أخبارالسياسة والمقالات

خمسة اكتشافات في كلية العلوم الزراعية والحياة،التي غيرت العالم

مصر:إيهاب محمد زايد

في العام الماضي، احتفلت جامعة ويسكونسن ماديسون بمرور 175 عامًا على تأسيسها. وتحتفل الجامعة بهذا الإنجاز المثير للإعجاب من خلال استضافة الحرم الجامعي والاحتفالات على مستوى الولاية ومن خلال تسليط الضوء على أهم التطورات العلمية التي حققتها جامعة ويسكونسن ومساهماتها الأخرى في المجتمع.

منذ الأيام الأولى لجامعة ويسكونسن، كانت العلوم الزراعية وعلوم الحياة في قلب مؤسسة المؤسسة. باعتبارها جامعة حكومية ممنوحة للأراضي في الولاية (تم تعيينها على هذا النحو في عام 1866)، فإن جامعة ويسكونسن مكلفة بدراسة وتدريس التخصصات العملية، مثل الزراعة والعلوم والهندسة. تأسست كلية الزراعة (الآن كلية العلوم الزراعية والحياة، أو CALS) في عام 1889 للمساعدة في دعم هذه المهمة. على مدار الـ 135 عامًا الماضية، حقق أعضاء هيئة التدريس والموظفين في الكلية العديد من الاكتشافات الرائدة التي غيرت العالم نحو الأفضل.
لذا فإن CALS تحتفل أيضًا. وكجزء من الاحتفال، سلط العددان الأخيران من مجلة Grow الضوء على جوانب مختلفة من تاريخ الكلية الغني، بما في ذلك تطور المكتبة الزراعية بالجامعة ونظام محطة البحوث الزراعية التابع لها. ويستمر الاحتفال هنا مع عينة من الإنجازات العلمية البارزة الناجمة عن CALS. (إليك قائمة أكثر اكتمالاً بالإنجازات البارزة.) لقد أحدثت هذه الاكتشافات تأثيرًا دائمًا على الدولة والأمة والعالم، وهي بمثابة نماذج وأدلة لـ CALS وهي تتطلع إلى المستقبل.
سوبر صوامع
في أواخر القرن التاسع عشر، عندما كانت زراعة الألبان وصناعة الجبن تترسخ في ولاية ويسكونسن، لم يكن المزارعون متأكدين من أفضل طريقة للحفاظ على تغذية الأبقار خلال فصول الشتاء الطويلة الباردة. كان الشكل الشائع للأعلاف الحيوانية الذي تزايد شعبيته في الولايات المتحدة في ذلك الوقت هو السيلاج.
يتكون السيلاج من القش المخمر أو الذرة أو غيرها من المواد النباتية، ويمكن استخدامه طوال فصل الشتاء إذا تم تخزينه بشكل صحيح. ساهم اثنان من أعضاء هيئة التدريس الأوائل في CALS بشكل كبير في تحسين واعتماد الصوامع لهذا الغرض. في تجربة مبكرة، في عام 1881، بدأ الباحثون في جامعة ويسكونسن بهيكل مربع الشكل. قاموا ببناء قبو حجري بجدران أسمنتية في مزرعة أبحاث بجامعة ويسكونسن وملأوه بالذرة والبرسيم. عندما تم فتح الصومعة بعد أشهر خلال فصل الشتاء، تم التخلص من بعض البرسيم المتعفن؛ لكن علف الذرة كان في حالة جيدة، والأبقار التي تناولته أظهرت زيادة صحية في الوزن.
ونصح ويليام هنري، العميد الأول لكلية العلوم الزراعية والحياة، والذي شارك في الدراسة، المزارعين باستخدام الصوامع وتبادل التفاصيل حول طرق ومواد بناء الصوامع.
