كيف قد يتسنى لعلم أحياء الكم أن تفسر أكثر أسئلة الحياة حيرة.

كيف يهتدي طائر أبو الحناء إلى السفر جنوباً؟ قد تكون الإجابة أغرب مما تظن: فقد يحتاج الأمر إلى فيزياء الكم. يجول بنا جيم الخليلي في عالم أحياء الكم حديث العهد والحافل بالغرابة، الشيء الذي دعى إنشتين أن يدعوه ذات مرة "تأثير شبحي من على البعد" يساعد الطيور على النتقل، أما تأثيرات الكم فقد تساعد في تفسير أصل الحياة نفسها.

أود أن أطلعكم على مجال علمي ناشئ،

والذي مازال قيد التأمل
و لكنه مفعم بالإثارة،

و بالتأكيد فهو ينمو بسرعة قصوى.

يطرح علم أحياء الكم تساؤلاً بسيطاً:

هل ميكانيكا الكم--

بهذه الغرابة والدهشة وقوة النظرية

للعالم دون الذري للذرات والجزئيات

والذي يدعم بقوة
الفيزياء الحديثة والكيمياء--

و يلعب دوراً أيضاً داخل الخلية الحية؟

بعبارة أخرى، هل توجد عمليات،
وآليات، وظواهر

في الكائنات الحية والتي نستطيع تفسيرها

بمساعدة ميكانيكا الكم؟

حالياً، علم أحياء الكم
ليس شيئا جديداً،

فهو موجود منذ بداية الثلاثينات.

لكن فقط خلال العقد الماضي أو يزيد
حين أظهرت التجارب الدقيقة--

في مختبرات الكيمياء الحيوية
باستخدام التحليل الطيفي--

أظهرت أدلة قاطعة
وبوضوح أن هناك آليات محددة

والتي تتطلب ميكانيكا الكم
لشرحها.

علم أحياء الكم يجمع
علماء فيزياء الكم والكيمياء الحيوية،

وعلماء البيولوجيا الجزيئية
فهو مجال متعدد التخصصات للغاية.

لقد درست فيزياء الكم،
لذلك فأنا عالم فيزياء نووية.

لقد قضيت أكثر من ثلاثة عقود

محاولاً فهم علم ميكانيكا الكم.

أحد مؤسسي
ميكانيكا الكم و هو نيلز بور،

قال: "إذا لم تكن مأخوذاً بها،
فأنت لم تفهمها بعد".

لذلك أشعر بالسعادة نوعاً ما
لأنها ما زالت تثير دهشتي.

و هو شيء رائع.

ولكنه يعني أن أدرس
أصغرالمكونات في الكون--

أي لبنات بناء الواقع.

إذا فكرنا بقياس الحجم،

بدءً بالأشياء اليومية مثل كرة التنس،

و نزولاً بالترتيب إلى الأقل حجماً--

من فتحة الإبرة، إلى الخلية، وصولاً
إلى البكتيريا، وإلى الإنزيم--

سنصل بالنهاية إلى عالم النانو.

الآن، قد يكون مصطلح النانو
مألوفاً بالنسبة لكم.

النانومتر هو جزء من المليار من المتر.

مجال اختصاصي هي نواة الذرة،
وهي النقطة متناهية الصغر داخل الذرة.

حتى أنها أصغر من حيث الحجم.

هذا هو مجال ميكانيكا الكم،

و لقد أمضى الفيزيائيون
و الكيمائيون وقتاً طويلاً

لمحاولة الاعتياد على ذلك.

من جهة أخرى
فلقد ترجل علماء الأحياء، برأيي.

هم سعداء جداً بكراتهم و عصيهم
كنماذج من الجزيئات.

(ضحك)

الكرات هي الذرات، أما العصي
فتمثل الروابط بين الذرات،

و عندما لا يستطيعون بناءها
فيزيائياً في المختبر،

فهم في الوقت الحاضر لديهم
أجهزة كمبيوتر فعالة جداً

و التي باستطاعتها محاكاة جزيء ضخم.

هذا بروتين يتكون من 100,000 ذرة.

إنه حقاً لا يتطلب الكثير للشرح
على غرار ميكانيكا الكم.

تم تطوير ميكانيكا الكم
في العشرينيات.

