فيزياء الكم تحل أقدم ألغاز البيولوجيا: لماذا اختارت الحياة اتجاهاً جزيئياً واحداً؟

لأكثر من قرن من الزمان، واجه العلماء صعوبة بالغة في تفسير التناظر المرآتي للإلكترونات (Electron spin homochirality)، وهو اللغز البيولوجي العميق المتمثل في سبب تفضيل الأنظمة الحية لـ "يد" جزيئية واحدة على حساب نسختها المرآتية المطابقة. الآن، تكشف دراسة رائدة أن الإجابة قد تكمن في ميكانيكا الكم الدقيقة للإلكترونات المتحركة، مما يغير فهمنا لأصول الحياة بشكل جذري.

تتواجد العديد من اللبنات الأساسية للحياة، مثل الأحماض الأمينية والسكريات، في شكل متصاوغات مرآتية (Enantiomers). وهي جزيئات متطابقة كيميائياً ولكنها متعاكسة هيكلياً. ومع ذلك، تُظهر البيولوجيا انتقائية شديدة؛ حيث تظهر الأحماض الأمينية بشكل حصري تقريباً في شكل "أعسر"، بينما تتخذ السكريات بنية "يمنى".

تحدى هذا التفضيل العالمي التفسيرات الكيميائية التقليدية لأن كلا الشكلين يمتلكان نفس مستويات الطاقة تماماً في حالة السكون. وقد فشلت النظريات السابقة في تقديم تفسير كامل لسبب انتشار هذا التفضيل الجزيئي المحدد وتجذره بعمق في جميع الأنظمة الحية.

وفقاً لدراسة جديدة نُشرت في مجلة Science Advances، وأجراها باحثون من الجامعة العبرية ومعهد وايزمان، فإن التناظر بين هذه الجزيئات المرآتية ينهار أثناء العمليات الديناميكية. عندما تنتقل الإلكترونات عبر جزيئات غير متناظرة، فإن خاصيتها الكمومية - المعروفة باسم الدوران المغزلي للإلكترون (Electron spin) - تتفاعل بشكل مختلف بناءً على الاتجاه الهيكلي للجزيء.

هذا الخلل المرتبط بالدوران المغزلي يعني أنه على الرغم من أن الجزيئات تبدو متطابقة عندما تكون ثابتة، إلا أنها تتصرف بشكل مختلف أثناء التفاعلات الكيميائية النشطة ونقل الإلكترونات. يولد كلا الشكلين كميات مختلفة من استقطاب الدوران المغزلي، مما يؤثر بشكل مباشر على كفاءة مشاركة كل شكل في العمليات الفيزيائية.

على مدار مليارات السنين، ربما يكون هذا الانحياز الكمومي المجهري قد منح أحد الأشكال الجزيئية ميزة متكررة. وفي النهاية، ساعد هذا الانحياز المستمر في ترسيخ التفضيل البيولوجي السائد الذي نراه اليوم، مما يتحدى الافتراض القائل بأن الجزيئات المرآتية يجب أن تُظهر تأثيرات متساوية في الحجم والسلوك.

إن اكتشاف أن العمليات الفيزيائية، وليس الكيميائية فقط، هي التي شكلت المراحل الأولى من الحياة يفتح آفاقاً جديدة للبحث العلمي. وقد سلط فريق البحث الضوء على عدة مجالات رئيسية سيغير فيها هذا التأثير الكمومي فهمنا:

• كيف يغير استقطاب الدوران المغزلي للإلكترون بشكل مباشر من كفاءة التفاعلات الكيميائية.
• تصميم مواد متقدمة تستفيد من كل من عدم التناظر المرآتي والدوران المغزلي للإلكترون لتحقيق تفاعلات موجهة.
• التأثير الأوسع للخصائص الكمومية على الأنظمة البيولوجية المعقدة والتطور البيولوجي.

يُعد اكتشاف أن الدوران المغزلي للإلكترون يقود عدم التناظر البيولوجي بمثابة تحول نوعي يسد الفجوة بين فيزياء الكم وعلم الأحياء التطوري. من خلال إثبات أن التناظر الكيميائي أكثر هشاشة أثناء النقل الديناميكي مما كان يُفترض سابقاً، تجبرنا هذه الدراسة على إعادة التفكير في الحساء البدائي لنشأة الحياة. فالأمر لا يقتصر فقط على المواد الكيميائية التي كانت موجودة، بل يمتد إلى كيفية تحكم ميكانيكا الكم في تفاعلاتها أثناء الحركة.

إلى جانب حل لغز تاريخي، يحمل هذا الآلية تداعيات هائلة على علم الصيدلة الحديث والبيولوجيا التركيبية. نظراً لأن فعالية الأدوية تعتمد غالباً بشكل كبير على الاتجاه الجزيئي - حيث يعالج أحد المتصاوغات المرآتية المرض بينما يسبب نظيره المرآتي التسمم - فإن فهم ديناميكيات الدوران المغزلي الكمومي قد يؤدي إلى طرق تركيب أدوية عالية الكفاءة وانتقائية الدوران. نحن ننتقل من مجرد مراقبة الشذوذ البيولوجي إلى هندسته على المستوى الكمومي.