדרשים יותר ויותר "לדבר במספרים". המחקר הכמותי בתחומי מדעי החיים הביולוגיה הולך וכובש לו מקום מרכזי בעולם המחקר האיכותי. עם זאת, הנתונים המספריים הדרושים למדענים לצורך עבודתם מפוזרים במקורות שונים, והנגישות אליהם מסובכת ומחייבת השקעת זמן רב. ד"ר רון מילוא, שנתקל בקשיים האלה במחקרו הבתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת הרווארד, יזם והקים יחד עם עמיתיו, פול יורגנסן ומייק ספרינגר, את האתר Bio Numbers, אשר מרכז נתונים כמותיים הדרושים למדענים. באתר משתמשים מדי חודש יותר מ-3,000 מדענים ותלמידי מחקר מכ-50 מדינות, והוא כולל קרוב ל-5,000 נתונים מספריים על יותר מ-200 בעלי-חיים, צמחים וחיידקים שונים.


אישי

רון מילוא נולד בחיפה בשנת 1975, והתחיל את הקריירה המדעית שלו כבר בגיל 15, כאשר זכה באולימפיאדה הארצית לפיסיקה בשנת 1990. כתלמיד בבית-ספר תיכון השתתף בסדנאותדה-שליט במכון ויצמן למדע, ובשנת 1992 נבחר להשתתף במשלחת מדענים צעירים לכנס בין-לאומי בלונדון. בשנת 1996 קיבל תואר ראשון בהצטיינות בפיסיקה ובמתמטיקה מהאוניברסיטה העברית בירושלים במסגרת תוכנית תלפיות, וכעבור שלוש שנים קיבל תואר שני בהנדסת חשמל מאוניברסיטת תל אביב. לאחר מכן המשיך ללימודי תואר שלישי במעבדתו של פרופ' אורי אלון במכון ויצמן למדע. בשנת 2005 קיבל תואר דוקטור, ולאחר מכן ביצע מחקרים בתר-דוקטוריאליים במכון ויצמן למדע ובאוניברסיטת הרווארד. בשנת 2008 הצטרף למחלקה למדעי הצמח במכון.
 
ד"ר מילוא נשוי להילה, ואב לשתי בנות, גפן בת חמש ויערה בת שנתיים. את עיקר זמנו הפנוי הוא מקדיש לטיולים בארץ ולנגינה במפוחית.
מימין: אלעד נור, ארן בר אבן וד"ר רון מילוא. אנרגיה חלופית
מדעי הסביבה
עברית

קשיי קליטה

עברית
 
 
"אם נשבור מטבע זהב לשניים", אומר ד"ר דן אורון שהצטרף באחרונה למחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, "יהיו לשני החלקים אותן תכונות בסיסיות שיש למטבע המקורי. המצב שונה לגמרי כאשר מדובר בחלקיק זהב שגודלו כמה אלפי אטומים בלבד. במקרה זה, בין היתר, צבעם של החלקים שנשבור ממנו יהיה שונה מזה של החלקיק השלם".
 
אנו רואים צבע כאשר קרני האור נבלעות בעצמים או מוחזרות מהם, אבל כשמדובר בעצמים שגודלם אינו עולה על זה של אורך הגל של האור, מתחוללות תופעות מוזרות. למעשה, כשיורדים למידות הננו (מיליארדית המטר), רוב תכונות החומרים המוכרים לנו משתנות באופן משמעותי. ד"ר אורון חוקר את המאפיינים של ננו-גבישים. הוא מבקש להבין את החוקים השולטים בתכונותיהן של פיסות חומר בגודל מולקולת חלבון, פחות או יותר, ולומד כיצד אפשר ליישם את החוקים והתכונות שלהם. "הכימיה האי-אורגנית המסורתית העניקה לנו מספר מצומצם של מנגנונים ליצירת חומרים חדשים - בעיקר באמצעות שינוי ההרכב הכימי והמבנה הגבישי של החומר. ננו-חלקיקים, שהתכונות שלהם תלויות גם בגודל, בצורה ובמבנה המרחבי, עשויים לפתוח בפנינו אפשרות ליצור מיגוון עצום של חומרים בעלי תכונות שאי-אפשר להגיע אליהן באמצעים אחרים", הוא אומר.
 
מבט חטוף בשתיים מעבודותיו האחרונות של ד"ר אורון מדגים את השימושים האפשריים הרבים של ננו-חלקיקים: באחת, הוא יוצר ננו-חלקיקים ייחודיים אשר מסוגלים להאיר מולקולות מתחת למיקרוסקופ; בשנייה, הננו-חלקיקים מהווים בסיס לסוג חדש של קולט קרינת שמש.

הננו-חלקיקים של ד"ר אורון הם מוליכים למחצה. כשמפריעים להם, למשל, באמצעות פגיעת פוטון (חלקיק אור), גורמים לעירור קצר של אלקטרון, כך שבחומר נשאר "חור" בעל מטען חיובי. כאשר האלקטרון המעורר חוזר אל תוך החור, נפלט אור בצבע מסוים. ומה קורה כשגורמים לעירור של שני אלקטרונים בננו-חלקיק אחד? האם המטענים החשמליים בתוך הננו-גביש פועלים זה על זה? האם הם מושכים או אולי דוחים אחד את השני? ד"ר אורון גילה, כי אפשר לגרום לדחייה חזקה באמצעות הוספת מספר אטומים של יסוד אחר לתוך הננו-חלקיקים. התוספת הזאת יוצרת מעין "כלוב" שלוכד מטען חיובי יחיד, וכך דוחה את המטען השני. במצב זה, האור שנפלט מהחלקיק משנה את צבעו.
 