وهي عبارة عن مجموعة رائعة وفعالة
من القواعد الرياضية والأفكار

والتي تشرح العالم متناهي الصغر.

وهو عالم يختلف كلياً
عن عالمنا اليومي،

مصنوع من تريليونات الذرات.

إنه عالم مبني
على الاحتمالية والحظ.

إنه عالم غامض.

عالم من الخيالات،

حيث يتسنى للجزيئات أيضاً
التصرف مثل الموجات المنتشرة.

إذا تخيلنا ميكانيكا الكم
أو فيزياء الكم، فإنه

كأساس أولي
من الواقع نفسه،

فإذن ليس من المستغرب أن نقول

أن فيزياء الكم تدعم
الكيمياء العضوية.

الأهم من ذلك أنها تعطينا
القواعد التي تخبرنا

كيف تتناسب الذرات معاً
لصنع الجزيئات العضوية.

وسَّعت الكيمياء العضوية نطاقها في التعقيد،

حيث تمدنا بالبيولوجيا الجزيئية
والتي بالتأكيد تقود إلى الحياة نفسها.

إذا بشكل ما، فإن الأمر ليس مستغرباً جداً.

بل هو عادي جداً في الواقع.

قد تقول: "حسناً، لابد للحياة أن
تعتمد كلياً على ميكانيكا الكم."

و كذلك كل الأِشياء الأخرى.

كل مادة غير حية،
تتكون من تريليونات الذرات.

هناك مستوى كمي في نهاية المطاف

حيث يتوجب علينا أن نتعمق
في هذه الغرابة.

ولكن في الحياة اليومية
يمكننا نسيانها.

لأنه بمجرد أن تضع
تريليونات الذرات معاً،

فإن دهشة الكم تتلاشى تماماً.

علم أحياء الكم لا يدور حول هذا الموضوع.

وهو ليس بهذا الوضوح.

ميكانيكا الكم بالطبع
تدعم الحياة في بعض مستويات الجزيء.

علم أحياء الكم يبحث عن المهم--

الأفكار الحدسية في ميكانيكا الكم--

ومعرفة ما إذا كانت، فعلاً، تلعب
دوراً هاماً

في وصف عمليات الحياة.

و هنا مثالي الممتاز لحدسية

لعالم الكم.

هذا هو متزحلق الكم.

يبدو سليماً،
و يبدو أنه في صحة جيدة تماماً،

و يبدو أنه قد نما على
جانبي تلك الشجرة في نفس الوقت.

حسنا، إذا رأيت مسارات من هذا القبيل

فستعتقد بالطبع، أنها نوع من معيقات النمو.

ولكن في عالم الكم
هذا شيئ مألوف جداً.

يمكن للجسيمات أن تقوم بمهام متعددة،
حيث يمكنها أن تتواجد في مكانين في آن واحد.

و بمقدورها أن تفعل أكثر من شيء واحد
في الوقت ذاته.

يمكن للجسيمات أن تتصرف
مثل الموجات المنتشرة.

إنها في الأغلب كالسحر.

لقد أمضى علماء الفيزياء والكيمياء
ما يقرب من قرن من الزمان

محاولين الإعتياد على هذه الغرابة.

أنا لا ألوم علماء الأحياء

على عدم تعلمهم أو عدم
رغبتهم تعلم ميكانيكا الكم.

فكما ترون، هذه الغرابة بالغة الرقة

و نحن علماء الفيزياء
نسعى جاهدين للحفاظ عليها في مختبراتنا.

نقوم بخفض حرارة النظام إلى الصفر المطلق،

ونجري تجاربنا في الفراغات،

ونحاول عزلها
عن أي اضطراب خارجي.

وذلك يختلف تماماً عن الدفء،
والفوضى، والبيئة الصاخبة للخلية الحية.

علم الأحياء بذاته، إذا ما كنت تفكر
بعلم الأحياء الجزيئي،

يبدو أنها أبلت بلاءً حسناً
في وصف كل عمليات الحياة

في ما يتعلق بالكيمياء--
التفاعلات الكيميائية،

وهي الإختزالية،
التفاعلات الكيميائية القطعية،

توضح أن الحياة أساساً مبنية من نفس
المواد مثل أي شيئ آخر،

وإذا كان بإمكاننا أن نغض الطرف
عن ميكانيكا الكم في العالم الكلي،

إذاً يتوجب علينا أن نغض
الطرف بالنسبة لعلم الأحياء أيضاً.

