מחור שחור עד עליונות קוונטית: סיכום 2019 במדע

דגל ישראל על הירח: הצלחה בלי סוף טוב

למשך כמה שבועות במחצית הראשונה של השנה התמקדנו כולנו בירח, או ליתר דיוק בחללית קטנה שניסתה לעשות היסטוריה ולהציב דגל כחול-לבן על הלוויין הטבעי שלנו. החללית "בראשית" של עמותת SpaceIL והתעשייה האווירית שוגרה מפלורידה ב-22 בפברואר, והקיפה את כדור הארץ במסלולים גדלים והולכים, תוך כדי שהיא מלמדת אותנו מהם אפוגיאה ופריגאה, מהירות מילוט, שינויי מסלול, עוקב כוכבים, תמרון לכידה, שדה מגנטי וכבידת הירח. וזו בדיוק הייתה המטרה המקורית של היזמים יהונתן ויינטראוב, יריב בש וכפיר דמרי - מיזם חלל שיקרב את הציבור הרחב אל המדע, ויעודד ילדים ובני נוער לפנות ללימודי מדעים והנדסה. ב-4 באפריל הייתה ישראל למדינה השביעית שמכניסה חללית למסלול סביב הירח, אבל שבוע אחר-כך, ניסיון הנחיתה הסתיים בתקלה שהובילה להתרסקות. עם זאת, המיזם החינוכי של בראשית ממשיך לפעול, והידע שנצבר צפוי לשמש תוכניות נוספות לנחיתה על הירח.

הגיעה כמעט עד הסוף. סלפי ששלחה "בראשית" על רקע הירח, לפני נסיון הנחיתה | צילום: SpaceIL

המיזם הישראלי לא היה היחיד שנשלח אל הירח השנה. בינואר הנחיתה סין חללית ראשונה בהיסטוריה על הצד הרחוק של הירח, ואף הצליחה לזמן קצר להראות גידול של צמחים בנחתת. להודו, שכנתה של סין מדרום-מערב, היה פחות מזל על הירח. החללית ההודית צ'נדריאן 2 ששוגרה ביולי נכנסה בהצלחה למסלול סביב הירח, אבל רכב הנחיתה, ויקראם, התרסק בנסיון הנחיתה.

רואי שחורות: צילום ראשון של חור שחור

באפריל השנה הצליח צוות מדענים בינלאומי לתעד בפעם הראשונה חור שחור. חורים שחורים הם גופים בחלל בעלי צפיפות ומסה כה גדולים שכוח המשיכה שלהם לא מאפשר לדבר שמתקרב אליהם מעבר לסף מסוים, הקרוי "אופק האירועים", לברוח. אפילו אור וכל סוג אחר של קרינה נבלעים בהם ולכן אי אפשר לראותם בתצפית ישירה.

צילום החור השחור שבגלקסיית M87 נעשה במסגרת מיזם שהחל לפני יותר מעשור בשם "טלסקופ אופק האירועים" (Event Horizon Telescope או בקיצור EHT). המיזם, המונה יותר מ-200 מדענים, מאגד כ-30 טלסקופים ומערכי טלסקופים ברחבי העולם לפעולה משותפת ליצירת "טלסקופ" וירטואלי משותף. את המידע הרב שהתקבל מ-EHT עיבדו במחשבי-על באמצעות אלגוריתמים מיוחדים ויצרו את התמונה הראשונה אי פעם של ה"צל" של החור השחור על רקע הגזים הזוהרים סביב אופק האירועים שלו. החור השחור מרוחק מאיתנו כ-55 מיליון שנות אור, מסתו גדולה פי 6.5 מיליארד מהשמש שלנו וקוטרו קרוב לשל מערכת השמש כולה. התצפית החדשה אמורה להיות רק הראשונה מני רבות של EHT. צוות החוקרים מקווה כי מערך הטלסקופים העולמי יסייע לפתור תעלומות רבות, כגון כיצד נוצר חור שחור בעל מסה כה גדולה.

הטבעת הכתומה היא למעשה ה"צל" של החור השחור - הגזים הזוהרים סביב אופק האירועים | צילום: EHT

הדור הבא של קריספר

למהפכה שהתחוללה בשנים האחרונות בתחום ההנדסה הגנטית אחראית במידה רבה מערכת קריספר, שמאפשרת עריכת גנים, זולה, מהירה ומותאמת לכל רצף DNA שנרצה. אבל קריספר אינה חפה מבעיות, והחמורה בהן היא נטייתה של המערכת להכניס שינויים לא רק במקום שאנחנו רוצים לערוך, אלא גם במקומות נוספים בגנום – דבר שעלול לגרום למוטציות מזיקות.

