עשרת המבריקים

בכל שנה פופיולר סיינס מחפש את המדענים והמהנדסים הצעירים המבריקים ביותר ומציג אותם בתור עשרת המבריקים

כמו 110 בעלי התואר שקדמו להם, חברי הכיתה של השנה משנים באופן דרמתי את תחומי המחקר שלהם – ואת העתיד. חלקם תוקפים שאלות פרגמטיות, כמו איך לאבטח את האינטרנט, בעוד אחרים תוקפים שאלות אבסטרקטיות יותר, כמו קביעת מזג האוויר על כוכבי לכת מרוחקים מחוץ למערכת השמש. החוט המקשר ביניהם הוא שהם מבריקים, כמובן, אבל גם ההשפעה שיש להם. אם עשרת המבריקים הם הפנים של העתיד לבוא, העולם יהיה מקום בטוח, חכם ומהיר יותר.

 

כמעט כל נתוני התקשורת – אינטרנט, טלפון, טלוויזיה – עוברים דרך רשת של כבלי סיבים-אופטיים. לעת עתה, זה בסדר. אבל בתוך עשור, תנועת נתונים צפוייה לעלות על קיבולת התשתית, עובדה אשר תגרום להעברת נתונים איטית ומבולבלת. ניקולאס פונטיין, מהנדס אופטי במעבדות בל באלקטל-לוסנט, מצא דרך חכמה להימנע מצוואר הבקבוק של המידע.

פונטיין ועמיתיו המציאו סוג חדש של מרבב (multiplexer), מכשיר שמאגד ערוצי קלט מרובים לזרם אחד על מנת לדחוס הרבה יותר נתונים לסיב אופטי בודד. הוא פועל על ידי ניתוב קרני אור שונים, הנקראים modes, לאורך ערוצים שתוכננו בקפידה; קרני המידע נעים יחד אבל לא מתערבבים זה עם זה. "הסיב הישן היה כביש מהיר בעל נתיב אחד בלבד", אומר פונטיין. "עכשיו אנחנו יכולים להוסיף נתיבים מרובים". המרבב של פונטיין מצליח להימנע מאבדן האות ששיתק מכשירים מוקדמים יותר; הוא כבר הראה שהמרבב שלו יכול לשלוח שישה ערוצי אור דרך 800 ק"מ של סיב מבלי לאבד נתונים לאורך הדרך.

בעוד מרבבים קודמים הם בגודל 28,000 סמ"ק או יותר; המרבב של פונטיין הוא 50 מ"מ מעוקב. כיוון שהוא עשוי מזכוכית וחרוט באמצעות לייזר, הוא יכול להיות זול לייצור. המכשיר גם ניתן להגדלה: "כרגע, אנחנו עובדים על מכשיר 10-mode – פי עשר מסיב ה-mode הבודד הקיים", אומר פונטיין. "אנחנו רוצים לגלות כמה רחוק אנחנו יכולים להגיע".

עננים הם אחד האתגרים הגדולים למדעני אקלים. הם משחקים תפקיד מורכב באטמוספרה ובכל תרחיש שינוי-אקלים פוטנציאלי. אבל נתונים בסיסיים פישטו את תפקידם בסימולציות, והובילו להבדלים במודלי אקלים. סקוט קוליס גילה דרך להוסיף רמת דיוק לתחזיות אקלים עתידיות – על ידי שימוש במקורות חדשים של נתוני עננים.

לקוליס יש ניסיון נרחב בהתבוננות בעננים, תחילה כחובב סקי במהלך לימודיו באוסטרליה ואז כמטאורולוג מקצועי. אבל כשהוא התחיל לעבוד במרכז לחקר אקלים ומזג אוויר האוסטרלי, הוא הבין שיש מקור נתוני עננים אדיר שממדלי אקלים אינם משתמשים בו: הנתונים שנאספים בשביל תחזיות מזג אוויר. לכן קוליס לקח על עצמו משימה אדירה לבנות כלי גישה-פתוחה שממיר את הנתונים הגולמיים ממסדי נתוני רדאר לפורמטים שממדלי אקלים יכולים לנצל. במכה אחת, קוליס פתח את הגישה לשנים של נתוני מזג אוויר. "הצלחנו לבנות אלגוריתמים כל כך מקיפים שהם יכלו לעבד מידע מאלפי רדארים בלי התערבות אנושית" אומר קוליס.

