החיים הקדומים התפתחו באוקיינוס פחות חומצי

תחזית מזג האוויר לרוב אינה כוללת את המשפט: "גבירותי ורבותי, רמת החומציות של האוקיינוס היום היא 6.4!"אך רמת החומציות (המכונה pH) של האוקיינוס היא נתון חשוב למדי. נתון זה מסמל לא רק את החומציות או הבסיסיות היחסית של מי הים, אלא גם מווסת את יכולתו של סידן פחמתי – הרכיב העיקרי בקונכיות ובביצים של חיות ים – להיווצר וקובע את מידת הזמינות של מתכות המשמשות חומרי מזון ליצורים ימיים. רמת החומציות קובעת גם את אופן החלוקה בין הפחמן הדו-חמצני שנותר באטמוספירה והפחמן שמתמוסס במי הים – מאזן המהווה משתנה מרכזי באקלים כדור הארץ.

לאחרונה, הצליח ד"ר איתי הלוי מהמחלקה למדעי כדור הארץ וכוכבי הלכת במכון ויצמן למדע - יחד עם ד"ר אביב בחן מאוניברסיטת סטנפורד – לפתח מודל שמסביר כיצד השתנתה רמת החומציות של מי הים מאז ימי קדם. המודל החדש, שמשלב נתונים ומודלים קיימים על המבנה הכימי של האטמוספירה, האוקיינוסים, וקרום כדור הארץ, מזהה את "החשוד המיידי"בשינויים שעברה הכימיה של מי הים: הפחתה הדרגתית ברמות פחמן דו-חמצני באטמוספירה - בתגובה לבהירות הולכת וגוברת של השמש.

על-פי מודל זה, שפורסם לאחרונה בכתב-העת Science, האוקיינוסים היו בעבר הרחוק די חומציים, ובמרוצת העידנים הפכו לבסיסיים יותר. המחקר מצא, כי לפני שלושה עד ארבעה מיליארדי שנים, רמת החומציות של מי האוקיינוס נעה בטווח בין 7.5-6.0, בערך בין הערכים של חלב ושל דם אנושי. זאת, בניגוד לערכים עדכניים יותר ובסיסיים יותר של 7.5 עד 9.0. ממצאים אלה עוזרים לתאר את התנאים הכימיים שבהם נוצרו צורות החיים הקדומות ביותר ואת האופן שבו שגשגו אורגניזמים אלה באוקיינוס הקדום וכן להבין את התמורות הדינמיות שתרמו להתפתחות המאזן הכימי של האוקיינוסים בני זמננו.

השפעתה של השמש

כדי להתחקות אחר התמורות שהתרחשו על-פני תקופה עצומה של למעלה ממאה מיליארד שנים, פיתחו ד"ר הלוי ושותפיו מודל סטטיסטי של רמת החומציות של מי ים, כפונקציה של מספר משתנים. אחד ממשתנים אלה הוא הריכוז האטמוספרי של פחמן דו חמצני, אשר מדענים סבורים כי השתנה לאורך ההיסטוריה של מערכת השמש בתגובה להתחממות הדרגתית של השמש. מאז שנוצרה לפני 4.5 מיליארדי שנים, עוצמת התאורה של השמש הלכה וגברה. זאת, משום שככל שעובר הזמן, שורפת השמש את המימן המצוי בליבתה. שאריות ההליום הנותרות הן דחוסות יותר מהמימן, וכך התגובות הגרעיניות בשמש מפיקות חום גבוה יותר – שגורם לשמש להתבהר.

במקביל להתבהרות הסולרית, אשר הפחיתה את מידת החומציות של האוקיינוסים הקדומים על-ידי הפחתת ריכוזי הפחמן הדו-חמצני, כדור הארץ עצמו התקרר. התקררות זו הפחיתה את התנועה של מי הים דרך קרום כדור הארץ, ובכך תרמה להפחתה במידת החומציות של האוקיינוס לאורך זמן.

אם נרצה להשליך מתובנות היסטוריות אלה על האוקיינוסים של ימינו ועל הרמות המשתנות של פחמן דו-חמצני באטמוספירה - שרבים מאמינים שהן הבסיס לשינויי האקלים - עלינו לזכור, לדבריו של ד"ר הלוי,  שהשינויים ברמת החומציות של האוקיינוס התרחשו על-פני טווחי זמן גיאולוגיים, כלומר, מיליוני שנים. "התגברות החומציות, הנקשרת עם הרמות הגוברות של פחמן דו-חמצני כיום, מתרחשת במהירות", הוא אומר. "המודלים שלנו לא תקפים לבעיה קצרת-טווח. בעוד מאות אלפי שנים, האוקיינוסים ימצאו איזון חדש; אך עד שזה יקרה, אורגניזמים ימיים וסביבת החיים הימית עלולים לסבול".

בתמונת השער:
סְטְרוֹמַטוֹליטים הם מבנים מרובדים בסלע, הנוצרים במים רדודים על ידי ביופילם (קרום חיידקי) של מיקרואורגניזמים, אשר לוכדים, קושרים ומהדקים גרגירי סלע. סטרומטוליטים של ימינו דומים לאלה אשר נחשפים במאובנים בני 3.7 מיליארד שנים, ומשמשים דוגמה לחיים של אוכלוסיות מיקרוביאליות קדומות. 

Dr. Itay Halevy’s reseach is supported by the Helen Kimmel Center for Planetary Science; the Deloro Institute for Advanced Research in Space and Optics; and the Wolfson Family Charitable Trust. Dr. Halevy is the incumbent of the Anna and Maurice Boukstein Career Development Chair in Perpetuity

ידע אישי בשילוב שיתוף פעולה מובילים להצלחה

נמלים מסוגלות להרים משאות כבדים בהרבה ממשקל גופן. אולם, כאשר גרגיר המזון הוא כבד מדי עבור נמלה אחת, צוות של נמלים יודע להיחלץ לעזרתה, ולעבוד ביחד על-מנת לשאת את המזון בחזרה לקן. תופעה זו, של עבודה קולקטיבית עומדת בבסיס מחקר חדש אשר התבצע במעבדתו של ד"ר עופר פיינרמן מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע. במאמר שפורסם לאחרונה בכתב-העת הדיגיטלי eLife, הצליח ד"ר פיינרמן להדגים כי נמלים – אשר מנסות לנווט בהצלחה באופן קולקטיבי – סוטות מהמסלול שמותווה להן ומצליחות להתוות מסלול טוב יותר, תוך כדי תנועה, באמצעות צבירת מידע פרטני מהנמלים בקבוצה.

כאשר נמלה בודדת מוצאת מזון איכותי, היא מתחילה לנוע בחזרה לקן. הדרך חזרה לקן רצופה בעצירות, בהן הנמלה מניחה רצף של סימני ריח קטנים. סימנים אלו, בדומה לחלוקי הנחל בסיפור הילדים "עמי ותמי", מסייעים לנמלים אחרות להגיע ליעד. אך כאשר מגיע צוות הסיוע - "המובילים"או הנמלים הסוחבות – אשר אף אחת מהן אינה יודעת את כל המידע הדרוש על-מנת לתכנן את המסלול הטוב ביותר – הן משאירות אחריהן סימני ריח נוספים המייצגים את "הרעיונות"שלהן בדבר כיוון התנועה המועדף. כך, חרף העובדה שהרעיונות של "המובילים"עשויים להיות שגויים, ועל אף העובדה שהצוות כולו אינו עוקב אחר הסימנים החדשים במאה אחוזי דיוק, הכל מסתדר לבסוף: המסלול החדש  אשר נוצר באופן דינמי – תוך כדי תנועה ובהסתמך על ידע מוגבל של הנמלים האינדיבידואליות – הוא יעיל הרבה יותר מהמסלול שנקבע על-ידי הנמלה שמצאה את המזון לראשונה

"הנמלה הראשונה עשויה לצלוח מעבר צר בכדי להגיע למזון, ומעבר מסוג זה עשוי להוות מכשול גדול מדי עבור קבוצה המובילה חתיכת מזון גדולה בחזרה לקן", מסביר ד"ר פיינרמן. "התרגום החופשי שהקבוצה נותנת לסימני הריח מאפשר לה לרתום לרשות הקולקטיב את הידע האינדיבידואלי של כל נמלה בקבוצה ובד-בבד להימנע ממכשולים שעשויים להוביל את הקולקטיב לדרך ללא מוצא".

לאחר שביצע ניתוחי וידאו של תנועות הנמלים, חבר ד"ר פיינרמן למומחים בחישוב מבוזר כדי לפתח מודל מתמטי של ניווט קולקטיבי במהלך הובלה משותפת – מודל שעשוי להיות שימושי גם לבני אדם בעתיד.

"המחקר שלנו בוחן את הקשר בין מידע הנמצא ברשות היחיד, וכיצד מידע זה – גם אם הוא מטעה לעתים – יכול לתרום לקבלת החלטות קבוצתית", הוא אומר. "למדנו כי, מבחינה קולקטיבית, הליכה "מחוץ למסלול"יכולה להביא אותך קרוב יותר אל היעד".

תמונת השער: קן של נמלים מין קמפונית פולחת, המסומנות על ידי תגי זיהוי אישיים. באדיבות מעבדתו של ד"ר פיינרמן. 

