הריקוד המואר של הטבע

“בחר עבודה שאתה אוהב, ולא תצטרך לעבוד עוד יום בחייך”. הציטוט הזה, שמיוחס לפילוסוף הסיני קונפוציוס, מתאר עשרות רבות של חוקרים שפגשתי בשנים האחרונות, אם לשפוט לפי הזיק שניצת בעיניהם כאשר הם נדרשים לספר על המחקר שלהם. אבל גם בין החוקרים הללו יש מספר מועט ביותר של חוקרים שהעניין שלהם במחקר ספציפי החל בעקבות עיון אקראי בספר, ולא שכך גם אחרי שנים. נדמה שהקסם האופף את נושא המחקר שאספר עליו בכתבה זו – בכוחו לכבוש את לב כולם.

הכירו את אורית פלג, ביופיזיקאית וחוקרת מדעי המחשב. היא למדה בבר-אילן ובאוניברסיטת ETH בציריך, וכיום מכהנת כפרופסור באוניברסיטת קולורדו בבולדר. אחד ממושאי המחקר שלה הוא גחליליות – אותן חיפושיות קטנות שמהבהבות בלילות באור יקרות, מתגוררות בחורשות וביערות, ועל אף שיש 11 מינים שלהן בארץ, כנראה רובכם לא נתקלתם בהן. גם במקום מושבה של פלג הגחליליות אינן מראות את זיו גחונן בתדירות גבוהה במיוחד.

פלג היא נציגה מובהקת של הדור הצעיר והחדשני בביופיזיקה העולמית. ענף הביופיזיקה מבקש לפצח בעיות וחידות בעולם החי והצומח מנקודת מבט של מכניקה סטטיסטית, מודלים מורכבים, משוואות דיפרנציאליות ובעשורים האחרונים גם ניתוח של נתוני עָתֵק (ביג דאטה). התחום שבו עוסקת פלג נקרא לעיתים בשם “פיזיקה של חומר פעיל” (ובאנגלית Active Matter). התחום הזה מבקש לנתח את פעילותו של החומר החי דרך פירוקו ליחידות יסודיות (שמכונות באנגלית agents) שמקיימות ביניהן יחסי גומלין פיזיקליים בסיסיים. מיחסי הגומלין המקומיים של הפרטים עשויה להתהוות התנהגות קולקטיבית מורכבת שבדרך כלל לא נצפית במערכות דוממות. דוגמה אחת לכך היא ההתנהגות המשותפת של נחילי גחליליות. 

המפגש של פלג עם גחליליות החל כאשר קראה את “Nonlinear Dynamics and Chaos”, ספרו של המתמטיקאי ומנגיש המדע היהודי-אמריקאי סטיבן סטרוגץ (Strogatz) – ספר אלמותי שעוסק בדינמיקה לא-ליניארית ובתורת הכאוס, וגם כותב מילים אלה התחנך על ברכיו. באחד הפרקים מספר סטרוגץ על מודל מתמטי המתאר הבהוב של גחליליות, אשר משפיעות זו על הבהובה של זו עד אשר כל הנחיל מסתנכרן ומאיר בקצב מתואם. הדוגמה הזו, שממחישה את היכולת לחשב תופעת טבע יסודית באמצעות משוואות, הקסימה את פלג. שנים אחר כך, כשהייתה בשלב מתקדם של הכשרתה, היא נזכרה בה – וכל הכוכבים הסתדרו בשורה.

תיאום מערכות

רק חלק קטן ממיני הגחליליות מסוגל להסתנכרן. יש הטוענים שהופעת הסנכרון נובעת ממניעים הישרדותיים, על מנת לתקשר בתנאי חושך קיצוני לצורכי רבייה – אך הטענה טרם אומתה. גם בקרב המינים שמסתנכרנים, רק הזכרים משתתפים בהבהוב המתואם, ואילו הנקבות מהבהבות בקצב משלהן. בקבוצת המחקר של פלג מנסים לקחת את המודל של סטרוגץ שלב אחד הלאה: לאסוף כמויות גדולות של נתונים מההתרחשות של התופעה בטבע, לנתח אותם ולחתור להבנה טובה יותר של קסמי הריקוד המואר.

יש שיאמרו שהגחליליות הן בסך הכול תירוץ להבין יותר טוב את תופעת הסנכרון במערכות פיזיקליות, כימיות וביולוגיות. סנכרון מופיע בטבע במקומות רבים מספור, בהם פעימות חדרי הלב, תנועת המעיים, מחיאות כפיים, מעגלים חשמליים, לייזרים, רשתות נוירונים, גאות ושפל… וגם גחליליות. האוניברסליות של התופעה הזו הביאה את הפיזיקאי היפני יושיקי קורמוטו (Kuramoto) להסביר בשפה מתמטית מהו סנכרון, באמצעות מונח שנקרא “מתנדים מצומדים”.

מתנד, או בלועזית אוסילטור, מתאר מערכת שמתנודדת בתדירות מסוימת – כמו נדנדה, מטוטלת או עצם שמחובר לקפיץ. מתנדים מצומדים הם שתי מערכות כאלה או יותר, אשר הופכות בפועל למערכת קולקטיבית הודות לצימוד ביניהן. הצימוד הזה יכול להיות מוחשי וקל לתפיסה, כמו מטרונומים שמונחים על משטח משותף, ויכול גם להיות יותר מופשט, למשל בעולם הקוונטי. כאשר הצימוד מתרחש, נוצרים במערכת הקולקטיבית תדרים חדשים ומשותפים שלא היו קיימים קודם לכן – וזהו הסנכרון.

כבר לפני למעלה ממאה שנה עלתה לראשונה ההשערה שלפיה הבהוב הגחליליות מסתנכרן, אולם אז היא נפסלה בהינף יד, פשוט כי סברו שבעולם החי לא יכולות להתרחש התנהגויות מורכבות כמו תיאום בין פרטים רבים בקבוצה. רק בשנות השישים החלו זוג החוקרים ג’ון ואליזבת’ באק (Buck) לשאול את עצמם אם הסנכרון אמיתי. הם הוכיחו שכן, ואף פרסמו את הממצאים, עוד לפני מודל הצימוד של קורמוטו, שעלה על הנייר רק ב-1975, ובשנות התשעים החלו להשתמש בו לתיאור הבהוב הגחליליות.

התמונה (התלת-ממדית) המלאה

פלג הרגישה שמשהו חסר בתמונה הפיזיקלית, תרתי משמע. קשה לצפות בגחליליות במעופן, שכן ההופעה שלהן מתרחשת במלוא הדרה למשך תקופה קצרה ביותר בשנה, שקשה לחזות מראש. אולם פלג וחברי הצוות שלה רכשו מיומנות באיתור המקום והעת המתאימים למארב מדעי מתוכנן היטב. הם הקיפו את סביבת המחיה של הגחליליות במערך של מצלמות שעוקבות אחריהן מכמה זוויות, מה שמאפשר לשחזר את תנועתן בתלת-ממד, ומוסיף מידע יקר ערך לגבי הנחילים. עד שהופיעו מחקריה הראשונים של פלג, התבססו התוצאות על תמונות דו-ממדיות, שאי אפשר לראות בהן את המרחקים בין הגחליליות במרחב. בפיזיקה, לכל אינטראקציה יש טווח פעולה שתלוי במרחב או בזמן, ולכן הפרט הזה התברר כחשוב ביותר.

במאמר שפרסמה פלג לפני כארבע שנים, יחד עם החוקרים רפאל צרפתי (Sarfati) וג’ולי הייז (Hayes), הם השתמשו במידע התלת-ממדי על מנת לקשור בין צפיפות הגחליליות באזור מסוים לבין מידת הסנכרון שלהן. פלג ועמיתיה ביטאו מתמטית סף קריטי של צפיפות, שכאשר הצפיפות עולה עליו מתחיל הסנכרון. בצפיפות הקריטית הזו, הזכרים מהבהבים באופן אחיד על מנת למשוך בצורה טובה יותר את הנקבות בסביבתם.

פלג והצוות שלה מעבירים את הלילה הראשון של הניסוי במעקב מרוחק אחר הנחיל, ולעיתים אזורי הפעילות שלהם מרוחקים ממקומות יישוב ומאם הדרך. “כמה פעמים היינו אופטימיים והצבנו מצלמות במקומות שהיו נוחים עבורנו, אך הגחליליות פשוט לא הופיעו”, היא מספרת. “ברגע שכל הניסויים רצים, יש בדרך כלל זמן מת שבו אנחנו פשוט מחכים וצופים בגחליליות. אבל אין תלונות”.

תנאי שטח מורכבים

אחת הנגזרות של מודל קורמוטו נודעה בשם “מצבי כימרה” (Chimera States). כימרה היא מפלצת אגדית, יצור-כלאיים מאיים שהמשורר הרומי אובידיוס תיאר כמי ש”שילחה לשונות להבה ממעיה, ראש לביאה למפלצת היה, וזנב של נחש לה”. בקיצור, לא בדיוק הדמות שתרצו לפגוש בסמטה חשוכה, או בחורשה שהגחליליות לא מאירות בה. בפיזיקה מצבי כימרה מתארים קיום דואלי שבין סדר לבלגן, או ליתר דיוק, מצבים שבהם המערכת הפיזיקלית מציגה סדר וסנכרון רק באופן חלקי ומועט, המוקף תוהו ובוהו.

פלג וצוותה התחילו לחשוד בקיומם של מצבי כימרה בהבהוב הגחליליות כאשר הבחינו שהסנכרון בין הגחליליות אינו מושלם. בטבע יכולים להופיע מכשולים והפרעות שיפגעו בסנכרון. לדוגמה, עץ שניצב בדרכן של הגחליליות יכול להפריע לפעילות המשותפת, כך שרק חלק קטן מהגחליליות מתנהג כמו מתנדים מצומדים, ואילו היתר לא מסתנכרנות. ב-2022 פרסמו פלג וצרפתי מאמר שמצביע לראשונה על תופעת הכימרה בנחילי גחליליות. פלג אומרת כי “אם אנחנו יודעים שגחליליות עושות משהו מוזר, אנחנו יכולים לבדוק אם גם כל יתר המערכות שמופיעה בהן תופעת הסנכרון עושות זאת”. במעבדה שלה מפתחים ניסויים לבחינת התנאים והמנגנונים שבהם נוצרים מצבי כימרה. בניסויים הללו נורות לד מהבהבות משמשות כגחליליות מלאכותיות, ומאפשרות לבחון את ההשפעה של הבהוב מבוקר על הבהוב הנחיל הטבעי בסביבה. 

מעבר לעניין הפיזיקלי, פלג רואה בעבודתה שליחות נוספת: הצלת אוכלוסיית הגחליליות. זה עשרות שנים שהגחליליות סובלות מהשפעתם של חומרי הדברה, זיהום אור ואיבוד שטחי מחיה. הפגיעה עלולה להיות כפולה: נוסף לסיכויי ההישרדות שנפגעים מכך באופן ישיר, דילול האוכלוסייה עלול לפגוע גם בסיכויי הרבייה. אם אכן יסתבר שהסנכרון מגביר את סיכויי הרבייה, הידלדלות במרחב יכולה להקשות על הפריטים להגיע לצפיפות הקריטית שזוהתה במחקריה של פלג, וכך תופעת הסנכרון לא תתממש, סיכויי הרבייה יצנחו, והאוכלוסייה תידלדל אף יותר. אשר על כן, פלג מתעניינת לא רק במתמטיקה ובפיזיקה שמאחורי הגחליליות – אלא גם בשימורו של החרק האהוב עליה. מי ייתן שמאמצי השימור יעלו יפה, ושנמשיך ליהנות וללמוד מהמדע הנהדר שהגחליליות טומנות בחובן.