‫ביו-הנדסה – שוליית נחשון הים / ריאיון מאת גארת’ קוק‬

הכימאית ג’ואנה אייזנברג כורה במעמקי הים ובביצות יער ודולה מהם את סודות התכנון של הטבע, ידע שבו היא נעזרת להרכבת חומרים חדשים שעשויים לשנות את עולמנו

אחד הדברים הראשונים שצדים את העין כשנכנסים למשרדה הפינתי של פרופסור ג’ואנה אייזנברג באוניברסיטת הרווארד הוא הצעצועים. מאחורי שולחנה יש קונכייה של קיפוד ים, פרפר תכול ממוסגר, מעמד פלסטיק שבוקעים ממנו סיבים ארוכים הנצבעים בשלל צבעים בלחיצת כפתור ושורות שורות, לא מסודרות במיוחד, של צעצועים. בייחוד רבות בהם הקוביות ההונגריות – בגודל הקלאסי של שלוש על שלוש על שלוש, אבל גם כאלה עם ארבע, חמש, שש ואפילו שבע קוביות קטנות בכל צלע. גן עדן לילדים בני שמונה.

 

השתעשעות בחידות מתמטיות היא העיסוק העיקרי, פחות או יותר, של אייזנברג בת ה-52. אבל אין עוררין על רצינותה. אייזנברג נולדה בדרום-מערב אוקראינה, קיבלה תואר בכימיה מאוניברסיטת מוסקבה, וב-1991 נמלטה מן הסקסיזם ומן האנטישמיות שפשו בגלוי באקדמיה הרוסית ופתחה בקריירה מזהירה במערב בתחום הביו-הנדסה. היא חושפת את סודות התכנון של אימא טבע ומשתמשת בהם בעבודתה. אייזנברג עובדת במשרה משולבת בכמה מוסדות של אוניברסיטת הרווארד: בבית הספר להנדסה ולמדע יישומי, במכון רדקליף למחקר מתקדם ובמכון וייס – מרכז מחקר חדש להנדסה בהשראת הטבע שהושקעו בו 125 מיליון דולר.

אייזנברג ניגשת למחקרה בגישה משחקית. היא חוצה גבולות מוכרים בין דיסציפלינות מדעיות מסורתיות בהתלהבות נטולת חשש של ילדה. היא התפרסמה בעיקר בשל שיתופי הפעולה שלה עם ביולוגים שבהם התגלו עקרונות הנדסיים יוצאי דופן המשמשים יצורים במצולות הים. אבל היא עובדת (או משחקת) גם עם כימאים ואדריכלים, פיזיקאים ומעצבי צעצועים.

הנה קטעים נבחרים משיחתנו אתה.

סיינטיפיק אמריקן: מדוע את מחפשת השראה בטבע?

אייזנברג: בכל מערכת ביולוגית אני רואה דוגמה חדשה ומדהימה לתכנון מתוחכם. הטבע פיתח כל כך הרבה אסטרטגיות מעניינות. הטבע יצר כל מיני חומרים ומתקנים איכותיים שהמדענים פשוט אינם יודעים על קיומם.

ראה לדוגמה את נחשון הים, שהוא קרוב משפחה של כוכב הים ושל קיפוד הים. יש לו שריון קשיח, ותמיד חשבו שהוא עיוור. אבל גילינו שחלק מן השריון שלו משובץ עדשות – הוא יכול לראות מבעד לשריונו. בשעות היום הוא מעמעם את האור הפוגע בעדשות באמצעות צבען (פיגמנט) כהה, אך בלילה הוא שואב את הצבען אל תוך גופו. אפשר לומר שנחשון הים מרכיב משקפי שמש, והעדשות שלהם טובות מן העדשות שאנחנו יודעים לייצר. זאת דוגמה לעיקרון חשוב: בעולם החי קורה לא פעם שחומר מסוים משמש באופן מיטבי לכמה מטרות שונות. השריון מתאפיין בתכונות מכניות מצוינות, שכן הוא שלד, אבל הוא בנוי גם לפעולה אופטית. מן הבחינה ההנדסית, שני התפקידים האלה רחוקים זה מזה כמזרח ממערב, והנה היצור הזה משלב את השניים במבנה אחד.

אנחנו חוקרים אפוא מערכות ביולוגיות מעניינות, אבל מנקודת המבט של המדעים הפיזיקליים. הגישה הזאת תסלול דרך לפיתוח חומרים ומכשירים חדשים שיכולים לשנות את העולם.

 

ספרי לי על עבודתך עם ספוג המים העמוקים.

