2016: سنة علمية رائعة

الكواكب وموجات الجاذبية والفيروسات والبكتيريا وتحرير الجينات بطرق متقدمة وترميم الجهاز العصبي والتغير المناخي. الدراسات والأحداث العلمية العشر المتميزة في العام الماضي

يبدو أن العلم يتقدم بشكل أسرع وأسرع. التقنيات التي بدت خيالية حتى السنوات القليلة الماضية أصبحت حقيقة أمام أعيننا، على سبيل المثال إزالة الخلايا من الجسم وهندستها وراثيا بطريقة مبتكرة بحيث تهاجم الخلايا السرطانية وتعيدها إلى الجسم. ومن التقدم الآخر الذي تشرفنا أن نشهده هو ربط الجهاز العصبي بأجهزة الكمبيوتر التي تسمح للأشخاص المشلولين بتحريك أذرعهم وأرجلهم، ولمبتوري الأطراف بتشغيل الأطراف الاصطناعية الروبوتية بقوة الفكر.

هذه مجرد أمثلة على التقنيات المتقدمة التي حققت خطوات كبيرة هذا العام. وتنضم إليهم دراسات تلقي ضوءًا جديدًا على عالمنا - بدءًا من النظرة إلى نهايات الكون وصولاً إلى فهم أفضل للحياة على أبسط مستوياتها. قام نظام الموقع الإلكتروني لمعهد ديفيدسون لتعليم العلوم باختيار الدراسات والفعاليات العلمية العشر لعام 2016، وهي ملخصة هنا.

موجات الجاذبية: توقع أصبح حقيقة بعد 100 عام

ذكر ألبرت أينشتاين في نظريته النسبية العامة التي نشرها عام 1916 أن الكون عبارة عن شبكة من الزمكان، وأن جاذبية الأجسام المختلفة تشوه هذه الشبكة وتجعل الأجسام الثقيلة تجذب الأجسام الأخف إليها. ومن الاستنتاجات التي تنجم عن هذه النظرية أن حركات الأجسام الثقيلة سوف تنتج موجات جاذبية، أي ذبذبات صغيرة تنتشر بشكل دوري في الزمكان. ولعقود من الزمن، ظل العلماء يبحثون عن أدلة على وجود مثل هذه الموجات الجاذبية، لكنها ضعيفة للغاية لدرجة أنهم لم يتمكنوا من قياسها حتى باستخدام أجهزة الكشف الأكثر حساسية.

وفي فبراير من هذا العام، أعلن كاشف LIGO في الولايات المتحدة الكشف الأول عن الموجات جاذبية. إن مرصد LIGO، وهو مشروع مشترك يضم 144 دولة، عبارة عن مقياس تداخل - وهو جهاز يقيس الاختلافات الصغيرة بين شعاعي الليزر، المرسلين في اتجاهات مختلفة. تنتقل الأشعة في أنبوب مفرغ لمسافة 1,600 كيلومتر قبل أن تعود إلى الكاشف. وإذا ضربت موجة الجاذبية إحداهما، فإنها تزيد المسافة التي تقطعها بمقدار ضئيل، وبالتالي يتم إنشاء الفرق بين أوقات العودة.

كان تقرير مرصد LIGO عبارة عن تحليل لحدث تم التقاطه قبل بضعة أشهر بواسطة كاشفين، أحدهما في لويزيانا والآخر في ولاية واشنطن. وخلص الباحثون إلى أن الموجات نشأت نتيجة اصطدام ثقبين أسودين كبيرين قبل 1.3 مليار سنة. وفي وقت لاحق من العام، أفاد العلماء أنهم استقبلوا عدة أحداث أخرى في الكاشف. وفي الوقت نفسه، تتقدم الجهود إعداد كاشف لموجات الجاذبية في الفضاء.

يتيح لنا الكشف عن موجات الجاذبية النظر إلى الكون بطريقة لم تكن ممكنة حتى الآن، ودراسة الظواهر في مجالات الجاذبية القوية وفي الأجسام التي ينبعث منها القليل جدًا من الضوء، مثل الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية. ويأمل الفيزيائيون أيضًا أن يؤدي اكتشاف موجات الجاذبية إلى السماح أخيرًا بالخلق نظرية موحدة الذي يجمع بين الجاذبية والقوى الفيزيائية الأخرى.

