تصف فيزياء الكم السلوك الغريب للجسيمات تحت الذرية، حيث أنه بإمكان الجسيمات تحت الذرية أن تنتشر كموجات ويكون لها نفس خصائص الموجة، والاغرب ايضا انها يمكن ان تتواجد في عدة أماكن في نفس اللحظة، ويكون بينها نوع من التشابك يعرف باسم التشابك الكمومي. تهتم فيزياء الكم بوصف سلوك وتحديد خصائص الذرات والجزيئات دون الذرية والتجمعات الجزيئية وربما أكثر من ذلك.
هناك تعاون غير تقليدي وغريب الأطوار بين مجالين علميين – فيزياء الكم والبيولوجيا – ينتجان رؤى جديدة ساحرة في طبيعة عالمنا الحي.
تمتلك الأنظمة البيولوجية طبيعة ديناميكية، حيث تقوم بتبادل الطاقة والمادة مع البيئة المحيطة بشكل مستمر. هل يمكن لفيزياء الكم أن تفسر الظواهر الحيوية مثل كيف نرى الاشياء او نشم الروائح وتميزها او كيف تهاجر الاسماك والطيور ألاف الكيلومترات وغيرها من الظواهر البيولوجية.
لا شك أن الفيزياء تستطيع تفسير ظواهر طبيعية كثيرة، ولكن هنا نحن نتحدث عن الحياة؟
حديثّا نشأ فرع من العلم يسمى بعلم الأحياء الكمي Quantum biology، والذي يحاول استخدام قوانين، نظريات فيزياء الكم في تفسير الظواهر الحيوية.
الحمض النووي DNA لبنة الحياة
قد يربك تفكيرك عزيزي القارئ أمر الربط بين البيولوجيا وفيزياء الكم، وخصوصا عندما يتعامل علم فيزياء الكم مع قياسات النانو في حين يتعامل علم البيولوجي على المستوى الميكروي. لكن في هذه المقالة سوف نقوم بشرح كيف تشكل فيزياء الكم العديد من الظواهر البيولوجية الحيوية.
(1) عملية البناء الضوئي Photosynthesis
نعلم ان النباتات وبعض انواع من البكتيريا تمتص اشعة الشمس والماء لتوليف الغذاء وبالاخص المواد الكربوهيدراتية واطلاق الاكسجين كناتج عن هذه العملية وهذا أمر ضروري جدا لبقاء جميع الكائنات الحية الأخرى.
والآن، ماذا يحدث خلال عملية البناء الضوئي؟
حاملات اللون والتي تعرف بالمصطلح الـ Chromophores هي عبارة عن خلايا لونية تقوم بجمع الفوتونات من أشعة الشمس أو من مصادر الضوء الأخرى. ثم تحرر طاقة في صورة اكسيتونات excitons وهي عبارة عن نواتج الطاقة الاضافية التي تم امتصاصها. تتحول هذه الطاقة إلى طاقة كيميائية يستفيد منها النبات في عملية الأيض.
تحدث هذه العملية في جزء من المليار من الثانية، بكفاءة تصل إلى 100% مما يضمن خسارة ضئيلة للطاقة! وفي عالمنا المعاصر فإن الكفاءة هي الامر الاكثر اهمية هنا. ومن الواضح ان الالية البارعة لعملية البناء الضوئي هي واحدة من أعظم العمليات التي تحدث في الطبيعة. إذا ما الذي يحدث بالفعل هنا؟
تتحرك الاكسيتونات حركة تشبه حركة الموجة بدلا من ان تتحرك في مسار خطي منفرد. وعندما تتحرك مجموعة من الاكسيتونات معا فإن حركتها تكون عبارة عن أمواج متراكبة لتنتج تماسك كمي quantum coherence.
يٌجبر هذا التماسك الكمي الاكسيتونات اختبار جميع المسارات الممكنة ومن ثم اختيار الأكثر كفاءة. تخيل الان ماذا يمكن أن يحدث للصناعات المنتجة للطاقة إذا ما تم تقليد هذه الظاهرة في التقنيات الخاصة بنا. بالتأكيد سوف نحصل على خلايا شمسية عالية الكفاءة وبطاريات طويلة الأمد ومستقبل اخضر ومشرق.
(2) الحسية المغناطيسية Magnetoreception
من المعلوم ومنذ فترة طويلة أن الطيور والحيوانات البحرية تبحر في جميع أنحاء العالم باستخدام بوصلة كيميائية تتفاعل مع المجال المغناطيسي للأرض.
