הניסוי המוזר של פיקטה – על חלקיקי חושך וחלקיקי קור

מהי חשכה? חוסר באור.

איך אתם יודעים שחושך זה חוסר של משהו אחר ולא הוא עצמו? איך אתם יודעים שיש חלקיקי אור אבל אין חלקיקי חושך?

היכנסו לחדר חשוך לחלוטין והדליקו פנס. מה שתיראו באופן ברור הוא שהפנס מקרין אור לכיוון מוגדר בצורת קונוס, דומה במקצת להשפרצת מים מצינור. כעת היכנסו לחדר מואר היטב. האם תוכלו להקרין חושך? ודאי שלא, מכיוון שחושך הוא לא מוחשי אלא רק חוסר של אור ולכן לא ניתן להשפריץ זרם של חשכה.

***

מהו קור? חוסר בחום.

איך אתם יודעים שקור זה חוסר של משהו אחר ולא הוא עצמו? איך אתם יודעים שיש 'חלקיקי' חום אבל אין 'חלקיקי' קור?

האם ניתן להקרין חום? ודאי, זה מה שנקרא 'קרינת חום', סוג של קרינה אלקטרומגנטית שנפלטת מכל גוף בעל טמפרטורה מעל האפס המוחלט. גופים בטמפרטורת החדר קורנים בטווח תדרים אינפרא-אדום.

האם ניתן להקרין קור?

"ודאי שלא!", היתה בטח תשובתכם.

אז בואו ותשמעו סיפור.

תמונה 1: "וַיַּבְדֵּל אֱלֹהִים, בֵּין הָאוֹר וּבֵין הַחֹשֶׁךְ." פְרֶסְקוֹ של מיכלאנג'לו מתוך הקפלה הסיסטינית בותיקן. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

***

השאלה "מהו קור?" עדיין לא הוכרעה אפילו לקראת סוף המאה ה-18. רבים נטו לחשוב שקור היא תופעה נפרדת מחום. יש לזכור שבתקופה הזאת התיאוריה השלטת היא תיאורית הקלוריק. בתיאוריה זאת החום מורכב מנוזל שנקרא קלוריק שזורם מגופים חמים לגופים קרים. הנוזל דוחה את עצמו ונוטה להתפשט. בין אמצע לסוף המאה ה-19 הוחלפה תיאורית הקלוריק בתיאוריה בה אנחנו משתמשים היום והיא התיאוריה הקינטית, אבל אין לזלזל בתיאורית הקלוריק. היא הסבירה בהצלחה תופעות רבות כגון קירור של כוס משקה חם בטמפרטורת החדר, התפשטות של אוויר תחת חימום וקרינה של חום. בנוסף, כאשר פיתח קרנו את תיאורית מנועי החום שלו הוא עשה זאת מנקודת מבט של קלוריק. התיאוריה של קרנו היא האבטיפוס שממנו נולדה התרמודינמיקה.

מארק-אוגוסט פיקטה (Pictet) היה פיזיקאי ומדינאי מז'נבה, שוויץ (1752-1825). באחד מניסוייו העמיד פיקטה שתי מראות קעורות אחת מול השניה והציב תרמומטר (מדחום) רגיש בנקודת המוקד של אחת המראות, הנקודה אליה מתרכזות הקרניים הפוגעות במראה. במוקד של המראה השניה הוא הציב גוף חם אבל כזה שאינו מאיר (ראו איור 2). התרמומטר הגיב מיד וקריאתו עלתה. אפילו כשהציב פיקטה את המראות במרחק של כ-20 מטרים אחת מהשניה עדיין הבחין בתגובה מיידית של התרמומטר. מכך הסיק פיקטה שיש כאן הקרנה של חום בצורה מהירה, בדומה לאור, ולא העברת חום דרך האוויר.

איור 2: הניסוי הראשון של פיקטה. הנחת חפץ חם במוקד של עדשה אחת גורם לעליה בקריאת התרמומטר במוקד מראה שניה.

