איך תתנהג מכונית אוטונומית ועוד 5 שאלות מפתיעות שזבוב הפירות יוכל לענות עליהן

התכונות הייחודיות של זבובי הפירות הפכו אותם למושאי מחקר של לא מעט גנטיקאים ונוירולוגים, המנסים למצוא בעזרתם תשובות לכמה מהשאלות הגדולות שמטרידות את האנושות • מחקרים חדשים בזבובים האלה עשויים לסייע בפיתוח מכונית ללא נהג אמינה ובשיפור מנוע החיפוש של גוגל

זבובי פירות במעבדה. זיכו את חוקריהם בפרסי נובל / צילום: Reuters, Amir Cohen
זבובי פירות במעבדה. זיכו את חוקריהם בפרסי נובל / צילום: Reuters, Amir Cohen

מה יכול להיות יותר מעצבן וחסר תועלת מאשר זבוב פירות. אפילו ב"שיר הזבוב", שיר לילדים שכתב עודד בורלא, נאמר ש"העכביש הוא רמש מועיל, והזבוב לא!". כמובן, התועלת של העכביש על פי השיר הייתה אחת ויחידה - לאכול זבובים.

בעולם המדע, הזבוב דווקא ידוע ומוכר בתור חברו הטוב של הביולוג, ובעיקר של הנוירולוג והגנטיקאי. זבובים הם פשוטים אנטומית, המוח שלהם מחווט באופן ברור יחסית, ומחזור החיים שלהם קצר. התכונות האלה שלהם מאפשרות ליצור הקטן לעזור לנו לענות על שאלות החיים הגדולות.

מחקר בזבובי פירות הקנה לפרופ' תומס הנט מורגן פרס נובל ב-1933, לאחר שגילה באמצעותם שתורשה עובדת באמצעות גנים עשויים מ-DNA, הקשורים זה לזה במבנים שנקראים היום כרומוזומים. זהו אחד ממחקרי הליבה של הגנטיקה המודרנית. מאז, חוקרי זבובים, או יותר נכון חוקרי פיזולוגיה באמצעות זבובים, זכו בחמישה פרסי נובל נוספים. הזבובים עמדו בבסיס מחקרים על התפתחות אנושית, הזדקנות, אבולוציה, השפעות של אלכוהול וקפה, מניעת שינה ומחלות נפוצות. 75% מהמחלות שמקורן גנטי קשורות בגנים משותפים לבני האדם ולזבוב.

לאחרונה פורסמו כמה מחקרים חדשים בזבובי פירות שמנסים לפתור כמה מהבעיות המרכזיות שהאנושות מתמודדת איתן. אז ואם יש לכם זבובים כאלה בבית, תראו להם אהבה. ואז תראו להם את הדלת, כי בכל זאת, איכס.

הדמיה של מכונית ללא נהג. הזבוב משאיר פתח לספונטניות / צילום: Shutterstock
 הדמיה של מכונית ללא נהג. הזבוב משאיר פתח לספונטניות / צילום: Shutterstock

איך מקבלים החלטות במצבים לא צפויים

אלגוריתמים ומערכות רובוטיות, כמו מכונית אוטונומית הנוהגת את עצמה, פועלים לפי חוקים ידועים מראש, עם גמישות מעטה יחסית. מה תעשה מכונית אוטונומית אם תיתקל במצבים חדשים שלא אומנה אליהם? זו אחת השאלות הגדולות שמעכבות את ההשקה המסחרית של המכוניות ללא נהג.

מחקר חדש מאוניברסיטת נורת'וסטן בארה"ב, שפורסם בכתב העת Nature Communications, הראה שדווקא זבובי הפירות יכולים להתמודד עם הבלתי צפוי באופן די מוצלח. אם אתם לא בטוחים שזה נכון, נסו לתפוס זבוב אחד.