رسم تخطيطي من التقرير السنوي السابع لمحطة التجارب الزراعية بجامعة ويسكونسن (1890) يصور صومعة مستديرة في وسط حظيرة أسطوانية مكونة من طابقين. صورة من أرشيف جامعة ويسكونسن ماديسون
لكن الصوامع المربعة كانت لها مشاكلها. بشكل رئيسي، سوف يفسد السيلاج في الزوايا. أصبح F. H. King الحاصل على دكتوراه عام 1910، أستاذ الفيزياء الزراعية (سميت فيما بعد بالهندسة الزراعية، والآن هندسة النظم البيولوجية)، من كبار المؤيدين للبديل. لقد درس مزايا الصومعة الأسطوانية وأجرى البحث الهندسي الأولي حول الهيكل. وذكر أن الصوامع المستديرة تمنع التلف الذي تشهده الصوامع المربعة، كما أنها أسهل في التحميل وأقوى من الناحية الهيكلية. مثل هنري – وتماشيًا مع فكرة ويسكونسن لضمان مساعدة الأبحاث الجامعية لمواطني الولاية – نشر كينج أول نشرة على الإطلاق تحتوي على تعليمات حول كيفية بناء صوامع خشبية مستديرة.
أصبحت صومعة الملك، أو صومعة ويسكونسن، كما أصبحت تُعرف، منتشرة في كل مكان عبر المناظر الطبيعية الريفية، مما يسمح للمزارعين بالحصول على حصص حيوانية مخططة ويمكن الاعتماد عليها على مدار العام. في النهاية، أصبحت رمزًا مبدعًا لمزرعة الألبان، حيث كانت كل مزرعة تقريبًا في ولاية ويسكونسن تحتوي على حظيرة حمراء وصومعة.
كشفت الفيتامينات
في أوائل القرن العشرين، شرع فريق من الباحثين في جامعة ويسكونسن في إجراء دراسة غذائية مهمة لفهم المكونات الأساسية لنظام غذائي صحي. ابتكر الفريق تجربة لإطعام مجموعات من الأبقار “أطعمة منقاة” من الحبوب المنفردة – الشوفان أو القمح أو الذرة – بحيث تلقت كل مجموعة من الحيوانات نظامًا غذائيًا متوازنًا كيميائيًا من المغذيات الكبيرة الثلاثة: البروتين والكربوهيدرات والدهون.
وكانت الأبقار التي تتغذى على الذرة تتمتع بصحة جيدة. لكن الأبقار التي تلقت نظامًا غذائيًا يعتمد على الشوفان والقمح أظهرت العمى وتوقف النمو وولادات ميتة. أخبرت هذه النتائج الباحثين أن هناك شيئًا أساسيًا في النظام الغذائي المعتمد على الذرة لم يكن موجودًا في الأنظمة الأخرى. تركت النتائج المنشورة عام 1911 أثراً كبيراً سؤال بلا إجابة: ما هو العنصر الحاسم المفقود في الأنظمة الغذائية المعتمدة على الشوفان والقمح؟
أدخل عالم الكيمياء الحيوية بجامعة ويسكونسن إلمر ماكولوم، الذي تم تعيينه للمساعدة في تحليل العينات لتجربة الأطعمة النقية. قرر متابعة هذا السؤال واستعان بمارغريت ديفيس كباحثة – في الأصل كمتطوعة غير مدفوعة الأجر – لإجراء التجارب باستخدام الفئران ككائن حي نموذجي.
بدأوا بتكرار دراسة البقرة على الفئران، مما أدى إلى نفس النتائج. بعد ذلك، بدأوا بإضافة مكونات تكميلية إلى النظامين الغذائيين الناقصين – مثل الدهون على شكل دهون الحليب، أو شحم الخنزير، أو زيت الزيتون – للعثور على ما يمكن أن يجعل النظام الغذائي متكاملاً.
نمت الفئران التي أعطيت مكملات دهون الحليب، في حين استمرت الفئران التي تناولت زيت الزيتون أو شحم الخنزير في المرض والتقزم. من الواضح أن دهون الحليب أعطت الفئران نوعًا من الفوائد الصحية. بعد ذلك، استخرج الباحثون مركبات قابلة للذوبان في الدهون من دهون الحليب وأضفوها إلى زيت الزيتون وشحم الخنزير. تبين أن الفئران التي استهلكت هذا الزيت المدعم وشحم الخنزير تتمتع بصحة جيدة مثل القوارض التي تتغذى على دهون الحليب.
