גיליון נובמבר 2010

אנו שמחים להגיש לכם את גיליון נובמבר של חדשות מהטבע.

בעולם נחתמה החודש ועידת הפסגה של האו"ם לשימור המגוון הביולוגי. כמאתיים מדינות התחייבו לפעול בדחיפות עד 2020 במאמץ לבלום את אובדן המגוון הביולוגי ולשמור על בעלי חיים וצמחים בסכנת הכחדה. בין ההחלטות שהתקבלו: הגדלת שטח שמורות הטבע ביבשה ובים, הגנה על יערות ועל שוניות אלמוגים וריסון הדיג.
מעבר לחשיבות הערכית, החברתית והאקולוגית של החלטה זו, ישנה חשיבות גם לשימור מגוון המורים והמודלים שבטבע כי "מין שנכחד הוא מורה שאבד".
מינים שנחקרו לאחרונה הם הדולפין, המדוזה וגוף האדם. מחקרים אלו קידמו יישומים בתחומי ההנדסה, התנועה, הרפואה וטכנולוגיות המים. על כך תוכלו לקרוא בהרחבה בגיליון זה.

בחודש ינואר תתקיים הרצאה וסדנא בנושא ביומימיקרי בוועידה הישראלית השלישית לבנייה ירוקה בישראל. לפרטים והרשמה לוועידה ולסדנא ניתן לפנות לדוא"ל
אנו עומדים לקיים בקרוב השתלמות נוספת למתנדבי הארגון בבתי הספר. נשמח להרחיב את מעגל המתנדבים למחוזות נוספים בארץ. לפרטים אנא פנו אלינו בדוא"ל

קוראים המעוניינים לקבל מידע שוטף מוזמנים להצטרף לדף הפייסבוק של ארגון הביומימיקרי ולקרוא ידיעות נוספות על הפיתוחים האחרונים בהשראת הטבע ועל פעילות הארגון.

בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

ממברנות לטיהור מים – הדור הבא

עם התמעטות מקורות המים הנקיים הזמינים לשימוש, נעשה מאמץ לפתח מערכות סינון למים שהן גם אפקטיביות מבחינה אנרגטית אך גם מאפשרות סינון וטיהור מים ברמה גבוהה מאוד. אחד הפיתוחים המבטיחים ביותר בתחום זה הוא ממברנת סינון המשלבת את החלבון הממברנלי אקופורין, חלבון בעל סלקטיביות גבוהה למים.

ממברנות (קרום התא) משמשות בטבע כחיץ בין התא לבין הסביבה החוץ תאית. ממברנות אלו מורכבות ממבנה שומני דו-שכבתי ואינן חדירות למולקולות מים, ליונים ולמולקולות טעונות נוספות. עם זאת, התא צורך חומרים אלו, הנכנסים לתא בצורה סלקטיבית. הסלקטיביות של הממברנה הביולוגית קריטית לשרידות התא/אורגניזם בכל סביבה ובסביבה מזוהמת בפרט.
כניסת מים לתא מבוצעת על ידי תעלת מים הבנויה מהחלבון הממברנלי אקופורין (Aquaporin). תעלות אלו קריטיות לקיום החיים ונמצאות בכל אורגניזם לרבות חיידקים, צמחים והאדם.

תמונה של חלבון פורין

התמונה באדיבות Opabinia regalis תחת רשיון GNU

חברת הקלינטק הבריטית אקוופורין זכתה לאחרונה בפרס Best Practices Awards  של Frost & Sullivan, על מחקרה בתחום הממברנות הביומימטיות. החברה פיתחה ממברנת הפרדה המשלבת את החלבון אקופורין במבנה הממברנלי. הממברנה הביומימטית מחקה את התופעה הטבעית של העברה אקטיבית וסלקטיבית של מולקולות בממברנה שומנית. התעלה הממברנלית כה סלקטיבית עד שהיא מונעת מעבר יונים ופרוטונים אך מאפשרת מעבר של מולקולות מים. כדי להטמיע את שיטת הפילטרציה הזו בתעשייה ולצרכים ביתיים היה צורך במחקר מקיף על המבנה והתפקיד של החלבון המרכיב את התעלה הממברנלית הזו.  
קישור לצפיה בסרט הסבר  
מבדיקות שנעשו במעבדות החברה, עולה כי שילוב חלבון האקווהפורין בממברנות תעשייתיות אפשרי. הממברנות של חברת אקוופורין בעלות פוטנציאל להשתלב באפליקציות בסקטורים שונים מטיפול במים ועד שחרור מבוקר של תרופות. ממברנות ביומימטיות אלו בעלות פוטנציאל להחליף את הממברנות הפולימריות המסורתיות לאור אפקטיביות ההפרדה הגבוהה שלהן ויכולתן להפריד מולקולות בגדלים שונים ובכמויות גדולות.
מטרת החברה היא להמשיך ולפתח את ממברנת האקוופורין ולהגיע לטיהור מים בסטנדרטים גבוהים שלא נראו כמותם בתעשייה. החברה מצפה להשיק את מוצר הדגל כבר במהלך 2011.

