מחקרים

המחקר נערך בהובלת הדוקטורנט אורי נרי בהנחייתו של פרופ' אורי גופנא מבית הספר שמוניס בפקולטה למדעי החיים באוניברסיטת תל אביב. המחקר נעשה בשיתוף עם גופי המחקר "NIH", "JGI" מארה"ב, ומכון פסטר בצרפת. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Cell והוא כלל נתונים שנאספו על ידי יותר ממאה מדענים ברחבי העולם. 

כריית מידע מכל רחבי הגלובוס

החוקרים מסבירים שווירוסים, נגיפים בעברית, הם טפילים גנטיים, משמע שהם מוכרחים להדביק תא חי כדי לשכפל את המידע התורשתי שלהם, לייצר נגיפים חדשים ולהשלים את מחזור ההדבקה שלהם. חלק מהווירוסים הינם מחוללי מחלות העשויים לפגוע בבני אדם (כמו למשל וירוס הקורונה), אם כי רוב רובם המוחלט של הנגיפים אינם מזיקים לנו - חלקם אף חיים בתוך גופנו ואנו כלל לא מודעים לכך.

אורי נרי מסביר שהמחקר כלל שימוש בטכנולוגיות חישוביות חדשות לכריית מידע גנטי שנאסף מאלפי נקודות דיגום שונות ברחבי העולם (אוקיינוסים, אדמה,  ביוב, גייזרים וכד'). החוקרים פיתחו כלי חישובי משוכלל המבדיל בין החומר הגנטי של וירוסי רנ"א לבין זה של המארחים, ובאמצעותו ניתחו את נתוני העתק. התגלית אפשרה לחוקרים לשחזר כיצד לאורך התפתחותם האבולוציונית, עברו הנגיפים תהליכי הסתגלות מגוונים בכדי להתאים עצמם למארחים שונים. 

במסגרת ניתוח הממצאים, החוקרים אף הצליחו לאתר וירוסים החשודים כמדביקים מזיקים שונים, ובכך לפתוח דרך לשימוש בנגיפים לבקרה וטיפול במזיקים. פרופ' גופנא: "המערכת שפיתחנו מאפשרת לבצע ניתוח אבולוציוני מעמיק ולהבין כיצד לאורך ההיסטוריה התפתחו נגיפי הרנ"א השונים. אחת משאלות המפתח בעולם המיקרוביולוגיה היא כיצד ומדוע נגיפים מעבירים ביניהם גנים. זיהינו שלל מקרים בהם החלפת גנים כזאת איפשרה לנגיפים להדביק יצורים חדשים. כמו כן, בהשוואה לנגיפי דנ"א, המגוון והתפקידים של נגיפי הרנ"א במערכות אקולוגיות מיקרוביאליות לא מובן היטב. במחקרנו מצאנו כי נגיפי רנ"א אינם חריגים בנוף האבולוציוני ולמעשה בהיבטים מסוימים אינם כה שונים מנגיפי הדנ"א. זהו פתח רחב למחקר עתידי והבנה טובה יותר כיצד ניתן לרתום נגיפים לשימושנו ברפואה ובחקלאות". 

אם הצטיידת במדריך הטרמפיסט לגלקסיה אבל עדיין לא קיבלת את כל התשובות לכל השאלות בנוגע למרחב ולזמן של היווצרות היקום שלנו - יכול מאוד להיות שהתשובה טמונה במחקר הזה: צוות בינלאומי של אסטרופיזיקאים, בהובלת פרופ' רנן ברקנא מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש סאקלר, הצליח לראשונה לאפיין סטטיסטית את הגלקסיות הראשונות ביקום, שהתגבשו כ-200 מיליון שנה בלבד אחרי המפץ הגדול. לפי התוצאות פורצות הדרך, הגלקסיות הראשונות היו קטנות ועמומות, הן היו יותר אפלות  מהגלקסיות בימינו, והמירו רק פחות  מ-5% מהגז שלהן לכוכבים. כמו כן, הגלקסיות הראשונות לא פלטו קרינת רדיו בעוצמה גבוהה בהרבה מזו שאנו רואים היום.

כשהיקום היה ענן של אטומי מימן

המחקר החדש נערך בשיתוף פעולה עם קבוצת SARAS, בהובלת קבוצת המחקר באוניברסיטת קיימברידג׳ באנגליה של ד"ר אנסטסיה פיאלקוב, שבעצמה הייתה דוקטורנטית של פרופ׳ ברקנא באוניברסיטת תל אביב.  תוצאות המחקר החלוצי פורסמו בכתב העת היוקרתי Nature Astronomy.

