ENGLISH צור קשר גלריה תרבות-מדע מדע חישובי כימיה פיסיקה חמדעון אודות
בהצלחה לבוגרי המחזור ה-25 של חמד"ע - קיץ נעים לכולם
<< לכל המבזקים    
לוח אירועים
הידען
18/08/2017 00:05:35
ניקוי מיקרו-משטחים בהשראת מערך הטיפול של דבורת הדבש

18/08/2017 00:00:31
תעלומת הבושם הסודי

17/08/2017 00:30:45
המדריך לליקוי החמה של 21 באוגוסט בארה"ב

17/08/2017 00:05:53
מי יציל את האלמוגים בחוף קצא"א?

17/08/2017 00:00:23
סיסמת האימייל שלכם לעולם לא תהיה בטוחה

16/08/2017 00:05:45
מיכלאנג'לו עשה לו קרניים

16/08/2017 00:05:32
גילוי לב

16/08/2017 00:05:17
צרות של מתפילים

15/08/2017 00:30:16
שידור חי של ליקוי החמה באינטרנט מחמישים בלונים

15/08/2017 00:05:06
סולארי על המים

15/08/2017 00:00:10
האם תזונה מסוימת יכולה להחליף טיפול כימותרפי?

14/08/2017 00:10:50
ברדלסים נכחדים בשבי

14/08/2017 00:05:45
מחצבה לייצור כלי אבן ששימשו יהודים בתקופת בית שני נחשפה בכפר ריינה בגליל

14/08/2017 00:00:09
1.8 מיליון ש"ח יושקעו במחקרים בתחום הביומטריה וההזדהות

13/08/2017 00:10:21
חוקרים פיתחו התקן אבחון זעיר המאופיין ברגישות גבוהה לסמני מחלה

13/08/2017 00:05:13
ילדי הפרא

12/08/2017 00:30:18
נאס"א מצפה לליקוי החמה כדי שיעזור להבין את מערכת האנרגיה של כדור הארץ

12/08/2017 00:05:22
אפליקציה תסייע לתרגל סטודנטים במדעי הבריאות בסימולציות רפואיות

12/08/2017 00:00:20
לזוז לפי הקשב

11/08/2017 00:10:54
מדענים מתכננים תא סולארי שלוכד כמעט את כל האנרגיה של הספקטרום הסולרי

11/08/2017 00:05:47
מה מצחיק במשחק מילים?

11/08/2017 00:00:08
עומסי תנועה בקוטב הצפוני

10/08/2017 00:15:18
גלאי נויטרינו בבקבוק

10/08/2017 00:05:44
כשאחד גדול משניים

10/08/2017 00:05:18
אוטומטי, לא אוטונומי

דף הבית  >>  מהנעשה בחמד''ע
מהנעשה בחמד''ע
טקס הענקת פרסי קריל 2016 בחמד"ע   (02/03/2016)
ביום א', 17 באפריל יוענק בחמד"ע פרס קריל לעשרה מדענים ומדעניות בראשית דרכם האקדמית. לאחר הטקס ישוחחו הזוכים עם תלמידי מדע מצטיינים מכל הארץ.

אחר צהרים של מדע עם זוכי פרס קריל 2016

יום ראשון, 17 באפריל 2016 החל מן השעה 15:30, בחמד"ע - המרכז לחינוך מדעי בתל אביב

טקס הענקת פרסי קריל להצטיינות במחקר מדעי 2016

פרסי קריל להצטיינות במחקר מדעי ניתנים מדי שנה למדענים ישראלים בראשית דרכם כדי לסייע בקליטתם בישראל. הפרסים מוענקים על ידי קרן וולף, האחראים גם על הענקת פרסי וולף היוקרתיים.

לאחר הטקס, בין השעות 17:00-18:45 ייפגשו הזוכים עם תלמידי תיכון מצטיינים לשיחות סביב שולחנות עגולים בנושא: "מדע, חינוך ומה שביניהם". השיחות יעסקו בנושאי המחקר של החוקרים ובדרך שבה הם הגיעו לעסוק במדע, בתחום העיסוק שלהם בפרט, ובקריירה המדעית. כמו כן ידון הקשר לחינוך למצוינות ובמחקר במדינת ישראל בהקשר לפעילותה של קרן וולף המעניקה את פרסי קריל.

 

הזוכים

 רייכמן דנה המחלקה לכימיה ביולוגית
האוניברסיטה העברית בירושלים

גמישות מנגנונית ופונקציונלית של מסלולי תגובה לעקה בתא החי

אתגר ליעוז  המחלקה לכימיה
האוניברסיטה העברית בירושלים
תאים סולריים מבוססי חומרים היברידיים אורגניים אי-אורגניים
רינות אסף

המחלקה למתמטיקה

אוניברסיטת בר אילן

חקר האינסוף המתמטי
דויטש דניאל 

המחלקה למדעי המחשב

אוניברסיטת תל אביב

פתרונות טכנולוגיים לניהול מידע
יובל יוסי

המחלקה לזואולוגיה

אוניברסיטת תל אביב

מעקב אחרי עטלפים

הלוי איתי

המחלקה למדעי כדור הארץ וכוכבי הלכת

מכון ויצמן למדע

ההיסטוריה והתהליכים המניעים את הכימיה, הביולוגיה והאקלים בכדור הארץ
אברמסון יעקב

המחלקה לאימונולוגיה

מכון ויצמן למדע

חקר המערכת החיסונית ומחלות אוטו-אימוניות
בר סדן מאיה

המחלקה לכימיה

אוניברסיטת בן גוריון בנגב

שימוש במיקרוסקופיה אלקטרונית חודרת על מנת לחקור תגובות כימיות בסקאלה אטומית

לינדנר נתנאל 

המחלקה לפיסיקה

הטכניון

תופעות טופולוגיות בפיסיקה של חומר מעובה קוונטי

קרן צנזור הלל

המחלקה למדעי המחשב

הטכניון

הכוח החישובי של מודלים לחישוב מבוזר

 


דנה רייכמן - גמישות מנגנונית ופונקציונלית של מסלולי תגובה לעקה בתא החי

מבין המאקרו מולקולות הביולוגיות, חלבונים הם המגוונים ביותר והמורכבים ביותר מבחינת מבנה. יתר על כן, כמעט בכל תהליך ביולוגי משתתף לפחות חלבון אחד, וניתן לתארם באופן קולקטיבי כ"סוסי העבודה" של התא החי.

 פעילותו של חלבון תלויה במידה רבה במבנה שלו וביכולת שלו להתקפל למבנה המסוים שיאפשר לו לבצע את הפעילות הקטליטית שלו, או לקיים אינטראקציות ספציפיות עם מאקרו מולקולות אחרות בסביבה התאית המגוונת והצפופה. לכן, מנגנוני בקרת איכות של חלבונים (Protein Quality Control או PQC) ושמירה על "בריאות" החלבונים בתא (Protein Homeostasis או פרוטאוסטזיס) הם חיוניים לחיים, ועליהם לטפל בכל חלבון מרגע הסינתזה שלו ע"י הריבוזום ועד שהוא מסיים את חייו ומתפרק.

 בין הגורמים התאיים המעורבים בפרוטאוסטזיס ניתן למצוא סייענים של קיפול חלבונים חדשים, שפרונים מולקולריים שמסייעים לשמירת המבנה של חלבונים קיימים, ופרוטאזות שמפרקות חלבונים שאינם נחוצים עוד. הגורמים האלה מתקשרים בינם לבין עצמם במעגלי משוב נרחבים, הן כחלק ממערך ה- PQC והן בעזרת מנגנוני בקרה תאיים אחרים. כך התא יכול להגיב לשינויים סביבתיים למשל שינויים בחום או

ברמת החמצון של הסביבה בתגובה רב-מערכתית הכוללת הן מנגנוני תרגום והן מנגנוני קיפול ואגרגציה.

 השאלה המרכזית שמנחה את המחקר שלי היא כיצד אורגניזמים מתמודדים עם עקות סביבתיות שונות הגורמות לקיפול שגוי (misfolding) של חלבונים. מטרתי לטווח הארוך היא לזהות גמישות פונקציונלית ברשתות החלבונים שאחראיות לתגובה לעקה, הן בתאים אאוקריוטים והן בתאים פרוקריוטיים, לאפיין את הרשתות הללו ולזהות את תפקידן בתהליכי פתוגינזה.

  במעבדה שלי אנו מפתחים שיטות וטכנולוגיות חדישות המבוססות על ספקטרוסקופית מאסות (mass spectroscopy) כדי לזהות אינטראקציות של הגורמים המשתתפים ב-PQC. לעקוב אחר מודיפיקציות שחלבונים עוברים כגון ריאקציות חמצון בתנאים פיסיולוגיים מגוונים, ולזהות שינויים מבניים שעוברים חלבונים בתא והשפעתם על תפקודם.

