RESEARCH

המחקר הובל על ידי פרופ' לילך הדני מבית הספר למדעי הצמח ואבטחת מזון בפקולטה למדעי החיים בשיתוף עם חוקר העטלפים פרופ' יוסי יובל, ראש בית הספר סגול למדעי המוח וחבר סגל בבית הספר לזואולוגיה ומוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט, והסטודנטים יצחק חייט ואוהד לוין אפשטיין. כמו כן השתתפו חוקרים מבית הספר למדעי המתמטיקה, מהמכון לחקר הדגנים ומבית הספר סגול למדעי המוח באוניברסיטת תל אביב. המאמר פורסם בכתב העת היוקרתי Cell.

שירת העשבים

פרופ' הדני: "ממחקרי עבר ידוע לנו שמד-רטט המוצמד לצמח רושם רעידות (ויברציות), אך עד היום לא היה ברור אם רעידות אלה גם הופכות לגלי קול שנעים באוויר, כלומר צלילים שניתן לקלוט ממרחק. במחקר הנוכחי ביקשנו לתת מענה לסוגיה זו, שמעסיקה חוקרים כבר שנים רבות."

בשלב הראשון הכניסו החוקרים את הצמחים לקופסה אקוסטית במרתף מבודד ונטול רעשי רקע, ולצדם, במרחק של כ-10 ס"מ, הציבו מיקרופונים אולטרה-סוניים שקולטים צלילים בתדרים שבין 80-40 קילוהרץ (אוזן  של אדם בוגר קולטת עד כ-16 קילוהרץ). ההקלטות בוצעו בעיקר בצמחי עגבנייה וטבק, אך הוקלטו גם חיטה, תירס, גפן, קקטוס ונזמית.

"מסתבר ששדה פסטורלי הוא כנראה מקום רועש – רק שאנחנו לא שומעים את הקולות!"

פרופ' הדני: "לפני שהכנסנו את הצמחים לקופסה האקוסטית ביצענו בהם מגוון פעולות: חלקם לא הושקו במשך חמישה ימים, בחלקם נחתך הגבעול, ובאחרים לא נגענו. ביקשנו לבדוק באילו מצבים, אם בכלל, הם משמיעים צלילים. הממצאים היו מרתקים: צמחים שלא היו במצוקה השמיעו בערך צליל אחד בשעה, ואילו הצמחים שיובשו או נחתכו השמיעו בממוצע עשרות צלילים בשעה."

ההקלטות שנאספו בדרך זו נותחו במחשב באמצעות אלגוריתמים ייעודיים שפותחו במיוחד לצורך זה בטכנולוגיה של 'למידת מכונה' (בינה מלאכותית). האלגוריתמים למדו להבחין בין סוגי צלילים, ולזהות עבור כל הקלטה את סוג הצמח ואת סוג ומידת המצוקה שהוא שרוי בה. יותר מכך: הם ידעו לזהות ולסווג את קולות הצמחים גם כאשר הניסוי נערך בחממה שאינה מבודדת, ויש בה לא מעט רעשים חיצוניים. שם ניתן היה לעקוב אחר תהליך ההתייבשות לאורך זמן, ונמצא שכמות הצלילים גדלה עם ההתייבשות עד שהגיעה לשיא מסוים, ואחר כך פחתה.

פרופ' הדני מסכמת: "במחקר שלנו הוכחנו שצמחים משמיעים קולות, ובכך שמנו קץ למחלוקת מדעית בת שנים רבות. מהממצאים עולה כי העולם מלא בקולות של צמחים, וכי הצלילים הללו מכילים מידע, לדוגמה אודות היעדר מים או פגיעה כלשהי. אנחנו משערים שבטבע נקלטים קולות הצמחים על ידי יצורים בסביבה (כמו עטלפים, מכרסמים, חרקים שונים ואולי גם צמחים אחרים), שמסוגלים לשמוע את התדר הגבוה ולהפיק מידע שהוא רלוונטי עבורם. ייתכן שבעתיד יוכל גם האדם להשתמש במידע כזה, למשל באמצעות חיישן שידווח למגדל מתי הצמח מתייבש ויש להשקותו. מסתבר ששדה פסטורלי הוא כנראה מקום רועש – רק שאנחנו לא שומעים את הקולות!"

במחקרי המשך יבקשו החוקרים לבחון מספר סוגיות מרתקות: מהו המנגנון שבאמצעותו משמיעים הצמחים את הצלילים? כיצד עשים קולטים ומגיבים לצלילים שמשמיעים צמחים? והאם גם צמחים אחרים 'שומעים את הקולות'?

