בתי הקברות, כך אומרים, מלאים באנשים שחשבו שאין להם תחליף. המשפט הידוע הזה חל גם בעולמם המיקרוסקופי של הגנים. בשנים האחרונות התברר, שמעט מאוד גנים הם חיוניים להישרדותו של האורגניזם, עד כדי כך שפגיעה בהם עלולה להוביל למות האור-גניזם. הרוב המכריע של הגנים, לעומת זאת, אינם כה חיוניים, והעובדה היא שהאורגניזמים מצליחים לפצות את עצמם בדרך כלשהי על פגיעה בגנים האלה, ואפילו על אובדנם המוחלט.

 

מדובר בתהליך שמזכיר את הדרך שבה מאמן קבוצת כדורגל, למשל, מכשיר כמה משחקניו לאותו תפקיד. בעת שההרכב הפותח של השחקנים עולה למגרש, יושבים המחליפים הפוטנציאליים על הספסל ומחכים לתורם. כאשר אחד משחקני ההרכב הראשון נפצע, או שאינו מתפקד כראוי, המאמן מבצע חילוף, ושולח אל המגרש את אחד מהמחליפים. מובן שהשחקן המחליף אינו זהה לחלוטין לשחקן המקורי, אבל הוא דומה לו, פחות או יותר, ביכולותיו. בדרך זו הקבוצה כולה אינה נפגעת כתוצאה מחוסר תיפקוד של אחד משחקניה. צוות של מדענים ממכון ויצמן למדע מציע תהליך משוב דומה, המאפשר לאורגניזמים לפצות את עצמם על פגיעה או על אובדן של גנים שיש להם "ממלאי מקום".

 

המדענים, ד"ר יצחק (צחי) פלפל ותלמידי המחקר רן כפרי וארן בר-אבן, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, עוסקים במדע חדש הקרוי "ביואינפורמטיקה". מדובר בשילוב של טכניקות וטכנולוגיות של עיבוד נתונים ממוחשב עם מחקרים בתחום הגנטיקה המולקולרית. הביואינפורמטיקה מאפשרת למדענים להתמודד עם השטף העצום של המידע הנובע מפרויקט המיפוי והריצוף של גנום האדם, וכן מפרויקטים דומים למיפוי ולריצוף גנומים של אורגניזמים רבים אחרים. בדרך זו הם מצליחים לזהות מגמות, מבנים ותהליכים מסודרים בסדרי ההתבטאות של גנים (התבטאות של גן משמעותה שהתא מייצר את החלבון שהגן מקודד).

 

מדעני המכון התמקדו במחקריהם בתאי שמרים, המהווים דגם ידוע ומקובל למחקרי גנטיקה. על בסיס מחקרים שבוצעו בשמרים בעבר, המדענים מניחים כי החלק היחסי של גנים שיש להם "מחליפי מקום" מגיע, פחות או יותר, ל-%08 מהגנום של המיקרו-אורגניזם הזה. למעשה, לכל אחד מהגנים הללו יש מספר "ממלאי מקום" פוטנציאליים, המצויים אי-שם בגנום. כמו השחקנים המחליפים בקבוצת כדורגל, גם "ממלאי המקום" הגנטיים הללו אינם זהים לגן המקורי. אלה הם גנים המסוגלים לייצר חלבון שהוא דומה מספיק לחלבון שמייצר הגן המקורי. מדענים רבים סברו ש"ממלאי המקום" הגנטיים הללו מתבטאים יחד עם הגן המקורי בעת ובעונה אחת, כך שביחד הם מספקים לאורגניזם חלבון בכמות הנחוצה. אבל ד"ר פלפל וחברי קבוצת המחקר שלו הצליחו להראות שלמעשה, בעת שהגן "המקורי" מתבטא, האחרים - ממש כמו "שחקני ספסל" - שותקים ואינם פועלים. אבל, אם וכאשר הגן המקורי נפגע, או נמחק, עולים "שחקני הספסל" למגרש ומתחילים להתבטא.

