חודש: יולי 2020

חוקרים בטכניון ובאוניברסיטת תל אביב גילו את דפוס-התזמון המפתיע של תנועת זרועות האלמוגים, המעניק להם יתרונות משמעותיים באספקת חמצן ומזון. את המחקר, שהתפרסם ב-Proceedings of the Royal Society B, ערכו פרופ’ אורי שביט והסטודנט דרור מלול מהפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית בטכניון ופרופ’ רועי הולצמן מהמחלקה לזואולוגיה באוניברסיטת תל אביב.

אלמוגים הם בעלי חיים ימיים המתקיימים כשהם מקובעים למצע ולכן אין להם אפשרות לשוטט בחיפוש אחר מזון. ככאלה, הם תלויים בזרימת המים החיונית לאספקת מזון וחמצן וסילוק חומרי פסולת. גוף האלמוג אומנם מקובע לקרקעית, אך את גופו מעטרות זרועות ציד הנשלחות אל המים שסביבו. האלמוג משתמש במערכת השרירים המוגבלת ש

לו ובמערכת שאיבה פנימית כדי לכנס את זרועותיו כדי לתפוס טרף או כדי להתגונן מפני טורף, אבל הוא אינו מסוגל להניע את הזרועות מצד לצד.

חוקרי הטכניון צילמו את זרועות הציד בתנועתן בים ובמתקן גלים במעבדה שבמכון הבין-אוניברסיטאי למדעי הים באילת, וגילו להפתעתם כי תנועת הזרוע אינה פסיבית, כלומר אינה נעה בהשפעת הגלים בלבד, אלא מקדימה את תנועת הגלים. לדברי פרופ’ שביט, “בניסויים מדדנו את תנועת זרועות הציד ואת מהירות המים בסמוך להן, והופתענו לגלות שיש כאן דפוס מתוחכם ולא אינטואיטיבי – זרועות הציד נעות בתדירות זהה לתדר הגלים, כלומר באותו קצב, אבל הן מקדימות את הגל ברבע זמן מחזור וכך יוצרות הפרש פאזה. התוצאה הייתה מסקרנת כי היה לנו ברור שלאלמוג אין מערכת שרירים שיכולה לקיים תנועה יזומה.”

המחקר מראה כי כאשר המים נעים הצידה, הזרוע האלסטית נעה איתם ו״נדרכת״; וכאשר זרימת המים נחלשת, הכוח האלסטי מחזיר את הזרוע למרכז לפני שמהירות המים משנה את כיוונה. באמצעות משוואות מתמטיות, סימולציות ומדידות נוספות גילו החוקרים כי הפרש הפאזה וההגברה של התנועה היחסית בין הזרועות והמים מביאים לשיפור של עשרות אחוזים בשלושה תפקודים חשובים: הגדלת כמות החמצן שהוא קולט בלילה; הרחקת עודפי החמצן בזמן הפוטוסינתזה ביום; והגדלת כמויות המזון (פלנקטון) שהוא צד. צילום תנועות הזרוע של מינים אחרים הראה כי מנגנון זה אופייני לכלל זרועות האלמוגים. לדברי דרור מלול, “בסביבה הצפופה והתחרותית של השונית, כל מנגנון שיספק לאלמוג יתרון על פני שכניו עשוי לקבוע מי ממיני האלמוגים ישרוד. עד היום נחשפו מנגנונים ביולוגיים רבים שמסייעים לאדפטציה לסביבת השונית המורכבת, אבל הדרך להבנה מלאה של המנגנונים הפיזיקליים עוד ארוכה.”

בעקבות התגלית התמקדו החוקרים בסוגיות הבאות: לימוד המנגנון שיוצר את הפרש הפאזה, וזאת על ידי פיתוח מודל דינמי לחישוב התנועה המחזורית של זרועות האלמוגים; פיתוח שיטת מדידה של התכונות האלסטיות של הזרועות; וחקירה של המנגנונים שמקנים לאלמוגים יתרונות בהקשרים של חילוף חומרים עם המים, זאת על ידי פתרון נומרי של זרימת המים ותנועת המומסים לשם חישוב שטפי הכניסה והיציאה בתלות במהירות המים והפרש הפאזה. בין השאר הם גילו כי הפרש הפאזה מאפיין את כלל האלמוגים וכן בעלי חיים אחרים המקובעים למצע.