למידע נוסף

תעלומת הסונאר והבועות

מאת: יעל הלפמן כהן

מדענים מאוניברסיטת סאות’המפטון פיתחו סונאר תת מימי המסוגל לזהות עצמים דרך ענני בועות הממסכים ופוגעים ביכולת הזיהוי של סונאר רגיל.

סונארים מזוהים בעולם החי עם העטלפים. הסונארים מאפשרים התמצאות במרחב באמצעות פענוח של מערכת מורכבת של אותות חופפים. גם דולפינים משתמשים בהבדלים בין האותות היוצאים והחוזרים מעצמים בסביבה למציאת מזונם במים.

סונארים תת מימיים רגילים פותחו בעיקר למטרות צבאיות ויועדו למים עמוקים, שם אין ענני בועות. בתווך של מים רדודים המאופיין בזרימה ובענני בועות, האותות המשודרים מהסונאר נשברים בדרכם למטרה ויכולת יצירת התמונה נפגעת. פיתוח סונאר המסוגל לזהות מטרות גם במים רדודים המאופיינים בענני בועות הוא אתגר הנדסי.

פרופ' טימותי ליגטון (Timothy Leighton) ממכון המחקר לרטט (ויברציה) וקול באוניברסיטת סאות'המפטון וצוות המחקר פיתחו קונספט חדש של סונאר המכונה סונאר האותות "התאומים" ההפוכים (Twin inverted pulse sonar (TWIPS.
על מנת לתפוס טרף דולפינים מייצרים רשת של בועות בה סונאר רגיל לא יעבוד. צוות החוקרים הניח שלדולפינים יש מנגנון סונאר טוב יותר המאפשר תפקוד גם בתווך של בועות. מכיוון שלא היו מחקרים קודמים על סוג הסונאר בו משתמשים הדולפינים בתווך הבועות, החוקרים ניסו לחשוב אילו אותות על הדולפינים לייצר כדי להתמודד עם אתגר זה.

        התמונה באדיבות Camille Ménard

מפורסם תחת רישיון Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 France

כפי שמרמז השם, קונספט הסונאר החדש שפותח מבוסס על שני טורים של אותות "תאומים" חופפים. לאות הראשון בכל זוג יש צורת גל שהיא שחזור הפוך של תאומו. האות הראשון נפלט שבריר שנייה לפני תאומו ההפוך.
צוות המחקר הראה שסונאר האותות התאומים יכול לטפל בפיזור האות מהמטרה ולהבחין בין אותות הבאים מענני הבועות ומהעצמים. החוקרים הראו בניסוי שלסונאר זה ביצועים טובים יותר מסונאר רגיל בזיהוי דיסק פלדה קטן שנמצא תחת תנאי בועות המדמות את גלי האוקיאנוסים. בשלב הבא החוקרים השוו את יכולת סונאר האותות התאומים לזהות את קרקעית הים יחסית לסונאר רגיל. נמצא שלסונאר זה ביצועים טובים יותר בזיהוי הקרקע מאחורי נתיב של כלי שיט גדולים כמו מעבורות, נתיב המאופיין בזרימה ובועות.
אפליקציות ימיות אפשריות לסונאר שפותח כוללות הגנה על נמלי ים, זיהוי משקעים ימיים וגילוי חומרי נפץ מוסתרים. טכנולוגיה דומה ניתנת ליישום גם באפליקציות רפואיות של הדמיה רפואית לרבות הדמיה מגנטית.
מרכיבי המפתח של טכנולוגית סונאר האותות התאומים מופיעים במינים שונים, אך הם לא נמצאו כולם באורגניזם אחד. מנגנון הפעולה המלא של סונאר הדולפין נשאר עדיין בגדר תעלומה.

