מחקרים

פרופ' יוסי יובל, מבית הספר לזואולוגיה, ,ממוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט מבית הספר להנדסה מכנית בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן וראש בית ספר סגול למדעי המוח, פרופ' אמיר אילי, גם הוא מבית הספר לזואולוגיה ומבית הספר סגול למדעי המוח, וד"ר בן מעוז מהפקולטה להנדסה ומבית הספר סגול למדעי המוח, רצו לדעת האם זה אפשרי לבנות מערכת ביו-היברידית, שתשלב מערכת ביולוגית בתוך רובוט. מי שהרימה את הכפפה היא עידן פישל, שעשתה תואר שני בהנחיית שלושת החוקרים והביאה את הפרויקט למאמר מדעי, שפורסם לאחרונה בעיתון Sensors.

לניסוי המהפכני בחרו החוקרים באוזן של חגב, חרק בעל אברי קול ושמע מפותחים. "רצינו להראות שאנחנו יכולים לעשות אינטגרציה בין מערכת ביולוגית ואלקטרונית, ובחוש השמיעה יש סנסורים חשמליים שמתאימים למשימה", מסביר ד"ר מעוז. "לחרקים יש מערכות שמיעה שהן פשוטות מבנית, אך עושות עיבוד נתונים מורכב. יחד עם זה, המערכת אדפטיבית, היא קלת משקל וקטנה בממדים שלה, וקלה יותר לשימוש מאשר אוזן של יונק למשל", מוסיפה עידן פישל, שהובילה את המחקר.

במחקר, שארך כשנתיים, לקחו חלק גם נטע שביל - דוקטורנית בהנחיה משותפת של השלושה, ד"ר אנטון שיינין ויוני עמית.

אוזן קשבת

החוקרים בודדו אוזן של חגב. אחרי שהוכיחו שהמערכת ממשיכה לעבוד באופן תקין, בנו פלטפורמת אוזן-על-שבב, שבעזרתה אפשר לקלוט את האותות שמגיעים לאוזן ולערוך הקלטה אלקטרו-פיזיולוגית של פעילותה, וחיברו אותה לרובוט. התוצאה: כשמשמיעים צליל, האוזן הביולוגית שומעת, ממש כפי שקורה בגוף האדם. האות הקולי הופך לאות חשמלי ומגיע לרובוט, שיודע להגיב בהתאם.

"גלי הקול גורמים לתזוזה של עור התוף של החגב, שמפעיל את המכנו-רצפטורים של אוזן החגב, בדומה לשערות האוזן שקיימות אצלנו. הן יודעות להמיר את הוויברציה המכנית לאות חשמלי, שיוצא דרך עצב השמיעה, מגיע אל המוח ומעביר את המידע", מסבירה עידן. "אחרי שהוכחנו שהמערכת ממשיכה לעבוד באופן תקין, שמנו אותה על שבב ומיקמנו אותה על הרובוט".

את השבב שתומך באוזן, בנה צוות החוקרים בעזרת תוכנה ומדפסת תלת ממד. "הייתי צריכה לתכנן שבב שיהיה מודולרי, כדי שאפשר יהיה לשים אותו על הרובוט, שהוא יוכל לחוש את הפעילות החשמלית של מערכת השמיעה, ושמבחינה פיזיולוגית ומבחינה מבנית הוא יתאים למערכת השמיעה של החגב. כלומר, שהוא יאפשר מצד אחד סביבה מימית, אך מצד שני יאפשר כניסה של אוויר ושל גלי הקול, בדומה לאיך שהדבר קורה אצל בעל החיים", מפרטת עידן את תהליך המחקר.

את הרובוט, תכנן ובנה יוני עמית, יחד עם עזרתו של ד"ר אנטון שיינין. הרובוט תוכנן כך שיהיה מודולרי ויוכל בקלות להיות מתוכנת להגיב לצלילים שונים.

