מאז ומעולם תופעות ביולוגיות ותכונות של בעלי חיים שימשו השראה למחקר מדעי פורץ דרך. כך למשל ציפורים ששימשו אובייקט מחקר למדענים שביקשו לחקור את כוח העילוי באוויר. בעשורים האחרונים האנושות עשתה כברת דרך אדירה במדע ובתעשייה, עד כדי יכולות חיזוי דרך למידת עמוקה ובינה מלאכותית. ולמרות זאת, מתברר שהטבע, ממשיך לספק מודל חיקוי ומחקר גם היום, בעידן הדיגיטלי.
מחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת המדעי הנחשב “NATURE”, עסק במחקר פורץ דרך בעניין יכולת ניווט טבעית של בעלי כנף. במחקר בחנו מדענים מאנגליה וגרמניה את אופן נדידת “אדום החזה” באירופה, במטרה ולנסות ולזהות תופעות ביולוגיות המשמשות לו כמצפן ביולוגי. החוקרים מאוניבסיטת אוקספורד הבריטית ואולדנבורג הגרמנית בודדו חלבון מעינו של אדום החזה בכדי לבדוק האם הוא משמש סנסור לצורך זיהוי השדה המגנטי של כדור הארץ. המחקר הזה מומן בחלקו על ידי שלושת גופי המחקר המרכזיים של זרועות הים, האוויר והיבשה של צבא ארצות הברית, יחד עם מועצת המחקר של האיחוד האירופי וקרן המחקרים של ממשלת גרמניה. גם בישראל סוקר המאמר בלקט הבטחוני של משרד הבטחון, וחלקים ממנו יובאו כאן בהרחבה.
תמונה: מעבדת המחקר של אוניברסיטת סטנפורד המדמה שדה מגנטי של כדור הארץ
צילום: Stuart Mackenzie, Department of Chemistry, University of Oxfor
אחת ממטרות המחקר היא מחקר ביוכימי של חומרים ביולוגיים שניתן לעשות בהם שימוש צבאי. ההגדרה לשימוש כזה היא תנאי קיצון של חום, קור, מהירות גבוהה וזעזועים חזקים. מטרה נוספת של המחקר היא לבדוק האם ניתן ליצור סינטזה מלאכותית לחומרים הללו, שישמשו את התעשייה והמחקר מבלי לפגוע בחי.
“הפרוטאינים שהצלחנו לבודד מעין הציפור הם בהחלט חומר מעניין ובעל פוטנציאל לשימושים מגוונים “, אומרת ד”ר סטפני מקאלייני, מנהלת תחום הביוכימיה בתכנית, מטעם מעבדת המחקר של הצבא האמריקני, ה Army Research Laboratory – ARL. “האתגר המדעי מבחינתנו הוא לזהות אותם ואז לנסות לשלב אותם במערכות צבאיות. למשל, מצב שבו החלבון לא צריך להיות רטוב כל העת”.
תמונה:תרגול ניווט ללא GPS בצבא האמריקני
צילום: U.S. Arm
החלבון שאותו הצליחו המדענים לבודד הוא cryptochrome 4. הוא קיים גם בגוף האדם ואחראי בין השאר על ויסות הפעילות הגופנית בהתאם לשעות אור וחושך. המחקר הספציפי התמקד באם ועד כמה קיימות בו תכונות המאפשרות חישה מרחוק של שדות מגנטיים ויכולת להבחין בין שדות שונים. על פי הסקירה של משרד הבטחון שתורגמה מהמאמר עצמו, התברר שהחוקרים “הצליחו לסנתז את ה- DNA המקודד לחלבון, לגדל אותו בתוך חיידק כמארח, ואז “לקצור” אותו. לאחר מכן הם בחנו את אבני הבניין של החלבון, שהן שרשראות של חומצות אמינו. בתוך שרשרת זו נמצאות ארבע חומצות אמינו tryptophan ברצף. החוקרים שיערו כי שורת הטריפטופנים מאפשרת לאלקטרונים “לקפוץ” וליצור זוגות רדיקליים שנקראים רגישים מגנטית. זה נותן למוח הציפור סוג של דפוס שיש לעקוב אחריו, ולסנכרן אותו, במובן מסוים, עם השדה המגנטי בסביבה. כדי לבדוק זאת, הם סינתזו גרסאות של קריפטוכרום שבהן כל אחד מארבעת הטריפטופנים הופרע באופן עצמאי כדי לראות אם השרשרת עדיין תאפשר את הקפיצה. זה לא קרה. המשמעות היא כי שרשרת ארבעת הטריפטופנים הייתה המפתח לאפשר את ה”קפיצה” שלדעתם מקשרת את עין הציפור והמוח לשדות המגנטיים הבלתי נראים שמסביב. לצורך אימות נוסף ניסו החוקרים את אותו בידוד של חלבוני קריפטוכרום של תרנגולות ויונים עופות שאינם נודדים. זה לא עבד. זה הוביל את החוקרים להשערה נוספת – פונקציה זו של החלבון קריפטוכרום ייחודית לבעלי חיים נודדים, או לפחות לציפורים נודדות”.
