تخيل أنك تستخدم هاتفك المحمول للتحكم في نشاط خلاياك الخاصة لعلاج الإصابات والأمراض. يبدو الأمر وكأنه شيء من خيال كاتب خيال علمي مفرط في التفاؤل. لكن هذا قد يكون ممكنًا يومًا ما من خلال مجال علم الأحياء الكمي الناشئ.
على مدى العقود القليلة الماضية، حقق العلماء تقدمًا لا يصدق في فهم الأنظمة البيولوجية ومعالجتها على نطاقات صغيرة بشكل متزايد، بدءًا من طي البروتين إلى الهندسة الوراثية. ومع ذلك، فإن مدى تأثير التأثيرات الكمومية على الأنظمة الحية لا يزال غير مفهوم.
التأثيرات الكمومية هي ظواهر تحدث بين الذرات والجزيئات ولا يمكن تفسيرها بالفيزياء الكلاسيكية. لقد كان من المعروف منذ أكثر من قرن أن قواعد الميكانيكا الكلاسيكية، مثل قوانين نيوتن للحركة، تتحلل عند المقاييس الذرية. بدلًا من ذلك، تتصرف الأجسام الصغيرة وفقًا لمجموعة مختلفة من القوانين المعروفة باسم ميكانيكا الكم.
بالنسبة للبشر، الذين لا يستطيعون إلا إدراك العالم العياني، أو ما يمكن رؤيته بالعين المجردة، يمكن أن تبدو ميكانيكا الكم غير بديهية وساحرة إلى حد ما. أشياء قد لا تتوقع حدوثها في العالم الكمي، مثل “نفق” الإلكترونات عبر حواجز الطاقة الصغيرة والظهور على الجانب الآخر سالمًا، أو التواجد في مكانين مختلفين في نفس الوقت في ظاهرة تسمى التراكب.
لقد تدربت كمهندس الكم. عادة ما تكون الأبحاث في ميكانيكا الكم موجهة نحو التكنولوجيا. ومع ذلك، ومن المثير للدهشة إلى حد ما، أن هناك أدلة متزايدة على أن الطبيعة – المهندس الذي يتمتع بمليارات السنين من الممارسة – تعلمت كيفية استخدام ميكانيكا الكم لتعمل على النحو الأمثل. إذا كان هذا صحيحًا بالفعل، فهذا يعني أن فهمنا لعلم الأحياء غير مكتمل بشكل جذري. وهذا يعني أيضًا أنه يمكننا التحكم في العمليات الفسيولوجية باستخدام الخصائص الكمومية للمادة البيولوجية.
الكم في علم الأحياء ربما يكون حقيقيا
يمكن للباحثين التعامل مع الظواهر الكمومية لبناء تكنولوجيا أفضل. في الواقع، أنت تعيش بالفعل في عالم يعتمد على الطاقة الكمومية: من مؤشرات الليزر إلى نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، والتصوير بالرنين المغناطيسي والترانزستورات في جهاز الكمبيوتر الخاص بك – كل هذه التقنيات تعتمد على التأثيرات الكمية.
بشكل عام، تظهر التأثيرات الكمومية فقط عند مقاييس صغيرة جدًا للطول والكتلة، أو عندما تقترب درجات الحرارة من الصفر المطلق. وذلك لأن الأجسام الكمومية مثل الذرات والجزيئات تفقد “كميتها” عندما تتفاعل بشكل لا يمكن السيطرة عليه مع بعضها البعض ومع بيئتها. بمعنى آخر، يتم وصف المجموعة العيانية من الأجسام الكمومية بشكل أفضل من خلال قوانين الميكانيكا الكلاسيكية. كل ما يبدأ كميًا يموت كلاسيكيًا. على سبيل المثال، يمكن التحكم بالإلكترون ليتواجد في مكانين في نفس الوقت، لكنه سينتهي في مكان واحد فقط بعد فترة قصيرة، وهو بالضبط ما يمكن توقعه بشكل كلاسيكي.
وبالتالي، فمن المتوقع في نظام بيولوجي معقد وصاخب أن تختفي أغلب التأثيرات الكمومية بسرعة، وتتلاشى فيما أطلق عليه الفيزيائي إروين شرودنجر “البيئة الدافئة الرطبة للخلية”. بالنسبة لمعظم علماء الفيزياء، فإن حقيقة أن العالم الحي يعمل في درجات حرارة مرتفعة وفي بيئات معقدة يعني ضمنا أن علم الأحياء يمكن وصفه بشكل كاف وكامل من خلال الفيزياء الكلاسيكية: لا يوجد عبور غير تقليدي للحواجز، ولا يوجد في مواقع متعددة في وقت واحد.
ومع ذلك، فقد اختلف الكيميائيون لفترة طويلة. تُظهر الأبحاث التي أجريت على التفاعلات الكيميائية الأساسية في درجة حرارة الغرفة بشكل لا لبس فيه أن العمليات التي تحدث داخل الجزيئات الحيوية مثل البروتينات والمواد الوراثية هي نتيجة للتأثيرات الكمية. والأهم من ذلك، أن مثل هذه التأثيرات الكمومية النانوية قصيرة العمر تتوافق مع تحفيز بعض العمليات الفسيولوجية العيانية التي قام علماء الأحياء بقياسها في الخلايا والكائنات الحية. تشير الأبحاث إلى أن التأثيرات الكمومية تؤثر على الوظائف البيولوجية، بما في ذلك تنظيم نشاط الإنزيم، واستشعار المجالات المغناطيسية، واستقلاب الخلايا، ونقل الإلكترون في الجزيئات الحيوية.