זה יצור מדהים מכל הבחינות. הוא חי על קרקעית האוקיינוס ומצמיח לעצמו שלד של זכוכית. כשבני האדם מייצרים זכוכית, הם עושים זאת בטמפרטורה של 2,000 מעלות צלזיוס, אבל היצורים האלה, בדרך כלשהי, מייצרים את סיבי הזכוכית בטמפרטורת הסביבה.

כמו כן בבסיסו של הספוג, במקום שבו הוא נצמד אל הקרקעית, יש כתר של גדילים דקיקים המתנהגים כסיבים אופטיים מושלמים כמעט המוליכים אור מקצה הסיב אל קצהו האחר. בני האדם חושבים שהם המציאו את הסיב האופטי לפני כ-60 שנה, אבל זה חצי מיליארד שנה מייצר הטבע סיבים אופטיים מן החומר שממנו אנחנו מייצרים אותם.

אבל למה הספוג צריך מערכת אופטית מורכבת שכזאת? הוא הרי חי בחשכה. מתברר שהוא חי בסימביוזה. חיידקים זוהרים חיים על גבי הספוג, והאור שהם פולטים עובר בסיבים. כתר הסיבים הזורח משמש משואה המושכת אליה עוד בעלי חיים מן העלטה. נוסף על כך, זוג חסילונים מתגורר בתוך הספוג. הוא מוגן בבית הזכוכית המואר הזה וניזון מכל היצורים הנמשכים אל האור. הפרשות החסילונים הן חלק ממזונו של הספוג. זאת מערכת שלמה.

איך גיליתם את הספוג?

השתתפתי בכנס מדעי בסן-פרנציסקו והלכתי לחנות של אבנים טובות. אני מכורה לחנויות כאלה. והיה שם ספוג כזה. הוא היה מונח בפינה חשוכה מאוד, וכתר הסיבים שלו זהר כולו. המראה היה כל כך יפה. המשכתי עם זה ועשיתי את מה שאני באמת אוהבת לעשות: שיתפתי פעולה עם ביולוגים ימיים.

מה נוכל ללמוד מן היצור הזה לדעתך?

ספוג המים העמוקים יכול ללמד כיצד לחזק חומרים שהם חלשים ועדינים מטבעם. הזכוכית שבירה, אבל הספוג הזה אינו שביר כלל. אפשר לדרוך עליו ולא יקרה לו כלום.

הטבע משיג את התוצאה הזאת על ידי שילוב של כמה אסטרטגיות מבניות זו על גבי זו. הוא מקבץ סיבים לכדי חומר רב-שכבתי. הסיבים בונים יתדות המצטרפות זו לזו ויוצרות מרובעים הנעטפים במלט של סיבי זכוכית. זכוכית בתוך זכוכית בתוך זכוכית. אבל הספוג משלב את כל מבני הזכוכית יחד ונוצר חומר חזק מאוד המתגבר על שבריריותה הטבעית של הזכוכית.

אפשר גם לדמות את הספוג לבניין “ירוק” בעל דגם של חלונות פתוחים בקירותיו החיצוניים. הוא גורם לי לתהות, למשל, אם אפשר לבנות גורד שחקים שכל קומה עשירית בו פתוחה ומאפשרת ניצול של אנרגיית הרוח.

מבחינתם של המהנדסים, מהם היתרונות של ההתבוננות בטבע ומהן המלכודות שאולי טמונות בכך?

הטבע יכול להציע למהנדסים מגוון עצום של פתרונות לבעיות טכניות סבוכות. לא כל הפתרונות מעשיים. אפשר שיתברר, למשל, שגישה זו או אחרת בהשראת הטבע יקרה כל כך בחומרים ובאנרגיה ולכן אי-אפשר להשתמש בה. עם זאת ייתכן שיימצאו פתרונות טבעיים שאינם נופלים מן הפתרונות ההנדסיים של היום, או נופלים מהם במעט, אבל יישומם זול הרבה יותר. כלומר הטבע מספק קשת רחבה של פתרונות שאפשר ללמוד ולחקור.

אבל צריך להיזהר. מבחר החומרים בטבע מוגבל מאוד. בעולם החי אין פלדה. בעולמנו יש ויש. לכן איני אוהבת לכנות את תחום המחקר שלי “ביו-מימטיקה” (חיקוי הטבע) משום שאיני רוצה לחקות את המבנים הביולוגיים. אני מעדיפה את המינוח: “הנדסה בהשראת הטבע” כי מה שאני עושה זה לשאוב מושגים ורעיונות מן התֶכֶן הביולוגי, ולא פתרונות מסוימים דווקא. לא הייתי רוצה לבנות נחשון ים, אלא גג יציב מן הבחינה המכנית שמכיל עדשות מלקטות אור. אני לא אשתמש בחומרים שבהם משתמש נחשון הים, אבל אקח ממנו את האסטרטגיה.