 

 

למאמר ב- Proceedings of the Royal Society B לחצו כאן

 

לסרטון המציג את המחקר:

[su_youtube url=”https://www.youtube.com/watch?v=YDQLzeLJGf8″ width=”700″ height=”200″ autoplay=”yes”]

חוקרים מהטכניון ועמיתיהם בגרמניה מציגים שיפור משמעותי ביעילותם של תאים ביו-סולריים המפיקים חשמל ודלק באמצעות אנרגיית שמש. החוקרים הם ד”ר דביר הריס ופרופ’ נעם אדיר מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך ותוכנית האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון ועמיתיהם פרופ’ מרק נוואצ’יק וד”ר פולקה הרטמן מ-RUB (Ruhr-Universität Bochum). המאמר פורסם בעמוד השער של כתב העת Journal of Materials Chemistry A.

 

פיתוחם של מקורות אנרגיה מתחדשים ובני-קיימא הואץ בעשורים האחרונים, וזאת בעקבות ההכרה בנזקי השימוש בדלקים מחצביים כגון פחם ונפט. עם זאת, בדומה להפקת דלקים מחצביים, גם הפקה של דלקים מתחדשים כגון מימן מצריכה השקעה אנרגטית גדולה, ולכן השאיפה היא להשתמש לשם כך במקור האנרגיה הבלתי נדלה – השמש.

 

מאחר שבמהלך האבולוציה התפתח בחיידקים, באצות ובצמחים שונים מנגנון יעיל מאוד להפקת אנרגיה מקרינת שמש – תהליך הפוטוסינתזה – אחת המגמות בהפקת אנרגיות מתחדשות כיום היא פיתוח תאים ביו-סולריים המבוססים על תהליך זה. תאים אלה משלבים בתוכם מערכות טבעיות להמרת אנרגיה, ואחת מהן היא  PSII- אשכול-חלבונים גדול המפרק מים לאלקטרונים, פרוטונים וחמצן (כתוצר לוואי) באמצעות אנרגיית השמש.

חסרונה של מערכת PSII בכך שהיא יודעת לקלוט ולנצל תחום (ספקטרום) צר של קרינת השמש, ולכן אינה מנצלת את מלוא הפוטנציאל של משאב זה – למשל האור הירוק, המהווה כמחצית מספקטרום האור הנראה. כדי להתגבר על כך צימדו חוקרי הטכניון את PSII לפיקוביליזום – קומפלקס חלבונים ייחודי הנמצא בציאנובקטריה, שהיא אורגניזם ימי נפוץ המייצר את האנרגיה שלו באמצעות פוטוסינתזה. הפיקוביליזום התפתח באופן המאפשר לציאנובקטריה לקצור גם את הקרינה שמערכת PSII אינה יודעת לקלוט, ולהעביר אותה ל- PSIIלהמשך שימוש. שילוב זה של שתי המערכות לא שוחזר עד כה במערכות מלאכותיות.

כעת, לראשונה, צימדו חוקרי הטכניון ו-RUB את ה-PSII והפיקוביליזום במערכת הנדסית אחת המהווה פוטואנודה – אלקטרודה רגישה לאור. יתר על כן, הם הדגימו בניסויים את יעילותה של הפוטואנודה בהמרת קרינת השמש, לאורך כל הספקטרום של האור הנראה, לאנרגיה חשמלית. לדברי פרופ’ אדיר, “אנחנו מתכוונים להמשיך בפיתוח המערכת כדי להאריך את תוחלת החיים של מרכיביה הביולוגיים ואת ניצולת האנרגיה. להערכתנו, פוטואנודות PSII-פיקוביליזום עשויות להפוך לאמצעי מקובל להפקת אנרגיה ולהאיץ את השימוש באנרגיה מתחדשת.”

המחקר מומן על ידי הקרן לשיתוף פעולה ישראל-גרמניה בנושא ננו-אופטו-ביואלקטרוניקה במסגרת הקרן הלאומית למדע בישראל והקרן הגרמנית למדע (DFG).

