כללי אצבע

האם ניתן ליישם את עקרונות חקר הפיסיקה גם על הביולוגיה?

במשך מאות בודדות של "אבולוציה מדעית" התפצל האב הקדמון -ה"מדען" – למיגוון מינים וזנים: כימאים ופיסיקאים, גנטיקאים ומיקרו-ביולוגים, וכלמה שביניהם. כל אוכלוסיית מדענים התאימה את עצמה לגומחה אקולוגית ייחודית.

הביולוגים, למשל, בוחנים את התא החי, וחוקרים את התפקידים ומנגנוני הפעילות של רכיבים ומבנים שונים בתוכו. הפיסיקאים, לעומתם, מחפשים הכללות, כלומר מנסים לגלות את החוקים האוניברסליים העומדים בבסיסו של היקום, ולזהות קווי דמיון בין תופעות ומערכות שונות זו מזו.

האם ניתן להכליא את שני המינים השונים האלה? הרעיון, שנחשב בזמנו לבלתי-אפשרי, נעשה מקובל יותר ויותר, ובזמן האחרון אנו עדים לשגשוגם של ביו-פיסיקאים. "האמצעים המשוכללים העומדים כיום לרשות הביולוגים מאפשרים לאסוף כמויות עצומות של מידע, וצוואר הבקבוק נוצר בשלב ניתוח הנתונים", אומר ד"ר ניר גוב מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע. "הפיסיקאים התייחסו למצב זה כאל הזמנה למסיבה הביולוגית – הם משתמשים בכלים שברשותם כדי להבין תופעות ביולוגיות ברמה הבסיסית, ובדרך מגלים גם עקרונות פיסיקליים חדשים המייחדים חומר חי ופעיל".

הנושא שמשך את תשומת ליבם של ד"ר גוב וחברי קבוצת המחקר שלו הוא, כיצד לובשים תאים שונים את צורתם האופיינית. הם בחרו להתמקד במבנה המיוחד של תאי השיער שבאוזן הפנימית. מתאים אלה יוצאות שלוחות דמויות אצבע הבולטות משטח פני התא, ויוצרות מעין מדרגות בגבהים משתנים. השלוחות ממלאות תפקיד מרכזי בשמיעה – הן ממירות את תנודות הקול הנקלטות באוזן הפנימית באיתות חשמלי שמועבר דרך עצב השמיעה אל המוח. שימוש בשיטות דימות מתקדמות איפשר לביולוגים לפענח ולתאר בפרטי פרטים את תהליך היווצרות תאי השיער לאורך ההתפתחות העוברית – החל בשלבים המוקדמים, בהם העובר עדיין חירש, והאצבעות רק מתחילות לבצבץ משטח פני התא באופן בלתי-מסודר לכאורה, ועד לשלבים המאוחרים, שבהם מקבלות השלוחות את צורתן הסופית, ויוצרות מבנה מסודר המאפשר שמיעה. באמצעות קילוף הקרומים החיצוניים של תאי השיער ניתן לחשוף את מבנה השלד החלבוני שתומך באצבעות ומקנה להן את צורתן. אך למרות המידע המפורט המצוי בידיהם, המדענים עדיין אינם מבינים את התהליכים שמביאים להיווצרותם של המבנים המאורגנים האלה. לשם כך יש "לקלף" שכבה נוספת, ולחשוף את הכוחות הבלתי-נראים המשפיעים על התהליך – כוחות שהם נושאי המחקר של הפיסיקאים.

ד"ר גוב: "במונח 'כוחות' אנו מתייחסים לגורמים כמו מתח, דחיסה, חיכוך, תנועה ואנרגיה כימית. כל אלה הם מנגנונים פיסיקליים הפועלים על רכיביה של מערכת נתונה כלשהי. באמצעות הכנסת הגורמים האלה למערכות משוואות יצרנו מודלים מתמטיים שאפשר להשתמש בהם כדי לחזות באופן כמותי כיצד נוצרים ומתנהגים המבנים התאיים במצבים שונים. תחזיות אלה ניתן לבדוק ולאשר באמצעות ניסויים".

המודל שיצרו גוב וחברי קבוצת המחקר שלו מביא בחשבון את האירועים הביוכימיים המתחוללים בתאי השיער: מולקולות ATP – מטבע האנרגיה המועבר בכל פעילות של התא – גורמות לפירוק ובנייה מחדש של הפיגומים המרכיבים את שלד התא, העשויים מצרורות צפופים של סיבי חלבון הקרוי "אקטין". אבל התהליך הזה אינו גורם לשינוי הצורה הכללית של השלד התאי. המודל מאפשר לחשב באופן כמותי כיצד הכוחות הפיסיקליים הפועלים על קרומי התאים משפיעים על צורתם, ובסופו של דבר גורמים להופעת המבנה האופייני הסופי, דמוי האצבעות. שורה של ממצאים ניסויים, שהתקבלה בשיטות ביולוגיות "מסורתיות", אישרה את התחזיות של המודל המתמטי. מאחר שמדובר במודל כללי, המבוסס על כוחות פיסיקליים אוניברסליים, אפשר להשתמש בו כדי להבין את היווצרותם של מבנים תאיים נוספים. כך, למשל, עוסק צוות חוקרים מקבוצתו של ד"ר גוב במבנה של תאי עצב במוח. תאים אלה יוצרים שלוחות מסועפות הגדלות ויוצרות קשר עם תאי מוח שכנים. מבנה זה הוא שמאפשר לתאי העצב שבמוח "לדבר" זה עם זה. מדענים רבים סבורים, כי תהליכים כמו למידה או קיבוע זיכרונות מעודדים צמיחה של שלוחות אלה, ויצירה של נקודות מגע נוספות בין תאי העצב. מהשוואה בין שני המבנים עולה, כי צמיחת השלוחות של תאי העצב מבוססת על תהליכים דומים לאלה שמובילים ליצירת האצבעות בתאי השיער.

מבנים דומים ניתן למצוא בסוגי תאים נוספים, הממלאים תפקידים מגוונים. תאים של המערכת החיסונית יוצרים שלוחות דמויות אצבע המסייעות לתנועה, ובאמצעותן הם מגיעים לאתרי זיהום ומחלה. מנגנון מבני דומה מאפשר גם לתאים סרטניים לנוע ממקום הגידול הראשוני, וליצור גרורות סרטניות. לעיתים די בהפרעה המשפיעה על גורם פיסיקלי יחיד כדי לפגוע במבנה המאורגן בקפידה. הפרעה כזו יכולה לגרום לבעיות שונות, כמו חירשות או פגיעה קוגניטיבית. מצד שני, הפרעה למנגנון התנועה של תאים סרטניים עשויה למנוע את התפשטותן של גרורות סרטניות. מיפוי הכוחות והעקרונות שעל פיהם מתארגנים מבנים תאיים שונים יתרום לא רק להבנה עמוקה של תהליכים ביולוגיים בסיסיים, אלא גם לזיהוי הגורמים העומדים בבסיס מחלות, ולהגדרת נקודות קריטיות אליהן ניתן לכוון טיפולים רפואיים ותרופות חדשות.