קופסאות שימורים של ידע – למדוד את העולם, יומן קריאה

בואו ונניח שעקב קטסטרופה כזאת או אחרת העולם כפי שאנחנו מכירים אותו נחרב. שארית הפליטה חיה ללא מנעמי הקידמה. אין חשמל, אין קניות בסופרמרקט, אין כלום. האם אנחנו יודעים לבצע פעולות בסיסיות כדי לשרוד בעולם כזה? איך מכינים שימורים של  בשר או ירקות? איך מפיקים בדים מפרוות או מצמחים?

כל נתון על מערכת השמש נמצא כיום במרחק לחיצת כפתור ברשת האינטרנט. הכוונה לרדיוס כדה"א, המרחק לירח ולשמש וכדומה. איך אנחנו יודעים דברים אלה? האם באותו עולם דיסטופי תוכלו לשחזר את הידע? גאוני יוון העתיקה מדדו והסיקו את הגדלים האסטרונומיים הללו. האם אתם יודעים איך עשו זאת?

תהה תשובתכם אשר תהה, ודאי תשמחו לדעת שמישהו ליקט מבחר מהידע הזה לספר, בעברית.

***

עטיפת העותק שלי של הספר 'למדוד את העולם'.

אשר קרביץ וכלנית דותן (שניהם בעלי תארים גבוהים בפיזיקה והראשון גם ידוע כסופר) כתבו לפני מספר שנים את הספר 'למדוד את העולם' שבו הם סוקרים איך נמדדו חלק מהתכונות והגדלים החשובים המתארים את עולמנו. המחצית הראשונה של הספר עוסקת בגדלים במערכת השמש ובמהירות האור. המחצית השניה של הספר דנה בפיזיקה מודרנית, בנושאים כמדידת התכונות של האלקטרון, קבוע פלנק, מודל גוף שחור וטמפרטורת השמש וגילו של כדה"א על ידי תיארוך רדיואקטיבי.

למדתי לא מעט דברים מעניינים שלא ידעתי (בעיקר בחלק הראשון, מכיוון בנושאי החלק השני אני בקיא יותר) והרווחתי כמה אנלוגיות וכמה הסברים מפתיעים. למשל, חיבבתי את הפשטות שבהסבר שניתן לחוק ארכימדס בפרק על ניסוי טיפות השמן של מיליקן. אוכל גם בעתיד להיעזר בפרקים הראשונים כשארצה לחזור ולהיזכר כיצד מעריכים גדלים במערכת השמש.

אבל אם אהיה כנה, יש לא מעט דברים בספר הזה שהפריעו לי במהלך הקריאה.

ראשית, לא ברור לי למי מיועד הספר. האם הוא מיועד לתלמידי תיכון? למורים בתיכון? לחובבי מדע פופולרי? לכלל הציבור? לטעמי, הכותבים ועורכי הספר לא החליטו בעצמם ולכן לא התאימו בצורה נכונה את התוכן ואת הכתיבה. מחד, הטקסט מתיילד ברובו ולכן נראה כאילו מכוון לנוער. מאידך, ההסברים בו אינם ברורים מספיק. פעמים רבות, למשל, מניחים הכותבים שההבנה תבוא לבד מתוך איור גיאומטרי. האם נדרש ידע מוקדם? האם מדובר בשיעורי בית לקורא?

בחלק השני הבעיה מחמירה כאשר מגיע דיון בפיזיקה מודרנית שהוא נטול הקשר לחלוטין. לקורא שאינו בקיא בחומר חסר המון רקע ולמרות שנעשה מאמץ להשלים מעט מושגים חיוניים בתוך הפרקים ובנספחים הדבר לטעמי נעשה בגמלוניות. לדוגמה, פרקים 7 ו-8 על האלקטרון ועל קבוע פלנק אינם ניתנים להבנה כלל, לדעתי, בצורתם הנוכחית. בנוסף, לא ברור לי מדוע הפרקים כל כך קצרים ונטולי הקשר. אורכו של הספר, ללא נספחים, הוא פחות מ-200 עמודים. היה מקום לדקק מעט את הדפים השמנמנים בצורה מוגזמת ולעבות את התוכן והרקע. אין בספר את העומק והתובנות שהייתי מצפה מספר מדע פופולרי.

ברוב הפרקים ניכר כי המתמטיקה נורא חשובה לכותבים, אבל לדעתי היא הרבה פחות חשובה לקוראים. האם הפיתוח המתמטי של הנוסחה המפלצתית המלאה של מטען האלקטרון בניסוי מיליקן באמת חשובה להבנת הניסוי? יש כל כך הרבה דברים חשובים ומעניינים לומר על הניסוי הזה ללא כל צורך בנוסחה הסופית, שהרי אין לאף קורא את הציוד לבצע את הניסוי המורכב בכל מקרה.

