ما هي تأثيرات الكم في علم الأحياء

اكتشف العلماء الواجهة المرتبطة بين ميكانيكا الكم وعلم الأحياء؛ حيث هناك مجالات كثيرة في علم الأحياء يعتقد أنها متأثرة بشدة بظواهر الكم الواضحة.

تأثيرات الكم في علم الأحياء

بيولوجيا الكم هي دراسة تطبيقات ميكانيكا الكم والكيمياء النظرية لجوانب من علم الأحياء لا يمكن شرحها بصحة تامة عن طريق قوانين الفيزياء الكلاسيكية، حيث يعد فهم التفاعلات الكمومية الأساسية أمرًا مهمًا؛ لأنها تحدد ميزات المستوى التالي من التنظيم في الأنظمة البيولوجية.

تتضمن العديد من العمليات البيولوجية تحويل الطاقة إلى أشكال يمكن استخدامها للتحولات الكيميائية، وهي ميكانيكية كمومية بطبيعتها، وتتضمن هذه العمليات تفاعلات كيميائية وامتصاص الضوء وتشكيل حالات إلكترونية مثارة ونقل طاقة الإثارة ونقل الإلكترونات والبروتونات التي تعرف بأيونات الهيدروجين في العمليات الكيميائية، مثل التمثيل الضوئي والشم والتنفس الخلوي.

قد تستخدم بيولوجيا الكم العمليات الحسابية لعمل التفاعلات البيولوجية في ضوء تأثيرات ميكانيكا الكم، إذ أن علم الأحياء الكمي مختص بتأثير الظواهر الكمومية غير التافهة، والتي يمكن شرحها باختزال العملية البيولوجية إلى الفيزياء الأساسية، على الرغم من صعوبة دراسة هذه التأثيرات ويمكن أن تكون مجرد تفكير فقط.

تاريخ التأثيرات الكمية في علم الأحياء

الأحياء الكم هو مجال ناشئ؛ حيث أن معظم البحث الحالي نظري ويخضع للأسئلة التي تتطلب مزيدًا من التجارب، وعلى الرغم من أن هذا المجال لم يتلق سوى مؤخرًا تدفقًا من الاهتمام فقد تم تصوره من قبل علماء الفيزياء طوال القرن العشرين، حيث تم اقتراح أن بيولوجيا الكم قد تلعب دورًا مهمًا في مستقبل عالم الطب، حيث رأى رواد فيزياء الكم الأوائل تطبيقات ميكانيكا الكم في المشكلات البيولوجية.

كما كتب إروين شرودنغر عام 1944 ما هي الحياة؛ حيث ناقش تطبيقات ميكانيكا الكم في علم الأحياء، وقدم شرودنجر فكرة البلورة غير الدورية التي تحتوي على المعلومات الجينية في تكوينها التساهمي في روابط كيميائية، واقترح كذلك أن الطفرات يتم إدخالها عبر قفزات نوعية.

تحاور رواد الفيزياء بأن الفكرة الكمومية للتكامل هي أساس العلوم الحياتية؛ وفي عام 1963 نشر بير أولوف لودين نفق البروتون كآلية أخرى لطفرة الحمض النووي، وقال في بحثه أن هناك مجالًا جديدًا للدراسة يسمى بيولوجيا الكم، وفي عام 1979 نشر الفيزيائي السوفيتي والأوكراني ألكسندر دافيدوف أول كتاب مدرسي عن بيولوجيا الكم يسمى علم الأحياء وميكانيكا الكم.

تطبيقات على التأثير الكمي في علم الأحياء

البناء الضوئي

تمتص الكائنات الحية التي تخضع لعملية التمثيل الضوئي الطاقة الضوئية من خلال عملية إثارة الإلكترون في الهوائيات، حيث تختلف هذه الهوائيات باختلاف الكائنات الحية، على سبيل المثال تستخدم البكتيريا هوائيات تشبه الحلقة بينما تستخدم النباتات أصباغ الكلوروفيل لامتصاص الفوتونات.

ينتج التمثيل الضوئي إكسيتونات فرنكل، والتي توفر فصلًا للشحنة التي تحولها الخلايا إلى طاقة كيميائية قابلة للاستخدام، حيث يجب نقل الطاقة المجمعة في مواقع التفاعل بسرعة قبل أن تضيع بسبب التألق أو حركة الاهتزازات الحرارية.

الهياكل المختلفة مثل مركب FMO في بكتيريا الكبريت الخضراء، هي التي تعمل على نقل الطاقة من الهوائيات إلى مكان التفاعل، وتبين دراسات التحليل الطيفي الإلكتروني لامتصاص ونقل الإلكترون بشكل جيد تزيد كفاءته عن 99٪، والتي لا يمكن توضيحها بالنماذج الميكانيكية الكلاسيكية مثل نموذج الانتشار، وبدلاً من ذلك في وقت مبكر من عام 1938 افترض العلماء أن التماسك الكمي هو طريقة نقل طاقة الإثارة.

