מחקרים

המחקר הובל על ידי ד"ר בת-אל פנחסיק מבית הספר להנדסה מכנית בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, ופרופ' אמיר אילי מבית הספר לזואולוגיה בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז, בית הספר סגול למדעי המוח ומוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט באוניברסיטת תל אביב, המסטרנטים שי זוננרייך ושמואל גרשון מבית הספר להנדסה מכנית' וכן חוקרים מהאוניברסיטה הטכנית של דרזדן בגרמניה. המאמר פורסם בכתב העת היוקרתי Advanced Functional Materials.

"במעבדה שלי אנחנו חוקרים מנגנונים מכניים בטבע, בין היתר במטרה לשאוב מהם השראה לפתרון בעיות טכנולוגיות שונות. לאחרונה אנו מבצעים סדרת מחקרים בשיתוף עם המומחה לחקר הארבה פרופ' אמיר אילי, כדי להבין את המנגנון באמצעותו חופרת נקבת הארבה בור שבו היא מטילה את ביציה. מדובר במנגנון ייחודי שמורכב משני זוגות של איברים דמויי כפות שנפתחים ונסגרים באופן מחזורי, חופרים באדמה ומהדקים את החול לדפנות", מסבירה ד"ר פנחסיק.

"ידוע שלהרבה מנגנונים בגופם של חרקים בכלל, וארבה בפרט, יש עמידות גבוהה לשחיקה מכנית. כך לדוגמה גפי הפה הלועסות, שהן חיוניות לאכילה ונמצאות בשימוש יומיומי, עשויות מחומר עמיד ביותר. גם כפות החפירה משמשות את נקבת הארבה לפעולה מכנית עצימה, אך הן מופעלות רק 3 או 4 פעמים במהלך חייה, כשהיא מטילה ביצים. אנחנו ביקשנו לבחון אם גם כפות החפירה, העשויות מחומר קוטיקולרי קשיח, צוידו על ידי האבולוציה בעמידות גבוהה לשחיקה מכנית", ממשיך את דבריה פרופ' אילי.

^{צוות המחקר. מימין: המאסטרנט שי זוננרייך, ד"ר בת-אל פנחסיק ופרופ' אמיר אילי}

החוקרים בחנו את כפות החפירה בשלוש קבוצות שונות של נקבות ארבה: צעירות שטרם הטילו, בוגרות שהוחזקו בתנאים שלא אפשרו להן להטיל ביצים, זאת כדי לבחון אם הגיל בפני עצמו גורם לשחיקה, ומבוגרות שכבר הטילו שלוש או ארבע פעמים. כדי לאפיין את המבנה הפנימי והחוזק של כפות החפירה נעזרו החוקרים בטכנולוגיות מתקדמות של מיקרוסקופיה קונפוקלית, דימות תלת-ממדי פלורסנטי, ומאיץ חלקיקים (סינכרוטרון), על ידי הקבוצה הגרמנית. הממצאים העלו שכפות החפירה נשחקו במידה משמעותית וכי אין להן מאפיינים של עמידות גבוהה לשחיקה מכנית. בין היתר לא נמצאו בהן יונים של מתכות שתורמים לחיזוק החומר, המאפיינים חומרים ביולוגיים עמידים במיוחד.

ד"ר פנחסיק מסכמת: "כמו רוב בעלי החיים, גם נקבות הארבה מסיימות את חייהן לאחר שמילאו את תפקידן הביולוגי, כלומר סיימו להתרבות - שלושה עד ארבעה מחזורי הטלה. במחקר זה מצאנו שהאבולוציה תכננה את כפות החפירה שלהן כך שיעמדו במשימתן באופן מדויק, לא יותר ולא פחות. זוהי דוגמה נהדרת לעיקרון של 'טוב דיו' (good enough) בטבע: באיבר לא הושקעו משאבים מיותרים כשאין בכך צורך. כבני אדם אנחנו יכולים ללמוד מכך לא מעט על חיסכון בחומרים, באנרגיה ובמשאבים. כמהנדסים שמפתחים מוצרים עלינו להבין היטב את הצורך ולתכנן עבורו מענה מדויק, ולהימנע מהנדוס-יתר של מוצרים כשאין בכך צורך אמיתי. כך נוכל אף למנוע נזק סביבתי עצום שנגרם על ידי ייצור-יתר של מוצרים מיותרים".