"זהו תחום חדש מאוד ומחקר ראשון מסוגו", מסביר פרופ' ברקנא. "אנחנו מנסים להבין את הכוכבים הראשונים ביקום, מה שנקרא 'השחר הקוסמי', כ-200 מיליון שנה אחרי המפץ הגדול. טלסקופ החלל החדש ג'יימס ווב למשל, לא באמת יכול לראות את הכוכבים האלה, אלא מעט גלקסיות בהירות במיוחד מתקופה קצת יותר מאוחרת. השאיפה שלנו היא להצליח לאפיין את כלל אוכלוסיית הכוכבים הראשונים".

לפי המודל המקובל, לפני שכוכבים החלו להתיך יסודות כבדים יותר בליבותיהם, היקום שלנו לא היה אלא ענן של אטומי מימן מהמפץ הגדול (בנוסף לחומר אפל). גם היום רוב היקום מורכב מגז מימן, אלא שביקום המודרני רוב המימן הזה מיונן בשל קרינת הכוכבים.

"אטומי מימן פולטים באופן טבעי קרינה אלקטרומגנטית באורך גל של 21 ס"מ, שזה בתחום הרדיו", אומר פרופ' ברקנא. "מאחר שקרינת הכוכבים שינתה את הקרינה שפלטו אטומי המימן, הרעיון הוא להשתמש במימן כגלאי של הכוכבים הראשונים: אם נצליח לראות את ההשפעה שלהם על המימן, נוכל לדעת מתי הם נולדו, כיצד הם הסתדרו בגלקסיות וכו'. אני מראשוני התיאורטיקנים שפיתחו את הרעיון הזה כבר לפני 20 שנה, אבל מבחינה תצפיתית רק עכשיו מצליחים ליישם אותו. ברחבי העולם יש מספר קבוצות מחקר שמנסות לגלות את אות ה-21 ס"מ של המימן ביקום העתיק".

אות מהעבר

אחת מהקבוצות הללו היא EDGES, המשתמשת באנטנת רדיו קטנה יחסית שמודדת את קרינת הרדיו הממוצעת מכל השמיים ומגיעה מתקופות שונות בשחר הקוסמי. ב-2018 הודיעה קבוצת EDGES כי מצאה את האות של 21 ס"מ מאטומי המימן הקדומים.

"הבעיה שקשה לשכנע שזה אכן הסיגנל של אטומי המימן הראשונים שספגו קרינה מהכוכבים הראשונים, ולא סיגנל מהמוליכות החשמלית של העפר שמתחת לאנטנה", מספר פרופ' ברקנא. "לכן חיכו למדידה עצמאית נוספת שתאשר או תשלול את הממצאים, ובאמת בשנה שעברה ערכו אסטרונומים בהודו ניסוי נוסף בשם SARAS. הפעם האנטנה צפה באגם, כך שהמים ההומוגניים לא יוכלו לייצר הפרעות שייראו כמו הסיגנל, ולפי התוצאות שלהם, יש סיכוי של 95% שהסיגנל של EDGES הוא הפרעה כזאת".

"ב-SARAS בעצם מצאו את החסם העליון של הסיגנל בשמיים, ומצאו שהוא חלש משמעותית מהסיגנל ש-EDGES מצא לכאורה. בהנחה שהמדידה של SARAS טובה ונכונה, בדקנו מהן ההשלכות שלה לגבי הגלקסיות הראשונות, כלומר מה היו התכונות שלהן לפי החסם העליון של הסיגנל. זאת הפעם הראשונה שאנחנו יכולים להגיד שלא הייתה אפשרות לקיומן של גלקסיות מסוג מסוים בתקופה כה מוקדמת".

פרופ' ברקנא מסכם: "הגלקסיות היום, כמו גלקסיית שביל החלב שלנו, פולטות המון גלי רדיו. שמנו חסם עליון ראשון על קצב ייצור הכוכבים בגלקסיות הקדומות, וגם על סך פליטות הרדיו שלהן. וזאת רק ההתחלה. מדי שנה נערכים ניסויים משוכללים יותר וכתוצאה מכך מתפרסמים חסמים יותר ויותר חזקים, בניסיון לקבל תמונה ראשונה של השחר הקוסמי. אנו מקווים שבקרוב יהיו לנו לא רק חסמים אלא גם מדידה מדויקת ואמינה של הסיגנל".

