מה זה ביולוגיה דיגיטלית?

(מאת: ד"ר פייר בנבניסט, מתוך אתר האינטרנט www.digibio.com)

בכדי להסביר מהי ביולוגיה דיגיטלית, יש להסביר ראשית את העקרונות עליהם היא מתבססת. מטרת המאמר היא לא להביא תוצאות ניסויים מדעיים, אלא לנסות ולהסביר לאדם הרגיל, במונחים הפשוטים ביותר, גישה אחרת זו, שהיא חדשנית ביותר, לביולוגיה. אני מקווה כי הדברים יעזרו לכולם, מדענים ושאינם כאלה, אשר קשה להם "לעשות את הקפיצה".

ואמנם, העניין קשה לתפישה: האם הפעילות המיוחדת של מולקולה פעילה ביולוגית (היסטמין, קפאין, ניקוטין, אדרנלין), שלא לדבר על תווית ההיכר החיסונית של וירוס או בקטריה, יכולה להיות מוקלטת, לעבור דיגיטציה, בכרטיס קול של מחשב ביתי, כמו כל צליל אחר? זה כמו לדמיין את ארכימדס מנסה להבין את פעולתו של מכשיר טלפון פשוט, כשאומרים לו שאם ישתמש בו, יישמע קולו בצד השני של העולם, כאשר בכלל לא הסברנו לו את טבעם של גלי הקול ואת תרגומם לאלקטרו-מגנטיות.

החיים תלויים באותות המועברים בין מולקולות. למשל, כאשר אתה מתרגז, האדרנלין בגופך "אומר" לקולטן שלו, ורק לקולטן שלו (שהרי כמולקולה נאמנה לחלוטין, הוא אינו מדבר עם אחרת), לזרז את קצב פעולת הלב, לכווץ צינורות דם היקפיים, וכו'. בביולוגיה, משתמשים במילים "אות (סיגנל) מולקולרי" לעתים קרובות. ואולם, גם אם תשאל את הביולוג המדופלם ביותר מהו טבעו הפיסיקלי של אותו 'אות מולקולרי', הוא מביט כאילו לא הבין את השאלה ובוהה בך בעיניים גדולות. למעשה, הביולוגים נצמדים לפיסיקה קרטזיינית (=של Descart) מאובנת משל עצמם, מרוחקת עד כמה שניתן מהפיסיקה המודרנית, לפיה המגע הפשוט בין שני מבנים המתחברים ביניהם (חוקי ההתנגשות של Descart אשר אומצו בזריזות ע"י Huigens) יוצר אנרגיה, ובכך מאפשר את מעבר האינפורמציה. במשך שנים, שיננתי דברי תורה שבע"פ אלה והאמנתי בהם מבלי לקלוט את האבסורד שבהם, בדיוק כפי שהמין האנושי לא קלט את האבסורד באמונה שהשמש סובבת סביב הארץ.

האמת, המבוססת על עובדות, פשוטה מאד. אין היא דורשת "הריסת עולמות הפיסיקה והכימיה" כלשהי. העובדה שמולקולות רוטטות ידועה כבר כמה עשורי שנים.

כל אטום וכל מולקולה וכל קשר תוך-מולקולרי – הקשר המחבר את האטומים – פולטים קבוצה של תדרים ייחודיים. תדרים אלה, של מולקולות פשוטות או מורכבות, נקלטים אחרי מסע של מיליארדי שנות אור גם בטלסקופים של רדיו. ביו-פיסיקאים מתארים תדירויות אלה כמאפיינים הבסיסיים והמהותיים ביותר של החומר, אבל הביולוגים אינם חושבים כי גלים אלקטרו-מגנטיים יכולים לשחק תפקיד חשוב בפעילות המולקולות עצמן. איננו מוצאים את המילים 'תדירות' או 'אות' (במובן הפיסיקלי של המילה) במאמר כלשהו על אינטראקציה מולקולרית, ואם משתמשים בהן – לפחות בצרפת – זה יכול להוות עילה לנידוי של כל ביולוג מתחצף ע"י משרד האפיפיור המדעי…