حسناً، رجل واحد
رأى أن يختلف مع هذه الفكرة.

إروين شرودنغر،
صاحب شهرة قط شرودنغر،

و هو فيزيائي نمساوي.

يعتبر أحد مؤسسي
فيزياء الكم في العشرينيات.

كتب في عام 1944
كتاباً أسماه "ما هي الحياة؟"

و فد كان مؤثراً بشكل عظيم.

لقد أثَّر على فرانسيس كريك وجيميس واتسون،

و اللذين اكتشفا بنية
الحمض النووي ذو الحلزون المزدوج.

ليعيد صياغة الوصف في كتابه قائلاً:

عند المستوى الجزيئي، تتمتع
الكائنات الحية ببعض النظام،

حيث يختلف تركيبها

عن التدافع الحراري
العشوائي للذرات و الجزيئات

مقارنة بالجمادات غند نفس درجة التعقيد.

في الحقيقة، الكائنات الحية تميل إلى
التصرف حسب هذا الترتيب وهذه البنية

حيث تبرد إلى ما يقارب الصفر
المطلق تماماَ كما يحدث مع الجمادات،

حيث تلعب تأثيرات
الكم دوراً مهماً جداً.

يوجد شيئ مميز يتعلق بالبنية، وهو الترتيب

داخل الخلية الحية.

لذلك، تكهن شرودنغر أن ميكانيكا
الكم لربما تلعب دوراً في الحياة.

إنها فكرة متضاربة وبعيدة المنال،

ولم ينجح الأمر بشكل كبير.

ولكن وكما ذكرت في البداية،

خلال السنين العشر الماضية، ظهرت تجارب

توضح أين هذه الظواهر في علم الأحياء

تتطلب ميكانيكا الكم.

أود أن أشارككم بعض من هذه التجارب المثيرة.

هذه واحدة من أشهر
الظواهر في عالم الكم،

وهي نفق الكم.

الصندوق إلى اليسار يظهر
التوزيع الإنتشاري الشبيه بالموجة

للكيان الكمي. جسيم شبيه بالإلكترون،

حيث هي ليست بكرة صغيرة ترتد عن الجدار.

إنما موجة ذو قابلية محددة للتغلغل

خلال جدار صلب، مثل الطيف
الذي يعبرإلى الجانب الآخر.

يمكنكم أن تروا لطخة ضوء
خافت في الصندوق إلى اليمين.

يشير نفق الكم إلى أن الجسيم
يمكن أن يصطدم بحاجز منيع،

وبشكل أقرب إلى السحر،

يختفي من جانب
ويعاود الظهور من الجانب الآخر.

أجمل طريقة لشرج ذلك
هي أنه إذا أردت إلقاء كرة عبر الحائط،

لابد أن تزودها
بالطاقة الكافية لكي تعبر فوق الجدار.

بالنسبة لعالم الكم،
فأنت لست بحاجة لجعلها تعبر الجدار،

بل يمكنك رميها تجاه الجدار
وبوجود قابلية غير صفرية محددة

ستختفي من ناحيتك وتعاود
الظهور من الجانب الآخر.

ليس هذا تخميناً بالمناسبة.

نحن سعيدون، في الحقيقة "سعيد"
ليست بالكلمة المناسبة

(ضحك)

نحن معتادون على هذا.

(ضحك)

نفق الكم يحدث على طول الوقت:

في الحقيقة، هو السبب في أن الشمس تشرق.

تلتحم الجسيمات مع بعضها البعض،

ثم تحول الشمس الهيدروجين إلى
هيليوم عن طريق نفق الكم.

بالعودة إلى السبعينيات والثمانينات،
اكتُشِفَ أن نفق الكم يحدث أيضاً

داخل الخلايا الحية.

الإنزيمات، وهم عمال الحياة،
ومحفزات التفاعلات الكيميائية

هي جزيئات حيوية تسرع
التفاعلات الكيميائية داخل الخلايا الحية،

عن طريق العديد
والعديد من أوامر الحجم.

ولطالما كانت طريقة فعل هذا سراً.