כשמשרד האנרגיה של ארצות הברית שמע על הפרויקט שלו, הוא גייס אותו לעבוד עם רשת רדאר חדשה שתוכננה לאסוף נתוני עננים באיכות גבוהה מרחבי העולם. בניית הרשת, הגדולה מסוגה, עדיין לא הושלמה, אבל כבר עכשיו הנתונים שקוליס ועמיתיו אספו משפר את מודלי האקלים של הדור הבא.

וירוסים הם היישות המרובה ביותר על כדור הארץ – ובין המסתוריים ביותר. מיאה ברייטברט, אקולוגית מיקרוביאלית באוניברסיטת סאות' פלורידה, מצאה דרך לפענח במהירות מה הם ומה הם עושים.

במקום לנסות לבודד מיני וירוס אינדיבידואליים, כאשר יש עד עשרה מיליארד וירוסים בליטר של מי ים – ברייטברט מפיקה את כל החומר הגנטי הנמצא במים, קוצצת אותו לחלקים קטנים יותר, ומרצפת את החלקים האלה בו-זמנית. הטכניקה, אותה היא מדמה להרכבת מספר פאזלים בו-זמנית, מאפשרת לה לחקור את הקהילה כולה בבת אחת. "התרומה שלה היו נקודת מפנה בחשיפת המגוון האדיר של וירוסים על כדור הארץ", אומר קרטיס סאטל, וירולוג ימי באוניברסיטת בריטיש קולומביה. הגישה של ברייטברט הולידה תחום חדש בביולוגיה, הנקרא מטה-גנומיקה, שחוקרים משתמשים בו כדי לדגום ולרצף חומר גנטי ישירות מהסביבה.

לאחרונה, מצאה ברייטברט מקור חדש לווירוסים: יתושים, כנימות-עש ושפיריות, אשר אוספות את ארוחת הערב – ופתוגנים – ממקורות מזון שונים. "אנחנו מכנים אותם מזרקים מעופפים", היא אומרת. דגימת הווירוסים שהם נושאים תוכל לאפשר לה לזהות פתוגן בשלב מוקדם. "בדרך כלל, אתה ממתין להתפרצות ומזהה איזה וירוס גורם לה", היא אומרת. "הדרך החדשה הזאת מאפשרת לנו לאתר דברים לפני שהם הופכים לבעיה גדולה".

 

ביום הראשון ללימודים, סטודנטים להנדסה לומדים שהם צריכים להימנע משימוש בחומרים שעלולים להיקרע, להתכופף, להתקפל או לקרוס. במילים אחרות: כישלון הוא משהו שצריך להישמר ממנו, לא לאמץ. פדרו רייס העלה שאלה: האם ישנם מצבים בהם חוסר יציבות מכנית, מובנת היטב ומשופרת בזהירות, תוכל לשמש לבניית משהו טוב יותר? כפי שעבודתו הוכיחה, התשובה היא כן חד משמעי.

המעבדה של רייס ב-MIT נראית יותר כמו חדר משחקים מאשר חלל עבודה. פזורים בה חפצים דמויי צעצועים כמו כדורים מחיצים שמתקפלים וקורסים ומוטות סיליקון שמסתלסלים ומתכופפים. בפגמים שלהם, רייס רואה נקודות חוזקה: הבסיס לרובוטים ומפרקים רכים וגמישים המיוצרים מחתיכת חומר יחידה. הוא גם לומד דברים מתופעות רגילות ואז מיישם אותם בעבודתו. אחרי שחקר את האופן בו נייר דבק נקרע למשולשים כשמקלפים אותו מהסליל, המציאו רייס ועמיתיו דרך חדשה לייצר ננו-סרטי גרפן.