הייתי רוצה, כמו ארכימדס, שיבריק בי רעיון מקורי באמבטיה: "יוריקה! הויברציות של המולקולות לא קיימות כדי שיוכלו לרקוד סלסה בנשף מוצ"ש; אלה הן כלי העבודה שלהן, אשר בעזרתן המולקולות שולחות הוראות למולקולה הבאה ברצף הריאקציות המביא לפעילות ביולוגית, וקרוב לוודאי גם לפעילות כימית". אבל, לא כך התמזל מזלי. עבדתי בשיטה ניסויית מדעית טהורה. אחרי 8 שנות מחקר, בסביבות 1991, הראו מחקרי שניתן להעביר אותות מולקולריים ייחודיים על ידי שימוש במגבר ובסלילים אלקטרו-מגנטיים. ביולי 1995 הקלטתי אותות כאלה והשמעתי אותם מחדש בעזרת מחשב מולטימדיה. כרטיס קול במחשב מקליט תדירויות של עד 20,000 הרץ. במהלך כמה אלפי ניסויים, גרמנו לקולטנים (ספציפיים למולקולות פשוטות או מורכבות) ל"האמין" שהן קרובות למולקולות החביבות אליהן, על ידי השמעה של התדירויות המוקלטות של מולקולות אלה. בכדי להגיע לתוצאות אלה יש לבצע שתי פעולות: 1. להקליט את פעילותו של חומר כלשהו על המחשב, 2. ל"נגן" אותה שוב למערכת ביולוגית הרגישה לאותו חומר. לפיכך, יש סיבה טובה לחשוב שכאשר המולקולה עצמה נמצאת ליד הקולטן שלה, היא עושה אותו דבר בדיוק: היא פולטת תדירויות אשר הקולטן שלה מסוגל להכיר.

כלומר:
אות מולקולרי יכול לבוא לידי ביטוי ביעילות על ידי שלל תדירויות בין 20 ל-20,000 הרץ, אותו טווח של הקול האנושי או של מוסיקה. כבר כמה מאות שנים שבני אנוש מייחסים תדירויות של צלילים למנגנונים ביולוגיים, הלוא הם – הרגשות. האות להתחלתו של רומן אהבה אינו ניתן בנגינה חוזרת ונשנית של מרש ה'מרסליה' מתחת המרפסת החדשה שלנו, ושיר הערש של ברהמס לא בדיוק נכתב לחיילים המסתערים מהחפירות. מלחינים של מוסיקת רקע במעליות או בחנויות משתמשים בנאורו-פסיכולוגיה, מבלי שידעו זאת. צלילים גבוהים ומהירים מעוררים קלות של רוח, צלילים גבוהים ואיטיים – מתיקות; צלילים שהם גם עמוקים וגם מהירים מעוררים את הרוח הלוחמת, ואילו צלילים עמוקים ואיטיים מעוררים רגשות רציניים, עצובים ומתאבלים. אלה הן תופעות שהן ביסודן מוחיות, פיזיקו-כימיות, המאותחלות על ידי תדירויות מוגדרות. כאשר אנו מעבירים פעילות מולקולרית מוקלטת למערכות ביולוגיות, אנו עושים בדיוק אותו דבר.

מערכות ביולוגיות מתפקדות כמקלטי רדיו, בתהודה משותפת. אם תכוון מקלט רדיו ל-102.3 FM תקבל גלי צה"ל, מאחר וגם המקלט וגם המשדר רוטטים באותה תדירות. אם נשנה את כיוון התחנה רק קצת, נאמר ל-102.4, איננו קולטים יותר גלי צה"ל אלא משהו אחר.

התפתחויות אלה בהבנתנו את המנגנונים הפנימיים ביותר של איתות והכרה מולקולריים, אינן מבטלות את מדע הביולוגיה, ואף פחות מכך את הפיסיקה והכימיה. לא פגענו כלל בתיאורים הקלאסיים, אלא רק צעדנו צעד אחד קדימה על ידי הוספת תוספת לגוף הידע הנוכחי. זהו המהלך הנורמלי של התקדמות המדע, ואין כל סיבה שייצור התנגדות או שנאה.

