العلاقة بين فيزياء الكم والكيمياء العضوية. الجزء الثاني من المقابلة التي أجراها البروفيسور أرييه وارشيل الحائز على جائزة نوبل لموقع هيدان

البروفيسور أرييه وارشيل: "المقال الأول الذي يجمع بين فيزياء الكم والفيزياء الكلاسيكية كما هو مطبق على الكيمياء كان في الواقع عملاً قمت به في معهد وايزمان أثناء انتظار وظيفة ما."

في الجزء الأول من سلسلة المقالات بناءً على مقابلة أجريناها مع البروفيسور أرييه وارشيل ويصف السرعة التي أنهى بها درجة الماجستير والدكتوراه في معهد وايزمان، وذلك بفضل تطويره لتبسيط الصيغ المعقدة في سطر واحد من التعليمات البرمجية على الكمبيوتر. لقد طُلب منه بالطبع أن يقوم بدراسة ما بعد الدكتوراه في الخارج مثل أي خريج دكتوراه، ولكن كان لديه الكثير من وقت الفراغ بينهما.

"من أجل ملء وقت الفراغ في طريقي إلى هذا المنصب، قمت ببعض الأعمال الجانبية وكان أحدها هو الأساس الذي حصلنا على جائزة نوبل من أجله - مزيج من الكم والكلاسيكي. كان لدي صديق في المعهد البيولوجي في نيس زيونا، اسمه أبراهام برومبرج. عمل في الكيمياء وقام بقياس تأثير النظائر لجزيء بثلاث حلقات يتفاعل مع الأكسجين. وعندما حاول تقديمه في مؤتمرات بالمعهد، قال الخبراء في هذا المجال إنه لا يمكن أن يكون هناك مثل هذا التأثير النفقي الكبير الذي يسبب رد الفعل السريع هذا. قررنا أن أكتب برنامجًا يحسب تأثير نفق الكم - المرور عبر الحاجز لاختبار مدى أهميته. لذلك كان لدي بالفعل البرنامج الذي يمكنه حساب اهتزازات الجزيء، ولكن التفاعل مع الأكسجين كان لا بد من حسابه وفقًا لقوانين ميكانيكا الكم. أخذت كتاب كيمياء وبرمجت وصف الجزء الكمي باستخدام طريقة نظرية رابطة التكافؤ (طريقة وصف السلوك الكمي التي روج لها لينوس بولينج) لكن البرمجة باستخدام طريقة نظرية رابطة التكافؤ معقدة لأنها تتطلب صيغا معقدة للغاية وهي يختلف كل رد فعل عن الآخر، كما أن معظم أعمال الكمبيوتر في كيمياء الكم أصبحت أسهل بكثير من البرمجة باستخدام طريقة المدارات الجزيئية التي تم استخدامها لاحقًا في العديد من دراساتي. لقد تمكنت من برمجة التعبير المعقد الذي يصف الجزء الكمي والحصول على التأثير الضخم الذي قام برومبيرج بقياسه."

"لقد كانت في الواقع الورقة الأولى التي تربط بين نظرية الكم والميكانيكا الكلاسيكية. ثم جاء كاربيلوس إلى المعهد لقضاء نصف إجازة وذهبت إليه للحصول على درجة ما بعد الدكتوراه وقررنا أنه قد يكون من المفيد استخدام طريقة المدارات الجزيئية لحساب سلوك جزيء الشبكية، وهو جزيء صغير يرتبط بالبروتين في شبكية العين، والتي تغير شكلها استجابة للضوء (كجزء من عملية الرؤية). من بين الأشياء المهمة التي توصلت إليها خلال إقامتي في بوسطن هو وضع برنامج من المعهد (يُسمى Consistent Force Filed، حيث اخترعه ليبسون، أو بالعبرية، حقل منسق). كانت الفكرة هي ربط البرنامج بحسابات إلكترونات π - وهي طريقة تنظر فيها إلى جزيئات مثل البنزين وتصف فقط الإلكترونات غير المحلية بطريقة كمومية، حتى تحصل على وصف جيد لطيفها. كانت هناك دائمًا مقالات تقول إنه يمكنك الحصول على تقدير تقريبي جيد للطيف، ولكن ليس بنية الطيف والاهتزازات معًا. من حيث أتيت لم يكن هناك شيء اسمه مستحيل. ومن خلال تحسين المعلمات في النموذج، تمكنا من الحصول على وصف للجزيء وجميع خصائصه: التحولات الإلكترونية والاهتزازات والطاقة والبنية. لقد استخدمت نفس الطريقة لتحسين المعلمات في البرنامج الكلاسيكي إلى تلك التي تحتوي على وصف ميكانيكي كمي للإلكترونات المترافقة."