במיקרוסקופים יכולים ננו-חלקיקים שמשנים את צבעם לשמש לסימון. כיום, לצורך דימות תלת-ממדי, נוהגים להשתמש בסוג מסוים של מיקרוסקופים אשר מבוססים על בליעה בו זמנית של שני פוטונים בסמן המוצמד לעצם המטרה - תא או חלבון. בעקבות זאת פולט הסמן ניצוץ אור קצר. האור הנפלט בתהליך כזה מננו-חלקיקים זעירים, אשר קשורים לתאים או לחלבונים, עשוי להיות יציב ואמין יותר. בנוסף, היכולת לעצב ננו-חלקיק שיפלוט אור בצבע אחד כשפוגע בו הפוטון הראשון, ואור בצבע אחר כשמתרחשת הפגיעה השנייה, מאפשרת, תוך שימוש בשני הצבעים, לשפר את כושר ההפרדה של המיקרוסקופ. אפשרות אחרת, שתוביל אף היא לשיפור דומה, היא לתכנן חלקיק שיפזר אור רק כאשר שני הפוטונים פוגעים בו באותו זמן, תופעה המכונה פיזור לא-ליניארי. "האתגר בייצור סמנים זעירים כל-כך", אומר ד"ר אורון, "הוא הצורך לשלוט בתהליך הייצור כדי להגיע למבנה הדרוש מצד אחד, והצורך בגילוי אותות אופטיים חלשים במיוחד מצד שני. עם זאת, באמצעות תכנון נכון, אפשר, לדוגמא, להתגבר על הירידה ביכולתו של הננו-חלקיק לפזר אור עם הירידה בגודלו". תכנון כזה הוביל באחרונה, ליצירת הננו-חלקיק הקטן ביותר עד כה - גודלו אינו עולה על 15 ננו-מטרים - שניתן למדוד ממנו פיזור אור לא-ליניארי. "הצלחנו למצוא נקודה מסוימת בה הוא עובד טוב פי עשרה בהשוואה לגוש גדול של חומר מאותו סוג", הוא אומר.

מחקר תאי השמש של ד"ר אורון, לעומת זאת, אינו מבוסס על יכולתם של הננו-חלקיקים לפלוט אור, אלא על יכולתם לקלוט את האור. קולטי האור מהדור השלישי, שבהם משתמשים כיום בתאי שמש זולים, מבוססים על חומרי צבע אורגניים (בניגוד לתאים היקרים העשויים מסיליקון). תאים אלה נדרשים לבצע משימה קשה: לקלוט כמויות גדולות של אור במיגוון רחב של אורכי גל, להפריד בין האלקטרון המעורר לבין ה"חור" שהוא משאיר, ואחר כך לקלוט אלקטרון בחזרה, בתהליך החוזר שוב ושוב. רוב הצבעים האורגניים מסוגלים להפריד מטענים בצורה טובה, אך הם מוגבלים בטווח הצבעים שהם קולטים וביציבותהכימית שלהם. לעומת זאת, ננו-חלקיקים מוליכים למחצה מסוגלים לקלוט את אור השמש ברוב אורכי הגל הנראים, אך הם אינם יעילים במיוחד בהפרדת המטענים. ד"ר אורון, בשיתוף עם ד"ר אריה צבן מאוניברסיטת בר-אילן, העלו את הרעיון לחלק את העבודה. הם יצרו התקנים מיקרוסקופיים שבהם הננו-חלקיקים פועלים כמעין אנטנות, אשר מתעלות את אנרגיית השמש אל מולקולות הצבע, שם נעשית הפרדת המטענים. ד"ר אורון סבור, שלאחר מספר שיפורים עשויים קולטי שמש משולבים כאלה להיות יעילים מאוד.


אישיד"ר דן אורון. שאלה של צבע

ד"ר דן אורון נולד ברחובות בשנת 1974 וגדל סמוך למכון ויצמן למדע. "ביליתי הרבה במכון, ומגיל 11 השתתפתי בחוגים שונים ביחידה לפעולות נוער", הוא מספר. הוא השלים את התואר הראשון והשני במסגרת תוכנית "תלפיות". בעבודת המחקר לתואר השני, באוניברסיטת בן-גוריון, חקר אורון את הפיסיקה של העירבול. מחקרו לתואר שלישי בספקטרוסקופיה באמצעות פולסים קצרים של אור נעשה בקבוצתו של פרופ' ירון זילברברג במכון ויצמן למדע. במחקרו הבתר-דוקטוריאלי, במעבדתו של פרופ' אורי בנין באוניברסיטה העברית בירושלים, התחיל ד"ר אורון לעבוד עם ננו-חלקיקים. בשנת 2007 הצטרף כחוקר בכיר למכון ויצמן למדע. 
 
