علوم وتكلنولوجيا وفضاء

شكل يسمى أبو الهول يمكن أن يفسر استخدام إحدى اليدين في علم الأحياء

مصر:إيهاب محمد زايد

من حلزون شريط الحمض النووي إلى ترتيبات وحدات بناء البروتين، غالبًا ما تتبع التقلبات والدوامات في الكيمياء الحيوية اتجاهًا ثابتًا بشكل مدهش لليسار واليمين المعروف باسم عدم التناظر.

قد تساعدنا دراسة حديثة تتضمن فسيفساء شكل بسيط يعتمد على المثلثات على فهم أفضل لسبب تفضيل علم الأحياء لاتجاه واحد على الآخر.
يُظهر التحقيق الذي أجراه فريق صغير من الباحثين من الولايات المتحدة وألمانيا، كيف يمكن أن يكون مزيج من الهندسة والفيزياء الأساسية وراء بعض أنماط الحياة الأكثر إثارة للاهتمام.
يقول جريج هوبر، عالم الفيزياء الحيوية في Biohub تشان زوكربيرج: “لا ينبغي للكون أن يفضل تفضيلًا على آخر، ولكن على نطاق تلو الآخر، تظهر التفضيلات اللامركزية”. “يمكن أن تكون Chirality غامضة للغاية.”
كما هو الحال مع رفع راحتي اليدين للأعلى، لا يمكن للنسخة المعكوسة من الجزيئات اللولبية أن تصطف بشكل مثالي فوق بعضها البعض بغض النظر عن كيفية تدويرها. لذلك، في حين أن الجزيئات اليسرى واليمنى تبدو متطابقة تقريبًا، إلا أنها يمكن أن يكون لها تأثيرات مختلفة جذريًا على العالم الحقيقي. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي استخدام النسخة المعكوسة من الجزيء في الدواء إلى ضرر أكثر مما يساعد.
ليست الجزيئات العضوية فقط هي التي يمكن أن يكون لها اتجاه أيضًا. يمكن أن تكون المعادن مراوانية عندما يتم تركيبها في الأنظمة البيولوجية. إن قشرة كربونات الكالسيوم الحلزونية الشكل والمعادن الموجودة في عظامنا هما مجرد مثالين.
ولكن كيف تشكل هذه المعادن ذرة بعد ذرة إلى أشكال بلورية لامركزية هو ببساطة فضول آخر من فضول اللامركزية.
لفهم ظهور اللامركزية بشكل أفضل، خاصة في الفضاء المزدحم للنظام البيولوجي، تحول هوبر وزملاؤه إلى الشكل اللولبي ثنائي الأبعاد الأساسي المشتق من سلسلة من المثلثات: وهو شكل غير متماثل يُطلق عليه اسم أبو الهول.
استخدم هوبر وفريقه نماذج حاسوبية لاختبار استخدام اليد اليسرى واليمنى في محاذاة بلاطات أبي الهول، وقاموا بتوزيعها بأعداد واتجاهات مختلفة. كما أوضح الباحثون في ورقتهم البحثية، فقد أرادوا “استكشاف الميكانيكا الإحصائية وكشف الطبيعة اللولبية المتأصلة في مجموعات من البلاطات اللولبية المكتظة بكثافة والتي تخضع لحدود مكانية محدودة”.
نظرًا لكونها غير متماثلة، يمكن أن تتلاءم بلاطات أبو الهول معًا بعدة طرق مختلفة، مقارنةً بشيء بسيط مثل المربع. على سبيل المثال، يمكن دمج قطعتين فقط من قطع أبو الهول بأكثر من 45 طريقة مختلفة لتكوين زوج، في حين يمكن لمربعين أن يتم دمجهما معًا في اتجاه واحد فقط.
مع زيادة عدد تماثيل أبي الهول في النمط، فإنها تتحد بطرق فائقة الأسية، مما يتيح للباحثين الوصول إلى نظام عشوائي كبير من الناحية النظرية للعمل معه.
قام هوبر وزملاؤه بتصميم نموذج للتفاعلات بين تماثيل أبي الهول اللولبية في ظل ظروف الطاقة العالية والمنخفضة، المشابهة لدرجة الحرارة. في الأنظمة ذات درجات الحرارة المرتفعة، لم تتح لأبو الهول اللولبي فرصة للتفاعل، حيث كانوا يتدافعون في مكانهم وينتهي بهم الأمر بتكوين نمط مختلط.
مع انخفاض درجات الحرارة، أصبحت التفاعلات أكثر انتظامًا وتجمعت تماثيل أبي الهول من نفس الشكل معًا لتشكل مجموعات يمكنك رؤيتها في الرسم البياني أعلاه.
ومع ذلك، فمن المثير للدهشة أنه في الأنظمة ذات درجة الحرارة المرتفعة المقيدة بحدود خارجية متناظرة – مثل التواجد في غرفة مزدحمة – تميل تماثيل أبي الهول ذات نفس اللامركزية إلى التجمع معًا أيضًا، كما هو موضح في الرسم البياني أدناه.
الماس مجزأ إلى مثلثات ملونة بظلال متفاوتة من اللون الأحمر والأزرق
حتى في مثل هذا النموذج الأساسي المبسط من اللامركزية، تُظهر النمذجة أن الأنماط يمكن أن تنشأ من الفوضى، وأن الجزيئات المتشابهة تبدو وكأنها تنجذب نحو المتشابه.
إن اكتشاف أي قواعد وراء هذه الأنماط الهندسية يمكن أن يساعد الباحثين في العديد من مجالات العلوم، وربما فهم بنية الغلاف الخارجي للفيروسات أو كيف يمكن للمغناطيسية أن تطلق سلسلة من التفاعلات التي أعطت الحياة في النهاية عدم تناسقها الجزيئي.

تم نشر هذا البحث في مجلة Physical Review Research.

زر الذهاب إلى الأعلى