 קבוצת המחקר שלי באוניברסיטה העברית בירושלים משלבת מומחיות בתחומים מגוונים, החל מביולוגיה חישובית, דרך ביוכימיה , פרוטאומיקה ועד למיקרוביולוגיה ופרזיטולוגיה, ומנסה לענות על השאלות הבאות:

 

 1. מהו תפקידו של אי סדר מובנה  (Intrinsic Disorder) בשמירה על פרוטאוסטזיס?

אנחנו מתמקדים בקבוצה חדשה של שפרונים, אשר מתפקדים כקו ההגנה הראשון נגד קיפול שגוי של מגוון רחב של חלבונים אחרים בתא בעקבות חשיפה לתנאי עקה ספציפיים. רבים מהחלבונים האלה משתמשים בגמישות מבנית על מנת להתאים את הפעילות השפרונית שלהם לתנאים השוררים בתא, וכן כדי לקיים תקשורת עם גורמים נוספים במערך ה-PQC.

 

2. מהם העקרונות העיקריים השולטים בפתוגנזה של הטפיל Trypanosoma brucei?

הטפיל T. brucei גורם למחלת השינה שגובה את חייהם של כ-40,000 איש בשנה באפריקה; כיום ישנם רק טיפולים מעטים למחלה, והם גורמים לתופעות לוואי חמורות. אנו מתמקדים בהבנת השפעתה של התגובה החיסונית של בני אדם הכוללת שינויים בטמפרטורה ובמצב החמצון בסביבת הטפיל על הפתוגנזה שלו. במהלך המחקר גילינו שפרון שמור מאד באבולוציה, הנשלט ע"י שינויים דיכוי במצב החמצון בסביבה, במינים מהסוגים טריפנוזומה ולישמניה; הענקנו לו את השם TrypOx.

דיכוי של חלבון זה בטפיל גרם לירידה בשרידות שלו בתנאי חום וחמצון המדמים את הסביבה שאליה הוא נחשף כאשר הוא חודר לזרם הדם. היות ו- TrypOxלא מצוי במחלקת היונקים, הוא מועמד מצוין לשמש כיעד לתרופות שיפגעו בטפילים מהסוגים טריפנוזומה ולישמניה מבלי לפגוע בתאי המטופל.

 

 3. מהו התפקיד של חמצון חלבונים בהזדקנות ובמחלות נוירודגנרטיביות?

רגולציה של חלבונים באמצעות חמזור (חמצון וחיזור) יכולה להביא לשינויים מהירים בתפקוד החלבונים בתא, בדומה לרגולציה באמצעות פוספורילציה. רגולצית החמזור מתרחשת ע"י חמצון של קבוצות תיול (SH) בשיירי ציסטאין ריאקטיביים שיש להם חשיבות למבנה ו/או לתפקוד של החלבון. אנו יודעים היום כי קבוצות התיול הללו משמשות כחיישנים תאיים ראשוניים לשינויים ברמות האוקסידנטים בתא. באמצעות שיטות חדשניות המבוססות על ספקטרוסקופית מאסה, אנו מסוגלים למדוד במקביל ובאופן כמותי את רמות החמצון של אלפי חלבונים בתא, וכך לאתר "חיישני ציסטאין" שכאלו ברחבי הפרוטאום. על ידי שימוש בטכנולוגיה זו כדי לעקוב אחר הזדקנותם של שמרים, וכן בשמרים שנחשפו לעקה חמצונית (המדמה את התנאים אליהם נחשפים נוירונים במחלות נוירודגנרטיביות), זיהינו "חיישני ציסטאין" בחלבונים המעורבים בשמירה על פרוטאוסטזיס. עבודות שנעשות במעבדה שלי היום מראות שמוטציות בציסטאינים אלה גורמות הן לשינויים בקצב ובאופן ההזדקנות של תאי השמר והן לשינוי ביכולתם לשמור על הומאוסטזיס של חלבונים. אנו מתכוונים להשתמש בשיטה זו גם כדי לחקור את הקשר בין רגולצית החמזור של חלבונים בתא לבין מחלות נוירולוגיות של הגיל המבוגר כגון אלצהיימר ופרקינסון.

 


ליעוז אתגר - תאים סולריים מבוססי חומרים היברידיים אורגניים אי-אורגניים

 

אנרגיית השמש הינה מקור בלתי נדלה של אנרגיה. כיום נעשה שימוש אפסי באנרגיית השמש. במשך שעה אחת מספקת השמש אנרגיה המיוצרת מכל הדלקים בעולם במשך שנה אחת. קיים מרווח אדיר בין השימוש הקיים באנרגיית השמש לבין הפוטנציאל הלא מנוצל שלה.

 תאים פוטו-וולטאים )סולריים( מבוססים על עיקרון הפרדת מטענים בשטח המגע בין שני חומרים. כיום תאים סולריים מבוססי צמתים בעיקר סיליקון הינם דומיננטיים בתחום הפוטו-וולטאי. תאים סולריים חדשים מדור שלישי הינו תחום חדש ומאתגר במחקר הפוטווולטאי.

 קבוצת המחקר מתמקד בהכנה וחיפוש אחר חומרים פוטוולטאים )רגישים לאור( לשימוש

בתאים סולריים מדור חדש. כאשר ההכנה הפשוטה של החומרים על ידי הבנת תכונותיהם

הינם העיקרון המנחה לפיתוח תאים סולריים מדור חדש אשר יהיה יעיל ומשתלם על מנת

להשתמש בו בצורה רציפה ביום יום. ההתמקדות הינה בחומרים פונקציונליים לאפליקציות

בתחום האנרגיה הסולרית ביחד עם הכנתם ואפיונם.

 לאחרונה המחקר מתמקד בחומר פרובוסקייט שהינו חומר היברידי אורגני אי-אורגני - בעל תכונות אטרקטיביות לשימוש בתאים סולריים והתקנים אופטו אלטרונים. הפרובוסקייט - ניתן להכנה מתמיסה בצורה פשוטה, בעל בליעת אור בכל התחום הנראה ויכולת מעבר מטענים טובה. בשנים האחרונות ארעה פריצת דרך בתחום הפוטווולטאי כאשר נעשה שימוש בחומר הפרובוסקייט בתאים הסולריים, אשר אפשר להגיע ליעילויות של מעל כ 20% תוך שנתיים.

 קבוצת המחקר הייתה הראשונה אשר עשתה שימוש בפרובוסקייט כחומר בולע אור וכחומר מוליך חורים בתא הסולרי, דבר אשר פישט את הכנת התא הסולרי, הוריד את מחירו ואפשר הבנה טובה יותר של התהליכים ומנגנונים הפועלים בו.

 

להלן כמה פרויקטים אשר בהם מתמקדת קבוצת המחקר:

 

  • פיתוח וחקירת תאים סולריים בעלי מתח גבוה מבוססי פרובוסקייט ללא חומר מוליך חורים.
  • פיתוח וחקירת היציבות של החומר פרובוסקייט על ידי הורדת מספר הממדים של החומר, לחומר מסוג 2D-3D.
  • חקירה ופיתוח של ננוחלקיקים מחומר הפרובוסקייט אשר צפויים להראות תכונות אופטיות ואלקטרוניות ייחודיות.
  • תאים סולריים חצי שקופים מבוססי פרובוסקייט. שימוש בטכנולוגיות הדפסה על מנת לאפשר שליטה בשקיפות התאים ועדיין לייצר חשמל מתאים סולריים אלו.


אסף רינות - חקר האינסוף המתמטי

חישבו על מלון רחב-ידיים, אינסופי, המאוכלס עד אפס מקום. ערב אחד מגיע למלון אורח חדש,
ומבקש חדר מפקיד הקבלה. עונה הפקיד: מצטער, אנו בתפוסה מלאה. שולף האדון שק של מטבעות
ואומר: אשלם כל שיידרש. מצא לי חדר!

מתרצה הפקיד ועולו במוחו רעיון. את האורח מחדר 1 אשלח לחדר 2, את האורח מחדר 2 אשלח
לחדר 3, את האורח מחדר 408 אשלח לחדר 409 , ובאופן כללי האורח מחדר n יעבור לחדר n+1 .
כך, לכל האורחים יהיה חדר, ובנוסף התפנה לנו חדר מס' 1 עבור האורח החדש. כולם מרוצים  .
חולפת יממה, ופקיד הקבלה שלנו נחרד לגלות בחניון המלון אוטובוס אינסופי עם אינסוף אורחים
חדשים. מה יעשה עכשיו? הוא משתוקק למצוא פתרון, שהרי הדבר יעשיר את קופת המלון עד אין
גבול...

הפקיד היצירתי לא אומר נואש, ושולח את האורח מחדר 1 לחדר 2 . הפעם, את האורח מחדר 2 הוא
שולח לחדר 4 , ואת האורח מחדר 408 לחדר 916 . באופן כללי האורח מחדר n נשלח לחדר 2n .
באופן כזה, כל האורחים הוותיקים עברו לחדרים הזוגיים, וכעת כל החדרים האי-זוגיים פנויים לחלוטין
ויכולים לאכלס את אינסוף האורחים החדשים. הצלחה!

