تفاصيل الحياة المُكتنزة في خلاياك بتقنية ثلاثي الأبعاد

يقول العالم غوكول أوباديالا المختص بتصوير الأحياء: لنتمكّن من فهم الحياة يجب علينا أن نراها بشكل مباشر. يُشاركنا وهو يُرينا الخلايا عمله المتطوّر والحديث في التقاط وتسجيل سلوكيات الكائنات الحية المعقدة بتقنية التصوير ثلاثي الأبعاد، من الخلايا السرطانية وحتى الخلايا المناعية الزاحفة، وما يشير إليه ذلك من حركيات الأحياء. شاهد المقاطع المُذهلة في هذه المحادثة والتي تُصوّر الحياة المكتنزة في خلاياك بأم عينيك.

إن محاولة فهم الحياة الدائرة في أجسامنا
بدون مشاهدة تفاصيلها بوضوح

أشبه بمحاولةِ كائن فضائي
فهمَ قواعد كرة القدم الأمريكية

من خلال الاطلاع على بضعة صور فقط.

يُمكننا استنباط الكثير من هذه الصور.

يُمكننا مثلاً معرفة أن هناك لاعبون
داخل أرضية الملعب وخارجه.

ويوجد فرقة موسيقية.

يوجد أيضاً مشجعون يقضون وقتاً رائعاً
وهم يُشاهدون المباراة.

ولكن بالرغم من معرفة كل هذه المعلومات

من خلال الاطلاع على هذه الصور،

إلّا أننا لم نستطع بعد فهم قواعد اللعبة.

ولكي نتمكّن من فهمها

علينا أن نشاهد المباراة وهي جارية بالفعل.

إن معظم ما نعرفه عن الحياة وكيفية عملها

استنتجناه من النظر إلى صور كهذه.

تمكّن العلماء من معرفة الكثير
بمجرّد الاطلاع على صور شبيهة بهذه،

ولكنّهم ليتمكنوا
من فهم الحياة الدائرة في أجسامنا

عليهم أن يُشاهدوا أحداثها مباشرة.

أي أن عليهم معرفة أين تدور أحداث الحياة

ومحاولة فهم كيف تعمل وحدة الحياة الأساسية.

ولنتمكّن من مشاهدة أحداث الحياة

علينا أن نفهمها.

بالمقارنة مع هذه النملة

فإن الخلية البشرية أصغر بمئة مليون مرة
من هذه النملة.

هل ترى الخلية المجاورة لهذه النملة؟

إنها تقبع هناك تماماً.

لنتمكّن من مشاهدة هذه الخلية

علينا أن نجعل غير المرئي مرئياً،

وذلك عن طريق المجاهر.

لا أعني هذه المجاهر،

وإنما مجاهر أخرى نبنيها
أشبه بالتي في الصورة.

من الجيد أنني أُعد مصوّر مشاهير إلى حد ما.

ولكن بدلاً من تصوير الأشخاص

فإنني أهوى تصوير الخلايا المشهورة.

حسناً، لقد كانت حياتي المهنية حتى اليوم

متقلّبة ومتغيرة جداً،

ففي طفولتي كنت مهووساً
وشغوفاً بعلوم الحاسوب،

ومن ثم تغيّرت اهتماماتي كثيراً
فانتقلت للهندسة،

أما مؤخراً

فقد أصبحت مهتماً بفهم بيولوجيا الخليّة.

وقد جعلني هذا الخليط من الاهتمامات

الشخصَ الذي أنا عليه اليوم.

فأنا قادرٌ على إجراء بحث متعدد الاختصاصات

لتحقيق هدف واحد.

والغاية من ذلك
التمكّن من دفع عجلة الابتكار والاكتشاف

من خلال الجمع
بين خبراء في هذه الاختصاصات المختلفة

وذلك لنتمكن من العمل سوياً وحل المشكلات
التي لا يستطيع أي منا حلها لوحده.

نحن مهتمون بفهم الخلية.

الخلية؟ ما هي الخلية؟

حسناً إنها الوحدة الأساسية للحياة.

وهي ببساطة مجرّد كيس.

كيس يحوي بليونات الجزيئات غير الحية،

بما فيها البروتينات
والسكريات والشحوم والدسم.

وفي الحقيقة ففي نصف القرن الماضي

تمكّن علماء البيولوجيا الجزيئية
والكيمياء الحيوية من إيجاد طرق

لجعل هذه البروتينات تُضيء.

وتتوهّج كاليراعات.

لقد تمكّن صانعو المجاهر
من بناء أدوات وأجهزة أفضل

لتتمكّن من التقاط هذا الضوء
المنبعث من تلك الجزيئات،

وقد تمكّن علماء الحاسوب والرياضيات
من فهم الإشارات التي تُسجلها الكاميرات.