 

כיצד יודעים הגנים "ממלאי המקום" שהגן המקורי אינו מתפקד כראוי ושעליהם להיכנס לפעולה? מדעני המכון ניתחו נתונים שעלו מ-40 מחקרים אשר בוצעו בתאי שמרים, על-ידי מדענים רבים במקומות שונים בעולם. על בסיס ניתוח המידע הזה הם מציעים תהליך משוב הממלא את תפקידו של המאמן בקבוצת כדורגל, ומורה לשחקנים המחליפים מתי להיכנס לפעולה. תהליך משוב זה מתואר במאמר שפרסמו המדענים בכתב העת המדעי "נייצ'ר ג'נטיקס" (ראו מסגרת נפרדת).

 

שאלה נוספת נוגעת לדרך שבה הגנים "ממלאי המקום" שרדו בתהליכי האבולוציה ארוכי הטווח. בקבוצת כדורגל, "שחקן ספסל" שיישב יותר מדי זמן על הספסל ולא ישותף במשחקי הקבוצה, עלול לאבד מכושרו הגופני, וכן את יכולת התגובה שלו וביטחונו העצמי. כתוצאה מכך, הוא עלול לאכזב ולא לתפקד ברגע המכריע, כשהקבוצה תזדקק לו. באותה מידה, גן "ממלא מקום" שלא ייקרא לפעולה זמן רב מדי, עלול להיות מנופה ומסולק מהגנום על-ידי התהליכים האבולוציוניים. כיצד, אם כן, נותרו בגנום כל אותם "שחקני ספסל" גנטיים? מדעני המכון מציעים הסבר המבוסס על העובדה, שכל אחד מהגנים הללו מתאפיין במבנה שונה במעט מהגן המקורי. הייחוד הזה מאפשר ל"ממלא המקום" הגנטי לבצע תפקידים ייחודיים רק לו, דבר שיהפוך אותו לחיוני מספיק כדי שתהליכי הניפוי של האבולוציה יפסחו עליו, הוא יישאר בגנום, ויוכל להציע (ולעיתים גם לספק) את שירותיו כשחקן מחליף.

 

תהליך המשוב המוצע יוצא לדרך עם תיפקודו (או חוסר תיפקודו) של הגן המקורי. החלבון שהגן הזה מייצר אמור להשתמש בחומר גלם מסוים, ולייצר ממנו חומר אחר שהאורגניזם זקוק לו. כאשר הגן תקין, הוא משתמש בכמות גדולה של חומר גלם, כך שכמות חומר הגלם הזמינה קטנה יחסית. אבל, כאשר הגן אינו מתפקד כראוי, ואינו יוצר כמות מספיקה של חלבון (או שהוא יוצר חלבון פגום שאינו מסוגל לבצע את תפקידו), נותרת כמות גדולה יחסית של חומר גלם. חומר הגלם הזה מפעיל חלבונים מיוחדים ("גורמים מאתחלים"), שכל אחד מהם נקשר ל"ממלא מקום" גנטי אחר, ומפעיל אותו. כך, אי-תיפקוד של הגן המקורי גורם לגידול בכמות חומר הגלם, מה שמוביל להפעלת אחד מ"ממלאי המקום" הגנטיים.

 

בדרך זו, הודות ל"שחקני הספסל" הגנטיים, מצליחים האורגניזמים לשרוד בתנאים קשים, ולהתגבר על תקלות ונזקים שנגרמים לרוב הגנים במטען הגנטי שלהם.

 

הקוצים של קיפוד הים מהווים פלא הנדסי. כל קוץ כזה, מבסיסו ועד לחודו, הוא למעשה גביש אחד. כאשר הם נשברים, קוצי קיפוד הים מתפתחים ומשלימים את עצמם בתוך ימיםספורים. צוות של מדענים ממכון ויצמן למדע גילה באחרונה כיצד הם עושים זאת.

