البيولوجيا الكمية: هل يمكن للفيزياء أن تفسر الحياة؟
هل يمكن للفيزياء أن تفسر بعض الظواهر الحيوية مثل كيف تقرأ هذه الكلمات أو كيف تهضم طعامك؟
لا شك أن الفيزياء تستطيع تفسير ظواهر طبيعية كثيرة، ولكن هل هذه هي الحالة عندما نتحدث عن الحياة؟
حديثّا نشأ فرع من العلم يسمى بعلم الأحياء الكمي «Quantum biology»، والذي يحاول استخدام قوانين، نظريات و تفسيرات ميكانيكا وفيزياء الكم في تفسير الظواهر الحيوية.
و لكن ما هي ميكانيكا الكم؟
ميكانيكا الكم Quantum mechanics هي مجموعة القوانين والنظريات التي تفسر العالم الذري وما دون الذري.
عالم الكم تحكمه قوانين مختلفة عن قوانين عالمنا اليومي (قوانين الفيزياء الكلاسيكية). فمثلًا، الضوء يتكون من جسيمات وموجات في نفس الوقت، والإلكترون قد يسلك مسارين مختلفين في نفس الوقت.
لا تحاول تخيل الإلكترون كجسم صلب أو أن المسار الذي يسلكه شبيه بأي شيء تعرفه في حياتك اليومية. فنموذج الموجة والجسيم في ميكانيكا الكم لا يتقيد بمفاهيمنا اليومية عن الموجات والجسيمات.
بالرغم من غرابة تلك القوانين إلا أنها أساس العديد من التطبيقات والتقنيات التي غيرت العالم وأحدثت الثورة الصناعية، مثل الترانزيستور، أشعة الليزر والخلايا الشمسية والضوئية.
قد تستطيع قوانين الكم تفسير ظواهر حيوية كثيرة، مثل ظاهرة البناء الضوئي Photosynthesis process، الإنزيمات التي تسرع العملات الحيوية. الطفرات و هجرة الطيور.
عملية البناء الضوئي
تحدث عملية البناء الضوئي عندما يأخذ جزيء الكلوروفيل فوتونات الضوء ويقوم بتحويل طاقته لطاقة كيمائية ليقوم بتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين ونشويات. لكي يحدث هذا التفاعل يجب أن يصل فوتون الضوء إلى منطقة تسمى مركز التفاعل Reaction center.
الفوتون يمتلك طبيعة مزدوجة، بمعنى أنه أحيانًا يتصرف كجسيم وأحيانًا كموجة.
الذي يحدث في عملية البناء الضوئي هو انتشار للفوتون كموجة، يمكننا أن نتخيل المفهوم (بشكل مخل قليلًا) كانتشار موجة الماء على سطح بحيرة في كل الاتجاهات لكي يصل الفوتون إلى مركز التفاعل دون أن يفقد جزءًا من الطاقة في صورة حرارة.
الإنزيمات، السر الكيمائي للحياة
شيء مهم آخر في التفاعلات الحيوية وأجسام الكائنات الحية هو الإنزيم.
الإنزيمات Enzymes تلعب دورًا مهمًا جدًا في التفاعلات الحيوية، فهي تعمل كعوامل حفازة للتفاعلات الكيميائية حيث تقوم بجعل التفاعل يأخذ مسارًا مقتصدًا من ناحية الطاقة. أو بمعنى آخر يقلل الطاقة اللازمة لبدأ التفاعل.
من دون إنزيمات لن تستطيع أن تهضم الطعام أو أن يؤدي جسمك معظم وظائفه الحيوية. تعتمد الإنزيمات في طريقة عملها على ظاهرة كمية تسمى بالنفق الكمي Quantum tunneling. يمكنك تخيل تلك الظاهرة كاختفاء للإلكترون وظهوره في مكان آخر متجاوزًا بذلك حاجز طاقة.
لتبسيط الأمر تخيل أنك تقوم بترك كرة تقع من ارتفاع معين على منحنى. ستقوم الكرة بالتأرجح لنفس الارتفاع لكن من الجهة الأخرى للمنحنى. هل يمكن أن تختفي الكرة في وسط طريقها وتظهر عند ارتفاع أعلى من الذي ألقيت منه؟ لا يمكن ذلك في العالم الواقعي. النفق الكمي يمكن أن يحدث تأثيرًا كهذه مع الإلكترونات. يمكن تخيل الأمر أيضًا كأنك قمت بإلقاء كرة على حائط فاختفت الكرة ثم ظهرت في الجانب الآخر .
لكي يحدث تفاعل نووي داخل نواة الشمس لكي يمدنا بالطاقة والضوء النفق الكمي ضروري. تستخدم خاصية النفق الكمي في الأجهزة الإلكترونية مثل الـTunnel diode والـScanning tunneling microscope.
ما علاقة ذلك بالإنزيمات؟ حسنًا، الإنزيم يقوم باستغلال تلك الخاصية في نقل الإلكترونات (والتي تعتبر المحرك الرئيسي للتفاعلات الكيميائية) من أجل بدء التفاعلات بكمية طاقة أقل مقارنة بحدوثها في عدم وجود الإنزيم.
ما هي الحياة؟
يمكن أن تعطي البيولوجيا الكمية تفسير أيضًا لحدوث الطفرات Mutations. الحمض النووي الريبوزي المنقوص الأكسجين المعروف بالـDNA والذي يحمل الجينات التي تحدد صفات أي كائن حي يكون على شكل شريط حلزوني. يمكنك تخيل الوضع بتخيل سلم خشبي مع فارق مهم وهو أن السلم ملتف في شكل حلزوني.
الذي يربط بين جانبي الشريط الحلزوني أو درجات ذلك «السلم» في الواقع هي روابط هيدروجينية. من خلال النفق الكمي يمكن أن تتبادل ذرات الهيدروجين على جانبي الشريط الأماكن مسببة بذلك طفرة جينية قد تسبب تغيرًا في صفات الكائن الحي.
تستخدم الطيور أيضًا إحدى خصائص ميكانيكا الكم وهو التشابك الكمي Quantum entanglement حيث تدرك الطيور طريقها في الهجرة عن طريق استشعار الحقل المغناطيسي للأرض عن طريق إلكترونات في شبكة العين. وهذه الإلكترونات تكون في حالة تشابك كمي. والتشابك الكمي هو علاقة بين إلكترونيين أو أكثر يرتبط فيها كل إلكترون بالآخر، بالتالي أي تغيير يحدث لأحدهما فهو يحدث بشكل متزامن للآخر.
ما زال مجال علم الأحياء الكمي حديث النشأة. يمكنه أيضًا أن يفسر ظواهر أخرى كالإبصار والشم ويبحث في قضايا مثل الوعي والأساس الكمي لعملية التفكير والذاكرة.
ربما أيضًا قد يستطيع الإجابة على سؤال: ما هي الحياة؟ والذي هو بالمناسبة عنوان كتاب ألفه آرفين شرودنجر. صاحب معادلة شرودنجر في ميكانيكا الكم وكان يحمل عنوان «What is life؟».