Dr. Ofer Feinerman is funded by the Clore Foundation and the European Research Council. He is the incumbent of the Shlomo and Michla Tomarin Career Development Chair

מענק HHMIלחוקרים בוויצמן ולמדענים ישראלים שצמחו במכון

שישה מדענים ישראלים נבחרו השנה לקבל את מענקHHMI  היוקרתי (Howard Hughes Medical Institute award), הניתן לחוקרים צעירים מבטיחים מחוץ לארה"ב בתחום הביו-רפואה. כל השישה קיבלו את הדוקטורט שלהם במכון ויצמן למדע, ושלושה מהם משמשים חוקרים במכון.

מענק HHMIזיכה 41 חוקרים משש עשרה מדינות בסכום של 650 אלף דולר לחמש שנים, אשר יסייע להם לקדם פרויקטים יצירתיים ולחתור לגילויים מדעיים בתחומי המחקר שלהם.      

"אנחנו גאים בחוקרי ויצמן אשר זכו לכבוד הזה ובעובדה ששורשיהם האקדמיים של כל הישראלים שברשימה נטועים במכון. מבחינתנו, זוהי ראיה להשפעתו של המדע שיוצא ממכון ויצמן. יותר מכך, היחס המספרי הגדול של ישראלים בקרב רשימת הזוכים משאר העולם מלמד על כוחו של המדע הישראלי".       

מדעני מכון ויצמן, אשר זכו במענק הם:

פרופ'עידו עמית, מהמחלקה לאימונולוגיה, חוקר את תפקודה של מערכת החיסון והשפעתה על בריאות  וחולי. מעבדתו עוסקת בפיתוח של טכניקות גנומיות חדשניות לניתוח תא-בודד, כדי לחקור תאים אלה ברזולוציה גבוהה ביותר. הבנת פעילות התאים במערכת החיסון תסייע לקידום הדור הבא של אימונותרפיה נגד סרטן, נוירודגנרציה (ניוון של נוירונים) ועוד.         

ד"ר שלו איצקוביץ, מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא, חוקר את העקרונות המעצבים של רקמות מטבוליות. הוא משלב שיטות חישוביות וניסיוניות, כולל הדמיה של מולקולות בודדות ברקמה, כדי להבין כיצד קשרים בין תאים ברקמה מאפשרים פעילות תקינה וכיצד תבניות קישור אלה מופרעות במחלות כגון סוכרת.

ד"ר ערן אלינב, מהמחלקה לאימונולוגיה, חוקר את חיידקי המעי (׳המיקרוביום׳) ואת השפעתם על תזונה, על בריאות האדם ועל מחלות דלקתיות, זיהומיות, מטבוליות, גידוליות ואף מחלות ניווניות של מערכת העצבים. פענוח הקוד המולקולרי השולט על יחסי הגוף עם החיידקים שלו יאפשר למעבדת אלינב לפתח התערבויות חדשניות נגד מחלות אלה באדם.

המדענים הישראלים הנוספים הם:

ד"ר יוסי בוגנים, מהאוניברסיטה העברית בירושלים, עוסק במחקר של תאי גזע באמצעות חיפוש אחר דרכים משופרות לתכנות מחדש של תאי עור לתאים המיועדים לקליניקה (כגון תאי גזע עובריים, תאי גזע שלייתיים ותאי עצב). את עבודת הדוקטורט שלו עשה במעבדתה של פרופ'ורדה רוטר מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן, ואת התואר קיבל בשנת 2008.

ד"ר עידן עפרוני, מהפקולטה לחקלאות של האוניברסיטה העברית בירושלים, חוקר מה עומד בבסיסן של  יכולות הרגנרציה המיוחדות של צמחים, תוך התמקדות באופן שבו צמחים מגייסים תאים כדי ליצור תאי גזע ומריסטמות. תוצאות מחקרו יובילו לשיפור השיטות של ריבוי צמחים למטרת ייצור מזון. את הדוקטורט שלו קיבל ב-2010 ממכון ויצמן במסגרת עבודתו במעבדה של פרופ'יובל אשד מהמחלקה למדעי הצמח והסביבה.  

פרופ'אסיה רולס, מהטכניון – מכון טכנולוגי לישראל, חוקרת את היחסים שבין מערכת החיסון והמוח והקשר לבריאות וחולי. את לימודי הדוקטורט עשתה תוך עבודתה במעבדה של פרופ'מיכל שוורץ מהמחלקה לנוירוביולוגיה שבמכון ויצמן, ובשנת 2007 קיבלה את התואר.

פרופ'רולס, האישה היחידה בחבורה, היתה עמיתה של קרן קלור במסגרת התכנית הלאומית לפרסי מחקר פוסט-דוקטוריאליים לקידום נשים במדע של מכון ויצמן למדע. תכנית סלקטיבית זו, שהושקה לפני כעשור, תומכת בשהותן בחו"ל של מדעניות נבחרות לצורך עבודת פוסט-דוקטורט. התכנית ממומנת על ידי תומכי מכון ויצמן ופתוחה לחוקרות שסיימו תואר שלישי בכל האוניברסיטאות בארץ.   

בהתייחסו לכל הזוכים במענק, אמר דיויד קלפהאם, סגן נשיא HHMIוהמדען הראשי של הארגון: "קבוצה מצוינת זו של מדענים תיתן דחיפה משמעותית למחקר הביו-רפואי בעולם, ואנחנו נרגשים לתמוך בהם יחד עם שותפינו הפילנתרופים".  

הפרסים שבהם זכו החוקרים ממומנים על ידי HHMI, קרן ביל ומלינדה גייטס, קרן וולקאם (Wellcome Trust) וכן קרן קלוסטה גולבנקיאן. הזוכים נבחרו מתוך 1,400 מועמדים, על סמך הישגיהם המחקריים עד כה, כולל במסגרת הדוקטורט והפוסט-דוקטורט, וההשלכות הצפויות של עבודתם.

Prof. Ido Amit is supported by the David and Fela Shapell Family Foundation INCPM Fund for Preclinical Studies; the Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust; the Rosenwasser Fund for Biomedical Research; the  Steven B. Rubenstein Research Fund for Leukemia and Other Blood Disorders; the Alan and Laraine Fischer Foundation; Isa Lior, Israel; Drs. Herbert and Esther Hecht, Beverly Hills, CA; the Comisaroff Family Trust; Rising Tide; the David M. Polen Charitable Trust; BLG Trust; Mr. and Mrs. Harold Hirshberg, Park Ridge, NJ; David and Molly Bloom; and the Estate of Alice Schwarz-Gardos. Prof. Amit is the recipient of the Helen and Martin Kimmel Award for Innovative Investigation

Dr. Eran Elinav is supported by the Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust; the Adelis Foundation; the Else Kroener Fresenius Foundation; John L. and Vera Schwartz, Pacific Palisades, CA; Rising Tide; Andrew and Cynthia Adelson, Canada; Yael and Rami Ungar, Israel; Leesa Steinberg, Canada; Jack N. Halpern, New York, NY; Lawrence and Sandra Post Family; the Bernard M. and Audrey Jaffe Foundation; the European Research Council. Dr. Elinav is the Incumbent of the Rina Gudinski Career Development Chair

Dr. Shalev Itzkovitz is supported by the Henry Chanoch Krenter Institute for Biomedical Imaging and Genomics; the Rothschild Caesarea Foundation; the Cymerman-Jakubskind Prize; and the European Research Council. Dr. Itzkovitz is the incumbent of the Philip Harris and Gerald Ronson Career Development Chair

כעת, ניתן לערוך את הגנום ולראות את ההשפעה 

כלי מהפכני לעריכת מקטעים גנטיים בשם קריספר (CRISPR) כבש לאחרונה את עולם המדע בסערה. הודות לתכונה ייחודית, הוא מאפשר לשנות, להסיר ולהכניס גן חדש לתוך רצף גנטי קיים. טכנולוגיה זו עומדת כעת בבסיסם של מאות פיתוחים מדעיים, החל מהסרת המלריה מיתושים ועד טיפול בניוון שרירים. אך מדענים רבים ברחבי העולם עדיין עומדים חסרי אונים אל מול החיסרון הגדול ביותר של הכלי - היכולת להבין מהי התוצאה של עריכת הגנום.

פרופ'עידו עמית ממכון ויצמן למדע וצוותו הצליחו לאחרונה לשלב את יכולות הקריספר עם כלי נוסף בשם ריצוף RNA  של תא בודד (Single-cell RNA sequencing), ובכך פתח עבור מדענים את הדלת לביצוע מניפולציות על גנים בתוך תא בודד בזמן אמת ולהתבוננות בהשפעה של השינויים על תפקוד התא. פריצת דרך זו, שפורסמה בכתב העת היוקרתי Cellבחודש דצמבר 2016, עשויה לסייע לעולם המדע לשפר את ההבנה בנוגע לטווח רחב של מחלות – מאלצהיימר ועד סרטן – וכן לטפל בהן בהצלחה.

פרויקט הגנום האנושי הושלם בהצלחה לפני למעלה מעשור – ובכך סיכם מאמץ בינלאומי לרצף את כל ה-DNAשל האדם. אוצר בלום זה של מידע הוביל לאינספור תובנות חדשות בדבר הקשר בין מוטציות גנטיות ומחלות, סיווג גנטי של וירוסים לטובת טיפול ישיר, התפתחויות בעולם הזיהוי הפלילי, סוגים חדשים של מזון וצמחים ועוד. קריספר התגלה לפני מספר שנים בחיידקים ומאז הפך לכלי מחקר בידי מדענים המעוניינים לערוך גנים של בני אדם, חיידקים, וירוסים וצמחים - בדיוק, ביעילות ובגמישות מרביים. השימוש בקריספר לצרכים קליניים בבני אדם צפוי להפוך למציאות בקרוב מאוד.