حسناً، تم اكتشاف ذلك السر

تلك واحدة من الخدع
التي طورها الإنزيم لكي يستفيد منها،

وذلك عن طريق تحويل الجسيمات
دون الذرية مثل الإلكترونات والبروتونات

من أحد أطراف الجزيء إلى آخر عبر نفق الكم.

إنه كافِِ وسريع وبمقدوره الاختفاء

بمقدور البروتون الإختفاء من مكان
ما ومعاودة الظهور في مكان آخر.

حيث يساعد الإنزيم على حدوث ذلك.

هذا بحث تم إجراؤه في الثمانينات،

بالتحديد بواسطة فريق من
مدينة بيركيلي. جوديث كلينمان.

أكدت فرق أخرى من المملكة المتحدة

أن الإنزيم يفعل ذلك حقاً.

أجري البحث عن طريق فريقي البحثي...

فكما ذكرت، أنا فيزيائي نووي،

ولكني لاحظت أني أمتلك أدوات مثل
استخدام ميكانيكا الكم

في الأنوية الذرية، وكذلك استخدام
هذه الأدوات في مناطق أخرى.

لدينا تساؤل

وهو عمّا إذا ما كان نفق الكم
يلعب دوراً في تغيرات الحمض النووي.

مجدداً، هذه ليست فكرة جديدة،
بل هي تعود إلى بواكير الستينيات.

طوقي الحمض النووي،
وبنية الحلزون المزدوج،

يتم ربطهما معاً عن طريق درجات،
هي مثل السلم اللولبي

ودرجات السلم هذه تمثل روابط الهيدروجين

تعمل البروتونات مثل
الغراء فيما بين الطوقين.

لذا، إذا ما كبرت الصورة، ستجد أن
مهمتهما هي الإمساك بهذه الجزيئات الضخمة

النيوكليوتيدات معاً.

كبر الصورة أكثر.

هذه محاكاة عن طريق جهاز الحاسوب.

الكرتين البيضاويتين في
المنتصف هما عبارة عن بروتون،

وتلاحظون
أنها رابطة هايدروجين مزدوجة.

أحدهما يفضل البقاء في جانب،
والآخر على الجانب المقابل

للطوقين للخطوط الأفقية المتجهة للأسفل،
والتي ليس بمقدوركم رؤيتها.

قد يحدث أن يقفز هذين البروتونين.

انظروا إلى الكرتين البيضاويتين.

بمقدورهما القفز إلى الجانب الآخر.

في حال انفصال طوقي الحمض النووي،
مسبباً ذلك عملية التكرار،

ووجود كلا البروتينين في وضعية خاطئة،

قد يقود هذا إلى حالة من التغيّر الإحيائي.

وهذا أمر معروف منذ نصف قرن.

السؤال المفترض: كيف من المرجح أن يحدث ذلك،

وإذا ما حدث، فكيف حدث ذلك؟

هل عبرت من خلاله،
مثل الكرة تعبرفوق الحائط؟

أو عن طريق عبور نفق الكم، حتى
وإن لم تتمتع بالطاقة الكافية؟

الدلائل الأولية تشير إلى أن نفق الكم
قد يلعب دوراً في هذا الأمر.

وحتى الآن لا ندرك مدى أهمية الأمر:

مازال هذا سؤالاً مفتوحاً.

إنه مدعاة للتأمل،

ولكنه أحد تلك الأسئلة المهمة جداً

عما إذا كانت ميكانيكا الكم
تلعب دوراً في التغيرات الإحيائية،

بالتأكيد لابد أن لهذا آثاراً كبيرة،

من أجل فهم أنواع محددة من التغيرات،

حتى تلك التي تقود إلى
تحول الخلية إلى خلية سرطانية.

مثال آخر لميكانيكا الكم
في علم الأحياء هو التماسك البيولوجي،

في واحدة من أهم العمليات في علم الأحياء،

وهي البناء الضوئي: تستقبل النباتات
و البكتريا أشعة الشمس،

مستخدمة تلك الطاقة لخلق الكتلة الحيوية.

تماسك الكم هو عبارة
عن تعدد مهام كيانات الكم.

إنه عبارة عن متزحلق الكم.

عبارة عن شيئ يتصرف مثل الموجة،

لذلك لا ينحصر الأمر في
حركته في اتجاه واحد أو عكسه،

بل بمقدوره أن يسلك
عدة اتجاهات في نفس الوقت.

