الحياة كظاهرة كمومية صدفة أم حتمية كونية؟ رحلة في أسرار ميكانيكا الكم البيولوجية

🧬 ميكانيكا الكم البيولوجية: هل الحياة صدفة أم حتمية كونية؟

في عمق الكون الفسيح، وتحديداً في المكان اللي بتلتقي المجرات فيه وبتتراقص الذرات في تناغم بديع، بيقف الإنسان المادي الملحد أمام سؤال: وهو إزاي نشأت الحياة؟ هل هي مجرد حادثة عشوائية في الكون الفسيح ده، ولا هي نتاج حتمي لقوانين الطبيعة العميقة اللي تم وضعها من مصمم أعظم؟

والإجابة دايماً هتكون في سطور علم الفيزياء واللي هي الأداة اللي بيعبر ربنا عزوجل فيها بـ إبداعه وعظمته في تصميم الكون بتاعنا، فهنلاقي إن ميكانيكا الكم، بتقدم لينا رؤية مدهشة على السؤال ده. وأنا مش جاي أتكلم عن إزاي الكون نشأ أو كوكب الأرض أو المجرات، يعني مش هتناول الموضوع من جانب فلكي أو فيزيائي بحت، إنما هتكلم عن معاني الحياة والجذور الأساسية اللي بتخلي في حياة في عالمنا، وديه هتكون أولى المقالات الخاصة بسلسلة ميكانيكا الكم البيولوجية واللي طلبتوها بشكل مخصوص مؤخراً، واللي هقدملكم فيها نظرة مميزة عن علاقة علم الأحياء بالعالم الكمومي، اللي ما عادش حكر على فيزياء الجسيمات فقط، إنما بدأ يتسلل حتى لقلب العمليات الحيوية اللي بتحكم الحياة نفسها. فـالطفرات الجينية اللي بتشكل نسيج التطور، والتمثيل الضوئي اللي بيغذي النباتات، وحتى الحاسة المغناطيسية اللي بتوجه الطيور في هجرتها، ممكن كلهم يكونوا شايلين بصمات ميكانيكا الكم في تفاصيلهم الدقيقة.

🔬 شرودنجر وبزوغ فجر فكرة الحياة الكمومية

علشان نجاوب على السؤال الوجودي الكبير: وهو هل الحياة مجرد صدفة عابرة ولا حتمية كونية بتحكمها قوانين الفيزياء اللي وضعها مصمم أعظم؟

فوقتها لابد إننا نرجع لنقطة البداية الحقيقية، لـ اللحظة اللي تجرأ فيها عالم فيزياء على اقتحام مملكة البيولوجيا. وده حصل تحديداً في سنة 1944، وفي ظل الحرب العالمية التانية، أصدر عالم الفيزياء النمساوي الشهير إرفين شرودنجر كتابه اللي كان شايل عنوان “ما هي الحياة؟” (What is Life). كان كتاب صغير الحجم مقارنة بكتبه في ميكانيكا الكم، لكنه عمل صدى فكري هائل. وبعض العلماء وقتها اعتبروه غامض وصادم؛ اللي هو إزاي ممكن يتجرأ فيزيائي على تقديم تفسير للحياة، وهو مجال بيسيطر عليه البيولوجيون والكيميائيون؟ لكن التجرؤ نفسه هو اللي خلاه فعلاً ثورة علمية حقيقية.

وبجانب ده شرودنجر ما كانش مجرد عالم فيزياء تقليدي؛ كان أحد الآباء المؤسسين لميكانيكا الكم، وصاحب المعادلة الشهيرة اللي بتحمل اسمه، واللي بتصف سلوك الجسيمات على المستوى الذري. لكنه كان برضه مفكر فلسفي، بيؤمن بفكرة إنن فهم الكون ما ينفعش يوقف عند حدود تخصص واحد.