ومع ذلك فإن الحقيقة هي أن المجال المغناطيسي للأرض ضعيفا جدا لدرجة انه لا يمكن أن يؤثر على حواس الطيور أو حتى حواسنا نحن! اذا كيف للطيور ان تبحر وتنتقل بهذه الدقة ولمسافات بعيدة؟
اكتشف العلماء نوع من البروتين يعرف باسم الكريبتكوم Cryptochrome في عيون أصناف من الحيوانات والطيور. عندما تسقط اشعة الشمس على شبكية العين فإن هذا البروتين يحرر إلكترونين غير مترابطين يعرفان بالصورة المستحثة بالازواج الجذرية photo-induced radical pairs.
التركيب الكيميائى لحامل اللون “الكروماتوفورس” الموجودة في عيون الطيور.
تستجيب الالكترونات الغير مترابطة بدرجة كبيرة للتغيرات الدقيقة. انها تعدل اتجاه غزلها في اتجاه المجال المغناطيسي الأرضي مما يعطي الطيور شعور بالاتجاه. كل هذه العمليات تحدث على المستوى الكمي، مما يضيف ترابط آخر للظواهر البيولوجية الكمية التي لم نكن نفكر فيها من قبل!
(3) حاسة الشم
وهب الله سبحانه وتعالى لنا من خلال حاسة الشم القدرة على التمييز بين آلاف الروائح المختلفة. عندما تدخل جزيئات الروائح إلى انفنا مع الهواء فانها تتفاعل مع مستقبلات حسية داخل الأنف، مثل طريقة تفاعل فوتونات الضوء مع العصب البصري لنبصر الأشياء. السؤال هنا كيف يميز العصب الشمي رائحة عن اخرى وهل لهذا الأمر علاقة بفيزياء الكم؟
عملية استنشاق جزيئات الروائح مع الهواء، حيث تتلامس مع الأعصاب الشمسية وتنقل الإحساس بالرائحة.
عندما تتفاعل جزيئات الروائح مع مستقبلات محددة في الأنف فإن الإلكترون الموجود في هذا الجزيء ينتقل إلى الجانب الآخر من المستقبل عبر النفق الكمي quantum tunneling. والنفق الكمي هي ظاهرة تنتقل فيها الجزيئات دون الذرية مثل الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات عبر حاجز يستحيل عبروه وفقا لنظريات الفيزياء الكلاسيكية. من خلال القيام بذلك تتحول المعلومات الموجودة في جزيئات الروائح إلى اشارات كهربائية، وهذه بدورها يتم توجيهها إلى الدماغ مما يسمح بالتمييز بين الروائح المختلفة وتحديدها بسرعة.
(4) الادراك الكمي Quantum Cognition
يعرف الادراك على انه الفعل او العمليات العقلية التي ينطوي عليها اكتساب المعرفة والفهم اما من خلال الفكر او من خلال الخبرات المكتسبة أو من خلال الحواس.
ادخل مفهوم الإدراك الكمي كنظرية جديدة تقترح أن المبادئ الرياضية هي وراء ميكانيكا الكم، مثل نظرية الاحتمالات التي يمكن استخدامها لفهم أفضل لعلم النفس وراء السلوك البشري. إن عملية التفكير تعتمد على القدرة المعرفية لادمغتنا، وتعمل العقول على النبضات الكهربائية التي لوحظت على المستوى الكمي.
الخلاصة
من المؤكد أن الانتقاء الطبيعي قد توصل إلى طرق للأنظمة الحية، بغض النظر عن الحجم والنطاق، لاستغلال الظواهر الكمومية بشكل طبيعي.
على الرغم من أنه لم يتم اكتشاف الكثير في هذا المجال المتعدد الاختصاصات، وعلى الرغم من أننا بعيدون كل البعد عن استغلال فهمنا الكامل لبيولوجيا الكم في التقدم التكنولوجي، إلا أن هذا العصر ليس بعيدًا عندما تتفوق الأجهزة الكمومية المستوحاة من الظواهر الحيوية على نظائرها الكلاسيكية.
على خلاف حقبة الستينيات، عندما كان يُعتقد أن الأنظمة البيولوجية لا تتوافق تمامًا مع العالم الصغير لديناميكيات الكم، فقد وصلنا إلى مرحلة جديدة من الفهم. الآن، تم استبدال السؤال “هل يمكن أن تؤثر الظواهر الكمومية في علم الأحياء؟ بالتأكيد هناك مساحة كبيرة ورائعة لاستكشاف البيولوجيا الكمية!
