יום שני, 20 בדצמבר 2010

מקרר פתוח ואוורור הבית

שוב תפסתי את עצמי מעיר לילדים על משהו שאני לא בטוח בו. "תסגור מיד את דלת המקרר, לפני שהוא מתקלקל", אמרתי לו. מזל שהפעם הוא לא שאל "למה?", וכך היה לי זמן לחפש תשובה.

ראשית, כמה מילים על המושג המרכזי בפוסט הזה: זרימת חום. בלשון הדיבור המילה חום מתייחסת לטמפרטורה, אבל במדע יש הבדל בין השניים. בפיזיקה חום קשור תמיד למעבר של אנרגיה מעצם אחד לעצם אחר, ולכן יש לומר זרימת חום כשמתייחסים לחום באופן מדעי. מעבר האנרגיה הקרוי זרימת חום נובע מהפרשי טמפרטורות בין שני עצמים או בין אזורים שונים בעצם אחד. זו טעות להתייחס לחום ככמות אנרגיה שאגורה בעצם. לאנרגיה זו יש שם אחר - אנרגיה פנימית. לפי החוק הראשון של התרמודינמיקה השינוי באנרגיה הפנימית שווה לחום שזרם פנימה פחות העבודה שנעשתה על ידי העצם. זהו בעצם חוק שימור האנרגיה בניסוח תרמודינמי.

החוק השני של התרמודימיקה מתייחס לכיוון זרימת החום. לפי החוק הזה, החום זורם באופן ספונטני מעצם חם לעצם קר. המקרר, לעומת זאת, מצליח לגרום לחום לזרום מתוכו החוצה, כלומר הוא מעביר חום ממקום קר למקום חם יותר. הפעולה הזו מנוגדת לחוק השני, והיא לא יכולה להתרחש באופן ספונטני. זרימת החום מהמקרר החוצה מתרחשת בזכות השקעה חיצונית של אנרגיה - החשמל שהמקרר צורך.

מה קורה כשפותחים את דלת המקרר? חום זורם פנימה בשתי צורות: הולכה והסעה. ההולכה נובעת ממגע בין האוויר החם שבחוץ לאוויר הקר שבמקרר, וההסעה מתרחשת באמצעות זרימה של אוויר חם פנימה ואוויר קר החוצה. התוצאה היא התחממות החלל הפנימי של המקרר, וכעת המנוע שלו צריך לעבוד קשה יותר על מנת לקרר חזרה.

השאלה המרכזית היא כמה חום זורם פנימה כשפותחים את דלת המקרר ובכמה מעלות משתנה הטמפרטורה. התשובה נעוצה במושג קיבול חום. קיבול חום הוא כמות החום הזורמת חלקי השינוי בטמפרטורה. קיבול החום ליחידת נפח של האוויר, ושל גזים בכלל, נמוך מאוד בגלל הצפיפות הנמוכה שלהם. המשמעות היא שהאוויר במקרר מתחמם מהר מאוד, אף על פי שכמות החום שנכנסה פנימה היא קטנה. קיבול החום של מוצקים ושל נוזלים גדול בערך פי אלף - זהו היחס האופייני בין צפיפות האטומים של מוצק לצפיפות האטומים של גז. המשמעות היא שאותו חום שנכנס לתוך המקרר כמעט שלא מחמם את מוצרי המזון בתוך המקרר, את המדפים ואת קירות המקרר.

אם כך, פתיחת דלת המקרר, אפילו למשך חצי דקה או דקה, תחמם מעט מאוד את מוצרי המזון, ולאחר סגירת הדלת הם יקררו במהירות את האוויר במקרר מבלי שהמנוע יצטרך להתאמץ. ברור שפתיחת הדלת לפרק זמן ארוך, מספר דקות ומעלה, איננה מומלצת.