نشر ديفيس وماكولوم النتائج التي توصلا إليها في عام 1913. ويعد اشتراكهما في هذه الدراسة مهمًا لأنه في ذلك الوقت، كانت النساء غالبًا ما يتم استبعادهن من الجمعيات المهنية وحرمانهن من الفضل في اكتشافاتهن. يعد عمل ديفيس في هذا المجال مجرد مثال واحد على المساهمات المهمة التي قدمتها النساء في علوم التغذية في أوائل القرن العشرين والتي لا تحظى بالتقدير في كثير من الأحيان.
في صيدلية لير في أنسونيا بولاية كونيتيكت، يقوم المالك أرنون لير بإجراء عملية بيع لعميل جاء إليه للحصول على المشورة بشأن الفيتامينات. لم يكن هذا المشهد الشائع، منذ عام 1958، ممكنًا لولا الأبحاث الرائدة حول الفيتامينات التي أجريت في CALS. تصوير جاك ستوك من أرشيف جامعة ويسكونسن ماديسون
واستمر العلماء في تسمية مركباتهم المستخرجة القابلة للذوبان في الدهون بـ “أ القابل للذوبان في الدهون”، ثم أعيدت تسميتها فيما بعد بفيتامين أ. وقد عزلوا أول فيتامين على الإطلاق.
بعد ذلك، حدد ديفيس وماكولوم الخضار الورقية كمصدر آخر لفيتامين أ. وهذا ما يفسر سبب ازدهار الأبقار والفئران التي تتغذى على الذرة: تمت معالجة حصص الذرة بالحبوب والسيقان والأوراق.
إن الطريقة البيولوجية للتحليل التي استخدمها ديفيس وماكولوم – الاستخدام المشترك للوجبات الغذائية والحيوانات – جعلت جامعة ويسكونسن رائدة في اكتشاف المعادن الغذائية الأساسية للحيوانات والبشر. وقد فتح هذا العمل الباب أمام اكتشاف الفيتامينات الأخرى، والأطعمة التي تحتوي عليها، ودورها في صحة الإنسان وتغذيته.
أدت أبحاث CALS اللاحقة في هذا المجال إلى القضاء على العديد من أمراض نقص الفيتامينات في أجزاء كثيرة من العالم. على سبيل المثال، ساهم عمل أستاذ الكيمياء الحيوية كونراد الفجيم على فيتامين ب 3 في ثلاثينيات القرن العشرين في علاج مرض البلاجرا، وهو مرض فتاك مرتبط بالتغذية وصل إلى أبعاد وبائية في الولايات المتحدة في النصف الأول من القرن العشرين. وقبل ذلك، في عام 1923، ابتكر أستاذ الكيمياء الحيوية هاري ستينبوك طريقة لتحصين الأطعمة بفيتامين د من خلال التعرض للأشعة فوق البنفسجية. ساعد هذا الابتكار في القضاء تقريبًا على مرض الكساح بحلول منتصف الأربعينيات من القرن العشرين، وأطلق تاريخًا طويلًا من الأبحاث الرائدة والمغيرة للحياة حول فيتامين د في CALS.
الوارفارين الدواء العجيب
في عام 1933، قاد إد كارلسون، وهو مزارع من دير بارك بولاية ويسكونسن، مسافة 200 ميل إلى ماديسون لمعرفة سبب قتل أبقاره. وكانوا يعانون من مرض معروف يسمى مرض البرسيم الحلو، والذي يسبب نزيفًا لا يمكن السيطرة عليه في الحيوانات وكان يمثل مشكلة مستمرة لقطعان الماشية في جميع أنحاء شمال الولايات المتحدة في ذلك الوقت. لكن السبب الجذري لهذه الحالة ظل لغزا.