قبل عدة سنين، تعرض مجتمع
العلوم إلى حالة صدمة

عندما تم نشر ورقة تظهر دلائل تجريبية

أن تماسك الكم يحدث في داخل البكتريا،

محدثاً ذلك عملية التمثيل الضوئي.

الفكرة هي أن الفوتون،
وجسيم الضوء، وأشعة الشمس

وكمية الضوء الملتقطة
عن طريق جزيء الكلوروفيل،

يتم تحويلها إلى ما يسمى مركز التفاعل،

حيث يتم تحويلها إلى طاقة كيميائية.

وهنا فهي لا تسلك طريقاً واحداً،

بل تسلك عدة طرق في نفس اللحظة،

من أجل الوصول إلى
أفضل طريقة لتحقيق مركز التفاعل

دون التشتت كحرارة مبددة.

يحدث تماسك الكم داخل الخلية الحية.

فكرة إستثنائية،

ومازالت الأدلة تتوالى أٍسبوعياً
تقريباً، مع خروج أوراق جديدة للعلن،

مؤكدة أن ذلك يحدث حقيقة.

مثالي الثالث والأخيرهو
الفكرة الأجمل والأروع.

هي مازالت في طور التأمل،
ولكن لابد أن أشارككم بها.

يهاجر طائر أبو الحناء
من الدول الاسكندنافية

وصولا الى البحر الأبيض المتوسط، كل خريف،

ومثل العديد من الحيوانات
البحرية وحتى الحشرات،

فهي تستهدي عن طريق الاستشعار
بالمجال المغناطيسي للأرض.

الآن، المجال المغناطيسي
للأرض يعتبرضعيفاً جداً

فهو أضعف بمقدار 100 مرة
من مغناطيس الثلاجة،

وعلى الرغم من ذلك فهو يؤثر على الكيمياء
داخل الكائن الحي بشكل أو بآخر.

هذا ليس محل شك، فقد
أثبت عالما طيور ألمانيين،

وهما وولفغانغ وروسويثا ويلتشوك
في السبعينيات تلك الحقيقة،

يعرف أبو الحناء طريقه عن طريق
استشعار المجال المغناطيسي للأرض،

مما يمده بمعلومات توجيهية، كما البوصلة.

وقد كان الغموض في كيفية حدوث ذلك.

حسنا، النظرية الوحيدة

لاندري إن كانت النظرية الصحيحة،
ولكنها النظرية الوحيدة المتاحة--

أنه يستعين بما يسمى بتشابك الكم.

في داخل شبكة عين أبو الحناء--

أنا لا أمزح، في داخل شبكة عين أبو
الحناء يوجد بروتين يسمى بالكربتكروم،

وهو حساس للضوء.

داخل الكربتكروم يوجد زوج
من الإلكترونات متشابك كمياً.

الآن، تشابك الكم هو عندما يوجد جسيمين
بعيدين من بعضهما البعض،

ورغم لك، يظلان في حالة
اتصال مع بعضهما البعض.

حتى إنشتين كره هذه الفكرة

فقد سماها "تأثير شبحي من على البعد."

(ضحك)

لذا في حال أن إنشتين لم يحبها،فيمكننا
أن نكون غير مرتاحين لهذا الأمر.

إلكترونان في حالة تشابك كمي داخل جزيء واحد

يرقصان رقصة رقيقة

ذلك أمر حساس جداً لاتجاه تحرك الطيور

داخل المجال المغناطيسي للأرض.

لا ندري إن كان ذلك هو التفسير الصحيح،

ولكن، أليس شيئاً مثيراً إن كانت ميكانيكا
الكم هي ما يساعد الطيور على النتقل؟

مازال علم أحياء الكم في مراحله الأولى.

مازال الأمر مدعاة للتفكير.

ولكني أؤمن أنه بني على قواعد علمية صلبة.

أعتقد أيضاً أنه خلال السنوات
العشر القادمة أو نحو ذلك،

سنشهد ذلك على أرض الواقع،
وسيعم الأمر حياتنا

وأن الحياة طورت خدعاً تنتفع من عالم الكم.

شاهدوا هذا الفضاء

شكراً لكم

(تصفيق)