כעת אנו יכולים להבין כיצד מיליוני מולקולות ביולוגיות יכולות לתקשר (במהירות האור) ביניהן, כל אחת עם המולקולה המתאימה רק לה – שהרי זוהי הדרישה הבסיסית לתפקוד כל מערכת ביולוגית… ומדוע שינויים כימיים מזעריים גורמים לתוצאות משמעותיות מאד: שינויים מבניים שהביולוגים מתקשים להסביר. בכך שהחליטו כי רק למבנים יש פעילות, מוצאים עצמם הביולוגים בתקופה פרה-ניוטונית אשר בה תנועת הגופים השמימיים תוארה על ידי תלמי כספירות מעגליות (epicycle). מכאן נובעת אי יכולתה של הביולוגיה בת זמנינו להסביר את המגיפות הגדולות של סוף המאה (ראה מאמרי ב-Le Monde מ-22 למאי 1996, אשר לא קיבל תשובה עד היום). המעבר מהביולוגיה הקשוחה של מבנים לזו של אינפורמציה העוברת במהירות האור, יכול להיות מושג ללא מהפיכה. בניגוד למה שנטען בטיפשות על ידי רכילות מדעית, הקלטת פעילותן של מולקולות אינו רומז יותר על הכחשת קיומן (אחרי הכל, מסרים אלקטרו-מגנטיים ייחודיים למולקולה צריכים לבוא מאיזשהי מולקולה), מאשר הוא רומז על הכחשת חוק הפעולה בהתאם למסה, האומר כי התוצאה תלויה ישירות במספר המולקולות. אחרת, ניתן היה לצפות להיעלמותו של הזמר אחרי הקלטת קולו! במילים אחרות, איננו מתעלמים לא ממתג החשמל ולא מהנורה. אנחנו רק טוענים, כי חוט שבו זורמים אלקטרונים מקשר בין השניים. אנחנו לא עוברים לעולם אחר, אלקטרו-מגנטי, אותו אנו מחליפים בעולם המולקולות הישן. אנחנו תופשים, מעתיקים, מעבירים, ובקרוב גם משנים, אותות אלקטרו-מגנטיים הנפלטים ממולקולות במהלך תפקודם הרגיל.

ומה הקשר למים בכל האמור לעיל?

המים הם כלי הרכב של המידע. העניין חייב להיות כך מאחר ועל כל מולקולה של חלבון יש בגוף האדם כ-10,000 מולקולות מים. גם עם המסקנה לעיל אין כל בעיה רצינית: גם צוללת מתקשרת עם הבסיס שלה בעזרת גלים קצרי תדר אלקטרו-מגנטיים, ולא בתחום תדירויות המגהרץ, אשר אינן חודרות מים. לאחרונה השלמנו מספר ניסויים פשוטים ביותר, בהם הראנו כי מולקולה בריכוז פעילות נורמלי, אינה מתפקדת ללא נוכחות מים כמדיום. הוספת המים אינה מספיקה כדי להחזיר לה את הפעילות; יש להודיע להם על כך. במילים אחרות, כאשר מולקולות מאתחלות תהליך ביולוגי, הן לא נותנות ישירות את האות לכך. העבודה הסופית נעשית על ידי המים שבהיקפן של המולקולות, אשר מתרגמים את האותות וכנראה גם מגבירים אותם. זה בדיוק כמו שתקליטור לא יוצר את הצלילים לבדו. הוא רק נושא מידע אשר אותו מגבירה מערכת אלקטרונית.

מהו "הזיכרון של המים?"

זה כבר דבר יותר מסתורי, אבל לא יותר מסתורי מאשר העובדה כי זהו חומר הנוצר משני גזים והוא נוזל בטמפרטורת החדר, אשר מתפשט עם התקררותו. במים תוארו גם שדות קוהרנטיים שהם בעלי תכונות הדומות ללייזר(E. del Giudice, G. Preparata, G. Vitiello (1988) 'Water as a free electric dipole laser', Phys. Rev. Lett. 61:1085-1088). רק לאחרונה נתגלה וזוהה גביש קרח מסוג מיוחד שהוא יציב יותר (לא ניתך) ויש לו שדה חשמלי. אין ספק שהפיסיקאים לא יהיו מובטלים עוד זמן רב! ואולם המים לא היוו נושא למחקר עבורי בזמן האחרון. מה שמעניין אותי עכשיו זה לא טבעו של המדיום המגנטי וכיצד הוא עובד, אלא המסרים המוקלטים בו, אשר יכולים לעבור הקלטה ושידור. לאור תוצאות המחקרים שלנו, אנו משוכנעים כי חשפנו את טבעו הפיסיקאלי של האות המולקולרי. העיקרון הוא פשוט בדיוק כמו עקרון הפיצוץ של תערובת דלק ואוויר, רק שהתוצאות הן מרחיקות לכת ביותר. פירטנו אותן במקום אחר, אך להלן התקציר:

בימינו, הדרך היחידה לזהות מולקולה היא לקחת דוגמא ממנה, לעתים באופן פולשני או אף הרסני, ולהביאה למעבדה. בעזרת השיטה הדיגיטאלית, אנו משתמשים באות, אשר ניתן לשדרו ולעבדו בקצה השני של העולם בעזרת כלי תקשורת קלאסיים. בשיטה זו ניתן לגלות ולזהות חומרים רעילים, חלבונים (אנטיגנים, נוגדנים, פריונים וכו') או קומפלקסים מולקולאריים (טפילים, חיידקים, וירוסים, תאים לא נורמאליים) ללא כל מגע פיסי! צריך לציין, כי כיום אין שיטות לזיהוי פריאונים בגוף החי, ויש לכך השפעות ידועות על התפשטות מגיפות ועל הכלכלה. זיהויים של נוגדנים ואנטיגנים, אם נזכיר רק את קצהו של התחום, הוא עיסוקם הראשי של מעבדות קליניות ביולוגיות רבות. יותר מכך, תוצאות מסוימות מראות על כך ששיטות כאלה יכולות להיות בשימוש בתעשיית הכימיה וכן למעקב אקולוגי, למשל לזיהוי מרחוק של מיקרו-אורגניזמים או מוצרים מצמחים שעברו הנדסה גנטית.

לפרויקטים אלה כאשר יושלמו, תהיה השפעה מדהימה על נוהלי הדיאגנוזה הרפואית ועל תעשיית המזון, בעלת מטען טכנולוגי וכלכלי גם יחד.

ושאלה אחרונה: מדוע המדענים כל-כך מתנגדים להתפתחותו של המדע? האם זה כדי להגן על מנת המזון שלהם? מדוע, בשם כל הדוגמות הטיפשיות שרובן הוכחו בהיסטוריה של המדע כקצרות מועד, הם דוחים פיתוחים אשר מקדמים את המדע שלהם עצמם? האם פיתוחים אלה מאיימים על האמיתות המעט שבירות שלהם? אלה הן בהחלט לא שאלות תיאורטיות, כי הרי אנשים אלה הם יועצים מכובדים, המייעצים למקבלי החלטות בתחום המדיני והתעשייתי. הם מכוונים – לרוב על ידי השלכתם לסל- יישומים חדשים הזורמים מההתקדמות המדעית. אינני יודע מאין באים חסמים מנטאליים אלה, אך הם, לפחות בתיאוריה, אינם עולים בקנה אחד עם התפקוד המדעי. הנה ציטוט (מתוך האנציקלופדיה הצרפתית האוניברסאלית, על מכניזם), המראה כי אמנם, חסמים אלה הם נצחיים:

"דוגמא טובה לדילמה של ה-'מכניזם' נראית בהתנגדות של הקרטזיאנים לראיית העולם הניוטונית, אשר קראה תגר, כך הם הרגישו, על המדע החדש ודחפה חזרה את החשיבה המדעית לדרגה שמתחת למה שה 'מכניזם' כבר השיג. הבעיה היא, שתנועה אפשרית, לפי דה-קרט, רק אם יש מגע וכוח מניע. פעולה כתוצאה ממשיכה מרחוק, כפי שפונטנה תיאר, יכולה להיות מוסברת רק על ידי חזרה לפיסיקה של תנועה סימפטתית בעלת מאפיינים של תורת הנסתר. בצורה זו הם הוציאו את ניוטון בכלל מכל דיון מדעי והאשימו אותו בהתעלמות מהאמת. כך התנגדה הקהילה המדעית הצרפתית לתורה הניוטונית למשך זמן רב, או שהעדיפה להתעלם ממנה… וה'מכניזם' נשאר חסום מפני שהיה כביכול מכשול למדע. ניוטון היה כמובן יותר תומך ב'מכניזם' מאשר מתנגד לה, בכך שהציע שישנן צורות נוספות של מכניקה פיסיקלית, בהן תיתכן תנועה אחרת מזו הנוצרת במגע פשוט בין גופים'.