הצורך לאוורר את הבית בחורף מציב בעיה דומה. נניח שחיממנו את החדר ואנו לא רוצים שהוא יתקרר, אבל רוצים שייכנס אוויר נקי מבחוץ. פתיחה של החלון לפרק זמן של כחצי דקה תאפשר החלפת אוויר מהירה בתהליך של דיפוזיה (פעפוע), אבל לא תגרום לזרימה גדולה של חום מתוך החדר. העצמים המוצקים בחדר, שכוללים במקרה זה את הרהיטים, חלק מעובי הקירות ולמעשה גם אותנו, לא יתקררו כמעט במשך אותה דקה. לאחר סגירת החלון אותם עצמים מוצקים יחממו במהירות את האוויר כמעט לטמפרטורה שבה הוא היה לפני פתיחת החלון. השארת חריץ צר בחלון לכמה שעות פחות יעילה מבחינה זו, משום שכמות החום המצטברת שתזרום החוצה עלולה להיות גדולה, והחדר יתקרר.

המסקנה, אם כן, היא לא להתעצבן על הילדים המתלבטים שעומדים מול מקרר פתוח, ולא לצעוק על מי שרוצה לאוורר את החדר ביום חורף קר, ובכלל להיות רגועים...

לקריאה נוספת:
* Physics in daily life: heating problems, L.J.F. (Jo) Hermans
* כמה חם היה? פוסט לכבוד חורף מבולבל, בבלוג מסה קריטית של יואב לנדסמן
* חוק דולון-פטי (Dulong-Petit law) שבעזרתו ניתן להעריך את קיבול החום של חומרים שונים. לפי החוק הזה התרומה של אטום כלשהו לקיבול החום של החומר היא זהה, ללא תלות בזהות האטום. חקר הסטיות מהחוק הזה היוו צעד חשוב בהתפתחות הפיזיקה המודרנית.

מיתוס אחר שכתבתי עליו: האם מסוכן לשבת קרוב לטלוויזיה?

קרדיט לתמונה: צבא ארצות הברית

יום ראשון, 19 בדצמבר 2010

חינוך ביתי

בזמנו התבקשתי על ידי אחד מקוראי הבלוג לחוות את דעתי על חינוך ביתי. התמהמתי עם התשובה, בין היתר כי אני מתחבט בה לא מעט באופן אישי. בזמנו, אחרי התלבטות ארוכה, שלחנו את ילדינו לבית ספר רגיל. ההתלבטות נובעת מכך שמערכת החינוך בישראל באמת גרועה. כך היה כשאני למדתי בבית ספר וכך זה גם היום. מובן שיש מקומות ברמה גבוהה, אבל הם היוצאים מן הכלל.

רמת ההוראה הממוצעת בבתי הספר נמוכה. הסיבה הראשונה היא הרמה הממוצעת של המורים: להרבה מורים אין את הכישורים הנדרשים להוראה ואין את הידע הדרוש. הסיבה השנייה קשורה לתנאי העבודה - המורים לא מקבלים בדרך כלל את הכלים הנדרשים. הם לא עוברים הכשרות מתאימות, אין להם מקום שקט בבית הספר שבו יוכלו להכין מערכי שיעור, אין להם אפילו מחשב אישי בעבודה, ובכלל אין להם ציוד עזר מתאים. מה גם שהכיתות גדולות מאוד והמורים לא מסוגלים לתת יחס אישי לתלמידים. יחס אישי לכל תלמיד, למשל בצורת פגישה שבועית אישית, הוא מצרך כל כך חשוב, ובלעדיו קשה לי לראות כיצד יכול מורה לקדם את התלמידים לפי צורכיהם.

בעיה נוספת בבתי הספר היא האלימות. קיימת אלימות בין תלמידים וקיים מתח מתמיד. אני מאמין שאם בית הספר היה מקום מעניין יותר, מאתגר יותר ותומך יותר, רמת האלימות הייתה יורדת. אבל זה לא המצב. האלימות הפיזית והמילולית יוצרת מתח שלילי שמשפיע לרעה על הילדים גם בבית. חינוך ביתי, לעומת זאת, יכול להתקיים באווירה שלווה ונינוחה. יתרה מכך, בעיני הוא מהווה צעד חשוב של הורה שלוקח אחריות מלאה על חינוך ילדיו.