 

גבישים - דוגמת גבישים של סוכר ומלח - נוצרים מאטומים או ממולקולות המומסים בנוזל, והם בעלי צורות אופייניות הקבועות מראש. אבל פרופ' ליאה אדדי, פרופ' סטיב ויינר וחברי קבוצות המחקר שלהם במחלקה לביולוגיה מבנית במכון ויצמן למדע, מצאו שקיפוד הים משתמש בשיטה אחרת לגידול הגבישים שמהווים את קוציו. בתחילת התהליך מצוי החומר המשמש לבניית הקוצים בתצורה לא-גבישית הקרויה סידן קרבונט אמורפי (ACC). חבילות של החומר הזה נדחפות מהתאים הנמצאים מסביב לבסיס הקוץ עד למקום השבר, שממנו עתיד הקוץ להתפתח ולהשלים את עצמו. תוך מספר שעות מרגע הגעתו של החומר לנקודה זו הופך ה- ACC הבלתי-גבישי לגביש מאורגן של קלציט היוצר את הקוץ המחודש, דבר שמאפשר לבעל-החיים שליטה בעיצוב הגביש.

 

כדי לעקוב אחר תהליך השקיעה והגיבוש של ה –ACC השתמשו המדענים - ובהם גם תלמידת המחקר יעל פוליטי, ד"ר אוגניה קליין וטלמון ארד מיחידת התשתיות למחקר כימי של מכון ויצמן למדע - בארבע שיטות מחקר שונות, כולל שני סוגים של מיקרוסקופיית אלקטרונים. "טבעי לשאול", אומר פרופ' ויינר, "מדוע היה לנו קשה כל כך לבחון תהליך שנראה לנו בסיסי ביותר, שמדענים חוקרים אותו כבר יותר ממאה שנה. אבל למעשה, מפני שתצורת הACC קיימת באופן זמני בלבד, נדרשנו לפתח דרכים ושיטות חדשות שאיפשרו לנו לפעול בחלון ההזדמנויות הצר יחסית של קיום החומר בתצורתו זו".

 

הצילומים של הקוצים המתחדשים מראים מחטים מיקרוסקופיות שגדלות בתחילה היישר מגדם הקוץ השבור, ואחר-כך מסתעפות כדי ליצור מבנה קשיח, דמוי תחרה, אבל קל. המבנה הגבישי של הקוץ הישן מהווה מעין תבנית שמכתיבה ומבקרת את התארגנות המולקולות של החומר החדש בגביש הגדל והולך.

 

במחקרים קודמים גילו מדעני המכון, ששיטת פעולה זו מיושמת על-ידי רכיכות וקיפודי ים צעירים, המצויים בשלב הזחל, לצורך בניית השלד הפנימי שלהם. אבל במחקר הנוכחי התברר, לראשונה, שגם בעלי-חיים ימיים בוגרים משתמשים בשיטת בנייה זו. אורח החיים של זחל שונה מאוד מזה של בוגר (למשל, הזחל הזעיר של קיפוד הים הוא שקוף, והוא שוחה, לעומת הבוגר העגול והקוצני שחי על קרקעית הים). לכן מפתיע לגלות, ששניהם משתמשים באותה שיטת פעולה. תגלית זו הביאה את פרופ' אדדי ואת פרופ' ויינר להשערה, ששיטה זו מהווה אסטרטגיה בסיסיתהמשותפת למיגוון רחב של יצורים בעלי קוצים וצדפים, כמו הרכיכות והאלמוגים.

 

המדענים אומרים, שהאפשרות לגדל גבישים יחידים מחומר אמורפי עשויה להיות מיושמת לצורך ייצור ועיבוד חומרים סינתטיים מתקדמים בעלי תכונות של גבישים יחידים.
 

