מדע / מחטי הזכוכית שבשלדי ספוגים ימיים מוליכים אור טוב יותר מסיבים אופטיים
הטכנולוגיה המודרנית המשוכללת אינה יכולה עדיין להתחרות עם כמה מיצירות הטבע. עם אלה נמנות המערכות האופטיות המתוחכמות שמפתחים ספוגים. בין הספוגים, שהם היצורים הרב תאיים הקדומים ביותר, יש כאלה המפתחים שלד שמורכב מזכוכית, ומכאן שמם – ספוגי זכוכית. חלקו התחתון של השלד בנוי ממחטי זכוכית שלהן תכונות אופטיות הדומות במפתיע לאלה המאפיינות סיבים אופטיים המשמשים בתעשיית הטלקומוניקציה. אך בהבדל אחד: הפיתוח הטכנולוגי המתקדם ביותר מעשה ידי אדם עדיין לא הצליח להגיע לביצועים של מחטי הספוגים.
בין 5,000 ל-9,000 מיני ספוגים חיים בים, וישנם עוד מינים רבים שקיימים רק בצורת מאובנים – אלה הם שרידי הספוגים הקדמונים. לרובם שלד פנימי. בספוגים חיים המשמשים לרחצה השלד מורכב מחומר אורגני דמוי קולגן. ספוגים אחרים מצוידים בשלד מינרלי גירני, אך במרבית הספוגים השלד בנוי מצורן, שהוא המרכיב העיקרי של הזכוכית. שלד הזכוכית יכול להופיע בצורות גיאומטריות שונות כגון מחטים, כדורים, קרניים, חוט תיל ועוד.
בספוגי הזכוכית המחטים מתאחות פעמים רבות, ונוצר מעין כלוב הבנוי מסבכה של צורן. זה מה שקורה בספוג שקיבל את השם “סלסלת הפרחים של ונוס”. אצלו המחטים התחברו לצורה גלילית ובדפנות קיבל החומר הזכוכיתי מרקם של תחרה. ביפאן היה נהוג לתת את שלד הספוג הזה כמתנת אירוסין. הסיבה למנהג נעוצה בעובדה שלספוג החי יש רק פתח אחד ליציאת מים, המצוי בחלקו העליון. כשהספוג צעיר יחסית חודרים דרך הפתח הזה זוג סרטנים (זכר ונקבה) שחיים בחלל הפנימי שלו. אבל קצב גידול הסרטנים מהיר משל הספוג, וכך כעבור זמן קצר הסרטנים נעשים גדולים יותר מפתח היציאה, והם נידונים לסיים את חייהם בצוותא בתוך חלל הספוג. הבחירה בבן הזוג אצלם היא על כן מחויבות טוטלית, עד ליומם האחרון, ומכאן הסמליות שבמתן שלד הספוג עם צמד הסרטנים לזוג העומד להינשא.
“סלסלת הפרחים של ונוס” הוא הספוג ששימש למחקר של צוות רב תחומי, והתפרסם ביום חמישי שעבר בכתב העת “.”Nature בצוות השתתפו ד”ר ז’אנה אייזנברג, חוקרת בתחום הננוטכנולוגיה שקיבלה את הדוקטורט במכון ויצמן ועובדת עתה במעבדות בל בניו ג’רסי, והביולוג הימי ד”ר מיכה אילן מאוניברסיטת תל אביב. אייזנברג בדקה את התכונות הפיסיקליות והכימיות של מחטי השלד וגילתה שהמחטים מסוגלות להוליך אור בדיוק כמו סיבים אופטיים, ואפילו כמו רשת של סיבים אופטיים. אורך המחטים של “סלסלת הפרחים של ונוס” מגיע עד 15 סנטימטרים, אך הן דקיקות מאוד – קוטרן נע בין 40 ל-70 אלפיות הסנטימטר, והן נושאות על גביהן “קוצים” זעירים, כמו גבעול של ורד. בתוך המחט חבויה ליבה הבנויה ממולקולות אורגניות והיא עטופה גליל מוצק ורציף הבנוי מצורן, שבעצמו מוקף ב”קליפה” הבנויה שכבות-שכבות של חומר אורגני במרווחים קבועים.
“סיב הזכוכית של הספוג נראה כמו חוט ארוך שעל גביו קוצים, לכן כשמאירים אותו, האור לא רץ לאורך הציר המרכזי בלבד, אלא מתפצל בקוצים ובקצה כל קוץ מתקבלת נקודת תאורה. כך, ממקור אור אחד העובר בסיב הביולוגי ניתן לקבל פיצול לרשת נקודות תאורה רבות. התכונות האלה מקנות לסיבי הספוג הולכה אופטית טובה יותר מזו שנותנים הסיבים האופטיים המשמשים היום בטלקומוניקציה”, אומר אילן. אחת הבעיות בסיבים התעשייתיים היא הקשיחות שלהם, שגורמת לכך שיישברו בקלות. “בסיבים הביולוגיים האלה יש בתווך מולקולות אורגניות שמעניקות להם גמישות, וגם כשנוצר סדק הסיב לא נשבר. הודות למרכיב האורגני ניתן לכופף ולפתל את הסיב מבלי לשבור אותו”, אומר אילן.