^{מכינה מקום לאוזן על השבב. עידן פישל}

רובוט ביו-היברידי בהאזנה

"האתגר העיקרי היה להפוך את המערכת הקיימת לדבר מודולרי. הפלטפורמה קטנה מאוד, והרעיון הוא שאפשר יהיה להרכיב אותה על משהו בגודל של טלפון סלולרי", מסכימים ד"ר מעוז, פרופ' יובל ופרופ' אילי. "כמו כן, שילוב הכוחות ביננו הוביל לגישור על 'פערי שפה' שקיימים בין תחומי המחקר שלנו ואיתגר את הסטודנטים והסטודנטיות, שהסכימו להשתתף במחקר ולהיות פתוחים לשגעונות חדשים", מוסיף פרופ' אילי בחיוך.

"חשוב לזכור שהאתגר הוא אדיר. לכן כשהחלטנו להתחיל בחרנו ללכת על משהו שקל להשוות אותו למערכות קיימות, כמו למשל מיקרופון או רמקול, אבל אנחנו בטוחים שניתן לקחת את הפרויקט למקומות נוספים, כמו למשל איברי שמיעה של חרקים נוספים, ריח, ראייה – חושים אחרים ששם לחרקים יש יתרונות אדירים," אומר ד"ר מעוז.

היות והתחום ההיברידי נושא הבטחה גדולה, גופים רבים מתעניינים במחקר. "השלב הבא יכלול שילוב של machine learning, גם בצד שקורא את הסנסור הביולוגי וגם בצד שמפעיל את המנועים. כלומר, נחקה את הטבע גם באלגוריתמיקה," מגלה פרופ' יובל. "בעתיד, רובוט כזה יוכל לגלות חומרי נפץ או אנשים שאבדו. אולי יהיו נחילים של רובוטים, שידברו ביניהם וכל אחד מהם יהיה מצויד בחיישנים, כיד הדמיון הטובה", אומר פרופ' אילי.

"בנינו מערכת שהיא ביו-היברידית: יש בה גם רכיבים ביולוגיים וגם רכיבים חשמליים. כשהקונספט הזה של שילוב עובד – אין סוף לאפשרויות. ניתן יהיה לעשות אפליקציות עתידניות, כמו לדוגמא לחבר שתי אוזניים לצ'יפ לצורך איכון, נוכל ליצור רובוטים שמשלבים מספר חושים, לדוגמא מערכת שמיעה וראייה על גבי אותו הרובוט. יכול מאוד להיות שאפילו השמיים הם לא הגבול", מסכמת עידן.

^{מחיאות כפיים! הוא שומע! הרובוט הביו-היברידי מגיב לקול}

האם פיתוח טכנולוגי חדש של חוקרי אוניברסיטת תל אביב צפוי לשנות בקרוב את האופן שבו אנו צורכים מוצרי חלב? יוזמי הפיתוח מעריכים שבעתיד הלא רחוק, נוכל לקנות בסופר מוצרי חלב שיהיו זהים בטעם ובצבע למוצרי החלב הרגילים שאנחנו צורכים, אבל  בהבדל אחד קטן: מוצרי החלב הללו יופקו משמרים ולא מחלב פרה. מאחורי הפיתוח עומד פרופ' תמיר טולר מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, שהקים ביחד עם יזם הפודטק ד"ר אייל אפרגן את חברת הסטארט אפ 'אימג'נדיירי' ("חלב דמיוני"), אשר מנסה לעשות את הבלתי אפשרי: להפיק חלב פרה משמרים.