החלק הראשון בסיפור הנ"ל ממחיש כי אינסוף ועוד אחד שווה לאינסוף, והחלק השני ממחיש כי
אינסוף ועוד אינסוף שווה שוב לאותו אינסוף. אם כך, מה נותר כבר לחקור?

ובכן, הצרות מתחילות ממשפט שומט-הקרקע של גאורג קנטור מסוף המאה ה- 19 . קנטור הוכיח כי
לכל אינסוף יש אינסוף הגדול ממנו ממש, ולמעשה יש אינסוף גדלים שונים של אינסוף...

רגע רגע רגע..! על מה אנחנו מדברים פה ?! מה זה בכלל אינסוף, ואיך בכלל ניתן להשוות
אינסוף אחד עם משנהו?

שאלה טובה. כדי לענות עליה, בואו נחשוב רגע על נקודת מבט של ילדים בגיל הגן. עבורם כל מספר
שאינם יכולים לספור על כף יד אחת הוא ענק.. רחוק.. בלתי-נגיש.. א-י-נ-ס-ו-פ-י. תנו להם לספור
שבעה תפוחים ורובם יתבלבלו בדרך.
ובכל זאת, נניח שהגננת הניחה סל אחד עם שבעה תפוחים וסל שני עם שמונה תפוחים במרכז
החדר, ומבקשת מאחד הילדים לקבוע במי מהסלים יש יותר תפוחים. אדם בוגר היה סופר את מספר
התפוחים בכל אחד מהסלים בנפרד, ואז משווה בין המספרים שהתקבלו. אבל הילד שלנו לא יכול
לספור עד אינסוף )שבע, במקרה זה(.
הפלא ופלא, הילד מצא פתרון אחר : הוא ייגש לסלים, ובאופן שיטתי ישלוף תפוח אחד מהסל הימני
ואחד מהשמאלי, ושוב – אחד מפה ואחד מפה – ושוב, ושוב, עד אשר באחד הסלים יישאר תפוח
ואילו השני יוותר ריק. או אז, יידע כי בסל שנותר ריק היו פחות תפוחים מהסל האחר.

מכך אנו למדים כי ניתן להשוות ולקבוע איזה כמות גדולה יותר מבלי לדעת מהי הכמות.
בואו נראה כי כמות המספרים השלמים שווה לכמות המספרים הטבעיים.

תזכורת:

- המספרים הטבעיים: 0,1,2,3,….
- המספרים השלמים : …,-3,-2,-1,0,1,2,3,…

על פניו נראה שיש הרבה יותר מספרים שלמים ממספרים טבעיים. אבל אנחנו נתאר התאמה בין
המספרים הטבעיים לבין השלמים: את 0 נשלח ל- 0, את 1 נשלח ל- 1- , את 2 נשלח ל-1 את 3 נשלח ל- 2- וכן הלאה:

ההתאמה המתוארת מעלה משולה לתהליך של שליפת תפוחים בזוגות משני סלים "אחד מפה ואחד מפה" – בהתחלה שולפים את 0 מסל הטבעיים ביחד עם 0 מסל השלמים, אחרי כן, את 1 מסל הטבעיים ביחד עם 1- מסל השלמים, אחרי כן את 2 מסל הטבעיים ביחד עם 1 מסל השלמים, וממשיכים מבלי להתייאש. ברגע  (האינסופי) בו יתרוקן סל המספרים הטבעיים יתרוקן גם סל המספרים השלמים. למה? כיוון שכל מספר שלם k יצא מהסל לא יאוחר מהשלב ה- 2|k|+1.

הראנו: האינסוף של המספרים השלמים שווה-כמות לאינסוף של המספרים הטבעיים. התאמה מסובכת יותר תראה כי כמות המספרים הרציונליים (שברים) שבין 0 ל-1 שווה לכמות המספרים הטבעיים:

 

 

חלקכם ודאי שואלים  מדוע התאמנו את 4 ל- 3/4 ולא ל- 2/4 "?

התשובה היא ש-2/4=1/2, ואת 1/2 הרי כבר "הוצאנו" בשלב ה- 0 .

אם כן, נותר לענות על השאלה הבאה: "מדוע ברגע בו יתרוקן סל המספרים הטבעיים יתרוקן גם הסל השני?" ובכן, שימו לב כי המספר n/m יצא מהסל עוד טרם שהגענו לשלב ה- 2+3+…+m .

בנקודה זו, חלקכם אולי יתפתו לחשוב שאת הטכניקה הנ"ל ניתן לשכלל עוד ועוד, ולהראות שכל אוסף של מספרים ניתן להתאים למספרים הטבעיים. אבל כאן בדיוק נכנסת החשיבה הגאונית של קנטור לתמונה. קנטור הראה שלא ניתן למצוא התאמה בין קבוצה המספרים הטבעיים לקבוצת המספרים הממשיים )אלו עם פיתוח עשרוני(. מדוע? כי נניח שכן הייתה קיימת התאמה:

 

 

אז נבנה מספר ממשי חדש באופן שיבטיח כי הוא אינו ברשימה, כדלקמן:

- כיוון ש- 0 נשלח למספר המתחיל ב- 0.3 , המספר שנבנה יתחיל במשהו אחר, למשל 0.4 .

- כיוון ש- 1 נשלח למספר המתחיל ב- 0.91 , המספר שנבנה ימשיך באופן אחר, למשל 0.42 .

- כיוון ש- 2 נשלח למספר המתחיל ב- 0.426 , המספר שנבנה ימשיך באופן אחר, למשל 0.427 .

- כיוון ש- 3 נשלח למספר המתחיל ב- 0.9131 , המספר ימשיך באופן אחר, למשל 0.4272 .

- כיוון ש- 4 נשלח למספר המתחיל ב- 0.84237 , המספר ימשיך באופן אחר, למשל 0.42728 .

בסוף התהליך נבנה מספר עם פיתוח עשרוני מהצורה 0.42728… והוא שונה מכל אחד מהמספרים ש"הוצאנו מהסל" לאורך הדרך. פירושו של דבר: ברגע שנסיים להוציא את כל המספרים הטבעיים מהסל, המספר הממשי שבנינו יישאר לו בסל השני. מכאן שכמות המספרים הממשיים אכן גדולה מכמות המספרים הטבעיים.

על כך ועוד – במפגשנו ב- 17 באפריל 2016.


דניאל דויטש - פתרונות טכנולוגיים לניהול מידע

בעידן המידע, נתונים בקנה מידה חסר תקדים נאגרים, מעובדים, ונשלחים על ידי מערכות רבות ומורכבות. המערכות מניבות תועלת רבה בתחומים כגון מחקר, רפואה, מסחר אלקטרוני ועוד; אך ככל שכמות הנתונים גדלה ומורכבותן של המערכות גוברת,  גדל גם הקושי במעקב אחר הנתונים ואחר עיבודם. כתוצאה מכך נוצרת אי ודאות ביחס לתקינותן של המערכות ולמהימנות התוצאות, ונוצר קושי לשחזר את החישוב ולבסס עליו פיתוחים עתידיים.

במובן מסוים, "הגולם קם על יוצרו": אפילו מפתחי המערכות, וקל וחומר המשתמשים, מתקשים להבין את פעולת המערכות ולוודא את תקינותן. 

כדי להתמודד עם אתגר זה, המחקר שלי מתמקד בפיתוח פתרונות טכנולוגיים (אלגוריתמים וכלי תוכנה) לביצוע מעקב אחר המידע ותיעוד החישוב, כמו גם ניתוח תוצאות התיעוד עצמן.  מעקב זה מאפשר להסביר את תוצאות המערכת ולבססן, לזהות שגיאות במידה ואלו קיימות, ולשפר את פעולת המערכת.

לדוגמא, מערכות תומכות החלטה לרופאים מתבססות על מידע ביחס לחולים, תסמינים, דיאגנוזות וטיפולים, כדי להמליץ לרופא על אופן פעולה. מערכות שכאלה כוללות כמות עצומה של נתונים ועיבוד מורכב, שתוצאתו היא ההמלצה.

על ידי תיעוד החישוב שהמחקר מציע, נוכל להסיק, ביחס לכל המלצה, באיזה אופן היא חושבה, ובהתבסס על אילו מנתוני הקלט שלה (למשל תוצאות בדיקות או מחקרים קודמים). כך נוכל להציג לא רק את ההמלצה עצמה, אלא גם את הצדקתה.

בנוסף, נוכל לזהות כשלים במערכת ולשפר את פעולתה. למשל, נוכל לזהות האם המערכת הסתמכה בחישוביה על מידע פרטי, או על מידע סטטיסטי בלבד. לכך נודעת חשיבות בכדי לקבוע האם החישוב עלול להפר פרטיות. יתרה מכך, לעיתים החישוב המבוצע ע"י המערכת נזקק בפועל רק לחלק מנתוני החולים, והשמטת נתונים אחרים לא תשנה דבר ביחס להמלצות המחושבות. מפתח התוכנה כלל לא יכול לחזות זאת מראש, שכן התופעה נובעת מהחישובים המורכבים עצמם (שרק מחשב יכול לבצע). אם נזהה מצב עניינים שכזה בדיעבד, חשוב להימנע מלשמור נתונים לא רלוונטיים שכבר נאספו, כדי לצמצם פגיעה בפרטיות, ולהימנע מבדיקות רפואיות מיותרות בעתיד.

