מחשבים קוונטיים והנדסה גנטית: המדע של העשור

העתיד כבר כאן: מחשבים קוונטיים

העשור הראשון של שנות האלפיים נחתם עם פרסומו של מה שתואר כמחשב הקוונטי המלא הראשון, העושה שימוש ביחידות זיכרון קוונטיות, קְיוּבִּיטִים. בניגוד למחשב רגיל, שבו הביט יכול לקבל ערך של 0 או 1, הקיוביט יכול לייצג את שניהם בו זמנית, או צירופים שלהם, מה שמגדיל מאוד את יכולת החישוב של מחשב קוונטי. המחשב הקוונטי שהוצג ב-2009 היה הדגמה עקרונית של יכולת, אולם בשביל יכולות חישוב משמעותיות, היה צריך להגדיל את מספר הקְיוּבִּיטִים – יחידת המידע הבסיסית של מחשב קוונטי – ולצמצם את השגיאות שנפוצות ברכיבים הקוונטיים. בעשור החולף נעשה מחקר רב על מספר אפשרויות מימוש של מחשבים קוונטיים, ובמיוחד אלה המבוססים על מעגלים מחומרים על-מוליכים.

התחרות על הבכורה בתחום עזה, וענקיות טכנולוגיה כמו גוגל, IBM ואינטל, משקיעות בו משאבים אדירים. לאורך השנים הושקו מחשבים קוונטיים בעלי מספר רכיבים גדל והולך – כאשר השיא הנוכחי שייך לגוגל שפרסמה ב-2018 מעבד בן 72 קיוביטים. מנגד, IBM השיקה מחשב עם מעבד של 53 קיוביטים שיהיה נגיש לחוקרים לביצוע חישוב דרך הענן. לצד מספר הרכיבים חשובה גם מידת הדיוק שלהם, חזית שגם בה הושקעו מאמצים רבים. בתחילת 2019 הציגה IBM את המחשב הקוונטי המסחרי הראשון, ארוז בקוביית זכוכית בגודל של חדר. כבר כיום, חוקרים ומפתחים יכולים להתנסות בחישובים על גבי מעבדים קוונטיים דרך האינטרנט, שירות שכמה חברות מספקות.

העשור נחתם באבן דרך נוספת, כאשר לפני כחודשיים הודיעה גוגל כי השיגה מה שמכונה עליונות קוונטית - יכולת חישוב שמחשבי העל הטובים בעולם לא יבצעו בטווח זמן מציאותי. מדובר בהישג של ממש, ויש הרואים בכך בשורה על פתיחת עידן המחשבים הקוונטיים, בדומה לטיסה הראשונה ב-1903 שבישרה על עידן התעופה הממונעת. מנגד, ההצהרה אותגרה מכיוונים רבים, גם על ידי המתחרים ב-IBM, בין השאר משום שהעליונות הושגה בבעיה שנבחרה בדיוק לשם כך. אף על פי כן, מדובר בצעד חשוב בדרך ליכולות חישוב דמיוניות, ועתיד התחום נראה מבטיח מתמיד.

ענקיות הטכנולוגיה משקיעות בתחום סכומי עתק. מיחשוב קוונטי | איור: Science Photo Library

עורכים לרגע: פריצות דרך בהנדסה גנטית

מהפכת הגנטיקה, שהחלה עם גילוי מבנה ה-DNA והמשיכה עם פענוח הקוד הגנטי ופיתוח שיטות מתקדמות לקריאת הרצף שלו, חשפה פתח להבנה עמוקה מתמיד של החיים ושל המנגנון הגנטי ששולט בהם. העשור הנוכחי הביא עימו את מהפכת הכתיבה: במשך שנים יכולנו לקרוא בצורה יעילה את הקוד הגנטי, אך עריכת הגנום, הכנסת שינויים מכוונים ברצף כדי לתקן מוטציות, להשתיק גן מסוים או להפעיל אחר, הייתה משימה קשה ולא תמיד מדויקת. מהפכת הקריספר (CRISPR), מערכת חלבונים שנמצאה בחיידקים, העניקה למדענים את היכולת לשנות מקטעי DNA שלמים לפי בחירתם בדיוק, ביעילות, ובעלות נמוכה.

המהפכה המתחוללת בעולם ההנדסה הגנטית לא נעצרת שם אלא משפיעה על תחומים נוספים רבים. בתחום הרפואה, חוקרים מפתחים שיטות לטיפול במחלות באמצעות התערבות ישירה בגנום של המטופלים, ביניהן מחלות גנטיות כמו אנמיה חרמשית או סוכרת מסוג 1, סרטן, מחלות מדבקות ואפילו השמנת יתר. קריספר שימש גם ליצירת עשים שטווים חוטי משי עם חלבונים של קורי עכביש, לשליטה באוכלוסיות יתושים, ועוד ועוד. בתחום המזון, סלמון מהונדס גנטית, שדווקא לא יוצר בעזרת קריספר, היה לבעל החיים המהונדס הראשון שקיבל את אישור מִנהל המזון והתרופות האמריקאי (FDA). בסוף 2018 הודיע מדען סיני שערך את ה-DNA של שתי תינוקות, דבר שהוביל לסערה תקשורתית ולדרישות לבקרה הדוקה יותר על התחום. עוד מוקדם לדעת לאן תוביל אותנו מהפכת ההנדסה הגנטית, אבל אם החיים הם ג'ונגל, אז לפחות יש בידנו מכשיר שמאפשר לפלס דרך דרכם.