החוקרים בחנו איך הזבובים חומקים מחום. מתברר שהם עושים זאת באופן מורכב וגמיש יותר מכפי שניתן היה לחשוב. פרופ' מרקו גליו, הכותב המוביל של המאמר, בנה חדר זעיר מפלסטיק שכלל ארבעה אריחים שיכולים להפיץ חום על פי החלטתו. בתוך החללים הזעירים הללו מוקמה מצלמת וידיאו, שבדקה מה קורה לזבובים בגבול שבין אריח חם לאריח נעים. הזבובים למדו די מהר את מיקומם של הגבולות הבלתי נראים של האריחים החמים, וכך חמקו מכאב או מפגיעה. הזבובים הצליחו לזהות בקלות יחסית אם הדרך למקום בטוח היא מימין או משמאל.

החוקרים מידלו את דפוס ההחלטה הזה בזבוב רובוטי, ונתנו לו להתאמן על אתגר האריחים החמים, כדי שהוא יוכל לפתח בינה מלאכותית. אחר כך הם יצרו מעין מוטציות לא צפויות באלגוריתמים, וביצעו "ברירה טבעית" לזבובוטים עם הביצועים הכי טובים. בהמשך, החוקרים "הכליאו" אותם עם זבובוטים אחרים, ושוב בחרו את בעלי הביצועים הטובים ביותר. כך הם יצרו 500 דורות אבולוציוניים של זבובוטים.

במקביל, החוקרים תיעדו את הפעילות המוחית של הזבוב. הם מצאו שאצל הזבובים, ההתנהגות המוחית אינה זהה תמיד למה שמנבא האלגוריתם. נראה שהמוח הזבובי משאיר במכוון פתח לספונטניות. אי-אפשר היה ליצור אלגוריתם שניבא ב-100% את ההתנהגות של זבוב מסוים.

ואז הם יצאו לתחרות. זבוב מול זבובוט. הרובוטים הזעירים אכן היו מאוד מוצלחים בתחילת הדרך, כמעט כמו הזבובים האמיתיים, אבל עם הזמן, הזבובים המשיכו להשתפר ולהיות יעילים עוד יותר בהתחמקות מהאריחים החמים, בעוד שהרובוטים הגיעו לרף ביצוע מסוים ונתקעו בו.

כאשר החוקרים הורידו לזבוב את אחד ממחושיו והסירו גם מהרכב הזבובי הזעיר איבר מלאכותי אחד, הבוטים התחרפנו. הם התחילו לפנות ללא הפסקה לכיוון החלק החסר ונתקעו בסיבוב תמידי. הזבובים האמיתיים הסתגלו וגילו שיטות חדשות לחמוק מהחום. חכמים ככל שנהיה, אנחנו עדיין לא מבינים מספיק כיצד המוח עובד, ודאי לא מספיק כדי לחקות מוח של זבוב. הבנת המנגנון הזה עשויה להיות בעלת ערך גדול לפיתוח מוצלח של מכונית ללא נהג.

 
  

איזה אלגוריתם יעיל יותר לחיפוש

היכולת שלנו לחפש מידע באמצעות אלגוריתמים מתוחכמים הפכה לאחד הכוחות הכי חזקים שלנו בעשורים האחרונים. אבל גם עולם הטבע יודע לחפש, ואנחנו יכולים ללמוד ממנו. למעשה, זה בדיוק מה שעשה ד"ר סאקט נבלאקה ממעבדת קולד ספרינג הרבור בניו יורק. יום אחד הוא שוחח עם פרופ' צ'רלס סטיבנס ממכון סאלק, שחקר את תגובת הזבובים לריחות, והבין שהזבוב מעבד מידע באופן די דומה לחיפוש, אבל טוב יותר.

