يقوم علماء معهد وايزمان برحلات بحثية لمتابعة عمليات إنتاج المواد المركبة في العالم الحي
يختلف البشر عن القواقع والرخويات، ولكن ليس من المؤكد أن هذا الاختلاف يتم التعبير عنه فقط في المزايا. القليل من التواضع سيكون مفيدًا هنا. على سبيل المثال، يمكن لبعض القواقع إكمال وتجديد الألياف العصبية التالفة. ولو تمكن الإنسان من ذلك لأمكن إيجاد علاج لكثير من الأمراض الناجمة عن تلف الأعصاب أو تنكس الخلايا العصبية. لكن هذا ليس الشيء الوحيد الذي يستحق التعلم من المحار. مثال صارخ آخر هو الهياكل الجميلة والقوية بشكل لا يصدق (الأصداف والمحار) التي تصنعها بعض الرخويات. تعتبر هذه الهياكل البلورية وعمليات بنائها مصدر إلهام للعلماء الذين يطورون مواد مركبة خفيفة وقوية للغاية، وتستخدم، من بين أمور أخرى، للأغراض الطبية، مثل زراعة العظام الاصطناعية.
دفعت أهمية المواد المركبة العديد من العلماء إلى القيام برحلات بحثية لمتابعة عمليات إنتاج هذه المواد في العالم الحي.
ركزت هذه الدراسات على الحيوانات اللافقارية، مثل الرخويات، وعلى عظام الفقاريات. في الآونة الأخيرة، تم اكتشاف خط ربط بين نوعين من المخلوقات قيد الدراسة: اتضح أن بعض أساليب التشغيل التي تستخدمها الرخويات لبناء الأصداف تستخدمها أيضًا الحيوانات الفقارية، بما في ذلك البشر.
ولا ينمو العظم في اتجاه واحد؛ إنها تتطور طبقة بعد طبقة، ويخضع هيكلها لتغيرات مستمرة - وهي عمليات تجعل من الصعب التمييز بين المواد الجديدة والمواد القديمة. يواجه العلماء الذين يرغبون في متابعة عملية نمو العظام صعوبات إضافية، ناشئة عن موضع العظم داخل الجسم الحي. ومن المعروف أنه في عملية نمو العظام، وهي مادة مركبة، توضع المادة المعدنية البلورية داخل "قالب صب" مصنوع من ألياف البروتين؛ لكن كيفية تشكل هذه البلورات أمر مثير للجدل. وكان التفسير الأبسط والأكثر وضوحًا هو أن المعادن تستقر مباشرة خارج المحلول، على غرار كيفية تشكل الصواعد والهوابط. وكانت هذه أيضًا هي الفرضية المقبولة فيما يتعلق بالطريقة التي تتشكل بها الأصداف، ومع ذلك، فإن النتائج المنشورة في أواخر الستينيات أثارت التلميحات الأولى إلى أن الحل يكمن في مكان آخر.
بدأت الإجابة تتضح في الدراسات التي أجريت على الرخويات، والتي أظهرت أن عملية بناء أصدافها تتضمن مرحلة وسطية، ينتج فيها الحيوان جزيئات معدنية غير متبلورة (أي غير منتظمة، على عكس البلورة ذات البنية المنظمة) ). وتنتقل هذه الجزيئات من جسم الرخويات إلى مكان بناء الصدفة، وتخضع لتغيير بنيوي هناك يحولها إلى بلورة قوية. بحث أجراه البروفيسور ليا إيدي والبروفيسور ستيف وينر، من قسم البيولوجيا الهيكلية في معهد وايزمان للعلوم (الذين درسوا آليات تكوين العمود الفقري في قنافذ البحر)، وعلماء آخرون من مختلف أنحاء العالم، وأظهرت أن هذه ظاهرة عامة، وهي موجودة في الهياكل الصلبة في الحيوانات اللافقارية أكثر البروفيسور إدي: "إن الفرضية الأصلية، الخاصة بترسيب المواد المعدنية من المحلول، تتطلب تدفق كميات هائلة من المحلول خارج جسم الرخويات. إن العملية التي حددناها، والتي يتم من خلالها نقل "الطوب" و"الأسمنت" في شكلهما الصلب إلى موقع البناء، هي أكثر كفاءة ومنطقية بكثير - من حيث اقتصاد الطاقة لدى الحيوان."