"قصة حول هذا - البرنامج الذي كتبته كان لمدة 30-40 عامًا أفضل وسيلة لدراسة الجزيئات المترافقة بما في ذلك الجزيئات التي لها لون داخل البروتينات والعديد من المجتمع الكمي الذين أحبوا النماذج الكمومية التي تؤخذ فيها جميع الإلكترونات في الاعتبار، بما في ذلك تلك الموجودة في الذرات التي لا تشارك في الرابطة π، حصلت على هذا (على الرغم من أن العديد من المجربين استخدموا البرنامج). وعندما اكتشفوا كرات بوكي، والتي حصلوا عليها على جائزة نوبل، حاول المنظرون حساب تذبذبات كرات بوكي باستخدام أساليب ميكانيكا الكم الصلبة، وخصص نصف المقال لحقيقة أنهم حصلوا على نتائج أفضل في برنامجي، ولكن لا بد من ذلك. تكون صدفة. ولكن كان هذا كله لأنني أصررت على مطابقة المعلمات مع تجاربي، وبما أن فيزياء النموذج كانت جيدة، فقد نجح بشكل جيد. "

"في هذا البرنامج، الذي أسميته QCFF/PI، استخدمته للنظر، على سبيل المثال، في الكيمياء الضوئية للرودوبسين، وهو جزيء الصباغ في العين. في مقال نشرته في مجلة Nature عام 1976 قدمت أول عمل للديناميكيات الجزيئية في علم الأحياء، عندما أخذت الجزيء ووضعته في حالة مثارة وقمت بإجراء محاكاة حيث أظهرت كيف يدور ويتغير من الأيزومر المقرن إلى الأيزومر المقرن. الأيزومر العابر. (انظر الشرح على ويكيبيديا). في المرحلة الأولى من الإثبات، يجلس الجزيء داخل البروتين في بنية cis وينتقل إلى البنية المقابلة - trans. لذلك كان يعتقد أن العملية تستغرق أكثر من 6 بيكو ثانية. في هذه العملية الحسابية وجدت أنها 100 فمتوثانية. لقد حسبت بالضبط ما وجدوه تجريبيا بعد سنوات. لم يصدق أحد، كان هناك أشخاص كتبوا مقالات كاملة يحاولون إثبات أن الأمر لا يمكن أن يكون كذلك".

"وهذا أيضًا مثال جيد على الطريقة التي أعمل بها. في نفس الوقت كان الناس يتحدثون عن الكيمياء الضوئية، كانوا يتحدثون عن مستويات الطاقة التي تحتوي على مستويات اهتزازية عديدة ويتم وضع الضوء فيها ثم تحدث عملية تعرف باسم الانتقال بدون إشعاع والتي يمكنك من خلالها معرفة كيفية انتقال الجزيء في الحالة المثارة من رابطة الدول المستقلة إلى العابرة. في عام 1971، قرأت مقالًا حيث كان الناس يعملون على جزيئات صغيرة وبدلاً من النظر إلى محيط الاهتزازات، رأوا ما هي فرص الانتقال بين الحالات المختلفة - نموذج شبه كلاسيكي. أدركت فجأة أن هذه هي الطريقة التي يمكن استخدامها في أي عملية كيميائية ضوئية."

"إن فهم هذه الطريقة التي استخدموها لتفاعلات H + HH هو الطريقة الصحيحة لاستخدامها مع الجزيئات الكبيرة. وبعد ذلك استخدمت هذه الطريقة لأكون أول من اكتشف حقيقة ما يحدث في الخطوة الأولى من عملية التمثيل الضوئي. لقد استغرق الأمر بعض الوقت حتى يفهم الناس أن هذه هي الطريقة التي ينبغي النظر بها إلى الأمر. (راجع الأفلام الموجودة على الموقع). كل ما تنبأت به في عام 1976 تبين أنه كان صحيحًا حتى آخر التفاصيل من الناحية العددية، وفي السنوات الأخيرة أيضًا من الناحية الحسابية.