סרטון של מגיש הטלוויזיה ג'ון אוליבר מדבר על הנדסה גנטית (באנגלית):

המחשבים שיחליפו אותנו: בינה מלאכותית וביג דאטה

תחום הבינה המלאכותית, שבו יוצרים תוכנה המאפשרת למחשב לנהוג באופן אנושי או לקבל החלטות באופן עצמאי, כמו למשל ללמוד באופן עצמאי בתהליך המכונה למידה עמוקה או לדמות רשת עצבית מלאכותית, עבר התפתחות מואצת בעשור האחרון.

מדענים פיתחו מודלים מדויקים יותר לחיזוי מזג האוויר, מחשבים המסוגלים להסיק את מיקומם על סמך ראיה, ליצור מכשיר שמיעה סלקטיבי, ואף לקרוא מחשבות של בני אדם. בזכות מאגרי נתונים גדולים המחשב מסוגל ליצור "פייק ניוז" ולהתחזות לאנשים אמיתיים, או ליצור תמונות אנשים שלא היו קיימים מעולם. המחשב אף יודע לנצח כיום בני אדם במשחקים מורכבים כמו שחמט, גו ואפילו פוקר מרובה משתתפים.

בתחום הרובוטיקה, חיישנים חדשים ומדוייקים יותר, בשילוב עם למידת מכונה, איפשרו לפתח רובוטים שיודעים לנווט בעצמם בסביבה לא מוכרת, או לזהות מצבי סכנה בעזרת מערכת עצבים מלאכותית.

מערכות לומדות הן כלי חשוב בכריית מידע מתוך השפע העצום של נתונים שאנו מייצרים בכל שנייה: מתמונות והודעות טקסט, דרך נתוני מיקום ומידע רפואי ועד מידע על הקניות שלנו או מתי המדפסת שלנו צריכה טונר חדש. אם בשנת 2010 כולה הפקנו 1.2 זטה-בייט של מידע (זטה-בייט = טריליון מיליארד = בליון ג׳'יגה-בייט או 1000 בחזקת 7 בייט), בשנת 2019 כבר ייצרנו 4.4 זטה-בייט, וקצב ייצור הנתונים צפוי להמשיך לגדול במהירות מסחררת.

בעשור החולף חלה הפריצה הגדולה של הביג דאטה, או "נתוני עתק" בעברית: מערכות המנסות למצוא דפוסים בעלי משמעות בתוך שפע הנתונים, באמצעות אלגוריתמים מתקדמים או למידה עמוקה, ובעזרת טכנולוגיות המאפשרות לנו לצבור, לשתף, לאחסן ולסרוק כמויות גדולות מאוד של נתונים. מדענים כבר רותמים מערכות כאלה לשיפור אבחונים רפואיים, חיזוי התפרצות מחלות, גילוי חלקיקים חדשים וכמובן יישומים מסחריים. בעשות הבא ניתוח ביג דאטה יהפוך לחלק מרכזי יותר בחיינו, וכמו כל טכנולוגיה, גם יכולים להיות מי שינצלו אותו לרעה.

קצב ייצור הנתונים ימשיך לגדול בקצב מסחרר, ועמו השיטות לעיבוד המידע. ביג דאטה | צילום אילוסטרציה: Shutterstock

עליית האימונותרפיה: מערכת החיסון נגד סרטן

רתימת מערכת החיסון לטיפול בסרטן הייתה אחת המגמות הבולטות ביותר בתחום מדעי החיים והרפואה בעשור האחרון. כבר במאה ה-19 היו רופאים שהציעו כי קיים קשר הדוק בין תאי מערכת החיסון וסרטן. במחצית השנייה של המאה העשרים הבינו חוקרים כי אחד מתפקידי מערכת החיסון הוא לחסל תאי סרטן, תוך שימוש במנגנונים המזכירים התמודדות עם זיהומים נגיפיים, וכי חלק מתאי הסרטן מסוגלים לחמוק "מתחת לרדאר" של מערכת החיסון וכך להגביר את שרידותם. אולם המחקר בתחום עמד במקום, ורוב ההתקדמות בחקר הסרטן ופיתוח תרופות נגעה ליכולת ההתרבות המוגברת של תאי הסרטן. עד העשור האחרון, מרבית התרופות כנגד סרטנים מוצקים האריכו את חיי החולים בחודשים ספורים בלבד, ואופיינו בנסיגה מהירה של הגידולים - ואז חזרה שלהם בצורה אגרסיבית בהרבה.