לאחר שפיתחו טכנולוגיה חדישה המאפשרת גידול של "אצות מועשרות" באבות המזון, חלבונים, סיבים תזונתיים ומינרלים לצרכי האדם והחי, החוקרים מבית הספר לזואולוגיה בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז ומהמכון לחקר ימים ואגמים עושים צעד חשוב נוסף: הם הצליחו להגביר בצורה משמעותית את היכולת של אצות ים להפיק חומרי טבע בריאותיים. המחקר התמקד בהגברת הייצור של חומרים בעלי ערך רפואי לאדם, כגון: נוגדי חמצון (אנטי-אוקסידנטים), שריכוזם באצות הוכפל  פי 2 מהריכוז הרגיל; מסנני קרינה טבעיים, שריכוזם הוכפל פי 3; ופיגמנטי הגנה ייחודיים לאצות, בעלי ערך רפואי רב, שריכוזם הוגדל ביותר מפי 10. המחקר בוצע בגישה חדשנית של חקלאות ימית בת-קיימא וידידותית לסביבה, שמשלבת גידול אצות לצד גידול דגים, ולמעשה מיטיבה עם האצות ובה בעת מסייעת בטיהור מי הים ומצמצמת את הפגיעה באיזון הטבעי של בית הגידול הימי. לדברי החוקרים, ממצאי המחקר עשויים לשרת את תעשיות התרופות, הקוסמטיקה, המזון ותוספי התזונה. 

יצרניות של חומרי טבע ייחודיים

התגלית פותחה על ידי הדוקטורנט דורון אשכנזי מאוניברסיטת תל אביב ומהמכון לחקר ימים ואגמים לישראל, בהנחיית פרופ' אביגדור אבלסון מבית הספר לזואולוגיה, ופרופ' אלוארו ישראל מהמכון לחקר ימים ואגמים (חיא"ל), חיפה, ובשיתוף עם חוקרים מובילים נוספים מרחבי הארץ והעולם, בהם: גיא פז מהמכון לחקר ימים ואגמים לישראל (חיא"ל), חיפה; ד"ר שושנה בן-וליד, מומחית לכימיה אורגנית; ד"ר איתן סלומון מהמרכז הלאומי לחקלאות ימית באילת; וכן ד"ר פליקס לופז פיגרואה, ג'וליה וגה, נטלי קורבי ומרתה גרסיה סאנשז מאוניברסיטת מלאגה בספרד. המאמר פורסם בכתב העת המדעי Marine Drugs, ואף זכה לתמונת שער בזכות ממצאיו פורצי הדרך בתחום חומרי טבע ומרפא ממקורות ימיים.

"אצות ים, הידועות גם כמאקרו-אצות, הן צמחים ימיים שמהווים את הבסיס של המערכת האקולוגית הימית החופית. האצות קולטות פחמן דו-חמצני ומשחררות חמצן לסביבה, מטהרות את המים, מספקות מזון, ומהוות בית גידול ומחסה לדגים וחסרי חוליות רבים. לא רבים יודעים זאת, אך בנוסף לכל אלה, הן מייצרות מגוון רחב של חומרי טבע ייחודיים המועילים לאדם", מסביר דורון אשכנזי. "אצות שחיות באזור הגאות והשפל מתמודדות עם תנאי מחיה קיצוניים, הכוללים שינויי מליחות וטמפרטורה, תנאי יובש, שינויים בזמינות חומרי ההזנה, וכן חשיפה גבוהה לקרינת השמש ובעיקר לקרינה בתחום העל-סגול (UV). לכן, על מנת לשרוד, האצות פיתחו מערך ייחודי של מנגנוני הגנה כימיים: כימיקלים טבעיים שמסייעים להן להתמודד עם התנאים הקשים. ניתן לומר שהאצות מהוות מפעל טבעי יעיל ביותר לייצור החומרים הללו, שחלק ניכר מהם יכול להביא תועלת רבה לאדם".

במחקר קודם של גידול אצות הראו אותם חוקרים עלייה בריכוז של חלבונים ומינרלים כמו אבץ, ברזל, יוד, מגנזיום, וסידן. במחקר הנוכחי הם ביקשו לבדוק אם וכיצד ניתן להגביר ולמקסם באצות את ייצורם של חומרי טבע המכונים מטבוליטים שניוניים, שמביאים תועלת רבה לאדם, כגון נוגדי חמצון, פיגמנטי הגנה, ומסננים טבעיים של קרינה אולטרה סגולה.

