פרסומת

פרס נובל בפיזיולוגיה או רפואה לשנת 2021 יוענק לדויד ג'וליוס (Julius), וארדם פאטאפוטיאן (Patapoutian) על גילוי התהליכים המולקולריים העומדים מאחורי חישת טמפרטורה ומגע [1.1]. 

ג'וליוס גילה קולטני חישה (מסוג תעלות יונים) הממירים שינויי טמפרטורה לתגובה עצבית, ובמיוחד אלו המקשרים בין חום גבוה לכאב – מה שמוביל לרפלקס הנסיגה, שמתרחש כאשר נוגעים בטעות בסיר חם למשל. הקולטן TRPV1, שגילה ג'וליוס, הוא אותו קולטן המזהה את החומר המקנה לפלפלי צ'ילי את חריפותם, קפסאיצין, ולכן תחושת החריפות דומה לתחושת חום [1.2]. כמו כן, ג'וליוס ופאטאפוטיאן גילו ואפיינו באותה השנה את הקולטן TRPM8, הרגיש לקור ולמנתול, החומר הנותן למנטה את הטעם האופייני לה, ועל כן מנטה מעניקה לנו תחושה קרירה ומרעננת בפה [1.3, 1.4].

פאטאפוטיאן גילה גם את קולטני החישה PIEZO1 ו־PIEZO2, הרגישים לאותות מכאניים, כגון לחיצה או מתיחה [1.5]. אותות כאלו יכולים לבוא מבחוץ, והקולטנים הללו מאפשרים לנו לחוש דרך העור אם משטח מסוים הוא רך או מחוספס למשל. קולטנים אלו גם ממירים אותות המגיעים מתוך הגוף, שמאפשרים לנו לחוש את מיקום חלקי הגוף שלנו במרחב וביחס אחד לשני, בחוש הנקרא פרופריוספציה. השילוב של קולטנים אלו מאפשר לנו לתפוס ולהרים ספל תה חם לכיוון הפה שלנו, מבלי להסתכל על תנועת היד שלנו, ואז לדעת לשתות ממנו בזהירות כדי להימנע מכווייה.

מאת עלי שמשוני

פרס הנובל בפיזיקה ניתן השנה לשלושה חוקרים, עבור "תרומה פורצת דרך להבנת מערכות פיזיקליות מורכבות" [2.1]. הפרס עצמו התחלק לשניים:

1. מחצית הפרס ניתנה לפרופ' שוקורו מנאבה מיפן (חוקר בארה"ב) ופרופ' קלאוס הסלמן מגרמניה, על "מידול פיזיקלי של האקלים של כדור הארץ, כימות השונות והכדאיות בחיזוי ההתחממות הגלובלית".
2. מחצית הפרס השנייה ניתנה לפרופ' ג'ורג'יו פריזי מאיטליה עבור "גילוי יחסי הגומלין בין הפרעות ותנודות במערכות פיזיקליות, מסקלה אטומית ועד פלנטות".

נתחיל בהסבר – מהן בכלל מערכות מורכבות?

מערכות מורכבות הן מערכות פיזיקליות בעלות התנהגות מיוחדת, הנובעת מכך שהן עשויות מחלקים רבים, שמגיבים זה לזה ביחסים הדדיים מורכבים. בשונה ממערכות ״פשוטות״ (למשל, כדור קופץ על רצפה, טיל ממריא), מערכות מורכבות יוצרות התנהגויות ״חדשות״, שלא ניתן לחזות אותן מהתכונות של החלקים הבודדים. עם זאת, מערכות מורכבות מאוד נפוצות בטבע, החל מתופעות כמו ברקים, התפרצויות שמש ומפולות, דרך יצירת גבישים, התנהגות של מושבות חיידקים ועד יצירת חיים ומערכות עצביות כמו המוח. אף שאנחנו מבינים היטב את התנהגותם של חלקים בודדים (למשל, כיצד אטומים מגיבים לכוחות עליהם), ההתנהגות הקולקטיבית מסובכת בהרבה, ומביאה לשלל התנהגויות שונות, כמו כאוס, סדר ספונטני, והסתגלות לתנאים חיצוניים. 

פרופ' שוקורו מנאבה מאוניברסיטת פרינסטון קיבל את הפרס על מחקרו בנושא אפקט החממה. אמנם גילויו של פוריה על אפקט החממה מתועד כבר ל־1824, אך חידושו של מנאבה הוא בפיתוחם של המודלים המהימנים הראשונים, אשר יכלו לחזות את השינוי בטמפרטורת כדור הארץ בהתאם לשינוי רמת הפחמן הדו־חמצני באטמוספירה. המודלים התחשבו לראשונה גם בהיבטים והמאפיינים הדינמיים והתרמודינמיים המרכזיים של האטמוספירה, ויחסי הגומלין בינה לבין האוקיינוסים, הקרקע, שכבות הקרח וכולי.

פרופ' קלאוס הסלמן ממכון מקס פלאנק הגרמני קיבל את הפרס על מחקרו המוכיח את הקשר בין שינויי אקלים לבין השפעתם על מערכות מזג אוויר. הסלמן פיתח גם מודלים לבחינת "טביעת אצבע" שנוצרת בעקבות פעילות האדם או תופעות טבעיות. בעזרתן ניתן להוכיח ששינויי האקלים הם אנתרופוגניים, כלומר מעשה ידי אדם, כפי שצויין בדו"ח ה־IPCC האחרון [2.2].

בתקופה שבה חשיבות הטיפול בשינויי האקלים עולה לדיון ציבורי, הנושא זוכה לחיזוק נוסף מצד ועדת פרס הנובל. הוועדה החליטה שנושא התחממות הגלובלית, גילויו והסברו, חשוב כל כך כדי להצדיק זכייה בפרס על ידי שני המדענים, שוקורו מנאבה וקלאוס הסלמן. 

