השינוי של מולקולות בחלל - איטי באופן משמעותי

"...אם נרוץ מהר, מהר" - כלשונו של יחיאל מוהר בשיר על ליפא העגלון - "אז כל העסק יישבר". מכאן, שלאיטיות יש לעתים יתרון. דוגמה לכך גילו באחרונה מדעני מכון ויצמן למדע שבחנו תהליכים מולקולריים בחלל החיצון, אשר עשויים להשפיע על ההתפתחות הצורנית ועל המורכבות של מולקולות שונות.

עוד כתבות במסע הקסם המדעי :

כמה מזון אנחנו מפסידים, ואיך אפשר להאכיל את כל האנושות לאורך זמן

כדור בדולח רפואי: שיטה חדשה לבחירת טיפול כימותרפי

העשבים השוטים מרימים ראש? טכנולוגיה חדשה תקטול אותם

מולקולות מיוצגות לרוב באמצעות מודלים של "כדורים" ו"מקלות" המזכירים צעצועי ילדים; הכדורים מייצגים את גרעיני האטומים, והמקלות – את הקשרים שנוצרים ביניהם על-ידי האלקטרונים. במודלים סטטיים אלה, מיקומם היחסי של המקלות והכדורים מאפשר לשער את צורת המולקולה. מודל מציאותי יותר היה מראה את הגרעינים רוטטים סביב מיקומם ה"קבוע" ואת המולקולה כולה מסתובבת.

מפעם לפעם, המולקולה עוברת שינוי ולובשת צורה אחרת מזו ההתחלתית; במלים אחרות, היא הופכת לאיזומר של המולקולה המקורית. מתן מענה למספר שאלות פתוחות בכימיה ובפיסיקה תלוי בהבנת קצב ה"איזומריזציה" של המולקולות, כלומר כמה מהר - או לאט - הן משנות את צורתן. באחרונה פיתחו ד"ר עודד הבר, ד"ר קושיק שאהא ועמיתיהם בקבוצת המחקר של פרופ' דניאל זייפמן במחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה, דרך למדוד את קצב שינוי הצורה - וגילו כי קצב זה יכול להיות איטי באופן משמעותי מכל מה שהוצע בעבר. ממצאים אלה פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Communications.

מימין: ד"ר עודד הבר, ד"ר מיכאל רפפורט, ד"ר קושיק שאהא, ד"ר מרק איירון ופרופ' דניאל זייפמן(צילום: מכון ויצמן למדע)

כל שינוי בצורה של מולקולה משפיע באופן מהותי על תכונותיה. לפיכך, הבנת תהליך האיזומריזציה חיונית לתחומי מחקר רבים. ד"ר הבר מסביר כי מדידת הזמן שלוקח למולקולה לשנות את צורתה – בהנחה שכל התנאים הדרושים לכך מתקיימים (למשל, רמת אנרגיה מספקת) – התבססה עד כה על אומדנים ועל מדידות בעזרת שני פולסי לייזר בזמנים שונים. האומדן הטוב ביותר התבסס על הדינמיקה במולקולה – לדוגמא, מדידת מהירות הסיבוב של גרעיני האטומים. זמני סיבוב אופייניים של מולקולה הם בסדר גודל של פיקו-שנייה אחת עד מאות פיקו-שניות, בהתאם לגודל המולקולה; ניסויים קודמים הניבו תוצאות מספריות דומות לאומדנים אלה.

ד"ר קושיק שאהא. מיליון פעמים לאט יותר מכל מה שהראו ניסויים קודמים(צילום: מכון ויצמן למדע)

ואולם ד"ר הבר ועמיתיו הצליחו לבצע מדידה של פרק הזמן שבו מולקולה בת עשרה אטומי פחמן - עם אלקטרון אחד נוסף - עוברת איזומריזציה מצורת שרשרת לצורת טבעת. כדי להוציא את תהליך השינוי לפועל, הפגיזו החוקרים את המולקולה בפעימת לייזר מבוקרת שגרמה לעירור מולקולת הפחמן. המדידה הראתה כי במקום פיקו-שניות, נמשך התהליך עד כמאה מיקרו-שניות. במלים אחרות, עד כמיליון פעמים לאט יותר מכל מה שהראו ניסויים קודמים.

ממצאים אלה עשויים לסייע בבניית מודלים להתפתחות מולקולות מורכבות בחלל החיצון. הימצאותן של מולקולות אלה באזורים שצפיפות החומר בהם נמוכה למדי - כפי שעולה ממדידת קווי בליעה ופליטה של אור – מציבה שאלה פתוחה שמרתקת אסטרופיסיקאים במקומות שונים בעולם. בין היתר, אחת ההנחות היא שתהליכים כאלה היו עשויים להוביל להיווצרות מולקולות אורגניות מורכבות, דוגמת חומצות אמינו, שהן אבני היסוד של החלבונים.

למחקר המלא:

https://www.nature.com/articles/s41467-018-03197-w