 

פול ניומן וטום קרוז, כוכבי "צבע הכסף", אולי לא ידעו זאת, אבל שולחנות ביליארד מייצגים בעיות מתמטיות מורכבות. מתמטיקאים ושחקני ביליארד מנוסים יכולים, אולי, לחשב מראש את המקום שבו יפגע כדור ביליארד הנהדף בפעם הראשונה, או השנייה, מדפנותיו של שולחן ביליארד חסר חיכוך. אבל ככל שמתרבות הפגיעות וההדיפות, הפערים הזעירים שבין זווית הפגיעה החזויה של הכדור לבין המתחולל בפועל, מצטברים ומקשים מאוד על חיזוי מסלולו של הכדור ומקוםפגיעתו בדופן השולחן. בשלב מסוים, הפערים האלה גדלים עד כדי כך שחישוב מסלולו של הכדור נעשה משימה בלתי-אפשרית בשביל בני-אדם, מיומנים ומוכשרים ככל שיהיו.

 

פרופ' ורד רום-קידר, מהמחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית במכון ויצמן למדע, חוקרת את התכונות התיאורטיות של שולחנות ביליארד דמיוניים, ואת המסלולים האפשריים של כדורים הנהדפים שוב ושוב מדפנותיהם. השורשים ההיסטוריים של העיסוק בתכונות המתמטיות של שולחנות ביליארד נעוצים בשלהי המאה ה- 19-, כאשר לודוויג בולצמן טען, שמולקולות גז הכלואות במכל סגור מתנהגות כמו כדורים בתנועה. בדומה לכדורי ביליארד, המולקולות הללו מתנגשות אלה באלה,ומפעם לפעם פוגעות בדפנות המכל ונהדפות מהן. כך, כל אחת ממולקולות הגז נעה במסלול בלתי-יציב ובלתי-ניתן לחיזוי, הייחודי לה. תובנה זו הובילה את בולצמן לניסוח החוק הקרוי על שמו, הקובע שבממוצע, מולקולות גז מתפזרות בחלל נתון בצפיפות שווה.

 

במערכת כאוטית מאוד, כמו הגז של בולצמן, אי-אפשר לחזות את מסלול התנועה של "כדור" בודד, אבל אפשר לנבא את התוצאה הממוצעת למספר גדול של כדורים. לעומת זאת, כדור בודד הנע על פניו של שולחן ביליארד עגול, נע במסלול קבוע החוזר על עצמו שוב ושוב, וניתן לחיזוי בקלות יחסית. למעשה, צורת השולחן ממלאת תפקיד מרכזי בקביעת מסלול תנועתו של הכדור. פרופ' רום-קידר חוקרת, יחד עם פרופ' דימיטרי טורייב מאוניברסיטת בן-גוריון, שולחנות בעלי דפנות קעורות. שולחנות אלה,הקרויים שולחנות פיזור, הם הכללה של דגם פשוט יותר שבו שני דיסקים נעים על שולחן מלבני. תנועת הכדורים בשולחנות אלה היא כאוטית; כלומר, מעבר למספר מסוים של שינויי כיוון אי-אפשר לחזות אותה. פרופ' רום-קידר ופרופ' טורייב חוקרים את השינויים ההופכים מערכות כאוטיות ל"מערכות מעורבות", שבהן "איים של יציבות" (אזורים של מסלולים יציבים החוזרים על עצמם שוב ושוב, ולכן הם ניתנים לחיזוי) מתקיימים לצד אזורים אחרים שבהם מתחוללת תנועה בלתי-יציבה (שאינה ניתנת לחיזוי).