תופעות דומות נצפו בהקשרים נוספים, כגון ניסויים מדעיים שמשלבים מערכות שונות ותוצאות מחקרים קודמים, מערכות לומדות ומערכות בינה מלאכותית המסתמכות על נתוני עבר ולוגיקה מורכבת כדי לחזות נתוני עתיד, מערכות לפילוח משתמשים לצורך המלצות תוכן ופרסום, וכדומה.

כיום, במערכות מסוימות כלל לא נעשה מעקב אחר המידע, ובמערכות אחרות נעשה שימוש בפתרונות אשר מפותחים אד-הוק עבורן, ולכן אינם כלליים מספיק. הקושי נובע מכך שמעקב אפקטיבי דורש לא רק את שמירת המידע עצמו אלא גם חלקים מהתהליך החישובי שבוצע. שמירת התהליך במלואו אינה אפשרית מבחינת משאבי חישוב, ולכן יש  לזהות ולשמור רק את "החלקים המהותיים" מתוך החישוב.

 מטרת המחקר היא פיתוח פתרונות כלליים לתיעוד ומעקב אחר נתונים. תוצרי המחקר הם כלי תוכנה שמתממשקים עם מערכות מורכבות ומבצעים את המעקב בד בבד עם פעולת המערכות. באופן אינטואיטיבי, הרעיון הוא להצמיד "תג-זיהוי" לכל פריט מידע, המאפשר מעקב אחר קורותיו ושימושיו. עבור מידע ממקור חיצוני למערכת (כמו תוצאות בדיקות החולים המוזנות למערכת), תג הזיהוי כולל מידע על המקור (למשל זמן ואופן ביצוע הבדיקה). עבור מידע שחושב ע"י המערכת (למשל "נוסחאות" לחישוב המלצות), תג הזיהוי כולל גם את "אילן היוחסין" של פריט המידע: מידע מקיף על הנתונים ששימשו בחישוב (למשל אילו תוצאות בדיקות שימשו בגיבוש כל נוסחא), כמו גם כיצד החישוב השתמש בהם (למשל, איזו תוצאה של הבדיקה תרמה לכל חלק בנוסחא).  

הכלים מפותחים באופן גנרי, כך שיוכלו להתחבר למגוון רחב של מערכות ללא צורך בפיתוח תוכנה ספציפי לכל מערכת. מכיוון שהמידע שנשמר הוא רב, כלי התוכנה מאפשרים גם בניתוח "תגי הזיהוי": על פי קריטריונים שמוזנים על ידי מפתחי המערכות, הכלים תומכים בבדיקות נכונות, זיהוי של הפרת פרטיות ושל שימוש לא מיטבי במידע, וכדומה.

 

האתגרים המרכזיים במחקר הם:

1) פיתוח פתרון גנרי, שאינו ספציפי למערכת מסוימת. זאת כדי לאפשר תפוצה רחבה של הכלים, ללא צורך בפיתוח כלי מעקב ספציפיים ע"י מפתחי המערכות עצמם. הקושי כאן הוא שיש לנתח באופן אוטומטי את הלוגיקה שמפעילה המערכת לטיפול בנתונים. המחקר מתמודד עם קושי זה תוך שימוש בכלים מחקריים מתחומים כגון שפות תכנות, לוגיקה ובסיסי נתונים.

2) המערכות בהן המחקר עוסק הן מורכבות, עתירות נתונים ובשל כך, דורשות משאבים (זמן חישוב וזכרון מחשב) רבים מלכתחילה. ככל שהמערכת מורכבת יותר, המעקב אחר השימוש שלה בנתונים הופך אף הוא לתובעני מבחינת משאבים, ודרישות המשאבים המצטברות עלולות שלא לאפשר ביצוע אפקטיבי של המעקב. המחקר מתמקד בפיתוח אלגוריתמים יעילים להתמודדות עם קושי זה. בפרט, חשוב לזהות באופן אוטומטי את האספקטים ה"משמעותיים" ביותר של החישוב, ולעקוב אחריהם בלבד.

3) כלי ניתוח התוצאות חייבים, מצד אחד, לאפשר גמישות רבה וניתוחים מסוגים שונים, ומצד שני להיות יעילים חישובית בכדי להתמודד עם כמות הנתונים הרבה. 

 

תוצאות המחקר שלי כוללות אפיון וניתוח תיאורטי של הבעיות, פיתוח אלגוריתמים יעילים לפתרונן, ושילובם במימושים פרקטיים. המחקר עדיין בעיצומו, ותוצאותיו עד כה מצביעות על היתכנות ושימושיות הפתרונות, הן מבחינת היעילות החישובית והיכולת להתמודד עם נתונים בקנה מידה גדול ומערכות מורכבות, והן מבחינת מגוון השימושים שמתאפשרים כתוצאה מהפתרון. כעת המחקר מתמקד בשיפורים נוספים ביחס ליעילות הפתרונות, כמו גם בהרחבתם.


מעקב אחרי עטלפים - יוסי יובל

 

מבוא:

 

האקולוגיה ומדעי המוח הם שני תחומי מחקר ענקיים כמעט ללא תקשורת ביניהם למרות העניין המשותף הברור: אקולוגים מתעניינים ביחסי הגומלין בין בעל החיים לסביבה שלו בעוד מדעני מוח חוקרים כיצד מעצבת הפעילות העצבית את התנהגות החיה (בסביבה הטבעית שלה). המוטיבציה המחקרית העיקרית שלי היא לגשר בין שתי הדיסציפלינות האלה על ידי פיתוח טכנולוגיה לחקר בעלי חיים מתנהגים בסביבתם הטבעית. מטרת המשנה שלי היא לקדם מחקר כמותי בהתנהגות בעלי חיים. החשיבות של מחקר בחיות מתנהגות (לעומת חיות מורדמות או מקובעות) ברורה כיום לכל חוקר מוח, לאחר שמחקרים רבים הראו שהמוח של חיה מתנהגת פועל באופן שונה מזה של חיה מקובעת. למרות המהפכה שעוברים מדעי המוח בעשורים האחרונים, עיקר המאמץ מושם על פיתוח שיטות חדשניות להקלטת פעילות נוירונלית, בעוד מחקר ההתנהגות נותר מאחור. באמצעות חיית מודל מתאימה – העטלף – והקצאת משאבים רבים לקידום טכנולוגיות זעירות, אנחנו שואפים לחקור התנהגות של עטלפים באופן כמותי ומדויק בין אם הם מעופפים בחדר תעופה במעבדה או בגובה אלף מטר בסביבה הטבעית שלהם. חלק שני במעבדה מתרכז בחקיינות ביולוגית – Bio-mimicry בשאיפה ליישם את הידע שאנחנו רוכשים על הסונר העטלפי, בייחוד במשימות רובוטיות.

 

בניגוד למרבית מדעני המוח החוקרים התנהגות ביונקים, איני עובד עם מכרסמים או פרימטים. עטלפים הם אחת מקבוצות היונקים מהצליחות ביותר ומהווים כחמישית ממיני היונקים על פני כדור-הארץ. הם היונקים המעופפים היחידים וביחד עם לוויתני שיניים הם אחת משתי קבוצות המשתמשות בסונר כדי לחוש את הסביבה. השימוש בחוש אקטיבי (סונר) מהווה יתרון ברור מאוד למחקר התנהגות כמותי. העטלף משמיע קולות ומנתח את ההדים החוזרים כדי להתמצא בסביבה באופן אקוסטי והקלטה שלו באמצעות מיקרופונים מאפשרת לחוקר לעקוב אחרי ההתנהגות הסנסורית שלו מרחוק ובקלות יחסית. ההקלטה של העטלף מקנה כמה יתרונות בולטים: (1) העובדה שהעטלף משנה את מאפייני האותות שלו על פי המשימה שהוא מבצע (למשל לפני ואחרי מציאת טרף) מאפשרת לחוקר לזהות שינויים מהירים בהתנהגות שלו. (2) הקלטת הסונר של העטלף מאפשרת לדעת בדיוק גבוה בזמן מתי הוא אוסף מידע חושי על הסביבה – דבר שכמעט אי אפשר לעשות עם חושים אחרים. (3) המעקב אחר הסונר מאפשר לשבש את המידע הסנסורי הנקלט על ידי העטלף בזמן אמיתי כדי לבחון את התגובה הסנסורית שלו לשיבוש (שוב בעזרת ההקלטות).

