تمكن البحث من العثور على نظام خفي في الأنظمة الفيزيائية الدوارة "الفوضوية" على ما يبدو، مثل البروتينات والدوامات
تمكنت دراسة نظرية جديدة بقيادة باحث من جامعة تل أبيب، من العثور على نظام خفي في الأنظمة الفيزيائية الدوارة التي تبدو "فوضوية"، مثل البروتينات والدوامات. والباحثة هي الدكتورة نعومي أوبنهايمر من كلية الفيزياء وعلم الفلك في كلية ريموند وبيفرلي ساكلر للعلوم الدقيقة، وشارك في البحث أيضًا الزميل الباحث الدكتور ماتان يا بن تسيون بالإضافة إلى باحثين من الولايات المتحدة الأمريكية. ونشرت الدراسة في مجلة نيتشر كوميونيكيشنز.
تعتبر حركة البروتينات في غشاء الخلية (الغشاء) إحدى المشاكل التي تشغل الكثير من علماء الفيزياء والكيميائيين وعلماء الأحياء. منذ الماضي الثاني، وعلى نطاق أكبر بعدة مليارات من المرات، أصبحت الظواهر الجوية والأوقيانوغرافية المختلفة أيضًا في عين عاصفة الاحتلال الجسدي. وعلى الرغم من أن هذه الأنظمة تبدو فوضوية تمامًا وتعتمد على حركة عشوائية وفوضوية، إلا أن الأبحاث تظهر أن هناك هياكل منظمة داخل كليهما، وأنها تتصرف وفقًا لنفس مجموعة القواعد الفيزيائية.
يوضح الدكتور أوبنهايمر: "في الدراسة الجديدة، أظهرنا أن ديناميكيات البروتينات في الغشاء هي نفس ديناميكيات الدوامات في التدفق المثالي، كما هو الحال في الظواهر الجوية. وهذا أمر مثير للدهشة للغاية، لأن الوصف المادي لهذه الأنظمة يتم التعبير عنه بمعادلات مختلفة ومقاييس مختلفة.
الغشاء عبارة عن سائل لزج جدًا، مثل العسل، لذا فإن قوى الاحتكاك فيه قوية جدًا، وإذا لم نحاول تطبيق القوة بشكل فعال - فلن يتحرك أي شيء بداخله. من ناحية أخرى، في التدفق المثالي، تكون اللزوجة ضئيلة، مما يعني أنه لا يوجد أي احتكاك تقريبًا ويستمر كل شيء في التدفق بهدوء إلى الأبد، دون انقطاع.
وتوصل الباحثون إلى الدراسة الجديدة برؤى من الدراسات السابقة التي أجروها، والتي بموجبها تدور بعض البروتينات المدمجة في الغشاء الخلوي، وتشكل دوامات صغيرة، وتتصادم مع بعضها البعض، وتنظم أخيرًا في بنية سداسية.
يتوسع الدكتور أوبنهايمر في الحديث عن الميزة المثيرة للاهتمام التي ظهرت خلال البحث: "لقد درسنا حالة يوجد فيها قدر كبير من الاضطراب. إن حركة الدوامات فوضوية، لكننا سألنا أنفسنا هل لا يزال هناك نظام مخفي في هذه الفوضى، حتى لو لم يكن هناك تصادمات بين الدوامات. وتبين أنه على الرغم من عدم وجود اصطدامات، لا تزال هناك قيود على توزيع الدوامات على السطح".
وهنا، كما يزعم الباحثون، تلعب قوانين الحفظ دورًا. يوجد في الطبيعة العديد من قوانين الحفظ الأساسية مثل حفظ الطاقة، وحفظ الزخم، والحفاظ على الشحنة. لقد نجح الفيزيائي الألماني اليهودي إيمي نيتر في فك الارتباط بين قوانين التناظر والحفظ منذ حوالي مائة عام. لقد قامت بتقطيرها إلى جملة ذات جمال رياضي عظيم والتي سميت باسمها.
يضيف الدكتور أوبنهايمر: «في حالة الدوامات، هناك قوانين حفظ هندسية تنشأ من التماثل في بنية النظام. تملي هذه القوانين على النظام حدودًا مكانية مختلفة لتوزيع الدوامات - ومن المذهل أن نرى أنه حتى لو كانت الحركة فوضوية وفوضوية، فإن الدوامات لا تتحرك أبدًا بعيدًا عن بعضها البعض ولا تقترب كثيرًا من بعضها البعض، و وهذا يرجع على وجه التحديد إلى قوانين الحفظ."
الميزة التي يتحدث عنها الدكتور أوبنهايمر والتي تمنع الدوامات من الاقتراب أو الابتعاد عن بعضها البعض وإنتاج نوع من النظام غير التافه، تسمى "فرط التوحيد". هذه الميزة شائعة جدًا في الطبيعة، وتظهر، على سبيل المثال، في مستقبلات الضوء في عيون العديد من الطيور، ويبدو أنها تساعدهم على الرؤية بشكل أفضل.
ويضيف الدكتور أوبنهايمر: "الظاهرة الثانية والتي لا تقل إثارة للاهتمام والتي رأيناها هي أنه عندما يكون هناك نوعان من الدوامات، نوع واحد بطيء والآخر سريع، تحدث ديناميكية غريبة تؤدي إلى حقيقة أنه في النهاية خلال فترة زمنية معينة، ستكون الدوامات البطيئة في الخارج وستكون الدوامات السريعة في الداخل، لأن الدوامات السريعة تسمى "سرقة" النظام من الدوامات البطيئة. كما تمكنا من تفسير هذه الظاهرة من حيث قوانين الحفاظ على النظام واعتبارات أخرى. واحدة من أهم القضايا في الفيزياء هذه الأيام هي الإسقاط من الأنظمة المجهرية إلى الأنظمة العيانية والعكس، لذلك فإن بحثنا يخلق هذا الجسر بالضبط، وأعتقد أنه سيكون هناك العديد من دراسات المتابعة حول هذه الديناميكية السحرية.
في الأساس، يعتبر البحث صالحًا لكل ما يدور في السائل أو الهواء طالما أن الديناميكيات ثنائية الأبعاد، لذا فإن الأعاصير والبروتينات مجرد أمثلة. ربما يمكنك أن تقول بشكل عام - الزوابع.
في المقالات السابقة لم نتحدث عن فرط التوحيد ولا عن انفصال الطور. أي أننا إذا نظرنا في المقالة الأولى إلى البروتينات التي لها حجم ويمكن أن تتصادم، فإننا في هذه المقالة ننظر أيضًا إلى الحالة الأكثر "نقاوة" حيث يكون التفاعل بين الدوامات فقط، أي عبر السائل فقط، دون الاصطدامات. لقد رأينا هاتين الظاهرتين المثيرتين للاهتمام. الأول، فرط التوحيد، هو النظام المخفي في الفوضى. على الرغم من أن الحركة فوضوية، إلا أن هناك نظامًا في رقصاتهم، إلا أن الدوامات لا تقترب كثيرًا ولكنها أيضًا لا تتباعد أبدًا (مثلنا قليلاً كمجتمع في هذا الوباء).
"الظاهرة الثانية التي نراها هي نوع من فصل الطور، مثل فصل الزيت عن الماء. لكن في هذه الحالة يكون الفصل ديناميكيًا، مما يعني أنه على عكس فصل الطور الديناميكي الحراري هنا، فإن النظام ليس في حالة توازن. وعلى الرغم من ذلك، فقد أظهرنا أنه من الممكن استعارة أدوات من عالم الديناميكا الحرارية لفهمه". يختتم الدكتور أوبنهايمر.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