מקור

מדוזה כמודל ליעילות

מאת: יעל הלפמן כהן

המדוזות יוצרות מערבולות טבעתיות הדוחפות אותן קדימה. מנגנון הנעה זה מבוסס על עקרונות מתחום דינמיקת הנוזלים ויתכנו לו יישומים שונים בתחומי התנועה והרפואה. 

בעלי חיים ימיים נחקרים בהקשרים של דפוסי זרימה ותנועה. לאחרונה דיווחנו על מחקר שבוצע במכון הטכנולוגי הקליפורני (CalTech) שעסק בדפוסי הזרימה בלהקות דגים שתורגמו למודל מתמטי לתכנון המיקום המרחבי של טורבינות רוח.  מחקר מעניין נוסף שבוצע במכון הטכנולוגי הקליפורני עסק במנגנון התנועה של המדוזות.
למרות שהמדוזות נחשבות לאורגניזם פשוט, ניתן ללמוד מהן עקרונות הנדסיים הקשורים לדינמיקת הנוזלים. במשך זמן רב אנשים חשבו שמדוזה שוחה על-ידי הנעת סילון בדומה לרקטה. במחקר שנערך לאחרונה במכון הטכנולוגי של קליפורניה   (Caltech), נמצא שהמדוזות יוצרות מערבולות טבעתיות הדוחפות אותן קדימה.

טכניקת ההדמיה התבססה על הוספת צבע מזון לסביבה המימית על מנת שניתן יהיה להבחין בזרמים הנוצרים על ידי המדוזה במהלך השחייה. המדוזות הקטנות נבחנו במעבדה אך הגדולות נבחנו בסביבתן הטבעית על ידי חוקרים צוללנים. נבחנו מינים נפוצים שמצויים בשפע ואינם מסוכנים לאדם.

דינמיקה של זרימה באוויר במים או בדם ניתנת לתיאור על ידי אותן משוואות. הפיסיקה והמתמטיקה לא משתנה בין אויריון, מדוזה או לב. גילוי מנגנון התנועה היעילה שבמדוזה יוכל לסייע בתכנון צוללת יותר יעילה או בזיהוי בעיות תפקוד בלב כאשר העקרונות המשותפים קשורים לדינמיקת הנוזלים.
מערבולות דומות מופיעות גם אצל בעלי חיים ימיים אחרים כמו צב או כריש, אך נתיב הזרימה שלהם מסובך יותר וקשה יותר לפרשנות. דווקא הפשטות של המדוזה מסייעת בזיהוי עקרונות הזרימה.
אפליקציה אפשרית היא בנית כלי רכב תת ימיים המניעים עצמם באמצעות יצירת מערבולות בדומה למדוזה.

לראיון המלא שנתן ג'ון דבירי (John Dabiri), עוזר פרופ' לאווירונאוטיקה וביו-הנדסה במכון הטכנולוגי של קליפורניה למגזין Times

ריאה על צ'יפ

מדענים מבית הספר לרפואה בהרווארד הצליחו לחקות את הפונקציונאליות הריאתית על צ'יפ שגודלו   1 X 2 ס"מ בלבד. האם בעתיד במקום תור להשתלת ריאה פשוט נזמין "ריאה על צ'יפ " כדי לנשום לרווחה?

כיום, קיימים מודלים הנדסיים לרקמות אנושיות כמו כלי דם, שרירים, עצמות, כליות ואפילו מוח. אך עד היום, לא הצליחו להנדס מערכת מורכבת שמשכפלת את הפונקציונאליות הפיסיולוגית והמכאנית של איברים הבנויים ממספר רקמות, כולל כלי-דם. יחסי הגומלין בין הרקמות השונות באותו איבר קריטיות לתפקודו המכאני והפיסיולוגי ולהם חשיבות מכרעת בפיתוח איברים מלאכותיים פונקציונאליים.
במחלקה ל"הנדסה בהשראת הביולוגיה" אשר בבית הספר לרפואה בהרווארד בארה"ב, במעבדתו של דר' אינגבר (Donald E. Ingber), פיתחו לאחרונה "ריאה על צ'יפ". המכשיר המזערי מסוגל לבצע מספר פונקציות המאפיינות את הממשק בין כלי הדם והנאדיות בריאה. המכשיר הורכב על ידי שתי שכבות המופרדות באמצעות ממברנה גמישה ודקה ביניהן. שכבה אחת צופתה בתרבית תאי אפיתל ריאתי והשכבה השנייה צופתה בתרבית תאי אנדותל של כלי דם. גודלו של המכשיר הוא 1X2 ס"מ בלבד.
לאחר גמר תהליך הציפוי, הוכנסו אויר ונוזל למערכת כדי לחקות טוב יותר את הממשק הקיים בנאדיות הריאה. בנוסף, המכשיר כוונן מכאנית לחקות גם את תהליך המתיחה-הרפיה בזמן הנשימה.
התוצאות שהתקבלו הצביעו באופן ברור על חיקוי מלא של תהליך הנשימה, כולל הדמיה של תהליך דלקתי כתוצאה מהוספת חיידקים למערכת.
לפיתוח "ריאה על צ'יפ" יש את הפוטנציאל לחולל מהפכה בתחומים רבים כולל פיתוח תרופות ומחקר על רעלנים. כמו כן, הפיתוח מאפשר צפייה ישירה ואנליזה כמותית של מערכת הנשימה בדרך שלא הייתה אפשרית במודלים שפותחו עד כה.