 

כיווני מחקר עיקריים עבר ועתיד

בשלוש השנים האחרונות עסקתי בהקמת המעבדה למחקר עטלפים בגן הזאולוגי של אוניברסיטת ת"א תוך השגת חלק גדול מן היעדים שהצבתי. בפסקאות הבאות אסקור את הישגי השנים האלה ואת כיווני המחקר לשנים הבאות.

 

מזעור מכשירים למעקב אחרי עטלפים בשדה בתנאים טבעיים לחלוטין: המטרה הראשונית הושגה. בשיתוף עם חברה אזרחית פיתחנו מכשיר ג'יפיאס ששוקל 3 גרם (הקטן מסוגו בעולם) וכולל גם מיקרופון מזערי להקלטת אותות הסונר של העטלף. השתמשנו במכשירים שפיתחנו כדי לחקור את פעילותם של שלושה מיני עטלפים שונים: עטלף חברתי המשחר בקבוצות צפופות (היזנוב הגדול), עטלף חרקים המשחר לבד (הנשפון הגדול – בבולגריה) ועטלף הפירות. שני מאמרים ראשונים המסכמים את תוצאות המחקרים האלו פורסמו בחודשים האחרונים (Current Biology, Proceedings in the Royal Soceity). בנוסף, השיטה זכתה לתהודה רבה בעולם העטלפים (לאחר שהוצגה בכמה כנסים) והמעבדה קיבלה פניות רבות לשיתופי פעולה ברחבי העולם. בין היתר העברתי הרצאת מפתח (Keynote) בכנס התנועה האחרון בברלין (Bat movement ecology). בחרנו להענות לשלוש מן הפניות וליישם את השימוש בטכנולוגיה שלנו בשיתופי פעולה עם חוקרים במכסיקו, בבולגריה ובפנמה העובדים על מיני עטלפים מעניינים במיוחד. 

בשנים הקרובות נמשיך לפתח את השיטה ולמזער את הטכנולוגיה עוד יותר. בימים אלה אנחנו בוחנים דגם מתקדם יותר שפיתחנו שכולל מספר חיישנים נוספים כמו מצלמה, מד תאוצה ואפשרות להקלטת פעילות מוח (על גבי החיה). החיישנים החדשים האלה פותחו על ידי מהנדס שנשכר על ידינו ולכן זכויות הייצור נמצאות בידינו. ביחד עם חברת רמות אנחנו בוחנים אפשרויות למסחר את הטכנולוגיה החדשה.

 

חקר חברתיות בעטלפים: עטלפים הם בין היונקים החברתיים ביותר. עטלפים רבים משחרים למזון בקבוצות או לנים בקבוצות לעיתים של אלפים רבים באותה מושבה לאורך עשרות שנים. כתוצאה מהקושי לחקור עטלפים בשדה מעט מאוד מחקר נעשה על חברתיות בעטלפים.

בשלוש השנים האחרונות עקבנו אחר דפוסי ההתנהגות החברתית של מושבת עטלפי הפירות בגן הזאולוגי. בעבודה זו הראנו לראשונה שפרטים שונים בתוך המושבה משתמשים באסטרטגיות שיחור מזון שונות ומתאימים אותן על פי הצורך. השתמשנו ברשתות חברתיות בכדי לנתח את הדינמיקה הקבוצתית במושבה לאורך זמן. מאמר המסכם תוצאות אלה נשלח לפרסום לאחרונה.

בשנה האחרונה הצלחנו ליישם את חזון מושבת העטלפים ה'מוחתמת' שלנו. מושבה זו ממוקמת בגן הזאולוגי, אבל תהיה חופשית לשחר למזון בטבע. בחודשים האחרונים פתחנו את המושבה לאחר שלוש שנות תכנון והמשימה הושגה – העטלפים יוצאים וחוזרים למושבה שלנו. כעת אנחנו מתעדים את הקשרים בתוך המושבה באמצעים טכנולוגים שונים את הפעילות של העטלפים מחוץ למושבה באמצעות הסנסורים הנ"ל שלנו. למיטב ידיעתי אין כיום אף מושבת יונקים שכל הפרטים בה מנוטרים באופן קבוע בעולם. היכולת לעקוב אחרי אותם פרטים והאינטראקציות ביניהם במושבה שלהם ובשדה תאפשר לשאול שאלות מרתקות בהתנהגות חברתית של יונק.

 

תקשורת קולית היא נדבך חשוב בהתנהגות חברתית של יונקים חברתיים. עטלפים רבים כמו למשל עטלף הפירות המצרי מתקשרים באמצעות קריאות קוליות. מעט מאוד ידוע על התקשורת הזו – האם היא נלמדת, האם יש בה תחביר והאם יש לה סמנטיות. בשלוש השנים האחרונות עקבנו אחרי התפתחות התקשורת בגורי עטלפים שגדלו בקבוצה או בבידוד תוך השוואה לתקשורת בוגרים 'נורמלית'. הקלטנו יותר ממליון קריאות בצמוד לקטעי וידיאו מסונכרנים המתארים את ההקשר שבו הן הושמעו. החלק הראשון של הפרויקט הסתיים ופורסם לאחרונה (Science Advances) וכעת אנחנו עובדים על אנליזות לקראת הפרסום הבא. הבנה טובה יותר של התקשורת העטלפים תאפשר לנו לבצע מניפולציות מתוחכמות במושבה המוחתמת.

 

חקר הסונר בעטלפים וחקיינות ביולוגית Bio-mimicry: עטלפים מסוגלים למדוד מרחק באמצעות הסונר בדיוק של פחות ממלימטר, דיוק רב יותר מהצפוי על פי חישובים תאורטיים הנדסיים. לסונר העטלפי יש דרגות חופש רבות כמו למשל עיצוב עקום הקרינה שעדיין לא מובנות לנו. אחד מכיווני המחקר העיקריים של המעבדה או לפענח את צפונות הסונר העטלפי. לשם כך פיתחנו שתי מערכות ניסוי המאפשרות מחקר מבוקר בסונר עטלפי: (1) חדר תעופה גדול ומרובה מיקרופונים מסונכרנים המאפשר שחזור עקום הקרינה ומסלול התעופה של עטלפים שעה שהם מבצעים משימות חישה שונות. החדר הוקם ונמצא בשימוש ואלגוריתמים ממוחשבים לעיבוד הדאטא הנאסף בו פותחו במהלך השנתיים האחרונות. (2) מערך מסונכרן מצלמות-מיקרופונים המאפשר לצלם את הפנים – ה'אנטנות' של העטלף תוך שחזור עקום הקרינה שלהם. מערכת ניסויים זו מאפשרת לחקור את אחת מהשאלות הבסיסיות ביותר בסונר עטלפי – מהי מידת השליטה של עטלפים בעקום הקרינה שלהם ומה הקשר בין מבנה האנטנות שלהם לתפקוד מערכת החישה. שני מאמרים המסכמים את התוצאות של שני מחקרים ראשונים בסונר התקבלו לפרסום לאחרונה (PLoS Biology, PNAS). בשנים הקרובות בכוונתנו לממש את ההשקעה רבה בשתי המערכות הנ"ל כדי לחקור שאלות בסיסיות בחישה סונרית. מלבד הבנת הסונר של העטלפים, מטרת מחקר הסונר היא יישום של אפליקציות סונריות על גבי רובוטים. בשנתיים האחרונות שימשתי כמנחה משני של כמה סטודנטים בהנדסת מכונות ובהנדסת חשמל וביחד עם עמיתים בבתי הספר האלה אנחנו מנסים ליישם את הידע שלנו. בין היתר נרשם פטנט על זיהוי של עצמים באמצעות סונר.


 

הלוי איתי - ההיסטוריה והתהליכים המניעים את הכימיה, הביולוגיה והאקלים בכדור הארץ

ניתן לחלק את תכנית המחקר שלי לשלושה תחומים עיקריים:

  1. הביו-גיאוכימיה המשתנה של האוקיינוסים והאטמוספירה בכדור הארץ:

 

הרקורד הגיאולוגי הוא המאגר הסופי של שטפי חומר דרך סביבת פני השטח, וככזה הוא משמר עדויות לשינויים בתנאי סביבה קדומים, מיחזור ביו-גאוכימי של היסודות ואירועים בסדר גודל אזורי או עולמי (למשל, התחמצנות האטמוספירה לפני כ 2.5- מיליארד שנה, עידני קרח גלובליים לפני 0.6- 0.8 מיליארד שנה, וכו׳). עם זאת, עדויות אלו מפורשות לרוב באופן איכותני בלבד. בקבוצתי אנו משלבים ניסויים, תצפיות ומודלים להשגת הבנה כמותית של האבולוציה הביו-גיאוכימית של סביבת פני השטח בכדור הארץ. שלוש דוגמאות למחקר מעין זה כוללות א) סינתזה נסיונית של מינרלים ברזליים בתנאים נטולי חמצן להבנת תהליכים במחזור הברזל הקדום, ב) שילוב תצפיות שדה, מדידות כימיות ואיזוטופיות ומידע סטרטיגרפי להבנת תהליך הדולומיטיזציה, שהוא גורם מכריע בקביעת ההרכב הכימי של מי הים, ו-ג) פיתוח מודלים מצומדים של מחזורים ביו-גיאוכימיים של יסודות ראשיים (למשל, פחמן, חמצן, גפרית), בשילוב מידע מניסויים ותצפיות, להבנת הקו אבולוציה ארוכת הטווח של סביבת פני השטח, הביוספירה והאקלים בכדור הארץ.