كارل بول لينك (على اليمين)، أستاذ الكيمياء الزراعية (الكيمياء الحيوية الآن) يعمل في مختبر مع طالب الدراسات العليا مارك أ. ستاهمان في عام 1949. اكتشفوا مع طالب الدراسات العليا ميوشي إيكاوا ديكومارول، وهو مضاد قوي للتخثر. تصوير غاري شولز من أرشيف جامعة ويسكونسن ماديسون
بعد العثور على مكتب الطبيب البيطري التابع للولاية مغلقًا – كان ذلك يوم سبت – انتهى الأمر بكارلسون في مختبر عالم الكيمياء الحيوية بجامعة ويسكونسن ماديسون كارل بول لينك BS 1922, MS 1923, PhD 1925، وهي مصادفة غيرت مسار مهنة لينك. كان مرض البرسيم الحلو مرتبطًا بالفعل بالتبن المتعفن. بالنسبة للأبقار التعيسة التي أكلت هذا التبن السيئ، فإن دمها لن يتجلط، وسوف تنزف حتى الموت. الرابط المبين للعثور على الجاني الكيميائي. قام فريق لينك البحثي بتحديد التركيب الكيميائي ثم تصنيع المركب في عام 1940. وسرعان ما قامت مؤسسة أبحاث خريجي ويسكونسن (WARF) بتسجيل براءة اختراع لهذا الجزيء، والذي أطلق عليه العلماء اسم “ديكومارول”. في عام 1941، دخل ديكومارول في التجارب البشرية كمخفف للدم لعلاج جلطات الدم ومنع السكتات الدماغية في مستشفى ويسكونسن العام ومايو كلينك.
بعد ذلك، قام لينك وآخرون في مختبره بتوليف أكثر من 100 مركب مرتبط بنيويًا بـ di كومارول. كان لكل من هذه النظائر اختلاف طفيف في التركيب الكيميائي، ولكن جميعها أنتجت نوعًا من التأثيرات المضادة للتخثر. بدأ لينك ومعاونوه في استكشاف أي من هذه النظائر هو الأنسب للاستخدام العملي.
وفي الوقت نفسه، استمرت الأبحاث في تحديد أي من النظائر هو الأكثر أمانًا وفعالية للاستخدام كمخفف للدم لدى المرضى من البشر. وكانت النتيجة مفاجئة: فقد تبين أن النظير 42 (الوارفارين) مرة أخرى، والذي كان يعمل بشكل أفضل من الديكومارول. تمت الموافقة على نسخة قابلة للذوبان في الماء، تُعرف باسم وارفارين الصوديوم، للاستخدام البشري في عام 1954 وتم طرحها في السوق تحت الاسم التجاري كومادين.
في عام 1955، انتشرت أنباء مفادها أن الرئيس دوايت د. أيزنهاور قد أُعطي الكومادين بعد إصابته بنوبة قلبية. وقد ساهم هذا في اعتماد وشعبية الدواء. وفي وقت قصير، أصبح الوارفارين أكثر سم الفئران استخدامًا على نطاق واسع وأكثر مميعات الدم الموصوفة على نطاق واسع (الكومادين) في العالم.
في حين أن الأنواع الجديدة من مضادات التخثر اكتسبت شعبية على مدار العقد الماضي أو نحو ذلك، إلا أن الكومادين يظل أحد أكثر العلاجات شيوعًا لجلطات الدم حتى يومنا هذا. ويقدر الخبراء أن حوالي 100 مليون وصفة طبية للكومادين لا تزال تصدر على مستوى العالم كل عام.
توليف الجين الأول
اليوم، أصبح من الممكن للباحثين تقديم طلب عبر الإنترنت للحصول على شريط مخصص من الحمض النووي، مع التسليم في اليوم التالي. لذلك، قد يكون من الصعب أن نتخيل وقتًا لم نفهم فيه الشفرة الوراثية أو كيفية عمل المعلومات المشفرة في الحمض النووي (عبر messenger RNA، أو mRNA) لإنتاج البروتينات في أجسامنا.
يقوم هار جوبيند خورانا وزوجته إستر بفحص نموذج الحمض النووي. قام خورانا بتدريس الكيمياء الحيوية في جامعة ويسكونسن ماديسون من عام 1960 إلى عام 1970، وحصل على جائزة نوبل في الطب أو علم وظائف الأعضاء في عام 1968. الصورة من أرشيف جامعة ويسكونسن ماديسون
ولكن كان هذا هو الوضع في عام 1960 عندما انضم هار جوبيند خورانا إلى جامعة ويسكونسن ماديسون للعمل كمدير مشارك لمعهد أبحاث الإنزيمات وعضو هيئة التدريس في قسم الكيمياء الحيوية. أثناء وجوده في جامعة ويسكونسن، أجرى بحثًا ساعد في فك الشفرة الوراثية، وكشف عن التعليمات البيولوجية التي تخبر الخلايا الحية بما يجب أن تفعله (أي البروتينات التي يجب أن تصنعها) لأداء الوظائف الحيوية للبقاء على قيد الحياة.