שומרים על הסביבה ומונעים פגיעה בבעליי חיים

בשנים האחרונות, עם המודעות לנזק הסביבתי, הבריאותי והמוסרי של תעשיית החלב, חברות ביו-טכנולוגיה בכל העולם מחפשות אחר תחליפי חלב. חברת 'אימג'נדיירי' זיהתה את הפוטנציאל בשימוש של פיתוח חלבונים לתעשיית המזון, ובעזרת החיבור לאוניברסיטת תל אביב ולחברת רמות (חברת מסחור הטכנולוגיות של אוניברסיטת תל אביב), פועלת לפיתוח ולייצור חלבוני חלב, שזהים לחלבוני החלב שכולנו מכירים, בשאיפה לשחרר את תעשיית החלב מהתלות בבעלי חיים.

"המטרה של 'אימג'נדיירי' היא לייצר חלב מתורבת, שישמר את כל הערכים התזונתיים החשובים של חלב מן החי, עם אותו הטעם, הריח והמרקם המוכרים לכולנו, אך ללא הסבל שנגרם לפרות וללא ההרס הסביבתי", מסביר פרופ' טולר. למעשה, החלב והגבינות של 'אימג'נדיירי' יהיו בריאים בהרבה ממוצרי חלב מן החי, שכן הם לא יכילו כולסטרול, לקטוז או תאים סומטיים.

"הסטארטאפ שלנו כולל גם מהנדסי מזון ומומחי מזון מחברת שטראוס", מספר פרופ' טולר, "ובימים אלה הם מנסים לייצר גבינה מחלבוני החלב שבשמרים. מדובר בתהליך ממושך של שיפור התפוקה והטעם, וכמובן גם המחיר. צריך להבין שלא מדובר בתחליפי חלב כמו שקדים וסויה. בסופו של דבר אנחנו שואפים להגיע למוצרי חלב, שיהיו זהים למוצרים מן החי".

"הטכנולוגיה פורצת הדרך של פרופ' טולר יכולה לחולל שינוי משמעותי בתעשיית החלב כפי שאנו מכירים כיום", אומרת קרן פרימור כהן, מנכ"לית רמות.

ליצור חלבון באמצעות תהליך ביטוי גנים

המעבדה של פרופ' טולר מתמחה מזה כעשור במידול ביטוי גנים, בין היתר על ידי שימוש בסימולציות של תהליכים תוך-תאיים, במידול חישובי של אבולוציה מולקולרית ובאלגוריתמים ייעודיים. בין השאר, המודלים האלה משמשים כדי לייעל ולהוזיל את התפוקה של חלבונים הטרולוגיים (חלבונים שהמקור שלהם מאורגניזם אחר). הטכנולוגיה של פרופ' טולר נוסתה בעבר בהצלחה באורגניזמים שונים כגון שמרים, חיידקים, מיקרו-אצות ואפילו בווירוסים, לפתרון בעיות שונות כגון יצירה של חיסונים, נוגדנים, ביו-סנסורים ואנרגיה ירוקה.

"הגנום של כל יצור חי מכיל גנים, שמקודדים את ה'מתכון' של החלבונים, כלומר את רצף חומצות האמינו שלו. אבל הוא גם מכיל אינפורמציה שמקודדת את התהליך המורכב שנקרא 'ביטוי גנים', כלומר העיתוי וקצב הייצור של החלבונים", מסביר פרופ' טולר. "ביטוי גנים זה הוא בעצם תהליך, הכולל את המעבר מרצף דנ"א 'דומם' לחלבונים, שהם 'מהות החיים' עצמם ומהווים רכיב מרכזי בכל דבר חי שאנחנו מכירים, החל בבני אדם, דרך וירוס הקורונה ועד לחלב פרה. כבר הרבה שנים חברות ביוטכנולוגיה רותמות את התהליך על מנת לייצר חלבונים בצורה זולה, כשהרעיון הוא לקחת גן מיצור אחד ולשתול אותו בגנום של יצור אחר, כדי שהוא ישמש כ'מפעל' לייצור החלבון שמקודד בגן הזה. הטכנולוגיה הזו משמשת הרבה שנים לייצור תרופות, חיסונים, אנרגיה וגם משמשת את תעשיית המזון".

