מחקר בין-תחומי של חוקרים מהאוניברסיטה העברית פתר את תעלומת הסלסול הספונטני בטבע

מבנים סליליים, כמו תרמילי הזרעים, נפוצים בטבע ונמצאים גם בשירות האדם. מולקולת ה-DNA היא אולי המוכרת ביותר, אך ישנן מולקולות אחרות, דוגמת כולסטרול אשר מתארגנות במבנים סליליים שונים המשפיעים על תפקודן בגופנו

מה המנגנון האחראי להסתלסלות שני צידי תרמיל זרעים בעת פתיחתו? זו השאלה ששאלו עצמם תלמידי הדוקטורט שחף ערמון ואפי אפרתי. השניים, בהנחיית פרופ’ רז קופרמן מהמחלקה למתמטיקה ופרופ’ ערן שרון מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטה העברית, הופתעו לגלות שירידה בלחות שבאוויר מפעילה שתי שכבות סיביות מהם עשויים התרמילים וגורמת לצידיהם להסתלסל בכיוונים הפוכים.

לדברי פרופ’ שרון, “מדובר בדרך גאונית בפשטותה לבניית התרמיל כך שייפתח בזמן הנכון ויפזר את הזרעים”. כך מובטחת הישרדותו של הצמח. המחקר פורץ הדרך התפרסם בסוף השבוע בכתב העת המדעי היוקרתי “Science”.

מבנים סליליים, כמו תרמילי הזרעים, נפוצים בטבע ונמצאים גם בשירות האדם. מולקולת ה-DNA היא אולי המוכרת ביותר, אך ישנן מולקולות אחרות, דוגמת כולסטרול אשר מתארגנות במבנים סליליים שונים המשפיעים על תפקודן בגופנו. בסקאלות גדולות יותר אנו מוצאים מבנים סליליים רבים בעולם החי והצומח, דוגמת קנוקנות, צמחים מטפסים ואף השיער שעל גופנו. קפיצים ומקדחים הנם דוגמאות מוכרות של מבנים הנדסיים סליליים, אך גם מבנים מיקרוסקופיים סליליים של גבישים נוזליים משפיעים על חיי היום יום שלנו, בהיותם אחראים לשיפור הניכר באיכות מסכי ה-LCD בשנים האחרונות.

החוקרים ניסו להבין מהם העקרונות הגורמים לסלסול ספונטני בעת פתיחת תרמיל הזרעים, והופתעו לגלות מנגנון גיאומטרי-מכני שלא היה ידוע עד כה בקרב אנשי קהילת ההנדסה. לגילוי יכולות להיות השלכות משמעותיות על המדע והטכנולוגיה. ראשית, הוא פותח דרך להבנה כמותית של שינויי צורה המופיעים בעת התפתחות עוברית. שנית, ניתן ללמוד מהטבע עקרונות שיאפשרו לבנות רצועות ומבנים רכים מ”חומר חכם”, אשר יסתלסלו וישנו צורה מעצמן בעקבות הפעלה חיצונית. כך נוכל לייצר “מכונות רכות”, דוגמת תמנון, שעל אף היותן עשויות מקשה אחת יכולות לשנות את צורתן בגמישות.

ואכן, בעקבות גילוי המנגנון בנתה ערמון חיקוי של תרמיל זרעים בעזרת ג’ל רגיש לחום. התוצאה הייתה רצועת “חומר חכם” שניתנת לתפעול בעזרת שינויי הטמפרטורה. בעת חימום משנה הרצועה את צורתה ממצב שטוח לצורות מסולסלות שונות כגון ברגים, סלילים וצינורות. בעקבות זאת פיתח אפרתי מודל תיאורטי המתבסס על ניסוח חדשני של התורה האלסטית. הניסוח מפשט את הבעיה, הפיזיקלית במקורה, למונחים גיאומטריים. הפשטה זו אפשרה לגלות את הקשר בין תרמילי זרעים למולקולות כימיות.

בעקבות הפישוט התברר לחוקרים שאותו מנגנון הגורם לפתיחת תרמילי זרעים אחראי להסתלסלות של מולקולות-על אשר נבנות באופן ספונטני במערכות כימיות וביולוגיות שונות. “המדידות שנעשו במחקר מספקות לראשונה הסבר לשינויי צורה שנצפו בעבר במולקולות מסוג זה”, מבהיר פרופ’ שרון.