לעומת זאת, תרופות נגד קולטנים על גבי תאי הסרטן, שעוזרים להם לחמוק ממערכת החיסון, הראו בתחילת העשור הנוכחי הצלחה מרשימה, ולראשונה הביאו להארכת חיי חולים לחמש שנים ואף יותר. במקביל פותחה גם טכנלוגיית ה-CAR-T, שבה מהנדסים מחדש חלק מתאי מערכת החיסון של חולים, כדי שיתקפו את תאי הסרטן ביעילות רבה יותר. השיטה פותחה בישראל, והטכנולוגיה, שגם עשתה אקזיט נאה, מראה תוצאות מבטיחות. ל"אבות המייסדים" של תחום האימונותרפיה, ג'יימס אליסון האמריקאי וטאסוקו הונג'ו היפני, הוענק פרס נובל לרפואה ב-2018. ההתקדמות הרבה הובילה לפיתוח של מאות תרופות ניסיוניות, שחלקן נמצאות בשלבי ניסוי מתקדמים.

איך מערכת החיסון פועלת נגד סרטן? סרטון של nature מסביר (באנגלית): 

העולם רותח: כדור הארץ ממשיך להתחמם במהירות

ההתחממות הגלובלית לא התקדמה בקצב אחיד במאה העשרים. משנות ה-40 עד סוף שנות ה-60 היא נעצרה ואף חלה התקררות מסוימת, אבל לאחר מכן המשיכה ההתחממות בקצב מהיר. העשור הראשון של המאה ה-21 סימן תקווה חדשה, מכיוון שחלה האטה משמעותית בהתחממות, עד כדי עצירה שלה. אך ההפסקה הזו נגמרה ב-2014, ובשאר העשור האחרון ההתחממות חזרה בקצב מהיר במיוחד. שתי ההפסקות האלו משמשות לעיתים טיעון נגד הקשר בין פעילות האדם להתחממות הגלובלית – אם כמות גזי החממה באטמוספירה ממשיכה לעלות בקצב קבוע, איך זה שהטמפרטורה הגלובלית לא עולה בהתאם? ההסבר לכך נעוץ במחזוריות הטבעית של האקלים בכדור הארץ, שמשתנה תמיד, עקב שינויים בזרמים באוקיינוסים, פעילות געשית ועוד. כשמוסיפים על גבי המחזוריות הטבעית את ההתחממות עקב העלייה בריכוז גזי החממה, יכולות להיות תקופות שבהן אין התחממות. למעשה, אם ריכוז גזי החממה לא היה עולה באותו זמן, כנראה שהיינו חווים התקררות משמעותית, ולא רק עצירה בהתחממות הגלובלית.

העשור השני של המאה ה-21 מסמן במידה רבה את ההתפכחות מהתפיסה שאולי בכל זאת לא אנחנו הגורם המרכזי להתחממות הגלובלית. השנים 2018-2015 היו החמות ביותר בתקופה שמאז המהפכה התעשייתית (ביחס לממוצע של 1980-1951). הדו"ח האחרון של הועדה הבין-ממשלתית לשינויי אקלים של האו"ם (IPCC) משנת 2018 מצא שבקצב ההתחממות הנוכחי, נגיע לעלייה של 1.5 מעלות ביחס לתקופה הטרום-תעשייתית כבר בין 2030 ל-2052, אך גם שכדי להצליח לעמוד ביעד זה ולא להגיע להתחממות רבה יותר, יש להגיע למצב של אפס פליטות גזי חממה עד שנת 2055. בפועל, פליטת גזי החממה נמשכת באין מפריע, ולכן התרחיש של עלייה של 1.5 מעלות בלבד מתרחק והולך, אם לא ננקוט פעולות מיידיות כדי לצמצם אותה.

התפכחנו מהאשליה שהאדם אינו אחראי להתחממות. כדור הארץ מתלהט, באחריותנו | איור: Shutterstock

דיירי המשנה שלנו: כיצד המיקרוביום משפיע על חיינו?

טכנולוגיית הריצוף הגנטי הובילה למהפכה נוספת – ההבנה שהאורחים החיים על גופנו ובתוכו משפיעים כמעט על כל היבט של חיינו. בגופנו חיים לפחות 5,000 מינים של חיידקים, ומספר לא ברור עדיין של פטריות, אמבות, נגיפים, תולעים ועוד. רובם הגדול חיים אצלנו דרך קבע ואינם גורמים למחלה, אבל כן משפיעים על התיאבון, על השמנה, על ההשפעה שיש למשקאות דיאטטיים, על עיכול חלב, על התפתחות ואיבחון גידולים סרטניים, על יעילות טיפולים תרופתיים, על הריון ובריאות היילוד, על דלקות ועל עוד תהליכים רבים בגופנו, בבריאות ובחולי, שקצרה היריעה מלמנותם. דברים רבים בתורם משפיעים על החיידקים שלנו ומשנים אותם, מאנטיביוטיקה ועד טיסה בחלל. בנוסף למחקרים על המיקרוביום בגופנו, כלומר סך כל החיידקים עלינו ובתוכנו, יש מחקרים שאוספים מידע על המיקרוביום במקומות אחרים, – מקיבה של פרה ודיונונים, דרך דגימות מהקרקע ומהים, ועד טירתו של לוקי ומקומות רבים.