"למרות המהפכה שסיפק, הקריספר כשלעצמו הוא כלי מחקר בעל מגבלות, שכן לעתים קרובות אנו מתקשים לבחון את התוצאות של עריכה גנטית או להבין אותן", אומר פרופ'עמית, חבר המחלקה לאימונולוגיה במכון ויצמן. ד"ר דייגו חייטין, מדען סגל במעבדתו של פרופ'עמית, מוסיף כי "עד כה, התמונה שקיבלנו לאחר השימוש בקריספר הייתה ב"שחור-לבן", אך מרבית התהליכים המתרחשים בגופנו הם מורכבים מזה - ואף כאוטיים. המטרה שלנו הייתה לקבל תמונה מפורטת, על כל צבעיה וברזולוציה גבוהה".

מיקרוסקופ מולקולרי חדש

בניגוד לתוצאות "שחור-לבן", ריצוף RNAשל תאים בודדים מציג תמונה מרהיבה של דקויות. הטכנולוגיה כוללת ריצוף של מולקולות ה-RNAהמשמשות להעברת מסרים בכל תא ותא – מסרים המעידים על פעילות תאית. תהליך הריצוף משרטט בבהירות את המבנה המולקולרי של כל תא ומאפשר לאפיין את הזהות של כל תא מתוך מגוון רחב, ולהעריך את תפקודו.

"זהו מיקרוסקופ מולקולרי חדש", אומר פרופ'עמית, ומוסיף כי ביכולתו של כלי זה לספק תמונת מצב מפורטת של תאים ורקמות.

האתגר הגדול עבור פרופ'עמית וצוותו, ד"ר אסף ווינר וד"ר עידו יפה, היה להתאים את שיטת הקריספר כך שתוכל לפעול בשילוב עם שיטת הריצוף של המעבדה. מאמץ זה דרש זיהוי מדויק של כל תא, אשר דרש פיתוח של אלגוריתמים מתוחכמים ועיבוד של נתונים רבים מאוד, כך לדברי ד"ר ווינר. שילובן של שתי השיטות, אומרים החוקרים, יכול להוביל לתובנות חדשות שאף טכנולוגיה בנפרד אינה מסוגלת להפיק. התוצאות המתקבלות משימוש בכלי המשולב זמינות ברזולוציה חסרת-תקדים עבור סוג זה של מחקר וכן מתקבלות במהירות שיא, מוסיף ד"ר יפה. פרופ'עמית וצוותו צופים כי הכלי המשולב יסלול את הדרך למחקרים חדשניים במגוון רחב של תחומים.

תוצאות המחקר פורסמו יחד עם תיאורים של טכנולוגיה דומה, אשר פותחה במקביל במכון ברוד (Broad) בבוסטון ובאוניברסיטת קליפורניה, סן פרנסיסקו (UCSF).

"הפיתוח של קריספר קידם משמעותית את יכולתנו להבין ולהתחיל לערוך מעגלים חיסוניים", אומר פרופ'עמית. "אנחנו מקווים כי הגישה שלנו תהווה את הזינוק הבא קדימה ותספק, בין היתר, יכולת להנדס תאים חיסוניים למטרות של אימונותרפיה".

Prof. Ido Amit's research is supported by the Benoziyo Endowment Fund for the Advancement of Science; the David and Fela Shapell Family Foundation INCPM Fund for Preclinical Studies; the Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust; the Rosenwasser Fund for Biomedical Research; the Alan and Laraine Fischer Foundation; Isa Lior, Israel; Drs. Herbert and Esther Hecht, Beverly Hills, CA; the Comisaroff Family Trust; Rising Tide; the David M. Polen Charitable Trust; the BLG Trust; and Mr. and Mrs. Harold Hirshberg, Park Ridge, NJ. Prof. Amit is the recipient of the Helen and Martin Kimmel Award for Innovative Investigation.

ד"ר עומר יפה חוקר מוליכים-למחצה רכים בחיפוש אחר חומרים חדשניים

בדומה לסטודנט העושה את דרכו הראשונה בסביבה החברתית והפיסית של בית-ספר חדש ביומו הראשון ללימודים, אלקטרונים אף הם נעים בתוך חומרים בנחישות המעורבת בבלבול. סטודנט חדש עלול להיכנס לכיתה הלא נכונה, הוא יזדרז לתפוס מקום "טוב"בכיתה, וינסה לרכוש חברים חדשים בקפטריה. באופן דומה, אלקטרונים מנווטים את דרכם בחומר תוך שהם מתנגשים זה בזה, מוסטים מצד לצד, מתפזרים במרחב ומחליפים כיוון ללא הרף.

כדי להבין את תכונותיהם החשמליות והמבניות של חומרים חדשים ומתקדמים, יש צורך להתבונן באופן שבו אלקטרונים נעים מאטום אחד למשנהו וממולקולה לרעותה. מדענים מכנים תנועה זו בשם "העברת אלקטרונים", ומדידתה היא קריטית בהערכת הפוטנציאל של חומרים חדשים ומתקדמים.

ד"ר עומר יפה לומד תנועה זו של העברת אלקטרונים לעומק כחלק ממחקריו בעולם המוליכים-למחצה הרכים (Soft Semiconductors). ד"ר יפה, שהצטרף למחלקה לחומרים ופני שטח בשנת 2016, הוא אחד המדענים החדשים במכון אשר עובדים במרץ על הרחבת תחום המחקר של חומרים חדשים. נושא זה של מוליכים-למחצה רכים עומד בחזית המחקר בתחום זה.

חומרים רכים וגמישים

בשונה ממוליכים-למחצה מן השורה, דוגמת הסיליקון, אשר קשורים יחדיו בקשרים יציבים - אלקטרוניים או שיתופיים (קוולנטים) - מוליכים-למחצה רכים מורכבים ממולקולות אורגניות, פולימרים ויונים, המוחזקים יחדיו בקשרים אטומיים חלשים. חומרים אלו מעורבים בדור העתיד של מוצרים כגון תאים סולריים, מסכים דיגיטליים וגופי תאורה חזקים. במקרים רבים, מדובר בחומרים שקופים וגמישים אשר עשויים לשמש גם כעור אלקטרוני, תאים סולריים שקופים-למחצה (למשל עבור חלונות) ומכשור אלקטרוני גמיש כגון מחשוב לביש (Wearable Computing). מוליכים-למחצה רכים מסוגלים גם לחמם את עצמם, לרוב אינם יקרים, ניתנים לעיבוד בתמיסות כימיות (כגון חומרי ניקוי) וכן ניתנים להצמדה או להטמעה על  פני שטח שונים.

אחד האתגרים הגדולים ביותר של התחום נותר בעינו: כיצד ניתן ללמוד את תכונות העברת האלקטרונים של חומרים אלו? היות שלכל מוליך-למחצה רך יש מבנה דינמי, כלים קונבנציונליים ומודלים קיימים של הובלת אלקטרונים אינם מספקים.

ד"ר יפה מתמודד עם אתגר זה על-ידי מחקר אשר משלב ספקטרוסקופיה – בדיקת האופן שבו אור מגיב לחומר – יחד עם מדידות של העברת אלקטרונים. כך הוא מנסה להבין את יחסי הגומלין שבין הדינמיקה המבנית והתפקוד האלקטרוני של חומרים אלו. שילוב זה של שתי שיטות שונות מהווה צעד משמעותי לקראת הבנה משופרת של מדע המוליכים-למחצה הרכים ועשוי להוביל לפיתוחם של מכשירים חדשניים המבוססים על חומרים חדשים אלו.

"אני רוצה להבין את יחסי הגומלין שבין אלקטרון והסביבה שלו, כיצד החומר מגיב לתנועת אלקטרונים ואיך תגובה זו משפיעה על האלקטרון", אומר ד"ר יפה.

ד"ר יפה הוא בוגר המחלקה אליה הצטרף. הוא השלים את הדוקטורט שלו במכון ויצמן למדע בשנת 2012 לאחר שחקר, תחת הנחייתו של פרופ'דוד כהן, את התופעה של העברת אלקטרונים בתרכובות היברידיות המשלבות חומר אורגני ואנאורגני. במסגרת לימודיו הוא גם חקר דרכים שונות שבאמצעותן ניתן "לכוונן"את התכונות האלקטרוניות של מוליכים-למחצה אנאורגניים כך שישמשו בתעשיית הננוטכנולוגיה.

ד"ר יפה עשה את תקופת הפוסט-דוקטורט במרכז לחקר החדשנות באנרגיה (Energy Frontier Research Center) של אוניברסיטת קולומביה, שם פיתח מומחיות במיקרו-ספקטרוסקופיה אופטית ושכלל שיטה חדשה לאיתור תנועות אטומיות בתדרים נמוכים בחומרים רכים. באמצעות מתודולוגיה חדשה בשם THz-Domain Raman Scattering, הוא חקר כיצד סוג מסוים של גביש הקרוי פרבוסקיט היברידי (Hybrid Pervoskite) מסתובב ורוטט. פרבוסקיטים היברידיים התגלו לאחרונה כמועמדים מצוינים לשימוש בתעשיית התאים הסולריים, שכן ניתן לייצר מהם תאים סולריים זולים ויעילים במיוחד. ד"ר יפה ממשיך לבחון מה הופך גבישים אלו לכה יעילים בתאים סולריים, במטרה להסב אותם לשימושים נוספים.