העתיד נראה ירוק מתמיד

לטובת מחקר זה הוקמה מערכת חקלאות ימית ייעודית בה גודלו שלושה מינים מקומיים של אצות: חסת-הים (Ulva) , אגרית (Gracilaria) ו-היפנאה (Hypnea). במהלך גידול האצות במערכת, בוצעו שינויים מבוקרים בתנאי הגידול, כמו רמת המליחות, רמת חומרי הזנה ועוצמת החשיפה לקרינת שמש. נבדק כיצד השינויים הללו משפיעים על ריכוז חומרי הטבע באצות, במטרה לעודד את ייצורם. התוצאות אכן הראו עליות מרשימות בריכוזים: פי 2 עבור נוגדי חמצון (אנטי-אוקסידנטים), פי 3 עבור מסנני קרינה טבעיים, ויותר מפי 10 עבור פיגמנטי הגנה ייחודיים לאצות, בעלי ערך רפואי רב. דורון אשכנזי משתף: "פיתחנו תנאים אופטימליים והמצאנו שיטה חדשה ונקיה להגברה של חומרי הטבע הבריאים באצה לרמה גבוהה ביותר שלא נראתה לפני כן. למעשה, הפקנו סופר-אצות שמסוגלות לשמש את האדם".

^{מערכת חקלאות ימית ייעודית שבה גידלו החוקרים שלושה מינים מקומיים של אצות}

החוקרים מעריכים כי בעתיד ניתן יהיה להפיק באופן דומה גם חומרי טבע נוספים בעלי תכונות רפואיות חשובות, כמו חומרים נוגדי סרטן, נוגדי סוכרת, נוגדי דלקות, אנטי-ויראליים, אנטיביוטיים, ועוד. לדבריהם, השיטה היא בעלת פוטנציאל יישומי לתעשיית האצות והחקלאות הימית, ויכולה לסייע בקידום מדינת ישראל כמעצמה מובילה בביוטכנולוגיה של אצות. עוד הם מדגישים כי חקלאות ימית של אצות היא ידידותית לסביבה, שומרת על הטבע ועל האיזון האקולוגי, ואף מצמצמת סיכונים סביבתיים על ידי הפחתת חומרים מזהמים בחופים, הפחתת הפליטה של גזים והורדת טביעת הפחמן. בדרך זו תורמת חקלאות אצות ים להתמודדות עם האתגרים הסביבתיים הגלובליים כמו זיהום, הרס בתי גידול, משבר האקלים, וההתחממות העולמית.

"בעתיד תתמקד האנושות ביצירת פתרונות סביבתיים מבוססי-מדע, כמו זה שאנו מציעים במחקר הנוכחי: טכנולוגיות שדוגלות במחזור ובשימוש חכם במשאבי הטבע מבלי לנצל אותם ניצול יתר. המחקר מראה באופן פרקטי כיצד אנו יכולים להנות משירותי הטבע מבלי לפגוע בו, וכפי שמציעות האצות: כיצד ללמוד מהטבע על מנת לשמור עליו, וכך לחיות ולשגשג לצידו", מסכם אשכנזי.

^{פרופ' אביגדור אבלסון ודורון אשכנזי}

המחקר נערך בהובלת תלמידת המחקר נועה קעטבי מהמעבדה של ד"ר יערה ישורון מבית הספר למדעי הפסיכולוגיה ומבית ספר סגול למדעי המוח. המחקר פורסם בכתב העת Journal of Neuroscience.

במהלך המחקר, החוקרות הקרינו לנבדקים סדרת סרטונים. הראשון שימש לצרכי ביקורת והיה נייטרלי וללא סממנים פוליטיים, והאחרים כללו תשדירים ונאומים של פוליטיקאים בכירים משני הגושים, ימין ושמאל. להפתעתן של החוקרות, המחקר הראה שהמוחות של הנבדקים הסתכרנו עם הסרטונים בהתאם לשייכות הפוליטית, כך שכאשר מצביעי הימין צפו בסרטונים של מנהיגים מהגוש שלהם נרשמה באיזורים מסוימים במוחות שלהם פעילות ערה וזהה, וכך גם לגבי מצבעי השמאל. הנבדקים הימנים היו מסונכרנים בפעילות המוחית שלהם, כלומר האזורים שהיו פעילים במוח עבדו בצורה דומה, כאשר צפו בסרטונים של הימין, ואילו אל של המוחות של השמאלנים היו מסונכרנים כשצפו בסרטונים של השמאל, לרבות באזורים הסנסוריים, המוטוריים והסומטו-סנסוריים - איזורים תחושתיים ראשוניים שאחראים על קבלת מידע מהסביבה באמצעות ראייה, שמיעה, תנועה וחישה.