המחקר הובל על ידי פרופ' יוסי יובל מבית הספר לזואולוגיה בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז, מבית הספר סגול למדעי המוח ומוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט באוניברסיטת תל אביב וד"ר איה גולדשטיין, בעבר דוקטורנטית של פרופ' יובל וכיום חוקרת במכון מקס פלאנק בגרמניה. שותפים נוספים מאוניברסיטת תל אביב: פרופ' סיון טולדו מבית הספר למדעי המחשב, שינג צ'ן, ד"ר ערן עמיחי, וד"ר ארג'אן בונמן מבית הספר לזואולוגיה, ולי הרתאן מבית הספר סגול למדעי המוח. כמו כן השתתפו במחקר פרופ' רן נתן וד"ר יותם אורחן מהאוניברסיטה העברית ופרופ' איין קוזין ממכון מקס פלאנק בגרמניה.  המאמר פורסם בכתב העת Science.

המחקר החדשני, שארך 6 שנים, בוצע באמצעות מערכת עקיבה ייחודית המוצבת בעמק החולה, שמאפשרת מעקב אחר בעלי חיים קטנים מאוד בטכנולוגיה דמוית GPS. החוקרים עקבו אחר תעופתם של עטלפים זעירים שמשקלם 6 גרם בלבד, מהמין המכונה עטלפון לבן שוליים, שהוא למעשה היונק הקטן ביותר שהיה אי פעם במעקב  מסוג זה.

במסגרת המחקר לכדו החוקרים כ-60 עטלפים במושבה שלהם שבאזור עמק החולה, והרחיקו אותם כ-3 ק"מ מהמושבה, עדיין בתוך אזור המחיה המוכר להם. לכל עטלף הוצמד תג, ועיניהם של חלק מהעטלפים כוסו ברצועת בד, כך שלא יוכלו לראות בעת התעופה, אך יוכלו להסירה עם רגליהם לאחר שינחתו. בנוסף, השתמשו החוקרים בטכניקות לשיבוש זמני של חוש הריח והחוש המגנטי של העטלפים, וכך נוצר מצב בו הם יכולים למצוא את דרכם הביתה אך רק באמצעות הסונר. התברר שהעטלפים שבים למושבה שלהם ללא קושי.

בשלב השני בנו החוקרים מודל אקוסטי ממוחשב של הסביבה הטבעית של העטלפים בעמק החולה. פרופ' יובל: "מדובר במפה תלת-ממדית של השטח שבו מנווטים העטלפים, המשקפת את ההדים שהעטלף שומע בדרכו באמצעות הסונר. בדיקת מסלולי התעופה של העטלפים העלתה שהם בוחרים נתיבים שבהם ההדים מכילים מידע רב, שעוזר להם לנווט. לדוגמה, אזור של צמחייה, כמו שיחים ועצים, מחזיר הדים עם מידע רב יותר בהשוואה לשדה פתוח, ולכן העטלפים נוטים פחות לעוף מעל שדות. כמו כן מצאנו שכל אזור בשטח מתאפיין בהדים ייחודיים משלו, שנקלטים על ידי העטלפים. ממצאים אלה מחזקים את הסברה שלנו שהעטלף יודע בכל רקע נתון היכן הוא נמצא על פי ההדים. למעשה יש לו בראשו מפה אקוסטית של הסביבה המוכרת, הכוללת מגוון ציוני דרך קוליים אקטיביים (הדים), ממש כמו שלכל אדם רואה יש מפה ויזואלית של סביבת מגוריו".