 

  1. מגבלות תיאורטיות ונסיוניות על אינדיקטורים לסביבות קדומות:

 

מידע המקודד בטקסטורה ובהרכב הכימי והאיזוטופי של סלעים שופך אור על מגוון תופעות שאינן ניתנות לתצפית ישירה, כגון תנאי סביבה קדומים, הכימיה של האוקינוסים לאורך העידנים ופעילות ביולוגית קדומה. את המידע ניתן לפענח רק אם מבינים את התהליכים שגרמו להשתמרות האותות הנמדדים או הנצפים בסלעים. עם זאת, רבים מהאינדיקטורים המשמשים לפיענוח המידע בסלעים אינם מובנים ברמה הבסיסית, המנגנונית, ומעולם לא נבדקו ואושרו נסיונית באופן מעמיק ושיטתי. תחום עניין נוסף בקבוצתי הוא ביצוע מחקרים נסיוניים ותיאורטיים, המגובים בתצפיות שדה, להבנת התהליכים המשפיעים על אינדיקטורים מעין אלו, ומכאן לאישור ולעידון המידע הנרכש מבחינתם. שלוש דוגמאות למחקר בתחום זה הן א) בחינה נסיונית ותיאורטית של הפרדת איזוטופים יציבים של פחמן וחמצן בתגובות של מערכת הקרבונט בתמיסה ובעת היווצרות מינרלים קרבונטיים, ב) שילוב שיקולים ביו-אנרגטיים וקינטיים עם עקרונות כימיה איזוטופית להבנת הפרדת איזוטופים יציבים של גפרית בעת חיזור מיקרוביאלי של סולפט, שהוא מטבוליזם אנאירובי מרכזי באוקינוס, היום ובעבר, ו-ג) פיתוח מדידות איזוטופיות של חמצן בתחמוצות ברזל להבנת ההרכב האיזוטופי של מי האוקינוסים על פני ההיסטוריה של כדור הארץ בעיה בסיסית ולא פתורה.

 

3. האקלים והגיאוכימיה הקדומים של מאדים:

בנסיון לפתח הבנה כללית של מחזורים גיאוכימיים ואקלים פלאנטריים, מספק מאדים הזדמנויות ייחודיות. ראשית, במאדים עדויות ברורות לאבולוציה אטמוספרית, מאטמוספירה קדומה ומאסיבית בהרבה מזו הקיימת כיום, שאפשרה זרימת תמיסות מימיות על פני השטח לפני 5 מיליארד שנה ויותר, ועד לאטמוספירה המודרנית הדלילה והאקלים הקפוא והצחיח המלווה אותה. שנית, העדויות הגיאולוגיות שמורות בצורה יוצאת מן הכלל בשל היעדר טקטוניקת לוחות במאדים ובשל קצבי בלייה איטיים מאד תחת האטמוספירה הדלילה. שלישית, היעדר פעילות ביולוגית מאפשרת לחקור תהליכים אביוטיים, שבכדור הארץ ממוסכים לגמרי על ידי הביולוגיה, ושייתכן והיו חשובים בכדור הארץ הקדום. שתי דוגמאות למחקר בתחום זה הן א) שילוב שיטות מתקדמות לאנליזה איזוטופית של מינרלים קרבונטיים ממטאוריט בן 4 מיליארד שנה ממאדים, עם מודלים של התמיינות איזוטופים בעת אובדן אטמוספרי, להבנת האבולוציה האטמוספרית ארוכת הטווח של מאדים, ו-ב) פיתוח מודלים אקלימיים לבדיקת ההשפעות של אבק ושל התפרצויות געשיות בעוצמה גבוהה על האקלים הקדום במאדים, שאפשר זרימת מים בפני השטח, בשונה מהיום.


יעקב אברמסון - חקר המערכת החיסונית ומחללות אוטו-אימוניות

רקע מדעי:

במערכת חיסונית מתפקדת, תאי הT משמשים כ"נשק חיסוני" ותוקפים פולשי גוף זרים כגון בקטריות, וירוסים ועוד, זאת במקביל ליכולתם להישאר סבילים למרכיבי הגוף עצמו.

בזמן התפתחותם בבלוטת התימוס (הרת), איבר הממוקם בחלל בית החזה, מאחורי הלב, תאי הT לומדים לזהות כל איבר, תא וחלבון בגופנו על מנת שלא לתקוף אותו. יכולת זיהוי זו היא כה מדויקת, כך שהתאים יכולים להבחין בהמוגלובין מתאי דם אדומים, באינסולין המופרש מהלבלב, ובמיילין, חלבון העוטף את מערכת העצבים. תאי הT חייבים להיות מסוגלים להבחין בין כמות עצומה של פתוגנים ופולשים זרים ולתקוף אותם, ובמקביל להימנע מלתקוף את הגוף עצמו. במקרים מסויימים אפילו "נשקים" חכמים אלו יכולים לטעות ולפעול כנגד עצמנו, ולתקוף את האיברים בגופנו. פגיעה כזו מ"אש כוחותינו" יכולה להוביל למחלות אוטו-אימוניות קשות, כגון סכרת נעורים המשפיעה על כ5% מהאוכלוסייה המערבית.

במשך עשורים, אימונולוגים ניסו להבין כיצד בדיוק הגוף מסוגל לחנך את תאי הT להבדיל בין עצמי לזר ולפעול בהתאם, אך רק לאחרונה הצליחו החוקרים לגלות את הפרטים המהותיים שעוזרים למנוע את התקיפה של הגוף עצמו. ספציפית, התגלתה אוכלוסיית תאים מיוחדת בסטורמת התימוס, הנקראת מדולת אפיתל התימוס, או בקיצור mTECs. תאים אלו משחקים תפקיד חשוב ביכולת הגוף לנפות ולחסל תאי T המגיבים כלפי הגוף במהלך התפתחותם בתימוס.

באופן ייחודי לתאי mTECs אלו היכולת לבטא ולהציג לאותם תאי T למעשה את כל מקבץ האנטיגנים שבגוף, כולל את אלו שביטויים מוגבל במקור לאיברים פריפריאליים בלבד (כגון האינסולין שבלבלב, או קסאין שבבלוטות החלב). יכולת מדהימה זו מאפשרת להם בעצם לייצג את כל מולקולות הגוף שתאי הT עלולים "לפגוש" במהלך חייהם. כתוצאה מכך, רב תאי הT שמגיבים כנגד אותם מולקולות עצמיות במהלך חינוכם בתימוס, מושמדים לפני שחרורם לדם, וליתר הגוף כך שלא יוכלו להזיק.

תכונה מדהימה נוספת היא שיכולת תאי הmTECs להציג את שלל מולקולות הגוף תלויה כמעט אך ורק בחלבון יחיד הנקרא AIRE (autoimmune regulator – הרגולטור האוטואימוני). חשיבות תפקידו הפסיולוגי של חלבון זה ויכולתו להוביל לביטוי רחב כל כך של גנים, מודגמת בעיקר במודלים עכבריים או בחולים אנושיים הנושאים פגם בגן הAIRE שמוביל ליצירת חלבון לא תקין, הגורם להתפתחות סינדרום אוטואימוני כלל-מערכתי המאופיין על ידי נוגדנים עצמיים ופלישה של תאי מערכת החיסון למספר רקמות פריפריאליות בגוף. על כן, AIRE חיוני להגנה יעילה כנגד מחלות אוטואימוניות הרסניות.

 

מטרות המחקר:

מטרת המחקר העיקרית של המעבדה שלנו היא להבין כיצד המערכת החיסונית שלנו מפתחת את הסבילות כלפי הגוף בתימוס, וכיצד כשל בתהליך זה מוביל למחלות אוטואימוניות.

ספציפית, המחקר שלנו מתמקד בתהליכים המולקולאריים שמובילים להרס אותם תאי T שמגיבים כנגד עצמנו במהלך חינוכם בתימוס, ותפקיד הפקטורים הגנטיים, כגון AIRE ואחרים שמסייעים בתהליך זה.

