علم الأحياء على المستوى الذري:

حسب تعبير فاينمان عام 1959:

ما أبرز وأهم المشكلات الأساسية التي تواجهنا في علم الأحياء اليوم؟ إنها تساؤلات مثل: ما تسلسل القواعد في جزيء الدي إن إيه؟ ماذا يحدث عندما تصاب بطفرة وراثية؟ ما ترتيب القواعد في الدي إن إيه المرتبط بترتيب الأحماض الأمينية في البروتين؟ ما تركيب جزيء آر إن إيه؛ هل هو سلسلة مفردة أم مزدوجة، وما مدى ارتباطه بترتيب القواعد في الدي إن إيه؟ وما تنظيم الميكروسومات؟ وكيف تصنع البروتينات؟ وإلى أين يتجه آر إن إيه؟ وكيف يستقر؟ وأين تقبع البروتينات؟ وإلى أين تتجه الأحماض الأمينية؟ وفي التمثيل الضوئي؛ أين يوجد الكلوروفيل؟ وكيف يجري ترتيبه؟ وأين توجد الكاروتينويدات التي تدخل في هذا الشيء؟ وما المنظومة المختصة بتحويل الضوء إلى طاقة كيميائية؟ من السهل للغاية إجابة كثير من تلك التساؤلات الأساسية المهمة؛ بمجرد أن تنظر إلى الشيء!

هل كان بمقدوره أن يعدد بشكل أوضح وأدق من ذلك جبهات علم الأحياء المعاصر؟ إن ما لا يقل عن ثلاثة من الفائزين بجائزة نوبل فازوا بها عن أبحاث أتاحت لنا معرفة تسلسل أزواج القواعد الجزيئية في الدي إن إيه بحيث يمكن قراءتها على المستوى الذري. لقد كان التوصل إلى تسلسل الجينوم البشري انتصارا رائعا لعلم الأحياء، وكانت القدرة على تحديد التسلسل الجيني في تحسن مستمر بمعدل فاق بكثير سرعة قانون «مور» في علم الكمبيوتر. وما كان يتكلف إنجازه أكثر من مليار دولار في المرة الأولى، منذ أقل من عشرة أعوام، صار الآن يتم مقابل بضعة آلاف من الدولارات، ويتوقع أن يتمكن الناس خلال العقد المقبل من معرفة تسلسل الجينوم الوراثي لهم مقابل سعر أقل من تكلفة وجبة عشاء طيبة في أحد المطاعم.

إن قراءة الجزيئات أمر مهم، غير أن الأساس الحقيقي للتطورات التي حدثت في علم الأحياء هو تحديد التركيبات الجزيئية ثلاثية الأبعاد عند النطاق الذري. إن تركيب البروتين يحدد الوظيفة، وتحديد الأسلوب الذي تنطوي به المكونات الذرية للبروتينات لتشكل آلية مؤدية لوظيفتها يعد في الوقت الراهن واحدا من أكثر الموضوعات سخونة في علم الأحياء الجزيئي.

غير أن القدرة على سبر غور المنظومات الحيوية عند المستوى الذري ليست مجرد مغامرة سلبية، كما توقع فاينمان أيضا. فعند نفس المستوى، إذا تمكن العلماء من قراءة البيانات، فإن باستطاعتهم كتابتها أيضا؛ أي إن بإمكانهم بناء الجزيئات الحيوية من لا شيء تقريبا. وإذا تمكنوا من بناء جزيئات حيوية، فسيكون باستطاعتهم في نهاية المطاف صنع أجهزة حيوية - أي حياة - من لا شيء تقريبا! وإذا تمكنا من صنع تلك الأجهزة من لا شيء تقريبا وفهمنا ما يجعلها تؤدي وظائفها على النحو الذي تؤديها به، فسوف نكون قادرين حينئذ على تصميم أشكال من الحياة لا توجد حاليا على وجه الأرض، وقد تكون أشكالا من الحياة قادرة على استخلاص ثاني أكسيد الكربون من الجو وتصنيع البلاستيك، أو طحالب تنتج البنزين. ولو بدا لك هذا الأمر بعيد المنال، فاعلم أنه ليس كذلك. فهناك علماء أحياء مثل جورج تشيرش بجامعة هارفارد، ومعه كريج فينتر، ساعدت شركتهما الخاصة في حل شفرة الجينوم البشري لأول مرة، وهم يبحثون في تلك التحديات في الوقت الحالي، وقد تلقت شركة فينتر حديثا 600 مليون دولار من مؤسسة «إكسون» مخصصة لمشروع إنتاج البنزين من الطحالب. (3)

رصد الذرات المفردة والتعامل معها:

عام 1959، أعرب فاينمان عن أسفه للحالة المثيرة للشفقة لميدان الميكروسكوبات الإلكترونية، الذي كان هو ذاته ميدانا حديثا نسبيا. فلما كانت الإلكترونات ثقيلة (مقارنة بالضوء الذي لا كتلة له)، فإن الطول الموجي الميكانيكي الكمي للإلكترونات بالغ الصغر. ومعنى ذلك أنه في حين تكون الميكروسكوبات الضوئية محدودة القدرة بسبب الطول الموجي للضوء المرئي، والذي يتراوح بين 100 إلى 1000 ضعف حجم الذرات، فإنه يمكن للمجالات المغناطيسية استخدام الإلكترونات في تكبير وإنتاج صور للأجسام الصغيرة للغاية التي تنبعث هذه الإلكترونات منها. غير أنه في عام 1959، بدا احتمال تصوير كل ذرة على حدة بعيد المنال؛ لأن الطاقات المطلوبة لذلك من شأنها إحداث اضطراب في المنظومات حتى يمكن رصدها.

كم تغيرت الأمور الآن؛ فعن طريق استخدام ذات الخصائص التي تتسم بها المنظومات الميكانيكية الكمية، مرة أخرى حسبما توقع فاينمان، تمكننا الميكروسكوبات الجديدة المسماة «الميكروسكوبات النفقية الماسحة» وميكروسكوبات القوة الذرية من تصوير الذرات فرادى داخل الجزيئات التي تحويها. علاوة على ذلك، تنبأ فاينمان قائلا: «إن مبادئ الفيزياء، حسبما أعرف، لا تمنع إمكانية التلاعب في الأشياء ذرة بذرة. إنها ليست محاولة لخرق أي قانون؛ بل شيء يمكن تحقيقه من حيث المبدأ، غير أنه من الناحية العملية لم يتم لأننا شديدو الضخامة.» وما يؤكد ذلك أنه قد ابتكرت الآن «ملاقيط ذرية» باستخدام تقنيات مماثلة لتلك المستخدمة في الميكروسكوبات الحديثة، وأنتجت أشعة ليزر من الشدة بحيث أتاحت للباحثين التلاعب بالذرات المفردة وتحريكها. ومرة أخرى، منحت ثلاث جوائز نوبل مختلفة عن هذا العمل.

لا يستطيع العلماء الآن تحديد الذرات الفردية مكانيا فقط وإنما باستطاعتهم ذلك زمنيا أيضا. فقد سمحت تقنية الليزر بإنتاج نبضات ليزر تدوم بضعة فيمتو ثانية (الفيمتو ثانية 10 −15

অজানা পৃষ্ঠা