كخطوة أولى، استخدم خورانا النيوكليوتيدات – اللبنات الأساسية للمادة الوراثية – لإنشاء خيوط قصيرة من الحمض النووي الريبوزي المرسال. ثم نظر إلى البروتينات المنتجة من خيوط mRNA هذه، مع التركيز على كيفية تأثير ترتيب النيوكليوتيدات المحددة على البروتينات التي يتم إنتاجها. اتضح أن الأمر كان نوعًا من التعليمات البرمجية المعلوماتية، التي تحدد نوع البروتين المتكون، وكان قادرًا على معرفة معناه. لهذا العمل، الذي اكتمل خلال فترة عمله في جامعة ويسكونسن، تقاسم خورانا جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب في عام 1968.
ومن هنا، كانت بقية اللغز واضحة نسبيًا: ينعكس نفس النوع من التعليمات البرمجية في الحمض النووي، الذي يعمل كمخزن طويل المدى للمعلومات الجينية. بينما كان لا يزال في ويسكونسن، بدأ خورانا عمله لتجميع أول جينة اصطناعية مصنوعة من الحمض النووي.
غادر ماديسون في عام 1970 للانضمام إلى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وبعد ذلك بوقت قصير، أعلن خورانا وزملاؤه أنهم قاموا بتخليق جينتين أساسيتين لبناء البروتين – أول جينات اصطناعية في العالم. لقد أحدث هذا العمل الرائد، الذي بدأ في جامعة ويسكونسن، ثورة في التكنولوجيا الحيوية. في وقت مبكر، لم يكن بإمكان الباحثين سوى صنع خيوط قصيرة من الحمض النووي، لكن العلم تقدم إلى حد اليوم حيث يمكن تجميع الجينومات بأكملها – المخطط الجيني الكامل للكائن الحي – من الصفر. تُستخدم قطع الحمض النووي المصممة خصيصًا على نطاق واسع في مختبرات الأبحاث، وقد لعبت دورًا في تطورات لا حصر لها في الأبحاث الطبية والزراعية والأساسية.
خلاصة نزلات البرد
عالمة الفيروسات آن بالمينبرج. تصوير جون مانياتشي
نزلات البرد هي أكثر مسببات الأمراض البشرية انتشارًا في الطبيعة. في عام معين، يعاني البالغون غالبا من حالتين إلى أربع حالات عدوى، في حين يمكن أن يصاب أطفال المدارس بما يصل إلى 10 حالات. وفيروسات البرد مسؤولة عن ملايين الأمراض كل عام بتكلفة سنوية تقدر بأكثر من 40 مليار دولار في الولايات المتحدة وحدها.
في عام 2009، قام فريق متعدد المؤسسات من الباحثين بقيادة آن بالمينبيرج، أستاذ الكيمياء الحيوية وأعضاء هيئة التدريس المنتسبين في معهد علم الفيروسات الجزيئية بجامعة ويسكونسن، بالإبلاغ عن تسلسل الجينوم لجميع السلالات الـ 99 المعروفة لفيروس البرد، مما يوفر لأول مرة تحليلًا وراثيًا مفصلاً. مخطط للفيروس، بما في ذلك معلومات حول هيكله وكيفية عمله. تم جمع فيروسات البرد المتسلسلة من أنوف البشر في جميع أنحاء العالم. يسلط هذا العمل الضوء على تطور الكائن الحي ونقاط ضعفه، ويكشف عن نقاط الضغط التي يمكن أن تؤدي إلى ظهور كائنات جديدة.
الأدوية المضادة للفيروسات وغيرها من الأساليب لمنع العدوى أو التوسط فيها. واصل فريق بالمنبيرج تطوير طريقة لنشر فيروس الأنف C، وهو فيروس البرد “الحلقة المفقودة” الذي تم تحديده لأول مرة في عام 2006 والذي يرتبط بالتهابات الجهاز التنفسي الحادة لدى الأطفال، وخاصة المصابين بالربو. ومكنت هذه الطريقة الفريق من تحقيق المزيد من الاكتشافات، بما في ذلك تحديد البنية ثلاثية الأبعاد للفيروس والكشف عن الببتيدات التي قد تمنعه من التسبب في المرض.