"لكن دعونا نعود لحظة إلى الوقت الذي عدت فيه من المنصب وأردت فقط إجراء حسابات ميكانيكا الكم لكل جزيء عضوي. لقد كتبت برنامجًا معقدًا وجميلًا لم يستخدمه أحد سواي حتى اليوم، وكانت نيتي أن أعمل في يوم من الأيام على الإنزيمات. في ذلك الوقت عاد ليفيت إلى المعهد وبدأنا العمل على طي البروتين. قام بتطوير برنامج CFF إلى الحد الذي يمكن استخدامه لوصف أي نوع من البروتين أو الجزيء الكبير. بالنسبة لهذا البرنامج، لم يكن مهما حجم الجزيء. ثم عمل على إنزيم الليزوزيم وأظهر أن الليزوزيم يعمل من خلال حقيقة أن قوى البروتينات تأخذ السكر وتنقله من شكل الكرسي إلى شكل الأريكة. الأريكة تشبه إلى حد كبير شكل السكر في الحالة الانتقالية حيث يتم كسر الرابطة (فرضية السلالة). أظهر مايك أن التوتر لا يمكن استخدامه لتفسير التحفيز (وهو أمر يبدو واضحًا بالنسبة لي ولكنه كان بمثابة تقدم كبير). قررت ألا أرى ما لا ينجح، بل ما الذي ينجح، ولهذا كان علي أن أقوم بالكيمياء وكسر الارتباط مع الليز. في ذلك الوقت، نظرًا لأن العمل على الطي مع مايك كان له تأثير كبير، حصلت على منحة EMBO وانضممت إليه للعمل في مركز الأبحاث الطبية في كامبريدج. وقد انجذبت إلى أشيائي - العمل على الهيموجلوبين وأشياء أخرى ومحاولة فك رموز سلوك الإنزيمات. عندما حاولت في برنامجي كسر الرابطة في الليزوزيمات، حدث التفكك أسرع بعدة مليارات المرات من المحلول. لقد قمت بتوصيل برنامجي الذي يعرف بالفعل كيفية التعامل مع ميكانيكا الكم مع برنامج مايك وحاولت قطع الاتصال ولم ينجح. اتضح أن إجراء الكيمياء في البروتين أعلى بـ 50 سعرة حرارية من القيام بها في الماء، وهذا بالطبع غير صحيح. وكان الجواب أن ما كنت أفعله كان خطأ، وأنه كان من المستحيل بالنسبة لي أن أحصل على إنزيم يعمل أبطأ بعشر مرات من بام. شئ مفقود. وما أدركته هو أنه عندما تكسر رابطة من الكربون والأكسجين في الغاز (بدون ماء، بدون إنزيم)، فإن الرابطة تنقسم إلى جذور (إلكترون على الكربون وإلكترون على الأكسجين) ودائمًا ما يكلف 10 سعرة حرارية. من المستحيل القيام بذلك بشكل أسرع، ولكن في الماء يتم تقسيم الرابطة إلى كربون موجب وأكسجين ناقص والسبب في حدوث ذلك هو أن الماء أو البروتين يستقر في مجاله الكهروستاتيكي بالقرب من التأثيرات الإيجابية من البيئة وبالقرب من الموجب. هناك آثار للشحنات السلبية."

حصل الكيميائيون على نتائج غير واقعية عندما حاولوا نمذجة التفاعل H2O+H2O OH- +H3O+ واستخدموا ببساطة ميكانيكا الكم دون تأثير الماء وبالتالي حصلوا على نتائج خاطئة. أصررت على حل السؤال ذي الصلة. عندما رأيت المشكلة ذهبت إلى المكتبة، وضيعت بضعة أشهر ورأيت أنه لم يحاول أي كيميائي حل المشكلات التي يفتقدها تأثير الماء أو البروتين في الجزء الكمي من البرنامج. هذه ثلاثة أسطر من رموز الكمبيوتر إذا كنت تعرف مكان وضعها.