ד"ר דן אורון נשוי לרותי, ואב להילה, בת 7.
ד"ר דן אורון. שאלה של צבע
כימיה
עברית

שמור לי ואשרוף לך

עברית
 
אחד המכשולים שיש להתגבר עליהם בדרך לשימוש נרחב במקורות אנרגיה מתחדשים, כמו אור השמש או רוח, הואהעובדה שאלה לא בהכרח מספקים את האנרגיה בזמן ובמקום שבהם היא נחוצה. קרינת שמש ורוח העומדות לרשותנו יכולות להפעיל את כל המכונות, המזגניםוהמחשבים בעולם - אך אספקת אנרגיה ממקורות אלה בהתאם לדרישה ולצרכים עדיין אינה מעשית, ואינה כדאית.
 
האם יש דרך לשמור את אנרגיית השמש ליום גשום? הפחם, למשל, הוא מקור לאנרגיה אצורה: אפשר לשרוף אותו בכל זמן שרוצים ולייצר קיטור, ומהקיטור להפיק חשמל. לעומת זאת, התאים הסולאריים ותחנות הרוח ממירים את אור השמש ואת הרוח ישירות לחשמל. תהליך זה אמנם שימושי להפעלת מכשירים ביתיים, אבל אי-אפשר לאגור ולנייד אותו.פתרונות רבים הוצעו לבעיה, אך מרביתם(כמו סוללות ענק, או הפיתרון המקובל ביותר - שאיבת כמויות גדולות של מים) הםמוגבלים, יקרים, או מסורבלים. אפשרות מבטיחה שבוחנים מדענים רבים היא המרת האנרגיה שנאספת מהשמש או מהרוח לסוג אנרגיה אחר, שאותו אפשר לאחסן, להוביל ולשרוף בזמן ובמקום הרצויים. בשנות ה-80 וה-90 של המאה ה-20 החלו מדעני מכון ויצמן למדע לחקור דרכים לשמירת אנרגיית שמש בתוך קשרים כימיים עתירי אנרגיה, תוך שהם משתמשים בקרני אור מרוכזות שנוצרו במגדל השמש במכון - שיטה המכונה צינור חום תרמו-כימי.
 
באחרונה פיתח פרופ' איגור לובומירסקי, מהמחלקה לחומרים ופני שטח שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, חלופה ייחודית להמרת אנרגיית שמש לדלק. השיטה החדשה זולה יחסית, יעילה מאוד, ואינה מייצרת פסולת מסוכנת לסביבה. במקום לנצל פחם (שנוצר במשך מיליוני שנה ושריפתו גורמת לפליטת מזהמים), בשיטה החדשה של פרופ' לובומירסקי נוצר גז פחמן חד-חמצני(CO) - שאינו גורם לתהליכי איכול (קורוזיה), ואפשר לשרוף אותו ישירות בטורבינות אובגנרטורים - או להפוך אותו לדלק נוזלי. על אף העובדה שריכוזים גבוהים של הגזהזה רעילים, הפחמן החד-חמצני מצויבשימוש זה יותר מ-100 שנים כתוצר ביניים כימי; עשרות מיליוני טונות של הגז מיוצרים מדי שנה מפחם או מעץ, בתהליך תעשייתי מוכר היטב.
 
בשיטה שמציע פרופ' לובומירסקי מייצרים פחמן חד-חמצני מפחמן דו-חמצני(CO2) - במקום מעץ או מפחם - בתהליך כימי פשוט, יחסית, באמצעות מערכת הדומה לסוללה גדולה וחמה. בתוך תא מיוחד, מחומם חומר כימי (טיטניום) לחום של 900 מעלות צלזיוס, וזרם חשמל מוזרם דרכו. בתנאים אלה,הפחמן הדו-חמצני המוחדר באופן רציף לתא מתפרק לפחמן חד-חמצני ולחמצן.
 
ד"ר איגור לובומירסקי. מתחמם"יתכן שאפשר יהיה לייצר פחמן חד-חמצני בצמוד לארובות של תחנות כוח,או כל מקור אחר לפחמן דו-חמצני מזהם" אומר פרופ' לובומירסקי, "כך שגזי החממה הנפלטים מהארובה יסולקו ויעברו מיחזור עוד לפני כניסתם לאטמוספירה. המתכת שבה אנו משתמשים היא טיטניום, חומר סטנדרטי, זול, ונגיש פי כמה מהמתכות היקרות, דוגמת פלטינה, בהן משתמשים בהתקנים דומים אחרים". יתרונות נוספים לשיטה החדשה כוללים יעילות תרמית של יותר מ-85% (לא כולל האנרגיה הדרושה לחימום המערכת( יעילות גבוהה הרבה יותר משל מערכות אחרות להמרת אנרגיה, והקלות בה אפשר להוביל את הגז ולשרוף אותו. פרופ' לובומירסקי: "בעתיד, ייתכן שישתמשו בשיטה הזאת כדי לקלוט אנרגיית שמש או רוחבמקומות בהם הם מצויים בשפע, להמיר אותה לפחמן חד-חמצני שיאוחסן או יומר לדלק נוזלי כמו מתנול. המחקר הזה הוא כולו תוצר של היוזמה למחקר אנרגיה חלופית במכון ויצמן למדע(AERI). יוזמה זו מאפשרת למכון לתמוך במספר מחקרים חשוביםבתחום".
 