على مر السنين، أدت أبحاث بالمنبرغ في الجينوم الفيروسي والبنية الفيزيائية إلى إنشاء مضادات فيروسات جديدة، ولقاحات، وكواشف بحثية عالية الطلب تستخدم في آلاف المختبرات حول العالم.
وإدراكًا لتأثير عملها، تم اختيارها في عام 2020 كزميلة في الأكاديمية الوطنية للمخترعين، وهو شرف يُكرّم المبتكرين الذين أحدثوا تأثيرًا على جودة الحياة والتنمية الاقتصادية ورفاهية المجتمع.
قاد بالمينبيرج فريقًا متعدد المؤسسات من الباحثين الذين تمكنوا من فك رموز التسلسل الجيني الكامل لجميع السلالات الـ 99 المعروفة في العالم من فيروسات الأنف البشرية، وهي الفيروسات المسؤولة عن نزلات البرد. هنا، يتم تركيب جسيم الفيروس الأنفي بدقة ذرية فوق تمثيل لجزيء الحمض النووي الريبي (RNA) الذي يشفر جينوم الفيروس. الصورة مقدمة من آن بالمينبرج، وجان إيف سجرو، وإتش. آدم شتاينبرج
المضي قدمًا إلى الـ 175 عامًا القادمة
تعتبر المعالم البارزة وقتًا رائعًا للتأمل في الماضي، وكذلك لرسم مسار للمستقبل. يتطلع أعضاء هيئة التدريس والموظفون والطلاب في CALS اليوم إلى الاكتشافات التالية عالية التأثير التي ستضع المجتمع في وضع أفضل لغد أفضل.
في الخريف الماضي، استضاف قادة CALS “جلستين للرؤية” ركزتا على أولويات البحث. جمعت هذه المناقشات التفاعلية مجتمع الكلية لتحديد مجالات البحث التي تتمتع فيها CALS بموقع استراتيجي لحل التحديات الكبرى. على وجه الخصوص، طُلب من المشاركين النظر في المجالات الواسعة للزراعة المستدامة وعلوم الحياة، ثم تحديد المكان الذي يوجد فيه بالكلية فرق متعددة التخصصات يمكنها العمل على حل بعض المشكلات الرئيسية في العالم.
تقول عميدة كلية كاليفورنيا لعلوم الحياة جليندا جيلاسبي، “لقد عقدنا هذه الجلسات للمساعدة في إعلام التوظيف الاستراتيجي للكلية، واستثماراتنا في البنية التحتية، وجهودنا في جمع التبرعات”. “لقد حظينا بمشاركة كبيرة خلال الجلستين وتلقينا الكثير من الأفكار المبتكرة لأولويات البحث. وتحدثنا أيضًا عن [المساحات التي نحتاجها] لمساعدتنا في تحسين تأثير أبحاثنا.”
وفي مجال الزراعة المستدامة، حددت هذه المناقشات ثلاثة مجالات للتركيز: إزالة الكربون من أنظمة إنتاج الغذاء؛ وإنشاء أنظمة لاستدامة المياه؛ وتطوير النظم الزراعية المبتكرة. وفي علوم الحياة، تتمحور نقاط القوة المحددة حول صحة الإنسان: تغذية العالم من خلال البيولوجيا التركيبية؛ تعزيز الشيخوخة الصحية من خلال ميكروبيوم الأمعاء والتغذية؛ والوقاية من الأمراض المنقولة بالنواقل.
تغرب الشمس فوق Walnut Street Greenhouses، وهي منشأة بحثية تابعة لـ CALS. تصوير مايكل ب. كينغ
وفي وقت سابق من عام 2023، أكملت الكلية المخطط الرئيسي للمرافق، والذي يتضمن تحليلاً للبنية التحتية الحالية والإرشادات للمستقبل. وتوصي الخطة بتعزيز مساحة البحث، بما في ذلك بناء مرافق بحثية جديدة متعددة التخصصات.
يقول جيلاسبي: “سنقوم ببناء مبانٍ كبيرة تستوعب أقسامًا متعددة، ومصممة لتعزيز البحث والاكتشاف متعدد التخصصات”. “سيكون مظهرًا جديدًا لـ CALS، شيئًا مختلفًا. إنه طريق المستقبل.”
لا يتوفر وصف للصورة.

زر الذهاب إلى الأعلى