מקור

נפלאותיו של מלפפון הים

מאת: מאיה גבעון

מלפפון הים הוא יצור צנוע ונחבא אל הכלים. צוללנים רבים נתקלו באחד מעשרות מיניו המצויים בים סוף ובים התיכון, ופעמים רבות חשבו אותו בטעות לסלע, או פסולת גומי ישנה על הקרקעית. כמה מפתיע לגלות שדווקא יצור זה ניחן בכל כך הרבה יכולות יוצאות דופן, שיכולות להפוך אותו למקור השראה ולמידה מן המעלה הראשונה.
מלפפוני הים שייכים לאחת מקבוצות בעלי החיים הותיקות ביותר שקיימות כיום: מערכת קווצי העור (אליה שייכים גם חבצלות, קיפודי וכוכבי הים), שקיימת כ-400 מליון שנים. כל חברי הקבוצה הינם בעלי שלד פנימי הבנוי מקלציט תחת השכבה החיצונית של העור. מלפפוני הים הם היחידים בקבוצה שבהם גבישי הקלציט נפרדים זה מזה והם מסוגלים באמצעות שינוי הריכוז של הגבישים ובעזרת שכבת שרירים להקשיח ולרכך את גופם, להתארך מאוד או להתכווץ, ולתפוס צורות שונות בתוך שניות.

התמונה האדיבות  Jacinta Richardson ו- Paul Fenwick
מפורסם תחת רישיון Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported

מלפפון הים, שלעיתים נקרא בטעות "חלזון ים" נחשב בתרבויות רבות במזרח למעדן מבוקש וכן לבעל סגולות ריפוי רבות, ובמדינות רבות כבר קיים ייצור ויצוא מסחרי של המלפפונים -עוד לפני שהובנו לחלוטין המנגנונים שאחראיים על תכונותיו המופלאות באמת.
מי שעקב אחרינו בטורים הקודמים, שם לב אולי לכך שדווקא היצורים המוגבלים – לכאורה, נחנו במנגנוני הגנה עצמית יוצאי דופן. כאשר מלפפון הים חש באיום, הוא פולט מגופו סיבים ארוכים אשר במגע עם מים הופכים מיידית למסת סיבים דביקה, שמסבכת ומקשה על הטורף לתקוף את המלפפון. המבנה הכימי המיוחד של הסיבים כולל שתי שכבות: השכבה החיצונית עוטפת את החלבון הדביק, ואורזת אותו באופן קומפקטי ואינרטי בתוך גוף המלפפון. כשהסיבים מופרשים, השכבה החיצונית מתפרקת, והחלבון הפנימי נחשף ועימו תכונות הדבק המהיר שלו. תכונות אלה נחקרות כיום לשימושים מסחריים שונים.
זה לא הכל. מחקרים מדווחים כי מינים מסויימים של מלפפוני ים לא מסתפקים בהפרשת סיבים במקרים של מגננה, אלא, "משליכים החוצה" את אבריהם הפנימיים! אין ספק שמדובר בפעולה מבלבלת גם עבור טורף פוטנציאלי, וגם עבור עולם המדע, שמרכז מאמצים רבים לחקר את יכולת ההצמחה מחדש (רה-גנרציה) של אותם איברים פנימיים בגוף המלפפון. הפוטנציאל העצום שבמחקר זה לקידום עולם הרפואה ברור.

מקור