فيروس تبرقش التبغ وفقاعات الصابون: أفكار حول التجمع الذاتي

نحاول –كبشر- إسناد تصرفاتنا المعقدة إلى وعينا بذواتنا وبتفكيرنا ونعتبر أن الأمر ثمرة من ثمار كوننا «أحياء». لكل الكائنات الحية نمط معيشي يمكن رؤيته بوضوح، نحن نطارد الغذاء، نتحلق معا في جماعات لكل فرد من أفرادها دورا يؤديه. طاحونة ضخمة معقدة ومنتجة ونحن تروسها التي تدور فتؤثر في مجاوريها لينتج في النهاية بناء مجتمعي واضح المعالم يلبي احتياجاتنا. هل يقتصر ذلك علينا ككائنات حية؟

التجمع الذاتي، ماهيته

من مستوى الأنجستروم (10^-10 من المتر) إلى مستوى السنتيمترات (10^-2 من المتر)، يمكن تمييز أسباب وأساليب عدة تؤدي بمختلف المواد من مختلف الأحجام للتجمع الذاتي. ويجب النظر لظاهرة التجمع الذاتي على أنها تصرف اضطراري أجبرت عليه الجزيئات لتلبي احتياجاتها الخاصة مثلنا تماما، ولكنها لا تبحث عن دورها المجتمعي بل تحاول إيجاد وضع مريح لها من الناحية الفيزيائية والكيميائية ليس أكثر. هذه الراحة هي أقل مستوى للطاقة يمكن للنظام التواجد فيه.

عندما نقول أقل مستوى طاقة، فإننا نعني ذلك سواء من منظور الديناميكا الحرارية (يتعلق بالمقارنة بين طاقة المتفاعلات وطاقة النواتج من التفاعل) أو منظور حركي (يتعلق بالطريقة التي يسير بها التفاعل ومعدله). تؤول قيادة المسيرة نحو هذا الوضع المريح إما إلى قوى كيميائية قوية كالروابط التساهمية في البوليمرات، أو ببتيدية (الروابط المسئولة عن ارتباط الأحماض الأمينية معا لتكوين بروتين) التي تعتبر أحد أهم الأمثلة على نظم التجمع الذاتي أو الروابط التناسقية أو حتى الأيونية، وإما إلى قوى فيزيائية أضعف ولكنها بعيدة المدى في تأثيرها مثل قوى فاندر دير فال، والقوي الاكتروستاتيكية مثل الطبقات المشحونة التي تتكون على أسطح الجسيمات في المحاليل الغروية، أو ناشئة عن الذوبان solvation، أو توتر السطح surface tension أو تزاحم الجسيمات الأكبر حجما الذي يؤدي لطرد الجسيمات الأصغر من محيطها depletion.

ينتج عن هذه القوى وغيرها ظهور تكوينات منضبطة قد تكون وحدات متبادلة ومتكررة في نظام ثابت، أو تكون نسخ مطابقة من الوحدة الأصلية، التي قد تكون بلورة أو ترتيب واضح للجزيئات كما في المحاليل المحتوية على دهنيات lipids. في هذه المحاليل الأخيرة توجد طبيعة مزدوجة لكل جزيء بحيث يكون رأس الجزيء محب للماء وذيله كاره للماء فتتكون مذيلة micelle، أي أن حلقة محيطها الخارجي تتكون من الرؤوس المحبة للماء بينما تقوم باحتواء الذيول بداخلها بعيدا عن الماء الذي تكرهه.

العنقاء تنهض من جديد

أثر فيروس تبرقش التبغ على أوراق النبات

في خمسينيات القرن الماضي قرر فرينكل-كونرات و ر.س. ويليامز شن هجوم مباغت على فيروس تبرقش التبغ. قام العالمان بعزل الفيروس ثم فصل كبسولته البروتينية عن حمضه النووي والتأكد تماما من انعدام وجود فيروس متكامل في الوسط المستخدم. عند خلط المحلول المحتوي على البروتين مع المحلول المحتوي على الحمض النووي وتركه لزمن، تبين أن الحمض النووي للفيروس يحمل التعليمات الجينية –التي تعنى التركيب الكيميائي للجزيئات والذي يتطلب وضعا خاصا يتسبب في التجمع الذاتي للوصول لهذا الوضع- التي تمكنه من إعادة تجميع ذاته ليظهر الفيروس في المحلول مجددا، بل ويستعيد كامل خواصه الفيروسية ويصبح قادرا على الإصابة بالعدوى مجددا وكأن شيئا لم يكن.