נבלאקה פיתח בעקבות המחקר שלו אלגוריתם שנקרא Fly Hash, שכבר הפך היום לחלק אינטגרלי מעולם המיחשוב. אבל כדי להבין מה הוא עשה, ננסה להסביר איך עובד חיפוש בכלל. נניח שיש לנו חפצים שאפשר לאפיין דמיון או שוני ביניהם בכמה ממדים - לדוגמה, עובי, אורך, צבע, משקל, נניח אפילו 50 ממדים. אפשר להציג אותם מתמטית על מרחב של 50 ממדים ולחשב את המרחק בין כל שתי נקודות כדי להכריע אילו מהן קרובות ואילו רחוקות. אלא שככל שהממדים רבים יותר, נדרשת יכולת חישוב רבה יותר, עד להכרעת המערכת.

כדי להימנע מהבעיה הזו, האלגוריתם שיצרו בני האדם לוקח כמה פרמטרים, למשל עובי-אורך-צבע, סוכם את המרחק ביניהם ואז מייצג אותם במספר יחיד. אחר כך הוא עושה זאת לשאר הפרמטרים, ומחשב את הקרבה בין הנקודות על פני פחות ממדים. מה עושה הזבוב? באופן מפתיע דווקא מגדיל את מספר הממדים שהוא מתמודד איתם. הוא סוכם כל מיני קומבינציות אקראיות של ממדים, וכל ממד יכול להיות מיוצג ביותר מקומבינציה אחת, כך שבמקום 50 יש לו אלפי ממדים. למה זה טוב? בגלל הדבר הבא שהזבוב עושה. הוא מסנן את 5% הממדים החדשים שבהם יש המרחק הגדול ביותר, ומתייחס רק אליהם. זה טריק יעיל, שהאלגוריתמיקאים פשוט לא חשבו עליו.

כדי להבין מה בדיוק המוח של הזבוב עושה, כך שניתן יהיה ללמוד טכניקות חישוב חדשות, עשרות מדענים מיפו את הפעילות העצבית של מוחו. הם ספרו את הנוירונים באזורים שונים של המוח, ובדקו מתי הם נדלקים ואיך הם מחוברים אלה לאלה. אם נוכל לעשות זאת גם למוח האנושי, סביר להניח שנוכל להגיע לתובנות מלהיבות יותר.

המחקר של נבלאקה פורסם ב-2017. היום גורמים שונים פועלים לשפר עוד יותר את האלגוריתם Fly Hash.

מה הטינדר של הזבובים מלמד על העברה בין-דורית

לזבובי פירות יש תרבות, כך טוענת קבוצה של חוקרים בראשות ד"ר אטיאן דנכין מהמעבדה לאבולוציה ומגוון ביולוגי באוניברסיטת טולוז בצרפת. רבים אומרים שתרבות היא המצאה אנושית, אך חוקרי הזבובים הללו אינם מסכימים עם הטענה הזאת. זבובים  אמנם לא יוצרים אמנות, לא שרים ולא לובשים בגדים חגיגיים, אבל לפי אותם חוקרים, יש להם תרבות שמתבטאת בדייטינג.

החוקרים צבעו שני זבובים באופן מלאכותי, אחד בירוק ואחד בוורוד. הם נתנו לנקבה אחת לבחור בין שני הזבובים המהודרים, ולנקבה אחרת לצפות. הראשונות בחרו כמעט באופן רנדומלי. כאשר המתבוננות התבקשו לבחור בן זוג, הן בחרו ב-70% מהמקרים באותו גוון שנבחר על ידי קודמותיהן. כך נוצר מנהג, מסיבות שאינן אבולוציוניות. החוקרים קוראים לזה תרבות, וזה היה מספיק מעניין כדי להצדיק מאמר בכתב העת Science, משום שעד כה לא היו הרבה הוכחות ללמידה חברתית בקרב יצורים קטנים, שאינם יונקים או ציפורים.