ד"ר יפה גם עושה שימוש בהתפתחויות האחרונות בספקטרוסקופיה אופטית. הוא עוסק בפיתוח של שיטה חדשה לספקטרוסקופיה, על מנת למפות את התכונות המבניות והחשמליות של מוליכים-למחצה אורגניים והיברידיים, תוך כדי ביצוע מדידות של העברת אלקטרונים. הוא מתכנן ליישם שיטת מחקר חדשנית זו על מגוון סוגים של מוליכים-למחצה בכוונה לפתח מכשירים אלקטרונים יעילים יותר.

הטבלט הגמיש (בתמונה משמאל) הוא דוגמה ליישום שמחקרו של ד"ר עומר יפה עשוי לתרום לפיתוחו.

.Dr. Omer Yaffe is funded by the Benoziyo Fund for the Advancement of Science, the Larson Charitable Foundation, and Carolito Stiftung

גורל העצים באקלים משתנה

ד"ר תמיר קליין חי ונושם עצים. הוא לומד אותם ואת היערות בהם הם שוכנים ומתעד פרטי מידע רבים ומגוונים, אשר עשויים לשפוך אור על האופן שבו עצים מעבדים מים, אוויר, ופחמן. בכך, הוא מסייע להבטחת המוכנות של תושבי כדור הארץ לשינויים האקלימיים הגוברים והולכים.

ד"ר קליין הצטרף לאחרונה למחלקה למדעי הצמח והסביבה במכון ויצמן למדע. במסגרת מחקריו האחרונים, הוא חשף לראשונה מנגנונים שבאמצעותם צמחים משנעים מים וחומרי מזון בין עלים, גבעולים ושורשים – ואפילו הצליח לתעד מעין "סחר בפחמן"בין שורשים של עצים סמוכים. מזה שנים, חשדו מדענים כי עצים חולקים ביניהם חומרי מזון באמצעים מערכות שורשים המשתרגות  זו בזו, אך מדידות של תופעה זו התרחשו רק במעבדה בקנה מידה קטן. במהלך עבודתו כפוסט-דוקטורנט באוניברסיטת באזל בשוויץ, הצליח ד"ר קליין  למדוד ולכמת העברה של כמויות גדולות של פחמן בין עצים בוגרים מזנים שונים – ובכך להוכיח לראשונה כיצד עצים חולקים משאבים ביניהם ושומרים אחד על בריאותו של האחר.

במהלך שהייתו בבאזל, ד"ר קליין ועמיתיו במעבדה החדירו פחמן דו-חמצני תעשייתי לחופת העלים של עצים מסוג אשוחית נורבגית (Picea abies). פחמן זה ניחן בחתימה איזוטופית ייחודית, אותה איתרו במדידות בעצים אחרים. "הופתענו לגלות  אותם איזוטופים בשורשים של עצים שכנים, משלושה מינים אחרים, שלא נחשפו לפחמן המסומן", אומר ד"ר קליין. כאשר התעמקו בתוצאות, זיהו החוקרים פטריה מסוג mycorrhizaהחיה בסימביוזה עם העצים  וקשורה לשורשיהם. מערכות השורשים של העצים למעשה יצרו מעין "כבישים מהירים תת קרקעיים"להחלפה של פחמן וחומרי מזון בין העצים. במאמר שפורסם בכתב העת  Scienceבשנת 2016, הדגימו ד"ר קליין ועמיתיו כי המקור לכ-40 אחוז מהפחמן המצוי בשורשים העדינים של הצמח הוא ברשתות של סחר החליפין  בין העצים כלומר,  בכלכלה שיתופית משגשגת.

מתכוננים לבצורת והתחממות גלובלית

ד"ר קליין נולד באילת וסיים את לימודיו לתואר ראשון בביוכימיה ומדעי המזון בפקולטה לחקלאות, מזון וסביבה של האוניברסיטה העברית בירושלים, קמפוס רחובות. הוא חצה את הכביש כדי להשלים את לימודיו לתואר שני ולדוקטורט במכון ויצמן, ובמקביל עבד  בפיתוח תכניות לימוד במחלקה להוראת המדעים וכן בהוראת אנגלית ומתמטיקה במכון דוידסון לחינוך מדעי. לאחר שהשלים את הפוסט-דוקטורט בשוויץ, עבד ד"ר קליין במינהל המחקר החקלאי – מכון וולקני בבית דגן, אותו עזב כדי להצטרף למכון ויצמן בשנה שעברה.

"חקר העצים הוא חשוב שכן הם מהווים חלק חיוני מהפאזל של שינויי האקלים הגלובאליים", אומר ד"ר קליין. הוא מתעניין במיוחד בתפקידם של עצים בניהול משק המים והפחמן בעולם, ומסביר: "עצים מהווים את מאגר הפחמן הביולוגי הגדול ביותר על פני כדור הארץ, ויערות מווסתים את מחזור המים סביבם באמצעות קליטת מים בשורשים ופליטתם בעלים".

ד"ר קליין חושב גם על העתיד. אחד ממחקריו המתוכננים ינסה לדמות את ההשפעה של גזי חממה על החיים על פני כדור הארץ - 50 שנה מהיום. לצורך כך, מתכוון ד"ר קליין להסב חממות במכון ויצמן כך שיכילו גידולים המתקיימים בשלוש מערכות אטמוספריות שונות: התנאים האטמוספריים על-פני כדור הארץ טרם המהפכה התעשייתית; התנאים של ימינו אנו; תנאים בהם ריכוז גזי החממה גדול פי שניים ממצבו הנוכחי. בכוונתו גם לחקור את מנגנוני העמידות בפני בצורת של עצי הלימון, מחקר אותו התחיל במכון וולקני. "גם השקיה אינה מסוגלת לבטל את ההשפעות של בצורת על עצי פרי, כך שעמידותם של עצי לימון, שקד, זית ועצים נוספים הצומחים בישראל עשויה לאפשר להם לצמוח גם באזורים צחיחים יותר", הוא מסביר. למחקר זה עשויות להיות השלכות חיוביות עבור מדינות שמעוניינות לגדל גידולים מסוג זה אך האקלים השורר בהן אינו מאפשר זאת. כמו כן, פירות המחקר עשויים לסייע לאנושות להתכונן לקראת עידן אקלימי חם ויבש יותר בעתיד.

Dr. Tamir Klein is supported by the Benoziyo Fund for the Advancement of Science, the Monroe and Marjorie Burk Fund for Alternative Energy Studies, the Merle S. Cahn Foundation, and Mr. and Mrs. Norman Reiser, Annadale, VA. He is the incumbent of the Edith and Nathan Goldenberg Career Development Chair

ניווט עטלפים והמוח האנושי

מי שטבע את המונח "עיוור כעטלף"כנראה לא ידע כי עטלפים רואים היטב כמעט כמו בני אדם. עטלפים גם שומעים היטב ומסוגלים לנווט באמצעות "איכּוּן באמצעות הד" (Echolocation) – מערכת המבוססת על קול. מתברר, כי גם ללא קלט חושי מהיעד שלהם, עטלפים מסוגלים למצוא את דרכם אל היעד בהצלחה, הודות לסוג מסוים של נוירונים במוחם, אשר זוהו לאחרונה על-ידי מדענים במכון ויצמן למדע.

גילויים של נוירונים אלו, הממוקמים בחלק של המוח הקשור לזיכרון, חושפים חיבור, שלא היה ידוע בעבר, בין זיכרון וניווט במוחם של יונקים. המחקר, המבוסס  על עטלפים, עשוי לשפוך אור גם על האופן שבו אבדן זיכרון ואבדן התמצאות קשורים זה בזה אצל בני אדם הלוקים במחלת האלצהיימר.

המחקר בוצע על ידי פרופ'נחום אולנובסקי והסטודנטית איילת שראל, שניהם מהמחלקה לנוירוביולוגיה, בשיתוף פעולה עם עמיתיהם למחלקה ד"ר ארסני פינקלשטיין וד"ר ליאורה לס. תוצאות המחקר פורסמו בכתב העת  Scienceבחודש ינואר האחרון.

נתיב טיסה מחושב

על-מנת להבין כיצד מבצעים עטלפים  את החישובים העצביים המורכבים, אשר נדרשים לניווט ליעד מסוים, פרופ'אולנובסקי ועמיתיו אימנו עטלפי פירות מצריים לטוס במסלולים מורכבים בחדר תעופה מיוחד שהותאם לכך מראש. החדר כלל אתר נחיתה בודד – יעד הניווט – בו יכלו העטלפים לאכול ולנוח. בעת שהעטלפים טסו, החוקרים השתמשו במערכת אלחוטית כדי לרשום את פעילותם של 309 נוירונים באזור ספציפי במוחו של העטלף, הנקרא היפוקמפוס.