התוצאה היתה מדהימה אם לוקחים בחשבון שקרינת חום היתה מושג חדש מאוד באותה תקופה. גילוי השפעות החימום של קרינה אינפרא-אדומה פורסמה על ידי ויליאם הרשל רק בשנת 1800. אבל זאת רק ההתחלה. פיקטה שוחח עם אחד הפרופסורים למתמטיקה באקדמיה בה עבד והציג לו את הניסוי. המתמטיקאי שאל אותו האם הוא מאמין שאפשר לגרום לקור להשתקף במראה. פיקטה ענה לו שלא כי קור הוא רק חוסר בחום. ידידו המתמטיקאי, הנהן בהבנה אבל ביקש ממנו לנסות בכל זאת ועזר לו בביצוע הניסוי.

פיקטה הניח כלי מלא בשלג במוקד אחת המראות והקריאה בתרמומטר בצד השני ירדה מיד כאילו השלג הקרין קרני קור שהוחזרו ומוקדו (ראו איור 3). כאשר הוא גרם לשלג להיות קר יותר על ידי הוספה של חומצה חנקתית, קריאת הטמפרטורה בתרמומטר ירדה עוד. אבל איך זה יכול להיות? האם גוף חשוך יכול להקרין חושך כדי להאפיל על נקודה מוארת?

איור 3: הניסוי השני של פיקטה. הנחת חפץ קר במוקד של עדשה אחת גורם לירידה בקריאת התרמומטר במוקד מראה שניה. האם הקור הוקרן?

ההסבר של פיקטה לתוצאה המוזרה היה די ישיר ודי צפוי. הוא טען שמה שהוא מדד זה מעבר של חום מהתרמומטר במוקד מראה אחת לשלג במוקד המראה השניה. כך התרמומטר מאבד חום ולכן הטמפרטורה שלו יורדת.

הבעיה עם ההסבר הזה היא שאדם בעל תמונת עולם הפוכה היה מסוגל להשתמש בתוצאות בדיוק באותה צורה כדי לטעון בדיוק את הטענה ההפוכה: "חום לא באמת קיים, הוא בסך הכל חוסר בקור, אם כי יש תופעות שיגרמו לטעות ולחשוב אחרת. כאשר אנחנו חוזים בחפץ חם הגורם לחימום חפץ קר יותר דרך קרינה, מה שבאמת קורה הוא שהחפץ הקר קורן קור לחפץ החם ולכן מתקרר".

***

אז האם ניתן להקרין קור או לא?

אין ביכולתו של ניסוי זה ושל תיאורית הקלוריק, על כל כוחה ותרומתה, להכריע בסוגיה זאת. לשם כך יש צורך בתשתית תיאורטית חדשה שהגיעה לבשלות רק לקראת סוף המאה ה-19.

——————————————

תיאור הניסוי לקוח מהספר:

"Inventing temperature" by Hasok Chang

לקריאה נוספת:

שני מאמרים למיטיבי לכת (סגורים מאחורי חומת תשלום גבוהה, צריך מנוי של אוניברסיטה)

"Pictet’s experiment: The apparent radiation and reflection of cold" by James Evans and Brian Popp

"Rumford and the Reflection of Radiant Cold: Historical Reflections and Metaphysical Reflexes" by Hasok Chang

האם ה-DNA הוא באמת החומר הגנטי? חלק ב' – הדברים שאפשר לעשות עם בלנדר

בחצי הראשון של המאה ה-20 היה מקובל לחשוב שהמידע הגנטי נמצא ככל הנראה בחלבונים. מולקולות ה-DNA נחשבו לפשוטות מבחינת מספר אבני בסיס שמרכיבות אותן ומבחינת מבנה ולכן לא היה סביר שיכילו את המידע הגנטי.