ومن خلال جمع هذه الأدوات معاً،

سنتمكّن من فهم تنظيم وترتيب هذه الجزيئات

داخل الخلايا،

وفهم كيف يتغيّر ذلك مع مرور الوقت،

وهذا هو ما نهتم به بشكل أساسي،

أي محاولة فهم كُنه الحياة.

لذلك نريد الانتقال من تصوير الحياة

-والذي يتم تقليدياً في بُعدين اثنين فقط-

إلى القدرة على التقاط
صورٍ ثلاثية الأبعاد للحياة.

إذاً كيف تُحوّل صورة ثنائية الأبعاد
إلى صورة ثلاثية الأبعاد؟

حسناً، لقد تبيّن أن ذلك أمرٌ بسيط جداً.

إذ نلتقط سلسلة من الصور ثنائية الأبعاد

مع تحريك العيّنة للأعلى والأسفل،

ومن ثم نُجمّع الصور فوق بعضها البعض

وبذلك نُشكّل صورة ثلاثية الأبعاد.

تكمن المشكلة في هذه الطريقة
أن المجاهر التقليدية

تُنتج فائضاً كبيراً من الطاقة في الجهاز.

وهذا يعني أن هذه الخليّة التي ترونها هُنا

تتعرّض لسُمية ضوئية عالية،

وهنا تكمن المشكلةً.

دعوني أشرح ذلك أكثر.

على سبيل المثال

دعونا نعتبر أن الحياة على هذا الكوكب
تطوّرت بالتعرض لضوء شمس واحدة، حسناً؟

والآن لنقل مثلاً أنني أُريد
أن أراقب المتسوّقين في هذا الشارع

بهدف فهم عاداتهم أثناء التسوّق:

كم يقضون وهم ينظرون
إلى واجهات المتاجر الزجاجية،

وكم متجراً يدخلون

وكم يقضون داخل كل متجر.

وإذا افترضت أنني أجلس في أحد المقاهي
وأراقب الناس

فإن معظمهم لن ينتبه أنني أراقبه.

والآن لنفترض أنه فجأةً

أصبحتُ أُصدر ضوءاً يُعادل على سبيل المثال

مجموع الضوء الصادر من خمس أو عشر شموس؟

فهل سيستمرون في التصرّف على طبيعتهم؟

هل سيقضون الوقت ذاته
وهم ينظرون إلى الواجهات؟

هل أستطيع أن أكون واثقاً
أن سلوكهم لم يتغيّر

كنتيجة لضوء الشمس الشديد الذي يتعرّضون له؟

لا.

معظم المجاهر في أيامنا هذه

والمجاهر التقليدية

تُتنج فائضاً كبيراً من الضوء
يُقدّر بـ10 إلى 10000 ضعف من ضوء الشمس

الذي نتعرّض له على كوكبنا هذا،
حيث تطوّرت الحياة.

وبسبب ذلك

-وباعتباري مصوراً للخلايا-

يجب أن نكون حذرين للغاية
في تحديد كمية الضوء

الذي نسلّطه على الخليّة.

وإلّا فإننا قد نشوي الخلية بالضوء العالي.

وتبيّن أيضاً

أننا نكون بعيدين كل البُعد عن الطبيعي
عندما نحاول مراقبة خلية متأذية

قد تَغيّرَ سلوكها بشكل كبير.

حسناً، دعونا نأخذ هذه الخلية
على سبيل المثال.

إنها تجلس على قطعة من الزجاج.

هل تستطيعون رؤية البقع المتناثرة
في كل مكان؟

تُمثّل هذه البُقع الآليات الجزيئية

التي تتجمّع على سطح الخلية

لتتمكّن من التقاط الغذاء
ونقله من خارج الخلية إلى داخلها.

يستخدم مختبرنا ما يُدعى
بورقة الضوء الشبكية في المجهر،

والتي تُولّد طبقة بالغة الرقّة من الضوء،

متجنبةً إحداث أذية للخلايا

أو إنتاج كمية كبيرة من الضوء في الجهاز.

وعندما نقوم بذلك

فإننا نتمكّن من رؤية حركيات العمليات
لفترة أطول بكثير

بدون أن نؤثر سلباً على هذه الخلايا.

لقد استخدمنا هذه التقنيات والأدوات
في المجهر

بهدف فهم كيف تُصيب الفيروسات الخلايا.

وفي هذا المثال عرّضنا الخلية
لفيروس الروتا.

وهو فيروس مُعدٍ بشدّة
ويقتل أكثر من 200 ألف شخص سنوياً.

ومن خلال مشاهدة هذه الجزيئات الفيروسية

وكيف تنتشر على سطح الخلايا

نستطيع فهم القواعد والخطوات
التي تتبعها فيروسات الروتا.