יחד עם זאת, בחרנו לשלוח את ילדינו לבית הספר. הסיבה הראשונה היא שבית הספר מהווה מעין מגרש משחקים לחיים שאחר כך, והילד יכול לבנות בו כישורים חברתיים בתנאים שאנו לא יכולים להעניק לו בסביבה הביתית המוגנת. בית הספר הוא גם מקום שבו הילדים זוכים לעצמאות, והם מחויבים, לראשונה בחייהם, לפתור בעיות בכוחות עצמם. אפילו המפגש עם מורים רבים, חלקם טובים יותר חלקם פחות, מאפשר לילד להיחשף למגוון דרכי לימוד ולדעות שונות, דבר שעוזר לו לגבש את אישיותו. יתרונות נוספים של בית הספר קשורים לפעילויות העשרה, כמו טיולים, סיורים, הרצאות וכדומה - פעילויות שקשה להורה לארגן לבד.

חוץ מזה, יש כמובן את הצורך של ההורים לעבוד, מה שעלול להיות קשה מאוד כשנמצאים עם הילדים כל היום. בנוסף לכך, אני צריך להודות שלי יש גם צורך לנוח מהילדים, כמו שלילדים יש צורך לנוח מההורים, ובית הספר מהווה פתרון מצוין למטרה זו.

בסופו של דבר שלחתי את ילדי לבית הספר, אבל אני משקיע בהם שעות רבות אחרי הלימודים ובסופי שבוע, כך שחלק גדול מהחינוך ניתן להם בבית. אני לא סומך על בית הספר מבחינה לימודית, ובהיבט חשוב לא פחות - אני משוכנע שאין מישהו בצוות בית הספר שיכול לעזור להם בשעת צרה. לכן אני נהנה לעשות איתם בבית ניסויים מדעיים, לספר סיפורים היסטוריים, לקרוא יחד איתם בתנ"ך, לתת להם שאלות אתגר במתמטיקה, לקרוא באנגלית, לשחק כדורגל ובעיקר להקשיב.

לקריאה נוספת:
שאלות ותשובות על חינוך ביתי
המשימה: לעניין את התלמיד (בבלוג זה)
תכניות מדע שאנו מציעים לקבוצות של ילדים הלומדים בחינוך ביתי

יום שישי, 3 בדצמבר 2010

איך חקרו את החיידקים אוהבי הארסן?

ברשומה הקודמת הבאתי את סיכום מסיבת העיתונאים של נאס"א ובה ההודעה לגבי מציאת חיידקים שמשתמשים בארסן במקום בזרחן לבניית מולקולות חיוניות.

אני מקשר כעת לפרק בסדרה האמריקאית המצוינת "דרך חור התולעת" עם מורגן פרימן. בפרק הזה, ששודר ביולי 2010, מציגים פול דיוויס ופליסה וולף-סימון את המחקר שלהם ואת הרעיונות שלהם לגבי האפשרות שהחיידקים שהתגלו שייכים לעץ אחר מזה שאליו אנו ושאר היצורים המוכרים על פני כדור הארץ שייכים. המשמעות של ההשערה הזו היא שהחיים נוצרו על פני כדור הארץ מספר פעמים, ומכאן ניתן אולי להסיק שהיווצרות חיים איננה מאורע נדיר כל כך כפי שנהוג לחשוב. במאמרים קודמים העלו החוקרים השערה נוספת, לפיה ארסן שיחק תפקיד משמעותי על פני כדור הארץ בטרם נוצרו החיים, ולכן הייתה לו השפעה על יצירתם (prebiotic arsenic).



אני מאמין שעוד נשמע על המחקר הזה ותהיה לו השפעה על הבנת החיים על פני כדור הארץ. עם זאת, אני חייב לסייג את ההתלהבות של החוקרים ולומר שבטרם יתברר המבנה של אותן מולקולות המכילות ארסן וייחקר הגנום של חיידקי GFAJ-1 שהתגלו באגם מונו בקליפורניה יהיה קשה לקבוע את הקשר (או אי-הקשר) האבולוציוני בינם ובין שאר היצורים החיים על פני כדור הארץ.