طفرة الحمض النووي

يعمل الحمض النووي كتعليمات لصنع البروتينات في جميع أنحاء الجسم، ويتكون من 4 نيوكليوتيدات: الجوانين، الثايمين، التوزين، والأدينين، ويعطي ترتيب هذه النيوكليوتيدات الوصفة للبروتينات المختلفة، وعندما تتكاثر الخلية، يجب أن تنسخ خيوط الحمض النووي هذه، ومع ذلك في بعض الأحيان خلال عملية نسخ خيوط الحمض النووي يمكن أن تحدث طفرة أو خطأ في رمز الحمض النووي.

تم شرح نظرية السبب وراء طفرة الحمض النووي في نموذج طفرة لودين DNA، إذ أن في هذا النموذج قد يغير النيوكليوتيد شكله تلقائيًا من خلال عملية النفق الكمي، وبسبب هذا يفقد النيوكليوتيد المتغير قدرته على الاقتران مع زوج قاعدته الأصلية وبالتالي تغيير هيكل وترتيب خيط الحمض النووي.

يمكن أن يتسبب التعرض للأشعة فوق البنفسجية وأنواع أخرى من الإشعاع في حدوث طفرة في الحمض النووي وتلفه. يمكن للإشعاعات أيضًا تعديل الروابط على طول حبلا الحمض النووي في البيريميدين وتسبب لهم الارتباط مع أنفسهم مما يؤدي إلى تكوين ثنائي.

في العديد من بدائيات النوى والنباتات، يتم إصلاح هذه الروابط إلى شكلها الأصلي بواسطة إنزيم فوتولياز لإصلاح الحمض النووي كما تدل البادئة، ويعتمد فوتولياز على الضوء لإصلاح الشريط. يعمل فوتولياز مع عامله المساعد FADH، فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد، أثناء إصلاح الحمض النووي، ويتم تحفيز فوتولياز بواسطة الضوء المرئي وينقل إلكترونًا إلى العامل المساعد FADH.

نظرية اهتزاز الشم

يمكن أن تنقسم حاسة الشم إلى قسمين؛ استقبال واكتشاف مادة كيميائية وكيف يتم إرسال هذا الكشف إلى الدماغ ومعالجته؛ حيث لا تزال عملية الكشف عن الرائحة موضع تساؤل، وتشير إحدى النظريات المسماة نظرية الشكل للشم، إلى أن بعض المستقبلات الشمية يتم تشغيلها بواسطة أشكال معينة من المواد الكيميائية وأن تلك المستقبلات ترسل رسالة محددة إلى الدماغ.

وهناك نظرية على الظواهر الكمومية تقول أن المستقبلات الشمية تبين اهتزاز الجزيئات التي تصل إليها، وأن الرائحة تعود إلى ترددات اهتزازية مختلفة وهذه النظرية يطلق عليها نظرية اهتزاز الشم، وهي نظرية اهتزاز الشم التي اكتشفها مالكولم دايسون في عام 1938 ولكن قام بإعادة إحياءها لوكا تورين في عام 1996 تقول أن طريقة حاسة الشم تعود إلى مستقبلات البروتين G التي تظهر الاهتزازات الجزيئية بسبب نفق الإلكترون غير المرن، حيث يفقد الإلكترون الطاقة عبر الجزيئات.

في هذه العملية يملأ الجزيء موقع الارتباط ببروتين جي مستقبل، وبعد ربط المادة الكيميائية بالمستقبل تعمل المادة الكيميائية كجسر يسمح بنقل الإلكترون عبر البروتين، وعندما ينتقل الإلكترون عبر ما كان يمكن أن يكون حاجزًا، فإنه يفقد الطاقة بسبب اهتزاز الجزيء المرتبط حديثًا بالمستقبل، حيث ينتج عن هذا القدرة على شم الجزيء.

في حين أن نظرية الاهتزاز لديها بعض الأدلة التجريبية على المفهوم، حيث كانت هناك العديد من النتائج المثيرة للجدل في التجارب، ففي بعض التجارب كانت الحيوانات قادرة على تمييز الروائح بين جزيئات ذات ترددات مختلفة ونفس البنية، بينما أظهرت تجارب أخرى أن الناس غير مدركين للتمييز بين الروائح بسبب الترددات الجزيئية المتميزة.

تشمل الأمثلة الأخرى للظواهر الكمومية في الأنظمة البيولوجية تحويل الطاقة الكيميائية إلى حركة، والمحركات البنيوية في العديد من العمليات الخلوية.