ידענים: ביומימטיקה - חיקוי הטבע

מאת 9 ביולי 2017 8 תגובות

הטבע מזוהה כבסיס ידע לפתרונות טכנולוגיים מקיימים בתחומי הלִבָּה הסביבתית: טכנולוגיות חומר, מים ואנרגיה. ביומימטיקה, חיקוי פתרונות הטבע, היא תחום דעת בצמיחה בעולם האקדמי והתעשייתי, ומזוהה כמנוע לחדשנות סביבתית. בידיעה זו נסקור שתי טכנולוגיות ביומימטיות מבטיחות המפותחות בימים אלה בארץ.

מאת יעל הלפמן כהן[1], שלומציון שן[2], ועזרא אורלובסקי[3]

במהלך עשרות השנים האחרונות השכילו מדענים להבין את הפוטנציאל הגלום בשימוש בקורי עכביש לטובת האנושות, תוך ניצול תכונותיהם המכָניות יוצאות הדופן. מקור: pixabay.

במהלך עשרות השנים האחרונות השכילו מדענים להבין את הפוטנציאל הגלום בשימוש בקורי עכביש לטובת האנושות, תוך ניצול תכונותיהם המכָניות יוצאות הדופן. מקור: pixabay.

חיקוי קורי העכביש

קורי העכביש הם חומר מרתק שזכה לתשומת לב האדם באלפי השנים האחרונות. במהלך עשרות השנים האחרונות השכילו מדענים להבין את הפוטנציאל הגלום בשימוש בקורי עכביש לטובת האנושות, תוך ניצול תכונותיהם המכָניות יוצאות הדופן. שלא כמו זחל טוואי המשי, שבוית ומפקעות הגולם שלו מופק המשי הרגיל בכמויות מסחריות, העכביש הוא חיה טריטוריאלית, וגידול המוני שלו לצורך הפקת כמות מסחרית של קורי עכביש אינו אפשרי. לכן, מציאת פתרון שיעקוף את הצורך בעכביש עצמו לשם יצירת קורי עכביש תסלול את הדרך לייצור המוני של סיבים מיוחדים אלה, ותאפשר את שילובם ביישומים שונים.

העכבישה הטווה את הרשת יודעת ליצור סיבים שונים שנבדלים ביניהם בתכונותיהם. הסיב החזק ביותר שהיא יודעת לטוות נקרא dragline, והוא משמש אותה לסיבים הרדיאליים ברשת, למסגרת הרשת ואף כסיב מילוט. סיב זה, טבעי או מלאכותי, נחשב לסיב החזק ביותר בנמצא. המחשה של חוזק הסיב היא העובדה כי הוא חזק פי שישה מסיב פלדה בעובי מקביל, וקל ממנו באופן משמעותי.

במהלך שני העשורים האחרונים נעשה מספר רב של ניסיונות לסנתוז מלאכותי של החלבונים המרכיבים את סיב ה-dragline במערכות ביטוי שונות לחלבונים – אצל שמרים, חיידקים, צמחים ואפילו עזים טרנסגניות. ניסיונות אלה התאפשרו הודות להתקדמות הטכנולוגיה המשמשת להנדסה גנטית. למרות זאת, הסיבים שהצליחו לטוות באמצעים מלאכותיים נחותים באופן משמעותי בתכונותיהם ביחס לסיב ה-dragline הטבעי.

סיביקס מטריאל סאינסס, חברה ישראלית הממוקמת בירושלים, הצליחה לייצר סיבים שזהים בתכונותיהם לסיב קור העכביש. במערכת הביולוגית ובתהליכי הייצור שפיתחה החברה, היא מייצרת לראשונה בעולם סיבי קורי עכביש בתדירות גבוהה ובכמויות מסחריות. התכונות יוצאות הדופן שלו – חוזק, אלסטיות, עמידות ומשקל נמוך – מאפשרות לחברה לפתח מגוון רחב של מוצרי עילית יוקרתיים ברמה גבוהה בתעשיות שונות, כגון תעשיית הרכב, התעופה, המיגון והספורט, שיש בהן צורך בחומרים חזקים וקלים. גם בתעשיית המכשור הרפואי יש לסיב ביקוש בשל העובדה שהוא ביו-פולימר עם פרופיל מועדף של תאימות ביולוגית. לסיביקס שיתופי פעולה עם חברות מובילות שוק לפיתוח הדור הבא של המוצרים.

חיקוי התפלה ביולוגית

מערכת ניסיונית לטיהור שפכי רפתות והתפלה ביולוגית, בכפר בלום. באגנים מלפנים שתולים צמחי מלחות בתוך זאוליט – מצע מינרלי מחליף יונים. הצמחים מימין לשמאל: ססוביום (Sesuvium portulacastrum), סָמָר ימי (Juncus maritimus), שַרשַר שיחני (Sarcornia fruticosa), בן-טיון בשרני (Limbarda crithmoides), אוכם חד-ביתי (Suaeda monoica). ברקע: תאים מאוּוָרים לפירוק חומר אורגני. צילום: ד''ר עזרא אורלובסקי.