(أنظر أيضا: موجات الجاذبية: أهم اكتشاف لعام 2016 بحسب محرري مجلة العلوم)

فيديو من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) عن كاشف LIGO واكتشاف موجات الجاذبية (باللغة الإنجليزية)

فيروس زيكا

وفي عام 2016، استضافت البرازيل دورة الألعاب الأولمبية في ريو دي جانيرو. وكان الكثيرون يخشون الوصول إلى البلاد، حتى أن بعض الرياضيين ألغوا مشاركتهم في الألعاب بسبب خوفهم منها فيروس زيكا. تم اكتشاف حمى زيكا، التي تنتقل عن طريق بعوضة الزاعجة المخططة، في منتصف القرن العشرين في أفريقيا، وفي وقت لاحق أيضًا في جنوب المحيط الهادئ. وعادة ما تكون حمى خفيفة للغاية، لكن تفشي المرض الذي بدأ في البرازيل في نهاية عام 20 كان مصحوبا بظاهرة أخرى - زيادة في عدد الولادات للأطفال المصابين بصغر الرأس، وهي متلازمة تتميز بصغر الرأس وإعاقات نمو وفكرية. .

العديد من الدراسات التي أجريت خلال العام عززت الفرضية القائلة بذلك بالفعل هناك علاقة بين فيروس زيكا والمتلازمة الشديدة. ومع ذلك، لا يزال من غير الواضح سبب ظهور المتلازمة بشكل شبه حصري في البرازيل وليس في أي مكان آخر، وكيف يسبب الفيروس هذا الضرر. وتم تشخيص بعض مرضى زيكا أيضًا في إسرائيل، ولكن ولا يوجد حاليا أي خوف من انتشار الفيروس في البلاد. وتستمر الجهود لتطوير لقاح ضد المرض حتى الآن.

دافئ، الاحترار، تبييض

تستمر التغيرات المناخية على الأرض في إعطاء إشاراتها في النظم البيئية المختلفة. بحث جديد يظهر ذلك الهواء الذي نتنفسه أكثر تلوثا (أنظر أيضا: ثمن التلوث - في موقع المعرفة) وأن تركيز ثاني أكسيد الكربون في الجو في تزايد مستمر.

ركزت العديد من الدراسات المنشورة في عام 2016 على التغيرات في البيئة البحرية، وخاصة على ظاهرة ابيضاض المرجان. على الرغم من أنها لا تبدو كذلك، إلا أن المرجان حيوانات. إنهم يعيشون في تكافل مع الطحالب الملونة التي توفر لهم منزلاً وتوفر لهم الطعام. تؤدي ظروف الإجهاد، وخاصة ارتفاع درجة حرارة الماء، إلى انفصال الطحالب عن المرجان ونتيجة لذلك يبيض المرجان ويموت في النهاية.

دراسة نشرت هذا العام ووجدت أن جميع مناطق الحاجز المرجاني العظيم تقريبًا قبالة سواحل أستراليا قد تعرضت للابيضاض بدرجة أو بأخرى، وفي بعض الأماكن مات أكثر من نصف الشعاب المرجانية. ويقدر الباحثون أن التعافي من هذا الضرر سيستغرق عقودًا، وبحلول ذلك الوقت سيتم إلحاق ضرر كبير بالتنوع البيولوجي للشعاب المرجانية. (أنظر أيضا: تأثير ارتفاع درجة الحرارة على الحياة في البحر - على موقع العلوم)

إن الانفتاح على التفاؤل يأتي من دراسة شارك فيها البروفيسور يوسي ليفيا من جامعة تل أبيب. اكتشف الباحثون ذلك نوع من الطحالب مقاوم لدرجات الحرارة المرتفعة نسبيا. ربما يكون هذا التسارع هو السبب وراء تأثر الشعاب المرجانية في البحر الأحمر والخليج العربي بالاحتباس الحراري مقارنة بالشعاب المرجانية في أجزاء أخرى من العالم. ولا يزال الباحثون غير متأكدين مما إذا كان هذا النوع منفصلاً من الطحالب التي تعيش مع الشعاب المرجانية، أو أنواعًا أكثر مقاومة للحرارة هي التي نجت في هذه المناطق. في غضون ذلك، لا توجد أيضًا إجابات على الأسئلة حول ما إذا كانت هذه الطحالب قادرة على المساعدة في استعادة الشعاب المرجانية في مناطق أخرى، وما إذا كانت ستستمر بنفسها إذا استمرت المياه في الدفء بمعدل متزايد.