ד”ר דביר הריס הוא בוגר תכנית הלימודים באנרגיה ע”ש גרנד במסלול דוקטורט.

למאמר ב  – Journal of Materials Chemistry A לחצו כאן

נשיא הטכניון פרופ’ אורי סיון בירך על המינוי והודה לפרופ’ לביא על הסכמתו לשמש יו”ר אגודת ידידי הטכניון בישראל. “בתקופה המאתגרת שבה אנו נמצאים היום,” אמר הנשיא, “חשוב שנתרכז בחיזוק בסיס הטכניון בישראל באמצעות הידוק הקשרים עם התעשייה הישראלית ועם בוגרי הטכניון לדורותיהם, כדי שנבטיח את המשך המובילות המדעית-מחקרית של הטכניון בארץ ובעולם.” פרופ’ סיון הודה בחום בשם משפחת הטכניון לאלוף (מיל’) חגי שלום, יו”ר אגודת ידידי הטכניון היוצא, על פועלו לקידום האגודה.

“לפני 45 שנה קשרתי את גורלי בגורל הטכניון,” אמר פרופ’ לביא בעקבות ההודעה על מינויו. “כאן התפתחתי כחוקר וכמחנך וכאן התקדמתי בשדרת הניהול הטכניונית עד לתפקיד המחייב של נשיא הטכניון. אני גאה להיות חלק ממשפחת הטכניון – משפחה שכל חבריה עתירי הישגים, מחויבים למדע ולהשכלה, אנשים שאכפת להם זה מזה, מהמדינה שבה הם חיים ומבני אדם בכל מקום שיהיו בו. לטכניון תפקיד מרכזי בפיתוח המדינה וביצירתה של תעשייה הייטק בעלת שם עולמי. לאגודת הידידים של הטכניון בישראל תפקיד חשוב ומרכזי בשמירה על המשך היותו מוסד אקדמי מוביל בארץ ובעולם. בתור יו”ר אגודת ידידי הטכניון בישראל אפעל לחזק את הקשר בין הטכניון לבוגריו ולתעשייה הישראלית.”

“היום, יותר מתמיד, אנו זקוקים לעזרת ידידי הטכניון בישראל,” אמר פרופ’ אלון וולף, סגן נשיא הטכניון לקשרי חוץ ופיתוח משאבים. “היכרותו העמוקה של פרופ’ לביא את הטכניון על כל שלוחותיו בארץ ובעולם תסייע לנו לקדם ולפתח קשרים עם תורמינו גם בישראל.”

פרופ’ לביא, מומחה בעל שם עולמי לחקר השינה, הוא יזם שנמנה עם מייסדי “איתמר מדיקל” וחברות נוספות בתחום ההנדסה הביו-רפואית. לפני מינויו לנשיא הטכניון הוא שימש בתפקידים בכירים אחרים ובהם דיקן הפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט וסגן נשיא הטכניון לקשרי ציבור ופיתוח משאבים. ב-2015, במקביל לכהונתו כנשיא הטכניון, הוא התמנה ליו”ר ור”ה (ועד ראשי האוניברסיטאות). במרוצת השנים היה פרופ’ לביא מעורב, כמומחה עולמי בתחום השינה, בכמה החלטות ציבוריות משמעותיות ובהן ביטול שעת האפס בבתי הספר היסודיים, הנהגת שעון הקיץ, הארכת משך השינה המינימלי בצה”ל והפעלת הגל השקט בתקופת מלחמת המפרץ הראשונה. מינויו ליו”ר אגודת ידידי הטכניון בישראל נכנס לתוקף מיד עם אישורו פה אחד ב-23 ביוני.

 

אגודת ידידי הטכניון בישראל, המנוהלת על ידי עפר שמחוני, פועלת לחיזוק הטכניון ולהמשך צמיחתו ופיתוחו. זאת באמצעות גיוס תמיכה בפרויקטים אסטרטגיים בטכניון מבוגרים, מחברות בתעשייה, מקרנות פילנתרופיות ועוד.