כמו כן, החוקרות זיהו שבמיגוד לממצאי מחקרים קודמים שעסקו בהבדלים בפעילות המוחית של אנשים שהיו בעלי דעות שונות לגבי הגירויים שהוצגו להם - במחקר הנוכחי הסנכרון המוחי אינו מוגבל לאזורים "גבוהים" במוח, שעוסקים בפרשנות ובחשיבה מופשטת, אלא שהגירוי סנכרן את הנבדקים כבר באזורים במוח שאחראים על קליטת הגירוי עצמו: הראייה, השמיעה ואפילו המישוש.

"אני חושבת שאם ננסה להבין מהי המציאות שאותה חווים א.נשים שמחזיקים בדעה הפוליטית שהפוכה לדעתנו, אילו גירויים מגיעים אליהם עוד לפני שניכנס לדיונים התיאורטיים והערכיים – אולי נצליח לנהל דיון ציבורי קצת יותר אפקטיבי"

^{ד"ר יערה ישורון}

ימנים ושמאלנים בישראל רואים וחווים את המציאות אחרת

"המחקר הראה בבירור שככל שהנבדקים היו מזוהים פוליטית עם גוש מסוים, כך הסנכרון המוחי הלך והתהדק, גם באזורים מוטוריים וסומטו-סנסוריים, כלומר האזורים במוח שפעילים כשאנו נעים או חשים דברים בעזרת החושים שלנו. למעשה, רק לפי התגובה המוחית באיזורים חושיים ראשוניים יכולנו להגיד אם מי שצופה בסרטון מסוים הוא בעמדה פוליטית כזו או אחרת. מה שמעניין כאן הוא שלא היה צריך לבחון את הפעילות באיזורים מוחיים "גבוהים"– איזורים שמעורבים בהבנה של למה דמות מסויימת עשה משהו, או מה אותה דמות חושבת ומרגישה – כדי לנבא את הדעה הפוליטית של הנבדקים", מסבירה ד"ר ישורון.

לדעת החוקרות, מדובר בממצא מפתיע שנובע מהעובדה שהנבדקים שנבחרו היו מעורבים פוליטית, ובעקבות תזמון הניסוי, שהתקיים שבועות ספורים לפני הבחירות, כאשר האווירה הפוליטית בארץ הייתה מאוד נוכחת ואמוציונאלית.

"זו הפעם הראשונה שבה נמדדה פעילות מוחית שונה באזורי ראייה ושמיעה ובאזורים המוטוריים לפי חלוקה פוליטית. אפשר לומר שברמה המוחית הבסיסית ביותר, ימנים ושמאלנים בישראל רואים וחווים את המציאות אחרת. אני חושבת שאם ננסה להבין מהי המציאות שאותה חווים א.נשים שמחזיקים בדעה הפוליטית שהפוכה לדעתנו, אילו גירויים מגיעים אליהם עוד לפני שניכנס לדיונים התיאורטיים והערכיים - אולי נצליח לנהל דיון ציבורי קצת יותר אפקטיבי", מסכמת ד"ר ישורון.

^{ימין או שמאל? "אם ננסה להבין מהי המציאות שאותה חווים א.נשים שמחזיקים בדעה הפוליטית שהפוכה לדעתנו, אילו גירויים מגיעים אליהם עוד לפני שניכנס לדיונים התיאורטיים והערכיים - אולי נצליח לנהל דיון ציבורי קצת יותר אפקטיבי"}

אחרי שפיתחו את הרובוט הראשון ששומע באמצעות אוזן ביולוגית, החוקרות והחוקרים של אוניברסיטת תל אביב העניקו לרובוט חוש נוסף: חוש הריח. פריצת הדרך המדעית מאפשרת לרובוט להריח באמצעות חיישן ביולוגי, לזהות האם נמצא בסביבתו ריח ולשלוח בתגובה אותות חשמליים שאותם הוא יודע לקרוא. החוקרים חיברו בהצלחה חיישן ביולוגי למערכת אלקטרונית ובעזרתה, תוך שילוב של אלגוריתם למידת מכונה, הצליחו להפריד ריחות ברגישות הגבוהה פי 10,000 ממכשירים אלקטרוניים קיימים. התקווה היא שבעתיד יוכל רובוט שמצויד בחושים אלו לשמור על חיי אדם ולזהות סכנות רבות, החל מחומרי נפץ וסמים, דרך זיהוי מחלות וכלה באסונות טבע. "השמיים הם הגבול", אומרים החוקרים.