^{פרופ' יוסי יובל}

המחקר הובל על ידי צוות חוקרים מהפקולטה למדעי הרפואה והבריאות: פרופ' דור סלומון ותלמידת המחקר שיר מאס, ובשיתוף פרופ' מוטי גרליץ. כמו כן, השתתפו חוקרים ממכללת בראודה להנדסה בכרמיאל, ומאוניברסיטת אינדיאנה ואוניברסיטת צפון קרוליינה בארה"ב. המאמר פורסם בכתב העת PLOS Biology.

כשאלמוג חוטף מחלת מעיים

מסביר פרופ' סלומון: "לשוניות אלמוגים יש מגוון תפקידים חשובים בעולמנו: מבחינה אקולוגית הן מהוות בית גידול עבור יצורים ימיים רבים, ובהיבט הכלכלי הן משמשות בסיס לענפים כמו תיירות ודיג. בנוסף הן מגינות על חופים מפני סופות גדולות כמו הוריקנים. בעשורים האחרונים אנו מאבדים שוניות בכל העולם כתוצאה מהתחממות מי הים ומזיהומים שיוצר האדם, וגם בשל עלייה במחלות שנגרמות על ידי מיקרו-אורגניזמים. מחקרים מצאו כי לעלייה בתדירות ובתפוצת המחלות יש קשר ישיר לעלייה בטמפרטורת המים: חיידקים מסוימים שאינם מסוכנים בטמפרטורות נמוכות יותר הופכים למחוללי מחלות, חלקן קטלניות, כשהמים מתחממים".

אחד ממחוללי המחלות העיקריים באלמוגים הוא החיידק Vibrio coralliilyticus, שאופיין לראשונה בתחילת שנות ה-2000 על ידי מעבדתו של פרופ' יוג'ין רוזנברג בפקולטה למדעי החיים באוניברסיטת תל אביב. "חיידק זה שייך למשפחה רחבה של חיידקים שחלקם גורמים למחלות מעיים כמו כולרה. גם באלמוגים מדובר למעשה במחלת מעיים (כן, לאלמוגים יש מעיים! פוליפ של אלמוג מורכב מזרועות שלוכדות מזון וממעיים שמעכלים אותו). מחקרי עבר העלו שכאשר טמפרטורת מי הים מגיעה ל-23 מעלות צלסיוס, החיידק הופך למחולל מחלה באלמוגים ובבעלי חיים ימיים נוספים. כמו כן ידוע שחלק מזני החיידק הופכים קטלניים עוד יותר בטמפרטורת מים גבוהה מ-27 מעלות. התופעה מוכרת כבר שנים רבות, אך המנגנון באמצעותו תוקף החיידק את האלמוג לא היה ידוע עד כה. במחקר שלנו ביקשנו לחשוף את המנגנון המולקולרי של המחלה", מסבירה שיר מאס.

^{חיידקים במעבדה}

בשלב הראשון בחנו החוקרים ריצופי גנום רבים של החיידק מתוך מאגרי אינטרנט קיימים, בחיפוש אחר מערכות להזרקת רעלנים - תחום המומחיות של מעבדתו של פרופ' סלומון. בכל הזנים של Vibrio coralliilyticus נמצאו שתי מערכות להפרשת רעלנים, וניסויי מעבדה העלו כי שתיהן מבטאות ומפרישות חלבונים בדיוק בטווח הטמפרטורות שבו החיידק הופך למחולל מחלה. בניסויים הבאים בדקו החוקרים את אופן הפעולה של שתי המערכות.

"מצאנו שמערכת מספר 1 תוקפת והורגת מספר רב של חיידקים אחרים. זוהי אסטרטגיה נפוצה שבאמצעותה מבקש חיידק תוקף לפנות לעצמו מקום ולהשתלט על המאחסן", מסביר פרופ' סלומון וממשיך "נעזרנו בשיטות ביוכימיות כדי לזהות את הרעלנים, ומצאנו שהם דומים ברובם לרעלנים אנטי-בקטריאליים מוכרים, המופרשים גם על ידי חיידקים אחרים. מערכת מספר 2, לעומת זאת, תוקפת ישירות את תאי בעל החיים המאחסן - פעילות פחות שכיחה במערכות הפרשת רעלנים מסוג זה. בניסויים שלנו הרגה מערכת זו סוג של סרטן ימי זעיר הקרוי ארטמיה ששימש כמערכת מודל, וכן תאים של עכבר, אך לא גרמה כל נזק לחיידקים אחרים".