זה מוביל אותי לנקודה אחרת שהפריעה לי. במהלך קריאת הספר עלתה בי הרגשה שתיאורטיקן מנסה להסביר לי משהו על ניסויים. אינני יודע דבר על הכותבים ואני מתייחס אך ורק לכתיבה. העניין ניכר במיוחד בחציו הראשון של הספר (אך גם בשני במובן מעט שונה) .האם הם ניסו לפחות חלק מהניסויים שהם מציעים ובדקו עד כמה קל או ריאלי לבצע אותם, או שהכל זה רק דיבורים? האם הם כיוונו שקל אל הירח ורשמו את התוצאה? האם הם הניחו נקניקיה במיקרוגל והצליחו למדוד עליה פסי השחמה? אם כן, היה נפלא לקרוא על כך חוויות אישיות.

העניין האחרון קשור בעבותות לכל הקודמים. הרושם הראשוני שלי תוך כדי קריאת הספר היה שהפרקים הם בעצם שורה של פוסטים מבלוג שנדפסו ונכרכו עם סיפור מסגרת סביר אם כי מעט תלוש ולא לגמרי משכנע. מקריאת התודות בסוף הספר ניתן להסיק (אולי) שהוא כנראה עיבוד של שיעורים שהעביר קרביץ לבני נוער (מחוננים?). דבר זה ביאר לי חלק מהמבנה, הצורה והכתיבה של הספר.

***

לסיכום, שאלת המפתח עבורי היא האם יש ערך מוסף לקריאת הספר מעבר לעיון בדפי ויקיפדיה, שהרי הוא עולה כסף.

התשובה שלי היא שכן, יש בו ערך מוסף. יש בו תחקיר לא מבוטל ועבודת ליקוט וריכוז. יש בו ידע, עובדות מעניינות ואיורים מועילים. יש ערך לרצף הקריאה בו והקורא יחכים ממנו.

אני חושב שכבלוג הוא היה מעולה, כספר קריאה הוא לא מבושל דיו וחסר עומק.

רוץ בן סוסי רוץ ודהר בג'ל! – ללמוד פיזיקה במעבדת הביולוגיה (2)

ברשימה קודמת סיפרתי על הצנטריפוגה כדוגמה לפיזיקה פשוטה אך מעניינת שניתן ללמוד במעבדת הביולוגיה. הצנטריפוגה משמשת להפרדת חומרים מומסים במים. הרעיון הכללי הוא שהחיכוך בין מולקולות שונות לבין המים גורם להבדלים בקצב שיקוע שלהן והתנועה המעגלית בצנטריפוגה מייצרת 'כוח כבידה' חלופי חזק שמגביר את קצב השיקוע של החומרים.

הפעם אציג שיטה נוספת להפרדת חומרים, בעיקר מולקולות אורגניות גדולות כמו DNA וחלבונים, שאותה ניתן למצוא בכל מעבדה שעוסקת בביולוגיה מולקולרית בשימוש יום-יומי. אני אנסה גם לשכנע שלמרות שהמכשיר נראה מאוד שונה מצנטריפוגה הרעיון הבסיסי דומה.

***

נניח שיש בידינו מבחנה מלאה בחלקי DNA. כעת או שעלינו לבדוק האם אלה החתיכות הנכונות או שברצוננו להפריד חתיכות מסוג מסוים משאר החתיכות. כיצד נבצע זאת?

השיטה הפשוטה שבה נעשה שימוש בכל מעבדה נקראת אלקטרופורזה. ברשימה זאת אני אתמקד באלקטרופורזה של DNA.

אם נחזור להשוואה לצנטריפוגה, את שדה הכבידה המוגבר יחליף שדה חשמלי ואת החיכוך עם הנוזל יחליף ג'ל שישמש כמסלול מכשולים עבור המולקולות וייצור הבדל בתנועה שלהן. למעשה, בעבר היו מפרידים חתיכות DNA באמצעות צנטריפוגה בשיטה של גרדיאנט ריכוזים, אבל הדיוק שמתקבל באלטרופורזה הוא גבוה יותר והשיטה נוחה יותר.

***

הרעיון הוא לגרום לחתיכות ה-DNA לעבור דרך חתיכת ג'ל ששקועה בתוך נוזל יוני. ככל שחתיכת ה-DNA ארוכה יותר כך קצב התנועה שלה בג'ל נמוך יותר.