^{הרובוט הראשון בעל האף הביולוגי. רק באוניברסיטת תל אביב.}

"אנו עוברים במגנומטר שעולה מיליוני דולרים ויודע להגיד אם אנו נושאים עלינו מתכות. אבל כשרוצים לבדוק אם נוסע מבריח סמים - מביאים כלב שירחרח אותו"

לשלוח את הטכנולוגיה ללמוד מהאבולוציה

פריצת הדרך הביולוגית והטכנולוגית נעשתה בהובלת הדוקטורנטית נטע שביל מבית הספר סגול למדעי המוח, ד"ר בן מעוז מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן ובית הספר סגול למדעי המוח, פרופ' יוסי יובל ופרופ' אמיר אילי מבית הספר לזואולוגיה ובית הספר סגול למדעי המוח. תוצאות המחקר התפרסמו בכתב העת היוקרתי Biosensor and Bioelectronics.

ד"ר מעוז ופרופ' אילי מסבירים: "ישנן טכנולוגיות שלא יכולות להתחרות במיליוני שנות אבולוציה. תחום אחד שבו אנו מפגרים במיוחד אחרי עולם החי הוא תחום חישת ריחות. דוגמה לכך אפשר למצוא בנמלי התעופה. כשאנו טסים לחו"ל, אנו עוברים במגנומטר שעולה מיליוני דולרים ויודע להגיד אם אנו נושאים עלינו מתכות. אבל כשרוצים לבדוק אם נוסע מבריח סמים - מביאים כלב שירחרח אותו. בתוך עולם החי, חרקים מצטיינים בקליטת ובעיבוד אותות חושיים . יתוש, למשל, יודע לזהות הפרש של 0.01% ברמת הפחמן הדו-חמצני באוויר. כיום אנחנו רחוקים מלייצר חיישנים שיתקרבו ביכולות שלהם לחושים של חרקים".

החוקרים מציינים שככלל, איברי החישה שלנו ושל כל שאר בעלי החיים, כמו העין, האוזן והאף, משתמשים בקולטנים שמזהים ומפרידים בין אותות שונים. בשלב השני, איבר החישה מתרגם את הממצאים לאותות חשמליים שהמוח מפענח כמידע. האתגר בביו-סנסורים הוא בחיבור איבר חישה כמו האף למערכת אלקטרונית שתדע לפענח את האותות החשמליים שמתקבלים מהקולטנים.

^{הדוקטורנטית נטע שביל וד"ר בן מעוז}

רגיש לריח פי 10,000

"חיברנו את החיישן הביולוגי ואפשרנו לו להריח ריחות שונים תוך כדי שאנחנו מודדים את הפעילות החשמלית שמעורר כל ריח וריח", מסביר פרופ׳ יובל. "המערכת אפשרה לנו לקבל זיהוי של כל ריח כבר ברמת איבר החישה הראשוני של החרק. בשלב השני השתמשנו בלמידת מכונה כדי ליצור 'ספרייה' של ריחות. במחקר הצלחנו לאפיין 8 ריחות, כגון גרניום, לימון ומרציפן, באופן שיכולנו לדעת מתי מוצג ריח לימון ומתי מרציפן. למעשה, אחרי שהניסוי נגמר המשכנו וזיהינו ריחות נוספים, שונים ומשונים, כמו למשל מיני ויסקי סקוטי שונים. השוואה למכשירי מדידה סטנדרטים הראתה שהרגישות של החיישן הביולוגי במערכת שלנו גבוהה פי כ-10,000 ממכשירים שנמצאים היום בשימוש".

"הטבע מתקדם מאיתנו בהרבה, לכן כדאי להשתמש בו. ניתן להשתמש בעיקרון שהצגנו וליישם אותו על חושים אחרים כמו ריח, ראייה ומישוש. לדוגמה, לבעלי חיים מסוימים יש יכולות מדהימות לזיהוי של חומרי נפץ וסמים, וייצור של רובוט עם מחוש ביולוגי יוכל לעזור לנו לשמור על חיי אדם ולזהות עבריינים באופן שלא ניתן כיום. יש בעלי חיים שיודעים לזהות מחלות ואחרים שיודעים לחוש רעידות אדמה. השמיים הם הגבול", מסכם ד"ר מעוז.

בעתיד, החוקרים מתכננים לשלב ברובוט גם יכולות ניווט שיאפשרו לו לאתר את המקור של הריח ולאחר מכן גם את סוגו.

^{האם בקרוב יוכל לצאת לפנסיה? כלב עבודה מחפש חומרים מסוכנים בשדה התעופה}