במחקר שפורסם באוקטובר הציגו חוקרים מארצות הברית שיטה חדשה, בשם עריכת פריים, המבוססת על מערכת קריספר אך בטוחה יותר. בניגוד למערכת קריספר המקורית, שחותכת את שני גדילי ה-DNA כדי להכניס את השינוי ברצף האותיות, המערכת החדשה חותכת רק גדיל אחד. במקרה של חיתוך במקום לא נכון, התא יכול לתקן זאת בקלות, כי החיתוך הוא חלקי בלבד. במערכת החדשה יש גם יותר מנגנוני בטיחות, שמבטיחים כי העריכה תתבצע במקום המיועד, ולא במקומות אחרים. הניסויים נראים מבטיחים: בתאי תרבית, עריכת פריים ביצעה כמעט פי חמישה פחות מהשינויים "מחוץ למטרה" שמבצעת קריספר. "אנחנו לא מכירים טכנולוגית עריכה אחרת בתאי יונקים שמציעה רמה כזו של דיוק וגמישות, עם כל כך מעט תוצרי לוואי", אמר דיוויד ליו (Liu), החוקר הראשי. אם המערכת החדשה תוכיח את עצמה, היא עשויה להיות צעד חשוב בדרך לריפוי מחלות גנטיות, כמו גם לשימוש בהנדסה גנטית כדי לטפל בסרטן ובמחלות נוספות.

בינתיים הניסויים נראים מבטיחים. עריכת פריים | איור: Science Photo Library

למען הסביבה: החיידקים הישראלים שנגמלו מסוכר

החיים על כדור הארץ מבוססים כמעט לגמרי על תהליך הפוטוסינתזה, שבו צמחים, אצות וחיידקים מייצרים סוכרים מפחמן דו-חמצני (CO₂) שהם קולטים מהאוויר, בעזרת מים ואנרגיית האור. יצורים שאינם עושים בעצמם פוטוסינתזה מכונים "צרכנים" (הטרוטרופים) משום שהם זקוקים לסוכרים שייצרו אחרים בפוטוסינתזה, כמקור לאנרגיה ולחומרי בניין של תאיהם. במחקר שהתפרסם בכתב העת Cell, הצליחו חוקרים ממכון ויצמן למדע להדגים בפעם הראשונה הפיכה של אורגניזם צרכן ליצרן, וייצרו בהנדסה גנטית חיידק שאינו צורך סוכרים ומורכב אך ורק מפחמן שמקורו ב-CO₂ שבאוויר.

החוקרים, בראשות פרופ' רון מילוא ושמואל גלייזר, הינדסו גנטית חיידקי E. coli, שאינו עושה פוטוסיתזה, והחדירו לו גנים המאפשרים לו לפרק מולקולה פחמנית בשם פורמאט ולהפיק ממנה אנרגיה. בשלב הבא הם השתמשו בשיטה המכונה "אבולוציה במבחנה" - גידלו את החיידקים בסביבה ענייה בסוכר, אך עשירה בפחמן דו חמצני ובפורמאט. בכל פעם שהתפתחו בתרבית חיידקים המותאמים לתנאים אלה, הפחיתו החוקרים עוד את ריכוזי הסוכר, ולאחר חצי שנה הצליחו לגדל חיידקים שאינם צורכים סוכר - כך שהם הפכו צרכנים ליצרנים. כל הפחמן שנדרש לחיידקים לצורך בניית תאיהם הגיע מהפחמן הדו-חמצני. החוקרים מקווים לשכלל עוד את התהליך, ולהשתמש בחיידקים כאלה בשביל לייצר דלקים ירוקים, חומרי גלם ומוצרים אחרים על בסיס פחמן דו חמצני, בעיקר כזה שהוא תוצר לוואי של מתקני תעשייה גדולים, ופליטתו מזרזת את התחממות כדור הארץ.