הג'ל עשוי מאבקה שמופקת מאצות וכאשר היא מומסת במים החתיכות נקשרות ומייצרות מין רשת שלוכדת בתוכה את המים ומייצרת גוש מוצק ורך. מכיוון שהג'ל ברובו נוזלי חתיכות ה-DNA יוכלו לעבור דרכו אך הרשת הפנימית תפריע לתנועתן. את הג'ל נניח בבריכה קטנה מלאה בנוזל יוני (בעגה המקצועית: running buffer). את חתיכות ה-DNA נטעין על גבי הג'ל בתוך שורת חריצים, מוכנים לזינוק (ראו תמונה 1).

תמונה 1: מכשיר לביצוע אלקטרופורזה. את הג'ל מניחים במיכל הפלסטיק וממלאים אותו בנוזל יוני. ניתן לראות את חוטי החשמל מחוברים מהמקור למיכל בשני קצותיו. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Jeffrey M. Vinocur.

חתיכות ה-DNA הם שרשראות באורכים שונים והן גם מכילות מטען חשמלי שלילי. דמיינו את החתיכות כסוסוני-ים שעומדים על קו הזינוק (בתוך החריצים בג'ל) לפני המרוץ. לכל סוסון יש זנב באורך שונה, מקצתם קצרים ומקצתם ארוכים ומשתרכים. ברגע שנפעיל מתח חשמלי בין שני קצוות הג'ל, הסוסונים יתחילו לרוץ לכיוון האלקטרודה שנמצאת במתח חשמלי חיובי שאותה הצבנו בצד הרחוק. ככל שזנב הסוסון ארוך יותר, כך הוא מתקשה במעבר בין רשת המכשולים בתוך הג'ל. כתוצאה, בזמן נתון סוסונים קצרים יעברו מרחק גדול יותר בג'ל מסוסונים ארוכים. יש לדאוג שלא להפעיל את המתח לזמן רב מידי כי אז יצאו הסוסונים מהצד השני של הג'ל ויברחו.

מולקולות ה-DNA הן שקופות ולא נוכל לדעת היכן הם נמצאות לאחר שנעו מהחריצים. לכן, לאחר שהנחנו את חתיכות ה-DNA בחריצים ולפני שהפעלנו את המתח החשמלי נוסיף חומר צביעה. בד"כ נעשה שימוש בחומר שנקרא אתידיום-ברומיד. כאשר מאירים אתידיום-ברומיד באור UV הוא פולט בתהליך פלואורסנטי אור בצבע כתום בוהק (ראו תמונה 2). עוצמת ההארה חזקה אף יותר כאשר הוא קשור למולקולות DNA.

תמונה 2: ג'ל לאחר הרצה תחת אור UV. האתידיום-ברומיד מאיר בכתום. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש TransControl.

בסוף ההרצה נוכל לצלם, תחת אור UV, את המיקום שאליו הגיעו חתיכות ה-DNA שהיו בחריצים.

"אוקיי, הבנתי איך המכשיר עובד אבל כיצד נוכל לדעת מה אורכן של הפיסות והאם הן אלו שרצינו?"

הפתרון כל כך פשוט שהוא גאוני.

בחריץ צדדי אנחנו נשים 'סולם' מוכן שקנינו בחנות. הכוונה היא לתמיסה שמכילה פיסות DNA מדודות וידועות באורכים שונים. בסיום הריצה נקבל לאורך המסלול של הסולם פסי הארה שונים, אחד עבור כל אורך שהכיל הסולם, מארוך לקצר. את האורכים אנחנו הרי יודעים ולכן כל פס מהווה כעת שלב ידוע בסולם. נוכל להשוות את המרחק שעברה הפיסה שאנחנו רוצים לבדוק למקבילה שלה בסולם ולקבוע מה אורכה (ראו תמונה 3).

תמונה 3: השוואה בין 3 סוגי חתיכות שונות של DNA (שלושת הטורים השמאליים). הטור הימני הוא הסולם. החריצים שמהם התחיל המרוץ נמצאים בחלק העליון של התמונה וכיוון התנועה הוא כלפי החלק התחתון. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Dr d12.

על ידי קביעת אורכם של פיסות ה-DNA נוכל לוודא שבידנו הפיסות שרצינו. כמו כן, אם היו לנו בתמיסה חתיכות באורכים שונים נוכל לחתוך מהג'ל את החתיכה שמכילה את הפס שמתאים לאורך הנכון לפי הסולם, ובכך להפריד אותה משאר החתיכות. מחתיכת הג'ל נוכל להפיק את ה-DNA הלכוד בו.

אם כך, האלקטרופורזה משמשת גם לבדיקת האורך של פיסות DNA וגם להפרדה של פיסות באורכים שונים אחת מהשניה.