מחטי הספוגים נוצרות בתנאי הסביבה הטבעית שלהם, במעמקי הים שם מגיעה הטמפרטורה לארבע מעלות צלזיוס, ובפיקוח אנזימים המכוונים את גידול החומר לצורה האופיינית של הספוג. מאפיינים אלה עשויים להפוך את המחטים לחלופה לטכנולוגיות הנוכחיות לייצור סיבים אופטיים, הדורשות טמפרטורות גבוהות. מחקרים רבים בודקים כיווני ייצור כאלה. בניית סיב בטמפרטורה נמוכה מאפשרת החדרת אלמנטים נוספים המשפיעים על הולכת האור בסיב ומשפרת את ביצועיו. לדברי אילן, “הבנת מסלול הייצור הביולוגי של סיבים כאלה יכולה לתרום לפיתוח סיבים ורשתות אופטיות מתקדמים יותר מאלה המצויים בשימוש היום”.
עתה נותרת השאלה מדוע ספוג, שחי במעמקי הים, לשם לא חודר אור כלל, זקוק למנגנון המאפשר הולכת אור כה משוכללת? “אנחנו יודעים שבים קיימים מיקרואורגניזמים היכולים לייצר אור. העלינו את ההשערה כי מיקרואורגניזמים כאלה יכולים לחיות בתוך הספוג, וכך האור שהם מייצרים מתפזר בנקודות רבות על פני שטח הספוג באמצעות מערכת הסיבים הביולוגיים”, אמר אילן. “במעמקי הים החשוך יכול אור שכזה למשוך אליו יצורים זעירים שהספוג מסנן לשם מחייתו”.
סלסלת הפרחים של ונוס
ביצור החי בקרקעית הים התגלו יכולות הולכת אור, שעשויות לשמש את תעשיית הסיבים האופטיים
אלכס דורון, מעריב
המדענים החוקרים את הטבע נתקלים לא פעם במנגנונים מתוחכמים, שיכולים לשמש בסיס לטכנולוגיה עתידנית. קחו לדוגמה את ”סלסלת הפרחים של ונוס”, סוג מיוחד של ספוג (יצור החי במעמקי הים), שנחקר לאחרונה על-ידי צוות בראשות שני ישראלים, ד”ר מיכה אילן מאוניברסיטת תל-אביב וד”ר ז’אנה איינזברג, לשעבר חוקרת במכון ויצמן וכעת חוקרת במעבדות בל בניו-ג’רזי.
השלד של הספוג עשוי מצורן (סיליקון, היסוד הכימי שבזכוכית) וצורתו מזכירה מחט. מרכיבי השלד שלו מתאחים בחלקם ויוצרים רשת. מהמחטים יוצאים קוצים, שיוצרים מעין סבכה של צורן. במחקר נתגלה שהמחטים והקוצים מוליכים אור כמו בסיב אופטי משוכלל. למעשה, הולכת האור שלהם טובה יותר אפילו מזו של הסיבים האופטיים התעשייתיים.
ד”ר אילן מספר שהיפנים נוהגים להעניק את ”סלסלת ונוס” כמתנת אירוסין. מאחורי המינהג הזה יש סיפור מעניין. הספוג הוא יצור רב-תאי ישיב (לא נייד), קדום ופרימיטיבי, בצורת גליל, שמזכיר במראהו רקמת תחרה. הוא חי במעמקי הימים והאגמים, ויש לו פתח אחד, הממוקם בראשו. כשהספוג צעיר, חודרים דרך הפתח הזה זוג סרטנים (זכר ונקבה), המתמקמים בחללו הפנימי ומנהלים עמו חיים סימביוטיים. אלא שקצב הגידול של הסרטנים מהיר משל הספוג, וכעבור זמן-מה הם פשוט נכלאים בתוכו. הם נידונים אפוא לסיים שם את חייהם, בצוותא. היפנים ראו בכך סמל לזוגות שעומדים להינשא.
אורכן של חלק ממחטי השלד של סלסלת ונוס הוא 5-15 ס”מ וקוטרן 40-70 מיקרון (אלפית המילימטר). הספוג בנוי משכבות במרווחים קבועים, ומבנה זה עושה את מחטי השלד עמידות לשבירה גם כשהן נסדקות. הן עמידות לכיפוף וללחצים מכניים גדולים – מה שמונע התרחבות של הסדק הקל לשבר מוחלט
של הסיב.
”הטכנולוגיה המודרנית עדיין אינה מסוגלת להתחרות מול כמה מהמערכות האופטיות המתוחכמות ביותר המצויות באורגניזמים הביולוגיים”, הדגיש ד”ר אילן בראיון למגזין נייצ’ר. לדבריו, חיקוי של התכונות הביולוגיות הללו יוכל להביא בעתיד לייצור של סיבים אופטיים איכותיים ביותר, ושל חומרים מרוכבים חדישים.