ב-1944 פרסמו החוקרים אוורי, מקלאוד ומקראת'י תוצאות של ניסויים בחיידקים מסוג סטרפטוקוק פנאומוניה (גורמי דלקת ריאות), שסיפרו סיפור שונה. כפי שהצגתי ברשימה הקודמת, הם מצאו שמידע גנטי יכול לעבור מחיידק מזן קטלני שהומת בחום לחיידק מזן לא קטלני ולגרום לאחרון להפוך עורו לקטלני. הם הראו שהחומר שעובר בתהליך הזה הוא DNA.

בשלב זה עדיין היתה התנגדות לא מעטה לרעיון של DNA כמולקולה הנושאת את המידע הגנטי אבל דברים החלו זזים בכיוון. בתחילת שנות ה-50 הקרקע כבר היתה מוכנה לשינוי, ואז הגיע הניסוי של אלפרד הרשי ומרתה צ'ייס.

איור 1: המבנה של הוירוס פאג' T2. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם העלה על ידי המשתמשים Adenosine ו- en:User:Pbroks13.

***

לא רק אנחנו סובלים מהתקפות של וירוסים. הבקרטריופאג', או פאג' בקיצור, הוא וירוס שחי על חשבון חיידקים.

וירוסים מורכבים אך ורק ממעטפת, או קונכייה אם תרצו, עשויה חלבון ובתוכה חומר גנטי (ראו איור 1). לוירוסים אין מנגנוני הפקת אנרגיה ואין מנגנון שכפול ולכן הם נטפלים לחיידקים. הפאג' נתפס על קרום התא של החיידק ומזריק לתוכו את החומר הגנטי שלו שמשתלב בתוך זה של החיידק. כאשר החיידק מתרבה על ידי חלוקה (מיטוזה) הוא משכפל את ה-DNA שלו ועל הדרך גם את זה של הוירוס. כאשר יש שינוי בתנאים או עקה מסוג כלשהו, החומר הגנטי של הוירוס נכנס לפעולה. הוא גורם לייצור של וירוסים חדשים ובו זמנית גורם לפירוק של קרום התא. בסוף התהליך החיידק מתפוצץ ומתוכו בוקעים וירוסים חדשים כמו בסצנה המפורסמת מהסרט 'הנוסע השמיני'. סיפרתי על התהליך הזה בעבר בהרחבה.

אלפרד הרשי היה חוקר בתחום הבקטריולוגיה והגנטיקה ומרתה צייס היתה עוזרת המחקר שעבדה איתו. כדי לבדוק האם חלבונים או DNA הם הנושאים של החומר הגנטי הם החליטו לעקוב אחרי החלפת החומרים בין הוירוס פאג' T2 לבין החיידק E-coli לו הוא נטפל. הם ניצלו את השוני הכימי בין מעטפת החלבון וה-DNA כדי לסמן בדרכים שונות כל אחד מהם.

ה-DNA הוא החומר היחיד שמכיל זרחן בוירוס. גופרית, לעומת זאת, נמצאת אך ורק במעטפת החלבון שלו. הרשי וצ'ייס השתמשו בזרחן וגופרית רדיואקטיביים כדי לסמן את ה-DNA ואת מעטפת החלבון של הוירוס וכך יכלו לעקוב אחריהם במהלך הניסוי. דבר נוסף שבו הם עשו שימוש הוא בלנדר. כן, בלנדר. כזה שלרובכם יש במטבח בבית. הם גילו שניתן להפריד את הוירוס מדופן החיידק על ידי שקשוק אלים של התאים בבלנדר. כך יוכלו להפריד בין מעטפת הוירוס ל-DNA שלו לאחר שהוא נטפל לחיידק.

תמונה 2: בלנדר חשמלי. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Chris 73.

וירוסים מסומנים שוחררו להתרועע בחברת חיידקי E-coli ולהדביק אותם. לאחר מכן התמיסה עברה שקשוק בבלנדר להפרדת המעטפת של הוירוסים מדופן החיידקים (ראו איור 3). התמיסה סובבה במהירות גבוהה בצנטריפוגה כדי להפריד בין המוצקים, שהורכבו מהחיידקים, לנוזלים. הרשי וצ'ייס מצאו שכאשר סימנו וירוסים בגופרית, רובה נמצאה בנוזל בסוף הניסוי. כאשר הם סימנו בזרחן, רובו היה במוצקים בסוף הניסוי. את המוצקים, כלומר החיידקים, היה ניתן להחזיר לסביבת גידול, ווירוסים החלו לבקוע מהם. כלומר היכולת של חיידק לייצר וירוסים קשורה להעברה של זרחן ולכן להעברה של DNA.

