البحث عن موطن نيمو

الحقيقة الفعلية للروائح

على خلاف حاستَي البصر والسمع لدَينا اللتَين تلتقطان المعلوماتِ بطريقةٍ غير مباشرة عبر الموجات الكهرومغناطيسية أو الموجات الصوتية التي تُحمل إلينا من الأجسام، فإن حاستَي التذوُّق والشم تتلقَّيان المعلومات مباشرةً بالاحتكاك بالجسم المُكتشَف (الجزيء) وتوصل رسائل «من واقع مادي». يبدو أن كِلتَيهما تعملان عبر مبادئَ متشابهةٍ إلى حدٍّ ما. فالجزيئات التي تكتشفها إما أنها مُتحللةٌ في اللعاب أو طافية في الهواء، وتلتقطها بعد ذلك المستقبلاتُ التي في اللسان (في حالة حاسَّة التذوق) أو التي في ظهارة الشم في سقف تجويف الأنف (في حالة حاسَّة الشم). تلك الحاجة إلى التطاير تعني أن معظم الموادِّ ذاتِ الروائح عبارةٌ عن جزيئات صغيرة نسبيًّا.

شكل ٥-١: تشريح حاسَّة الشم.

يتوفر الليمونين بكثرة — كما يوحي اسمُه — في الفواكه الحمضية مثل البرتقال والليمون وهو المسئول بصورةٍ كبيرة عن نكهتها ورائحتها اللاذعة. تنتمي تلك المادةُ الكيميائية إلى فئة مُركَّباتٍ تُعرف باسم «التربينات»، وهي المكونات المسئولة عن الرائحة في الزيوت الأساسية للعديد من النباتات والزهور، ما يُولِّد الروائحَ الغنية لأشجار الصَّنَوبر والزهور والعنب ونباتات الجُنْجُل. لذا، يمكنك تبديل البرتقالة بكأسٍ من الجِعَة أو النبيذ إذا أحببت. تُفرَز هذه المادةُ الكيميائية في العديد من أجزاء النبات الحمضي، بما في ذلك أوراقه، ولكنها تتوفَّر بكثرةٍ في قشرةِ ثمرته، التي يمكن عصرُها لاستخراج ليمونين نقي تقريبًا منها.

الليمونين سائلٌ متطاير يتبخَّر تدريجيًّا في درجة حرارة الغرفة، ومن ثم ستُطلق البرتقالة ملايينَ الجزيئات من الليمونين في هواء المكان. ستتطاير معظمُ تلك الجزيئات في الغرفة وستخرج من الباب والنوافذ، ولكن ستحمل تياراتِ الهواء القليل منها بالقرب من أنفك. في عملية الشهيق التالية، ستستنشق عدةَ لتراتٍ من هذا الهواء المحمَّل بجزيئات المواد ذاتِ الرائحة، التي ستمرُّ من فتحتَي الأنف إلى ظهارة الأنف المبطَّنة بما يُقارب عشَرةَ ملايينِ خليةٍ عصبية شمية.

بالطبع الحدث الرئيسي في تلك العملية برمَّتها هو التقاطُ جزيء الرائحة من خلال الخلية العصبية الشمية. إذن، كيف يجري ذلك؟ بالقياس مع حاسة البصر وخلايا المخاريط والنبابيت الحساسة تجاه الضوء الخاصة بالعين (التي تعد أيضًا أنواعًا من الخلايا العصبية)، كان من المتوقع أن تعمل حاسة الشم بالمثل من خلال نوعٍ من المستقبلات الشمية الموجودة على السطح. ولكن في سبعينيَّات القرن العشرين، لم تكن طبيعة المستقبلات الشمية وهُويتها معروفة تمامًا.

وُلد ريتشارد أكسل في بروكلين بنيويورك عام ١٩٤٨، وهو أول طفل لأبوين مهاجرَين فرَّا من بولندا قبل الغزو النازي. كانت طفولته عادية تُشبه طفولة أبناء منطقته السكنية؛ إذ كان يؤدي مَهامَّ لوالده الخياطِ بين مباريات كرة العصا (وهو نوع من البيسبول الذي يُلعَب في الشارع حيث تكون أغطيةُ غرف التفتيش بمنزلة القواعد، وعصا المكنسة بمنزلة المَضرِب) أو كرة السلة في طرقات الحي وساحاته. كانت أول وظيفة يعمل بها، لما بلغ الحادية عشرة من عمره، ساعيًا يوصل الأسنانَ الاصطناعية إلى أطباء الأسنان، وفي عمر الثانية عشرة، عمل في فَرْش السجَّاد، وفي عمر الثالثة عشرة، عمل في تقديم اللحم البقري المحفوظ والبسطرمة في متجرٍ مَحلي. كان الطاهي في المتجر روسيًّا، وكان يترنَّم بأعمال شكسبير وهو يقطع رءوس الكرنب، ومن ثَم قدَّم لريتشارد الشابِّ أولَ معرفة حقيقية بعالم الثقافة، بعيدًا عن ساحات أماكن تقديم الوجبات الجاهزة، ولعب كرة السلة، وكان مصدرَ إلهام لحبٍّ حقيقي ودائمٍ للأدب العظيم. مواهب أكسل الفكرية اكتشفها مُدرس ثانوي في منطقته، وشجعه للتقدم من أجل الحصول على منحةٍ بجامعة كولومبيا بنيويورك لدراسة الأدب، وهو الأمر الذي نجح فيه.