"באמצעות עבודתו, הוא לומד עקרונות בסיסיים של מכניקה יום-יומית – לדוגמה, כיצד חתול מלקק מים, כיצד אנחנו מגרדים חמאה עם סכין, או כיצד שערות מסתלסלות – ומעביר את ההבנה הזאת לפתרון בעיות הנדסה", אומרת קיארה דראיו, מדענית חומרים ומהנדסת בקלטק ו-ETH ציריך, וזוכת תואר עשרת המבריקים לשנת 2010. המשיכה האחרונה ביותר של רייס היא לחומרים דקים מאוד – תחום לא אהוד על ידי רוב המדענים. "במקום שם שדברים הופכים להיות דקים", אומר רייס, "הם מתחילים להיות מעניינים".

בשנים האחרונות גילו מדענים אלפי כוכבי לכת המקיפים כוכבים מרוחקים במסלול לווייני. האסטרונומית קלטק הת'ר קנוטסון מבלה את ימיה בתשובה על השאלה – למה יזדקק נוסע קוסמי היוצא למסע. באופן מעשי, היא המטאורולוגית הראשונה העוסקת במזג האוויר המצוי בכוכבי הלכת מחוץ למערכת השמש הראשונה; היא קובעת את הטמפרטורה המצויה שם, את מזג האוויר, ואפילו את תרכובת האטמוספרה.

כדי ללמוד מטאורולוגיית כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש, קנוטסון מנתחת את הבהירות האינפרה-אדומה של פני השטח של כוכב הלכת. פליטות אינפרה-אדומות בהירות יותר פירושן שהגז האטמוספרי של כוכב הלכת הוא חם יותר, בעוד פליטות עמומות מצביעות על טמפרטורות נמוכות יותר. מיפוי פרופיל הבהירות מאפשר לקנוטסון ליצור מפת טמפרטורה בסיסית של כוכב הלכת ממנה היא יכולה להסיק את תבניות מזג האוויר. טמפרטורות אחידות פירושן שאטמוספרת כוכב הלכת מוכת רוח. מעבר לכך, מיקומם של אזורים חמים וקרים מצביע על כמה מהירות או איטיות הרוחות באותו אזור ספציפי.

עד כה, התבוננה קנוטסון בכוכבי הלכת הגדולים והגזיים המוכרים ככוכבי לכת דמויי צדק חמים, הנעים במסלול לווייני קרוב לכוכביהם. לרבים יש אטמוספרות שונות מאלה המצויות במערכת השמש שלנו; לאחד לפחות יש עננים המורכבים ממינרלים המצויים על כדור הארץ רק בסלעים. בסופו של דבר, היא רוצה להרחיב את הטכניקה כדי להסתכל על כוכבי לכת קטנים וקרים יותר – כוכבי לכת העל דמויי כדור הארץ שהם סלעיים ברובם, אשר חלקם אולי קריר מספיק כדי שימצאו בהם מים נוזליים. "החלק המהנה הוא למצוא דברים שמפתיעים אותי, וזה לא קשה למצוא בתחום הזה", היא אומרת.

 

כשפנג זאנג היה סטודנט לתואר שני, הוא גילה שהכלים לשחבור גנים חדשים אל תוך תאים חיים היו יקרים, דרשו זמן ארוך והיו בבעלות קניינית. מאוכזב מהמציאות הזאת, הוא עשה את מה שכל נלהב קוד-פתוח בעל יזמה היה עושה – הוא יצר כלים משלו וחלק אותם עם מדענים אחרים. הם האיצו באופן דרמתי את תחום מחקר הגנטיקה והמחלות.

הטכניקות שזאנג סייע לפתח, הנקראים TALE ו-CRISPR, יוצרות אורגניזמים טרנסגניים או מותאמים גנטית באופן אחר ביעילות חסרת תקדים. TALE היא מולקולה שנדבקת למקטע DNA המשפיעה על כיבוי או הפעלת גן הנמצא בקרבתה. ה-CRISPR מבוססת על אנזים מיקרוביאלי שגוזר את ה-DNA על מנת להציג חומר גנטי חדש. באמצעות השיטות האלה, זאנג יכול לייצר עכבר טרנסגני בתוך שלושה שבועות (שיטות רגילות אורכות יותר משישה חודשים כדי להגיע להישג הזה). כמעט 2,000 מעבדות ביקשו לקבל מידע על ה-CRISPR מאז הוא הוצג לראשונה במאמר בינואר 2013. "הטכנולוגיות האלה הן כל כך בסיסיות, שהכי טוב לשמור אותן פתוחות כמה שאפשר", אומר זאנג. "אם מישהו היה מגן על שפת ה-HTML לבניית עמודי אינטרנט, לא הייתה לנו רשת אינטרנט עולמית".