عالم ملون يختفي. فيديو (باللغة الإنجليزية) عن ابيضاض المرجان في الحاجز المرجاني العظيم في أستراليا

الحد الأدنى اللازم

يتكون الحمض النووي للإنسان من حوالي ثلاثة مليارات زوج قاعدي، وأكثر من 20 ألف جين مختلف. إلى بكتيريا E. كولاي لا يوجد سوى حوالي خمسة ملايين زوج أساسي، وحوالي 4,0000 جين. إلى أصغر بكتيريا طبيعية معروفة لنا، الميكوبلازما التناسلية، لا يوجد سوى حوالي 580 ألف زوج أساسي و475 جينًا. هل هذا حقا هو الحد الأدنى المطلوب للحياة؟

حاول كريغ فنتر، الذي يملك معهد أبحاث في كاليفورنيا، وباحثو المعهد اختبار هذا السؤال من خلال إنشاء بكتيريا صناعية ذات جينوم صغير قدر الإمكان. استخدم الباحثون نوعًا مختلفًا من الميكوبلازما، م. ميكويدس: قاموا بإفراغ البكتيريا من المادة الوراثية، وقاموا بهندسة الحمض النووي الخاص بها في المختبر وزرعوا الحمض النووي المهندس فيها، وفي كل مرة فقدوا أجزاء أخرى. اختبر فينتر وزملاؤه بقاء البكتيريا في مجموعات مختلفة، وفي النهاية تم تصميم بكتيريا تُعرف باسم Syn-3، ويحتوي على عدد ضئيل للغاية من الجينوم: 531 ألف زوج أساسي و4733 جينًا.

وتعيش البكتيريا ذات الحد الأدنى من الهندسة في ظروف المختبر، ولكن من غير الواضح ما إذا كانت ستتمكن من البقاء على قيد الحياة في ظروف أكثر عدائية. الجينات الأساسية هي المسؤولة بشكل رئيسي عن استقلاب السكر والتعامل مع المادة الوراثية. ولا يزال الباحثون يجهلون دور 149 جينًا من جينات البكتيريا، وهي ما يقرب من ربع جميع جيناتها، ومن المرجح أنها ضرورية في التعامل مع التغيرات في البيئة المتنامية. ويأمل الباحثون في اختبار ذلك في دراسات المتابعة، ومعرفة ما هو مطلوب حقًا للعيش، على الأقل على المستوى الجيني.

أول بكتيريا صناعية. مقالة قصيرة (باللغة الإنجليزية) عن البحث الذي أجراه كريج فينتر وفريقه

البكتيريا المسمنة

بينما ينتج البشر بكتيريا رقيقة للغاية، اكتشف الباحثون في معهد وايزمان للعلوم كيف تنتج البكتيريا أشخاصًا بدينين للغاية، خاصة بعد أن يكونوا نحيفين بالفعل. اكتشف الدكتور عيران ألينيف وزملاؤه أن النظام الغذائي يغير تركيبة البكتيريا المعوية لدينا، وربما يكون هذا التغيير أحد أسباب زيادة الوزن المتكررة بعد التخفيض الفعال للوزن بفضل التغيير في النظام الغذائي.

ورأى الباحثون أنه في الفئران التي اكتسبت وزنا ثم فقدت الوزن مرة أخرى، أدى العلاج بالمضادات الحيوية الذي يقتل البكتيريا المعوية إلى تقليل إعادة السمنة. وحتى عندما زرعوا بكتيريا الأمعاء في فئران خالية من هذه البكتيريا، اكتسبت الفئران التي تلقت بكتيريا من فئران كانت تعاني من السمنة المفرطة وزنا أكبر وأصيبت بمرض السكري أكثر.