החיים שבתוכנו: סרטון של קורצגסאגט על המיקרוביום והשפעותיו (באנגלית): 

מבט חדש אל היקום: גלי כבידה וניטרינו

ב-1916 הציג אלברט איינשטיין את היחסות הכללית, תיאוריה המתארת את התנהגות המסות, כוחות הכבידה, והדינמיקה של המרחב והזמן עצמם. אחת התחזיות המפתיעות הייתה שגם הכבידה נעה כגלים על פני המרחב. כשהגה את התיאוריה, סבר איינשטיין שלעולם לא נוכל למדוד גלים כאלה, בגלל שהשפעתם על המרחב שאנו חיים בו קטנה יותר מתזוזה בגודל של אטום בודד. כמעט מאה שנים אחרי התיאוריה המכוננת של איינשטיין הגיעה ההוכחה לקיומם של אותם גלים: ב-2015 נמדדו בפעם הראשונה גליים כבידתיים שנוצרו בהתנגשות של שני חורים שחורים בגלקסיה רחוקה. על התגלית הוענק פרס נובל בפיזיקה בשנת 2017.

איך מודדים תופעה כה חלשה? גלאי LIGO בארצות הברית הוא אינטרפרומטר - שני צינורות ניצבים זה לזה באורך ארבעה קילומטרים כל אחד. קרן לייזר שמתפצלת לשניהם נעה מאות פעמים הלוך וחזור בין מראות בקצות הצינור, ובסופו של דבר שתי הקרניים נפגשות שוב. אם גל כבידה פוגע בגלאי, הוא מאריך במעט את מסלולן של אחת הקרניים, מה שיגרום לה לאחר בשבריר שנייה למפגש, הפרש שאפשר למדוד באמצעים אופטיים מדויקים. LIGO מורכב משני גלאים דומים באזורים רחוקים זה מזה בארצות הברית, ועוד גלאי קטן יותר באירופה. זיהוי של גל כבידה בשלושת הגלאים מאפשר לפיזיקאים לחשב את הכיוון והמרחק למקור הגלים.

מתחילת פעילותם של הגלאים זוהו בעזרתם כ-20 התנגשויות של חורים שחורים, ולפחות מקרה אחד של התנגשות של כוכבי ניטרונים, שגם נראתה בטלסקופים אופטיים ובטלסקופי רדיו. בשלב הבא מתוכנן גלאי ענקי של גלי כבידה שימדוד קרני לייזר בין לוויינים בחלל, ויהיה רגיש לגלי כבידה שאי אפשר לזהות בגלאי קרקעי "קטן" של קילומטרים אחדים.

לזיהוי הגלים הכבידתיים הצטרפה בעשור האחרון צורה נוספת של אסטרונומיה אקזוטית: גלאים של חלקיקי ניטרינו, חלקיקים חמקמקים שכמעט אינם מגיבים עם שום דבר וקשה מאוד לזהותם. ב-2010 הושלמה הקמתו של גלאי IceCube, המורכב מחיישנים שהוטמנו בעומק הקרח באנטארקטיקה, ובשנת 2013 פורסמו תוצאות ראשונות של גילוי חלקיקי ניטרינו. מדידת שטף החלקיקים וזיהוי מקורם עוזרים לפתח או לשלול מודלים של התפוצצויות אנרגטיות ויצירת קרניים קוסמיות.

שימוש בגלי כבידה וחלקיקי ניטרינו לחקר היקום וזיהוי תופעות אסטרונומיות מרחיב באופן משמעותי את ארגז הכלים של האסטרונומים, שהיה מוגבל על כה למדידה של קרינה אלקטרומגנטית, מאור נראה ועד גלי רדיו וקרני רנטגן. הכלים החדשים מאפשרים לאסוף מידע חדש על התופעות האקזוטיות והאנרגטיות ביותר ביקום.

סרטון של Veritasium שמסביר את גילוי גלי הכבידה (באנגלית):

תופסים עצבים: ממשק מוח-מכונה מוביל לטיפולים חדשים

"ממשק מוח-מכונה" (brain-machine interface) או "ממשק מוח-מחשב" (brain-computer interface) הוא התקן חיצוני ש"מְתָקשר" ישירות עם המוח. בעשור האחרון חלה התקדמות רבה בפיתוח של ממשקים שלומדים את דפוסי הפעולה של המוח בעת ביצוע תנועה או תכנונה, כדי לשלוח אותות לגפיים אצל נפגעי חוט שדרה שסובלים משיתוק, וכך לעקוף את חוט השדרה הפגוע שמשמש כתחנת ממסר בין המוח לשרירי הגפיים.

