מגיל צעיר מאוד אהבתי מתמטיקה וחידות מסוגים שונים, והתחלתי ללמוד קורסים במתמטיקה באוניברסיטה העברית בירושלים, בד בבד עם לימודיי בבית הספר התיכון. השתתפתי באולימפיאדה לפיזיקה - קודם במחנה הכנה בטכניון - מכון טכנולוגי לישראל, ובהמשך בתחרויות באיסלנד ובאיטליה. שם נחשפתי לשאלות מאתגרות במיוחד, שאף שלא הצריכו ידע נוסף על זה שנלמד בבית הספר, הן דרשו מחשבה עמוקה ומאתגרת שלא הכרתי. כך, למשל, התבקשנו לחשב את מהירותו של גל צונאמי באוקיינוס, בהינתן עומקו - וללא כל מידע נוסף. "נדלקתי" על תחום הפיזיקה, וכשהתגייסתי לצבא כבר היה לי תואר בפיזיקה.
כשהשתחררתי מהצבא, אחרי טיול ארוך במזרח, התחלתי ללמוד לדוקטורט במכון ויצמן למדע. פיתחתי מודלים תאורטיים שנועדו להסביר התנהגות אקזוטית של חומרים, שבהם המוליכות החשמלית מפגינה "זיכרון" לאורך שעות ואף ימים. אף שהפיזיקה של החומרים הללו שונה לחלוטין מהתחומים שבהם אני עוסק היום, היו למחקר אז רבים מהמאפיינים שמלהיבים אותי גם היום: תופעה מדעית מעניינת שאיננה מוסברת בתאוריות הקיימות, ושנדרשת חשיבה מחוץ לקופסה כדי לבנות עבורה מודל חדש, שיוכל לא רק להסביר את התופעות שנמצאו עד כה, אלא גם לנבא תוצאות של ניסויים חדשים.
יחד עם מנחיי לדוקטורט, גילינו שהמודל שפיתחנו כללי יותר ממה שצפינו. זה אחד הדברים שאני אוהב בפיזיקה ובמדע בכלל. אלברט איינשטיין, לדוגמה, פיתח תיאוריה פשוטה ואלגנטית שמתארת את התנועה האקראית של מולקולות באוויר או בנוזל (מודל שנקרא גם "מהלך השיכור", כי ניתן לדמות זאת למסלול תנועה שמשנה כיוון מדי כמה זמן באופן אקראי). התאוריה הובילה בהמשך לניסויים שהוכיחו (לראשונה!) שחומר מורכב מאטומים וזיכו את החוקר הצרפתי שערך אותם בפרס נובל לפיזיקה. התיאוריה הייתה שימושית גם לתיאור תנודות הבורסה והביאה לבניית מודל שזיכה את יוצרו בפרס נובל לכלכלה.
מדור "חוקרים פרטיים" - לכתבות הקודמות
בסיום הדוקטורט המשכתי לבתר-דוקטורט באוניברסיטת הרווארד. אחד החוקרים עניין אותי בתחום שהיה חדש לי - ביופיזיקה. כלומר, יישום הרעיונות מתחום הפיזיקה במערכות ביולוגיות. המיזם עסק בתכונות המכניות של חיידקים וכיצד כוחות פיזיקליים משפיעים על צורתם ועל אופן גדילתם. בהמשך הצטרפתי כחבר סגל בהרווארד, שם ביליתי קרוב לעשור ופיתחתי מודלים תאורטיים כדי להסביר תהליכים בסיסיים נוספים שקשורים להתחלקות תאים: כיצד חיידק "מחליט" מתי להתחלק; כיצד מסונכרנים התהליכים הבסיסיים בתוך תא חיידקי, למשל ייצור חלבונים ותהליכי שכפול דנ"א. הבנת תהליכים אלו חשובה, בין היתר כדי לפתח תרופות אנטיביוטיות חדשות (כפי שגילה סטודנט שלי לשעבר, שלימים הקים חברת הזנק (סטארטאפ).
אולם המחקר שלי מונע בעיקר מהסקרנות להבין את התהליכים ואת העקרונות הבסיסיים. יחד עם הסטודנטים שלי, פיתחנו שיטות המבוססות על תחום הפיזיקה הסטטיסטית, שהיה נהוג להשתמש בה להבנה של גזים ונוזלים, כדי לנתח נתונים ממערכת מורכבת הרבה יותר - תא חי.
נתונים אלו באו ממדידות שמבצעים העמיתים שלנו ברחבי העולם על חיידקים, שגדלים ומתחלקים לאורך דורות רבים. למעשה, למודל "מהלך השיכור" שהזכרתי למעלה היה קשר מתמטי גם למחקר שלנו, והשתמשנו בווריאציה שלו כדי להסביר את הנתונים (כמו באפליקציה המקורית, גם אנחנו הפקנו מידע מתוך התנועות האקראיות). בין היתר הראינו שחיידקים (וגם תאים מיצורים אחרים) מודדים כמה נפח נוסף לתא מרגע לידתו ומתחלקים כאשר הנפח הנוסף מגיע לערך קריטי (השאלה מדוע נבחרה דווקא אסטרטגיה זו לקבלת ההחלטה מתי להתחלק היא תעלומה שאנו מנסים לפתור).
כמו כן הראינו שתהליכי שכפול דנ"א וחלוקת התא בחיידקים קשורים זה לזה במהודק. דבר אהוב עליי במיוחד בפיתוח מודלים תאורטיים היא הגמישות לחקור מערכות שונות (כי המתמטיקה והפיזיקה הרלוונטיות לעיתים רבות דומות אף שסקאלות האורך והזמן שונות לחלוטין).
לדוגמה, במחקר שערכנו לפני כמה שנים פיתחנו תיאוריה שצפתה את קיומם של גלים במערכת החיסון, אשר עוזרים לתאי הדם הלבנים שלנו לתקשר זה עם זה מהר יותר ולהתגייס לתקוף זיהום (כאנלוגיה, אפשר לחשוב על ה"גלים" שמתפשטים באצטדיון כדורגל כשהאוהדים מניפים ידיים). לפני כשנה פיתחה קבוצה ניסיונית בקליפורניה טכניקה חדשה שמאפשרת להבחין באותם הגלים, והתרגשתי לראות את הגלים האלה ישירות בפעם הראשונה. כיום אנו עובדים ביחד על שכלול המודל התאורטי ועל תכנון ניסויים חדשים לבחינתו.
הצטרפתי לסגל מכון ויצמן לפני שלוש שנים, ובכך סגרתי את המעגל שפתחתי לפני די הרבה שנים, אבל הפעם בצד השני של המסדרון - במחלקה לפיזיקה של מערכות מורכבות, שם מקבלים בברכה חוקרים כמוני שחיים על התפר שבין הפיזיקה למתמטיקה ולביולוגיה.
אריאל אמיר הוא פרופסור מן המניין בפקולטה לפיזיקה, במכון ויצמן למדע וחבר האקדמיה הצעירה.
"חוקרים פרטיים" הוא מדור ב-Ynet שנוסד ביוזמת האקדמיה הצעירה הישראלית שבו חוקרים מסבירים מדוע החליטו לעסוק בתחום המחקר שלהם. המדור נערך בסיוע פרופ' נעמה גבע-זטורסקי, פרופ' אורי בן-דוד ופרופ' ארז בן-יוסף מהאקדמיה הצעירה הישראלית.