החיידקים הפכו לצרכנים ליצרנים בתנאים המתאימים. מילוא (מימין) וגלייזר במכון ויצמן | צילום: אייל קריגר

למגר מחלות גנטיות: ריפוי גני לאנמיה חרמשית

תאי הדם האדומים מכילים מולקולה בשם הֶמוֹגְלוֹבִּין, שתפקידה לשאת חמצן ולהעבירו לתאי הגוף. אולם אצל אנשים הסובלים מאנמיה חרמשית, צורת ההמוגלובין פגומה, באופן שגורם למולקולות ליצור צברים בתא. הצברים משנים את צורת תאי הדם הדם האדומים כך שהם נהיים קשיחים ומעוקלים, ולכן נתקעים בכלי דם וחוסמים אותם. מדובר במצב מסוכן מאוד שיכול להוביל לכאבים עזים, לנמק, לאי-ספיקת כליות, ליתר לחץ דם, לקשיי נשימה ואף לשבץ מוחי.

הפתרון המתבקש הוא ריפוי גני, כלומר החלפת הגן הפגום בעותק תקין. אנמניה חרמשית מתאימה לכך במיוחד, משום שהמחלה נגרמת מפגם בגן אחד, בשם HBB. ואמנם, בתחילת השנה הסתיים בהצלחה ניסוי קליני ראשון בריפוי גני שנערך בצרפת על שבעה חולים, ובמקביל נמשך ניסוי רחב יותר, שעד סופו יגויסו כחמישים חולים. החלפת הגן נעשית מחוץ לגוף: הרופאים שואבים תאי גזע ממוח העצם של החולה, ומדביקים אותם בנגיף שהונדס גנטית כך שיחדיר להם את הגן התקין, בלי לגרום נזק. את התאים המתוקנים מזריקים בחזרה לחולים, שם הם אמורים לייצר תאי דם תקינים. גם אם הטיפול יאושר, עלותו צפויה להיות גבוהה מאוד, ותעמוד על כ-700-500 אלף דולר למטופל. כמו כן יידרש מעקב ארוך טווח אחר המטופלים, בעיקר כדי לוודא שהתאים המטופלים לא הופכים סרטניים. עם זאת, המחקר הזה, לצד פריצות דרך נוספות בריפוי גני בשנים האחרונות, מעוררים תקווה שבקרוב נוכל להקל על מיליוני חולים במחלות שכיום הן חשוכות מרפא.

תקווה למיליוני חולים, גם אם במחיר של מאות אלפי דולרים למטופל. תאים אדומים באנמיה חרמשית | איור: Science Photo Library

חיידק עמיד לקרינה

קרינה מייננת, כמו קרני רנטגן או קרינה רדיואקטיבית, היא בעלת אנרגיה רבה ולכן עלולה לגרום לשברים ב-DNA. שברים כאלו עלולים לגרום למוטציות וכך לסרטן ולמחלות אחרות. כמעט כל היצורים החיים רגישים לקרינה מייננת, אך יש יחידי סגולה, כמו חיידקים מסוימים, שעמידים בפניה. במחקר שפורסם במרץ השנה הצליחו חוקרים מארצות הברית להקנות עמידות לקרינה לחיידק שהיה רגיש לה.

החוקרים עשו זאת בעזרת הפעלת לחץ ברירה חזק על החיידק: הם הקרינו מושבות שלו בקרינה מייננת עד ש-99 אחוזים מהחיידקים מתו. החיידקים שנותרו היו אלו שמוטציות אקראיות העניקו להם עמידות לקרינה. החוקרים נתנו להם להתחלק וליצור מושבה חדשה, ואז הקרינו אותה בקרינה חזקה יותר, עד ששוב 99 אחוזים מהחיידקים מתו. הם חזרו על כך חמישים פעם, עד שהתקבלו מושבות עמידות לקרינה בעוצמה גבוהה פי שלושה מהמושבות המקוריות.

החוקרים גילו כ-400 מוטציות שהיו מעורבות בעמידות לקרינה, רבות מהן קשורות למנגנוני תיקון DNA וחלקן חדשות למדע. מעבר למידע שהם מספקים לנו, החיידקים העמידים עשויים לשמש בעתיד לניקוי אתרים מזוהמים בפסולת גרעינית, או כטיפול פרוביוטי במטופלים שעוברים הקרנות.

