חם באקסטרים

זה לא סוד שההתחממות הגלובלית לא נחה לרגע. אנחנו עדים לתנאי קיצון שבהם תקופות היובש ארוכות יותר, הגשמים קצרים אך סוערים, ושיטפונות הם כמעט דבר שבשגרה. החוקרות והחוקרים שלנו עוקבים אחר בעלי החיים והצמחים שחיים בתנאי קיצון, לומדים על התכונות הייחודיות שהם סיגלו לניצול חכם של מים, ומפתחים דרכים שיעזרו גם לנו ואפילו למחשבים שלנו לשרוד בחום שעוד מצפה לנו בהמשך.

לך אל החיפושית, ראה דרכיה וחכם

ד"ר בת אל פנחסיק מבית הספר להנדסה מכנית, הוקסמה מהדרכים היצירתיות של החיפושיות והלטאות לנצל את המים שבסביבתן, והיום היא מפתחת מערכות ביומימטיות, המחקות פתרונות של חיות מדבריות לבעיית המים. "חרקים ולטאות שחיים באזורים בהם אין נגישות למים צריכים לאסוף אותם ממקורות אחרים, למשל מהאוויר ומערפילי בוקר", מסבירה ד"ר פנחסיק. "בשעות בהן הטמפרטורות נמוכות יותר, כשיש רוח והלחות באוויר גבוהה יותר – האוויר מתעבה על גופן. האבולוציה דאגה להן ל'משטחים חכמים', שמשנעים בצורה ספונטנית את המים שהתאספו כטיפות ישירות אל פיהן".

ללטאת ה-Lizard  Texas hornedלמשל, יש תעלות תלת ממדיות על הגב שמשמשות כ'מוביל הארצי האישי' שלה. אצל החיפושית הנמיבית (Namib Beatle) רוב הגוף הוא הידרופובי (דוחה מים), אולם מפוזרות עליו בליטות מיקרו-מטריות הידרופיליות (מושכות מים), שמרכזות את הטיפות במקומות מוגדרים, ומגלגלות אותן ישירות לפה של החיפושית. "השאיפה שלנו היא להגדיר את החוקים שהופכים מערכות כאלו ליעילות, לפתח חומרים חכמים בדומה לאלו שיש לחיפושיות, ולהשתמש בטכנולוגיות הדפסת תלת ממד מתקדמות, כדי לבנות מערכות שיוכלו לשנות חיים באזורים שבהם אין נגישות למים", אומרת ד"ר פנחסיק. 

מסתבר שישנם מקומות רבים בעולם בהם קיימת הבעיה, ועד כמה שזה נשמע מפתיע, לא מדובר רק במדינות מדבריות. "אפילו באירופה, שעשירה מאוד במים, יש מקומות שבהם אין עדיין מערכות שמשנעות אותם לכל מקום", היא מסבירה וממשיכה: "אחת הבעיות היא שרוב המערכות הקיימות היום לא מתבססות על חומרים חכמים, והכמויות שהן מצליחות לאסוף בזמן נתון קטנות. את זה אנחנו רוצים לשפר. בניית נקודות איסוף מים מקומיות ויעילות בעלות נמוכה תשתלם מאוד".

^{חבל על כל טיפה. לטאות Texas horned Lizard}

סוגרים את השיבר ועובדים בלילה

חושבים שבעלי החיים יצירתיים? לא תאמינו איך הצמחים למדו לסבול ולשרוד את התופעות הקיצוניות של האקלים. ד"ר ניר שדה מבית הספר למדעי הצמח ואבטחת מזון בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז, לומד על האופן בו צמחי בר מתמודדים עם העלייה ביובש ובחום. הוא מחפש ומבודד את התכונות ואת מנגנוני העמידות שהם מפתחים ומסייע להכניס אותם, באמצעות הנדסה גנטית והכלאות, לגידולי החקלאות שכבר התרגלו לחיים טובים ומפנקים, וכעת לא מצליחים לעמוד בקצב השינויים בתנאים.

"לצמחים יש מספר דרכים להתמודד עם ההתחממות הגלובלית ועם תנאי הקיצון שהיא מביאה עמה", מסביר ד"ר שדה. "הראשונה היא אבולוציונית, ובה צמחים מסוגים שונים שינו את תהליך הפוטוסינתזה שלהם (תהליך בו הצמח קולט פחמן דו חמצני ואור, הופך אותם לאנרגיה זמינה ועל הדרך פולט גם חמצן). חלקם, למדו לייעל את התהליך גם בתנאי חום גבוה ויובש. התירס למשל למד לרכז את דו תחמוצת הפחמן שהוא קולט בתאים ייחודיים בעלה במקום בכולו, וכך בעצם "להעשיר" את הפחמן הדו חמצני, כדי לשמור על היעילות של התהליך. אחרים פיתחו מנגנון קיצוני יותר ועברו למשמרת לילה. הקקטוסים לדוגמה קולטים את דו תחמוצת הפחמן בלילה במקום ביום, כשהטמפרטורה ואיבוד המים לא גבוהים, ואת תהליך הקיבוע הם עושים ביום. כך הם מצליחים לשרוד".