 

גילויים מדעיים:

לאחרונה, מעבדתנו פירסמה שני מחקרים חשובים המתארים את תפקידם של פקטורים גנטיים חדשים המעורבים בתהליך זה של ביסוס הסבילות העצמית. ספציפית, המחקר הראשון שנעשה בשיתוף פעולה עם חוקרים נוספים מנורווגיה, ופורסם בכתב העת Immunity, מראה שמוטציות בגן AIRE שמובילות לאוטואימוניות נפוצות באוכלוסייה הרבה יותר משחשבו. עד כה, חשבו שמוטציות מזיקות בגן AIRE הן כמעט אך ורק רצסיביות (כלומר מועברות על ידי גן פגום גם מהאב וגם מהאם), ועל כן מאד נדירות. המחקר החדש מגלה שמוטציות מסויימות בAIRE למעשה מועברות בהורשה דומיננטית, כלומר מספיק העתק פגום מהאב או מהאם, לא בהכרח משניהם, בכדי לגרום למחלה. מוטציות אלו נמצאות בתדירות גבוהה יחסית באוכלוסייה, אך התסמינים הקליניים שנגרמים בעקבותן, "קלים" יותר מאלו הנגרמים בעקבות המוטציות הרצסיביות. גילויים אלו מאפשרים לנו לייחס מקרים מסויימים של מחלות אוטואימוניות שלא ידעו את מקורם בעבר, למוטציות דומיננטיות בגן AIRE, ועל ידי כך לסייע באבחון ובטיפול של מקרים חדשים בעתיד.

 

במחקר אחר שנעשה, ופורסם לאחרונה ב Nature Immunology, הדגמנו שפעילות החלבון AIRE מבוקרת על ידי חלבון אחר הנקרא Sirtuin1(Sirt1). פגם בגן זה הודגם בעבר במודלים עכבריים ובאנשים כיכול לגרום להתפתחות אוטואימוניות, אולם התהליכים שגורמים לכך לא הובנו במלואם.
המחקר שלנו מראה ש
Sirt1 מבוטא בעיקר בתאים המבטאים את AIRE בתימוס (בערך פי 100 מממוצע הביטוי של Sirt1 ביתר התאים בגוף), וזאת כדי לוודא שAIRE יהיה במצבו הפעיל. שותפות חשובה זו בין שני החלבונים מבהירה תהליכים חדשים החשובים ליצירת הסבילות העצמית של המערכת החיסונית, ומדגישה את Sirt1 כמועמד גנטי חשוב, שמוטציות בו עלולות להוביל למחלות אוטואימוניות.

שאלות פתוחות:
במחקרים נוספים שנעשים במעבדה אנחנו מחפשים אחר המנגנונים המובלים לביטוי של AIRE עצמו בתימוס, וכיצד תהליך זה מבוקר. בנוסף, אנחנו מנסים לאפיין מהם תאי הגזע של אפיתל התימוס, וכיצד מתוכם נוצרים הmTECs. שאלה נוספת בה אנו עוסקים היא כיצד ניתן לחנך מחדש מערכת חיסונית פגומה, כדי למנוע אוטואימוניות.

מאיה בר סדן - שימוש במיקרוסקופיה אלקטרונית חודרת על מנת לחקור תגובות כימיות בסקאלה אטומית

כבר ב- 1960, בהרצאה שנחשבת להרצאת היסוד של מדע הננו, אמר פרופ' ריצ'רד פיינמן כי כדי להבין חומרים כימיים מורכבים, נצטרך רק לדעת איפה עומדים האטומים מהם הם מורכבים, רק שהמיקרוסקופ האלקטרוני עדיין איננו טוב מספיק. מאז חלה מהפכה בתחום המיקרוסקופיה האלקטרונית החודרת, ופותחו רכיבי חומרה חדשים המאפשרים לדמות(לראות) אטומים, וכמו כן פותחו טכניקות חדשות לנתח את המידע המתקבל על מנת לקבל מידע כמותי ואיכותי בקנה המידה של האטומים עצמם, באפון שלא היה אפשרית קודם לכן. בשעת 2011 ניתן פרס וולף בתחום זה לקנוט אורבן, מקסימיליאן היידר והארלד רוזה, על פיתוח מיקרוסקופ אלקטרוני מתוקן אברציות, על תרומתם למדע החומרים.

בתחום מדע הננו, בשל מספר האטומים הקטן בכל חלקיק (כמה אלפים), מיקומו וזהותו של כל אטום משמעותיים לקביעת התכונות של החלקיק כולו. היכולת לדעת היכן נמצאים האטומים מאפשרת לעשות מידול נכון של החלקיקולהבין את התכונות האופטיות, החשמליות והמגנטיות שלו. באופן מפתיע, למרות מספר עשורים שבהם שוכללו תהליכי הסינתזה של ננו חלקיקים, עדיין קיימים נושאים שלא נפתרו עד תום. בעיקר,חסרה הבנה ישירה של הקשר בין התהליך במעבדה,כפי שרואה אותו החוקר בזמן הסינתזה, לבין הסידורהאטומי המתקבל. במחקרה, המשיכה ד"ר בר סדן את עבודתם של אורבן, היידר ורוזה והיתה בין הראשונים שיישמו את טכניקות המיקרוסקופיה מתוקנת האברציות לחלקיקי ננו. ד"ר בר סדן מתרכזת בהבנה של התהליכים הכימיים המתרחשים בזמן הגידול של ננו חלקיקים, ושל התגובות המתרחשות על פניהם של חלקיקי הננו בזמן הפעילות שלהם. אחת המערכות הנחקרות ביותר בתחום הננו היא סינתזה לקבלת חלקיקים של קדמיום סלניד, אשר בשל הפליטה הפלאורסנטית שלהם משמשים לסימון מערכות ביולוגיות. אחת הבעיות העיקריות, הנחקרת מזה שנים רבות, היא שינוי עוצמת הפליטה עם הזמן, כך שהחלקיקים נראים כמהבהבים. הבהוב זה נובע מפגמים בגביש, אשר משמשים כמרכזים שבהם מתרחשת ריקומבינציה של אקסיטונים (זוג של אלקטרון וחור). ד"ר בר סדן חקרה את תהליך ההיווצרות של הפגמים בזמן הגידול של החלקיק, בעזרת מיקרוסקופיה אלקטרונית. מכיוון שכיוון הגידול ידוע, ניתן היה לחקור חלקיקים בסוף תהליך הגידול ולהבין, על פי מיקום הפגמים, באיזה שלב בגידול הם נוצרו. כך ניתן יהיה לפתח שיטות סינתזה חדשות המפחיתות את מספר הפגמים ויוצרות חלקיקים איכותיים יותר.

לאחר מכן, ניתן היה ליישם את הידע שנרכש לגבי גידול של ננו חלקיקי קדמיום סלניד כדוריים על מנת להבין את מנגנון הגידול של יריעות דו-מימדיות של קדמיום סלניד. האופן שבו צברים של אטומים מתלכדים ומתמזגים ליצירת היריעה, שעוביה כארבע או חמש שכבות אטומיות ואורכה מגיע עד לכמה מיקרונים, משפיע על מבנה פני השטח של היריעות וקובע, במידה רבה, את יעילות הפליטה שלהם. המנגנון שבו מתמזגים הצברים נקרא צירוף מכוון(oriented attachment)וכאשר כופים על הצברים להתמזג בנפח המוגבל על ידי תבנית של מולקולות אורגניות, הצברים מתמזגים זה לצד זה ליצירת המבנה הדו מימדי. מימד העובי, שהוא בעובי של כ- 1.4-1.8 ננומטר, נותן ליריעות אלה תכונות קוונטיות. יריעות דו מימדיות נמצאות כיום בחזית המחקר בשל היכולת להכין מהם צמתים והתקנים בקלות יחסית, ולשלב אותם בטכנולוגיות קיימות של מיקרואלקטרוניקה.

מכיוון שהפעילות של חלקיקי ננו מוכתבת על ידי המבנה שלהם, לידע על מיקום וזהות האטומים יש יתרון גם בתכנון של ננוחלקיקיםפוטוקטליטיים, המשמשים להפקת מימן ממים בעזרת אנרגיה סולארית. חלקיקים אלה הם חלקיקים מורכבים, המכילים מספר איברים, ובין השאר – צבר של מתכת כגון פלטינה, פלדיום או זהב, אשר על פניו מתרחשת התגובה הכימית ויצירת מולקולות גז המימן. החלקיקים הפוטוקטליטיים צריכים להיות יעילים ויציבים, על מנת להיות פרקטיים ליישומים שבהם יפיקו מימן כמקור לאנרגיה חלופית באופן רציף ולאורך זמן. ד"ר בר סדן מצאה כי ניתן לקשר בין היעילות של הפקת המימן, היציבות של החלקיקים והסידור האטומי. כך, ניתן לקשר בין תזוזה של אטומים על פני החלקיק בזמן התגובה ובין כמות המימן המופקת, ויתרה על כך – ניתן לנסח עקרונות מתאימים לתכנון של חלקיקים שהם גם יציבים יותר וגם יעילים יותר. במקרה שנחקר, שבו המתכת היתה מורכבת מפלדיום ומזהב, נמצא כי ליבה של זהב ומעטפת של סגסוגת (תערובת) של פלדיום וזהב היתה גם היציבה ביותר וגם היעילה ביותר, לעומת מורפולוגיות אחרות של שתי המתכות.