لما كان أكسل في السنة الأولى من الجامعة، ألقى بنفسه في الدوَّامة الفكرية للحياة الجامعية في ستينيَّات القرن العشرين. ولكن كي يدعم أسلوبَ حياته الصاخب، عمل في غَسْل الأواني في مُختبر لعلم الوراثة الجزيئي. وهناك، أصبح مفتونًا بهذا العلم الناشئ، لكنه ظلَّ غيرَ متمكِّن من إجادة غسل الأواني؛ لذلك فُصل من هذه الوظيفة وأعيد تعيينه مساعدَ باحث. ورغم أنه كان ممزقًا ما بين عالَمَي الأدب والعلم، فقد قرَّر في النهاية أن يُسجِّل في دورةٍ عن علم الوراثة، خاصةٍ بطلبة الدراسات العليا، لكنه تحوَّل إلى دراسة الطب كي يهرب من التجنيد في فيتنام. كان واضحًا فشلُه في الطب كما فشل في غسل الأواني. إذ لم يسمع خفقاتِ أيِّ قلب ولم يرَ أيَّ شبَكيةِ عينٍ مطلقًا؛ وسقطَت نظارته مرةً في شقٍّ في بطنِ مريض، وقد خاط حتى إصبعَ جراح في مريضه. في النهاية، لم يُسمح له بالتخرُّج إلا بشرطٍ واحد؛ وهو أن يقطع وعدًا بعدم ممارسة الطب على المرضى الأحياء. عاد إلى جامعة كولومبيا لدراسة علم الأمراض، ولكن بعد عامٍ من الدراسة أصرَّ رئيسُ القسم على أنه لا ينبغي له أن يُمارس الطب على الأموات أيضًا.

لمَّا أدرك أكسل أن الطبَّ يفوق قدراته، عاد في النهاية إلى البحث في جامعة كولومبيا. بعد ذلك، أحرز تقدمًا سريعًا حتى إنه اخترع تقنيةً جديدة لغرس حمضٍ نووي غريب داخل خلايا الثدييات، التي أصبحَت عمادَ ثورة الهندسة الوراثية/التكنولوجيا الحيوية في أواخر القرن العشرين، وأكسبَت جامعةَ كولومبيا دخلًا بمئات الملايين من الدولارات من اتفاقيَّات الترخيص؛ مما يُعد عائدًا كبيرًا على الاستثمار في المنحة التي قدَّمَتها له.

ولكن سواءٌ كان هناك ثلاثمائة أو ألف جينٍ مُستقبل، فهذا بعيدٌ جدًّا عن رقم عشَرة آلاف رائحة مختلفة التي يمكن للبشر التعرفُ عليها. من الواضح أنه لم يكن هناك تخطيطٌ فردي بين أنواعِ مستقبلات الرائحة وأنواع الروائح؛ لذا فإن كيفية تحويل الإشارات التي تتلقَّاها المستقبلات الشمِّية إلى روائحَ ظلَّت لغزًا. كما أنه لم يكن واضحًا كيف جرى تقاسمُ مهمة اكتشاف كلِّ أنواع جزيئات الرائحة المتنوعة بين الخلايا المختلفة. يحتوي جينوم كلِّ خلية على المجموعة الكاملة من جينات المستقبلات الشمية؛ ومن ثَم ربما يمكنه اكتشافُ كل أنواع الروائح. أم هل هناك نوعٌ من تقسيم العمل؟ للإجابة على هذا السؤال، اخترع فريقُ جامعة كولومبيا تجرِبةً مبتكَرة أكثر. عدَّلوا الفئران وراثيًّا بحيث أصبحَت جميعُ الخلايا العصبية الشمية التي تُعبِّر عن مستقبِلِ رائحةٍ معيَّنٍ مصبوغةً باللون الأزرق. إذا كانت كلُّ الخلايا مصبوغةً بالأزرق، فهذا سيُشير إلى أنها جميعًا تُعبر عن هذا المستقبِل. اتضحَت الإجابة عندما فحص الفريقُ الخلايا الشميةَ لدى الفئران المعدَّلة وراثيًّا: نحو واحدة من كلِّ ألف خلية كانت مصبوغةً باللون الأزرق. بدا أن كل خلية عصبية شمية لم تكن خليةً عامة، بل كانت خليةً متخصِّصة.