^{עבר למשמרות לילה. קקטוס במדבר}

ויש גם אסטרטגיות נוספות: "יש צמחים שלא רוצים להתמודד עם העקה שמאיימת עליהם ומעדיפים לברוח ממנה. אלה אימצו את הסיסמה live fast, Die fast. כלומר, הם מאיצים את מחזור החיים שלהם", אומר ד"ר שדה. "זוהי אסטרטגיה שמתאימה במיוחד לתנאי קיצון כמו אקלים ים תיכוני, אבל גם מגיעה עם מחיר: כמות התוצר יכולה להיות קטנה יותר".

ישנם צמחים שמעדיפים "להוריד ראש" עד יעבור זעם, כלומר להימנע מהעקה, בעזרת שימור מים בעלה. "צמחים שמשתמשים במנגנון ההימנעות מקטינים את איבוד המים מהעלים, על ידי סגירת הפיוניות (תאים ייחודיים בעלה האחראים על יציאת המים דו תחמוצת הפחמן), ו/או הקטנת שטח העלווה (ובכך הקטנת השטח שממנו נאבדים מים). בנוסף, הם משקיעים בהתייעלות העברת המים מהשורש לעלה, וזאת על ידי העמקת השורשים והרחבתם".

הקשוחים ביותר פיתחו סבילות לעקה. "מדובר בקבוצת צמחים שלמרות התייבשות האדמה למדו לעשות אדפטציה ביוכימית, ליצור מולקולות ולסנתז חלבונים המגינים עליהם מפני נזק", אומר ד"ר שדה ומסכם: "מכיוון שמרבית התחזיות אינן צופות שיפור בשינוי האקלים הקיצוני שהעולם חווה, משאבים רבים מושקעים היום הן על ידי חברות בתעשייה, דרך השקעות ממשלתיות ועד למעבדות מחקר באוניברסיטאות, על מנת להבין את הבסיס המולקולרי והגנטי של תגובת צמחים לתנאי קיצון".

^{תהיו קשוחים. מימין: שיחי עגבניות שהונדסו גנטית והורגלו להשקייה במי מלח, לעומת כאלה שלא}

חום כמוס לצ'יפ ולסוס

לא רק החי והצומח זקוקים למים כדי להצטנן ולהתרענן. יצא לכם פעם להשאיר את הטלפון הסלולרי בשמש, ואז למצוא אותו מעולף ומושבת? ללא קירור מספק זה מה שקורה לכל הרכיבים האלקטרוניים. כיום כבר מותקנות מערכות קירור במחשבים שמזרימות נוזל קירור על הצ'יפ, בצינורות שקוטרם מילימטרים בודדים. המעבדה למיקרו זרימה ומעבר פאזה של ד"ר הרמן האושטיין מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, חוקר את מנגנוני קירור שקוטרם הוא בסדר גודל של עובי שערה בודדת. מדובר במחקר פורץ דרך למערכות בהווה ולמערכות עתידיות.

"בגדלים זעירים אלו, תופעות שבדרך כלל מתעלמים מהן במערכות כמו הצנרת הביתית שלנו, הן מרכזיות ויש להתחשב בהן על מנת לאפיין את הזרימה", מסביר עדו לאופר, מהנדס במעבדתו של ד"ר האושטיין. "הצורך במחקר שלנו הוא בחוד החנית של תעשיית ההיי טק. לדוגמה, כיום אחד הגורמים המגבילים את תעשיית האלקטרוניקה היא צפיפות הרכיבים שדורשים הספקת חשמל. מצד אחד אנו רוצים להצליח להכניס כמה שיותר רכיבים בשטח קטן מאוד, מה שגורם לרכיב להתחמם מאוד, ומצד שני – למצוא דרכים להוציא מהם את החום באופן הכי יעיל", הוא ממשיך. "על מנת לקרר רכיבים אלו אנו זקוקים לאספקת זורם קר, שיסלק את החום מתוך מערכים בסדר הגודל של מיקרונים (עובי שערה הוא 100-50 מיקרון). המחקר שלנו תורם לתכנון מערכות אלקטרוניות מורכבות כגון מחשבים, מערכות נשק ומכשור רפואי".

יכולות המחקר והאפיון של הציוד במעבדה של ד"ר האושטיין הם ייחודים, ולכן הם משמשים חוקרים מתחומים רבים ושונים, ממחקר עטלפים ועד אפיון חומרים חדשניים. אחד מהם הוא תחום הביולוגיה. "זאת מכיוון שכל אורגניזם תלוי בזרימה של נוזליו לאספקת מזון לתאים ולסילוק פסולת מהם, בצינורות מאותו סדר הגודל", מגלה לאופר. "בימים החמים שאנו חווים כעת, כל איזון הטמפרטורות ושמירה על חום הגוף תלוי בזרימה שמתרחשת בגופנו. מים שאנו שותים צריכים להגיע לתאים דרך כלי הדם, נוזלי גוף צריכים להגיע אל בלוטות הזיעה ומשם לפני העור ולקרר אותנו, ועוד. המשוואות שאנו מפתחים אינן תלויות בתחום המחקר אלא נותנות פתרון פיזיקלי מתמטי, ולכן ניתן להשתמש בהן גם במחקרים ביולוגיים ואחרים".

^{החוקרת רונה אקרט מביה"ס לזואולוגיה, מפעילה את הציוד הייחודי במעבדה, במסגרת מחקר על שימור החום בגוף של עשים}