השמרים כבית חרושת לחלבון חלב

"תיאורטית, ניתן להגיע למצב שבו לא ניתן להבדיל בין חלב מפרה לחלב משמר. אבל בשביל שזה יתבצע בצורה כלכלית, צריך לגרום לתאי השמר להפוך לבתי חרושת לחלבוני החלב", מרחיב פרופ' טולר. "למרות שאנחנו יודעים מהם הגנים שמקודדים את החלבונים לחלב בפרה, אם ניקח גן כזה מפרה - הקודים של ביטוי גנים שמקודדים בו יהיו כתובים ב'שפה' של תאי הפרה. לכן האתגר הוא לכתוב מחדש את הגן עם קודים שמתאימים לשמר. זה יאפשר לייצר את חלבוני החלב בצורה נכונה, זולה ויעילה ב'מפעל' שהוא תא השמר".

"בעזרת המודלים שפיתחנו במעבדה, אנחנו מאמינים שתוך זמן לא רב נצליח לגרום לשמר לייצר חלבוני חלב בצורה יעילה, שתאפשר גם ייצור תעשייתי, זול ואיכותי. כבר היו ניסיונות להפיק חלב ממיקרופלורה, אבל כדי שבאמת נחולל שינוי, צריך להגיע למצב שבו השמרים מפיקים חלב במחיר שמתחרה בתעשיית החלב. אני מאמין שאנחנו בדרך הנכונה, ובעוד זמן לא רב נוכל להכין לנו בבית טוסטים מגבינה צהובה, שהופקה משמרים ולא מחלב פרה".

^{שמרים. יחליפו את הפרה בייצור חלב?}

המחקר נערך בהובלת צוות חוקרים בינלאומי, בהשתתפות פרופ' שמואל מרקו, ראש בית הספר לסביבה ולמדעי כדור הארץ ע"ש פורטר באוניברסיטת תל אביב, ועמיתיו החוקרים מבית הספר לסביבה ולמדעי כדור הארץ: ד"ר ין לו, פרופ׳ אמוץ עגנון, ד"ר ניקולס ולדמן, ד"ר נדב ווצלר וד"ר גלן ביאסי. תוצאות המחקר פורץ הדרך פורסמו בכתב העת היוקרתי Science Advances.

במסגרת המחקר צוות החוקרים הסתייע בארגון בינלאומי שנקרא ICDP, שמבצע קידוחי עומק באגמים בכל רחבי העולם, במטרה לחקור את האקלים הקדום של כדור הארץ ושינויים אחרים שקרו בסביבה. ב-2010 הוצבה האסדה במרכז ים המלח והחלה לקדוח בקרקעית, לעומק של מאות מטרים, המאפשרים ניתוח של כ-220,000 שנות גיאולוגיה של ים המלח – הרקורד הארוך מסוגו בעולם.

עונות השנה בשכבות

לדבריו של פרופ' מרקו, כיוון שים המלח הוא המקום הנמוך בכדור הארץ, מדי חורף, מי השיטפונות שזורמים לים המלח נושאים עמם סחף, שמצטבר בקרקעית האגם לשכבות שונות. שכבה כהה בת כמילימטר המייצגת את סחף החורף ושכבה בהירה בת כמילימטר שמייצגת את האידוי המוגבר של המים במשך הקיץ, כאשר כל שתי שכבות כאלו מייצגות שנה אחרת.

יחד עם זאת, ברגע שיש רעידת אדמה, המשקעים מתערבלים, השכבות ששקעו קודם בסידור מושלם מתערבבות ושוקעות מחדש בצורה אחרת. בעזרת משוואות פיזיקליות ומודלים ממחושבים שהחוקרים פיתחו במיוחד לצורך מחקר זה, הם הצליחו לשחזר מהרקורד הגיאולוגי את ההיסטוריה של רעידות אדמה לאורך התקופה.