יום חמישי, 2 בדצמבר 2010

חיידק שמשתמש בארסן במקום בזרחן

להלן סיכום מסיבת העיתונאים של נאס"א מהיום בערב שעסקה בהצגת ממצאים אסטרוביולוגיים שעשויים להשפיע על חקר החיים מחוץ לכדור הארץ.

כפי שצפיתי מראש בפוסט שפרסמתי היום בבוקר הוצגו במסיבת העיתונאים תוצאות מחקר בחיידקים מאגם מונו בקליפורניה. החיידקים הללו יכולים לחיות בסביבה עשירה בארסן, יסוד רעיל למרבית היצורים על פני כדור הארץ. הרעילות של היסוד נובעת בעיקר מהדמיון שלו לזרחן, אחד היסודות הנחשבים כהכרחיים לקיום חיים. ארסן מסוגל להחליף את הזרחן במולקולות חיוניות, כמו מולקולת ה-ATP הדרושה לתהליכים פיזיולוגיים שצורכים אנרגיה, וכך לפגוע בפעילותן של המולקולות הללו ולגרום להרעלה.

הדמיון בין ארסן לזרחן נובע ממבנה אטומי דומה - הם נמצאים באותה עמודה בטבלה המחזורית של היסודות. החיידקים מאגם מונו (GFAJ-1) הצליחו לגדול בסביבה עשירה בארסן וענייה בזרחן דווקא בזכות הדמיון הזה בין ארסן לזרחן. בחיידקים אלו הארסן יכול להחליף את הזרחן במולקולות חיוניות, דוגמת דנ"א ו-ATP, ללא פגיעה בחיידק.

חיידקי GFAJ-1 שגודלו במעבדה על מצע עשיר בארסן (מקור: נאס"א)

בניסוי מעבדתי נמצא שהחיידקים שהתגלו מסוגלים לגדול באופן תקין בסביבה עשירה בזרחן, אך באופן מפתיע הם מסוגלים לשגשג גם בסביבה עשירה בארסן ולהשתמש בארסן כאבן בניין במקום הזרחן. יש בכך חידוש משום שעד עתה לא נמצאו הוכחות להיתכנות חיים ללא אחד מהיסודות פחמן, מימן, חמצן, חנקן, גפרית וזרחן. המחקר נמצא עדיין בראשיתו - טרם התברר המבנה המרחבי של המולקולות שבהן ארסן מחליף את הזרחן וטרם נחקר המידע הגנטי של החיידקים.

מציאת המבנה המרחבי של המולקולות הללו הוא כיוון מחקר מעניין במיוחד. עקב גודל האטום, הארסן (הגדול יותר) פחות יציב מזרחן, והמולקולות שמכילות ארסן במקום זרחן לא אמורות להיות יציבות בטמפרטורות השוררות על פני כדור הארץ. מה עוד שהזרחן הוא זה שנותן את היציבות המרחבית למבנה הסליל הכפול של הדנ"א. בטמפרטורות נמוכות, כמו למשל אלו השוררות על פני טיטאן ירחו הגדול של שבתאי, מולקולות שמכילות ארסן צפויות להיות יציבות יותר. זו הסיבה לכך שצורת החיים החדשה שנמצאה יכולה לשנות את אופי חיפוש החיים באזורים הקרים של מערכת השמש. מעתה יהיה צורך לקחת בחשבון גם צורות חיים שמסוגלות לחיות בסביבה עשירה בארסן ואולי גם ביסודות אחרים שנחשבו עד עתה כבלתי מתאימים או לא נחוצים לקיום חיים.

ייתכן שהחיידק החדש יסייע גם בחקר ראשית החיים. לא ברור עדיין אם היכולת שלו להשתמש בארסן במקום זרחן התפתחה במהלך האבולוציה או שהיא נוצרה בו מלכתחילה. חקר המבנה הפנימי שלו ופענוח המידע הגנטי יוכלו לשפוך אור על הקשר בינו ובין שאר היצורים החיים על פני כדור הארץ.

לקריאה נוספת:
תקציר המחקר באתר של נאס"א
תקציר המאמר ב-Science

רשומת המשך: איך חקרו את החיידקים אוהבי הארסן? 