كان هذا واحدا من مئات النظم الطبيعية التي تكون عائلة تمتلك القدرة على تجميع نفسها. هذه العائلة التي يعد الريبوسوم أحد أفرادها.

تتكون الريبوسومات من بروتينات وتقوم بتصنيع البروتينات أيضا. بطريقة شبيهة لما رأيناه في فيروس تبرقش التبغ، فإن للريبوسوم القدرة على تجميع وحدتيه الكبرى والصغرى التي تتكون كل منهما تلقائيا أيضا في محلولها إذا تواجدت البروتينات المفردة (20 للوحدة الصغرى و33 للوحدة الكبرى) مع جزيئات الحمض النووي الريبوسومي RNA المطلوبة.

لكن ما الذي يحدو بمكونات الفيروس –على سبيل المثال- لتتضافر مكونة الفيروس؟ العامل المحدد هنا – ولكل حالة أسبابها الخاصة- هو مدى حمضية المحلول المحتوي على البروتينات، التي ما إن ترتفع عن المعدل المتعادل الطبيعي للوسط داخل خلية ما حتى تتسبب في ارتباط البروتينات بالشكل الذي ينتهي بها مكونة هيكل الفيروس البروتيني، الذي تخترقه سلسلة الحمض النووي لينتج الفيروس. لا تحدث هذه العملية بواسطة عامل يوجهها بل تنتج بشكل تلقائي من هيكل وتكوين البروتين المنفرد الواحد وطريقة ارتباطه مع مختلف البروتينات الأخرى.

رحلة فقاعة

إذا أضفت بعض الصابون السائل لكمية من الماء وشاهدت الفقاعات تطفو وأمعنت النظر، فإنك ستجد الفقاعات تطفو إلى السطح، ولن يكون ذلك ذو أهمية، فأنت تعلم أن كثافة الفقاعة أقل من كثافة الماء وبالتالي فإن الفقاعة ستطفو حتى السطح. إن ظللت تراقب الفقاعات سيظهر مشهد مثير للتساؤل. تتجمع الفقاعات قرب بعضها دائما أو تقوم بصنع حلقة مرتبة على جدار الإناء إذا كان السائل في إناء أو كوب. ما نراه هنا هو مثال على التجمع الذاتي الذي تمارسه المواد الغير عضوية بدافع من القوى الفيزيائية.

يسيطر توتر السطح هنا على المشهد. ينتج التوتر المذكور من حدوث اختلال في الضغط على جزيئات السوائل حيث تتواجد الجزيئات في عمق السائل تحت ضغط متساوي في الاتجاهين الأعلى والأسفل، بينما تختبر الجزيئات على السطح ضغطا نحو الأسفل يختلف عن الضغط الذي يدفعها للأعلى وبهذا يتوتر السطح ويتخذ شكلا مميزا –قعرا في حالة الماء مثلا- ويصبح مثل شريطا مرنا من المطاط.

بوجود هذا التوتر، يتلامس السائل المتوتر مع جدار الإناء الذي يحتويه، فيختل التوتر ذاته مرة أخرى فيما يسمى Meniscus effect. وما بين تأثير التوتر وتأثير الفقاعة والضغط والكثافة، تتجمع الفقاعات مكونة التجمعات المعهودة التي لطالما رأيتها ولم تلق لها بالا.

في سيناريو مشابه، قامت أول جزيئات الحمض النووي DNA بالتجمع وبدأت أولى الخلايا بتكوين نفسها من أحماض أمينية وأذن هذا ببداية مسيرة الحياة على الأرض بينما تحلقت فقاعات الهواء في دائرة قرب جدار كوب الشاي الخاص بك. لظاهرة التجمع الذاتي القدرة على إنشاء عالم غاية في التعقيد بواسطة خطوات متتالية بسيطة تتعاظم في دقتها حد الإبهار مفضية إلى فرع بحثي جديد كليا يعرف بتكنولوجيا النانو التي ما زالت البشرية تحاول سبر أغوارها وحصد ممكناتها. من يدري، ربما كان ميل الكائنات الحية للتجمع أثرا باقيا من سلوك جزيئاتنا الأولية.