^{פרופ' רנן ברקנא}

המחקר נערך בהובלת צוות החוקרים: ד"ר סווארופ דב, סטודנט המחקר נועם ראב, פרופ' משה גולדשטיין וד"ר משה בן שלום, מבית הספר לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב, ד"ר וואי כאו, פרופ' עודד הוד ופרופ' מיכאל אורבך מבית הספר לכימיה באוניברסיטת תל אביב, ופרופ' ליאור קרוניק ממכון ויצמן למדע. תוצאות המחקר פורסמו בכתב העת היוקרתי Nature.

ד"ר משה בן שלום, ראש המעבדה לחומרים קוונטים שכבתיים בבית הספר לפיזיקה מסביר: "אנחנו סקרנים מאוד לגלות איך אטומים מחליטים להסתדר בחומר, איך האלקטרונים בוחרים להתערבב ביניהם, ואיך אפשר לתמרן את הסדר האטומי והמטען החשמלי מבחוץ. קשה לענות על השאלות האלה בגלל הכמות הגדולה של האטומים והאלקטרונים אפילו בהתקנים המזעריים של היום. אחד הטריקים הוא לחקור גבישים, שכן האטומים שלהם מסודרים במבנה מחזורי, כך שהמידע על כל המערכת נקבע על ידי התכונות של התא המחזורי האחד – שכולל מספר בודד של אטומים ואלקטרונים. ועדיין קשה לנו להבין ולחזות את הסדר שלהם, בגלל שהאלקטרונים נפרסים בו-זמנית על פני כל האטומים והתכונות של המערכת הקוואנטית נקבעות על ידי כל החלקיקים יחד ויחסי הגומלין שביניהם".

החלקטרוניקה

דרך אחת לגלות את סדר האטומים ואת התפלגות המטען החשמלי היא לשבור את הסימטריה של המבנה, כך שייווצר שדה חשמלי פנימי קבוע בגביש. גבישים אלו נקראים "פולאריים" או מקוטבים. ב-2020 יצרה המעבדה של ד"ר בן שלום גביש מקוטב חדש על ידי הדבקה של שתי שכבות זהות – כאשר כל שכבה היא בעובי אטום בודד. לעומת הגבישים הסימטריים שגדלים בטבע בהם כל שכבה חדשה מסתובבת, כדי למקם אטומים מסוג אחד בדיוק מעל לאטומים מסוג שני, החוקרים הדביקו את זוג השכבות ללא הסיבוב – וכך גרמו להחלקה זעירה בין השכבות ששוברת את הסימטריה, גורמת לדילוג של האלקטרונים משכבה אחת לאחרת, ויוצרת קיטוב חשמלי פנימי. בשלב שני גילו החוקרים שאפשר להחליק בין השכבות קדימה ואחורה וכך למתג את הקיטוב החשמלי באמצעות שדה חשמלי חיצוני (ראו איור). לתופעה הם קראו SlideTronics, "החלקטרוניקה".

"החלקה וטיפוס בין קיטובים חשמליים": מבנה הגביש המחזורי מכיל זוג אטומים במרווחים קבועים בכל שכבה אופקית. ניתן להחליק כל שכבה נוספת ימינה או שמאלה במישור האופקי כדי למקם אטום כחול בדיוק מעל אטום אדום או להפך ובכך להקפיץ אלקטרונים עם מטען חשמלי מעלה או מטה בין השכבות. שלא כמו בגבישים מקוטבים המוכרים עד כה, הפוטנציאל החשמלי במערכת החדשה משתנה בערך קבוע ומוגדר היטב בין כל שלב ושלב. ניתן לטפס בצורה נשלטת בין כל האפשרויות השונות, כלומר ניתן למתג בין יחידות המידע באותו גביש בניגוד לזוג מצבים בטכנולוגיות קודמות.

גביש בעובי שני אטומים בלבד

ד"ר בן שלום מוסיף: "הגביש המקוטב החדש שגילינו, בעובי שני אטומים בלבד, הוא הדק ביותר האפשרי ועשוי לשמש בטכנולוגיות מידע מבוססות מנהור קוואנטי. אנו מפתחים יחידות מנהור כאלו בחברת Slide-Tro LTD שהוקמה ע"י האוניברסיטה ומשקיע חיצוני ופועלת כעת מתחת לרדאר, ומאמינים כי התופעה מאפשרת בסיס רחב להתקנים אלקטרוניים חדשניים החל מפתרונות להפחתת הספק ועד ליחידות זיכרון משופרות. בהיבטי מחקר יסודי, התגלית העלתה בנו מייד שאלות חדשות: איך יסתדר המטען? ומה יהיה גודל הקיטוב? אם נדביק שכבות נוספות למערכת בצורה שתשבור או תשמור את הסימטריה? במילים אחרות, במקום לרדד את עובי המערכת על ידי איכול שכבות מהגביש, כפי שנעשה עד כה, יכולנו כעת לערום גבישים מקוטבים שכבה אחר שכבה זו מעל זו, ובו בזמן למדוד את גודל הקיטוב והפוטנציאל החשמלי שנוצר בכל שלב בסולם השכבות".