"للتعرف على التأثير الكمي، ما عليك سوى إضافة حرف واحد في الصيغة. وحتى عام 1973، كانت جميع المحاولات للقيام بذلك تتضمن مراقبة التفاعل بين جميع الجزيئات وبيئتها بطريقة لم يكن لها أي فرصة للعمل بأي شكل من الأشكال في الواقع. كان نهجي كما ذكرنا هو أنه ينبغي النظر إلى الصيغة الأولى في الكتاب وعدم الاستمرار في القراءة، وقد رأيت بالفعل في الصيغة الأولى أن هناك شحنات من ذرات الكم تدخل منطقة الذرات الكمومية الأخرى، أفهم من هذا ما هو تأثير شحنات الذرة A على الذرة B. كل ما فعلته - صيغة عامة تمامًا بدلاً من أن تكون الذرة A كمومية، سنضع الشحنة من الذرة A وهي كلاسيكية. لقد كان أول برنامج QMMM حقيقي أدى إلى كل الاختراقات في هذا المجال. إذا أضيفت شحنات البيئة الكلاسيكية إلى ميكانيكا الكم، فستكون هناك حاجة إلى وصف الماء المحيط بالبروتين. في ذلك الوقت، لم يكن الناس يعرفون كيفية القيام بذلك وكان من الواضح أنه لا يمكن القيام بذلك. قمنا ببناء شبكة من المكعبات التي يحتوي كل منها على ثنائي القطب بدلاً من الماء وقمنا بتعليم هذه الثنائيات أن تتجه نحو الشحنات وقمنا بتدريبها أيضًا على تقديم نفس المساهمة التي يقدمها الماء."

"في المقال من 76، وهو مركز جائزة نوبل، قمنا أيضًا بحل مشكلة معالجة الطاقات الكهروستاتيكية في البروتينات. بدلاً من التفكير في أنه لا يمكن القيام بذلك ولن يكون من الممكن القيام به أبداً وربما يجب علينا استخدام قوانين ماكسويل للكهرباء الساكنة، لم أؤمن بأي صيغة. نهجي، المتمثل في أن كل شيء يجب أن يتم تمثيله بطريقة جزيئية - لا يهم إذا كان بطريقة بسيطة تمامًا، يتعارض مع النهج الموجود في الكيمياء النظرية والذي تحتاجه لتمثيل كل شيء بأكبر قدر ممكن من الدقة."

وفي كل السنوات التي تلت ذلك، حاولت بشكل رئيسي شرح كيفية عمل الإنزيمات وأنا متأكد من أن برامجي تشرح ذلك بشكل كامل، ولكن كانت هناك صعوبات كبيرة في هذا أيضًا، لأن آخر ما يريده الناس هو أن يشرح لهم الآخرون كيف يعمل هذا اللغز. ويتم كل هذا بمساعدة الجزء الكهروستاتيكي المضاف في 76.

"اليوم يستخدم المجتمع بأكمله هذه الأساليب. لكن حتى في هذا كان هناك من تساءل كيف يمكن أن تعطي مثل هذه الطريقة الصبيانية نتائج صحيحة، هذه طريقة سمحت لي أن أشرح بطريقة كمية كيف تعمل والأهم من ذلك كيف لا تعمل، وجزء من هذه السنوات كان تحويل هذه الأساليب إلى أساليب كمية وكم من الوقت أهدرته من الطاقة وأشرح لهم أنه على الرغم من أنه يبدو وكأنني حلمت به في منتصف الليل فهو أيضًا ملكي. لم يقرأوا مقالاتي المعقدة أبدًا. "

"كان رودي ماركوس، الذي حصل على جائزة نوبل في نقل الإلكترون، والذي احتفلنا بعيد ميلاده التسعين مؤخرًا، يخبرني أن هناك آريا وراشيل، ومن المستحيل أن يكتب نفس الشخص كلا النوعين من المقالات. المقالات التي طورت فيها الطريقة التي قررها الناس لا ينبغي قراءتها، والمقالات التي استخدمت فيها الحدس قررت أن ذلك لا يمكن أن يكون صحيحًا. لحسن الحظ، برنامج الكمبيوتر هو شيء يتحدث عن نفسه.