وعندما نفهم هذه الخطوات

يُمكننا أن نشرع بالتفوّق عليهم

سواء عن طريق العلاجات الدوائية الذكية،

وذلك بهدف تخفيف أو توجيه
أو حتى منع الفيروس

من الارتباط بالخلية في المقام الأول.

لقد نجحنا بتحويل الغير مرئي إلى مرئي،

ولكن يبقى السؤال:

هل نستطيع أن نثق بما نراه؟

كل ما أريتكموه حتى الآن

يمثّل خلية محتجزة
على قطعة من الزجاج أو في طبق بتري.

ولكن تبيّن أن الخلايا لا تعيش
وتتطوّر على قطعة من الزجاج، أليس كذلك؟

فهي لا تعيش في عُزلة

ولا تتطوّر بعيداً عن سياقها الفيزيولوجي.

فلكي نتمكّن فعلاً
من فهم سلوك الخلية الطبيعي

علينا أن نراقبها مباشرة وهي تقوم بوظائفها
في بيئتها الأصلية.

لذا دعونا نلقي نظرة على هذا النظام المعقد.

هذا جنينُ سمكة زيبرا أثناء نموّه،

حيث تستطيعون رؤية الخلايا وهي تُرتب نفسها

لتُشكّل الأنسجة
ومن ثم تشكل الأجهزة والأعضاء.

وعندما تُشاهد الفيديو مجدداً،
سترى أنه بعمر 20 ساعة

ستبدأ عين وذيل سمكة الزيبرا بالتشكّل.

نستطيع اليوم مشاهدة ذلك
بدقة غير هذه الدقة المنخفضة

إذ نستطيع مشاهدة ذلك بتفاصيله الرائعة،

ونُريد أن نتمكّن من رؤية هذا
بالأبعاد الثلاثة

على مدى الثواني والدقائق
والساعات وحتى الأيام.

والمشكلة بهذه الأنظمة المعقدة

أنّها تمزج الضوء،

أو أنها تمزج الضوء
الذي نُوجهه على الخلايا،

وهذا يجعل من الصور التي نلتقطها
غير واضحة على الإطلاق.

وتبيّن أن علماء الفلك
قد عانوا من مشكلة مشابهة،

ولكن المشكلة بالنسبة لهم

تَحدثُ عندما يحاولون التقاط الضوء
الساطع من النجوم البعيدة

باستخدام التلسكوبات الأرضية.

وتكمن المشكلة في أن الضوء
عندما ينتقل لمسافة آلاف السنوات الضوئية

وثم يصطدم بعنف بغلافنا الجوي فجأة

فإن الضوء يمتزج.

ولحسن الحظ فقد اكتشفوا حلاً لذلك

منذ أكثر من نصف قرن.

إذ يقومون بإنشاء نجم صناعي

يبعد 90 كيلومتراً فقط عن سطح الأرض،

ويستخدمون ضوءه

الذي يعبر غلافنا الجوي ذاته
ليحل محل ضوء النجم البعيد،

وقد تمكنوا من فهم سبب امتزاج الضوء،

فاستخدموا مرآة يُمكنها تغيير شكلها

بهدف معاكسة أو حذف هذا التمازج.

لذا فقد قمنا بأخذ هذه الأفكار

وطبّقناها في أنظمة مجاهرنا.

وعندما قُمنا بذلك

استطعنا لدرجة ما
أن نحذف التراكب والتداخل الناتج عن التمازج

ونقلل من عدم الوضوح الذي كان يحدث

نتيجة هذا التداخل في الأنظمة.

وطبّقنا ذلك على سمكة الزيبرا.

نُفضّل سمكة الزيبرا لأنها -كالإنسان-
تعتبر من الفقاريات.

ولأنها -على عكس البشر-
شفافة بالكامل تقريباً.

وهذا يعني أننا عندما نسلّط عليها الضوء

فإننا نستطيع رؤية الحركيات الخلوية
وتحت الخلوية

بتفاصيلها الرائعة.

دعوني أُريكم مثالاً.

نرى في هذا الفيديو
عمودَ سمكة الزيبرا الفقري وعضلاتها.

نستطيع أن نرى ترتيب الخلايا...

مئات الخلايا في هذا الحجم المحدد...

بوجود وغياب آليات التكيف البصرية.

وباستخدام هذه الأدوات

نستطيع أن نرى أوضح مما كُنا نراه سابقاً.

وفي هذا المثال بعينه،

انظروا إلى آلية تطوّر العين
في سمكة الزيبرا،

يُمكنكم رؤية الفوضى
في جنين سمكة الزيبرا هذا.

يُمكنكم رؤية الخلايا تتراقص.

وفي مثال آخر يمكنكم رؤية الخلية وهي تنقسم.