الدراسة التي أجراها ألينيف وزملاؤه ويشير إلى أن المسؤولين عن هذه الظاهرة هم على الأرجح مركبات الفلافونويد، وهي مواد تساعد البكتيريا المعوية على تحطيم الدهون. في الفئران السمينة، أو التي كانت تعاني من السمنة سابقًا، يوجد عدد قليل من مركبات الفلافونويد، وبالتالي تجد صعوبة في تحطيم الدهون. وأظهر الباحثون أن إضافة مركبات الفلافونويد ساعدت الفئران على تخفيف السمنة المتكررة، ويأملون الآن أن يكون هذا الاكتشاف أساسًا لتطوير علاج يساعدنا على إنقاص الوزن والحفاظ على وزننا الجديد.

فيلم البكتيريا المقاومة

وهناك دراسة إسرائيلية أخرى حول البكتيريا، والتي أثارت ضجة كبيرة هذا العام، كان لها بعد سينمائي. البروفيسور روي كيشوني من التخنيون وجامعة هارفارد تم توثيقه بطريقة غير عادية لتطور مقاومة المضادات الحيوية في البكتيريا. استخدم الباحثون طبق بتري ضخمًا، وهو عبارة عن جدول نمو بقياس 120 × 60 سم. كان تركيز المضاد الحيوي عند حافة الركيزة منخفضًا نسبيًا، ويزداد كلما اقتربت من المركز. وفي منتصف الطاولة كان هناك تركيز أعلى بـ 1,000 مرة من التركيز الموجود عند الحواف.

زرع الباحثون البكتيريا في الهوامش، ورأوا أنه عندما يستهلكون الطعام بتركيز المضاد الحيوي الحالي، يتم إنشاء طفرات يمكنها البقاء على قيد الحياة عند التركيز التالي، وتنتشر إليه. وفي غضون 12 يومًا فقط، تم إنشاء بكتيريا مقاومة لأعلى التركيزات، وأتاح التوثيق الفوتوغرافي للمشهد تحليل مراحل العملية.

علاوة على ذلك، اكتشف الباحثون أن البكتيريا الأكثر نجاحا لا تمتلك آلية المقاومة الأكثر كفاءة، بل تلك التي تكتسب المقاومة الكافية بشكل أسرع. وكشف البحث أيضًا عن العديد من جينات المقاومة غير المعروفة سابقًا، مما يوفر رؤى جديدة حول إمكانيات التعامل مع البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية، والتي تقتل المزيد والمزيد من الناس كل عام.

البكتيريا التي تعيش في الفيلم. الفيديو الذي صوره كيشوني وزملاؤه مع شرح حول اكتساب مقاومة المضادات الحيوية (الترجمة العبرية)

قريب جدا

نظام سنتوري الشمسي هو الأقرب إلى شمسنا، ويبعد عنا حوالي 4.25 سنة ضوئية فقط. وهو يتألف من ثلاث شموس، A، B وبروكسيما. بروكسيما سنتوري هو قزم أحمر - شمس صغيرة شاحبة، أخف من شمسنا بثماني مرات. وفي أغسطس 2016، أعلن باحثون من مرصد جنوب أوروبا عن ذلك اكتشاف كوكب في منطقة القمر حول بروكسيما سنتوريأي على مسافة من شمسها تسمح بوجود الماء السائل على سطحها.

وتم اكتشاف وجود الكوكب، وهو أكبر قليلا من الأرض، من خلال قياسات دقيقة لدورانه الشمسي. وتشير الانحرافات الطفيفة لدوران الشمس عن مركز جاذبيتها إلى وجود جسم يسحبها "للخارج"، وتشير الحسابات إلى أنه كوكب قد يكون صخريا بالنسبة لحجمه، وأنه يدور حول شمسه مرة كل 11.2 مرة من الأرض. أيام.