המדענים גילו, כי כחמישית מהנוירונים שנבדקו בהיפוקמפוס היו מיועדים להכוונת-מטרה; נוירונים אלו היו פעילים באופן מקסימלי כאשר העטלף נע בזווית מסוימת ביחס ליעד – ומרבית הנוירונים הפגינו פעילות מלאה כאשר העטלף נע ישירות לכיוון היעד. במהלך גיחות שבהן הסתיר וילון אטום את היעד וחסם את הקלט החושי של העטלף – ראייה, איכון באמצעות הד וריח – חלק ניכר מהנוירונים המשיכו לקודד את הכיוון אל היעד המוסתר. ממצא זה מעיד כי האות הכיווני נוצר כתוצאה ממידע אודות היעד שאוחסן בזיכרונו של העטלף.

החוקרים גם גילו תופעה נוספת: נוירונים מסוימים בהיפוקמפוס קודדו מידע בנושא מרחק ולרוב פעלו באופן מקסימלי כאשר העטלף היה מצוי מרחק קטן מהיעד. אך במקום לפעול באופן מנותק מהנוירונים העוסקים בכיווניות, שיעור גדול של "נוירוני המרחק"הללו קודדו גם הם מידע בנוגע לכיווניות. עובדה זו עשויה לרמוז – בדומה לסברה המקורית של פרופ'אולנובסקי – כי נוירונים בודדים מסוגלים לייצג מידע וקטורי על מטרות – מידע חישובי מורכב הכולל חישוב של כיוון ומרחק גם יחד.

הקשר לאלצהיימר

מחקר  זה עוזר להבהיר את הקשר שבין ניווט וזיכרון – ולא רק בעטלפים.

"המנגנון הנוירונלי הזה, שעד כה לא נחשף, ממוקם בהיפוקמפוס, חלק של המוח הידוע כמעורב בתהליך אבדן הזיכרון בחולי אלצהיימר", אומר פרופ'אולנובסקי ומוסיף כי מחקרים בחקר המוח בבני אדם ובחיות מעידים  על תפקידו של ההיפוקמפוס במשימות ניווט. "נזק להיפוקמפוס הוכח כמזיק לתפקוד במהלך פעולות ניווט, מה שעשוי להסביר את הנטייה של חולי אלצהיימר ללכת לאיבוד".

אולם, כאשר מנגנון זה עובד כראוי, הוא יכול – בדיוק כמו מערכת GPSהמוטמעת במוח – לסייע לנו להגיע למחוז חפצנו.

"בדיוק כפי שהעטלף רוצה להגיע לפרי החבוי מאחורי הווילון, בני אדם עשויים לרצות להגיע למאהל מאחורי גבעה או לבית קפה החבוי מאחורי בניין משרדים", מסביר פרופ'אולנובסקי. "במקרים מעין אלו, גם אם החושים האחרים אינם מספקים רמזים אמינים, הרי שניתן לסמוך על המנגנון העצבי במוח שיעזור לנו לאתר את היעד על סמך הזיכרון. בניסוי זה, העטלפים הראו לנו איך זה מתבצע הלכה למעשה".

Prof. Nachum Ulanovsky is supported by the Lulu P. & David J. Levidow Fund for Alzheimers Diseases and Neuroscience Research, the Adelis Foundation, Mike and Valeria Rosenbloom through the Mike Rosenbloom Foundation, and the Harold and Faye Liss Foundation

מדענים ממכון ויצמן מציעים תשובה חדשה לתעלומה הגדולה ביותר של הירח

על אף שהוא מסמל בתרבויות רבות שלוות נפש ומתינות, הרי שהולדתו של הירח לפני מילירדי שנים הייתה דווקא בסימן אסון ולא ששון.

כעת, מדענים ממכון ויצמן למדע הדגימו באמצעות מודלים חישוביים את הנסיבות האלימות שבהן נולד הירח – נסיבות שכללו התנגשות של מספר רב של גרמי שמיים בפני כדור הארץ. בכך, השכילו החוקרים להציג תיאוריה אלגנטית אשר קוראת תיגר משמעותי על התרחיש המקובל להיווצרות הירח, הוא תרחיש "ההתנגשות הענקית" (The giant-impact hypothesis).

במחקר, שפורסם לאחרונה בכתב העת Nature Geoscience, בחנו הדוקטורנטית רלוקה רופו ופרופ'עודד אהרונסון מהמחלקה למדעי כדור הארץ וכוכבי הלכת השערות  להיווצרות הירח, שעשויות להחליף את ההשערה המקובלת מאז שנות ה-70 של המאה העשרים. התיאוריה הרווחת גורסת כי עצם שמימי בסדר הגודל של מאדים התנגש בכדור הארץ, מה שהוביל להיווצרותה של דיסקה חמה ומסיבית בעלת סיבוב מהיר סביב כדור הארץ. הירח, לפי סברה זו, התגבש לצורתו הנוכחית כתוצאה מהתקררות והתגבשות של דיסקה זו לכדי מסה אחת. פרופ'אהרונסון וגב'רופו, לעומת זאת, העלו סברה כי הירח נוצר בסבירות גבוהה לאחר סדרת התנגשויות עם עצמים קטנים יותר, אשר הפיקו "ירחונים"שהתאחדו בסופו של דבר לירח המוכר לנו כיום.

ההשערה החלופית נולדה בעקבות הקושי ליישב בעיה מהותית בתרחיש "ההתנגשות הענקית". בהתאם לתרחיש זה, חלק נכבד מהחומר שנפלט לחלל הגיע מהגורם הפוגע, וחלק קטן יותר מפני כדור הארץ. אולם, מחקרים חדשים הוכיחו כי ההרכבים הכימיים של כדור הארץ והירח זהים כמעט לחלוטין – מה שעשוי להעיד על כך שרובו המכריע של החומר המרכיב את הירח הגיע מכדור הארץ. פליטה של כמות כה גדולה של חומר מכדור הארץ במכה אחת – אשר הייתה אמורה להוביל להיווצרות הירח כפי שהוא מוכר לנו כיום – דורשת תנאים מאוד מסוימים להתנגשות הקוסמית שהתניעה את התהליך, תנאים בלתי סבירים.

מחקרם של גב'רופו ופרופ'אהרונסון הציג מודל משכנע שעשוי לפתור את התעלומה. השניים עשו שימוש בתשתית חישובית בשם Chemfarmהמורכבת מלמעלה  מ-5,000 ליבות עיבוד, וביצעו באמצעותה 8000 סימולציות שונות. סימולציות אלו דימו הפצצה כבדה של כדור הארץ בימיה הראשונים של מערכת השמש בידי גורמים שמימיים חיצוניים שעשויים היו לגרום להיווצרות הירח. תוצאות המחקר רומזות כי הייתה זו סדרה של התנגשויות קטנות של גורמים מעין אלו עם כדור הארץ – ולאו דווקא מכה גדולה אחת – שהובילו להיווצרות הירח. התנגשויות קטנות אלו יצרו "ירחונים"שהקיפו את כדור הארץ, אשר לבסוף התמזגו לירח אחד.

פרופ'אהרונסון וצוותו, יחד עם ד"ר חגי פרץ מהטכניון, הציעו כי סדרה של התנגשויות קטנות  עשויה להסביר טוב יותר את אשר התרחש לפני מיליארדי שנים, כאשר מערכת השמש הייתה בשלבי התגבשות ראשוניים. גופים קטנים אלו היו נפוצים יותר במערכת השמש באותה תקופה, כך שהתנגשות שלהם בגופים גדולים כמו כדור הארץ הייתה סבירה הרבה יותר.

לפי פרופ'אהרונסון, התרחיש גם מציע הסבר לסתירה בין התיאוריה הקיימת והעובדה שהרכבי האיזוטופים בקרקע של הארץ והירח כמעט זהים. "אם מספר גופים שונים התנגשו עם כדור הארץ לאורך תקופה של מיליוני שנים, החתימות הכימיות השונות שלהם – למשל שיעור איזוטופ חמצן-16 ביחס לאיזוטופי חמצן כבדים יותר כמו חמצן-17 וחמצן-18 – מתאזנות לאורך זמן ובכך מטשטשות את העקבות של ההתנגשויות המקוריות", הוא מסביר.

לדברי רלוקה רופו, המודל החדש מספק בסיס איתן למחקרים עתידיים אודות הדינמיקה ארוכת-הטווח שהובילה להיווצרות הדמות המוכרת ביותר בשמי הלילה. "התרחיש החדש לא דורש תנאי פתיחה מדויקים במיוחד", היא אומרת. "ואם אכן הירחים הקטנים נכנסו לאותו מסלול סביב כדור הארץ, כפי שאנחנו סוברים, הרי שהם היו יכולים להיווצר לאורך מיליוני שנים".

Prof. Oded Aharonson is supported by the Benoziyo Endowment Fund for the Advancement of Science, the Helen Kimmel Center for Planetary Science which he heads, the Minerva Center for Life under Extreme Planetary Conditions which he heads, the J & R Center for Scientific Research, and the Adolf and Mary Mil Foundation

נא להכיר: ד"ר גיא רוטבלום

ישראל היא מובילה עולמית בתחום אבטחת המידע, מעמד שאליה הגיעה בין היתר, הודות לחלוצי התחום המגיעים ממכון ויצמן למדע, דוגמת פרופ'עדי שמיר ופרופ'שפי גולדווסר. שני חוקרים אלה, אשר זכו בפרס טורינג – ה-"נובל של מדעי המחשב"– פיתחו שיטות הצפנה שתרמו לעיצובה של תקשורת הנתונים במאה ה-21. אך בעוד שהפיתוחים הללו עומדים בבסיס הטכנולוגיות המובילות כיום בתחום אבטחת המידע הדיגיטלי, יש צורך גובר בפיתוחן של שיטות חדשות ומשוכללות כדי להתמודד עם עומס המידע באינטרנט – לצורך אגירת מידע, אבטחתו או ניתוחו. שיטות אלה מאתגרות את פרטיותנו.