איור 3: ניסוי הרשי וצ'ייס. 1) חיידקים מודבקים בנגיפים מסומנים בחומרים רדיואקטיביים. 2) המעטפת של הוירוס מופרדת מהחיידק בשימוש בבלנדר. 3) לאחר שהתמיסה עוברת סיבוב בצנטריפוגה נמצא כי הסמן הרדיואקטיבי של ה-DNA נמצא בתאים והסמן הרדיואקטיבי של החלבונים בתמיסה. מכאן שהחומר הגנטי שעבר מהוירוס לחיידק הוא DNA. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Thomasione.

כדי לתמוך בתוצאות המפתיעות ביצעו הרשי וצ'ייס בדיקה נוספת. הפעם הם בחנו את הוירוסים שפרצו מתוך החיידקים שהודבקו על ידי וירוסים מסומנים. הוירוסים המקוריים, או מה שנשאר מהם, הופרדו על ידי שימוש בבלנדר וצנטריפוגה. כלומר, כל הוירוסים שנבדקו היו וירוסים חדשים שבקעו לאחר ההדבקה. מה שמצאו הרשי וצ'ייס הוא שגופרית רדיואקטיבית לא עברה לצאצאים ואילו זרחן רדיואקטיבי כן עבר לצאצאים. תוצאה זאת חיזקה אף יותר את המסקנה שהחומר הגנטי של הוירוס פאג' T2 הוא DNA, שבניסוי סומן בזרחן.

***

ב-1952 פרסמו הרשי וצ'ייס את תוצאותיהם. הגילויים זכו להד גדול בקהילה המדעית ו-DNA הפך לדבר החם שכולם רצו לחקור. לפעמים גם תזמון הוא דבר חשוב. ספּרו את זה לאוורי, למקלאוד ולמקרת'י.

ב-1953 פרסמו ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק את מבנה ה-DNA והחלו לסלול את ההבנה של תפקידו. ב-1962 זכו ווטסון, קריק ומוריס ווילקינס בפרס נובל עבור "הגילויים שלהם בנושא המבנה המולקולרי של חומצות גרעין והחשיבות של כך להעברת המידע בחומר חי".

ב-1969 זכה אלפרד הרשי (ביחד עם מקס דלברוק וסלבדור לוריה שותפיו הותיקים למחקרים קודמים) בפרס נובל.

***

מדוע לא היתה מרתה צ'ייס שותפה לפרס?

האמת היא שאני לא יודע. אולי בגלל שהיא היתה שותפה למחקר אבל עובדת זוטרה מבחינת תארים וניסיון, אולי בגלל שהיתה אישה ואולי בגלל סיבה אחרת.

ב-1964 קיבלה מרתה צ'ייס תואר דוקטור מאוניברסיטת דרום קליפורניה ובערך בתקופה הזאת הקריירה האקדמית שלה נעצרה.

ההיסטוריה, לעומת זאת, בחרה אחרת. הניסוי המפורסם ביותר שהוביל להבנה שה-DNA הוא החומר הגנטי ידוע כניסוי הרשי-צ'ייס ולא כניסוי הרשי.

———————————————————

לקריאה נוספת:

אני ממליץ שוב על 'לפענח את ספר החיים' – מאמר רחב יריעה, נוח לקריאה וכתוב היטב של יונת אשחר ונעם לויתן למגזין גלילאו על סיפורו המלא של ה-DNA כחומר גנטי. המאמר שם בהקשר הנכון ונותן פרספקטיבה לניסוי שתואר ברשימה זאת.