חברת "ידע מחקר ופיתוח", המקדמת פיתוח יישומים על-בסיס המצאותיהם של מדעני מכון ויצמן למדע, הגישה בקשה לרישום פטנט על התהליך. רישיונות הפיתוח הוענקו לחברתCampus-Tech מקבוצתClal Industries and Investments, ולקבוצתArte Venture. ניסויים ראשוניים מתוכננים לעתיד הקרוב.
 

חם, מתחמם, קפוא

האם אפשר להקפיא מים באמצעות חימום? מדעני מכון ויצמן גילו באחרונה, כי מים יכולים להפוך מנוזל למוצק בטמפרטורות שונות, בהתאם למטעןהחשמלי של המשטח עליו הם מונחים. באמצעות יצירת תנאים הגורמים להפיכת המטען החשמלי, גרמו המדענים להיווצרות קרח בזמן שהמשטח דווקא התחמם. ממצאים אלה פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי.Science 
 
פרופ' איגור לובומירסקי, תלמיד המחקר (אז) דוד אהרה, תלמיד המחקר איתי לברט-אופיר, ופרופ' מאיר להב מהמחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, ביססו את הניסוי שלהם על השערה ותיקה, הטוענת שמטען חשמלי מסוגל לעודד הקפאה בכך שהוא גורם למולקולות המים להסתדר בשורה "עורפית" בהתאם למטענן. עם זאת, חוקרים התקשו עד כה למצוא דרך טובה לבדוק את ההשערה, מכיוון שרוב החומרים הנושאים מטען - בעיקר מתכות - משמשים גם כמוקדים (גרעינים) לייצור גבישי קרח: כשמים קופאים בטמפרטורה של אפס מעלות צלזיוס, גבישי הקרחמתחילים להתגבש מסביב לחלקיקי אבקאו לזיהומים אחרים. אבל מים במצב "קירור-על", כמו אלה שנמצאים בעננים גבוהים, עשויים להישאר במצב נוזלי גםבטמפרטורה נמוכה בהרבה מנקודת הקיפאון, כל עוד אין גורם שיזרז את גיבושם.
 
המדענים מצאו דרך לפתור את הבעיה. הם הזליפו מים על משטח מיוחד עשוי מגבישים פירו-אלקטריים שנושאים מטען כשהם עוברים חימום או קירור, אבל אינם משמשים גרעינים ליצירת גבישי קרח. להפתעתם, הם גילו כי בעוד שעל משטח בעל מטען חיובי המים קופאים בטמפרטורה של שבע מעלות צלזיוס מתחת לאפס, ועל משטח לא טעון בטמפרטורה של 12.5מעלות צלזיוס מתחת לאפס, הרי שעל משטח בעל מטען שלילי, המים הופכים לקרח רק בטמפרטורה נמוכה הרבה יותר: 18 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. לכן, כאשר הניחו החוקרים מים על משטח טעון שלילית שהטמפרטורה שלו היא 11 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, והפכו את המטען לחיובי תוך כדי חימום הטמפרטורה לשמונה מעלות מתחת לאפס, קפאו המים ויצרו קרח (כאמור, על משטח בעל מטען חיובי המים קופאים בטמפרטורה של שבע מעלות צלזיוס מתחת לאפס(.
ד"ר איגור לובומירסקי. מתחמם
כימיה
עברית

אף אחד

עברית
 
 

מימין: פרופ' נועם סובל, ד"ר רפי חדד, ופרופ' דוד הראל. ערוגות הבושם

 

מדעני מכון ויצמן למדע הצליחו ליצור "אף אלקטרוני" אשר מסוגל לחזות את מידת הנעימות שיחוו בני אדם כשיריחו ריחות לא מוכרים. בכך סתרו המדענים את הגישה שלפיה תפיסת הריח תלויה בהעדפות אישיות ובהקשרים תרבותיים. במחקר, שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי PLoS Computational Biology, מראים המדענים, כי מידת הנעימות המלווה ריח מסוים תלויה במבנה המולקולה של חומר הריח, וכי שינויים הנובעים מהעדפות אישיות או תרבותיות מתרחשים רק בהקשרים מסוימים. ממצאים אלה הם בעלי השלכות יישומיות במספר תחומים, ביניהם ניטור ריחות רעים, ניטרול רעלים סביבתיים, וסריקת ריחות לתעשיית הבשמים וחומרי הריח. בנוסף, הם מהווים צעד חשוב נוסף בדרך לפיתוח שיטה להעברה דיגיטלית של ריחות.
 