כך, למשל, ממשקי מוח-מכונה שלמדו באמצעות דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) את דפוס הפעולה של המוח, הצליחו לשחזר יכולת תנועה בנפגעי חוט שדרה. ב-2016, התקנים המעבירים אותות חשמליים מהמוח איפשרו למשותקים להזיז מתקנים ב"כוח המחשבה", והתקנים המעבירים את המידע לגפיים איפשרו למשותקים לקום מכסא הגלגלים ולחזור ללכת. שימוש נוסף שיש לממשק הוא בשחזור תחושת המגע - אצל קטועי גפיים שמשתמשים בגפיים תותבות אין תחושת מגע שמועברת מהיד או הרגל התותבת, ומשמשת אצל בני אדם בריאים כמשוב חיוני לאזור האחראי על התנועה במוח לצורך הוצאה לפועל של התנועה. ב-2019 דיווחו חוקרים על שחזור של תחושת מגע ברגל תותבת וביד תותבת. לאילו כיוונים נוספים יכולים עוד הממשקים להתפתח? אחת המגבלות שלהם היא הצורך להחדיר שתלים אל תוך המוח, אולם לאחרונה פותח ממשק שלומד את דפוסי הפעילות של המוח בלי להיות מושתל בתוכו, ונראה שבעשור הבא נוכל לחזות ביותר ויותר ממשקים כאלו, ואולי גם בממשקים ממוזערים שאפשר לשאת ממקום למקום – מה שיהפוך את השימוש בהם ליותר מעשי ברמה היומיומית.

הקשר בין המוח למחשבים מתהדק והולך בזכות הטכנולוגיות המתפתחות. ידיים רובוטיות מקלידות | איור: Science photo Library

טכנולוגיה גדולה, בקטנה: מיזעור אלקטרוניקה

אם עלינו לבחור מוצר אחד המייצג את העשור החולף, זהו הטלפון החכם, הסמארטפון. לאחר שהגיח לחיינו בצורתו המוכרת בשלהי העשור הקודם, הוא הפך לפריט חיוני בחיים המודרניים ששינה מקצה לקצה את האופן שבו אנו מְתָקשרים, וצורכים מידע ושירותים. פיתוחו ושכלולו של הטלפון החכם התאפשרו הרבה בזכות מזעור השבבים האלקטרוניים. בזכות הטכנולוגיה הזו אפשר לדחוס לתוך מכשיר בגודל כף יד לא רק רכיבי מחשב כמו מעבד וזיכרון, אלא גם מסך, מצלמה ושלל חיישנים.

את מזעור האלקטרוניקה מודדים על פי גודל הרכיב הזעיר, הטרנזיסטור: בתחילת העשור הנוכחי שיא הטכנולוגיה הייתה 32 ננומטר (0.000000032 מטר), ואילו הצפי הוא שבמהלך 2020 תושק טכנולוגיית 5 ננומטר. מִזעור הרכיבים עוקב אחר חוק מור, שקובע שקצב הפיתוח מביא להכפלת מספר הטרנזיסטורים בשבב מדי שנתיים. אכן, צפיפות הרכיבים גדלה פי 40, מה שעומד מאחורי הזינוק בביצועי המכשירים. עם זאת, כיום הטכנולוגיה דוחקת את מגבלות הפיזיקה – 5 ננומטר זה הגודל של כמה עשרות אטומים בלבד, מה שחושף את השבבים לתופעות חדשות שעלולות לפגוע באמינותם. האתגרים הביאו לבחינת חלופות לטכנולוגיה הנוכחית שיאפשרו להמשיך ולשפר את הביצועים. אחת מהן היא החלפת הסיליקון, המרכיב העיקרי בשבבים, בחומרים דו-מימדים – יריעות בעובי של אטומים אחדים – שעשויים לאפשר ציפוף נוסף וכן גמישות מכנית. עוד כיוון מעניין הם מעגלים אלקטרוניים מבוססים על מולקולות ביולוגיות, כמו DNA, מה שעשוי גם לסייע במזעורם.

מיזעור הרכיבים האלקטרוניים היה משמעותי מאוד בעשור האחרון ואיפשר את פיתוחן של טכנולוגיות נוספות, משעונים חכמים וחיישנים לבישים, ועד רחפנים וכלי רכב אוטונומיים, טכנולוגיות שעוד ישפיעו רבות על חיינו בעשור הקרוב.

המיזעור ששינה את חיינו. טלפונים חכמים ושעונים חכמים הם רק קצה הקרחון | צילום אילוסטרציה: Shutterstock