בניסוי הנוכחי הצליחו החוקרים להשוות אזורים סמוכים בעלי מספר שכבות שונה, שנערמו יחד עם החלקות בכיוונים שונים היוצרים קיטובים בגדלים שונים. לדוגמה, עבור ארבע שכבות (ושלושה משטחי מגע מקוטבים) יש ארבע אפשרויות לסדר את כיוון שלושת הקיטובים: כולם מצביעים למעלה ↑↑↑, שניים למעלה ואחד למטה  ↑↑↓, אחד למעלה ושניים למטה ↑↓↓ או שלושה למטה ↓↓↓.

"לשמחתנו גילינו סולם של קיטובים מוגדרים היטב המופרדים ביניהם בערכי קיטוב אחידים, כך שכל שלב בסולם יכול לשמש כיחידת מידע נפרדת", אומר נועם ראב, סטודנט המחקר שמדד את הגבישים. "זוהי כאמור תגובה שונה מאוד מזו של הגבישים המוכרים עד כה, שבהם תגובת פני השטח לקיטוב היא משמעותית והחלפת הקיטוב אפשרית כיחידה אחת בלבד – כלומר שינוי הקיטוב בשכבה אחת משנה את מטען השכבות כולן".

ד"ר סווארופ דב, כותב מוביל במאמר, מדגיש: "הצלחנו גם לטעון את השכבות באלקטרון נוסף לכל מאה אטומים בערך ולשפר בכך משמעותית את הולכת הגבישים במישור מבלי לפגוע בקיטוב הניצב". תוך הסתייעות בחישובים תיאורטיים על סמך עקרונות היסוד של המכניקה הקוואנטית, גילינו שאפשר לתכנן ולבנות צירופי גבישים שכבתיים נוספים באמצעות החלקה יחסית בין השכבות, וכי המידע אודות הקיטוב והסימטריה של המערכת נותר כלוא בין השכבות ומוגן מהסביבה," אומר ד"ר וואי כאו, כותב ראשי נוסף שערך את החישובים. "למעשה ה'החלקטרוניקה' עזרה לנו לגלות את סולם הקיטובים הדק ביותר שאפשר לבנות," מסכם ד"ר בן שלום. "המשך מתבקש למחקר עתידי הוא תמרון סדרים אלקטרוניים נוספים, כגון קיטוב מגנטי ומוליכות-על באמצעות החלקות דומות בין סימטריות גבישיות שונות".

המחקר נערך בהובלת החוקרות גל ורד מהמכון הבינאוניברסיטאי למדעי הים באילת ואוניברסיטת תל אביב ופרופ' נועה שנקר מבית הספר לזואולוגיה בפקולטה למדעי החיים ומוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט באוניברסיטת תל אביב. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Environmental Pollution .  

במסגרת המחקר, החוקרות התמקדו בארבעה סוגי אורגניזמים: אלמוג אבן, אלמוג רך, אמוג אש ואיצטלנים. אורגניזמים אלו ממלאים תפקיד חשוב באקולוגיה של שוניות אלמוגים טרופיות, ופגיעה ברבייה ובהתפתחות שלהם עלולה להשליך על מבנה חברת השונית.

בנוסף, החוקרות בחנו ארבעה תוספים כימיים הנמצאים בשימוש נרחב במוצרי פלסטיק ושנמצאו במי ים באזורים טרופיים המאכלסים שוניות אלמוגים: שני כימיקלים מסוג פתאלאטים, המשמשים לריכוך והעלאת הגמישות בסוגי פלסטיק שונים וניתן למצוא אותם במגוון רחב של מוצרי צריכה כגון אריזות מזון, צעצועים, מכשור רפואי, דבקים ועוד. בנוסף נבחן כימיקל מקבוצת הנונילפנולים המשמש כמייצב באריזות פלסטיק וכתוסף בחומרי ניקוי, וכן החומר ביספנול A, הנפוץ בפלסטיק מסוג פוליקרבונט ואשר משמש לאריזות מזון ואריזות משקה, בקבוקי תינוקות, קופסאות ועוד. איגוד הכימיקלים האירופאי סיווג את הביספנול A כחומר העלול לגרום לפגיעה בפוריות האדם מתוך עדויות בחיות מעבדה.