כשביקשו לזהות את הרעלנים במערכת 2 חיכתה לחוקרים הפתעה: הם מצאו תשעה רעלנים חדשים שכלל לא היו מוכרים בהקשר של מערכות מסוג זה בחיידקים, ושבעה מהם הופיעו בכל הגנומים שרוצפו.

^{פרופ' דור סלומון וצוות המחקר}

תוקפים מכל הכיוונים

החוקרים משערים כי ממצאי המחקר מעידים על אסטרטגיה משולבת ואפקטיבית במיוחד של החיידק Vibrio coralliilyticus, שגורמת נזק רב לשוניות אלמוגים. החיידק מצויד בשתי מערכות להזרקת רעלנים: אחת מהן הורגת את המתחרים - החיידקים 'הטובים' שמגינים על המעיים של האלמוג, ומפנה את הדרך למערכת השנייה שתוקפת ישירות את תאי האלמוג. שתי מערכות ההזרקה מופעלות בדיוק בתנאים הסביבתיים שבהם פורצת המחלה: טמפרטורת מים מעל 23 מעלות צלסיוס.

"במחקר זה פענחנו את המנגנון באמצעותו גורם החיידק Vibrio coralliilyticus למחלה קשה ואף למוות בבעלי חיים ימיים, בהם אלמוגים. ככלל, הבנת מנגנון מחולל מחלה יכולה לסייע במניעתה. כבר היום מפתחים חוקרים בעולם פרוביוטיקה לאלמוגים, שנועדה לחזק אותם מול חיידקים מחוללי מחלות, וטיפולים אלה נמצאו יעילים בניסויים מבוקרים. מעבר לכך, התובנות שלנו עשויות לסייע גם בהתמודדות מול חיידקים אחרים שמשתמשים במנגנונים דומים, ובכך לתרום תרומה חשובה לתחומים שונים, מאקולוגיה ועד לחקלאות ורפואה", מסכם פרופ' סלומון.

המחקר המפתיע נערך בהובלת פרופ' יסמין מרוז מבית הספר למדעי הצמח ואבטחת מזון בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז, בשיתוף פעולה עם פרופ' אורית פלג מאוניברסיטת קולורדו בולדר שבארה"ב. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Physical Review X.

"מחקרים קודמים הראו שאם שותלים חמניות בשדה בצפיפות גבוהה מאוד, כשהן מצלילות אחת את השנייה, הן צומחות בזיגזג – אחת קדימה ואחת אחורה – כדי לא להימצא בצל זו של זו. כך הן גדלות זו לצד זו בצורה אופטימלית למיקסום שטף השמש, ולכן פוטוסינתזה, ברמה הקולקטיבית. למעשה, צמחים יודעים להבחין בין צל של בניין למשל לצל ירוק של עלה.

אם זה צל של בניין – הם לרוב לא טורחים לצמוח אחרת, כי אין להם מה לעשות בנידון. אבל אם זה צל של צמח, הם יצמחו לכיוון המתרחק מהצל", פרופ' מרוז שופכת אור על הנושא.  

^{שנרקוד? פרופ' יסמין מרוז וחמניות}

כולן למען כולן

במחקר הנוכחי החוקרות החליטו לבחון את השאלה כיצד החמניות יודעות להסתדר בצורה אופטימילית והן ניתחו במעבדה את הדינמיקה של החמניות בזמן שהן מסתדרות בזיג-זג. פרופ' מרוז וצוותה גידלו חמניות בצפיפות גדולה וצילמו אותן צומחות. המצלמה צילמה את החמניות מדי כמה דקות, ואחר כך התמונות הורצו יחד בהילוך מהיר (טיים לאפס) כדי ליצור מעין וידאו. החוקרים עקבו אחר התנועה של כל חמנייה בנפרד וראו שהן "מרקדות" המון.

