הכימאי הראשון שהדליק
את המחשב

"מדוע אתה עושה מדע? אתה רוצה לדעת דברים שאף אחד לא ידע לפני כן. זה יכול להיות דבר גדול או קטן. כשאני עושה מדע אני מתרגש [...] אני אומר לתלמידים שעליהם להאמין בעצמם... לקחת סיכונים. אבל אם אתה לא לוקח סיכונים, זה מאוד לא סביר שתגיע רחוק במחקר שלך".

המילים הנשגבות הללו נאמרו בפתיח הסרט "הכיתה של 38': גלות ומצוינות", אשר מגולל את סיפוריהם של מדענים יהודים ילידי אוסטריה שנאלצו לעקור ממולדתם בגיל צעיר, ולהתחיל חיים חדשים באמריקה ובמדינות נוספות. הדובר הוא מרטין קרפלוס (Karplus), חתן פרס נובל לכימיה לשנת 2013, שנולד היום לפני 95 שנים והלך לעולמו בשלהי חודש דצמבר של השנה החולפת בגיל 94.

בן למשפחה יהודית-חילונית, בורגנית ומשכילה. קרפלוס ב-1947 כשעבודתו בנושא נדידת עופות זכתה בפרס | נחלת הכלל

חשרת הסופה 

היו לו, לילד מרטין שנולד בווינה במרץ 1930, כל הסיבות לרצות להיות מדען מוערך בארצו. סבו, יוהאן פאול קרפלוס, היה פסיכיאטר ונוירופיזיולוג בעל שם; דודו, היינריך קרפלוס, היה פתולוג שלימים עלה לארץ וייסד את המכון לרפואה משפטית באבו כביר. קרובים נוספים, כולל אחיו הבכור רוברט, פילסו את דרכם בפיזיקה ובמדעי החברה. בקיצור, משפחה יהודית חילונית, בורגנית ואינטלקטואלית למופת.

אלא שלהיסטוריה היו תוכניות אחרות: עת היה מרטין בן שמונה, סיפחה גרמניה הנאצית את אוסטריה. וכך, שבועות אחדים אחרי שהיטלר נכנס בקול תרועה רמה לווינה, נדדה המשפחה מערבה, לשהות בת מספר חודשים בשווייץ ובצרפת – ולאחריה הפליגו לממלכת החופש, ארצות הברית.

קרפלוס רצה ללמוד ביולוגיה, אך הבין שהדרך לשם עוברת דרך היסודות – כלומר, פיזיקה וכימיה. וכך הוא מצא את דרכו אל הקולג' של אוניברסיטת הרווארד. לקראת סוף לימודיו הוא הזדמן למכון למחקר מתקדם בפרינסטון, שם ביקר את אחיו רוברט, שחקר אלקטרודינמיקה קוונטית. האח ערך לו היכרות עם רוברט אופנהיימר. אופנהיימר המליץ למרטין הצעיר לבחור במכון הטכנולוגי של קליפורניה (קלטק), כור מחצבתו כחוקר צעיר, בתור התחנה הבאה להמשך לימודיו.

לא חלפו אלא שנים אחדות, עד שב-1951 כבר השלים קרפלוס את לימודיו לתואר ראשון בכימיה ובפיזיקה בקלטק. קרפלוס לא שכח כל חייו את העצה הטובה שנתן לו אופנהיימר, ובאוטוביוגרפיה שהוציא לפני כעשרים שנה, קרא למוסד הלימודים "אור בוהק בים של אפלה".

על כתפי ענקים

עוד תוך כדי הלימודים החל קרפלוס לשתף פעולה עם מקס דלבריק (Delbrück), אבי הביולוגיה הקוונטית ולימים חתן פרס נובל לרפואה על מחקרו בנושא בקטריופאג'ים. דלבריק וקרפלוס עבדו יחד על נושא ייחודי לשעתו ורלוונטי גם כיום – מנגנון הראייה.

באחת הפעמים הציע דלבריק לקרפלוס לתת סמינר בנושא, אך במשך ההרצאה עצמה אותו דלבריק הציק לו פעמים רבות באומרו שהתוכן לא ברור. היה זה לא אחר מהפיזיקאי ריצ'רד פיינמן שהעיר לדלבריק בחזרה שדווקא הכל ברור. אחרי ההרצאה קרא דלבריק הנעלב לקרפלוס והודיע לו שבזאת נחתמת עבודתם המשותפת.

זה כמובן לא מנע בעד קרפלוס מלהמשיך ללימודי דוקטורט, אבל קצת לאחר תחילת העבודה שוב דברים השתבשו. המנחה שלו, ג'ון קירקווד (Kirkwood), החליט לעבור לאוניברסיטת ייל, והוצעה לקרפלוס האפשרות לעבור למנחה אחר, ליינוס פאולינג (Pauling) שמו – האיש שתוך שמונה שנים עתיד לזכות בשני פרסי נובל, האחד לכימיה והשני לשלום, על פועלו למניעת הפצת נשק גרעיני.