אתגרים מסוג זה חוקר ד"ר גיא רוטבלום, מדען צעיר שהצטרף לאחרונה למחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית במכון ויצמן.

"בעידן המידע, ישנם פריטי מידע רגישים שנאספים ללא הרף", אומר ד"ר רוטבלום, שהשלים את לימודיו לתואר שני במכון תחת הנחייתו של פרופ'מוני נאור לפני שנסע ללימודי הדוקטורט שלו ב-MIT. המנחה שלו בבוסטון הייתה לא אחרת מאשר פרופ'גולדווסר, המחזיקה במינוי כפול במכון ויצמן וב-MIT. "לצד המידע הפרטי שאנחנו חולקים ברשתות החברתיות, יש מידע אודותינו שארגונים גדולים וממשלות אוספים ואוגרים באופן אוטומטי – החל מפרטי רכישות מקוונות, דרך היסטורית הגלישה שלנו ברשת וכלה במידע מדויק על כל הקלקה, לייק, או שיתוף – כל זאת מבלי לבקש מאתנו רשות".

רובנו מקבלים בהסכמה את האיסוף הזה של מידע, שמאפשר לתאגידי האינטרנט לשלוח לנו פרסומות מותאמות אישית, ולגופים כגון אמזון -  להבין מה נרצה להוסיף לעגלת הקניות הווירטואלית שלנו. אבל לדברי ד"ר רוטבלום, כאשר תאגידים וארגונים גדולים כורים מידע אישי ולאחר מכן משתמשים בו בפורום ציבורי, עלולות להיות לכך השלכות בעייתיות.

בשנות ה-90 של המאה העשרים, חברת הביטוח הממשלתית של מדינת מסצ'וסטס בארה"ב – אשר אחראית על ביטוחים קולקטיביים לעובדי המדינה – החליטה לתרום את חלקה למחקר הרפואי באמצעות שיתוף מאגרי המידע שלה, שהכילו מידע על ביקורי מבוטחיה בבתי חולים. מידע זה עבר תהליך "אנונימיזציה", בו הוסרו אמצעי זיהוי כגון שמות, כתובות ומספרי ביטוח לאומי. עם זאת, היה מי שהצליח לאחזר את המידע החסר ולזהות בחזרה את כל החולים ברשימה - על-ידי השוואה לפנקסי הבוחרים. ניסוי זה באבטחת מידע (או היעדרה) בוצע על-ידי סטודנטית לתואר מתקדם במדעי המחשב, שבחרה "לפרסם"את תוצאות עבודה בדרך מקורית: היא שלפה מספר רשומות ספציפיות מהמאגר ועשתה להן "דה-אנונימיזציה"ואז שלחה אותן – לצד האבחון הרפואי והמרשמים הרלוונטיים – לחולה הספציפי לו היו שייכות הרשומות: מושל מסצ'וסטס בכבודו ובעצמו.

"בימינו, אבטחת מידע לא רק קשורה בהסתרת סודות מהאקרים פליליים, שכן ארגונים חולקים מידע זה עם זה ממגוון סיבות לגיטימיות", אומר ד"ר רוטבלום. "הבעיה היא שהשימוש הציבורי במידע מסוג זה עלול לייצר השלכות אישיות משמעותיות".

ד"ר רוטבלום צבר ניסיון ממשי בחקר סוגיות חברתיות הקשורות לפרטיות, הן בעולם האקדמיה והן בתעשייה. לאחר שהשלים את הפוסט-דוקטורט באוניברסיטת פרינסטון, הוא בילה שלוש שנים בחברת מיקרוסופט, במהלכן פעל כחלק מצוות שמטרתו  לקדם את המדע – ולהבטיח את עתידה של מיקרוסופט – על-ידי בחינה של האופנים בהם פרטיות והצפנה משפיעות על טכנולוגיה חדשה.

כאן במכון ויצמן, מקווה ד"ר רוטבלום שהגישה התיאורטית אותה פיתח תוביל לפיתוח של הגדרות מתמטיות ברורות של פרטיות ושל חשיבותה בעולם משתנה.

"אנחנו צריכים להגיע למצב שבו ניתוחים של מידע צבור בקנה מידה גדול יכולים לשפר את פני החברה ובד בבד לשמור על פרטיותם של בני אדם", הוא אומר. "בסופו של דבר, הכל תלוי באופן שבו אנחנו מנצלים את כמויות המידע העצומות הנערמות סביבנו, שהן תולדה של שימוש בטכנולוגיה מודרנית".

ד"ר רוטבלום הוא ישראלי-אמריקאי שנולד למשפחת אקדמאים; אביו היה חבר סגל באוניברסיטת ייל ובטכניון, ואחיו הצעיר – מדען שרכש את השכלתו במכון ויצמן – שוהה כעת ב-MITבמסגרת פוסט-דוקטורט אצל פרופ'גולדווסר. אך לאחר שנים רבות בהן התגורר בארה"ב, ד"ר רוטבלום שמח מאוד לשוב לרחובות.

"כחבר סגל צעיר, אני רק מתחיל להבין איך דברים עובדים מבפנים, אבל הנתונים מצביעים כולם על דבר אחד", הוא אומר. "אני לא יכול לדמיין לעצמי מקום טוב יותר לקיים בו את המחקר שלי מאשר מכון ויצמן".

ד"ר עופר יזהר מאיר תאים במוח כדי לגבור על פחד

אחסונם של זיכרונות מפחידים במוחנו, כפי שקורה למשל בהפרעה פוסט-טראומטית, עלולה לגרום לאנשים לשקוע בדיכאון חמור. מדענים ממכון ויצמן למדע הצליחו להדגים כיצד תאורה של אזור מסוים במוח עשויה לשחרר מעט את אחיזתם של זיכרונות כאלה במוח ובכך לצמצם את ההתנהגות המונעת מפחד.

במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת Nature Neuroscience, מדגימים ד"ר עופר יזהר מהמחלקה לנוירוביולוגיה וצוות של חוקרים כיצד ניתן לצמצם את כמות התגובות ה-"מתוזמנות"שמקושרות אצלנו לזיכרונות מפחידים. זאת, באמצעות שימוש באופטוגנטיקה – טכנולוגיה  שמאפשרת להנדס גנטית  תאי מוח  מסוימים  כך שיהיו רגישים לאור, ולאחר מכן להפעילם  באמצעות הבזקים של אור ממוקד.

צוות המחקר כלל את הפוסט-דוקטורנטים ד"ר מתיאס פריגה וד"ר עודד קלאויר (כעת חוקר באוניברסיטת חיפה) ואת  פרופ'רוני פז, מהמחלקה לנוירוביולוגיה, והסטודנטית איילת שראל.

לגרום לקצר במסר

במהלך הניסויים שערכו המדענים, נחשפו עכברי מעבדה לתנאים מעוררי-פחד לצד צלילים שלמדו לקשר לפחד עצמו. לאחר שביססו כהלכה את הקשר בין הצליל לפחד, החוקרים השתמשו באור לייזר ממוקד כדי להפעיל נוירונים ספציפיים במוחם של העכברים. כתוצאה מכך, העכברים הפסיקו להפגין רתיעה כאשר שמעו את הצליל, ובכך "שכחו"שהיו מפוחדים קודם לכן.

בניסוי אחר, ההפעלה האופטוגנטית הצליחה לקדם "למידת היכחדות" (extinction learning) – הפחתה הדרגתית בתגובות מותנות לגירויים מעוררי-פחד. בדומה למצב שבו הסובלים מפוסט-טראומה מפתחים עמידות לגירויים שבעבר היו גורמים להתפרצות תחושת הטראומה, העכברים – שמטבעם היו חששניים – הפגינו רמות נמוכות יותר של פחד לאחר הטיפול.

התאים שעליהם הפעילו ד"ר יזהר ועמיתיו את המניפולציה מוכרים כמעורבים בתקשורת בין שני אזורים שונים של המוח – האמיגדלה (amygdala), אשר אחראית בין היתר על הרגש, וקליפת המוח הקדם-מצחית (prefrontal cortex, או בקיצור, PFC) הקשורה ב אחסון זיכרונות לטווח ארוך. מחקרים קודמים הצביעו על האפשרות שהתקשורת בין שני אזורים אלה במוח תורמת להיווצרותם ואחסונם של זיכרונות שליליים, וכן כי אינטראקציות אלו נפגמות אצל אנשים הסובלים מהפרעה פוסט-טראומטית. אולם, המנגנונים המדויקים המניעים את התהליכים הללו טרם ידועים לנו.

צוות החוקרים השתמש בנגיף מהונדס גנטית כדי לסמן את הנוירונים באמיגדלה שמתקשרים על בסיס קבוע עם הקורטקס. בשלב השני, הם השתמשו בנגיף נוסף כדי להחדיר גן האחראי על הפקת חלבון רגיש לאור בנוירונים אלה. כאשר כיוונו אל המוח אלומת לייזר ממוקדת, רק הנוירונים שהכילו את החלבונים הרגישים לאור הפכו לפעילים, ובכך אפשרו לחוקרים למפות את הנוירונים בקורטקס שקיבלו את האיתותים הרלוונטיים מהנוירונים באמיגדלה.