وفي مثال غيره

يُمكنكم أن تروا أن الخلايا تحاول أن تأخذ
مكانها الصحيح وتضغط على الخلايا بجانبها.

وفي المثال الأخير ترون خليةً
تتعامل بخشونة مع الخلايا التي تجاورها

وتضربهم.

أليس كذلك؟

تُمكننا هذه التقنية من رؤية بُنى عميقة
وبشكل أكثر وضوحاً

وكأننا نرى خلية واحدة على قطعة من الزجاج

محبوسة في هذا المكان.

ولكي أوضّح لكم الإمكانات
التي ستتيحها لنا هذه التقنية

فقد تعاونا مع بعض من أفضل العلماء
حول العالم.

وبدأنا بطرح مجموعة من الأسئلة الأساسية

التي بدأنا بالعمل عليها معاً
في الوقت الحالي.

مثلاً كيف ينتشر السرطان في الجسم؟

ترون في هذا المثال خلايا سرطان الثدي
عند الإنسان

وهي تُهاجر،

بحيث تستخدم الأوعية الدموية
التي تظهر باللون الأرجواني.

إذ تستخدم هذه الخلايا الأوعية الدموية
كطُرق سريعة لتتحرّك في الجسم.

يُمكنكم رؤيتها
وهي تحاول الانسلال عبر الأوعية الدموية.

يمكنكم رؤيتها وهي تتدحرج
عندما توجد مساحة كافية لذلك.

وفي مثال آخر يُمكنكم رؤيتها
وهي تتصرّف كإعلان لريدلي سكوت

لفيلم جديد باسم "الكائن الفضائي".

تُحاول هذه الخلية السرطانية حرفياً
شق طريقها خارج الأوعية الدموية

بهدف غزو أجزاء أخرى من الجسم.

وفي المثال الأخير الذي سأعرضه عليكم

نحاول فهم كيف تتطوّر الأذن.

وهنا نحاول فهم طريقة زحف العَدِلات.

تبقى هذه الخلايا المناعية
في حالة تجوّل دائمة.

إذ لا تستريح مطلقاً.

وتعمل بشكل مستمر لاكتشاف أي خطر غريب

أو العثور على أي عدوى جرثومية.

وتستشعر البيئة وتتحرك باستمرار.

نستطيع الآن مشاهدة هذه الصور وهذه الأفلام

بتفاصيل رائعة
لم نتمكن قبل اليوم من رؤيتها.

كما في كل التقنيات الحديثة

تترافق الإمكانيات الجديدة
مع تحديات جديدة أيضاً

وهي بالنسبة لنا كيف نتعامل
مع القدر الكبير من البيانات.

تُنتج هذه المجاهر أطناناً من البيانات.

إذ نُنتج ما يتراوح بين 1 و3 تيرابايت
من البيانات كل ساعة.

وبتعبير آخر: نملأ 2 مليون قرصاً مرناً
كل ساعة.

ولكي نقرّب ذلك إلى أذهان مستمعينا الخبراء.

(ضحك)

هذا يُعادل تقريباً 500 قرص فيديو رقمي،

وليستطيع جيل الألفية فهم ذلك

فهذا يُعادل ملء دزينة من أجهزة الآيفون 11s
كُل ساعة.

نملك أطناناً من البيانات.

يجب أن نكتشف طرقاً
لنتمكّن من رؤية هذه الفيديوهات.

يجب أن نكتشف طرقاً جديدة

لاستخلاص معلومات بيولوجية ذات قيمة

من هذه البيانات.

والأهم من ذلك

يجب أن نتمكّن من إيصال
هذه المجاهر المتطوّرة

لأيدي العلماء في كل أنحاء العالم.

كما أننا نقدم تصميمات هذه المجاهر مجاناً.

ولكن الجزء الرئيسي المهم

هو أننا نريد أن نتعاون
مع عدد أكبر من العلماء لنترك أثراً.

إذ نجمع العلماء معاً

ممن يستطيعون تطوير أجهزة بيولوجية
وكيميائية جديدة.

نعمل مع علماء البيانات

وعلماء الأجهزة

لنتمكّن من إنتاج واحتواء هذه البيانات.

ولأننا نمنح هذه الأجهزة مجاناً

لكل الأكاديميين والهيئات غير الربحية،

فإننا نبني مراكز تصوير متطوّرة لجمعهم،

لنتمكّن من جمع مجموعة
من المختصين في المجاهر

وعلماء الأحياء وعلماء الحواسيب

بهدف بناء فريق يستطيع حل المشاكل

التي لا يستطيع أي منا أن يحلها لوحده.

وبفضل هذه المجاهر

فإن آفاق العلم مفتوحة أمامنا مجدداً.

لذا دعونا ننظر باتجاهها معاً.

شكراً لكم.

(تصفيق)