כוכבים בחוץ: גילוי כוכבי לכת במערכות שמש אחרות

שנים רבות התמודדו מדענים עם השאלה עד כמה כוכבי לכת הם דבר נפוץ. עד 1995 השמש שלנו הייתה היחידה שידענו שיש לה כוכבי לכת, וגם לאחר מכן תגליות של כוכבי לכת במערכות שמש אחרות היו מועטות ונדירות. ואז, בשנת 2009, שוגר טלסקופ החלל קפלר שנועד לאתר כוכבי לכת מרוחקים באמצעות זיהוי הירידה הזעירה בעוצמת האור של כוכבים, כשכוכב הלכת שלהם עובר לפניהם ומקטין מעט את עוצמת האור שמגיעה לטלסקופ. בעזרת קפלר הצליחו החוקרים לגלות יותר מ-4,000 כוכבי לכת חדשים, תגליות שהוכיחו בפעם הראשונה שהגלקסיה מלאה בכוכבי לכת. מערכות שמש אינן דבר נדיר, ולמעשה מספר כוכבי הלכת דומה למספר הכוכבים בגלקסיה. קפלר גילה גם מערכות בהן כוכבי לכת דומים לכדור הארץ, ובמקרים מסוימים אפילו כוכבי לכת שנמצאים בטווח הישיב, כלומר במרחק מהכוכב המאפשר הימצאות מים נוזלים על פני כוכב הלכת. בשנים האחרונות התגלו כוכבי לכת סביב מגוון של שמשות, גם קרובות אלינו מאוד, כמו ננסים אדומים או אפילו שמש "מתה" מסוג ננס לבן, וכן מערכות שמש מרובות כוכבי לכת.

בעשור האחרון השתנתה תפיסתנו לגבי כוכבי לכת בגלקסיה שלנו. כיום אנחנו מבינים טוב יותר איך הם נוצרים ואיך מערכות שמש מתהוות, ואנחנו מבינים שכדור הארץ כנראה לא מקום מיוחד ביקום: יש בגלקסיה שלנו פלנטות רבות שיכולות לקיים מים נוזליים. האם הן גם מקיימות חיים? על השאלות האלה ינסו לענות כמה מהתוכניות שיצאו לדרך לקראת סוף העשור: טלסקופ החלל TESS ששוגר ב-2018 כדי לאתר עוד פלנטות סביב כוכבים קרובים לכדור הארץ, וטלסקופ CHEOPS ששוגר רק החודש במטרה להעמיק בחקר כוכבי לכת מסוימים, ולגלות אם יש להם אטמוספירה או תנאים נוספים לקיום חיים, לפחות כפי שאנו מכירים אותם.

 

סרטון קצר של נשיונל ג'יאוגרפיק על כוכבי לכת במערכות שמש אחרות: 

החלק האחרון בפאזל (בינתיים): גילוי חלקיק היגס

בעשורים האחרונים גילו הפיזיקאים עוד ועוד סוגים של חלקיקים תת-אטומיים, ועם הזמן הם הבינו שאפשר לתאר את כל החלקיקים וכל הכוחות שביניהם, חוץ מהכבידה, באמצעות שילוב של 17 חלקיקים יסודיים. התיאוריה, שקיבלה את השם המודל הסטנדרטי, הסבירה בצורה מדויקת וכמעט מושלמת את כל התופעות שנראו בעולם שבתוך האטומים.

על פי המודל חלקיקי החומר לא יכולים להיות בעלי מסה מטבעם. עם זאת, בשנות השישים הוצע מנגנון שדרכו הם יכולים לקבל מסה בצורה עקיפה: אינטראקציה עם שדה סקלרי. השדה של היגס, על שם אחד מהוגי הרעיון, ייחודי בכך שערכו שונה מאפס גם במצב מנוחה, בלי אנרגיה. גם בחלל ריק קיים שדה היגס, והחלקיקים במודל הסטנדרטי "מרגישים" אותו. האינטראקציה של החלקיקים עם השדה גורמת להם התנהג כאילו יש להם מסה. באופן מעשי אין דרך להבדיל בין האינטראקציה עם השדה לבין מסה של החלקיק עצמו, אבל אפשר לגלות את השדה: אם נותנים לו מספיק אנרגיה, יכול להיווצר חלקיק היגס שבניגוד לשאר החלקיקים יש לו מסה. כדי לגלות אותו היה צורך במאיץ חלקיקים חזק במיוחד, שיביא חלקיקים בודדים לאנרגיות כה גבוהות.

במאיץ החלקיקים הגדול בשוויץ (LHC) מאיצים קבוצות של פרוטונים במהירות הקרובה למהירות האור. כששתי קבוצות של פרוטונים, שנעות בכיוונים הפוכים, מתנגשות זו בזו, נפלטים מיליארדי חלקיקים. מערך של גלאים מודד את כמות האנרגיה וכיוון התנועה של החלקיקים שנפלטו. החיפוש אחר חלקיק היגס היה מאתגר במיוחד, משום שהתיאוריה לא ניבאה מה צפויה להיות המסה שלו. ב-2012 הצילחו המדענים לבודד את הסממנים של החלקיק של היגס, וגילו כי המסה שלו היא כ-125 מיליארד אלקטרון וולט (פי 133 מפרוטון). הגילוי השלים את המודל הסטנדרטי שמסכם את ההבנה שלנו לגבי החומר והכוחות שפועלים בתוכו, ובעקבותיו הוענק לפיטר היגס ולפרנסואה אנגלרט פרס נובל בפיסיקה ב-2013.