 

המדענים סבורים, שמערכות כאוטיות עשויות להפוך למערכות מעורבות כאשר, למשל, ה"כדורים" אינם פועלים כמו כדורי ביליארד, אלא כמו אלקטרונים או אטומים. חלקיקים אלה נושאים מטענים חשמליים הדוחים זה את זה, דבר שאינו מאפשר להם להתנגש זה בזה. כששני חלקיקים כאלה נעים זה לעומת זה, כוח הדחייה בין המטענים החשמליים שלהם גורם להם לסטות הצידה רגע לפני ההתנגשות. "דרך אחרת לחשוב עלהבעיה", אומרת פרופ' רום-קידר, "היא לתארמערכת בעלת כדור אחד הנע על שולחן ביליארד בעל דפנות גמישות. כדור כזה, במערכת כזאת, מהווה מודל טוב להתנהגותו של אלקטרון הסוטה ממסלול התנגשות עם גוף אחר, כתוצאה מהשפעת כוח הדחייה של המטענים החשמליים שלהם. בפועל, האלקטרון הנמנע מהתנגשות, כמו הכדור הנהדף מהדופן הגמישה של שולחן הביליארד, נע לאורך עקומה חלקה, כתוצאה מקיומו של פוטנציאל חשמלי 'חלק' או 'רך'".

 

פרופ' רום-קידר ופרופ' טורייב הוכיחו, פוטנציאל חלק מאפשר את היווצרותם שלאיי יציבות בשולחנות פיזור. הם גם גילו כיצד הקשיחות או הרכות היחסית של דפנות השולחן משפיעות על גודלם של איי היציבות, המתקיימים כאשר חלק ממסלול הכדור משיק לאחד מקטעי הדופן הקעורים של השולחן. במחקר אחר הם מצאו, שגם קליעת כדורים לפינות השולחן (כל עוד הפינות האלה הן בעלות זוויות מוגדרות וסופיות) עשויה להכניס את הכדור למסלול בלתי-כאוטי ויציב החוזר על עצמו שוב ושוב.

 

במחקרים אלה בחנו המדענים את התנהגותם של כדורי ביליארד הנעים על פניהם של שולחנות דו-ממדיים. בימים אלה, יחד עם תלמידת המחקר אנה רפופורט, הם שואפים לפתח תיאוריה מתמטית שתתאר ותחזה את התנהגותם של מספר אטומיםצ במרחב תלת-ממדי (כלומר, מערכות חלקות בממדים גבוהים יותר). "אם נצליח בזה", אומרת פרופ' רום-קידר, "נתקרב להבנת תקפות החוק של בולצמן".

 

פרופ' ניר דודזון, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, עוסק בקירור אטומים, במטרה ללמוד על תכונותיהם הבסיסיות. באמצעות קרני לייזר הוא הודף את האטומים בזהירות אל תוך מלכודות מיקרוסקופיות אפלות, שאפשר לראותן כשולחנות הביליארד הקטנים בעולם. קירותיהן של המלכודות האפלות הללו עשויים גליאור שהאטומים חוזרים ונהדפים מהם, בדומה לכדורי ביליארד. פרופ' דודזון וחברי קבוצת המחקר שלו ניסו לשפר את הקירות במלכודות האלה, באמצעות שינויים בצורת המלכודת ובעובי קירות האור. אבל האטומים שנלכדו במלכודות התנהגו בדרך לא צפויה: לפני שנהדפו מהקירות, הם חדרו מעט לתוכם, כאילו שהקירות היו עשויים חומר ספוגי.תופעה זו השפיעה על זווית ההדיפה של האטומים, ועל מסלוליהם בהמשך. בשלב זה שמעו הפיסיקאים על עבודתם של פרופ' רום-קידר ופרופ' טורייב בחקר שולחנות ביליארד דמיוניים בעלי דפנות גמישות, שבהם נוצרים איים של יציבות. במבט ראשון נראה היה, שמערכות תיאורטיות אלה עשויות להוות מודל למלכודות האור האפלות של פרופ' דודזון. ואכן, התברר שהנוסחאות שפיתחו המתמטיקאים מסוגלות לנבא כיצד שינויים בעובי ובשיפועי הקירות של מלכודות האור האפלות משפיעים על תנועות האטומים הלכודים בהן. כך קיבלו הפיסיקאים הסבר מתמטי לתצפיות המעשיות שלהם.

