من البديهيات

هل يمكن تطبيق مبادئ أبحاث الفيزياء على علم الأحياء أيضًا؟

خلال عدة قرون من "التطور العلمي"، انقسم الجد - "العالم" - إلى مجموعة متنوعة من الأنواع والأصناف: الكيميائيون والفيزيائيون، وعلماء الوراثة وعلماء الأحياء الدقيقة، وكل شيء بينهما. لقد تكيفت كل مجموعة من العلماء مع مكانة بيئية فريدة من نوعها.

يقوم علماء الأحياء، على سبيل المثال، بفحص الخلية الحية، ودراسة أدوار وآليات نشاط المكونات والهياكل المختلفة داخلها. ومن ناحية أخرى، يبحث الفيزيائيون عن التعميمات، أي أنهم يحاولون اكتشاف القوانين العالمية الكامنة وراء الكون، وتحديد أوجه التشابه بين الظواهر والأنظمة المختلفة.

هل من الممكن تهجين هذين النوعين المختلفين؟ الفكرة، التي كانت تعتبر مستحيلة في ذلك الوقت، أصبحت مقبولة أكثر فأكثر، وقد شهدنا مؤخرًا ازدهار علماء الفيزياء الحيوية. يقول الدكتور نير غوف من قسم الفيزياء الكيميائية في كلية الكيمياء في معهد وايزمان: "إن الوسائل المتطورة المتاحة حاليا لعلماء الأحياء تجعل من الممكن جمع كميات هائلة من المعلومات، ويتم خلق عنق الزجاجة في مرحلة تحليل البيانات". عن العلم. "لقد تعامل الفيزيائيون مع هذا الوضع على أنه دعوة للطرف البيولوجي - فهم يستخدمون الأدوات المتاحة لهم لفهم الظواهر البيولوجية على المستوى الأساسي، وعلى طول الطريق يكتشفون أيضًا مبادئ فيزيائية جديدة تميز المادة الحية والنشطة".

الموضوع الذي جذب انتباه الدكتور جوف وأعضاء مجموعته البحثية هو كيف تتخذ الخلايا المختلفة شكلها المميز. لقد اختاروا التركيز على البنية الخاصة للخلايا الشعرية في الأذن الداخلية. ومن هذه الخلايا تبرز نتوءات تشبه الأصابع من سطح الخلية لتشكل ما يشبه الدرج بارتفاعات متفاوتة. تلعب الامتدادات دورًا مركزيًا في السمع، فهي تحول الاهتزازات الصوتية الواردة في الأذن الداخلية إلى إشارة كهربائية تنتقل عبر العصب السمعي إلى الدماغ. إن استخدام طرق التصوير المتقدمة سمح لعلماء الأحياء بفك رموز ووصف عملية تكوين الخلايا الشعرية بتفصيل كبير طوال التطور الجنيني - بدءًا من المراحل المبكرة، عندما يكون الجنين لا يزال أصمًا، وتكون الأصابع قد بدأت للتو في البروز من سطح الجنين. الخلية بطريقة غير منظمة على ما يبدو، إلى مراحل لاحقة، عندما تأخذ الامتدادات شكلها النهائي، وتخلق بنية منظمة تسمح بالسمع. ومن خلال تقشير الأغشية الخارجية لخلايا الشعر، من الممكن الكشف عن البنية الهيكلية البروتينية التي تدعم الأصابع وتعطيها شكلها. لكن على الرغم من المعلومات التفصيلية المتوفرة لديهم، لا يزال العلماء لا يفهمون العمليات التي تؤدي إلى تكوين هذه الهياكل المنظمة. للقيام بذلك، من الضروري "إزالة" طبقة أخرى، والكشف عن القوى غير المرئية التي تؤثر على العملية - القوى التي هي موضوع أبحاث الفيزيائيين.

الدكتور جوف: "نشير بمصطلح "القوى" إلى عوامل مثل التوتر والضغط والاحتكاك والحركة والطاقة الكيميائية. كل هذه آليات فيزيائية تعمل على مكونات نظام معين. ومن خلال إدخال هذه العوامل في أنظمة المعادلات، أنشأنا نماذج رياضية يمكن استخدامها للتنبؤ كميًا بكيفية تكوين الهياكل الخلوية وتصرفها في المواقف المختلفة. ويمكن اختبار هذه التوقعات وتأكيدها من خلال التجارب."

يأخذ النموذج الذي أنشأه جوف وأعضاء مجموعته البحثية في الاعتبار الأحداث البيوكيميائية التي تحدث في الخلايا الشعرية: جزيئات ATP - عملة الطاقة المنقولة في كل نشاط للخلية - تتسبب في تفكيك وإعادة بناء السقالات التي تشكل الهيكل العظمي للخلية، والذي يتكون من حزم كثيفة من الألياف البروتينية تسمى "الأكتين". لكن هذه العملية لا تغير الشكل العام للهيكل العظمي الخلوي. يتيح النموذج إمكانية إجراء حساب كمي لكيفية تأثير القوى الفيزيائية المؤثرة على أغشية الخلايا على شكلها، وتؤدي في النهاية إلى ظهور البنية المميزة النهائية التي تشبه الإصبع. وأكدت سلسلة من النتائج التجريبية، التي تم الحصول عليها بالطرق البيولوجية "التقليدية"، تنبؤات النموذج الرياضي. نظرًا لأنه نموذج عام يعتمد على القوى الفيزيائية العالمية، فيمكن استخدامه لفهم تكوين الهياكل الخلوية الإضافية. وهكذا، على سبيل المثال، يتعامل فريق من الباحثين من مجموعة الدكتور جوف مع بنية الخلايا العصبية في الدماغ. تشكل هذه الخلايا امتدادات متفرعة تنمو وتتصل بخلايا الدماغ المجاورة. هذا هو الهيكل الذي يسمح للخلايا العصبية في الدماغ "بالتحدث" مع بعضها البعض. ويعتقد العديد من العلماء أن عمليات مثل التعلم أو إصلاح الذكريات تشجع على نمو هذه الامتدادات، وإنشاء نقاط اتصال إضافية بين الخلايا العصبية. وتبين المقارنة بين التركيبين أن نمو امتدادات الخلايا العصبية يعتمد على عمليات مشابهة لتلك التي تؤدي إلى تكوين الأصابع في الخلايا الشعرية.

ويمكن العثور على هياكل مماثلة في أنواع الخلايا الأخرى، التي تؤدي وظائف متنوعة. تشكل خلايا الجهاز المناعي امتدادات تشبه الأصابع تساعد على الحركة، وتصل من خلالها إلى مواقع العدوى والمرض. هناك آلية هيكلية مماثلة تسمح أيضًا للخلايا السرطانية بالانتقال من موقع النمو الأولي وتشكيل النقائل السرطانية. في بعض الأحيان يكون الاضطراب الذي يؤثر على عامل فيزيائي واحد كافيا لإتلاف البنية المنظمة بعناية. مثل هذا الاضطراب يمكن أن يسبب مشاكل مختلفة، مثل الصمم أو الضعف الإدراكي. ومن ناحية أخرى، فإن التدخل في آلية حركة الخلايا السرطانية قد يمنع انتشار النقائل السرطانية. إن رسم خرائط القوى والمبادئ التي يتم بموجبها تنظيم الهياكل الخلوية المختلفة سوف يسهم ليس فقط في الفهم العميق للعمليات البيولوجية الأساسية، ولكن أيضًا في تحديد العوامل الكامنة وراء الأمراض، وفي تحديد النقاط الحرجة التي يتم علاجها طبيًا. ويمكن توجيه أدوية جديدة.