חיים מחוץ לכדור הארץ - מסיבת עיתונאים של נאס"א

נאס"א הודיעה שהיום בערב צפויה להתקיים מסיבת עיתונאים בה יוצגו ממצאים אסטרוביולוגיים שישפיעו על חקר החיים מחוץ לכדור הארץ.

אסטרוביולוגיה היא תחום מחקר העוסק בהיווצרות החיים, באבולוציה שלהם, בתפוצה שלהם ובעתיד שלהם ברחבי היקום. מטבע הדברים, אסטרוביולוגיה מתייחסת גם לחקר אפשרות קיומם של חיים תבוניים מחוץ לכדור הארץ, אבל לא נראה לי שזה יהיה נושא מסיבת העיתונאים. די ברור שאין צורות חיים תבוניות חוצניות במערכת השמש. יכול מאוד להיות שיצורים תבוניים מאכלסים כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש, אבל עדיין אין לנו את הכלים לקבוע בצורה ישירה שכך הדבר. למעשה, רק בשנים האחרונות החלו להתגלות כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש. הממצא המרכזי בתחום זה מתייחס לכך שחלקם נמצאים במרחק מתאים מהכוכב שלהם לקיום מים במצב נוזלי, כלומר הטמפרטורה על פניהם נמצאת בין 0 ל-100 מעלות צלזיוס. הימצאות מים במצב נוזלי נחשבת כתנאי מרכזי לקיום חיים, אבל עדיין לא נצפה שום סימן לקיומם של החיים עצמם.

אני גם לא חושב שיוצגו במסיבת העיתונאים ראיות ישירות לקיום חיים מיקרוביאליים בכוכבי לכת אחרים במערכת השמש או בירחים שלהם, אבל אולי יוצגו ראיות עקיפות. אני חושב שמסיבת העיתונאים תתמקד בממצאים מכדור הארץ ובניסויים המדמים חיים מחוץ לכדור הארץ. אני מנחש שיוצגו התפתחויות חשובות בחקר מיקרובים שמסוגלים לצרוך כמויות גדולות של ארסן, יסוד רעיל למרבית היצורים החיים על פני כדור הארץ. מיקרובים כאלו נמצאו באגם מונו שבקליפורניה לפני מספר שנים, והמחקר אודותיהם מסקרן מאוד. אולי יוצג ניתוח גנטי שלהם, ואולי תהיה התייחסות לאפשרות שהם נוצרו בנפרד מהקו האבולוציוני שאליו אנו ומרבית בעלי החיים על פני כדור הארץ שייכים.

סלעי טופה (סוג של אבן גיר) באגם מונו שבקליפורניה (מקור: Ian A. Young באתר iay.org.uk)

אם אכן יתברר שיש על פני כדור הארץ צורות חיים כה שונות מהמוכר לנו, יהיה צורך להוסיף כלים לגשושיות שמיועדות לנחות על פני מאדים ועל פני גרמי שמים נוספים במערכת השמש שבהם ייתכנו חיים. הכלים של היום מתמקדים בחיפוש אחרי מיקרובים רגילים, ולא יכולים לאתר צורות חיים אחרות, למשל כאלו שצורכות ארסן ואולי לא זקוקות למים.

אני מקווה שבמסיבת העיתונאים יוצגו גם תוצאות של ניסויים חדשים שבהם מנסים ליצור חיים יש מאין. למרות ההתקדמות מאז הניסוי הקלאסי של מילר ויורי, שנועד לדמות את התנאים בכדור הארץ הקדום ולבדוק את אפשרות היווצרותם של חומרים אורגניים, טרם הצליחו לאפיין את התנאים המדויקים הדרושים להיווצרות החיים וטרם הצליחו ליצור חיים באופן ספונטני במעבדה (באמצעים כימיים בלבד).

מה שרשמתי כאן הוא ניחוש המבוסס על רסיסי מידע שהתפרסמו לפני כחצי שנה. אני מתכוון לצפות במסיבת העיתונאים דרך האתר של נאס"א ומבטיח לעדכן ולהרחיב בבלוג.

להמשך קריאה:
חיידק שמשתמש בארסן במקום בזרחן - סיכום מסיבת העיתונאים