זאנג מתכנן להשתמש בטכניקות כדי לחקור את הגנטיקה של אוטיזם וסכיזופרניה. הוא כבר התחיל למקם גנים המקושרים לכל אחת מההפרעות בזה אחר זה אל תוך מודלים של בעלי חיים כדי להתבונן בהשפעותיהם. עכשיו, כשיש לו את הכלים, הוא אומר, הוא יכול להתחיל לבצע את העבודה.

 

האירוביולוג דיוויד שמייל צד רוצחים. שמייל, פרופסור עמית לבטיחות מזון ואבטחה ביולוגית של צמחים בווירג'יניה טק, שולח מזל"טים חמושים בצלוחיות פטרי אל תוך האטמוספרה כדי ללכוד פתוגנים מיבול אווירי. המידע שהוא אסף מסביר כיצד פתוגנים נישאים על זרמי הרוח ומספק הצצה אל תוך מערכת אקולוגית כמעט בלתי מוכרת הרחק מעל ראשינו.

שמייל פיתח את המטוסים הבלתי מאויישים שלו יחד עם עמית בווירג'יניה טק כאלטרנטיבה לטיסות מחקר מאויישות יקרות. עם המידע שהוא אסף עד כה, בנה שמייל מודל של מחזור אטמוספרי שמציג מקטעי אוויר גדולים הנסחפים על פני כדור הארץ כמו גלים על פני אוקיינוס, ומעבירים אבק ומיקרובים למרחקים של אלפי קילומטרים. "מיקרובים יכולים לחצות יבשות ולדלג מעל אוקיינוסים רחבים", אומר שמייל. הוא מתכנן להתאים את המודל שלו לחזות את התנועה של פתוגני צמחים, מתוך כוונה לסייע לחקלאים להגן מראש על יבולם על ידי קביעת מקום אסטרטגי לשחרור חומרי הדברה.

שמייל חושב שסביר להניח שמיקרובים תופסים טרמפ בעננים, נוסף על הרוח, לכן הוא ישלח בעתיד את המזל"טים שלו לתוכם על מנת לאסוף דגימות. אם יתברר שעננים מספקים מאגר ארוך-טווח לחיידקים ופטריות, הדינמיקה המורכבת כבר עכשיו של מיקרואורגניזמים העפים באוויר עלולה להתגלות כמורכבת יותר ממה שחשבו עד כה.

 

כל תא בגוף שלכם מכיל את אותו ה-DNA. אבל האופן בו הגנים של תא באים לידי ביטוי – ובאיזו תכיפות – קובע אם התא יהפוך לנוירון או מיוציט (תא שריר) לב, אם הוא בריא או חולה. ארג'ון ראג' ושותפיו באוניברסיטת פנסילבניה המציאו טכניקה כדי לעקוב אחרי ביטויי הגנים האלה והשפעותיהם.

בדיוק כפי שחשבוניות מחנות המכולת מראות אילו מוצרי מזון הם הפופולריים ביותר, מולקולות RNA, אשר נושאות מידע גנטי מ-DNA, חושפות אילו גנים מופעלים ובאיזו תדירות הם פעילים. על מנת לעקוב אחרי גדיל RNA ספציפי, ראג' שוטף את התא עם מקטעי DNA זרחני. המקטעים האלה נקשרים אל ה-RNA במיקומים שונים, מתארגנים לאורכו כמו אורות חג מולד לאורך הגג, ונראים באופן ברור דרך מיקרוסקופ.

