يحتوي جزيء الحمض النووي البشري على حوالي ثلاثة مليارات قاعدة ويتكرر كل يوم حوالي تريليوني مرة. لكي يتم الحفاظ على البنية الخلوية، يجب أن تكون عملية النسخ دقيقة بشكل لا يصدق، ولكن في الوقت نفسه، يظهر ظهور الطفرات أن العملية ليست محصنة ضد الأخطاء. باستخدام المحاكاة الحاسوبية، أظهر الفيزيائيون والكيميائيون من جامعة ساري في إنجلترا أن الأخطاء في النسخ يمكن أن تحدث بعد نفق الكم.
يركز النهج التقليدي لدراسة الأمراض والطفرات الجينية بشكل أساسي على تأثير العمليات البيولوجية والكيميائية، ويميل إلى تجاهل الظواهر الكمومية الأساسية. تثبت المقالات القليلة في هذا المجال أن الرأي السائد بين علماء الفيزياء هو أن البيئة البيولوجية شديدة الحرارة بحيث لا تؤثر العمليات الكمومية على الكائنات الحية. وفي مقال نشر في إحدى مجلات Nature، يحاول باحثون من جامعة ساري تحدي هذا المفهوم وإثبات أن النفق الكمي يسبب طفرات جينية.
من أجل فهم كيفية حدوث النفق الكمي في جزيء الحمض النووي، سنبدأ ببضع جمل أولية. يرتبط الحلزون المزدوج الذي يتكون منه الحمض النووي عن طريق الروابط بين الذرات. على وجه الدقة، فإن الاتصال بين جانبي الحلزون يتكون من روابط هيدروجينية، أي بروتون يلتصق بجانبي الجزيء. يوصف البروتون نفسه أحيانًا بأنه خطوة في سلم متعرج يشكل البنية الشهيرة التي اكتشفها جيمس واتسون وفرانسيس كريك عام 1952 استنادًا إلى أعمال روزاليند فرانكلين وموريس ويلكنز. جزيء الحمض النووي هو وسيلة رائعة للطبيعة لتشفير المعلومات باستخدام أربع قواعد تسمى A، C، T، G مع اقتران واضح بين A و T و C و G. يعتمد الارتباط الطبيعي بين وحدات البناء على بنيتها الجزيئية، والتي يتم وضعها بجانب بعضها البعض مثل قطعتين من الأحجية. نادرًا ما يتم تدمير قواعد الاقتران بسبب تغيير العلاقة اليمنى، مما يؤدي إلى اتصالات "غير طبيعية". لقد تنبأ واتسون وكريك بهذه العملية سابقًا، لكن لم يتم فحصها بعمق إلا مؤخرًا بمساعدة نماذج الكمبيوتر التي تتنبأ بما يحدث. وأظهر البحث الذي تم إجراؤه في جامعة ساري أن هذه الأخطاء أكثر شيوعًا مما يعتقده المجتمع العلمي. في هذه العملية، يمكن للبروتونات عبور حواجز الطاقة بسهولة، أي النفق، وتغيير مواقعها. إذا حدثت العملية حتى قبل أن يتفكك الشريطان على طول عملية النسخ، فمن الممكن أن يحدث الخطأ أثناء عملية نسخ الخلية وربما يؤدي إلى حدوث طفرات.