בעשורים האחרונים פותחו מכשירים המשמשים כ"אפים אלקטרוניים" המסוגלים לחוש ריחות ולזהותם. הרכיב העיקרי באפים אלה הוא מערך של קולטנים (סנסורים) כימיים. כאשר חומר ריח מסוים עובר דרך האף האלקטרוני, התכונות המולקולריות שלו מפעילות את הקולטנים באופן היוצר תבנית אלקטרונית ייחודית - מעין "טביעת אצבע" אופיינית לחומר הריח. כמו כלב גישוש, גם את האף האלקטרוני יש "לאלף" באמצעות דוגמאות ריח, וכך להקנות לו מאגר מידע ראשוני. לאחר מכן יוכל המכשיר לזהות את דוגמאות ריח המוצגות לו באמצעות השוואה של "טביעות האצבע" שלהם לאלה המצויות במאגר. בניגוד לבני-אדם, כאשר מציגים לאף האלקטרוני ריח בלתי-מוכר, שטביעת האצבע שלו לא הוקלטה ונשמרה במאגר, הוא לא יוכל לזהות או לסווג אותו.
 
קבוצת המדענים ממכון ויצמן למדע, שכללה את ד"ר רפי חדד - תלמיד מחקר (אז) בקבוצותיהם של פרופ' נועם סובל מהמחלקה לנוירוביולוגיה ושל פרופ' דוד הראל מהמחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית, וכן את אבבה מדהני מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון, ואת ד"ר יהודה רות מהמרכז הרפואי על-שם אדית וולפסון בחולון, השתמשו בגישה ייחודית כדי לפתור את הבעיה. במקום לאמן את האף האלקטרוני בדרך של הרחת ריחות מסוימים, הם לימדו אותו לקבוע את מיקומו של ריח על-גבי רצף המדרג את מידת הנעימות של הריח. במילים אחרות, הם לימדו את האף האלקטרוני לחזות האם הריח יסווג בצד ה"נעים" של הרצף, בצד ה"לא נעים" שלו, או בכל נקודה ביניהם.
 
לצורך כך אספו המדענים קבוצה של מתנדבים ילידי ישראל, שהתבקשו לדרג את מידת הנעימות של מבחר ריחות על גבי סולם בן 30 יחידות: החל מ"נעים במידה רבה" ועד "בלתי-נעים במידה רבה". על בסיס הנתונים שהתקבלו הם פיתחו "אלגוריתם נעימות" אותו הזינו לאף האלקטרוני, וחזו באמצעותו את מידת הנעימות של מיגוון ריחות חדשים שלא נכללו במאגר המקורי. השוואת הדירוג שעשה האף האלקטרוני לזה שעשתה  קבוצה חדשה של מתנדבים, הצביעה על חפיפה גבוהה - כ-80%. כש"הסתפקו" המדענים בסיווג של הריחות לאחת משתי קטגוריות, "נעים" או "לא נעים", הגיעה רמת הדיוק של האף האלקטרוני ל-99%.
 
כדי לבדוק גם האם תפיסת הריח היא אישית ותלויית-תרבות או כללית ובלתי-תלויה, החליטו המדענים לבדוק את התחזיות של האף האלקטרוני כנגד הדירוג של קבוצת מתנדבים שעלו לישראל מאתיופיה. התוצאות הראו, כי גם במקרה זה מגיע האף האלקטרוני לדירוג דומה לזה שהתקבל על-ידי המתנדבים, למרות שה"תיכנות" שלו נעשה על סמך נתונים שנאספו מילידי ישראל. למרות שריחות שונים הם בעלי משמעות והקשרים שונים בתרבויות השונות, תחזיותיו של האף האלקטרוני מגיעות להישגים דומים. עובדה זו מרמזת על כך שתרבויות שונות חולקות בסיס משותף בתפיסת הנעימות של ריחות.
 
פרופ' נועם סובל: "העובדה שביכולתנו לחזות אם אדם לא מוכר לנו יאהב חומר ריח מסוים, ללא קשר לרקע התרבותי שלו, מעידה על כך שנעימותם של ריחות היא תכונה ביולוגית בסיסית, וכי היבטים מסוימים במבנה המולקולרי של החומר הם הקובעים האם ריחו יהיה נעים או לא". 
 
מהו, אם כן, תפקיד ההשפעה התרבותית? "אנו מאמינים כי רק בהקשרים מסוימים, הרקע התרבותי אכן משפיע על תפיסת הנעימות של ריחות. לדוגמא, רבים תוהים כיצד ייתכן שהצרפתים אוהבים את הריח של גבינות צרפתיות, בעוד שיתר האנשים חושבים כי הריח דוחה. במקרה זה, אנו מאמינים כי הצרפתים אינם סבורים כי מדובר בריח נעים כשלעצמו, אלא שהוא מעיד על איכותה של הגבינה. אם הריח היה מוצג מחוץ להקשרו - כדגימת נוזל בצנצנת - גם הצרפתים היו מדרגים אותו כלא-נעים, כמו כל אדם אחר".
 
ממצאי המדענים - כי תפיסת הריח "מוטבעת" במבנה המולקולרי של חומר הריח, והצלחתם בתכנון אף אלקטרוני המסוגל לסווג ריחות לא מוכרים, יוכלו להוות בסיס לשיטות חדשות לסריקת ריחות ולניטור סביבתי. בעתיד, ייתכן שאפשר יהיה להשתמש בהם כבסיס להעברה דיגיטלית של ריחות - לצורך ליווי סרטים, משחקים וכדומה - ליצירת חוויה חושית מוחשית ושלמה יותר. 