יתרה מכך, החוקרים מצאו כי גירוי הנוירונים באמיגדלה באמצעות אור בתדר גבוה, הפחית את התקשורת שלהם עם מקביליהם בקורטקס. ההליך לא רק שיבש את היווצרותה של תגובת "פחד"בעכברים, אלא גם הפחית את העוצמה של תגובות הפחד שנקשרו במוחם לסימנים חיצוניים מסוימים – ובכך הקלו את ההתגברות על הפחדים.

מחקר זה הראה כיצד אותות המועברים בין שני אזורים שונים של המוח ביונקים תורמים להיווצרותה של תחושת הפחד. החוקרים מקווים כי ממצאים אלה יסייעו  לרופאים ולמומחי בריאות הנפש לבנות פרוטוקולים רפואיים חדשים לטיפול שידכא זיכרונות רעים בבני אדם.

"קל לנו לזכור את הדברים הנוגעים ללבנו, בין אם הם חיוביים או שליליים; וזוהי גם הסיבה לכך שזיכרונות של אירועים טראומטיים נשארים אתנו לזמן ממושך יותר, ובכך גורמים לאנשים לסבול מהפרעה פוסט-טראומטית", אומר ד"ר יזהר. "הבנה טובה יותר של המעגלים הנוירולוגיים האחראיים על השרשת הפחד במוח – בשילוב עם היכולת לבצע מניפולציות על מעגלים אלה – עשויה לתרום לשכלולם של מנגנוני שיקום שיסייעו לחולים לרכוש מחדש את עמידותם הרגשית".

Dr. Ofer Yizhar’s research is supported by Jean-Charles Schwartz and Marc – Antoine Schwartz; the Adelis Foundation; the Candice Appleton Family Trust; Paul and Lucie Schwartz, Georges; and the Vera Gersen Laboratory.  Dr. Yizhar is the incumbent of the Gertrude and Philip Nollman Career Development Chair

החיים הקדומים התפתחו באוקיינוס פחות חומצי

תחזית מזג האוויר לרוב אינה כוללת את המשפט: "גבירותי ורבותי, רמת החומציות של האוקיינוס היום היא 6.4!"אך רמת החומציות (המכונה pH) של האוקיינוס היא נתון חשוב למדי. נתון זה מסמל לא רק את החומציות או הבסיסיות היחסית של מי הים, אלא גם מווסת את יכולתו של סידן פחמתי – הרכיב העיקרי בקונכיות ובביצים של חיות ים – להיווצר וקובע את מידת הזמינות של מתכות המשמשות חומרי מזון ליצורים ימיים. רמת החומציות קובעת גם את אופן החלוקה בין הפחמן הדו-חמצני שנותר באטמוספירה והפחמן שמתמוסס במי הים – מאזן המהווה משתנה מרכזי באקלים כדור הארץ.

לאחרונה, הצליח ד"ר איתי הלוי מהמחלקה למדעי כדור הארץ וכוכבי הלכת במכון ויצמן למדע - יחד עם ד"ר אביב בחן מאוניברסיטת סטנפורד – לפתח מודל שמסביר כיצד השתנתה רמת החומציות של מי הים מאז ימי קדם. המודל החדש, שמשלב נתונים ומודלים קיימים על המבנה הכימי של האטמוספירה, האוקיינוסים, וקרום כדור הארץ, מזהה את "החשוד המיידי"בשינויים שעברה הכימיה של מי הים: הפחתה הדרגתית ברמות פחמן דו-חמצני באטמוספירה - בתגובה לבהירות הולכת וגוברת של השמש.

על-פי מודל זה, שפורסם לאחרונה בכתב-העת Science, האוקיינוסים היו בעבר הרחוק די חומציים, ובמרוצת העידנים הפכו לבסיסיים יותר. המחקר מצא, כי לפני שלושה עד ארבעה מיליארדי שנים, רמת החומציות של מי האוקיינוס נעה בטווח בין 7.5-6.0, בערך בין הערכים של חלב ושל דם אנושי. זאת, בניגוד לערכים עדכניים יותר ובסיסיים יותר של 7.5 עד 9.0. ממצאים אלה עוזרים לתאר את התנאים הכימיים שבהם נוצרו צורות החיים הקדומות ביותר ואת האופן שבו שגשגו אורגניזמים אלה באוקיינוס הקדום וכן להבין את התמורות הדינמיות שתרמו להתפתחות המאזן הכימי של האוקיינוסים בני זמננו.

השפעתה של השמש

כדי להתחקות אחר התמורות שהתרחשו על-פני תקופה עצומה של למעלה ממאה מיליוני שנים, פיתחו ד"ר הלוי ושותפיו מודל סטטיסטי של רמת החומציות של מי ים, כפונקציה של מספר משתנים. אחד ממשתנים אלה הוא הריכוז האטמוספרי של פחמן דו חמצני, אשר מדענים סבורים כי השתנה לאורך ההיסטוריה של מערכת השמש בתגובה להתחממות הדרגתית של השמש. מאז שנוצרה לפני 4.5 מיליארדי שנים, עוצמת התאורה של השמש הלכה וגברה. זאת, משום שככל שעובר הזמן, שורפת השמש את המימן המצוי בליבתה. שאריות ההליום הנותרות הן דחוסות יותר מהמימן, וכך התגובות הגרעיניות בשמש מפיקות חום גבוה יותר – שגורם לשמש להתבהר.

במקביל להתבהרות הסולרית, אשר הפחיתה את מידת החומציות של האוקיינוסים הקדומים על-ידי הפחתת ריכוזי הפחמן הדו-חמצני, כדור הארץ עצמו התקרר. התקררות זו הפחיתה את התנועה של מי הים דרך קרום כדור הארץ, ובכך תרמה להפחתה במידת החומציות של האוקיינוס לאורך זמן.

אם נרצה להשליך מתובנות היסטוריות אלה על האוקיינוסים של ימינו ועל הרמות המשתנות של פחמן דו-חמצני באטמוספירה - שרבים מאמינים שהן הבסיס לשינויי האקלים - עלינו לזכור, לדבריו של ד"ר הלוי,  שהשינויים ברמת החומציות של האוקיינוס התרחשו על-פני טווחי זמן גיאולוגיים, כלומר, מיליוני שנים. "התגברות החומציות, הנקשרת עם הרמות הגוברות של פחמן דו-חמצני כיום, מתרחשת במהירות", הוא אומר. "המודלים שלנו לא תקפים לבעיה קצרת-טווח. בעוד מאות אלפי שנים, האוקיינוסים ימצאו איזון חדש; אך עד שזה יקרה, אורגניזמים ימיים וסביבת החיים הימית עלולים לסבול".

בתמונת השער:
סְטְרוֹמַטוֹליטים הם מבנים מרובדים בסלע, הנוצרים במים רדודים על ידי ביופילם (קרום חיידקי) של מיקרואורגניזמים, אשר לוכדים, קושרים ומהדקים גרגירי סלע. סטרומטוליטים של ימינו דומים לאלה אשר נחשפים במאובנים בני 3.7 מיליארד שנים, ומשמשים דוגמה לחיים של אוכלוסיות מיקרוביאליות קדומות. 

Dr. Itay Halevy’s reseach is supported by the Helen Kimmel Center for Planetary Science; the Deloro Institute for Advanced Research in Space and Optics; and the Wolfson Family Charitable Trust. Dr. Halevy is the incumbent of the Anna and Maurice Boukstein Career Development Chair in Perpetuity

ידע אישי בשילוב שיתוף פעולה מובילים להצלחה

נמלים מסוגלות להרים משאות כבדים בהרבה ממשקל גופן. אולם, כאשר גרגיר המזון הוא כבד מדי עבור נמלה אחת, צוות של נמלים יודע להיחלץ לעזרתה, ולעבוד ביחד על-מנת לשאת את המזון בחזרה לקן. תופעה זו, של עבודה קולקטיבית עומדת בבסיס מחקר חדש אשר התבצע במעבדתו של ד"ר עופר פיינרמן מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע. במאמר שפורסם לאחרונה בכתב-העת הדיגיטלי eLife, הצליח ד"ר פיינרמן להדגים כי נמלים – אשר מנסות לנווט בהצלחה באופן קולקטיבי – סוטות מהמסלול שמותווה להן ומצליחות להתוות מסלול טוב יותר, תוך כדי תנועה, באמצעות צבירת מידע פרטני מהנמלים בקבוצה.