في مقال منشور منذ حوالي أسبوعين في المجلة فيزياء اتصالات الطبيعةاستخدم فريق الباحثين مبادئ من ميكانيكا الكم للتنبؤ بديناميكيات جزيء الحمض النووي. واستنادا إلى عمليات المحاكاة التي تم تطويرها خصيصا للبحث، يدعي مؤلفو المقال أن عمليات النفق هي عامل مهم في خلق الطفرات. وفي الوقت نفسه، من المهم أن نلاحظ أن نفق الجسيمات لم يتم ملاحظته بشكل مباشر في الأنظمة البيولوجية (ولكن نعم في عدد لا يحصى من الأنظمة الفيزيائية). في عملية حفر الأنفاق، يتمكن الجسيم من "القفز" فوق حاجز الطاقة الذي تمنعه الميكانيكا الكلاسيكية من تجاوزه (لأنه لا يمتلك طاقة كافية). وهذا مشابه للكرة التي ألقيت على الحائط ووجدتها فجأة على الجانب الآخر. السبب وراء توقع حدوث الأنفاق في الأنظمة المجهرية وليس في الأنظمة المجهرية هو أن احتمالية عبور حواجز الطاقة تتضاءل بقوة مع المسافة، أو مع سمك الحاجز. أود أن أؤكد أن هذا ليس بالضرورة حاجزًا ماديًا، بل حاجز طاقة. أي أن الجسيمات في بعض الأحيان تكون في حالة (شبه) مقيدة تمنعها (كلاسيكيًا) من تغيير حالتها لأنها لا تملك طاقة كافية للتغيير (سواء خواصها الداخلية مثل الاضمحلال الإشعاعي أو خواصها الخارجية مثل الموقع والزخم والقوة). إلخ) لكن ميكانيكا الكم تظهر أنه لا يزال هناك احتمال أن تكون الجسيمات، حتى لو كانت في حالة مقيدة، في حالة مختلفة. ومن أجل وصف تأثير البيئة على جزيء الحمض النووي بدقة، استخدم الباحثون رياضيات أنظمة الكم المفتوحة التي تتنبأ إحصائيًا بالظواهر الفيزيائية كدالة لدرجة الحرارة وغيرها من المعالم. في الدراسة الحالية تم اكتشاف أنه عندما يقترن ببيئة حارة، يحدث نفق البروتون بتردد عالٍ بين الشريطين وحتى مع احتمال أكبر من التحولات الكلاسيكية (يحدث الانتقال الكلاسيكي عندما يتلقى البروتون فجأة طاقة كافية من البيئة لتغيير موقفها). نتيجة للنفق، يمكن أن يكون البروتون على الجانب الخطأ من الحلزون ويخلق خطأ في النسخ أثناء التحضير.
يوضح الدكتور لويس سلوكومب، أحد مؤلفي المقال: "يمكن للبروتونات الموجودة في الحمض النووي أن تنفق على طول الرابطة اليمنى وتغير إحدى القواعد في الشفرة الوراثية. تسمى القاعدة المعيبة "tautomer" والتي يمكنها البقاء على قيد الحياة أثناء عملية النسخ وإنشاء الطفرات. تم إرشاد الدكتور سلوكومبي من قبل البروفيسور جيم الخليلي، المعروف لدى الجمهور من خلال المسلسلات الوثائقية العلمية التي تبث على شبكة بي بي سي. ويضيف البروفيسور الخليلي، الذي يظهر أيضًا في قائمة مؤلفي المقال، أنه "قبل 50 عامًا، افترض واتسون وكريك أن ميكانيكا الكم تلعب دورًا مهمًا في الحمض النووي، لكن مثل هذه الآلية لم يتم اختبارها مطلقًا".
ليست هذه هي المرة الأولى التي يكتشف فيها الباحثون مدى سيطرة ميكانيكا الكم على النظم البيولوجية. في السنوات الأخيرة، أثيرت احتمالية أن الطيور تستخدم التشابك الكمي لاستشعار المجال المغناطيسي للأرض، وأن الكفاءة العالية للأوراق في امتصاص الفوتونات تحدث بفضل التراكب، وأن الحيوانات قادرة على الشم بفضل البرامج الجزيئية التي لا يمكن تفسيرها إلا بواسطة ميكانيكا الكم، وحتى هذا الوعي ينشأ من انهيار الدالة الموجية. وبصرف النظر عن البراهين الأساسية على النباتات، فإن الظواهر الكمومية، على حد علمي، لم يتم إثباتها بشكل مباشر في الحيوانات، ولا تزال مجرد فرضية. السبب الذي يجعل الباحثين يجدون صعوبة في قبول حقيقة أن العمليات الكمومية مثل التشابك والتراكب يمكن أن تحدث في الأنظمة البيولوجية ينبع من حقيقة أن البيئة البيولوجية ساخنة، ودرجة الحرارة تميل إلى تدمير "التماسك"، مما يعني إمكانية الحفاظ على الكم. الدولة مع مرور الوقت.
هل لديك سؤال أو موضوع تود أن أكتب عنه؟ اتصل بي على noamphysics@gmail.com
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 4
مايكل، ماذا عن لقاحات الحمض النووي الريبوزي؟
الحمض النووي الريبي لا يؤثر على الحمض النووي!
مليونين وليس مليونين
قد يكون هناك أيضًا اتصال بمجال كهربائي أو حتى إشعاع RF للتسبب في التسخين ورفع الطاقة في هذا النظام الحساس. هذا هو الاتجاه لمزيد من البحث
من المثير للاهتمام والمثير للريبة مدى أهمية الحفاظ على الحمض النووي من لقاحات RNA DOGMA المفروضة علينا في وقت الأزمات