 

 

מימין: פרופ' נועם סובל, ד"ר רפי חדד, ופרופ' דוד הראל. ערוגות הבושם
מדעי החיים
עברית

סיר לחץ

עברית
 
 
מימין (שורה עליונה): ד"ר אלון חן, לימור רגב, עדי נויפלד-כהן, יעל קופרמן, דמיטריי גצלטר. (שורה תחתונה): חזי שטיינברג, שוש גיל, אורנה איסלר, אלי יזרעאלב. מדעי ההתנהגות
 
 
מפגש בלתי-צפוי עם עכבר, או ביקור צפוי אצל רופא שיניים, הם רק שתי דוגמאות בודדות מאינספור מצבי לחץ ומצוקה שאליהם אנחנו נקלעים מעת לעת. תגובת הגוף למצבים כאלה מקיפה קשת רחבה של תופעות: שינויים בנשימה,בזרימת הדם, בפעילות הלב, בהתנהגות - למעשה, כל מערכות הגוף מתגייסות כדי להתמודד  עם האיום. מרכז הפיקוד והשליטה של הפעילות הזו נמצא במוח, המעביר את הוראותיו באמצעות הורמונים ומוליכים עיצביים שונים. עם זאת, פרטי המנגנונים השולטים בתגובת הגוף למצבי לחץ אינם ברורים במלואם, וכן לא ברור כיצד שיבושים במנגנונים אלה גורמים התפתחות של מחלות והפרעות כמו חרדה או דיכאון. ד"ר אלון חן, מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן למדע, חוקר את המנגנונים המוחיים האחראיים להתמודדות הגוף עם מצבי לחץ. במחקר שפירסם באחרונה בכתב-העת המדעי Molecular Psychiatry מדווח ד"ר חן, כי גילה שפגיעה בפעילותם של שני חלבונים מ"משפחה" הקרויה CRF מבטלת את סימני החרדה: עכברים שאינם מבטאים את החלבונים האלה הם בעלי התנהגות שאננה ורגועה - גם כשהם נחשפים למצבי לחץ. 
 
חלבוני CRF ידועים כבעלי תפקיד חשוב בוויסות התגובה למצבי לחץ: במצבים כאלה, משתחררים החלבונים מאיזור מסוים במוח ונקשרים לקולטנים שלהם, המצויים בבלוטת יותרת המוח. בתגובה לכך משחררת הבלוטה הורמון אשר גורם להפרשת קורטיזול - שאחראי ישירות לשינויים המתחוללים בכל מערכות הגוף. בנוסף, משפיעים חלבוני CRF על פעילות המוח עצמו, וגורמים לשינויים בהתנהגות: פחד, ריכוז מוגבר, זיכרון ועוד. מיפוי הגנום האנושי הראה, כי לצד חלבוני CRF פועלים שלושה בני משפחה קרובים - Ucn1, Ucn2 ו-Ucn3 - וכן שני קולטנים, אולם הפרטים המדויקים על אופן פעולתו של המנגנון הזה עדיין אינם ידועים .
 
כדי להבין מהו התפקיד שממלאים שניים מהחלבונים, Ucn1 ו-Ucn2, פיתחו ד"ר חן וחברי קבוצתו - תלמידת המחקר עדי נויפלד-כהן, דימיטרי גטשלטר, טכנאית המעבדה שוש גיל, וד"ר מיכאל צורי - זן של עכברים מהונדסים גנטית שאינם מבטאים את  החלבונים האלה. לאחר מכן בדקו את העכברים המהונדסים במיגוון מבחנים - החל מבדיקות מולקולריות של ביטוי גנים, דרך בדיקות פיסיולוגיות (כמו רמות הורמונים), ועד למבחנים התנהגותיים.
 
ממצאי המחקר הראו כי העכברים המהונדסים, שאינם מייצרים Ucn1 ו-Ucn2, מראים התנהגות חרדתית נמוכה בהרבה בהשוואה לעכברי הביקורת. הפער בין  הקבוצות אף גדל לאחר חשיפת העכברים למצב לחץ. הבדיקות שביצעו המדענים הראו, כצפוי, כי שינויים אלה נובעים משיבוש המנגנון המתחיל בבלוטת יותרת המוח ומסתיים בהפרשת קורטיזול. באופן פחות צפוי, בעכברים המהונדסים נוצרה כמות קטנה  יותר של סרוטונין - הורמון המפעיל מערכת שונה ונפרדת להתמודדות עם מצבי לחץ. גילוי הקשר בין שתי המערכות - זו המופעלת על-ידי סרוטונין וזו המופעלת על-ידי קורטיזול - מציב את משפחת חלבוני CRF בצומת חשוב בוויסות התגובה למצבי לחץ.
 

עושר ואושר

מחקר נוסף של ד"ר חן, שהתפרסם גם הוא בכתב-העת המדעי Molecular Psychiatry, נועד למצוא הסבר לתופעה מוכרת: החיים בסביבה מעניינת, מגוונת ועשירה מפחיתים חרדה ודיכאון. סביבה שכזו יוצרת עמידות בפני מצבי לחץ, ואף תורמת ליצירת תאי מוח חדשים. כיצד זה קורה? ד"ר חן וחברי קבוצתו - תלמידי המחקר חזי שטיינברג, יעל קופרמן ומאיה לבו, והחוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר מיכאל צורי - בדקו עכברים שגודלו בכלובים מיוחדים, אשר תוכננו במכון ויצמן למדע: כלובים גדולים המכילים משחקים ומבנים שונים, בהם מקיימים העכברים חיי חברה פעילים. השוואה של העכברים שגדלו בכלובים  המשופרים לאלה שגדלו בתנאים סטנדרטיים הראתה, כי רמות אחד הקולטנים לחלבון CRF באמיגדלה - איזור במוח המקושר לפחד  ולחרדה - נמוכות אצלם במידה משמעותית. 
 