כאשר נמלה בודדת מוצאת מזון איכותי, היא מתחילה לנוע בחזרה לקן. הדרך חזרה לקן רצופה בעצירות, בהן הנמלה מניחה רצף של סימני ריח קטנים. סימנים אלו, בדומה לחלוקי הנחל בסיפור הילדים "עמי ותמי", מסייעים לנמלים אחרות להגיע ליעד. אך כאשר מגיע צוות הסיוע - "המובילים"או הנמלים הסוחבות – אשר אף אחת מהן אינה יודעת את כל המידע הדרוש על-מנת לתכנן את המסלול הטוב ביותר – הן משאירות אחריהן סימני ריח נוספים המייצגים את "הרעיונות"שלהן בדבר כיוון התנועה המועדף. כך, חרף העובדה שהרעיונות של "המובילים"עשויים להיות שגויים, ועל אף העובדה שהצוות כולו אינו עוקב אחר הסימנים החדשים במאה אחוזי דיוק, הכל מסתדר לבסוף: המסלול החדש  אשר נוצר באופן דינמי – תוך כדי תנועה ובהסתמך על ידע מוגבל של הנמלים האינדיבידואליות – הוא יעיל הרבה יותר מהמסלול שנקבע על-ידי הנמלה שמצאה את המזון לראשונה

"הנמלה הראשונה עשויה לצלוח מעבר צר בכדי להגיע למזון, ומעבר מסוג זה עשוי להוות מכשול גדול מדי עבור קבוצה המובילה חתיכת מזון גדולה בחזרה לקן", מסביר ד"ר פיינרמן. "התרגום החופשי שהקבוצה נותנת לסימני הריח מאפשר לה לרתום לרשות הקולקטיב את הידע האינדיבידואלי של כל נמלה בקבוצה ובד-בבד להימנע ממכשולים שעשויים להוביל את הקולקטיב לדרך ללא מוצא".

לאחר שביצע ניתוחי וידאו של תנועות הנמלים, חבר ד"ר פיינרמן למומחים בחישוב מבוזר כדי לפתח מודל מתמטי של ניווט קולקטיבי במהלך הובלה משותפת – מודל שעשוי להיות שימושי גם לבני אדם בעתיד.

"המחקר שלנו בוחן את הקשר בין מידע הנמצא ברשות היחיד, וכיצד מידע זה – גם אם הוא מטעה לעתים – יכול לתרום לקבלת החלטות קבוצתית", הוא אומר. "למדנו כי, מבחינה קולקטיבית, הליכה "מחוץ למסלול"יכולה להביא אותך קרוב יותר אל היעד".

תמונת השער: קן של נמלים מין קמפונית פולחת, המסומנות על ידי תגי זיהוי אישיים. באדיבות מעבדתו של ד"ר פיינרמן. 

Dr. Ofer Feinerman is funded by the Clore Foundation and the European Research Council. He is the incumbent of the Shlomo and Michla Tomarin Career Development Chair

מענק HHMIלחוקרים בוויצמן ולמדענים ישראלים שצמחו במכון

שישה מדענים ישראלים נבחרו השנה לקבל את מענקHHMI  היוקרתי (Howard Hughes Medical Institute award), הניתן לחוקרים צעירים מבטיחים מחוץ לארה"ב בתחום הביו-רפואה. כל השישה קיבלו את הדוקטורט שלהם במכון ויצמן למדע, ושלושה מהם משמשים חוקרים במכון.

מענק HHMIזיכה 41 חוקרים משש עשרה מדינות בסכום של 650 אלף דולר לחמש שנים, אשר יסייע להם לקדם פרויקטים יצירתיים ולחתור לגילויים מדעיים בתחומי המחקר שלהם.      

"אנחנו גאים בחוקרי ויצמן אשר זכו לכבוד הזה ובעובדה ששורשיהם האקדמיים של כל הישראלים שברשימה נטועים במכון. מבחינתנו, זוהי ראיה להשפעתו של המדע שיוצא ממכון ויצמן. יותר מכך, היחס המספרי הגדול של ישראלים בקרב רשימת הזוכים משאר העולם מלמד על כוחו של המדע הישראלי".       

מדעני מכון ויצמן, אשר זכו במענק הם:

פרופ'עידו עמית, מהמחלקה לאימונולוגיה, חוקר את תפקודה של מערכת החיסון והשפעתה על בריאות  וחולי. מעבדתו עוסקת בפיתוח של טכניקות גנומיות חדשניות לניתוח תא-בודד, כדי לחקור תאים אלה ברזולוציה גבוהה ביותר. הבנת פעילות התאים במערכת החיסון תסייע לקידום הדור הבא של אימונותרפיה נגד סרטן, נוירודגנרציה (ניוון של נוירונים) ועוד.         

ד"ר שלו איצקוביץ, מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא, חוקר את העקרונות המעצבים של רקמות מטבוליות. הוא משלב שיטות חישוביות וניסיוניות, כולל הדמיה של מולקולות בודדות ברקמה, כדי להבין כיצד קשרים בין תאים ברקמה מאפשרים פעילות תקינה וכיצד תבניות קישור אלה מופרעות במחלות כגון סוכרת.

ד"ר ערן אלינב, מהמחלקה לאימונולוגיה, חוקר את חיידקי המעי (׳המיקרוביום׳) ואת השפעתם על תזונה, על בריאות האדם ועל מחלות דלקתיות, זיהומיות, מטבוליות, גידוליות ואף מחלות ניווניות של מערכת העצבים. פענוח הקוד המולקולרי השולט על יחסי הגוף עם החיידקים שלו יאפשר למעבדת אלינב לפתח התערבויות חדשניות נגד מחלות אלה באדם.

המדענים הישראלים הנוספים הם:

ד"ר יוסי בוגנים, מהאוניברסיטה העברית בירושלים, עוסק במחקר של תאי גזע באמצעות חיפוש אחר דרכים משופרות לתכנות מחדש של תאי עור לתאים המיועדים לקליניקה (כגון תאי גזע עובריים, תאי גזע שלייתיים ותאי עצב). את עבודת הדוקטורט שלו עשה במעבדתה של פרופ'ורדה רוטר מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן, ואת התואר קיבל בשנת 2008.

ד"ר עידן עפרוני, מהפקולטה לחקלאות של האוניברסיטה העברית בירושלים, חוקר מה עומד בבסיסן של  יכולות הרגנרציה המיוחדות של צמחים, תוך התמקדות באופן שבו צמחים מגייסים תאים כדי ליצור תאי גזע ומריסטמות. תוצאות מחקרו יובילו לשיפור השיטות של ריבוי צמחים למטרת ייצור מזון. את הדוקטורט שלו קיבל ב-2010 ממכון ויצמן במסגרת עבודתו במעבדה של פרופ'יובל אשד מהמחלקה למדעי הצמח והסביבה.  

פרופ'אסיה רולס, מהטכניון – מכון טכנולוגי לישראל, חוקרת את היחסים שבין מערכת החיסון והמוח והקשר לבריאות וחולי. את לימודי הדוקטורט עשתה תוך עבודתה במעבדה של פרופ'מיכל שוורץ מהמחלקה לנוירוביולוגיה שבמכון ויצמן, ובשנת 2007 קיבלה את התואר.

פרופ'רולס, האישה היחידה בחבורה, היתה עמיתה של קרן קלור במסגרת התכנית הלאומית לפרסי מחקר פוסט-דוקטוריאליים לקידום נשים במדע של מכון ויצמן למדע. תכנית סלקטיבית זו, שהושקה לפני כעשור, תומכת בשהותן בחו"ל של מדעניות נבחרות לצורך עבודת פוסט-דוקטורט. התכנית ממומנת על ידי תומכי מכון ויצמן ופתוחה לחוקרות שסיימו תואר שלישי בכל האוניברסיטאות בארץ.   

בהתייחסו לכל הזוכים במענק, אמר דיויד קלפהאם, סגן נשיא HHMIוהמדען הראשי של הארגון: "קבוצה מצוינת זו של מדענים תיתן דחיפה משמעותית למחקר הביו-רפואי בעולם, ואנחנו נרגשים לתמוך בהם יחד עם שותפינו הפילנתרופים".  

הפרסים שבהם זכו החוקרים ממומנים על ידי HHMI, קרן ביל ומלינדה גייטס, קרן וולקאם (Wellcome Trust) וכן קרן קלוסטה גולבנקיאן. הזוכים נבחרו מתוך 1,400 מועמדים, על סמך הישגיהם המחקריים עד כה, כולל במסגרת הדוקטורט והפוסט-דוקטורט, וההשלכות הצפויות של עבודתם.

Prof. Ido Amit is supported by the David and Fela Shapell Family Foundation INCPM Fund for Preclinical Studies; the Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust; the Rosenwasser Fund for Biomedical Research; the  Steven B. Rubenstein Research Fund for Leukemia and Other Blood Disorders; the Alan and Laraine Fischer Foundation; Isa Lior, Israel; Drs. Herbert and Esther Hecht, Beverly Hills, CA; the Comisaroff Family Trust; Rising Tide; the David M. Polen Charitable Trust; BLG Trust; Mr. and Mrs. Harold Hirshberg, Park Ridge, NJ; David and Molly Bloom; and the Estate of Alice Schwarz-Gardos. Prof. Amit is the recipient of the Helen and Martin Kimmel Award for Innovative Investigation

Dr. Eran Elinav is supported by the Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust; the Adelis Foundation; the Else Kroener Fresenius Foundation; John L. and Vera Schwartz, Pacific Palisades, CA; Rising Tide; Andrew and Cynthia Adelson, Canada; Yael and Rami Ungar, Israel; Leesa Steinberg, Canada; Jack N. Halpern, New York, NY; Lawrence and Sandra Post Family; the Bernard M. and Audrey Jaffe Foundation; the European Research Council. Dr. Elinav is the Incumbent of the Rina Gudinski Career Development Chair

Dr. Shalev Itzkovitz is supported by the Henry Chanoch Krenter Institute for Biomedical Imaging and Genomics; the Rothschild Caesarea Foundation; the Cymerman-Jakubskind Prize; and the European Research Council. Dr. Itzkovitz is the incumbent of the Philip Harris and Gerald Ronson Career Development Chair