ففي كتابه، قدم شرودنجر فكرة ثورية مفادها: إن الحياة مش مجرد “آلة كيميائية” بتحكمها التفاعلات التقليدية، إنما هي نظام فيزيائي معقد بتحكمه قوانين الطبيعة العميقة زي قوانين ميكانيكا الكم. وفي الوقت ده ما كانش الـDNA تم اكتشاف شكله الحلزوني لسا، لكن شرودنجر كان سابقًا لعصره. واقترح إن المادة الوراثية، اللي بتحمل سر الحياة، لازم إنها تكون نوع جديد من المادة: وسماه “بلور غير منتظم” (aperiodic crystal).

والفكرة كانت عبقرية. فـ مثلاً البلورات العادية زي الملح أو الكوارتز بتتميز بترتيب متكرر ومنتظم للذرات، لكن شرودنجر تخيل بلور غير منتظم، بحيث يكون ترتيب الذرات فريد ومعقد يخليه كافي إنه يحمل معلومات وراثية ضخمة داخل مساحة صغيرة جداً. والتصور ده كان قريب جدًا من الحقيقة؛ فـالـDNA هو بالفعل “بلور معلوماتي” بيحمل في ترتيب قواعده النيتروجينية شفرة الحياة. والتنبؤ العبقري ده ألهم جيل كامل من العلماء، بما فيهم جيمس واطسون وفرانسيس كريك، اللي اعترفوا لاحقًا بإن كتاب شرودنجر ألهمهم في اكتشاف البنية الحلزونية المزدوجة للـDNA.

🧬 الطفرات الجينية والنفق الكمومي (Quantum Tunneling)

الـDNA الشريط المزدوج الملتف بشكل حلزوني، يُعتبر أعظم “كتاب” في الكون. أربعة حروف فقط: الأدينين (A)، الثايمين (T)، الجوانين (G)، والسيتوسين (C) بتتكتب فيها كل وصفة حياتية، من شكل أوراق النباتات للون عيون الإنسان. لكن الكتاب ده مش ثابت؛ لإنه بيتغير مع الزمن من خلال حاجة بنسميها الطفرات الجينية. والطفرات ديه هي السبب في التنوع البيولوجي والتطور الطبيعي للكائنات الحية. لكن هل الطفرات ديه مجرد “أخطاء نسخ” عشوائية زي ما كانوا العلماء قديمًا شايفين؟ ولا في يد خفية بتحكمها قوانين أعمق بكتير من الصدفة والعشوائية؟

ولو رجعنا لشرودنجر فهنلاقيه ما اكتفاش بالحديث عن استقرار المادة الوراثية، إنما طرح سؤال أعمق: وهو منين بتيجي الطفرات اللي بتغير الشفرة الوراثية؟ وزي ما قلنا إن التفسير التقليدي وقتها كان بيعتمد على العشوائية المحضة: أخطاء في النسخ، أو تأثير الإشعاع. لكن شرودنجر ما كانش مقتنع بأن التطور ده بكل تعقيده وتنظيمه، بيعتمد فقط على “أخطاء عشوائية“.

وهنا إدى تلميح لإمكانية وجود عمليات كمومية دقيقة بتحصل داخل الذرات وهي المسؤولة عن التغيرات ديه. فتخيل كده معايا إن اللي مسميينه كنا أخطاء نسخ عشوائية بيحصل إزاي، اللي بيحصل إن بروتون صغير أو إلكترون بيتحرك بطريقة ما نقدرش نفسرها بالفيزياء الكلاسيكية، لكنه بيخضع لقوانين الكم، فـبيق فز من مكان لآخر داخل جزيء الـDNA، فبيعمل طفرة دقيقة ممكن تغيّر مجرى حياة كائن كامل.

وكانت الفكرة ديه أشبه بالخيال العلمي وقتها، لكنها بقت بعد عقود محور أبحاث البيولوجيا الكمومية، خاصة بعد اكتشاف ظاهرة النفق الكمومي (Quantum Tunneling) ودورها في الطفرات الجينية.