מניתוח הממצאים עולה כי שכיחות רעידות האדמה בבקעת ים המלח אינה קבועה בזמן. היו תקופות של אלפי שנים עם יותר פעילות טקטונית ואלפי שנים עם פחות פעילות טקטונית. בנוסף, לחוקרים התברר כי הייתה הערכת חסר משמעותית בתדירות רעידות האדמה בישראל.

אם עד כה חוקרים סברו כי בקע ים המלח רועד בעוצמה של 7.5 בסולם ריכטר מדי 10,000 שנה בממוצע – כעת מסתבר שהרעידות הקטלניות תכופות הרבה יותר, מחזוריות ממוצעת שנעה בין בין 1,300 ל-1,400 שנה. החוקרים מעריכים שהרעידה האחרונה בעוצמה כזאת פגעה בנו בשנת 1,033 – כלומר כמעט לפני אלף שנה. פירושו של דבר שבמאות השנים הקרובות צפויה רעידה נוספת בסולם 7.5 ומעלה.

לעומת זאת, החוקרים כאמור מצאו שרעידות אדמה בעוצמה של 6.5 מתרחשות אומנם באזורנו בממוצע מדי 130 עד 150 שנה, אך התדירות בין הרעידות משתנה, ובעוד שהיו מקרים שבהם הפערים בין רעידה אחת לשנייה היו של מאות שנים, הרי שגם היו מקרים שבהן התרחשו רעידות אדמה עוצמתיות בהפרש של עשרות שנים בודדות בלבד.

"אני לא רוצה להפחיד", מסכם פרופ' מרקו, "אבל אנחנו חיים בתקופה פעילה מבחינה טקטונית. הרקורד הגיאולוגי לא משקר, ורעידת אדמה גדולה בישראל בוא תבוא. כמובן, אין לנו דרך לחזות בדיוק מתי האדמה תרעד מתחת לרגלינו - מדובר בתחזית סטטיסטית – אבל לצערי אני כן יודע לומר שרעידת אדמה שתגרום למאות נפגעים תקרה בשנים הקרובות, זה יכול להיות בעוד עשר שנים או עשרות שנים, אבל זה גם יכול בשבוע הבא ואנחנו חייבים להיערך לכך.

את המחקר ניהל פרופ' פיליפ שטוקהאמר מאוניברסיטת מינכן, בשיתוף חוקרים ממוסדות שונים בעולם. מטעם אוניברסיטת תל אביב השתתפו במחקר פרופ' ישראל פינקלשטיין וד"ר מריו מרטין מהחוג לארכיאולוגיה ותרבויות המזרח הקדום ע"ש יעקב מ. אלקוב, ומטעם תחום מחקר והתמחויות בארכיאולוגיה ברשות העתיקות, השתתפו ד"ר יניר מילבסקי ודמיטרי ייגורוב. הממצאים מתפרסמים היום בכתב העת PNAS.

הפתעות מיובאות בשוק המקומי

החוקרים מסבירים, שכאשר אנחנו מדמיינים את השוק העירוני במגידו לפני 3,700 שנה, אנחנו מדמיינים מאכלים מקומיים כגון חיטה, תמרים ושומשום – ואכן חלבונים עתיקים ומיקרו-מאובנים ממזונות אלה נמצאו בלסתות. אלא שיחד איתם נמצאו שיירים גם של פולי סויה, בננות וכורכום. לטענת החוקרים, בשום מקום בעולם לא התגלו ראיות עתיקות יותר לפולי סויה, בננות וכורכום מחוץ לדרום ומזרח אסיה, והתגלית מקדימה במאות (כורכום) ואף באלף שנה (פולי סויה) את הימצאותם באזור ארץ ישראל ובאגן הים התיכון. פירושו של דבר, שכבר באלף השני לפנה"ס, התקיים מסחר ארוך-טווח בפירות, בתבלינים ובשמנים אקזוטיים בין דרום אסיה ואזור ארץ ישראל, דרך מסופוטמיה או מצרים – גלובליזציה בתקופת הברונזה והברזל. מן הסתם, אף בננה לא הייתה שורדת המסע מדרום-מזרח אסיה למגידו, וכפי הנראה הבננות נצרכו כפירות יבשים.