קרדיט לתמונה: Wall Street Journal photos – Credit to Annie Tritt

חוקרים מהטכניון הדגימו לראשונה תצפית ניסויית בהסתעפות קרני אור. הממצאים התפרסמו הערב על שער כתב העת המדעי היוקרתי Nature. את המחקר פורץ הדרך ערכו הדוקטורנט אנטולי (טוליק) פצוק וד”ר מיגל בנדרס, שהיה פוסט-דוקטורנט בטכניון והיום הוא חבר סגל ב-CREOL, מכון המחקר לאופטיקה ופוטוניקה ב-UCF, בהנחייתם של נשיא הטכניון פרופ’ אורי סיון ופרופ’-מחקר מוטי שגב מהפקולטות לפיזיקה ולהנדסת חשמל.

 

כשגלים עוברים דרך תווך שיש בו הפרעות – תווך לא הומוגני – הם מתפזרים, ולעתים מתפזרים לכל הכיוונים. פיזור האור הוא תופעה טבעית המתרחשת במקומות רבים בטבע והוא, לדוגמה, הגורם לכך שהשמים נראים לנו כחולים.

מתברר שכאשר ההפרעות האמורות משתנות על פני מרחקים גדולים מאורך הגל נוצר דפוס פיזור ייחודי מאוד: האור יוצר ערוצים (ענפים) של עוצמות מוגברות, וערוצים אלה ממשיכים להסתעף שוב ושוב ככל שהגל מתקדם. תופעה זו נצפתה לראשונה בתנועת אלקטרונים כבר בשנת 2001, ונקראה בשם “זרימה מסועפת” (Branched Flow) בעקבות אותה תגלית הועלתה ההשערה שזרימה מסועפת תתקיים גם בסוגי גלים אחרים בטבע ובהם גלי קול ואפילו גלי ים. כעת גילו חוקרי הטכניון את התופעה האמורה בעולם האופטיקה, ודרך הניסויים באופטיקה התגלו תכונות חדשות של התופעה ורעיונות חדשים לחלוטין.

“הזרימה המסועפת של האור לא הייתה התופעה שחיפשנו מלכתחילה,” אומר פרופ’ מיגל בנדרס. “מטרת המחקר הייתה לעצב אלומות של לייזר בתווך שהוא מרחב עקום – קליפה כדורית דקה. הקליפה הדקה ביותר שאנו מכירים היא בועת סבון, ולכן שיגרנו קרני לייזר לתוך הקליפה המולקולרית של בועת סבון. אבל כשהצלחנו ליצור בועת סבון מספיק יציבה כך שניתן לשלוח את האור הלייזר לתוכה – גילינו להפתעתנו שהאור מסתעף בתוך הקליפה שוב ושוב כמו ענפים וענפי משנה שצומחים מעץ.” עברה שנה עד שהבנו שההסתעפויות נובעות משינויים קטנים בעובי הקליפה, אשר משתנה מנקודה לנקודה. במצב רגיל שינויים כאלה מפזרים את האור לכל הכוונים, אולם מסתבר שכאשר “הפרעות העובי” האלה אינן אקראיות לחלוטין – אלא הן בעלות גודל אופייני (כמו הרים וגאיות) – האור מתפזר מהן על ידי יצירת הסתעפויות.

במחקרם הקרינו החוקרים קרן לייזר על קרום סבון דקיק שעוביו משתנה באופן אקראי. הם גילו שכשהאור נע בתוך הקרום הוא יוצר ענפים ארוכים – זרימה מסועפת. לדברי הדוקטורנט טוליק פצוק, “באופטיקה אנחנו עובדים בדרך כלל קשה כדי לאפשר לאור לנוע כאלומת אור צרה וממוקדת, אבל כאן הופתענו לגלות שהמבנה האקראי של קרום הסבון מיקד בעצמו את האור ויצר תמונה המזכירה ענפים של עץ. הטבע מזמן לנו הפתעות, וזו אחת מהן.”