החוקרים בחנו גם העברה בין-דורית. קודם כול, הם הניחו 12 מתבוננות בתוך קערה משושה שבכל פינה שלה הייתה "מדגימה". בקערות שבהן כל המדגימות בחרו חתנים באותו צבע, המדגימות הוצאו מהקערה וכעת המתבוננות הפכו למדגימות. ההעדפה הצליחה להישמר במשך שמונה דורות, לפני שה"רעש" (הזבובות שבחרו אחרת) גבר על הדפוס והזבובות חזרו לבחור באופן רנדומלי.

ככל שהקבוצות של הזבובים היו גדולות יותר, נניח 30 זבובים בכל דור במקום 12, ההעדפה הייתה הרבה יותר עמידה, אפילו אלפי דורות. זה לא משהו שאפשר היה לבדוק בבעל חיים שנדרש לו זמן רב יותר להתרבות.

כעת המטרה היא לבדוק מהם המנגנונים המוחיים העומדים בבסיס הלמידה החברתית.

מה הקשר בין סטרס של אנשים למטבוליזם של זבוב

זבובים היו אחת מחיות המודל הראשונות שבהן נצפתה ההשפעה של הגבלת מספר הקלוריות הנצרכות על תוחלת החיים. בשנים האחרונות, יש ויכוחים רבים בשאלה אם הפחתת הקלוריות היא שמובילה להארכת החיים או שלסוג המזון וחלוקת הקלוריות לאורך היום יש השפעה גדולה יותר.

במחקר חדש, שפורסם בכתב העת הפתוח eLife, נתנה קבוצת חוקרים בהובלת ד"ר יאנג ליו מבית הספר לרפואה באוניברסיטת מישיגן, אופציה לצרוך שמרים וסוכר יחד, או כל אחת מהאפשרויות בנפרד. ברגע שהזבובים יכלו לבחור, המטבוליזם שלהם השתנה, ההתנהגות שלהם השתנתה וחייהם התקצרו, גם אם צריכת הקלוריות שלהם נשארה דומה.

האם יכול להיות שעצם העיסוק במזון, עצם היכולת לתכנן ארוחה, לצפות לה ולבחור בה, משפיע על הזבוב? החוקרים מכוונים למסקנה כזאת. הם הראו שכאשר ניתנה בחירה בין המנות, עלתה פעילות הסרוטונין במוח, בעיקר בקולטני סרוטונין 2A - מערכת שקושרה בעבר ללמידה ולזיכרון, לדמיון ולהשפעה של תרופות אנטיפסיכוטיות והשפעה הפוכה של סמי הזיה.

"גילינו מנגנון של הזדקנות שקשור לצורך לבחון את זמינותם של חומרים מזינים", כתבו החוקרים. "יכול להיות שהצורך לקבל החלטות לגבי המזון עולה לזבובים בבריאות ומשנה את כל ההתייחסות שלהם למזון, באופן שמשפיע על המטבוליזם שלהם. גם אצל בני אדם, החלטות רבות מובילות לסטרס, וכאשר הסטרס הוא כרוני, הוא פוגע בבריאות". נסייג ונאמר שההסבר הזה הוא רק השערה כרגע, וייתכן שיש לתופעה הסברים אחרים.

מה קרה כשגנים של פרפר הושתלו בזבוב

חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי הצליחו לבצע עריכה גנטית של זבוב, כך שיוכל לאכול מזון שלא היה מסוגל לאכול בעבר ולהרתיע תוקפים כפי שלא יכול היה לעשות בעבר.

החוקרים השתילו בזבובים גן מתוך פרפר הדנאית המלכותית המאפשר לו לאכול צמח רעיל בשם Milkweed (אסקלפיאס) בלי להיפגע, ויותר מכך, לשמור את הרעל בתוך הגוף, כפי שעושה הפרפר, כדי לפגוע במי שמנסה לאכול אותו. החוקרים טוענים כי זו הפעם הראשונה שבה יכולות כאלו הועברו ממין אחד של חיה רב-תאית למין אחר.