מערכת ניסיונית לטיהור שפכי רפתות והתפלה ביולוגית, בכפר בלום. באגנים מלפנים שתולים צמחי מלחות בתוך זאוליט – מצע מינרלי מחליף יונים. הצמחים מימין לשמאל: ססוביום (Sesuvium portulacastrum), סָמָר ימי (Juncus maritimus), שַרשַר שיחני (Sarcornia fruticosa), בן-טיון בשרני (Limbarda crithmoides), אוכם חד-ביתי (Suaeda monoica). ברקע: תאים מאוּוָרים לפירוק חומר אורגני. צילום: ד"ר עזרא אורלובסקי.

תהליכי התפלה מתרחשים בטבע אצל צמחי מלחות. הבנה של תהליך ההתפלה יכולה לקרב את העידן של התפלה טבעית, שאינה כרוכה בהשקעת אנרגיה וחומרים כימיים, ויש לה מעט תוצרי לוואי. קיימים שלושה מנגנונים עיקריים להתמודדות עם עודפי מלח בטבע – הפרדה במקור (מנגרוב), הפרשה דרך העלים (אשל, מלוח) ואגירה בעלים בשרניים (שַרשַר [Sarcocornia sp.], בן-טיון בשרני [Limbarda crithmoides], אוכם [Suaeda sp.]).

במיגל נחקר כעת מנגנון האגירה בעלים של מגוון צמחי מלחות ארץ-ישראליים בהתפלת שפכים תעשייתיים-חקלאיים. הלופיטים (צמחים ששורדים היטב בריכוזי מלח של 300 מילימולר או 8,600 מ"ג לליטר) נאספו ממקומות שונים בארץ שריכוזי המלח בהם גבוהים למדי, כמו ברֵכות המלח בעתלית שמייבשים בהן מלח מהים, ואזור ים המלח. תוצאות ראשוניות מראות שצמחים אלה אוגרים מלח בעלים בהתאם לריכוזי המלח הנמצאים בסביבתם, וכי ריכוז המלח בעלים יכול להגיע ל-5% ממשקלו הטרי של הצמח. יכולת האגירה הזו מיושמת במתקן ניסיוני לצורך טיפול מקומי בשפכי רפתות המתאפיינים בריכוזי נתרן גבוהים (ראו איור). בשלב הנוכחי יש עדיין שימוש בטבע, כלומר בצמחי המלחות עצמם. בעתיד, לאחר שיובנו עקרונות ההתפלה, ייתכן שנוכל לבנות מערכת טכנולוגית ביומימטית המתפקדת באופן דומה. המחקר ממומן על-ידי האיחוד האירופי במסגרת הורייזון 2020: Brigade – גישור בין מחקר וטכנולוגיה להתמודדות עם שינוי האקלים.

היתרונות הסביבתיים של הטכנולוגיות הללו ברורים. פלדה מיוצרת כיום בתהליכי ייצור עתירי אנרגיה הכרוכים בחימום לטמפרטורות גבוהות ובזיהום הסביבה. פיתוח סיב המחקה את תכונות קור העכביש יבטיח לא רק חומר חזק וגמיש יותר מפלדה, אלא גם חומר מקיים יותר, שתכונותיו הן נגזרת של מבנה ולא של תהליכי ייצור עתירי אנרגיה. גם תהליכי ההתפלה הקיימים כיום כרוכים בהשקעת אנרגיה לא מבוטלת. ככל שנתקרב בתפקוד מערכות ההתפלה לתפקוד של מערכות טבעיות, נזכה בפתרונות חסכוניים יותר באנרגיה ומקיימים יותר.

שתי הטכנולוגיות הוצגו בכנס השלישי לביומימיקרי – אקדמיה ותעשייה, שהתקיים באוניברסיטת תל-אביב ב-8.6.2017.

הערות

[1] ארגון הביומימיקרי הישראלי

[2] סיביקס מטריאל סאינסס

[3] מרכז ידע גליל (מיגל)

8 תגובות ל “ביומימטיקה – טכנולוגיות סביבתיות פורצות דרך”