ففي عالم الفيزياء الكلاسيكية، لو كان عندك كرة خلف جدار، مش هتعبر الكرة الجدار إلا لو امتلكت طاقة كافية للقفز فوقه أو لتحطيمه. لكن في عالم ميكانيكا الكم، الجسيمات زي البروتونات والإلكترونات بتتصرف بشكل مختلف تماماً. بفضل ظاهرة تُعرف بـالنفق الكمومي (Quantum Tunneling) , فبتخلي جسيم صغير إنه “يختفي” من جانب الجدار ويظهر على الجانب الآخر، وكأنه اخترق حاجز الطاقة من غير ما يملكه فعلياً. والظاهرة ديه كانت في البداية مجرد غرابة فيزيائية تم ملاحظتها في المختبرات، ولكن حالياً بقت مفتاح لفهم تغير جزيئات الحياة.

فـ اللي بيحصل على مستوى شريط الـDNA، هو كالتالي: القواعد النيتروجينية مرتبطة ببعضها بـروابط هيدروجينية دقيقة، والروابط ديه بتعتمد بشكل أساسي على البروتونات. وفي الظروف الطبيعية، البروتونات مستقرة في أماكنها، لكن في بعض الأحيان وبفضل النفق الكمومي بيقفز بروتون من مكانه عشان يحتل موضع جديد. والقفزة الصغيرة ديه بتعمل تغيير في شكل الرابطة الهيدروجينية، فبينشأ ما يُعرف بـالطفرة الجينية النقطية. فتخيل إن تغيير موقع بروتون واحد فقط ممكن إنه يبدل حرف من حروف الشيفرة الوراثية، فيروح محول الخلية كلها لنسخة مختلفة، ومع الوقت ممكن إنه يغير مسار تطور كائن بأكمله.

ولفترة طويلة، كانت الفرضية ديه مجرد فكرة نظرية، لكن تجارب حديثة أثبتتها بشكل عملي. وأشهر التجارب ديه كانت استبدال الهيدروجين العادي في الحمض النووي بـنظير أثقل يُعرف بـالديتيريوم. النفق الكمومي بيعتمد على خفة الجسيمات، وبالتالي البروتونات الأخف هتقفز أسرع من الديتيريوم. وبالفعل، وجد العلماء إن معدلات الطفرات الجينية بتقل بشكل ملحوظ لحظة استبدال الهيدروجين بالديتيريوم. والنتيجة ديه دعمت بشكل كبير فرضية إن الطفرات مش مجرد حوادث عشوائية، إنما خاضعة لـظواهر فيزيائية دقيقة.

ودراسات تانية حديثة، زي الأبحاث اللي قادها العالم جون مكفادن (Johnjoe McFadden) والعالم الفيزيائي العراقي جيم الخليلي (Jim Al-Khalili)، تناولت الظاهرة ديه في كتابهما Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology، وأكدت إن النفق الكمومي ممكن يكون هو المحرك الأساسي للتنوع الحيوي. والنتائج ديه قلبت النظرة التقليدية رأساً على عقب. والطفرات ما عادتش مجرد “أخطاء نسخ“، إنما أصبحت جزء من نظام فيزيائي كمومي، بيعمل بشكل أكثر تنظيم من اللي كنا بنتخيله.

ولو كانت الطفرات بتحصل بفضل قوانين الكم، فده معناه إن التطور البيولوجي نفسه مش لعبة حظ زي ما بعض الناس معتقدين، إنما هو عملية حتمية بتحكمها قوانين فيزيائية دقيقة. ولو كانت الطفرات واللي هي قلب التنوع الوراثي بتخضع لقوانين الكم، فـ نقدر نقول إيه يا ترى عن باقي العمليات الحيوية الأخرى اللي بتمد الحياة بالطاقة؟

🌞 التمثيل الضوئي والتمكن الكمومي للطاقة (Quantum Coherence)

وهنا بقى هنتحول من الحديث عن التغيرات الوراثية لمصدر الطاقة الأكبر لكل الكائنات: التمثيل الضوئي. فـيا ترى هل من الممكن إن النباتات نفسها تستغل ميكانيكا الكم علشان تحول ضوء الشمس لطاقة بكفاءة مذهلة؟

في البداية لازم نفهم يعني إيه تمثيل ضوئي؟ ببساطة التمثيل الضوئي هو العملية اللي بتقوم بيها النباتات والطحالب وبعض البكتيريا لتحويل ضوء الشمس لـطاقة كيميائية بتتخزن داخل الروابط الجزيئية. والطاقة ديه هي الأساس اللي بتقوم عليه السلاسل الغذائية كلها؛ فكل لقمة بناكلها وكل نفس بنتنفسه بيبدأ من هناك، من ورقة شجرة تحوّل الضوء لغذاء وأكسجين.