ד"ר חן: "התגובה למצבי לחץ אמנם נשלטת ברובה מהמוח, אבל היא מפעילה  את כל המערכות בגוף. לכן, קלקול בוויסות התגובה עשוי לגרום למיגוון גדול של מחלות - החל בחרדה ובאנורקסיה נרבוזה, ועד  לסוכרת ולמחלות לב". הבנה מפורטת של המנגנונים המעורבים בתגובה למצבי לחץ, וגישה רחבה המתייחסת לטווח הרחב של היבטי התגובה להם, עשויות לסייע בפיתוח טיפול למחלות ולהפרעות אלה. כמו כן, היא תוכל, אולי, להסביר מדוע אנשים שונים מגיבים באופן שונה למצבי לחץ - תגובה המובילה לעיתים להתפתחות מחלות קשות כמו דיכאון או תסמונת  פוסט-טראומתית.
 

נגיפים בשירות המדע

הזרקת חומרים אל תוך המוח - לצורך מחקר או טיפול רפואי - היא תהליך מסובך לביצוע ובעל חסרונות רבים. במקום זאת, אולי אפשר לגרום למוח לייצר את החומרים האלה בעצמו? רעיון זה עומד בבסיס שיטה חדשה שפיתחו ד"ר אלון חן וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה. על-פי השיטה החדשה מספקים לתאי מוח את ה"תוכניות" ליצירת החלבונים, ומניחים להם לעשות את העבודה בעצמם: ייצור החלבון הרצוי על-פי הצופן הגנטי שבדי-אן-איי המוזרק לתוכם. המדענים ייצרו באמצעות השיטה שני חלבונים שונים, והראו שהיא אכן מדויקת ויעילה.
 
כדי לייצר את החלבונים ולפזר אותם במערכת העצבים המרכזית השתמש ד"ר חן במערכות הייצור וההובלה הטבעיות המשרתות את המוח: "בתי החרושת" הם תאים מסוימים הממוקמים בתוך חדרי המוח, באיזור הקרוי "מקלעת דמים". תאים אלה מייצרים את הנוזל הממלא את חללי המוח (נוזל המוח-שדרה) וכן חלבונים שונים המופרשים לתוכו. דרך נוזל המוח-שדרה מועברים חלבונים אלה אל כל חלקי מערכת העצבים המרכזית, הכוללת את המוח ואת חוט השדרה.
 
מערכת ייצור החלבונים שפיתח ד"ר חן, יחד עם תלמידת המחקר לימור רגב, תלמיד המחקר (אז) אלי יזרעאלב, החוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר ערן גרשון, וטכנאית המעבדה שוש גיל, מבוססת על השיטה המקובלת להחדרת חומר גנטי אל תוך חלל המוח - באמצעות נגיפים מהונדסים. רכיבים גנטיים שונים שהוחדרו לנגיפים אחראיים לבררנות של המערכת (החלבון הרצוי נוצר אך ורק בתאי "מקלעת הדמים"), ולתכונה חיונית נוספת - היכולת להפעיל ולכבות אותה בקלות, לפי הצורך.
 
המערכת החדשה מציעה פתרון לרוב החסרונות של הזרקת חלבונים ישירה: היא חוסכת את התהליך הארוך של ייצור  חלבונים במעבדה, מתגברת על בעיית משך החיים הקצר של החלבונים, ומבטלת או מצמצמת תהליכים טכניים מורכבים נוספים.
 
המערכת עשויה לסייע בבחינת השפעתם של חומרים שונים על פעילות המוח, וייתכן שבעתיד היא תאפשר גם  ייצור מתמשך וממוקד של תרופות למחלות הפוגעות במערכת העצבים המרכזית. בנוסף, היא תאפשר לחקור את תאי מקלעת הדמים. "תאים אלה הם בעלי תפקיד חשוב, ועדיין לא מובן דיו, בוויסות סביבת המוח", אומר ד"ר חן, "הם גם חשודים כמעורבים במחלות ניווניות שונות של מערכת העצבים, כמו אלצהיימר וטרשת נפוצה. המערכת שפיתחנו תסייע ללמוד את הביולוגיה של התאים האלה, ולהבין טוב יותר את מעורבותם במחלות מסוג זה".
 
השיטה תוארה במאמר שפורסם באחרונה בכתב-העת המדעי "רשומות האקדמיה הלאומית למדעים של ארה"ב" (PNAS). חברת "ידע", המקדמת יישומים תעשייתיים על בסיס המצאותיהם של מדעני מכון ויצמן למדע, הגישה בקשה לרישום פטנט על הדרכים ליישומה.
 