 

בהמשך הבחינו הפיסיקאים, כי אטומים שהגיעו לפינות המלכודות נטו לחזור למקוםשבו החלו במסעם. הם סיפרו על התופעה לפרופ' רום-קידר, מה שהוביל אותה ואת פרופ' טורייב לחקירת התנאים לקיומם של איי היציבות בפינותיהם של שולחנות פיזור.

 

סכסוך בין שני מלכים עלול להכניס את נתיניהם למבוך מסובך, מפותל,ולעיתים אפילו קטלני. כך, למשל, כשמינוס מלך כרתים זעם על אגאוס מלך אתונה, הוא אילץ את האתונאים לשלוח אליו מדי שנה שבעה נערים ושבע נערות,שאותם השליך למבוך שבמעמקיו המתיןלהם המינוטאור, שחציו פר וחציו אדם,וזה טרף אותם לתיאבון. מצב העניינים העגוםהזה קיבל תפנית לא צפויה כאשר תזאוס,בנו של מלך אתונה, התנדב להישלח לכרתים.תזאוס האמין שיוכל להרוג את המינוטאור,למצוא את דרכו אל מחוץ למבוך, ולחזור לאתונה, בריא ושלם. למזלו, בעת שהיה בדרכו אל המבוך הבחינה בו אריאדנה, בתו של מינוס מלך כרתים - והתאהבה בו. היא ציידה את תזאוס בחוט שאותו קשר לשער המבוך, ולאחר מכן, עם התקדמותו במעבה המבוך, שיחרר אותו בהדרגה. לאחר שהצליח להרוג את המינוטאור, עקב אחר החוט, וכך הצליח למצוא את דרכו אל מחוץ למבוך.

 

מהסיפור הזה אפשר ללמוד לא מעט לקחים מועילים. למשל, שאם אתה כבר נכנס למבוך, כדאי מאוד שתביא אתך מהבית סליל חוטים, או,לחלופין, שתמצא שיטה שתאפשר לך למצוא את דרכך במבוך.למעשה, עד לאחרונה לא הייתה מוכרת שיטה שכזו, שלא נזקקה לכמות גדולה שלזיכרון, ושלא הסתמכה על האפשרות לבצע סימונים במבוך (כדוגמת השימוש בסליל החוטים). השיטה היעילה היחידה שעמדה לרשותם של הלכודים במבוך התבססה על אקראיות. מתברר, שאפשר להגיע מכל מקום במבוך לכל נקודת יעד רצויה באותו מבוך, כאשר בכל "צומת" שאליו מגיעיםמקבלים החלטה באופן אקראי (למשל,באמצעות הטלת מטבע) לאיזה כיוון לפנות.כאן, פחות או יותר, נכנס לתמונה ד"ר עומר ריינגולד, מהמחלקה למדעי המחשב ולמתמטיקה שימושית במכון ויצמן למדע. ד"ר ריינגולד הצליח באחרונה לפתח דרךדטרמיניסיטית (שאינה מבוססת עלאקראיות) לניווט במבוכים ולהגעה לנקודות רצויות בהם, שהיא חסכונית מאוד בזיכרון.