באמצעות הטכניקה הזאת, גילה ראג' שתאים זהים מבחינה גנטית אינם בהכרח מתעתקים גנים באותו קצב. בחלקם, גנים שמקורם באם מתועתקים בתדירות גבוה יותר מגנים שמקורם באב. כאשר כרומוזום מקוצץ למספר מקטעים ומורכב מחדש, כפי שקורה פעמים רבות בסרטן, אפילו גנים בלתי פגומים מבוטאים ברמות שונות מאשר בכרומוזום רגיל. ראג' גילה גם שבתולעים זהות מבחינה גנטית, פירושן של רמות שונות של תעתוק גנים יכול להיות ההבדל בין חיים ארוכים או מוות מוקדם. "מה שמרגש אותי במיוחד הוא  שאנחנו פשוט לא יודעים מה אנחנו הולכים לראות", אומר ראג'. אבל עכשיו משביולוגי תא יכולים לראות את האירועים העדינים האלה, הם יכולים להתחיל לחקור מדוע האירועים מתרחשים.

 

 

ג'סטין קאפוס יכול להיכנס לאינטרנט מכל מקום בעולם – מחשב שולחני באתיופיה, טלפון אנדרואיד בצרפת, אפילו טבלט על אי לחופי אנטארקטיקה – הכול בעודו יושב בברוקלין עם מחשב ה-MacBook Pro שלו. כמדען מחשבים במכון הפוליטכני של אוניברסיטת ניו-יורק, קאפוס פיתח צורה חדשה לחלוטין של מחשוב ענן.

במחשוב ענן טיפוסי, משתמשים מתחברים למרכז מידע מרוכז ועצמתי. אבל הענן של קאפוס הוא פחות ענן סופה צפוף ויותר דומה לערפל. המערכת שלו, שנקראת Seattle, מחברת מכשירים ישירות זה לזה ברשת מבוזרת ומעבירה מידע מהר יותר מאשר דרך צומת רשת אחת, לפעמים מרוחקת. "היא מאפשרת לך להשתמש במעט שטח אחסון, רשת, זיכרון ו-CPU בצורה מבודדת ובטוחה", הוא אומר. כיוון ש-Seattle מאפשרת למשתמשים גישה לאינטרנט עם כתובות IP זרות, היא מאפשרת למפתחים לראות את האתרים או האפליקציות שלהם כפי שהם היו נראים במדינות אחרות. היכולת הזאת גם בעלת ערך רב במיוחד לאינדיבידואלים שמעוניינים לעקוף צנזורה מקומית.

עד סוף 2012 היו ל-Seattle 20,000 משתמשים. קאפוס ועמיתיו עובדים עכשיו על תוכנה שתאפשר גישה גם לחיישנים בטלפונים חכמים. מדענים יוכלו להשתמש בה כדי לבחון אפליקציות חדשות, כמו מנטר רעשי אדמה שמשתמש במד התאוצה של טלפון חכם כדי למדוד עצמה של רעש. בקרוב, קאפוס מקווה להשתמש ב-Seattle כדי לגלוש ברשת גם מתחנת החלל הבין-לאומית.

 

יש מדענים המשתמשים בכלים כדי להמציא מחדש את דרך ההבנה שלנו את העולם. אנדריאה ארמאני, מהנדסת כימיה באוניברסיטת סאות'רן קליפורניה, מעדיפה להמציא מחדש את הכלים עצמם. ארמאני מפתחת חיישנים שמאיצים את הגילוי המדעי בתחומי מחקר שונים רבים. הם עשויים גם לשמש כגלאים לנשק ביולוגי, פתוגנים הנישאים במים או רדיואקטיביות.

ארמאני בנתה 'חיישן חלל תהודה לזיהוי מולקולות בודדות קטנות במהירות ובדיוק'. "הוא עובד כמו קולן אופטי", היא אומרת. אור מאורך גל בודד מסתובב בתוך טבעת הסיליקה המיקרוסקופית של החיישן, בדיוק כמו שתו אחד מהדהד מהשיניים של קולן לכוונון כלי נגינה. כשמולקולה ביולוגית מתחברת לפני השטח של החיישן, היא משנה את אורך הגל שלה. ארמאני אומרת שניתן להשתמש במכשיר על מנת לזהות שרידי מחלה שטכניקות אחרות מפספסות. לאחרונה, היא החלה לבצע ניסויים כדי להבין טוב יותר כיצד סמים נקשרים למטרות שלהם.