לדברי החוקרות, דרווין היה הראשון לזהות שצמחים, כל הצמחים, צומחים במעין תנועה מחזורית (בשם circumnutations ), בין סיבובית לאקראית, לרבות הגבעולים והשורשים. אלא שעד היום, למעט מקרים בודדים כגון צמחים מטפסים, שצומחים בתנועות סיבוביות ענקיות כדי לחפש משהו להיתפס עליו, לא היה ברור אם מדובר בבאג או בפיצ'ר. למה שהצמח ישקיע אנרגיה לצמוח בסיבובים?

"במסגרת המחקר שלנו ערכנו אנליזה פיזיקלית שמתייחסת להתנהגות של כל חמנייה בתוך קולקטיב החמניות וראינו שהחמניות 'רוקדות' כדי למצוא את הזווית הטובה ביותר שלא להסתיר אחת לשנייה. כימתנו את התנועה מבחינה סטטיסטית והראינו באמצעות סימולציות ממוחשבות שהתנועות האקראיות עושות אופטימיזציה למציאת צל בצורה קולקטיבית. בנוסף, גם היה מאוד מפתיע לגלות שהתפלגות ה'צעדים' של החמניות הייתה רחבה מאוד, התפלגות של שלושה סדרי גודל, מאפס תזוזה ועד לתנועה של שני ס"מ כל כמה דקות לכיוון זה או אחר", מסבירה פרופ' מרוז.

ריקוד שורות סוער או טנגו אינטימי?

"הצמח מנצל את העובדה שיש לו גם צעדים קטנים ואיטיים וגם גדולים ומהירים, וטווח הצעדים הוא כזה שהוא מאפשר להסתדר בצורה הטובה ביותר", אומרת פרופ' מרוז, "כלומר אם טווח הצעדים היה קטן יותר או גדול יותר – הסידור היה מתבטא ביותר הצללה הדדית ולכן בפחות פוטוסינתזה".

פרופ' מרוז משווה את זה למסיבת ריקודים צפופה. "כל אחד זז קצת ימינה וקצת שמאלה, בלי לתכנן מראש ובלי לבקש בקול 'סליחה, אתה יכול לזוז קצת?'. גם הפרטים בתוך מסיבת ריקודים צריכים להשתמש בתנועות גדולות וקטנות במידה מסוימת, שכן אם הם יזוזו מדי הם יפגעו ברוקדים האחרים אך אם הם יזוזו מעט מדי – לא תיפתר בעיית הצפיפות, יהיה צפוף מאוד בפינה אחת של הרחבה וריק בצד השני. לסיכום, החמניות מציגות דינמיקה דומה של תקשורת, שילוב של תגובה לצל של צמחים שכנים, יחד עם תנועות אקראיות בלי קשר לגירויים חיצוניים".

אז בפעם הבאה שנעצור לעשות סלפי ליד שדה חמניות נזכור שאנחנו מצטלמים.ות עם רקדניות מנוסות ומתחשבות.

המחקר נערך על ידי הדוקטורנטית מאיה מוצרי ובהובלת פרופ' אלכסנדר גולברג מהחוג ללימודי סביבה, בשיתוף פרופ׳ מיכאל גוזין מבית ספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, פרופ׳ אברהם קריבוס מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, והמהנדס מיכאל אפשטיין. המחקר פורסם בכתב העת Energy Conversion and Management: X.

במקום להטמין - להפוך לדלק

אנחנו מייצרים המון זבל. כמה זה המון? כדי לסבר את האוזן, בשנת 2019 הפסולת העירונית שיצרנו הסתכמה בהיקף של כ-5.8 מיליון טונות, זה אומר שכל אחד ואחת מאתנו מייצרים בממוצע כ-1.76 ק"ג פסולת ליום (כ-30% יותר מהממוצע באירופה). הנתון הזה עולה מדי שנה בכ-2.6% בממוצע. עוד נתון מפתיע ומדאיג הוא שכיום, כ-80% מהפסולת הביתית בישראל מועברת לאתרי הטמנה. אתגר מיוחד מציבה הפסולת האורגנית, אשר מזיקה לסביבה באמצעות פליטת גזי חממה, היווצרות תשטיפים ומפגעי זיהום של אוויר, של מים ושל אדמה, וכל זה בליווי ריח.