פרופ' ג'ורג'יו פריזי מאוניברסיטת סאפינזה ברומא זכה בפרס על פיתוח מודל מתמטי ופיזיקלי של מערכות מורכבות, שהיה רחב כל כך, עד שהשפיע על תחומי פיזיקה רבים, הרבה מעבר לקנה המידה של מחקרו: רשתות עצביות, חלקיקים אלמנטריים, לייזר רנדומלי, תורת המיתרים, פיזיקה סטטיסטית ועוד. פרופ' ג'ורג'ו פריזי זכה השנה גם בפרס וולף הישראלי והיוקרתי [2.3]. 

פריזי פיתח את המודל בעת מחקרו על "זכוכית ספין". ספין זכוכית הוא פאזה מגנטית אשר מאופיינת באי סדר של כיווני המומנטים המגנטיים. המונח זכוכית נובע מהאנלוגיה בין אי הסדר המגנטי בזכוכית ספין ואי הסדר המרחבי המאפיין זכוכית סטנדרטית (להרחבה: [2.4]). 

מאת דוד קייסר

פרס נובל בכימיה לשנת 2021 יוענק לבנימין ליסט (List), ודייויד מקמילן (MacMillan), על פיתוח זרזים אורגניים א־סימטריים [3.1].

זרזים (קטליזטורים) הם חומרים המגבירים את הקצב של תגובות כימיות על־ידי הפחתת כמות האנרגיה הנדרשת לשפעולן. זרזים יכולים להפחית את משך הזמן של תגובה כימית מכמה שעות, ימים, חודשים ואפילו עשרות שנים ויותר - לשניות ספורות או פחות. 

בגוף האדם נמצאים זרזים טבעיים הקרויים "אנזימים", והם למעשה חלבונים אשר מתמחים בפעולות כימיות ספציפיות ומשמשים כמכונות הבנייה של הגוף. דוגמה קלאסית לאנזים היא לקטאז (Lactase), אנזים המפרק את הסוכר לקטוז (Lactose) הנפוץ בחלב, ומחסור בו עלול לגרום לרגישות ללקטוז. בתחום הסינתזה הכימית נפוצים זרזים המבוססים על מתכות נדירות, כמו רודיום (Rh), רובידיום (Rb), פלדיום (Pd), אירידיום (Ir) וכולי – מה שהופך זרזים אלו ליקרים ביחס לחומרים אורגניים בלבד.

אף שזרזים אורגניים פשוטים, זולים וזמינים בהחלט קיימים ונמצאים בשימוש, ברבים מהם חסרה תכונה חשובה: הם אינם סלקטיביים בכל הקשור לטוהר אננטיומרי (להסבר על מהם אננטיומרים ומושגים דומים, ראו פוסט שלנו בנושא 3.2]), בניגוד למשל לאנזימים וזרזים מבוססי מתכות. כלומר, השימוש בזרזים אורגניים פשוטים אלה מביא לתוצר שהוא תערובת של שני האננטיומרים של מולקולת המטרה שברצוננו לייצר. עם זאת, סלקטיביות אננטיומרית היא נושא חשוב מאד בכימיה, וכן בתחומים רבים אחרים, למשל במחקר ופיתוח תרופות (לקריאה נוספת בנושא, והסבר על התרופה "תאלידומיד" והנזקים שאחד האננטיומרים שלה גורם לעוברים, היכנסו לכאן [3.3]. להרחבה בנושא החומצה הטרטרית והסבר נוסף על כיראליות, ראו כאן [3.4]).

בשנת 2000 הדגים בנימין ליסט את הרעיון הבא: כזרזים, אנזימים הם בעלי סלקטיביות אננטיומרית גבוהה. מכיוון שאנזימים עשויים מחומצות אמינו, ניתן לבודד מהאנזים את חומצת האמינו האחראית על זירוז תגובה מסוימת, וייתכן ששימוש במולקולה זו כזרז בתגובה יביא לטוהר אננטיומרי גבוה יחסית. ספציפית, ליסט מצא סינתזה שבה חומצת האמינו פרולין (Proline) יכולה לשמש כזרז המביא לתוצר בעל טוהר אננטיומרי סביר, ובוודאי גבוה מהמצופה. מקמילן פיתח רעיון דומה, המבוסס על מולקולות אורגניות שאינן נגזרות מחומצות אמינו. בשנים שחלפו מאז פותחו על בסיס רעיונות אלה זרזים אורגניים פשוטים, זולים ויעילים רבים.

מאת פלג בר ספיר

עריכה: ינון קחטן

מקורות והרחבות:

[1.1] הודעה לעיתונות על פרס נובל לפיזיולוגיה או רפואה לשנת 2021, מתוך האתר של פרס נובל
[1.2] המאמר המקשר את הקולטן לקפסאיצין לחישת חום
[1.3] גילוי הקולטנים האחראים לחישת קור
[1.4] מאמר המקשר בין TRPM8 לחישת מנתול
[1.5] המאמר אודות הקולטנים PIEZO1 ו־PIEZO2.
[2.1] ההודעה לעיתונות על פרס נובל בפיזיקה לשנת 2021, מתוך האתר של פרס נובל
[2.2] כתבה של מדע גדול, בקטנה על דו"ח ה־IPCC
[2.3] פרס וולף לפריזי
[2.4] הסבר על זכוכית ספין
[3.1] הודעה לעיתונות על פרס נובל לכימיה לשנת 2021, מתוך האתר של פרס נובל
[3.2] פוסט של מדע גדול, בקטנה על אננטיומרים
[3.3] תאלידומיד: קללה וברכה בכדור אחד
[3.4] חומצה טרטרית