המודל הסטנדרטי מתאר היטב את הטבע, אבל הוא אינו מסביר כמה תופעות פיזיקליות חשובות כמו החומר האפל והמסה של הניטרינו (שאמור להיות חסר מסה). אולי התעלומות האלה ייפתרו בעשור הקרוב.

תחזית שלקח כמעט חמישה עשורים למצוא לה ראיות. הפיזיקאי פיטר היגס | צילום: Science Photo Library

אור חדש על הביולוגיה: טכנולוגיות מיקרוסקופיה חדשות

מיקרוסקופ האור משמש את הביולוגים כבר מאות שנים, אולם בעשור האחרון גדל מאוד השימוש במיקרוסקופיה במחקר הביולוגי. עוד בעשור שלפניו ראינו פריצת דרך בשבירת מחסום ההפרדה – היכולת לרדת לרזולוציה הקטנה מ-200 ננומטר (מיליארדית המטר) - עם פיתוח מיקרוסקופיית הסופר-רזולוציה. בעשור הנוכחי ראינו פיתוחים חדשים כגון "צלילוּת": היכולת להפוך כל רקמה, ואפילו עכבר שלם, לשקופה, ו"מיקרוסקופיית הרחבה", שמאפשרת סופר-רזולוציה על ידי הגדלת המרחק בין המולקולות בדגימה.

קצת לפני תחילת העשור נעשתה פריצת דרך נוספת – שילוב של מיקרוסקופ אור עם מיקרוסקופ אלקטרונים (CLEM). השיטה משלבת צילום של דגימות ביולוגיות חיות במיקרוסקופ פלואורסצנטי, לפני קיבוע התאים לצורך צילום במיקרוסקופ אלקטרונים. כך היא מאפשרת זיהוי של מבנים תוך תאיים ומולקולות ביולוגיות שלא היה אפשרי במיקרוסקופ אלקטרונים לבדו, ורזולוציה של ננומטר שלא אפשרית אפילו במיקרוסקופיית סופר-רזולוציה. במהלך העשור הנוכחי השיטה השתכללה, ופיתוחים חישוביים איפשרו גם ליצור תמונה תלת מימדית של תוך התא ברזולוציה ננומטרית.

העשור הנוכחי התאפיין גם בפיתוח ובשימוש הולך וגובר בטכנולוגיות מיחשוב חדשניות כגון למידת מכונה ורשתות עצביות, לפיתוח תוכנות שמסוגלות לעבד מאות אלפי תמונות מיקרוסקופיות, לחפש בהן דפוסים ולדלות מידע שמוח אנושי אולי לא היה מסוגל למצוא.

טכנולוגיות חדשות שופכות אור חקר החיים. מיקרוסקופ אור במחקר ביולוגי | צילום: Science Photo Library

סימני חיים: עולמות המים במערכת השמש 

מתוך שמונה כוכבי לכת במערכת השמש שלנו, שניים מהם הם ענקי גז בעלי ירחים רבים: צדק ושבתאי. בשנים האחרונות נמצאים הירחים הגדולים שלהם בחזית המחקר בשל תופעות מעניינות, כמו הנהרות והאגמים של מתאן נוזלי על פני טיטאן, ירחו של שבתאי, או כוחות הגאות והשפל היוצרים תנועה טקטונית ופעילות געשית על איו, ירחו של צדק. בשלושה ירחים אחרים, גנימדס, אירופה ואנקלדוס, יש אוקיינוס תת קרקעי ענקי. שלושת הירחים רחוקים יחסית מהמשמש, לכן פני השטח שלהם קפואים לגמרי. אבל כוחות גאות ושפל מהמשיכה של ענקי הגז מחממים את פנים הירח ומפיקים חום המייצר אוקיינוס תת קרקעי שמכוסה בשכבת קרח בעובי עשרות קילומטרים. בחלק מהאוקיינוסים האלה יש יותר מים מאשר בכל האוקיינוסים בכדור הארץ.

ההשערה בדבר קיום האוקיינוסים קיבלה אישוש בעשור האחרון בזכות תצפיות ומדידות של סילוני אדים הנפלטים מפני השטח של ירחים אלה, בין השאר בעזרת החללית קסיני, שחקרה את שבתאי וירחיו. כמה מדידות ותצפיות הראו שהמים מכילים חומרים אורגניים, המעידים אולי על קיום חיים מיקרוביאליים.

בעשור הקרוב צפוי שיגור של שתי משימות מחקר לירחי צדק אירופה וגנימדס, החללית האירופית JUICE והחללית האמריקאית Europa Clipper אמורות לבצע מדידות שיספקו מידע חדש על האוקיינוסים האלה, ואולי גם על הסיכוי למצוא בהם עדויות לקיום חיים.