ولوقت طويل كان العلماء بيعتقدوا إن نقل الطاقة داخل النباتات بيتم بشكل “تقليدي“، زي لعبة كرة بتتنقل من إيد للتانيه بين الجزيئات، ومع فقدان جزء كبير من الطاقة في الطريق. لكن الحقيقة اللي تم اكتشافها مؤخراً كانت مذهلة لدرجة إنها أجبرت العلماء على إعادة التفكير في كل شيء.

لإنه وفي سنة 2007، الباحث جيفري إنجل (Gregory Engel) قدم تجربة غيرت فهمنا تماماً. استخدم هو وفريقه تقنيات ليزر فائقة السرعة لرصد جزيئات التمثيل الضوئي على مقياس زمني فائق الصغر (فيمتوثانية، يعني جزء من مليون مليار من الثانية)، وكانت المفاجأة: إن الطاقة داخل النباتات ما بتنتقلش عشوائي زي ما كان يُعتقد سابقاً، إنما بتنتقل خلال ما يُعرف بـالتماسك الكمومي (Quantum Coherence).

التماسك الكمومي معناه إن الجزيئات اللي بتحمل الطاقة بتتصرف وكأنها في عدة أماكن في الوقت نفسه، أو بالأحرى كأنها بتجرب عدة مسارات بشكل متزامن قبل ما تختار المسار الأكثر كفاءة للوصول لمركز تحويل الطاقة في النبات. والأمر أشبه بإنك عايز توصل لمدينة مزدحمة، فتروح رايح من كل الطرق المحتملة في الوقت نفسه، وتجربها كلها، وبعدها تختار أسرعها قبل ما تتحرك فعلياً. وديه قدرة منقدرش نفسرها إلا من خلال قوانين الكم.

والجميل في الإكتشاف ده مش فقط جزء دور ميكانيكا الكم في العملية ديه، إنما في حقيقية إن النظام البيولوجي بيعمل في درجة حرارة الغرفة، في بيئة مليئة بالاهتزازات والاضطرابات، بينما في المختبرات بيحتاج العلماء لخلق بيئات باردة جداً (قريبة من الصفر المطلق) للحفاظ على التماسك الكمومي. ومع ذلك، النباتات بتعمل ده يومياً وبكفاءة مذهلة بتتجاوز 95%. ده معناه إن الطبيعة، وفي ورقة شجرة صغيرة، طورت تقنيات كمومية أفضل من اللي وصلتله أحدث الحواسيب الكمومية حتى اللحظة ديه.

والاكتشاف ده ما كانش مجرد فضول علمي؛ إنما دفع العلماء للتفكير في تصميم خلايا شمسية مستوحاة من النباتات، بتعتمد على التماسك الكمومي لتحويل الطاقة بكفاءة أعلى. لكن الأهم من ده بالنسبة لينا، هو الرسالة الفلسفية: اللي بتعرفنا إن الحياة مش بتشتغل بمحض الصدفة أو العشوائية، إنما هي مبرمجة على استغلال أعمق القوانين الفيزيائية في الكون.

ولو كانت النباتات قادرة على استغلال قوانين الكم علشان تحول ضوء الشمس لطاقة، فـ إيه الكلام بالنسبة للكائنات الأخرى اللي بتواجه تحديات مختلفة؟

🐦 الاتجاه المغناطيسي للطيور (Avian Magnetoreception) والتشابك الكمومي

هل ممكن يكون في حيوانات بتستخدم قوانين الكم بشكل مختلف تماماً علشان تصارع للبقاء على قيد الحياة؟ الإجابة هنلاقيها في السما… مع الطيور المهاجرة اللي بتقطع آلاف الكيلومترات، مسترشدة بـخريطة مغناطيسية خفية تُعتقد إنها بتعتمد هي الأخرى على ظواهر كمومية مدهشة.