כרוניקה של זיהום: מהמפעל אל הצרכן ועד לים

גל ורד מסבירה: "תוספי פלסטיק הם תוספים כימיים המשולבים במוצרי פלסטיק בתהליך הייצור. החומרים הללו מגיעים לסביבות ימיות בתיווך פסולת פלסטיק ושפכים, חלקם ידועים כמפעילים או מדכאים של תהליכים הורמונליים ובכך יכולים לשבש מערכות ביולוגיות. עם זאת, ההשפעות שלהם על אורגניזמים בשוניות אלמוגים כמעט ולא נחקרו בעבר. מבנה האוכלוסייה בשונית האלמוגים תלוי בהצלחת הרבייה, ההתפתחות וההתיישבות של האלמוגים ובעלי החיים המרכיבים אותה. הפרעה למערכות הורמונליות עלולה להשפיע על סיכויי ההצלחה של תהליכים אלה, והשפעה בצורה לא אחידה על מינים שונים עלולה להוביל לשינוי במבנה החברה ולפגיעה במערכת כולה."

החוקרות ערכו סדרה של ניסויי חשיפה שבהם נבדקו השפעותיהם של תוספי הפלסטיק בריכוז סביבתי עבור מי ים, ובריכוז מעבדה גבוה יותר. הפרמטרים שנמדדו היו הפריה, התפתחות הפגית (דרגת התפתחות צעירה), שרידות הפגית, והתיישבות הפגית והפיכתה לפרט ישיב. 

הריכוז הסביבתי של נונילפנול נמצא כמעכב את התיישבות הפגיות של האלמוג הרך הנחקר, ואותו החומר, בריכוז גבוה, פגע בהפריה, בהתפתחות ובהתיישבות בכל החיות שנבחנו. בנוסף, אחד מהכימיקלים מסוג פתאלאטים בריכוז גבוה, פגע אך ורק בהצלחת ההתיישבות של פגיות של אלמוג האבן הנבחן ולא בחיות האחרות. ממצא זה מחזק מחקרים נוספים בתחום המראים כי זיהום פלסטיק משפיע באופן סלקטיבי על בעלי חיים ממינים שונים.

פרופ' שנקר: "הממצאים שלנו מדגימים את ההשפעות השליליות והסלקטיביות של תוספי פלסטיק על התפתחות ורבייה של אורגניזמים המאכלסים שוניות אלמוגים; הריכוזים הרלוונטיים לסביבה המשמשים בניסויים שלנו התבססו על רמות מדווחות במי ים. עם זאת, מדידות אלה אינן משקפות את הריכוזים קיימים בתוך הרקמות והמערכות של האורגניזם החי. על מנת להבין טוב יותר את ההשפעה של מזהמים אלו על מערכת אקולוגית המצויות תחת איום תמידי, אנו מציעות לבדוק את הריכוזים בפועל בתוך רקמות האורגניזמים, כדי לייצר הערכות סיכונים רלוונטיות עבור מיני אלמוגים המדגירים את הפגיות בתוך רקמתן."

צרכנות נבונה וניהול פסולת תקין

גל ורד: "שוניות האלמוגים צריכות להתמודד עם איומים רבים, כמו העלייה בטמפרטורות האוקיינוסים, עלייה בחומציות האוקיינוסים, זיהום אור והעשרת חומרים מזינים. רוב שוניות האלמוגים בעולם נמצאות במדינות מתפתחות, שבהן אוכלוסיית האדם מתרחבת במהירות ובהן ניהול לקוי של פסולת ושפכים. פעולות למיגור פסולת הפלסטיק מהסביבה כוללות ניהול פסולת תקין הכולל פתרונות מקומיים והפחתה בשינוע הפסולת ממקום למקום, ובחירה של כל אחת ואחד מאתנו בצרכנות נבונה ומידתית של מוצרים רב פעמיים המיוצרים תחת בקרה של תוספים כימיים".

"אנחנו מדגישות את החשיבות של ניהול פסולת תקין שיפחית את הגעת החומרים הללו לסביבה הימית, ואת הצורך בשיטות למדידת ריכוז הכימיקלים בתוך גופם של בעלי החיים על מנת להעריך את הסיכון האפשרי לתהליכי רבייה והתפתחות," מסכמות החוקרות.