קרפלוס היה היחיד מבין תלמידיו של קירקווד שבחר לחבור לפאולינג, אך נראה שהדבר השתלם. יחד עם פאולינג חקר קרפלוס בהצלחה את יון הבי-פלואוריד, שמופיע בין היתר בתרכובות להפלרת מים, מנקודת מבט תיאורטית שהתבססה על מכניקת הקוונטים. את התזה הוא הגיש בגיל 23 בלבד, ופאולינג יעיר, כנראה בצדק, שקרפלוס היה תלמיד הדוקטורט המבריק ביותר שלו.

לאחר תקופת פוסט-דוקטורט בת שנתיים באוקספורד שבבריטניה, שב קרפלוס לארצות הברית. ב-1955 קיבלה אליה אוניברסיטת אילינוי את הצעיר המבריק בזרועות פתוחות. שם הוא החל את הקריירה המפוארת שלו, שבעים שנה אורכה, או כמעט שמונים, אם סופרים את המאמר הראשון שפרסם בגיל 17, שהוא פרק במפקד אוכלוסין של ציפורים – נושא שעניין אותו רבות בעת ההיא, ואף הביא אותו להצטרף למשלחת מחקר לאלסקה.

חקרו בהצלחה את יון הבי-פלואוריד מנקודת מבט תיאורטית שהתבססה על מכניקת הקוונטים. קרפלוס עם ליינוס פאולינג בצילום משנות ה-60 של המאה שעברה | נחלת הכלל

בתיבת התהודה 

ראשית חוכמתו של קרפלוס כחוקר צעיר הייתה עיסוקו התיאורטי בפיזיקה של התהודה המגנטית הגרעינית (NMR): העיקרון הפיזיקלי שעומד מאחורי מכשירי MRI. בבסיסו – היכולת ליישר מומנט מגנטי של פרוטונים באמצעות שדה מגנטי חזק, לאחר מכן שינוי הכיוון הזה באמצעות גלי רדיו, ולבסוף קליטת השדה המגנטי שמקורו בפרוטונים עצמם, המבצעים תנועת נקיפה (פְּרֵצֶסְיָה). הספקטרוסקופיה שמבוססת על השיטה הזו מאפשרת דימות של רקמות. תרומתו של קרפלוס, שמכונה כיום "משוואת קרפלוס", מתארת קשר פשוט יחסית בין גדלים יסודיים במערכת הספקטרוסקופית הזו.

אלא שקרפלוס התעניין לא רק במה שקורה לפני ההצגה ואחריה, כלומר ההתחלה והסוף של תגובות כימיות ותהליכים פיזיקליים שעוברות מולקולות. הוא רצה לדעת בדיוק מה קורה תוך כדי. ב-1960 הוא עבר לאוניברסיטת קולומביה, וב-1965 שב לאוניברסיטת הרווארד והשתקע בה לשארית חייו. שם הצטלב נתיב חייו עם שני מדענים מבריקים נוספים.

אריה וַרשל ומייקל לויט למדו לדוקטורט בכימיה במכון ויצמן, בהנחייתו של שניאור ליפסון – איש בולט בהנהגת המכון ומאוחר יותר ממקימי האוניברסיטה הפתוחה. לויט נולד בדרום אפריקה, ורשל בקיבוץ שדה נחום. בסיום הדוקטורט, לויט נסע לקיימברידג' שבבריטניה, אחר כך שב למכון ויצמן ובאמצע שנות ה-80 חזר לקיימברידג', ושם פיתח קריירה של ביופיזיקאי חישובי. ורשל נסע לפוסט-דוקטורט בהרווארד, בהנחיית קרפלוס, וגם הוא חזר למכון ויצמן אך עזב אותו מאוחר יותר אחרי שלא קיבל קביעות.

כימאים בימינו עורכים ניסויים באמצעות המחשב לא פחות מאשר במעבדה. התיאוריה והניסוי מפרים זה את זה. כימאים במעבדה ומול מחשב | Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

מרטין בא, מייקל בא, אריה מרחובות בא

המפגש בין ורשל וקרפלוס, שהתפתח לשיתוף פעולה עם לויט, הוליד התקדמות משמעותית בהדמיות דינמיקה מולקולרית, שמאז ועד היום ממלאות תפקיד מרכזי בכימיה תיאורטית. הדמיות דינמיקה מולקולרית החלו לקרום עור וגידים בתקופה שבה הדמיות מחשב היו עדיין נדירות למדי, בשנות ה-50 וה-60. בתחילה הן עשו שימוש בלעדי במכניקה קלאסית – חוקי ניוטון – על מנת לדמות את המולקולות לכדורים קשיחים שמתנגשים זה בזה ומעבירים אנרגיה. על אף הפשטנות שבדברים, החיזויים שההדמיות הללו סיפקו אומתו בהצלחה מול תוצאות ניסיוניות.