בין השמנה ללחץ

החשיפה הגוברת ללחצים בחברה המערבית המודרנית גובה מחיר כבד: הן בשיעור הולך וגדל של הפרעות נפשיות כמו חרדה ודיכאון, והן במחלות מטבוליות (של חילוף חומרים) כמו השמנה, סוכרת מסוג 2, טרשת עורקים ועוד. בשני המקרים מדובר במגיפה עולמית שהולכת ומתרחבת בעשורים האחרונים: על-פי נתוני ארגון הבריאות העולמי, מספר החולים בסוכרת ברחבי העולם צפוי להכפיל את עצמו בשני העשורים הקרובים, ולעמוד על יותר מ-360 מיליון בני-אדם בשנת 2030. הקשר בין חשיפה למצבי לחץ לבין התנהגות חרדתית ושינויים באכילה ברור כמעט מאליו לכל מי שמצא עצמו אוכל כמויות גדולות של שוקולד לפני מבחן חשוב, ונתמך גם במחקרים מדעיים. עם זאת, המנגנונים העומדים בבסיס הקשר הזה אינם ברורים. ד"ר אלון חן וחברות קבוצת המחקר שלו מהמחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן למדע גילו, כי שינוי בפעילותו של גן יחיד באיזור מוגדר במוח מגביר התנהגות חרדתית של  עכברים, ובמקביל גורם לשינויים בחילוף החומרים - כך שהעכברים מפתחים תסמינים אופייניים לסוכרת מסוג 2.
 
התגובה למצבי לחץ כוללת, בין היתר, שינויים התנהגותיים כמו עלייה ברמת החרדה והריכוז, וכן שינויים בחילוף  החומרים, כמו ייצור חום והבדלים בהעדפת מזון. כדי לנסות להבהיר את המנגנון האחראי לתופעות אלה, ביקשהקבוצת המדענים ממכון ויצמן למדע לבחון את מעורבותו של חלבון הקרוי Ucn3 (יורוקורטין 3), אשר ידוע כאחד הגורמים המווסתים את תגובת הגוף למצבי לחץ. החלבון נוצר בתאי עצב באתר מסוים במוח, וייצורו מוגבר בזמני לחץ. שלוחות של תאי עצב אלה מתפקדות כמעין "דרך מהירה" שבה ה-Ucn3 נע ממקום ייצורו אל שני מקומות נפרדים במוח: אחד הוא ההיפותלמוס - איזור במוח האחראי על הבקרה ההורמונלית של הגוף, ובין היתר מווסת את תחושת הרעב והשובע; האתר השני מפקח על ההתנהגות, וקשור בוויסות רמות החרדה. בשני אתרים אלה מצויים קולטנים ייחודיים הנקשרים ל-Ucn3, ובעקבות כך מפעילים את התגובה ההתנהגותית למצבי לחץ.
 
מדעני מכון ויצמן יצרו מערכת גנטית מתקדמת, המאפשרת להשפיע על גן בודד, במיקום מדויק, והשתמשו בה כדי להגביר את כמות ה-Ucn3 הנוצרת באתר מוגדר במוח. הם גילו, כי ייצור מוגבר של החלבון גרם לשינויים בשתי מערכות שונות: הוא הגביר את ההתנהגות החרדתית של העכברים, ובמקביל גרם לשינויים בחילוף החומרים. כך, בין היתר, עכברים שייצרו כמות עודפת של Ucn3  העדיפו להשתמש בסוכרים כדי להפיק אנרגיה, במקום לנצל חומצות שומן, וקצב חילוף החומרים שלהם היה מהיר יותר. בנוסף, עכברים אלה פיתחו תסמינים אופייניים לסוכרת מסוג 2: ירידה ברגישות השרירים לאינסולין, המעכבת את כניסת הסוכר לתאים וגורמת לעלייה ברמת הסוכר בדם. כתוצאה מכך התגבר ייצור האינסולין בלבלב (במטרה לנסות "לפצות" על חוסר התגובה). ממצאי המחקר התפרסמו בכתב-העת המדעי "רשומות האקדמיה האמריקאית למדעים" (PNAS).
 
"הראינו כי שינוי נקודתי בפעילותו של גן יחיד, במיקום מוגדר במוח, מוביל לשינוי בחילוף החומרים בכל הגוף", אומר ד"ר חן. המנגנון שגילו המדענים, המקשר בין מצבי לחץ ברמת המוח לבין התפתחות מחלות מטבוליות, עשוי לאפשר, בעתיד, פיתוח שיטות טיפול במחלות מטבוליות הקשורות במצבי לחץ - כמו השמנה וסוכרת מסוג 2 - באמצעות השפעה על Ucn3 או על הקולטן שלו.
 
במחקר השתתפו תלמידות המחקר יעל קופרמן, אורנה איסלר, לימור רגב, יפעת מוסרי, ענבל נבון ועדי נויפלד-כהן, וטכנאית המעבדה שוש גיל.
 
מימין (שורה עליונה): ד"ר אלון חן, לימור רגב, עדי נויפלד-כהן, יעל קופרמן, דמיטריי גצלטר. (שורה תחתונה): חזי שטיינברג, שוש גיל, אורנה איסלר, אלי יזרעאלב. מדעי ההתנהגות
מדעי החיים
עברית

עמודים