“ההצלחה בהדגמת התופעה של זרימה מסועפת של האור באופטיקה פותחת דרכים חדשות לחקירה ולהבנה של תופעות גליות,” אומר פרופ’ אורי סיון, נשיא הטכניון חבר סגל בפקולטה לפיזיקה ומחזיק הקתדרה ע”ש ברטולדו באדלר, “שום דבר אינו מלהיב יותר מגילוי של תופעה חדשה בטבע, וזו ההדגמה הראשונה של התופעה האמורה בגלי אור. מסתבר שכשהטבע מחייך אפשר לגלות תופעות מרתקות במערכות פשוטות מאוד, ולשם כך עלינו רק להיות קשובים מספיק. היה כאן מאמץ משותף של חוקרים מתחומים שונים, עם השקפות שונות ורקע שונה, שהוביל לגילויים מרתקים.”

“ההצלחה בתצפית על זרימה מסועפת של האור פותחת אפשרויות חדשות במחקר, החל באפיון התווך שבו האור מתקדם בדיוק רב מאוד וכלה במעקב מדויק אחר ענפים אלה ולימוד תכונותיהם,” הוסיף פרופ’ סיון.

“יש כאן תגלית מדעית שפורסמה על שער מגזין Nature בזכות העובדה שהיא פותחת תחום חדש באופטיקה, אפילו שכרגע אין לה יישומים מיידיים,” אמר פרופ’-מחקר מוטי שגב, מחזיק הקתדרה ע”ש ד”ר בוב שילמן וחבר האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים. “הסיפור של התגלית הזאת מעניין מאוד – הסטודנט טוליק חיפש דבר אחד וגילה תופעה אחרת לגמרי, ובמקום להתעלם ממנה ולהמשיך בחיפוש הראשוני הוא שאל את עצמו, ואותנו, מה קורה כאן. כך אני מלמד את הסטודנטים שלי לעבוד – תמיד להתבונן בעובדות הניסוייות כפי שהן ולא להתעלם מתופעות שאנחנו רואים ומתקשים להסביר. טוליק ומיגל הצליחו לשפר את מערכת הניסוי משמעותית, למדו לייצב את בועות הסבון כך שלא התפוצצו למרות הסיב האופטי הדוקר אותן (דרכו האור מוכנס לבועה), עד לרמה שאפשרה לבודד את הפיזיקה שפועלת כאן. נדרשה לנו עוד שנה שלמה כדי להבין שאנו רואים בעצם זרימה מסועפת של האור (Branched Flow of Light), תופעה שמעולם לא נחקרה בהקשר של גלי אור.”

לדברי פרופ’-מחקר שגב, “בעקבות התצפית הזאת נוכל לחשוב על המון כיוונים חדשים. לדוגמה, שליטה בהסתעפות האור כדי לשלוט בזרמים בתוך נוזל, או שילוב של סבון וחומר פלורוסנטי שיהפוך את הענפים למקורות לייזר זעירים, או שימוש בקרום הסבון כפלטפורמה לחקר התנהגות גלית. המחקר פורץ הדרך הזה יכול להוביל למחקרי המשך מגוונים בתחומים רבים, וכפי שנהגנו פעמים רבות בעבר, גם כעת אנחנו שואפים לחקור וללכת למחוזות שאיש עוד לא ביקר בהם.”

פרויקט המחקר נמשך כעת במעבדותיהם של פרופ’-מחקר שגב ופרופ’ סיון בטכניון, ובמקביל במעבדתו החדשה של פרופ’ מיגל בנדרס ב-UCF. המחקר נערך במכון למצב מוצק בשיתוף עם מכון ראסל ברי למחקר בננוטכנולוגיה (RBNI) בטכניון.

למאמר ב- Nature לחצו כאן

 

לסרטון המסביר את המחקר:

[su_youtube url=”https://www.youtube.com/watch?v=CIc18-U3c34&feature=youtu.be” width=”700″ height=”200″ autoplay=”yes”]

 

תמונות מיקרוסקופ של קרום-נוזל כפלטפורמה לתצפית בזרימה מסועפת של האור:

 

 

תמונות מיקרוסקופ של קרן לייזר באורך גל של 532 ננומטר המתקדמת בתוך קרום סבון:

 

 

 

חוקרים בפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט בטכניון ועמיתיהם בבתי החולים רמב”ם וכרמל מציגים לראשונה את מסלול השפעתם של שיבושים במערכת הלב על התפתחות סרטנית. על פי הממצאים, כבר בשלב מוקדם של מחלת לב (קדם כשל לבבי), כשהיא עדיין אינה מסכנת את המטופל באופן ישיר, מופעל מנגנון המעודד התפתחות תאי סרטן לרבות גרורות.