אחרי העריכה הגנטית בזבובים, שבוצעה בטכנולוגיית CRISPR, צפרדעים וציפורים שניסו לאכול את הזבוב הקיאו. בהודעת האוניברסיטה על המחקר צוין כי גם אם בני אדם היו אוכלים כמות גדולה של אותו זבוב הם היו מקיאים. אבל מדוע שנרצה לעשות זאת?

עריכה גנטית של חיידקים ויצורים חד-תאיים היא כבר עניין שגרתי, אבל הענקת תכונה חדשה ליצור רב-תאי באמצעות עריכה גנטית - זה נדיר. התברר ששלושה שינויים נקודתיים בגן הזבוב הספיקו כדי לשנות בו תכונה, כך שיוכל להסתגל לסביבה שלא הייתה מתאימה לו בעבר, וליהנות ממזון שלא היה זמין ומסוג חדש של הגנה.

המחקר גם הוכיח באופן חד-משמעי שהגנים האלה, ודווקא הם, אחראים לתכונה הזאת בפרפרים. "פיתחנו כך כלי לבדוק את ההשפעה של שינויים גנטיים בקלות רבה בהרבה. עד כה, תמיד עשינו זאת רק בתאים יחידים", אמר פרופ' נח וויטמן מהאוניברסיטה. המאמר שמפרט על המחקר ומסקנותיו פורסם בכתב העת המדעי Nature.

מתי זבובים הם כלי מחקר רלוונטי

זבובים ובני אדם חולקים גנים משותפים, אבל בבני אדם מספר הגנים גבוה בהרבה. באילו מהגנים טמון ההבדל בינינו? חוקרים מאוניברסיטת פורטסמאות' טוענים שמצאו מספר קטן יחסית של גנים שאחראי למורכבות הגדולה יותר של התא היחיד בגוף האנושי, לעומת התאים בגוף של הזבוב.

ד"ר קולין שארפ, ממובילי המחקר, הסביר שבני האדם מורכבים יותר בין היתר משום שיש להם הרבה יותר סוגי תאים. זה כנראה לא קשור למספר הגנים. יש חיות עם מספר גנים דומה, שלחלקן תאים מסוגים רבים ושונים, ולאחרות לא.

הסוג תלוי כנראה במספר קטן של גנים שיוצרים כמות קטנה של חלבונים, הנמצאים באינטראקציה זה עם זה ומשפיעים על ההתארגנות הפנימית של הכרומטין (ה-DNA והחלבונים הנלווים אליו כפי שהם ארוזים בגרעין התא), וכך על המורכבות של בעלי החיים.

לדברי שארפ, הבנת המורכבות הזאת תעזור להבחין בין מקרים שבהם ניתן ללמוד מהזבוב על בני אדם ויונקים אחרים לבין מקרים שבהם הוא פשוט לא רלוונטי.

זבובי הנובל: החוקרים שזכו בפרס נובל על מחקריהם בזבובי פירות
1933 - חוקר האבולוציה תומס הנט מורגן הדגים בזבובים את תפקיד הכרומוזומים בתורשה
1946 - הגנטיקאי הרמן ג'וזף מולר הראה שקרינת רנטגן מגבירה מוטציות גנטיות
1995 - החוקרים אדוארד ב. לואיס, כריסטיאנה ניסליין פולהרד ואריק וישאוס גילו כיצד הגנטיקה מכוונת התפתחות עוברית
2004 - הנוירוביולוג ריצ'רד אקסל זיהה את קולטני הריח ואת מבנה מערכת הריח במוח
2011 - ז'ול הופמן זכה בפרס על חקר מערכת החיסון המולדת
2017 - החוקרים ג'פרי סי. הול, מייקל רוסבאש ומייקל יאנג זיהו את המנגנונים המולקולריים ששולטים בשעונים ביולוגיים

צרו איתנו קשר *5988