מי שהוסיפו לראשונה שיקולים קוונטיים בסוף שנות ה-60 היו ורשל וליפסון, שפיתחו שיטה בשם Consistent Force Field (או CFF), אשר הוכיחה את עצמה בשיתוף פעולה עם לויט. לויט התעניין בחישובי אנרגיה של חלבונים, שמאז ומתמיד מעניינים את הכימיה התיאורטית והחישובית, כפי שגם גילינו עם הענקת פרס נובל בשנה החולפת. השלושה עשו שימוש מתוחכם בשילוב שבין מכניקה קלאסית לקוונטית כדי לתאר צברים גדולים של מולקולות בתנועתן ובתגובתן אלה עם אלה.

כאשר ורשל וקרפלוס שילבו כוחות, היה זה זמן קצר בלבד לאחר שקרפלוס החל לפתח תוכנה שתוכל לקבל רצף נתון של חומצות אמינו ומערך של קואורדינטות מרחביות שבהן הן ממוקמות, ולהשתמש במידע הזה על מנת לחשב את האנרגיה של רצף החומצות כתלות במיקומים. ורשל הביא מישראל את ה-CFF, שכאמור, כבר הוכיח את עצמו בחישובים שנדרשו ללויט.

קרפלוס גם הכיר את עבודתו של הרולד שרגא (Scheraga) מאוניברסיטת קורנל, שאף הוא נמנה עם ראשוני העוסקים בשטח זה של חישובים מולקולריים. מעניין לציין שב-1974 פרסמו ורשל וקרפלוס מאמר שיישם את החישובים שלהם על מולקולות רטינל, חלק מהקולטן העצבי הרגיש לאור שמצוי בעין האנושית – והרי זו סגירת מעגל עם תחילת הקריירה של קרפלוס בנושא הראייה בימיו בקלטק.

שלושת זוכי הנובל לאחר הרצאות הנובל באוניברסיטת סטוקהולם ב-2013. מימין לשמאל: מרטין קרפלוס, מייקל לוין, אריה ורשל | Nobel Media AB 2013

רגעי קסם 

כך, בעבודה משותפת שהתפרסה על פני שנים ארוכות פיתחו קרפלוס, ורשל ולויט את התוכנה הראשונה לחישובי דינמיקה מולקולרית, ששמה המשעשע היה CHARMM – ראשי תיבות של Chemistry at Harvard Macromolecular Mechanics. בנוסף לסוגי החישובים שבהם השתמשו ורשל, קרפלוס ולויט בראשית הדרך, התוכנה המתרקמת אפשרה גם חישובים שמבוססים על שיטות נוספות. אחת מהן נקראה QM/MM) Quantum Mechanics/Molecular Mechanics), וראשיתה במאמר של ורשל ולויט מ-1976.

לבסוף יצאה התוכנה לאוויר העולם ב-1983. התגובות הראשוניות היו, כפי שקורה לעיתים קרובות במקרה של מהפכה ממשמשת ובאה, צוננות למדי. הטענה של עמיתיהם המדענים הייתה שהחישובים לא מדויקים דיים מאחר שהם כוללים מגוון עצום של משתנים.

אולם זו הייתה מהפכה בלי ספק: היא הביאה את המחשבים לקדמת הבמה של הכימיה התיאורטית והכימיה בכלל, ונתנה הצצה ייחודית לעולמן של המולקולות בעת התגובה – הצצה שהתאפשרה, אומנם בצורה אחרת לגמרי, בניסויים מאוחרים יותר בספקטרוסקופיה אולטרה-מהירה. וגם כיום, תוכנת CHARMM עודנה חיה, נושמת ומתעדכנת.

לאורך השנים זכה קרפלוס להוקרות רבות ונאות, אחת מהן היא פרס ליינוס פאולינג, על שם המנחה שלו מהדוקטורט. ממועד קבלת הפרס חלפו שלושה עשורים עד שבשנת 2013 הכירה הקהילה המדעית בעבודתו בצורה המכובדת ביותר – הענקת פרס נובל לכימיה לו ולעמיתיו, ורשל ולויט. למרבה הצער, בעת ההיא ליפסון כבר לא היה בין החיים.

לאחר הזכייה המשיך קרפלוס לחקור ולכתוב, בעיקר בביופיזיקה וביולוגיה חישובית – אך גם פינה זמן לטיולים מסביב לעולם ולשהייה בבקתת הקיט שלו ושל רעייתו בצרפת. בריאותו הידרדרה אחרי שנפל בביתו, וזמן קצר לאחר מכן נפטר. הוא הותיר אחריו את רעייתו מרסי ואת שלושת ילדיהם – אחת מהן, ד"ר רבקה קרפלוס, היא רופאה קרדיולוגית המתגוררת בירושלים.