"זאת עדות ברורה לסחר עם דרום-מזרח אסיה כבר במאה ה-16 לפנה"ס – מוקדם בהרבה ממה ששיערו החוקרים עד כה", מסביר פרופ' פינקלשטיין. עדויות דומות לסחר למרחקים גילינו לפני שנים אחדות במחקר שארים מולקולאריים בכלי חרס מאותה תקופה במגידו, מחקר שהניב עדות לייבוא של וניל. אלא שרב הנסתר על הגלוי באשר לפרטים על דרכי הסחר ואופן העברת הסחורות".

"בחפירה שניהלנו בתל עירני גילינו, באופן מפתיע, בית קברות מתקופת הברזל הקדומה – לפני כ-3,100 שנה", מספרים ד"ר יניר מילבסקי ודימיטרי ייגורוב מרשות העתיקות. "בחלק מהקברים מצאנו משפחות קבורות יחד - ילדים שנקברו ליד הוריהם. לצד הנקברים, גילינו מנחות קבורה - קערות, קנקנים ופכים, שנקברו עם המתים, מתוך האמונה שהכלים ישמשו אותם בעולם הבא. בחלק מהכלים נמצאו עצמות של בעלי חיים - בעיקר כבשים ועיזים, מאכלים למתים. בכוונתנו לחקור את הכלים שנחשפו, ולבדוק אם בחלקם נמצאים שרידי בננות ושומשום, כפי שנמצאו בשיני הנקברים. בנוסף, אנו מבצעים מחקר עם פרופ' שטוקהמר לבדיקת DNA, במטרה לנסות ולהבין מי האנשים האלה ומהיכן הם באו".

עולם חדש של נתונים נגלה תחת מיקרוסקופ

הסויה בויתה לראשונה באזור סין של ימינו באלף השביעי לפנה"ס. הבננה בויתה לראשונה בגינאה החדשה באלף החמישי לפנה"ס, והיא הגיעו למערב אפריקה 4,000 שנה אחר כך – אבל עד כה, לא היה ידוע על התפשטות מוקדמת יותר של הפרי במזרח התיכון. הכורכום וחלבוני הסויה נמצאו בלסת של אדם אחד ממגידו, וחלבוני הבננה בשתי לסתות מתל עירני – ולכן אין לדעת עד כמה מזונות אלה היו זמינים לכל דורש מכל מעמד חברתי. אם כי החוקרים מעריכים שמדובר באנשים שהיו שייכים, ככל הנראה, למעמד גבוה יחסית בעיר-המדינה מגידו. הדבר ניכר במבנה הקברים ובמנחות שהושמו בהם. בנוסף, החוקרים מצאו עדויות לצריכת שומשום בלסתות גם ממגידו וגם מתל עירני, ממצא המעיד על כך ששומשום הפך לחלק מובהק מהמטבח המקומי כבר באלף השני לפנה"ס.

"המחקר מדגים את האפשרויות הגלומות בשילוב של המדעים המדויקים ומדעי הטבע במחקר ארכיאולוגי מודרני," מסכם פרופ' פינקלשטיין. "הארכיאולוגיה המסורתית, שניתן לכנותה מקרו-ארכיאולוגיה, מספקת נתונים הנראים לעין – כגון מבנים, כלי חרס, תכשיטים וכלי נשק. עולם שלם של נתונים אחרים, שחשיבותם גדולה, מתגלה רק לעיני המתבונן בממצאים תחת מיקרוסקופ ובשיטות אנאליטיות מתקדמות".