ولكن يبقى السؤال عن طرق تكوين العظام في الحيوانات الفقارية. إن محاولات التعرف على مادة معدنية غير متبلورة، عمرها الافتراضي محدود، داخل عظمة تمر بمراحل نمو، لم تسير على ما يرام، وفي كل الأحوال فشلت في تقديم دليل قاطع على صحة النظرية. نجحت الطالبة البحثية يوليا محاميد والبروفيسور ليا عدي والبروفيسور ستيف وينر، من قسم البيولوجيا الهيكلية في معهد وايزمان للعلوم، مؤخرًا في إيجاد نظام بيولوجي خاص يسمح بمتابعة المراحل المختلفة للتكوين خطوة بخطوة. عملية تكوين العظام. اختار العلماء دراسة عظم الزعنفة لسمكة الزرد، والتي تنمو "من الداخل إلى الخارج" طوال حياة السمكة. الزعنفة مصنوعة على شكل "مروحة عظمية"، يتكون كل منها من عدة أقسام - لذا فإن القسم الموجود في نهاية المروحة هو الأحدث. ولهذا السبب، يمكن اعتبار الفصول بمثابة "خط زمني" يوضح المراحل المختلفة في تطور العظام. بالإضافة إلى ذلك فإن درجة الحرارة المنخفضة التي تعيش فيها السمكة تبطئ تطور المادة المعدنية في العظم، وتسهل مراقبتها.
ومن خلال الجمع بين المجهر الإلكتروني الماسح والاختراقي، وغيرها من الأساليب المتقدمة، تمكن العلماء من التعرف بشكل مؤكد على الجزيئات الكروية، المصنوعة من مادة معدنية غير متبلورة، وتمييزها عن المادة المعدنية البلورية. وتظهر النتائج، التي نشرت مؤخرا في المجلة العلمية "سجلات الأكاديمية الوطنية للعلوم" بالولايات المتحدة الأمريكية (PNAS)، أنه في الفصول "الشبابية"
من العظم، تشكل المادة غير المتبلورة حوالي نصف إجمالي المادة المعدنية، وتقل كميتها مع نضج العظم - في نفس الوقت الذي تزداد فيه الكمية العامة للمادة البلورية. أتاحت البيانات المتقاطعة التي تم الحصول عليها من المجهرين تتبع مواقع معينة على العظم، والإشارة إلى احتمال تحول الجسيمات غير المتبلورة، مع مرور الوقت، إلى بلورات.
تسلط هذه النتائج الضوء على لغز قديم، وعلى نطاق أوسع، فإنها توفر معلومات جديدة ووجهة نظر فريدة حول العمليات البيولوجية الأساسية التي يتم فيها تكوين المواد المعدنية التي تشكل الأنسجة الصلبة، مثل العظام والأسنان. شكلت. تحدث هذه العمليات في جميع الحيوانات الفقارية، بما في ذلك البشر. ويأمل العلماء أن يساعد الفهم الشامل لهذه العمليات في المستقبل على تعزيز خيارات الشفاء من الأمراض الوراثية التي تسبب بناء العظام بشكل غير طبيعي.
أعلاه: صورة بالمجهر الإلكتروني الماسح لـ "إصبع" واحد من المروحة التي تشكل الهيكل العظمي لزعنفة الزرد. أدناه: مراحل مختلفة من نمو العظام. في المرحلة الأولى من التطور (على اليمين) يتكون العظم بشكل رئيسي من جزيئات معدنية غير متبلورة كروية. في الخطوة التالية (في المنتصف) يمكنك رؤية جزيئات مستديرة (مميزة برؤوس أسهم بيضاء)، وبجانبها بلورات (أسهم سوداء). في مرحلة البلوغ (يسار) يتكون العظم بشكل رئيسي من بلورات