 

את המחקר שהתפרסם בכתב העת Circulation הובילו ד”ר שמרית אברהם והפרופסורים יובל שקד ועמי אהרונהיים מהפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט בטכניון. להערכתם עשוי המחקר  להוביל למניעה של החמרה בהתפתחות סרטנית באמצעים עקיפים – על ידי הקדמת טיפולי לב בשלב מוקדם של מחלת הלב, שבו היא עדיין אינה מסכנת את המטופל באופן ישיר.

בשנים האחרונות מתבהר יותר ויותר הקשר בין סרטן למחלות לב, וזה הבסיס להתפתחותו של תחום מחקר חדש בשם קרדיו-אונקולוגיה. בין השאר ידוע כיום שתרופות אנטי-סרטניות מסוימות יוצרות גם רעילות לבבית (Cardiotoxicity) העלולה להוביל לבעיות לב וכלי הדם ובהן אי ספיקת לב, אוטם שריר הלב, הפרעות קצב, קרישי דם ויתר לחץ דם.

הקשר בין סרטן ומחלות לב פועל גם בכיוון ההפוך – האותות שמשחרר הלב במקרה של מצוקה קרדיו-וסקולרית עלולים לעודד ולהאיץ תהליכים סרטניים. המחקר הנוכחי מגלה כי יותר מכך, אפילו שינויים ראשוניים במערכת הקרדיו-וסקולרית ובעיקר בלב – שינויים שעדיין אינם מעידים על חולי לבבי  – עלולים לעודד צמיחת גידולים סרטניים וגרורות. לדברי פרופ’ אהרונהיים, “במקרה של היצרות  של המסתם האורטלי, הלב פועל כנגד לחצים גבוהים ועובר תהליך של cardiac remodeling – תכנות-מחדש של פעילותו. הלב מפריש חלבונים שבין השאר מעודדים חלוקת תאים, בדומה לחלוקת תאים בלתי מבוקרת כמו זו המאפיינת גידולים סרטניים.”

 

חוקרי הטכניון לא רק זיהו את התהליך האמור אלא גם גילו את אחד הגורמים המקשרים בין ה- cardiac remodeling לחלוקה המואצת של התאים הסרטניים. גורם זה הוא חלבון מופרש בשם פריוסטין (Periostin), הממלא תפקיד מרכזי ביכולת ההידבקות של תאים ונדידתם – לרקמות שונות בגוף. הם הראו כי מצוקת לב גורמת להפרשה מוגברת של פריוסטין לזרם הדם, וזו מובילה להאצת חלוקת התאים.

המחקר נערך בשתי זרועות: האחת – עבודה על מודלים של סרטן שד וסרטן ריאות בעכברים, והאחרת – ניתוח גוף נתונים עצום של חולי לב וחולי סרטן. מדובר במידע על כ-80 אלף חולי לב, שנאסף במשך כ-18 שנה על ידי פרופ’ אבינעם שירן, קרדיולוג בכיר בבית החולים כרמל. נתונים אלו עובדו והוצלבו עם מידע ממאגר הסרטן הישראלי על ידי פרופ’ וליד סליבא, אפידמיולוג בבית חולים כרמל. כך אימתו החוקרים את ההשערה שבעיות לבביות, גם בשלבים ראשוניים שלהן – ובעיקר בחולים צעירים (60-40) – מעודדות התפתחות גידולים סרטניים וגרורות סרטניות ופוגעות ביכולתו של הגוף להתמודד עמם. לדברי פרופ’ אהרונהיים, “בעקבות המחקר אנחנו ממליצים לשקול לטפל בבעיות לב גם בשלב מוקדם, כשהגוף עוד מתמודד בהצלחה עם הבעיה, ולא לחכות למצב אקוטי. אפשר לגלות בעיות כאלה בבדיקה פשוטה של אקו לב, ויתכן שבמקרים רבים, צינתור בשלב מוקדם יעזור לא רק ללב אלא גם ימנע התפתחויות סרטניות.”

המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע (ISF).

 

למאמר ב – Circulation לחצו כאן