גם מערבולות שומרות על “ריחוק חברתי”

המחקר הצליח למצוא סדר חבוי במערכות פיזיקליות מסתובבות “מבולגנות” לכאורה, כגון חלבונים ומערבולות

מחקר עיוני חדש בהובלת חוקרת מאוניברסיטת תל אביב, הצליח למצוא סדר חבוי במערכות פיזיקליות מסתובבות “מבולגנות” לכאורה, כגון חלבונים ומערבולות. החוקרת היא ד”ר נעמי אופנהיימר מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה בפקולטה למדעים מדויקים ע”ש ריימונד ובברלי סאקלר, ולמחקר היה שותף גם עמית המחקר ד”ר מתן-יה בן ציון וכן חוקרים מארה”ב. המחקר פורסם בכתב העת Nature Communications.

תנועת חלבונים בקרום התא (ממברנה) היא אחת הבעיות שמעסיקות פיזיקאים, כימאים וביולוגים רבים. מהעבר השני, בסקאלה הגדולה פי כמה מיליארדים, תופעות אטמוספריות ואוקיינוגרפיות שונות עומדות אף הן בעין הסערה של העיסוק הפיזיקלי. על אף שנראה כי מערכות אלה מבולגנות לחלוטין ומבוססות על תנועה אקראית וכאוטית, עולה מהמחקר כי ישנם מבנים סדורים בתוך שתיהן, והם מתנהגים לפי אותו סט כללים פיזיקליים.

ד”ר אופנהיימר מסבירה: “במחקר החדש הראינו כי הדינמיקה של חלבונים בממברנה זהה לזו של מערבולות בזורם אידיאלי כמו למשל בתופעות מזג אוויר. זה מפתיע מאוד, כי התיאור הפיזיקלי של המערכות הללו בא לידי ביטוי במשוואות שונות ובקני מידה שונים.

ממברנה היא נוזל מאוד צמיג, כמו דבש, כך שכוחות החיכוך בה מאוד חזקים, ואם לא ננסה להפעיל כוח באופן אקטיבי – שום דבר לא יזוז בתוכה. לעומת זאת, בזורם אידיאלי הצמיגות זניחה, כלומר כמעט שאין חיכוך והכל ממשיך לזרום לנצח בנחת, ללא הפרעות.”

החוקרים הגיעו למחקר החדש עם תובנות ממחקרים קודמים שביצעו, ולפיהם חלק מהחלבונים המשובצים בממברנה התאית מסתובבים, יוצרים מערבולות קטנות, מתנגשים זה בזה ולבסוף מתארגנים במבנה של משושים.

ד”ר אופנהיימר מרחיבה לגבי התכונה המעניינת שצצה תוך כדי המחקר: “בחנו מקרה בו יש כמות גדולה של מערבולות. התנועה של המערבולות היא כאוטית, אבל שאלנו את עצמנו האם יש בכל זאת סדר שחבוי בבלגן, גם אם אין התנגשויות בין המערבולות. מסתבר, שעל אף שאין התנגשויות עדיין חלות מגבלות על התפלגות המערבולות על פני השטח.”

כאן, טוענים החוקרים, נכנסים למשחק חוקי שימור. בטבע ישנם מספר חוקי שימור יסודיים דוגמת שימור אנרגיה, שימור תנע ושימור מטען. הפיזיקאית היהודייה-גרמניה אמי נתר פיצחה לפני כמאה שנים את הקשר בין סימטריה לבין חוקי שימור. היא זיקקה אותו לכדי משפט בעל יופי מתמטי רב ואשר נקרא על שמה.

“במקרה של המערבולות”, מוסיפה ד”ר אופנהיימר, “ישנם חוקי שימור גאומטריים שנובעים מהסימטריה במבנה של המערכת. חוקים אלה מכתיבים למערכת מגבלות מרחביות שונות על ההתפלגות של המערבולות – מרתק לראות שאפילו שהתנועה כאוטית ומבולגנת, מערבולות אף פעם לא מתרחקות יותר מדי אחת מהשנייה וגם לא מתקרבות יותר מדי אחת לשנייה, והדבר נובע בדיוק מחוקי השימור.”

התכונה עליה מדברת ד”ר אופנהיימר ואשר מונעת מהמערבולות להתקרב או להתרחק האחת מהשנייה ולייצר מעין סדר לא טריוויאלי, נקראת “היפר-יוניפורמיות”. תכונה זו נפוצה למדי בטבע, והיא מופיעה למשל בקולטני האור בעיניהן של ציפורים רבות, וככל הנראה עוזרת להן לראות טוב יותר.

ד”ר אופנהיימר מוסיפה “התופעה השנייה והלא פחות מעניינת שראינו, היא שכאשר יש שני סוגי מערבולות, סוג אחד איטי וסוג שני מהיר, קורה דינמיקה משונה המביאה לכך שבתום פרק זמן מסוים המערבולות האיטיות יהיו בחוץ והמהירות יהיו בפנים, מכיוון שהמערבולות המהירות כביכול ‘גונבות’ סדר מהמערבולות האיטיות. גם את התופעה הזו הצלחנו להסביר במונחי חוקי השימור של המערכת ושיקולים נוספים. אחת מהסוגיות החמות בפיזיקה בימינו היא השלכה ממערכות מיקרוסקופיות אל המקרוסקופיות ולהפך, כך שהמחקר שלנו יוצר בדיוק את הגשר הזה, ואני מאמינה כי יהיו מחקרי המשך רבים סביב הדינמיקה הקסומה הזו.”

בעצם המחקר תקף לכל מה שמסתובב בנוזל או באוויר כל עוד הדינמיקה היא דו ממדית, אז הוריקנים וחלבונים אלו רק דוגמאות. אפשר אולי להגיד באופן כללי – מערבולות. 

במאמרים הקודמים לא דיברנו על היפריוניפורמיות ולא על הפרדת פאזות. כלומר, אם במאמר הראשון הסתכלנו על חלבונים שיש להם גודל ויכולים להתנגש, במאמר הזה אנחנו מסתכלים גם על המקרה היותר ״טהור״ כאשר האינטראקציה היא של מערבולות בלבד, כלומר רק דרך הנוזל, בלי התנגשויות. ראינו את שתי התופעות המעניינות האלו. הראשונה, היפריוניפורמיות, היא סדר החבוי בתוך הבלגן. אפילו שהתנועה היא כאוטית יש סדר בריקוד שלהם, מערבולות אף פעם לא מתקרבות יותר מדי אבל גם לא מתרחקות יותר מדי (קצת כמונו כחברה בתוך המגפה הזו). 

“התופעה השניה שאנחנו רואים, היא סוג של הפרדת פאזות, כמו ששמן ומים נפרדים. אבל במקרה הזה ההפרדה היא דינמית, כלומר בניגוד להפרדת פאזות תרמודינמית כאן המערכת אינה בשווי משקל. למרות זאת אנחנו מראים שאפשר לשאול כלים מהעולם התרמודינמי כדי להבין אותה.” מסכמת ד”ר אופנהיימר. 

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

• כוכב נולד, הגירסה הבלתי נגמרת
• חוקי השימור המשותפים לסופות ההוריקן ולתנועה של חלבונים
• מערבולות של כאוס בלב ערפילית אוריון