وأشعل هذا الاكتشاف خيال الكثيرين، لاحتمال وجود حياة على بعد أربع وربع سنة ضوئية فقط منا. ومع ذلك، ما زال الوقت مبكرًا للاحتفال: لم يتم تصوير هذا الكوكب بعد، وليس لدينا أي دليل على وجود حياة بالفعل هناك. ولا نعرف ما هي الظروف السائدة على سطحها، باستثناء درجة الحرارة المحسوبة - إذا كان هناك ماء، فما هي شدة الإشعاع، وإذا كانت الأرض صلبة، وإذا كان لها غلاف جوي.

علاوة على ذلك، في حين أن هذا الكوكب قريب جدًا من الناحية الكونية، فإنه لا يزال بعيدًا جدًا من الناحية العملية. حتى أقصر محادثة مع كائنات ذكية قد تكون هناك ستتطلب سنوات عديدة - سيشق السؤال والجواب طريقهما بين الكوكبين لمدة 8.5 سنة. ستستغرق الرحلة إلى هناك بأسرع السفن الفضائية الموجودة تحت تصرفنا حوالي 70 ألف عام. في هذه الأثناء، يكتفي العلماء بمحاولة البحث عن أدلة على وجود الحياة، مثل علامات وجود مواد عضوية على الكوكب المثير للاهتمام، وأيضا بأحلام لقاء سكانه.

(المزيد عن الموضوع على موقع العلوم - رحلة عالم الفيزياء الفلكية الإسرائيلي إلى بروكسيما سنتوري - الخطة هي إطلاق أسطول من المركبات الفضائية الصغيرة التي ستطير إلى ألفا سنتوري خلال فترة زمنية معقولة - 20 عامًا ونقل النتائج من هناك)

فيديو رسوم متحركة جميل (باللغة الإنجليزية) يشرح كيفية اكتشاف الكوكب وما يعرف عنه وما لا يعرف ولماذا سيكون من الصعب الوصول إليه

تم قطعها في التحرير

مثلما نمرض أحيانًا بسبب البكتيريا أو الفيروسات التي تهاجمنا، فإن البكتيريا أيضًا لها أعداء، خاصة الفيروسات، التي تصيبها بالعدوى. لدينا جهاز مناعة يتعامل مع الغزاة، ولدى البكتيريا نظام يسمى كريسبر/كاس9. يقوم الفيروس الغازي بدمج مادته الوراثية في الحمض النووي للبكتيريا، وعندما يكتشف نظام كريسبر مثل هذه التسلسلات المصابة، فإنه يستخدم بروتينًا يسمى Cas9 ويقطعها. إن اكتشاف طريقة عمل هذا النظام في السنوات الأخيرة قد زود الباحثين بأداة دقيقة لتحرير الجينات: يتم إنشاء تسلسل كريسبر في المختبر بحيث يتعرف على منطقة معينة من الجينوم ويلتصق بها، ومن ثم يقطع البروتين. بها حسب الرغبة.

في العام الماضي كانت هناك العديد من التطورات في استخدام كريسبر. فى يونيو أول تجربة سريرية تمت الموافقة عليها في الولايات المتحدة في علاج مرضى السرطان بالطريقة الجديدة. ويقوم الباحثون بإزالة الخلايا من الجهاز المناعي للمرضى الذين يعانون من عدة أنواع من السرطان، وتعديل جيناتها وإعادتها إلى جسم المريض. أثناء التحرير، يتم زرع جين البروتين الذي يحدد الخلايا السرطانية في الخلايا ويتم إزالة جينين آخرين قد يضعفان فعاليته. لم يكن الهدف من هذه التجربة اختبار فعالية علاج السرطان نفسه، بل كان الهدف منها التحقق من سلامة الطريقة.

أفاد باحثون من السويد والصين هذا العام بذلك تم بنجاح تحرير الجينات في الأجنة البشرية في هذه الطريقة. لقد عالجوا الأجنة التي تم إنشاؤها في المختبر وقاموا بتدميرها في النهاية ولم يزرعوها في الرحم، لكنهم أفادوا أن الأجنة تطورت بنجاح طوال الوقت. على الأرجح، في السنوات المقبلة، ستصبح تقنية كريسبر أداة مركزية في العديد من العلاجات الجينية والطب الشخصي، وسوف تظهر المزيد والمزيد من الاستخدامات لها كأداة للبحث العلمي.