מאות מוטציות מעורבות בפיתוח העמידות לקרינה. חיידקי Deinococcus radiodurans ששימשו בניסוי | Science Photo Library

התוכנה בעלת פני הפוקר

חוקרים מאוניברסיטת קרנגלי-מלון וחטיבת המחקר של פייסבוק פיתחו תוכנת בינה-מלאכותית בשם Pluribus המסוגלת לנצח שחקני פוקר מקצועיים. תוכנות שיודעות לנצח במשחקים כמו שחמט או גוֹ, שבהם כל המידע גלוי ועל התוכנה להתמודד רק עם שחקן אחד, קיימות כבר שנים - אך פיתוח תוכנה שתנצח במשחק פוקר מרובה משתתפים היא אתגר גדול יותר. התוכנה החדשה בודקת בתום כל צעד עד כמה היא "מתחרטת" עליו בדיעבד, וכך סוקרת את כל האפשרויות ומנסה למצוא, על סמך פעולות היריבים, את המהלך שבחירה בו תמנע חרטה בסבירות הגבוהה ביותר. בהתאם לכך היא מתכננת את הצעד הבא.

המפתחים של Pluribus אימנו אותה קודם כל במשחק מול עותקים של עצמה, בעודה מבצעת מהלכים אקראיים ומפתחת אסטרטגיה עצמאית. בשלב הבא, החוקרים בדקו את האסטרטגיה של התוכנה מול שחקני פוקר מקצועיים וראו שהצליחה להביס אותם בהצלחה. על פי החוקרים, היתרון הגדול של התוכנה נובע מהיכולת שלה ליישם מספר אסטרטגיות משחק באופן אקראי, דבר שבני אדם מתקשים בו. החוקרים מקווים כי הם יוכלו להשתמש בהמשך בבינה המלאכותית החדשה שיצרו בסביבות נוספות שיש בהן מידע חבוי, למשל לצורך מניעת מעשי מרמה ואבטחת מידע באינטרנט.

האסטרטגיה של התוכנה עשויה להיות שימושית גם באבטחת מידע. משחק פוקר | צילום אילוסטרציה: Shutterstock

בדרך לעליונות קוונטית: צעד קטן למחשב העתיד 

תחום המחשבים הקוונטיים עדיין בחיתוליו, אבל פריצת דרך קטנה שהושגה השנה מסמנת אולי את המפנה המיוחל, המקרב את התחום למימוש ההבטחה הגדולה הגלומה בו. חוקרים במעבדות גוגל הדגימו בפעם הראשונה עליונות קוונטית - כלומר חישוב שבו מחשב קוונטי צנוע מאוד, המבוסס על 53 קיוביטים (יחידות זיכרון) בלבד, הוכיח יתרון על מחשב ספרתי רגיל. החוקרים של גוגל עשו זאת באמצעות בחירת בעיה מתמטית, מתחום הדגימה הסטטיסטית, המתאימה מאוד למחשב קוונטי אך קשה למחשבים רגילים, ואכן הראו כי בעוד שלמחשב-על יידרשו אלפי שנים לפתור אותה, המחשב הקוונטי עשה זאת בכמה דקות. מכאן עד ליישום שימושי של מחשבים כאלה הדרך עוד ארוכה, אבל גם דרך כזו מתחילה בצעד קטן.

בחרו בעיה ייחודית המתאימה למחשב קוונטי וקשה למחשבים רגילים. מיחשוב קוונטי | צילום: Science Photo Library

לנשים בלבד: תרופה ייעודית לדיכאון לאחר לידה

מינהל המזון והתרופות האמריקאי, FDA, אישר השנה לשימוש את התרופה הראשונה אי פעם שנועדה ספציפית לטיפול בנשים שסובלות מדיכאון אחרי לידה. דיכאון כזה גורם לעצבות גדולה, מצב רוח ירוד, חרדה ועצבנות ופוגע ביכולת הלוקות בו לטפל בעצמן ובאחרים. הטיפול בדיכאון אחרי לידה כולל טיפול נפשי ובמקרה הצורך מתן תרופות המיועדות לטיפול בסוגי דיכאון אחרים. תרופות אלו משפיעות בדרך כלל על הסרוטונין, מוליך עצבי חשוב במוח שמשפיע על מצב הרוח. עם זאת הן אינן מצליחות תמיד לשפר את המצב ויש ליטול אותן כמה שבועות עד שאולי יחוללו שיפור.