 

מדוע מדען מחשבים מתעניין במבוכים? מתברר, שמבוך עשוי לשמש דגם לרשת מחשבים, או לרשת של קווי תעופה בין ערים שונות בעולם. למעשה, היכולת למצוא מסלולים במבוכים, או ברשת של דרכים המקשרות ערים שונות, או ברשת של קווי תעופה, היא בעיה חישובית מרכזית שעומדת בבסיסם של חישובים רבים מאוד שבהם - בבסיס העמוק שלהם - חבויים מבוכים. השאלות שמעסיקות את מדעני המחשבים בתחום זה הן: כמה זמן וכמה זיכרון נחוצים כדי לחשב ולמצוא את הדרך מנקודה נתונה לנקודה רצויה בכל מבוך או רשת דרכים. שאלת הזמן הנחוץ נפתרה כבר, למעשה, לפני עשרות שנים. לשאלת הזיכרון הייתה ידועה תשובה חלקית בלבד. האלגוריתם (מתכון פעולה ממוחשב) המבוסס על אקראיות צורך כמות קטנה מאוד של זיכרון. כל הדרוש להפעלתו הוא לזכור את המיקום הנוכחי של "הלכוד" במבוך. אבל כמה זיכרון יידרש להפעלת אלגוריתם לניווט במבוכים שלא יעשה כל שימוש באקראיות? עד לאחרונה, אלגוריתמים דטרמיניסטיים כאלה צרכו משאב יזיכרון גדולים בהרבה בהשוואה למשאבי הזיכרון שצרך האלגוריתם המשתמש באקראיות.אלא שבאחרונה הצליח ד"ר ריינגולד למצוא פתרון לבעיה מרכזית זו, שהעסיקה מדעני מחשב רבים, במקומות שונים בעולם, במשך 35 השנים האחרונות. הוא יצר אלגוריתם דטרמיניסטי לניווט במבוכים, או ברשתות דרכים, שהפעלתו צורכת כמות זיכרון קטנה מאוד, הגדולה רק במעט מזו שצורך האלגוריתם המבוסס על אקראיות. אלגוריתם חדש זה מצייד את תזאוס המודרני, או את התייר המבקש לנווט את דרכו ברשת כבישים לא מוכרת, או את מי שמבקש לתכנן מסלולי טיסה, בספר של הוראות חד-משמעיות,שאם ימלא אותן בקפדנות, יגיע בסופו של התהליך ליעדו. מדובר בהוראות פשוטות ביותר. למשל: בצומת השני פנה ימינה, אחרכך, בפנייה השלישית שמאלה, וכך הלאה. מעניין לציין, כי אותה סדרת הוראות פשוטות מתאימה לכל מבוך ולכל מפת דרכים.

 

האלגוריתם החדש של ד"ר ריינגולד גם מרמז על כך שהשימוש באקראיות כנראה אינו הכרחי כדי לחסוך בזיכרון הדרוש לחישובים. על אף העובדה שהשימוש באקראיות הוא דרך נוחה לתכנון אלגוריתמים, עבודתו המקורית של ד"ר ריינגולד מאפשרת כעת לשער, כי לכל אלגוריתם המשתמש באקראיות ניתן יהיה למצוא אלגוריתם דטרמיניסטי, שיבצע אותן מטלות ולא יצרוך הרבה יותר זיכרון. אלגוריתם זה פותח כיווני מחקר חדשים עבור בעיות בסיסיות רבות הממתינות לפתרונן בתחום מדעי המחשב.

 

כיצד פועל האלגוריתם החדש? ד"ר ריינגולד מציע רדוקציה מפתיעה הנוגדת את האינטואיציה. הצעד הראשון הוא לסבך את המבוך עוד יותר, ולהוסיף לו צמתים ודרכים. הצמתים והדרכים החדשים נבנים בצורה כזו שהמבוך החדש הוא מהסוג הקרוי בפי מדעני המחשב "גרף מרחיב", שמציאת המסלול הרצוי בו יכולה להתבצע תוך שימוש באלגוריתם ידוע ופשוט שאינו צורך זיכרון רב. יחד עם זאת, בניית המבוך המוגדל מתבצעת תוך כדי שמירה על המבנה הבסיסי של המבוך המקורי. כך, כאשר מוצאים את הדרך הרצויה במבוך המוגדל, אפשר לשחזר את הדרך הרצויה במבוך המקורי תוך צריכה מינימלית של זיכרון.