במהלך המחקר התברר שאת התהליך בתוך החלבון, מחולל סוג של אור כחול שנקלט דרך עין הציפור, והוא זה שגורם לפעולת האלקטרונים שמביאה לזיהוי השדה המגנטי וליכולת הניווט העצמאית.
תמונה:חייל מהדיביזיה המוטסת ה 82 , בתרגיל ניווט
צילום: U.S. Army
“אנחנו עדיין בתחילתו של המחקר”, סיפרה הד”ר מקאלייני למגזין ה ARMY , שהקדיש לכך כתבה מיוחדת. “אנחנו צריכים להבין כיצד מתבצעת החישה עצמה של שדות מגנטיים חלשים, ואיך היא מתורגמת על ידי הציפור לכיוון מעוף. עצם איבחון החלבון הספציפי וההתחקות אחרי התהליך הכימי שמתרחש בו, הם צעדים ראשונים ליכולת ניווט אוטונומית. כזו שבעתיד תסתמך על שדות מגנטיים טבעיים ולא תהיה תלויה בתנאי מזג אוויר או רמות אור משתנות”.
המטרה הסופית היא ליצור יכולת חישה מלאכותית ומדוייקת של שדות מגנטיים במיקומים שונים ובעוצמות משתנות. לא בכדי החוקרים נוקטים בלשון זהירה ולא מדברים על פריצת דרך מדעית קרובה. בכל ניסויי המעבדה שבהם השתמשו בחלבון cryptochrome 4 , השדות המגנטיים היו חזקים יותר מאלה של כדור הארץ.
” הצלחנו להוכיח שקיימת מולקולה בחלבון בעלת רגישות לשדות מגנטיים”, אוצר פרופסור הנריק מוריסטאן, מהמכון לביולוגיה ומדעי הסביבה באוניברסיטת אולדנבורג. “עכשיו אנחנו צריכים להוכיח שזה קורה בעין הציפור עצמה” .
תמונה: אדום חזה
צילום: עמיר בלבן
אלא שלצד הזהירות קיימת גם אופטימיות גדולה לגבי המשך המחקר. צוותי המחקר מעריכים כי בעין הציפור עצמה, החומרים הרגישים לשדה מגנטי מסודרים באופן כזה שיכולת הזיהוי והאבחנה מתעצמת, למרות העוצמה הנמוכה. בנוסף מחפשיםהחוקרים חלבונים אחרים בעין הציפור, שלהערכתם משלימים את היכולת הזו.
“אם נצליח להוכיח שהחלבון הזה הוא אכן סנסור רגיש מאד של שדות מגנטיים, הרי יש כאן יסוד של חישוב קוונטי”, אומר פרופסור פיטר הור, כימאי מאוניברסיטת אוקספורד. “אנחנו מעריכים שהחישוב הקוונטי הטבעי הזה, הופך את הציפור לרגישה מאד לאותות חלשים, כאלה שעד היום לא הערכנו שהיא יכולה לחוש” .
תמונת כותרת: לווין GPS3 של צבא
ארצות הברית
צילום: US Air Force