האם יש חיים באוקיינוס שמתחת לשכבה החיצונית הקפואה? הירח אנקלדוס בצילום של חללית Voyager | מקור: NASA

כל אחד מיוחד: חקר תאים יחידים

 לא כל התאים בגופנו זהים – תא עצב שונה מתא עור ושניהם שונים מתאים במעי. אולם בעשור האחרון גילינו שגם בין תאים מאותו סוג יש שוֹנוּת: כל תא מתנהג קצת אחרת משכנו. טכנולוגיות מיקרוסקופיה היו הראשונות להראות לנו זאת, אבל התחום פרח בעשור הנוכחי עם הופעתן של טכנולוגיות מדויקות מאוד לריצוף גנטי, שמאפשרות לחקור תאים יחידים. דוגמה חשובה לכך היא מאמר שפורסם בשנת 2011, והראה איך גידול סרטני מתפתח באמצעות קביעת רצף ה-DNA של 200 תאים מהגידול. כיום ניתן לרצף DNA ו-RNA בתאים יחידים בניסויים שבודקים אלפי תאים ויותר, וכן לזהות שינויים אפיגנטיים, כלומר כאלו שנוגעים להפעלת הגנים או השתקתם באמצעות מולקולות שנקשרות אליהם, בלי שינויים ברצף ה-DNA עצמו. כך אפשר לגלות הבדלים בין תאים זהים לכאורה, לגלות תת-סוגים חדשים של תאים ברקמה שנראית אחידה, ואף לעקוב אחר כל שלבי ההתפתחות העוברית וללמוד על השינויים שמתרחשים בכל תא. הטכנולוגיה הזו איפשרה את יוזמת אטלס תאי האדם, שמכיל מפות של כל תאי גוף האדם והמאפיינים שלהם.

בעקבות הצלחת הטכנולוגיות לריצוף גנטי של תאים יחידים, החלו בשנים האחרונות נסיונות לניתוח פרוטאומי, כלומר זיהוי הרכב החלבונים בתאים יחידים. שיטות אלו, עם שיטות לאיסוף דגימות מתאים יחידים ושיטות שמאפשרות ניתוח כמויות מזעריות של חלבונים, מתחילות את מהפכת הפרוטאומיקה של תאים בודדים, שאולי תגיע לשיאה בעשור הבא.

הבנה טובה יותר של כל תא היא המפתח לרפואה מותאמת אישית. תאים בגוף | צילום: Science Photo Library

אדם בעקבות מוצאו: גילויים חדשים על האבולוציה של האדם

בעשור האחרון נכנסה הגנטיקה לתחום האבולוציה של האדם, ושינתה לא מעט ממה שחשבנו שידענו. במאי 2010 פורסם הגנום הניאנדרטלי – רצף ה-DNA שהופק משלוש עצמות של מין האדם הקדום. באותה שנה קבעו חוקרים את רצף ה- DNA משתי שיניים ועצם של אצבע שנחשבו כשייכים לניאנדרטלים, ממערת דניסובה בסיביר. הרצף היה שונה מספיק בשביל שמאובנים אלו ייחשבו כמין או תת-אוכלוסייה נפרדת, האדם הדניסובי. לאחר מכן נמצאו עוד שן וגם לסת מאזור אחר, בטיבט, ששייכים למין זה, וזוהו בעזרת DNA או רצף של חלבונים.

הממצאים הגנטיים חשפו שאבותינו פגשו בניאנדרטלים ובדניסובים לאחר שעזבו את אפריקה, והעמידו איתם צאצאים. כיום, כל בני האדם שאינם אפריקאים נושאים בגנום שלהם חלקים שהגיעו מהניאנדרטלים, ואוכלוסיות מסוימות באסיה ירשו גם DNA דניסובי.

בנוסף, בעשר השנים האחרונות התגלו מינים חדשים במשפחת האדם, בדרך "הרגילה", כלומר גילוי מאובנים בעלי מאפיינים ייחודיים. ב-2010 נחשף אוסטרלופיתקוס סדיבה (Australopithecus sediba), שחי לפני כשני מיליון שנה. לא רחוק משם, אך יותר ממליון שנים וחצי מאוחר יותר, חי הומו נאלדי, שנחשף ב-2015. בשנה האחרונה התבשרנו גם על גילוי אדם קדום באי לוזון בפיליפינים, שזכה לשם הומו לוזוננסיס (Homo luzonensis), אם כי הסיווג שלו עדיין נתון במחלוקת.

בעשור האחרון היו גם לא מעט גילויים חדשים על ההיסטוריה הקרובה יותר של המין שלנו, הומו ספיאנס. הסברה הרווחת הייתה שהמין שלנו הופיע לפני כ-200 אלף שנה, עד שהתגלו במרוקו גולגולות שנראות כמעט מודרניות, אך בנות כ-300 אלף שנה. מצאנו ראיות לכך שנציגי הומו ספיאנס יצאו מאפריקה לישראל כבר לפני כ-200 אלף שנה, וכנראה גם הגיעו לדרום אירופה. בעוד חוקרים שונים ניסו לקבוע היכן באפריקה התפתח המין שלנו, בין השאר בעזרת מחקרים גנטיים, אחרים טענו שלא התפתחנו כלל ממקור אחד, אלא ממגוון אוכלוסיות שהתערבבו זה עם זה.

 

(סרטון של המוזיאון האמריקאי לטבע על מוצא האדם (באנגלית

: