עוד מצא המחקר, שבוצע על ידי חוקרים מהאוניברסיטה העברית ופורסם בכתב העת Communications Physics, כי צמיחה נורמלית של עלה מתבססת על שינויים חריפים בשדה הגדילה, הן בזמן והן במקום - שינויים שככל הנראה מסייעים לרקמה "לחוש את עצמה"
גדילת רקמות היא אחד הסודות הלא מפוענחים של המדע. כיצד מצליחים אוסף תאים המחוברים זה לזה, לגדול באופן מתואם, כך שיתפתח איבר בעל צורה נכונה? מי מתאם בינם ומה מתואם דרכם? איך הם יודעים היכן, כמה ובאיזה כיוון לגדול? אכן, תהליך הגדילה מורכב ומערב תחומי ידע שונים. הוא מונע על ידי רשת מורכבת של גורמים ביולוגים וכימיים, אך גם מציית לחוקי הפיסיקה והמכאניקה, כל זאת על מנת לייצר גיאומטריה, שלעיתים אינה שטוחה – הנקראת גיאומטריה לא אוקלידית. מכאן עולה שלצורך הבנת מנגנוני-בקרת גדילה, יש צורך בבחירה טובה של המערכת, כך שהביולוגיה, המכאניקה והגיאומטריה שלה תהיינה בנות מדידה ופיענוח.
סרטון מתוך המחקר: עלה טבק גדל באופן שנראה לעין איטי ואחיד (צילום: מיכל סחף).
עלה של צמח יכול לשמש מערכת טובה לחקר השאלות הללו. העלה יכול להכפיל את שטחו פי מאה ולשמור על צורה נכונה, על פי רוב שטוחה. העלים דמויי משטח, וגדילתם היא בעיקר בשני ממדים ולכן צורת פני השטח שלהם, הניתנת למדידה, מכילה את רוב האינפורמציה לגבי תהליך הגדילה. זאת ועוד, ידוע כי מחלות, מניפולציות גנטיות וחומרי הדברה יכולים להפריע לגדילה תקינה ואז העלה מתעוות לצורות תלת-ממדיות, כפי שצפוי מיריעת חומר דקה – כלומר, גיאומטריית העלה רגישה מאוד לאי דיוקים בגדילה. לבסוף, עלים גדלים בקלות באוויר החופשי ולכן מהווים מערכת מודל אמינה ונגישה.
השערה רווחת הייתה כי עלה גדל בקרוב כמו בלון שטוח - שטחו גדל בהדרגה ובמתינות באופן דומה באזורים שונים, וכך הוא שומר על צורתו, בעודו גדל. בתרחיש כזה, בקרת ותיאום הגדילה הינם תהליכים עדינים ואיטיים שצריכים "לתקן" חריגות (או טעויות) המצטברות על פני תאי שטח גדולים. זו גם התמונה המתקבלת כאשר מודדים את גדילת העלה ברזולוציה נמוכה בזמן ובמרחב, כלומר, מדידות של תאי-שטח גדולים במרווחי זמן ארוכים.
מחקר חדש שנערך בהובלתה של דר' שחף ערמון, במעבדה של פרופ' ערן שרון במכון רקח לפיסיקה באוניברסיטה העברית, בשיתוף דר' מיכאל משה, גם הוא ממכון רקח, מראה כי בדיוק ההיפך הוא הנכון - גדילה נורמלית של עלה מתבססת על שינויים חריפים של שדה הגדילה, הן בזמן והן במקום, שינויים שככל הנראה מסייעים לרקמה "לחוש את עצמה". המחקר פורסם בחודש שעבר בכתב העת המדעי Communications Physics. דר' ערמון בנתה מערכת המודדת את גדילת העלה בתלת-ממד ברזולוציה גבוהה, וניתחה את מדידותיה בעזרת טכניקות המקובלות בתחומי הפיסיקה הלא-ליניארית, פיסיקה סטטיסטית וגיאומטריה דיפרנציאלית. המדידות הראשונות הפתיעו את החוקרים - נראה היה כי במהלך הגדילה, תאי-השטח הקטנים של העלה (המורכבים מ-10-50 תאים) מתנפחים ומתכווצים בשיעורים עצומים ולסירוגין. מה פתאום שעלה שגדל יתכווץ?
צילום אילוסטרציה: ערן שרון, מדידות: שחף ערמון. דוגמא של שדה גדילה בתא-שטח קטן של עלה (2 מ"מ) בזמן קצר (רבע שעה), כפי שנמדד במעבדה. הקווים מסמנים את עוצמות וכיווני הגדילה הראשיים (המקסימלי והמינימלי). בכחול - גדילה חיובית, בירוק גדילה שלילית (כיווץ).
מדידת גדילה של עלים: עלה גדל באופן חופשי ונמדד ברזולוציה גבוהה (מאות מיקרון, רבעי שעה) בתלת ממד. המדידות בוצעו על ידי שחף ערמון. בשיטות שאפייניות לניתוח דינמיקה של נוזלים, אנו עוקבים אחר הגדילה. הקווים מסמנים את עוצמות וכיווני הגדילה הראשיים (המקסימלי והמינימלי). בכחול - גדילה חיובית, באדום גדילה שלילית (כיווץ). ככל שרזולוציית המדידה טובה יותר, הגדילה נעשית "רועשת" יותר.
דר' ערמון הקדישה חצי שנה לחיפוש אחר מקור ה"טעות" ו"תיקון" מערכת המדידה. לבסוף הבינה ששדה הגדילה ה"רועש" אותו היא מודדת, אמיתי ואמין. מסתבר כי כך עלה מתפתח וגדל - בכל רגע נתון, שדה הגדילה נראה כבלאגן גדול בו אזורים מתנפחים ומתכווצים ורק בממוצע, על פני זמן ארוך ושטח גדול, מתקבל השדה ה"חלק" והמתואם. דר' ערמון ביצעה ניתוחים סטטיסטיים וזיהתה את הזמנים והמרחקים האופייניים לתנודות (אוסילציות) בגדילה. בעזרת גדלים אלה היא אף הצליחה להראות את קיומם של הבדלים מהותיים בין גדילת העלה בשעות היום לשעות הלילה. בניתוח תיאורטי של שדות הגדילה, הראה דר' משה כי לא ייתכן שהבלגן הנמדד אקראי והוא חייב להיות מתואם בזמנים ומרחקים קצרים.
תגלית זו מציעה תמונה חדשה למנגנון בקרת הגדילה. אין מדובר בתיקונים עדינים ומתונים לגדילה (כמעט) אחידה. להיפך, תאי העלה דוחפים זה את זה בכוח, דוחפים ומרפים שוב ושוב ויוצרים שדה-מאמצים מכאני המשתנה בזמן ובמרחב. כך, הרקמה כולה מתארגנת באופן מתואם, ומונעת הצטברות מאמצים מכאניים על פני שטח גדול. במובן מסוים, התאים מתקשרים זה עם זה על ידי לחיצות והרפיות, וכך מתגבשת אינפורמציה על מצב העלה.
פרופ' שרון מוסיף ומסביר: "חשוב להבין כי אינפורמציה זו אינה מעובדת על ידי 'מוח' מרכזי, אלא על ידי הרקמה עצמה, באופן מקומי. תמונה זו משתלבת בגישות חדשות המציעות כי רקמות צמחיות (ולא רק צמחיות) מסוגלות לעבד מידע סביבתי באופן קולקטיבי. ואכן, אם מיליוני תאים הרגישים לסביבתם (אור, חום, לחות ועוד) נמצאים באינטראקציה הדדית (על ידי שדה המאמצים), הרי שהם מסוגלים לתרגם אותות חיצוניים למצבים משותפים. עובדה זו מצביעה על הטשטוש בין מושגי ה'גדילה' וה'התנהגות', המאפיין את עולם הצומח."
בימים אלה מתקיימים בקבוצת המחקר של פרופ' שרון ניסויי-המשך, החוקרים את המנגנונים הפיסיקליים המעורבים בבקרת גדילת עלים ועל הקשר שלהם למנגנונים הביולוגים בצמח.
לפרסום המדעי: https://www.nature.com/articles/s42005-021-00626-z
לפרסום בתקשורת: הארץ, הידען, פורטל החקלאות הישראלי,