 

 

 

 

 

 

 

 

קח מעט די-אן-אי, קורט ננו-צינורות פחמניים, כמה גבישי זהב זעירים ומשטח סיליקון, ובנה מהם ננו-טרנזיסטור. זה בדיוק מה שעשו חברי קבוצת המחקר של פרופ' רון נעמן מהמחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע. למעשה, הם התחילו את המסע בשלב ראשוני יותר: לקחו ערימה קטנה של פוספטים, סוכרים ונוקליאוטידים, ובנו מהם גדילים של די-אן-אי שתוכננו כך שייצמדו לננו-צינורות פחמניים. לאחר מכן בנו באותה שיטה גדילי די-אן-אי שנצמדו למגעים זעירים עשויים זהב, אשר עוגנו למשטח סיליקון. בשלב הזה עירבבו את שתי הקבוצות האלה, כך שגדילי הדי-אן-אי המחובריםלננו-צינורות העשויים פחמן נצמדו לגדילי הדי-אן-אי המחוברים למגעי הזהב. כך, למעשה, עלה בידיהם ליצור מעין "גשרים" של ננו-צינורות פחמניים שגישרו מעל למשטח הסיליקון, בין מגעי הזהב.

 

היכולת לעצב ננו-גשרים כאלה, בין מגעים של חומר מוליך חשמל (זהב), עשויה להוביל לפיתוח ננו-טרנזיסטורים זעירים שמהם ייתכן שאפשר יהיה, בעתיד, לבנות מעגלים אלקטרוניים זעירים, מהירים ויעילים במיוחד. המדענים סבורים, שייתכן כי בנוסף לכך אפשר יהיה לשלב בהתקנים מולקולות ביולוגיות שיגיבו עם הדי-אן-אי, ובכך ישנו את התנהגותם החשמלית של ההתקנים. ממצאים אלה תוארו במאמר שהמדענים פרסמו בכתב-העת המדעי APPLIED PHYSICS LETTERS. בניסוי זה נוצרו ננו-טרנזיסטורים בכ-10 אחוזים מזוגות מגעי הזהב, אך בימים אלה מחפשים המדענים דרכים לשפר את התוצאות האלה, דבר שעשוי לקדם את אפשרויות היישום של השיטה החדשה.

 

ננו-צינורות עשויים פחמן הם מעין "דפים הבנויים מאטומי פחמן, המגולגלים כך שהם יוצרים צינור דק שקוטרו יכול להיות קטן מננו-מטר אחד. ננו-מטר הוא מיליונית המילימטר, גודל השווה לרוחבם המשותף של 10 אטומי מימן. החומר הגנטי די-אן- אי יוצר גדילים המתלפפים זה סביב זה ונצמדים זה לזה בתצורה המזכירה סולם חבלים. כל "שלב" ב"סולם" הזה בנוי משני נוקליאוטידים, הנבדלים זה מזה על-פי הבסיסים החנקניים הכלולים בהם. סדר ההיצמדות של הנוקליאוטידים קבוע: טימין תמיד נצמד לאדנין, ואילו גואנין תמיד נצמד לציטוזין. כללי הצימוד האלה מאפשרים, למעשה, להנדס רצפים מולקולריים של די-אן-אי שייצמדו זה לזה וייצרו מבנים חדשים. כך גם אפשר להנדס רצף מולקולרי של די- אן-אי שייצמד לננו-צינורות עשויים פחמן. יכולות אלה של הד-אן-אי כבר עמדו במרכז מאמציהם של מדענים רבים ממקומות שונים בעולם ליצור ננו-טרנזיסטורים, אבל כפי שהדברים נראים כיום, השיטה שפיתחו מדעני מכון ויצמן היא המתאימה ביותר, עד כה, לפיתוח יישומים תעשייתיים ולייצור כמויות גדולות של ננו-טרנזיסטורים.