כעת לנשים בעלות ממון בארצות הברית יש גישה לתרופה שמיועדת במיוחד לטיפול בדיכאון אחרי לידה. התרופה החדשה, זוּלְרֶסוֹ (Zulresso) מכילה את החומר הפעיל בְּרֶקְסַנוֹלוֹן (brexanolone). היא מכוונת למסלול המשפיע גם הוא על מצב הרוח, מסלול הגאבא (GABA), שמשתבש במצב של דיכאון אחרי לידה. זולרסו ניתנת בעירוי תוך ורידי במשך 60 שעות, באישפוז ובהשגחה רפואית, מאחר שהמטופלות עלולות לאבד את הכרתן במהלכו. בניגוד לתרופות אחרות נגד דיכאון היא פועלת תוך שעות אחדות, והשפעתה נמשכת כחודש. היא יקרה במיוחד: 34 אלף דולר לטיפול, ונוסף על אובדן ההכרה תופעות הלוואי עלולות לכלול כאבי ראש, סחרחורת ועייפות. כמו כן, עדיין חסר מחקר בנוגע למנגנון הפעולה של התרופה ולתופעות לוואי נדירות יותר וארוכות טווח שלה, וכן בנוגע ליעילות הטיפול לאורך זמן ובשימוש חוזר.

הטיפול החדש משפיע תוך כמה שעות, בניגוד לנוגדי הדיכאון הרגילים | צילום אילוסטרציה: Shutterstock

הנרות שכבו השנה: דמויות חשובות שהלכו לעולמן

בשנת 2019 נפרדנו מלא מעט דמויות חשובות במדע, בהן כמה מהחלוצים של תחום החלל. באוקטובר הלך לעולמו אלכסיי ליאונוב (Leonov), שב-1965 היה האדם הראשון שיצא מחללית לריחוף בחלל. ביולי נפרדנו מכריס קראפט (Kraft) שהקים וניהל את מרכז הבקרה של נאס"א, ובמרץ מתה ג'רלדין (ג'רי) קוב (Cobb), שלא זכתה לטוס לחלל בעצמה אך הובילה את המאבק לשילוב נשים בתוכנית החלל האמריקאית.

אחד הבולטים במדענים שמתו השנה היה מארי גל-מן (Gell-Mann), שסיפק הסבר מתמטי לסידור החלקיקים בגרעין האטום, והעניק לחלקיקים היסודיים את השם "קווארקים". הוא זכה על כך בפרס נובל בפיזיקה ב-1969, פרס שלדעת רבים הגיע גם לפיזיקאי הישראלי יובל נאמן, שהגיע במקביל לתוצאות כמעט זהות. בינואר הלך לעולמו המתמטיקאי הבריטי-לבנוני מייקל עטייה (Atiyah), החתום על פריצות דרך חשובות של שימוש בטופולוגיה בתחומים כמו פיזיקה וגיאומטריה. בחודש יוני מת, שבועות אחדים לפני יום הולדתו ה-103, הכימאי היהודי-מקסיקני ממוצא הונגרי ג'ורג' (גיאורגי) רוזנקרנץ (Rosenkranz), שתרם רבות לפיתוח סטרואידים, ובין השאר היה הראשון לייצר פְּרוֹגֶסְטֶרוֹן סִינְתֶטִי (פְּרוֹגֶסְטִין), מרכיב חשוב בגלולות למניעת היריון. בישראל נפטר במאי הביוכימאי אהרון רזין מהאוניברסיטה העברית בירושלים, חתן פרס ישראל ופרס וולף, שהיה אחראי עם שותפו, חיים סידר, לפריצות דרך חשובות בתחום האֶפִּיגֶנֶטִיקָה, כלומר בקרה מחוץ ל-DNA על הפעלה וכיבוי של גנים שונים בגרעין התא.

מ-DNA ועד חלל. אהרון רזין (מימין), אלכסיי ליאונוב (במרכז) וכריס קראפט | צילומים: פרס אמת, ויקיפדיה, נחלת הכלל

עולם המדע נפרד השנה גם משתי חיות בית בולטות. הכלבה צֵ'ייסֶר, שהצליחה ללמוד יותר מאלף מילים ושפכה אור חדש על הבנת שפה אצל בעלי חיים, והחתולה לִיל בֹּאבּ, שהפגמים הגנטיים שלה סייעו לקדם מחקרים בהפרעות התפתחות - גם של בני אדם.