איך זה שהטבע הוא מהנדס מוכשר כל כך?

עולם החי סובב סביב תִפקוד: כל אורגניזם חייב ליצור פתרונות שיתמודדו היטב עם הבעיות העומדות לפניו: איך להתחלק, איך להתרפא או איך ליצור דברים שיחזיקו מעמד. הטבע נהנה גם מיתרון אחד גדול: מיליוני שנות אבולוציה. לנו אין זמן כה ארוך. גורם נוסף הוא שבעולם החי אין אפשרויות בחירה. רק המתאימים ביותר שורדים. המהנדסים הגרועים נכחדים. טעות פירושה כיליון.

האם הייתה להורייך השפעה על היותך מדענית?

אבי היה מהנדס בניין. הוא תכנן ובנה גשרים וכבישים. אמי הייתה רופאה שהתמחתה במחלות מידבקות. משניהם שאבתי השראה בדרכים רבות. אמי למדה רפואה בשנות ה-50 (בברית המועצות). בימים ההם אסר סטלין כל עיסוק בגנטיקה, והיא עמדה בראש קבוצת סטודנטים שהיו נפגשים בחשאי ולומדים על דנ”א. היא הייתה עשויה ללא חת. מעודי לא הכרתי אדם עם כוח רצון כמו שלה.

כשהייתי קטנה חליתי בשיתוק ילדים (פוליו), ורגליי היו משותקות זמן ארוך. אמי ייחדה זמן רב לשיחות אתי. היא הראתה לי את העולם שניבט מבעד לחלוני. “תראי איך העצים צומחים, התבונני בצורות שהם יוצרים,” היא הייתה אומרת. “הסתכלי בדפוסים שהמים יוצרים כשהם זורמים בשצף.” זה היה באמת נפלא.

מה משך אותך להתעניין בכימיה?

זה אולי נשמע קצת מוזר, אבל אחד הדברים שהכי אהבתי לעשות בילדותי היה לפתור חידות חשבוניות. כשהייתי בחטיבת הביניים הרווחתי אפילו מעט כסף מכתב עת ששילם לי בשביל לחבר חידות לשאר התלמידים. כשהגעתי לאוניברסיטת מוסקבה, נפגשתי עם אנשים שלמדו מתמטיקה, פיזיקה וכימיה. מן השיחות אתם הגעתי למסקנה שמתמטיקה היא רק מתמטיקה, פיזיקה היא רק מתמטיקה ופיזיקה, ואילו שדה הכימיה נרחב מאוד. וככל שלמדתי כימיה, כך התחזקה אצלי ההרגשה שהכימיה היא המדע שבו טמון המפתח. היא מסתעפת לכל כיוון. זה מקום מדהים להיות בו.

האם כל מה שאת עושה מתחיל באיזה צמח או בעל חיים שמעניין אותך או שלפעמים את מתחילה דווקא מתוך מחשבה על יישום מסוים?

קבוצת המחקר שלי התחילה להתעניין בתחום ה”הירטבות” (wettability), העוסק בשאלה עד כמה חומר דוחה מים או מושך אותם. היינו רוצים ללמוד לשלוט במידת ההירטבות של משטחים. במשך 15 שנה שאבו הכול השראה מצמח הלוטוס, שכן המים ניגרים על פני עליו ונשטפים מהם באופן טבעי [ראו חומרים המתנקים מעצמם, סיינטיפיק אמריקן ישראל, דצמבר 2008]. אבל העוסקים בתחום כבר יודעים שיישום סודותיו של הלוטוס למטרות מעשיות יהיה קשה מאוד. החומרים האלה, כך מתברר, יקרים מדי ואינם עמידים דיים.

לכן פנינו למודל אחר מעולם הטבע: צמחי הכדנית. אלה הם צמחים טורפים המצוידים ב”כד” שצדו הפנימי חלקלק במידה שלא תיאמן. נמלה המטפסת לפתחו תחליק מיד פנימה, תילכד ותעוכל. בהשראת המשטח הזה בנינו משטח חלקלק במידה דומה. אפשר להשתמש בו לציפוי דופנותיהם הפנימיים של צינורות נפט, והדבר יקל מאוד את שאיבת הנפט ואת הזרמתו. מבחינת יישומים ביו-רפואיים, החומר יכול לעזור לדם לזרום היטב ולמנוע את גידולן של מושבות חיידקים. שימוש אפשרי אחר הוא ציפוי קירות עמיד בפני גרפיטי. הצבע פשוט יחליק ממנו. זה ירגיז מאוד את האמנים האלה.