فـتخيل إنك واقف على شاطئ البحر وبتبص للسما، وشايف أسراب من الطيور المهاجرة بتُحلق في انسجام مدهش. أهو الطيور ديه اللي بتقطع آلاف الكيلومترات، واللي بتعبر قارات ومحيطات، هتلاقيها بترجع كل سنة لنفس المكان اللي بدأت منه تقريباً، بدقة مش هتصدقها. والسؤال الكبير: هي إزاي بتقدر تعمل ده؟ إزاي بتعرف الطيور طريقها في عالم بلا لافتات أو خرايط؟

وطوال قرون، حيّرت الظاهرة ديه العلماء والفلاسفة. وبعضهم اعتقد إن الطيور بتعتمد فقط على موقع الشمس والنجوم، والبعض الآخر قال إنها بتستخدم المعالم الجغرافية. لكن التفسيرات ديه ما كانتش كافية لتفسير قدرة الطيور على الطيران لمسافات طويلة ليلاً، أو تحت سماء مليانة بالغيوم.

والسر الحقيقي بدأ ينكشف في العقود الأخيرة، لما دخلت ميكانيكا الكم المشهد. ففي بدايات القرن الواحد وعشرين، اقترح العالمان ثيوري ريتز (Thorsten Ritz) وكلاوس شولتِن نموذج جديد تمام، بيعتمد على ظاهرة تُعرف باسم آلية الزوج الجذري (Radical Pair Mechanism)، وهي ظاهرة كمومية بامتياز.

الفكرة باختصار إن الطيور بتحمل داخل أعينها جزيئات حساسة للضوء تُسمى كريبتوكرومز (Cryptochromes). ولما بتصطدم فوتونات الضوء بالجزيئات ديه، بتُحرر زوج من الإلكترونات في حالة تُعرف بـالتشابك الكمومي (Quantum Entanglement).

التشابك الكمومي زي ما إحنا عارفين إنه ظاهرة غريبة بتقول إن لو معانا جسيمين فممكن يكونوا مترابطين بشكل عميق بحيث لو تغيرت حالة واحد منهم التاني هيتأثر بنفس اللحظة حتى لو كانا بعيدين عن بعضهم. فـ في حالة الطيور هنلاقي إن الزوج المتشابك بيكون حساس جداً لتغيرات المجال المغناطيسي للأرض، فبيتغير اتجاه دورانهما أو الـ (spin) بتناسب مع قوة واتجاه المجال ده. والنتيجة؟ إن الطائر بيكون شايف “خريطة مغناطيسية” على شكل أنماط ضوئية داخل عينيه، وكأنها بوصلة مدمجة موجهة مباشرة ناحية الشمال المغناطيسي.

المذهل في الاكتشاف ده إن التشابك الكمومي عادة ظاهرة هشة جداً، بتتلاشى بشكل سريع في الأنظمة البيولوجية بسبب الحرارة والاضطرابات. لكن الطيور نجحت بطريقة ما في الحفاظ على التشابك لفترة طويلة بما يكفي لتوجيه نفسها بدقة. وده إنجاز مازالت المختبرات البشرية بتكافح لتحقيقه في الحواسيب الكمومية.

وفي دراسات لاحقة، زي أبحاث بيتر هور (Peter Hore) وهنريك موريتسن (Henrik Mouritsen)، تم دعم النظرية ديه بتجارب قوية، منها تعريض الطيور لمجالات مغناطيسية اصطناعية مشوشة، وده عملها فقدان للقدرة على تحديد اتجاهها، وده كان دليل قوي على اعتمادها على البوصلة الكمومية ديه.

والنتائج ديه خلت العلماء ينظروا للطبيعة بشكل مختلف. الطيور ما عادتش مجرد كائنات مهاجرة عشوائية، إنما هي أجهزة ملاحة حية بتستخدم أكثر الظواهر الفيزيائية دقة في الكون علشان تلاقي طريقها.

وده بيفكرنا ويرجعنا للفكرة الكبرى في موضوعنا: الحياة مش عشوائية، إنما منظمة بطرق عميقة بتعتمد بدورها على قوانين فيزيائية ما ينفعش إنها تكون وليدة الصدفة البحتة.