האם ביולוג יכול לתקן רדיו?

למרות כל ההצלחות הגדולות של מדע הביולוגיה המולקולרית [1] משהו עדיין הציק לביולוג יורי לזבניק (Lazebnik); הוא הרגיש שמשהו עדיין חסר. הנושא טרד את מנוחתו עד כדי כך שבשנת 2002 הוא פרסם מאמר מאיר עיניים הנושא את הכותרת הפרובוקטיבית: "האם ביולוג יכול לתקן רדיו?". אז מהי אותה בעיה שהטרידה את יורי והאם ביולוג יכול או לא יכול לתקן רדיו? על שאלות אלו ואחרות אנסה לענות ברשימה הבאה.

רדיו טרנזיסטור. המקור:וויקיפדיה

בהביטו במחקר הביולוגי הבחין לזבניק בתופעה שחוזרת על עצמה במקרים רבים: גילוי חדש מבטיח גדולות ונצורות (למשל פיתוח תרופות פורצות דרך) אם רק נצליח להבין אותו כראוי. חוקרים רבים ניגשים למשימה ובמשך השנים הבאות מפיקים כמויות עצומות של מידע, פעמים רבות סותר [2], רק כדי לגלות שתרופת פלא אין, אך בלבול גדול יש ויש. דבר זה, מיותר לציין, לא גרם לו אושר. בכדי ללמוד על הבעיה הוא החליט לבצע תרגיל מחשבתי. הוא החליט לקחת בעיה שהפתרון שלה ידוע (רדיו מקולקל) ולנסות לדמיין כיצד יתמודדו הביולוגים עם בעיה זאת. בין המערכת המקורית (למשל תא, איבר או גוף האדם) לבין המערכת האנלוגית (רדיו) ישנן נקודות דמיון חשובות כגון קלט, פלט ותגובה לאותות.

מה יעשה הביולוג המחשבתי שלנו בכדי לתקן את הרדיו? ראשית ישיג תקציב גדול לרכישת מספר רב של מכשירי רדיו תקינים לשם פירוקם וסיווגם של הרכיבים. בהמשך ינסה אותו ביולוג לפרק ממכשירי הרדיו רכיבים בודדים ולבדוק כיצד מושפעת הפקת הצלילים. תוך כדי כך הוא יגלה לשמחתו כמה רכיבים שבלעדיהם לא תתאפשר הפקת צליל. הוא ינסה גם לחליף רכיבים ברכיבים אחרים או להשתיל רכיבים שלא היו שם קודם. מכל הפעולות הללו הוא יוכל להבין שחלק מהרכיבים האחראיים על הפקת צלילים מופעלים אחד על ידי השני או מפעילים אחד את השני. לבסוף יוכל אותו ביולוג לשרטט תרשים שקרוב לוודאי יהיה דומה לתרשים הבא:

פרשנות אפשרית: רכיב A הוא מקלט AM, רכיב B הוא מקלט FM, רכיב C הוא מתג הבורר בין שני האותות הנכנסים, '?' מספר רכיבים לא ידועים בעלי תפקיד לא ידוע, רכיב D הוא רמקול. מהנדס היה משרטט רדיו כך (AM בלבד)

האם הרדיו יחזור לפעול? אם הבעיה היא ברכיב בודד שהתקלקל אז כנראה שכן. אך אם הרדיו אינו פועל בגלל שהרכיבים שלו אינם "מכוונים" כראוי או אינם מתואמים ביניהם אז כנראה שלא. התרשים שהוצג אינו מכיל מספיק מידע עבור התיקון במקרה זה ולצערנו בתאים חיים ואורגניזמים ישנם מערכות רבות שדורשות כוונון או שתפקודם תלוי במרכיבים רבים המשפיעים אחד על השני.

מדוע המהנדס או הטכנאי יוכל תמיד לתקן רדיו אך הביולוג רק לעיתים רחוקות? לדעתו של לזבניק, הבעיה נעוצה בהבדלים בשפה בהם משתמשים מהנדסים וביולוגים. הוא טוען שישנו חוסר בפורמליזם כמותי בתיאור המערכות הביולוגיות. אך מהו בכלל פורמליזם?