وبعد حديث طويل ناقش الشق العلمي والذي يمكنكم قراءته في الجزء الأول والجزء الثاني من السلسلة، طلبت إشارة البروفيسور ورشل إلى القضية التي أثيرت في وسائل الإعلام يوم إعلان الجائزة، فيما يتعلق بعدم منح الحيازة من قبل معهد وايزمان.

لماذا لم تبقى فعلياً في معهد وايزمان؟
أكملت المنصب في جامعة هارفارد حتى عام 1972. وبعد ذلك مباشرة عدت إلى المعهد، وكما ذكرنا، واصلت البحث مع ليفيت. في مرحلة ما لم يعطوني منصبًا لأنهم قرروا أنه من غير الممكن بالنسبة لي أن أفعل ما كنت أفعله. ذلك غير ممكن. اختاروا الاستماع إلى الافتراء. وبعد ذلك أعطوني منصب أستاذ بدون تثبيت، فذهبت إلى جنوب كاليفورنيا لأنتظر لأرى ماذا سيقررون في المعهد. بعد قرار عدم منحي منصبًا قررت البقاء في كاليفورنيا وأعيش هناك منذ ذلك الحين.

من المؤكد أنك على علم بأن عمليات مماثلة تمت لعادا يونات أيضًا؟ (في الواقع تم فصلها من العمل ولكن تمكنت بطريقة ما من إنقاذها، كما ترى مقابلة أجريتها معها عام 2009. اب.)
"الفرق هو أن عادا يونات كانت هناك قبل عامين، لذلك قاموا بحيل أقل. لقد أعطوها غرفة صغيرة كمختبر، لكنهم أعطوها أيضًا فترة عملها. وفي أحد ردود المعهد زعموا أنني لو صبرت لمنحوني منصبي. لقد قدمت لهم مرتين طلبًا لتغيير القرار، حتى أنني تلقيت توصيات جيدة في شكل البروفيسور ليبسون ورسائل من الحائزين على جائزة نوبل، ولم يتطلب الأمر الكثير من الجهد لتصديق الافتراءات. بالنسبة لأولئك الذين لا يفهمون ما يمكن أن يفعله الكمبيوتر، سيكون من السهل جدًا تصديق أنه غير ممكن. البروفيسور إليشا هيس من بار إيلان لخص حالتي وقال إن الأمر ليس هجرة الأدمغة بل تهريب الأدمغة.

"من ناحية أخرى، عندما سُئلت عما إذا كانت لديك موارد محدودة، عليك اتخاذ قرارات صعبة. قرأت اليوم عن هجرة الأدمغة من بولندا في مجلة الجمعية الملكية للكيمياء. عندما تكون لديك موارد محدودة، يحدث ذلك وتكون هناك صعوبة موضوعية تتمثل في عدم قدرتك على معرفة ما سيكون عليه الشيء التالي. ذات مرة عندما كنا نناقش فترة عملي في جامعة جنوب كاليفورنيا، قال أحد التوصيات أن هناك نموذجين في العلوم - أحدهما أستاذ جيد جدًا يفعل ما يفعله الآخرون بشكل أفضل منهم، وهناك نموذجي الذي يجعل كل شيء مختلفًا وقال ذلك النموذج الخاص بي يؤدي إلى العباقرة والنموذج الآخر لا يؤدي إلى ذلك. كان ذلك في عام 81. هناك صعوبة، ولكن المهم هو أنه إذا كانت هناك رسائل سلبية لشخص يفعل أشياء أصلية، فهذا هو المكان الذي يجيد فيه الإسرائيليون استخدام الصفات السيئة التي لديهم - البحث عن العيوب. لا يعني ذلك أنهم لا يفعلون ذلك في أمريكا، لكن الإسرائيليين أفضل قليلاً في ذلك".
الشكر للدكتور موشيه نحماني على مساعدته في توضيح المصطلحات التقنية في الكيمياء.

سيقدم الموقع العلمي تقريرا عن أسبوع نوبل في ستوكهولم. من بين أمور أخرى، سيكون هذا ممكنًا بفضل مشاركتكم في مشروع التمويل الجماعي الإسرائيلي Headstart. إلى صفحة المشروع