كيفية دراسة بيولوجيا الكم
إن الاحتمال المثير بأن التأثيرات الكمومية الخفية يمكن أن تعدل العمليات البيولوجية يمثل حدودًا مثيرة وتحديًا للعلماء. تتطلب دراسة تأثيرات ميكانيكا الكم في علم الأحياء أدوات يمكنها قياس المقاييس الزمنية القصيرة، ومقاييس الطول الصغيرة، والاختلافات الدقيقة في الحالات الكمومية التي تؤدي إلى تغيرات فسيولوجية – وكلها مدمجة في بيئة مختبر رطبة تقليدية.
في عملي، أقوم ببناء أدوات لدراسة الخصائص الكمومية للأشياء الصغيرة مثل الإلكترونات والتحكم فيها. بنفس الطريقة التي تتمتع بها الإلكترونات بالكتلة والشحنة، فإن لها أيضًا خاصية كمومية تسمى الدوران. يحدد الدوران كيفية تفاعل الإلكترونات مع المجال المغناطيسي، بنفس الطريقة التي تحدد بها الشحنة كيفية تفاعل الإلكترونات مع المجال الكهربائي. تهدف التجارب الكمومية التي قمت بإنشائها منذ دراستي العليا، والآن في مختبري الخاص، إلى تطبيق مجالات مغناطيسية مخصصة لتغيير دوران إلكترونات معينة.
أثبتت الأبحاث أن العديد من العمليات الفسيولوجية تتأثر بالمجالات المغناطيسية الضعيفة. وتشمل هذه العمليات تطوير الخلايا الجذعية ونضجها، ومعدلات تكاثر الخلايا، وإصلاح المواد الوراثية، وعدد لا يحصى من العمليات الأخرى. تتوافق هذه الاستجابات الفسيولوجية للمجالات المغناطيسية مع التفاعلات الكيميائية التي تعتمد على دوران إلكترونات معينة داخل الجزيئات. ومن ثم، فإن تطبيق مجال مغناطيسي ضعيف لتغيير دوران الإلكترون يمكن أن يتحكم بشكل فعال في المنتجات النهائية للتفاعل الكيميائي، مع ما يترتب على ذلك من عواقب فسيولوجية مهمة.
وفي الوقت الحالي، فإن عدم فهم كيفية عمل مثل هذه العمليات على المستوى النانوي يمنع الباحثين من تحديد قوة وتكرار المجالات المغناطيسية التي تسبب تفاعلات كيميائية محددة في الخلايا. إن تقنيات الهواتف المحمولة والتقنيات القابلة للارتداء والتصغير الحالية كافية بالفعل لإنتاج مجالات مغناطيسية ضعيفة ومصممة خصيصًا والتي تغير علم وظائف الأعضاء، للأحسن والأسوء. وبالتالي، فإن الجزء المفقود من اللغز هو “كتاب الرموز الحتمي” لكيفية ربط الأسباب الكمومية بالنتائج الفسيولوجية.
في المستقبل، يمكن لضبط الخصائص الكمومية للطبيعة أن يمكّن الباحثين من تطوير أجهزة علاجية غير جراحية، ويمكن التحكم فيها عن بعد، ويمكن الوصول إليها باستخدام الهاتف المحمول. من الممكن استخدام العلاجات الكهرومغناطيسية للوقاية من الأمراض وعلاجها، مثل أورام الدماغ، وكذلك في التصنيع الحيوي، مثل زيادة إنتاج اللحوم المزروعة في المختبر.
طريقة جديدة تمامًا لممارسة العلوم
يعد علم الأحياء الكمي واحدًا من أكثر المجالات متعددة التخصصات التي ظهرت على الإطلاق. كيف يمكنك بناء المجتمع وتدريب العلماء على العمل في هذا المجال؟
منذ الوباء، قام مختبري في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس ومركز تدريب الدكتوراه في علم الأحياء الكمي بجامعة ساري بتنظيم اجتماعات كبيرة في علم الأحياء الكمي لتوفير منتدى أسبوعي غير رسمي للباحثين للالتقاء وتبادل خبراتهم في مجالات مثل فيزياء الكم السائدة والفيزياء الحيوية والطب والكيمياء والأحياء.
سوف تتطلب الأبحاث التي لها آثار تحويلية محتملة في علم الأحياء والطب والعلوم الفيزيائية العمل ضمن نموذج تعاون تحويلي بنفس القدر. إن العمل في مختبر موحد سيسمح للعلماء من التخصصات التي تتبع أساليب مختلفة جدًا للبحث بإجراء تجارب تلبي اتساع علم الأحياء الكمي من الكم إلى الجزيئي والخلوي والعضوي.
إن وجود علم الأحياء الكمي كنظام يعني أن الفهم التقليدي لعمليات الحياة غير مكتمل. سيؤدي المزيد من البحث إلى رؤى جديدة حول السؤال القديم حول ماهية الحياة، وكيف يمكن التحكم فيها وكيفية التعلم مع الطبيعة لبناء تقنيات كمومية أفضل.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. هل أعجبك هذا المقال؟ إشترك في رسائلنا الإخبارية الأسبوعية.
كتب بواسطة: كلاريس د. أييلو، جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس.
اقرأ أكثر:
تتلقى كلاريس د. أييلو تمويلًا من NSF، وONR، ومؤسسة IDOR، ومؤسسة Faggin، ومؤسسة Templeton.