  1. אבי

    בסדר הבנתי אותך קפיש ואקרימסקא – אתה לא מסוגל לטעות כולם טועים וטוואי המשי לא תורבת והוא חי בטבע.
    ומליארדי הסינים יוצאים לשדה ואוספים את הגלמים שלו מהשדה כדי ליצר משי ליפנים …
    ויקיפדיה טועים, כל האנציקלופדיות טועות, סיפרי הלימוד והמורה שלי בתיכון (שחילק לנו בכיתה טוואי משי לגדל בבית כפרוייקט בביולוגיה) טעה, האתר של עמיר וינשטיין טועה (לינק מצורף), וכולם טועים רק שומר הסף ראה את טוואי המשי בעצי התות אצלו בגינה..
    ציטוט :
    "טַוַּאי הַמֶּשִׁי Bombyx mori משתייך למשפחת טַוָאֵי הַמֶּשִׁי Bombycidae הכוללת כ-300 מינים ונפוצה בדרום אסיה ומזרחה. בישראל אין למשפחה אף נציג בבר. טוואי המשי הוא הנציג המוכר של המשפחה. הזן* התרבותי פותח ממין בר שמקורו במזרח אסיה וזהותו המלאה לא ברורה לחלוטין, מין הבר הקרוב ביותר כיום הוא Bombyx mandarina. בניגוד למין הבר, הזן התרבותי אינו יכול לשרוד ללא עזרת האדם מאחר והבוגרים (שני הזוויגים) אינם מעופפים. במין הבר רק הנקבה אינה מעופפת והזכר כן. הזכרים נמשכים ועפים לנקבות בעקבות פרומון מין שהנקבה משחררת לאוויר. "

    http://www.insectour.com/Web/?PageType=0&ItemID=283567

  2. שומר הסף

    עכשיו הבנתי . אתה ״שואב״ מידע מה וויקיפדיה ומשוכנע באמינותו
    נו טוב ,
    לגופו של ענין
    ביות הוא שינוי תכונות מורפולוגיות , התנהגותיות ועוד ע׳׳י ברירה לאורך זמן,
    למצב שיתאימו לדרישות המביית,
    כך עם תרנגולות , פרות , סוסים כלבים ועוד,
    אם אנשים מגדלים שילשולים כדי ליצור קומפוסט ,
    מחזיקים חיות בר בקרקסים או בגני-חיות , מגדלים צבים בגינה
    או בורים ואמנונים בבריכות זה לא ביות ,
    כך גם חיות פרווה או גידול תנינים ,
    בניגוד ל״וויקיפדיה״ תוואי המשי קיים בבר והוא נראה, גדל ומתפתח
    בדיוק כמו הזחל ״המבוית״ , שאינו מבוית ,
    קפיש ?

  3. אבי

    תיקון – אחד הקיסרים הראשונים בסין. (לא הצאר, צאר זה היה ברוסיה)

  4. אבי

    נכון טעיתי טעות טקטית נוראה שכתבתי את "כמו שידוע לי" זה מחדל שמראה על חוסר בטחון ואסור לכתוב כאן בצורה כזאת.
    בקיצור – בויקיפדיה בעיברית כתוב "אוספים" – כנראה זה מקור הטעות שלך וזה לא נכון.
    גם פרות רועות באחו ואחר כך אוספים אותם ושוחטים אותם .
    בכל זאת הפרות שיש היום באחו לא אותם פרות שרעו בתקופת הפילאוליטים.
    טואי המשי התגלה בסין בתקופת הצארים הראשונים לפני יותר מאלף שנה ומאז אין למצא אותו בטבע בשום מקום בעולם.
    את זחלי המשי מגדלים בבתי גידול מוגנים על עלי תות בתוך מגרות מיוחדות , מחליפים להם את העלים כמו שמחליפים לפרות את הקש ברפת.
    הפרפרים האלה חסרי אונים לחלוטין , הם לא מסוגלים אפילו לעוף יותר מכמה סנטימטר ולא שורדים על עץ תות בחוץ יותר מהזמן שלוקח לכל ציפור מצויה לאכול אותם.

  5. שומר הסף

    אבי ,
    פתחת ב ״כמו שידוע לי״
    מסתבר שמה שידוע לך אינו נכון ,
    הזחל גדל בטבע על עצי תות ומה שחקלאי המשי עושים
    זה גידול עצי תות ואיסוף הפקעות ,
    זה כמו שילדים קוטפים חמציצים , ילידים אוספים זחלי קוקוס,
    תימנים אוספים ארבה וכך הלאה
    קפיש ?

  6. אבי

    כמו שידוע לי הפרפר טוואי המשי לא מסוגל להתקיים בטבע שלא בצורה מלאכותית בלי טיפול.
    הוא כמו הרבה חיות משק שלא מסוגלות לחיות בטבע ללא האדם שמטפל בהם, הוא עבר שינויים כתוצאה מברירה מלאכותית של מאות או אלפי שנים.
    אז כן אפשר לומר עליו שהוא בויית כמו שאפשר לומר זאת על התרנגולת.

  7. שומר הסף

    מוטב היה לו הכותבים היו מקפידים ומדייקים שכן
    שלא כמו שכתוב זחל טוואי והמשי מעולם לא ״בוית״ אלא פשוט נאסף,
    כמו הטרמיטים באפריקה או הארבה וחרקים אחרים ברחבי העולם .
    ״סינטזה״ בעברית שילוב .
    החוזק של סיב אינו ״מקביל״ אלא שווה …
    – גם צמחי מלחות מוציאים אנרגיה כדי להפריד מים ממלח …

הוספת תגובה

  • (will not be published)