"פסולת אורגנית פולטת מתאן, שהוא גז חממה, ובנוסף מזהמת את מי התהום", מסביר פרופ' גולברג. "הטיפול בפסולת הוא נושא קריטי. אתרי הטמנה בישראל הולכים ומתמלאים, ולמרות השאיפה לצמצם את הטמנה למינימום נאלצים לפתוח אתרי הטמנה חדשים, כיוון שאין פתרון אחר. היתרון הגדול בהצעה שלנו הוא שלא נצטרך כל כך הרבה אתרי הטמנה. העיריות שמשקיעות המון כסף על שינוע וטיפול בפסולת, יוכלו לחסוך בהוצאות ולהשקיע בדברים אחרים".

צוות המחקר

להפוך את הזבל לאוצר

בכדי להעריך את פוטנציאל הפסולת העירונית בישראל, החוקרים ניתחו את תוצאותיו של סקר ראשון מסוגו, שנערך ב-2018 על ידי E. Elimelech et al מאוניברסיטת חיפה. הסקר בדק את הרכב האשפה המיוצרת על ידי 190 בתי אב בעיר חיפה במהלך שבוע ימים. מהסקר עלה שפסולת אורגנית מדידה מהווה כ- 36.4% מפסולת המזון וכ-16.4% מכלל הפסולת של משקי האב. הקטגוריה של הפסולת האורגנית המדידה מופתה ונמצא שהיא מורכבת מ-67% פירות וירקות, 14% לחמים, פסטות ודגני בוקר, 8% ביצים ומוצרי חלב, 5% תוצרי לוואי כמו קליפות ועורות, 3% בשר, דגים ועופות, 2% ממתקים ועוגיות ו-1% משקאות קלים.

"תוצאות סקר הפסולת היוו בסיס למודל הפסולת במחקר שלנו", מספר פרופ' גולברג, "בנינו ריאקטור רציף שבהמשך יתאים לשימוש גם באנרגיה סולארית, כדי לחמם את הפסולת ל-280 מעלות צלזיוס, והצלחנו להוריד משמעותית את כמות המים והחמצן בדלק הביולוגי. מצאנו קטליזטורים זולים שמאפשרים לשלוט על הייחס בין תוצרי הדלק הביולוגי הנוזלי לתוצרי הדלק המוצק. דלק מוצק יכול לשמש כביו-פחם, ובעצם לקבע פחמן דו-חמצני לתקופות ארוכות. את הביו-פחם אפשר לשרוף בתחנות כוח כמו פחם רגיל. הדלקים ביולוגיים הנוזליים יכולים לאחר שדרוג, לשמש למטוסים, למשאיות ולספינות".

צוות המחקר הצליח להפיק, בהתבסס על המודל המייצג של הפסולת האורגנית המדידה, תוצרים של דלק נוזלי ביולוגי בתפוקה של עד 29.3% משקלי ודלק מוצק בתפוקה של עד 40.7% מחומר הגלם על בסיס יבש. התהליך מתאים למעשה לטיפול בכל אשפה או שארית אורגנית רטובה למשל פסולת אורגנית ממפעלי מזון, פסולת אורגנית ממטבחים מוסדיים, מבתי חולים וכו'.

החוקרים מסכמים ואומרים: "הפקת דלקים ביולוגיים ממרכיב הפסולת האורגנית עשויה לסייע בצמצום של נפחי ההטמנה של פסולת עירונית ובכך לצמצם זיהומים סביבתיים של קרקע, מים ואוויר. כמו כן צמצום הטמנה יוביל לצמצום פליטות גזי חממה ולהקטנת התלות בנפט ופחם. בנוסף לכך, הפיכת פסולת לאנרגיה הוא פתרון מקומי לעצמאות ובטחון אנרגטי של ישראל".

 החוקרים מודים למדען הראשי של משרד האנרגיה ולחברת נוגה  על התמיכה במחקר.