בכל אחד מן המחקרים המתוארים, הידע לגבי המבנה בסקאלה האטומית מאפשר הבנה של תהליכים המתרחשים ברמה המאקרוסקופית. כיום, כאשר שיטות הסינתזה שוכללו וניתן להכין מבנים מורכבים, בעלי איברים רבים וצורות ספציפיות, יש רצון לתכנן באופן מושכל את המבנים האופטימליים ליישומים שונים ולהפעיל את הידע הסינתטי על מנת לקבל, בדיוק אטומי, את המבנים הנדרשים לכל יישום בנפרד. הקישור בין המבנה לתכונות, הוא זה שמאפשר את התכנון המושכל ובכך חשיבותו למדע הננו.


נתנאל לינדנר - תופעות טופולוגיות בפיסיקה של חומר מעובה קוונטי

באופן מסורתי, פיסיקאים סווגו מצבי צבירה של חומרים על פי עקרונות של סימטריה. לפי שיטה זו, מצבי הצבירה מוגדרים על פי סימטריה שנשברת בהם. לדוגמא, כאשר חומר נהיה מגנטי, נבחר כיוון במרחב שמציין את כיוון השדה המגנטי. דוגמא נוספת הם מוצקים, שבהם היונים מסודרים באתרי שריג, לעומת מצב הצבירה הנוזלי, שבו צפיפות האטומים אחידה. עקרון הסימטריה היווה עמוד תווך מרכזי בחקר הפיסיקה של מערכות של חומר מעובה, העוסקת בתכונות של גזים, נוזלים ומוצקים. בפרט, עקרון זה אפשרהבנה של מצבי הצבירה השונים והמעברים ביניהם.

במהלך שני העשורים האחרונים, התגלה קשר עמוק ומפתיע בין התכונות של חומרים ומושגים מתמטיים מתחום הטופולוגיה. בטמפרטורות נמוכות, מכניקת הקוונטים מאפשרת קיום של מצבי צבירה שלא ניתן לסווגם על פי עקרון הסימטריה. במקום זאת, מצבי צבירה אלו מאופיינים על ידי תכונות טופולוגיות שמקודדות במצב היסוד הקוונטי של המערכת. טופולוגיה היא תחום מתמטי שעוסק בתכונות של מרחבים שיציבות תחת שינויים קטנים של המרחב. לדוגמא, הבדל מבחין בין ספל לבין כדור הוא הידית של הספל. לכדור לא ניתן להוסיף ידית על ידי עשיית שינויים קטנים בצורתו. באותו אופן, עקרונות מתחום הטופולוגיה מאפשרים לסווג מצבי צבירה קוונטים, באופן שאינו רגיש לשינויים קטנים בתכונות המיקרוסקופיות של החומר.

מצבי הצבירה הטופולוגיים נובעים משילוב מרהיב בין מכניקת קוונטים ופיסיקה של חומר מעובה.הם מפגינים שפע של מאפיינים יוצאי דופן, שלהם השלכות מרחיקי לכת על הבנתנו אתהעקרונות הפיסיקליים השולטים במערכות אלה, וכן על טכנולוגיות עתידיות. דוגמא מצוינת הם סוג חדש של חומרים שהתגלה לראשונה בשנת 2005. אלו הם חומרים מבודדים,  שעל השפה שלהם נמצאת מתכת בעלת תכונות בלתי שגרתיות. מתכת זו נוצרת בגלל אפקטים טופולוגיים, המשתקפים באופן המיוחד בו נעים האלקטרונים על השפה החיצונית של החומר. תנועה מיוחדת זאת גורמת לכך שלא ניתן להסיר את המתכת מהשפה של החומר. תכונה מסקרנת נוספת, אם כי נדירה בהרבה, היא המצאות של חלקיקים בעלי מספרים קוונטים "שבורים", המאפיינים חלק מהמצבים הטופולוגיים. לחלקיקים מסוג זה אין אח ורע במודל הסטנדרטי של החלקיקים האלמנטריים בטבע, אך הם יכולים להופיע כערעורים של נוזלים קוונטים. בעזרת חלקיקים אלה, ניתן  לשמור אינפורמציה קוונטית באופן שתהיה מוגנת מרעשים והפרעות.  משום כך, מצבים טופולוגיים יכולים להוות את המפתח לפתרון אחד האתגרים הקשים ביותר בפיסיקה וטכנולוגיה של המאה ה-21: בניית מחשב קוונטי.

עקב תכונותיהם המרתקות, מצבים טופולוגיים עומדים בחזית המחקר בפיסיקה של חומר מעובה. אבל יופי מדעי זה אינו בא בקלות: מצבים טופולוגיים מציבים אתגרים קשים לאנליזה תיאורטית וניסיונית. מבחינה תיאורטית, ישנם רבדים רבים שנותרו ללא חקר, ואחרים שמצריכים הבנה תיאורטית עמוקה יותר. החזית הניסיונית בתחום נמצאת בשלב ראשוני עוד יותר. למעשה, עד כהרק קבוצה קטנה של מצבי צבירה אלה נצפתה במערכות ניסיוניות.

עד כמה נרחב התפקיד של טופולוגיה בפיסיקה של חומר מעובה? האם ניתן למצוא משטרים פיסיקליים חדשים שבהם ניתן לצפות בתופעות טופולוגיות? האם ניתן למצוא מערכות חומר מעובה, הניתנות ליישום במעבדה ומציגות את שלל התופעות האלה? אלה הן סוג השאלות שנמצאות בחזית המחקר שלי. מטרת תכנית המחקר שלי היא למצוא התגלמויות חדשות של מצבים טופולוגיים במערכות של חומר קוונטי, להציע דרכיםלממש אותם בצורה ניסיונית , ולפתח שיטות לאבחן, לשלוט ולהשתמש בהם. בימים אלה, אני מתרכז בשלשה נושאי חקר עיקריים: חומרים קוונטים בעלי סטטיסטיקה שבורה, תופעות טופולוגיות מחוץ לשיווי משקל, וטופולוגיה בחומרים הנובעת מאינטראקציית אור וחומר.


קרן צנזור-הלל - הכוח החישובי של מודלים לחישוב מבוזר

מספר הטכנולוגיות שסביבנו המשלבות חישוב בקנה מידה גדול נמצא בעליה מתמדת.

בחרו את החברה המפעילה את מנוע החיפוש האהוב עליכם, ודמיינו את כמות המידע שהיא צריכה לאגור ולעבד בזמנים קצרים. באופן דומה, חישבו על הרשת החברתית החביבה עליכם, על רשת הבנקאות שאתם משתמשים בה, וכן הלאה. טכנולוגיות אלו צריכות לאגור ולעבד כמויות מידע גדולות, בזמנים קצרים, ובדרגות אמינות גבוהות.

 

על מנת להתמודד עם אתגרים אלו, רבות מן התשתיות שמאחורי טכנולוגיות אלו נשענות על מערכות מבוזרות. אלו מערכות המורכבות מאוסף של יחידות חישוב נפרדות, ומטעמי עמידות, הן פעמים רבות מתוכננות כך שלא יהיו תלויות בגורם שליטה מרכזי יחיד. בעוד שבמישור העקרוני יש הרבה מן המשותף למערכות אלו, הן גם מאוד שונות זו מזו מסיבות ברורות - למערכות השונות יש יעדים מעט שונים, כל אחת צריכה לעבוד בסביבה יחודית לה, וכן הלאה.

 

בשל חשיבותן של מערכות אלו לחיי היומיום של כולנו, חיוני להבין את התיאוריה העומדת בבסיסו של החישוב המבוזר. לצורך תכנון וניתוח של מערכות אלו, מוגדרות אבסטרקציות שלהן, שתפקידן למצות את העקרונות המשותפים להן, ולאפשר בסיס מתמטי שאותו ניתן לחקור. מודלים אלו רבים ושונים זה מזה.

 

המחקר שלי עוסק בחקר הכח החישובי של מודלים לחישוב מבוזר. מחקר זה משלב פן השוואתי רוחבי של יעילות החישוב האפשרית בין המודלים השונים, יחד עם פיתוח אלגוריתמים עבור פתרון בעיות מרכזיות הניצבות בפני מערכות אלו.

 

 תגובות באתר
 תגובות בפייסבוק
מהנעשה בחמד''ע
פעילויות שונות
סמינרים למורים
תחרויות מדעיות
חדש בספרייה
מדע חישובי
תקצירי עבודות גמר של תלמידי מ"ח 2008
קישורים
moodle
webassign
מדע ושאר רוח - הבלוג האישי...
דבר דבור על אפניו - הבלוג ...
רשומות בפיזיקה עיונית - עו...
מידע אודות היסודות הכימיים
בלוגים
כניסה למערכת תקשוב אישי
שם
סיסמה
בניית אתרים
חמד"ע - מרכז לחינוך מדעי, תל אביב יפו (ע"ר). רחוב הפרדס 7, תל אביב, מיקוד 6424534. טלפון 03-5210800, פקס 03-5210810.
.Hemda - Center for Science Education 7 hapardess Street, Tel Aviv, IsraelZip Code 6424534. Tel 03-5210800, Fax 03-5210810