מה לדעתך ימציא לנו מדע החומרים בעשורים הקרובים?

אנחנו יודעים לעשות חומרים חזקים, אנחנו יודעים לעשות חומרים אופטיים, אבל אנחנו גרועים בייצור חומרים המגיבים לסביבה, חומרים שתכונותיהם משתנות באופן אוטומטי, שיכולים לתקן את עצמם, שיכולים לשנות את מראם בשעת הצורך. אנחנו זקוקים לחומרים בעלי התנהגות סתגלנית הפיכה.

יש לנו, למשל, חומר שיכול לשמש לביגוד “חכם”. הוא משתנה מאליו לפי תנאי הלחות של הסביבה. הוא מושך את הלחות אליו כשבחוץ יבש מאוד, אבל דוחה מים כשיורד גשם. אתה יכול לתאר לעצמך את השימושים הרבים שיכולים להיות לחומרים סתגלניים. כשקר בחוץ אתה רוצה שהחלונות יוליכו חום אל תוך החדר ככל האפשר, אבל ביום קיץ חם אתה רוצה שאותו החומר ייעשה מחזיר אור וישמור על טמפרטורה נעימה בתוך החדר.

המצאתם של חומרים כאלה היא האתגר הגדול של המאה ה-21.

לאחר שלמדת כל כך הרבה על עולם החי, את מסתכלת עליו באור אחר?

אפשר לומר שכן. אני מתעניינת מאוד בהיווצרותם של דפוסים. לכן כשאני הולכת בחוף הים, אני כל הזמן מסתכלת על אופן הגעת הגלים אל החוף. אני יכולה גם להסתכל במשך כל הטיול בקווים שהגלים הנסוגים משאירים אחריהם בחול. הם יוצרים צורות יפהפיות. זה מעורר אותי לחשוב על הקשר של הצורות האלה לחופים אחרים או לגודלם של גרגרי החול.

אני באמת אוהבת את הים. החיים בו מגוונים ומדהימים כל כך. ואני בטוחה שמכל יצור חי אנחנו יכולים ללמוד משהו.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

על המחבר

גארת’ קוק (Cook) הוא עיתונאי בבוסטון גלוב, חתן פרס פוליצר ועורך בלוג מדעי המוח “Mind Matters” של כתב העת סיינטיפיק אמריקן מיינד.

בקיצור

ג’ואנה אייזנברג

עיסוק | תחביב

ניהול מעבדת ביו-מימטיקה

היכן

אוניברסיטת הרווארד

התמחות

המצאת חומרים חדשים בהשראת עולם החי

בגדול

“אנחנו חוקרים מערכות ביולוגיות מעניינות, אבל מנקודת המבט של המדעים הפיזיקליים.”

ועוד בנושא

Harvard Portrait: Joanna Aizenberg. Harvard Magazine, page 59; July/August 2008. http://harvardmagazine.com/2008/07/joanna-aizenberg.html

Bioinspired Self-Repairing Slippery Surfaces with Pressure-Stable Omniphobicity. Tak-Sik Wong et al. in Nature, Vol. 477, pages 443-447; September 22, 2011.

The Aizenberg Biomineralization and Biomimetics Lab: http://aizenberglab.seas.harvard.edu/index.php

לצפייה בסרט על אודות עבודתה של אייזנברג לייצור משטח מונע קיפאון בקרו באתר www.sciam.co.il

 

באתר בלבד

המעבדה של אייזנברג התעמקה בהבנת הפיזיקה של המים כדי לתכנן פולימר ציפוי בעל מבנה מיוחד הדוחה לחלוטין הצטברות של קרח בטמפרטורות של עד מינוס 30 מעלות צלזיוס. החומר הזה, או חומר דומה שיפותח בהמשך, יוכל לשמש ביום מן הימים לציפוי מטוסים, עמודי מתח גבוה או גגות של בניינים.

צפו בסרט הווידאו המדהים הזה, שבו רואים כיצד טיפת מים ניתזת ממשטח סופר-הידרופובי מונע קיפאון במעבדתה של אייזנברג. לשם השוואה, אפשר לראות בתחילת הסרט שני משטחים אחרים: הראשון הידרופילי והשני “סתם” הידרופובי.