في نفس الموضوع - مقابلة للموقع العلمي لأحد مطوري طريقة كريسبر/كاس9 فيرجينيوس شيكشينيس من جامعة فيلنيوس)

الروبوت الموجود بداخلنا

جاء إنجاز علمي آخر هذا العام من المجال المعروف باسم "الواجهة بين الدماغ والآلة". في دراسة دولية، تمكن باحثون من الولايات المتحدة وأوروبا والصين من استعادة القدرة الحركية للقرود التي أصيبت ساقها بالشلل بسبب إصابة الحبل الشوكي. لا يمكن للألياف العصبية الموجودة في الحبل الشوكي أن تتجدد، ولكن تمكن الباحثون من إنشاء تجاوز استخدام أقطاب كهربائية متصلة بالدماغ ونقل الإشارات الكهربائية الخاصة بالنشاط الحركي إلى شريحة مزروعة في نهاية العمود الفقري للقردة. وبعد بضعة أيام، أصبحت القرود قادرة بالفعل على المشي على ساقها المشلولة بمساعدة التكنولوجيا الجديدة.

نجح باحثون من الولايات المتحدة في دراسة رائدة أخرى - استعادة حاسة اللمس لمبتوري الأطراف بغير أيديهم من خلال التحفيز الدقيق للخلايا العصبية المناسبة. يعد حاسة اللمس الجيدة أمرًا ضروريًا للتشغيل الفعال للأذرع الآلية التي يتحكم فيها الدماغ. في السنوات الأخيرة، تحققت عدة نجاحات في تفعيل مثل هذه الأذرع باستخدام أقطاب كهربائية مزروعة في أدمغة مبتوري الأطراف، ويوفر البحث الحالي ردود فعل تسمح لليد بتغذية معلومات الدماغ حول الشيء الذي تستشعره. وبهذه الطريقة، يستطيع الدماغ ضبط قوة القبضة، أو طبيعة الاتصال، ويعطي الفعل بعدًا أكثر إنسانية.

وتنضم هذه النجاحات إلى العديد من الإنجازات التي حدثت في السنوات الأخيرة، مما يقربنا أكثر فأكثر من تنشيط الأطراف المشلولة وربط الأطراف الصناعية بجهازنا العصبي.

القرود تعود للمشي مرة أخرى بفضل التكنولوجيا الجديدة. فيديو عالم جديد يعرض البحث

تحقيق العدالة

كوكب المشتري هو أكبر كوكب في المجموعة الشمسية، لكن لم يمر عليه سوى عدد قليل جدًا من المركبات الفضائية، ودخلت واحدة فقط منها في مدار حوله. حتى هذا العام. في يوليو 2016 دخلت المركبة الفضائية الأمريكية جونو مدارها حول كوكب المشتريبعد رحلة استغرقت خمس سنوات في الفضاء. ووصل إلى مسافة بضعة آلاف من الكيلومترات فقط من طبقة السحب المحيطة به وقدم بالفعل صورًا مذهلة للعملاق الغامض.

خلال مهمة من المفترض أن تستمر عامين، من المتوقع أن يفك جونو بعض أسرار كوكب المشتري، بما في ذلك طبيعة البقعة الحمراء العظيمة - على ما يبدو عاصفة عملاقة تشبه الإعصار ظلت مستعرة منذ مئات السنين، ويحاول معرفة ما إذا كان لدى العملاق الغازي أيضًا نواة صلبة. ويضم فريق تشغيل أدوات جونو باحثين إسرائيليين - الدكتور رويت خالد من جامعة تل أبيب والدكتور يوهاي كاسبي من معهد وايزمان للعلوم، اللذين قالا عندما دخلت المركبة الفضائية المدار: "إن مهمات مثل هذه توفر فرصة فريدة لاختبار عن كثب نظريات حول كوكب المشتري. لا نعرف ما الذي سنكتشفه، ومن المحتمل جدًا أن تظهر أسئلة جديدة بعد النتائج. وهذا هو الشيء الجميل، أن هذه المهمة ستفتح آفاقًا جديدة للعلم".

آفاق جديدة للعلوم. فيديو مذهل لصحيفة نيويورك تايمز (باللغة الإنجليزية) عن كوكب المشتري ومهمة جونو