במקום לנסות ולהגדיר אדגים פורמליזם מתמטי:

כולנו יודעים שדרך, זמן ומהירות קשורים זה בזה. ככל שהדרך ארוכה יותר (או שהמהירות נמוכה יותר) כך ייקח זמן רב יותר להגיע לסופה. את המשפט הראשון ניתן לסכם בתרשים הבא:

ואת השני ניתן לייצג בעזרת הנוסחא הבאה:

הנוסחא מתמצתת את הידע שלנו על התופעה וקובעת בצורה ברורה וכמותית את היחסים המדויקים בין המשתתפים השונים. כמו כן, מכיוון שהנוסחא כתובה בשפת המתמטיקה היא מחויבת לקיים את חוקיה ולכן מתוך הניסוח הראשוני נוכל לגזור יחסים חדשים כל עוד נשתמש בפעולות מתמטיות לגיטימיות. כלומר, השתמשנו בפורמליזם מתמטי כדי לנסח מציאות פיזיקאלית.

נסכם עד לכאן: טכנאי יודע לתקן רדיו כי יש לו את התוכנית שלו בפורמליזם מתאים. אם היה לנו את התוכנית של התא בפורמליזם מתאים יכולנו לתקן גם אותו, אך את הביולוגיה אנו מקבלים מן המוגמר ואין לנו את התוכניות. המחקר הביולוגי כיום אמנם מנסה לגלות את התוכנית של התא (או באנלוגיה לחקור רדיו) אבל ללא פורמליזם מסודר שאפשר להיבנות ממנו מקבל רק דיאגרמות חסרות תועלת. אוקיי – נשימה – אך האם המערכות הביולוגיות אינן מסובכות מדי עבור פורמליזם כמותי?

בחרתי להתמקד בפורמליזם מתמטי. הניסיון לתאר את הביולוגיה המולקולרית בעזרת כלים מתמטיים אינו חדש. אך מה שאפיין, לדעתי, במשך השנים את השילוב הזה הוא בד"כ נתק בין המתמטיקאי לביולוג. בשנים האחרונות קם דור חדש של ביולוגים (פעמים רבות פיזיקאים בעברם) אשר משלבים בעבודתם גם את שיטות המחקר הביולוגיות המתקדמות וגם גישה פיזיקאלית-מתמטית-כמותית. לדוגמא: נמצא כי ניתן לתאר מנגנוני בקרה גנטיים על ידי תורת-הבקרה הלקוחה מתחום הנדסת החשמל, וכן, נעשה שימוש בתורת הגרפים בכדי לאפיין באותם מנגנונים גנטיים מוטיבים על מנת לנסות ולהעמיק אל חוקי התכנון שלהן [3]. שימוש בתורת המשחקים כדי להסביר התנהגות של חיידקים היא דוגמא נוספת, ויש עוד.

אחת הביקורות הנשמעות מפי ביולוגיים 'קלאסיים' כלפי הגישה הזאת למחקר היא שזאת כלל אינה ביולוגיה אלא פיזיקה. אך יש לזכור שגם כאשר פרצה הביולוגיה המולקולרית בשנות ה-70 טענו הביולוגים הותיקים שזו אינה ביולוגיה. ימים יגידו.

---

[1] הביולוגיה המולקולרית היא נושא חדש (באופן יחסי), אך עם זאת מרכזי כיום בחקר הביולוגיה. היא עוסקת בקשרי הגומלין שבין מערכות שונות של התא, ב- DNA, RNA וביצירת החלבונים ולעיתים קרובות חופפת לגנטיקה ולביוכימיה. ראשיתה בשנות החמישים של המאה הקודמת, אך הפריצה הגדולה באה אחרי ניסוחה של "הדוֹגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית". הדוגמה עוסקת בתהליך יצירת החלבונים (אבני הבסיס של כל תא חי): שעתוק פיסת DNA למולקולת RNA ותרגום של ה-RNA לחלבונים. מאז ביסוסה של הדוגמה הפיקה הביולוגיה המולקולרית אינספור תובנות על מנגנוני הבקרה של הגנים ועל השפעתם על החיים בכלל ועל גוף האדם בפרט.

[2] במאמרים מדעיים לא מעטים בתחום נמצא שימוש במושג "context dependant". לדוגמא, קבוצה א' מוצאת שחלבון מסוים אחראי לאי אלו תופעות במערכת שהם חוקרים, בו בזמן שקבוצה ב' מוצאת שאותו חלבון ממש גורם לדברים אחרים, לפעמים מנוגדים, במערכת שהם חוקרים. אין צורך להסביר מדוע מצב זה אינו אידיאלי בלשון המעטה.

[3] בין היתר על ידי פרופ' אורי אלון ממכון ויצמן.