لم يمرَّ وقتٌ طويل حتى انتقلَت ليندا باك من جامعة كولومبيا كي تُجهز مختبَرها في جامعة هارفارد، واستمرَّت المجموعتان في العمل بالتوازي إحداهما مع الأخرى؛ لدراسة العديد مما تبقَّى من أسرار عملية الشم. وسرعان ما ابتكَرتا تقنياتٍ لعزل الخلايا العصبية الشمية الفردية والاستكشاف المباشر لحساسيتها تجاه موادَّ معينةٍ ذاتِ روائح؛ مثل ليمونين البرتقال. واكتشَفتا أن كلَّ مادة كيميائية ذات رائحة لم تُنشط خليةً عصبية واحدة، بل عدةَ خلايا عصبية، واكتشفتا أيضًا أن هذه الخلايا العصبية الفردية تستجيب لعدة موادَّ ذات رائحة مختلفة. بدا أن هذه النتائج تحلُّ اللغز الخاص بكيف لثلاثِمائة مستقبِلٍ شميٍّ فقط أن تتعرف على عشَرة آلاف رائحة مختلفة. ومثلما يمكن كتابةُ عددٍ لا حصر له من الكلمات باستخدام الحروف المتاحة في أي لغة، فإنه يمكن تنشيطُ بعض المستقبلات الشمية التي يصل عددُها إلى بِضع مئاتٍ بعدد لا حصر له من التوافيق المختلفة؛ مما يجعلها تُميز بين مجموعةٍ كبيرة من الروائح.

حصل ريتشارد أكسل وليندا باك على جائزة نوبل عام ٢٠٠٤ على اكتشافاتهما المبتكَرة عن «مستقبلات المواد ذات الرائحة وتنظيم جهاز الشم».

محاولات حلِّ اللغز الرئيسي لعملية الشَّم

أصبح معروفًا الآن أن أولَ حدثٍ في اكتشاف رائحةٍ ما، مثل رائحة البرتقالة أو الشعبة المرجانية أو الوليف أو الحيوان المفترِس أو الفريسة، هو الربط بين جُزيءٍ واحد من المادة ذات الرائحة ومستقبِل شمِّي واحد على سطح نهاية الفرشاة لإحدى الخلايا العصبية الشمية التي تُشبه المكنسة. لكن كيف يتعرف كلُّ مستقبِلٍ على مجموعةِ جزيئات الموادِّ ذات الرائحة المنوطة به، مثل الليمونين، ولا يلتقط أيَّ جزيئات أخرى من هذا الكم الهائل من المواد الكيميائية ذات الروائح المحتملة الأخرى التي قد تمرُّ بالظهارة الشمية ويربطها بأحد المستقبِلات؟

هذا هو اللغز المركزي في عملية الشم.

يعتمد التفسير التقليدي على ما يُعرف بآليَّة القُفل والمفتاح. يُعتقد أن جزيئات الروائح تتناسبُ مع مُستقبلات الشمِّ وكأنها مِفتاحٌ في فتحة قُفل. على سبيل المثال، يُعتقد أن جزيء الليمونين يرتبط بأريحيةٍ بمستقبِلٍ شمي متخصص خاصٍّ باستقباله. وبطريقةٍ ما، وبعملية لا تزال غيرَ واضحة، كان يُعتقد أن حدث الربط هذا يفتح قُفل المستقبل، ويُنشط إطلاقَ بروتين يُسمى بروتين جي، وهو عادةً ما يعْلَق بالسطح الداخلي للمستقبِل وكأنه قذيفةٌ مغروزة في جسم سفينة. وبمجرد أن يُطلَق البروتينُ إلى الخلية، فإنه يشقُّ طريقه إلى غشاء الخلية حيث يفتح قناةً تسمح للجزيئات المشحونة كهربيًّا أن تتدفَّق إلى داخل الخلية. هذا التيار الكهربي المُتدفِّق من الغشاء يُحفز تنشيط الخلية العصبية (وهو أمرٌ سنعرض المزيدَ من التفاصيل عنه في الفصل التاسع) ويرسل إشارةً عصبية تتحرك من الظهارة الشمية إلى الدماغ.

تقترح آليةُ القفل والمفتاح أن جزيئات المستقبِلات تتشابه في الشكل مع جزيئات الروائح التي ترتبط بها. لنضرب مثالًا بسيطًا بأحاجي تَطابق الأشكال التي يستمتع بها الأطفالُ الصغار، التي ينبغي فيها أن يتطابق كلُّ مكعبٍ يتخذ شكلًا معيَّنًا (ولنقُلْ دائرةً أو مربعًا أو مثلثًا) داخل لوح خشبي مع الشكل المكمِّل المقابِل له. يمكن أن ننظر إلى كل جزيء رائحة باعتباره أحدَ هذه المُكعبات — بحيث يمكن أن تتَّخِذ إحدى المواد التي لها رائحةُ البرتقال مثل الليمونين شكلَ الدائرة، والأخرى التي لها رائحة التفاح شكلَ المربع، والثالثة التي لها رائحة الموز شكلَ المثلث. عندئذٍ، يُمكننا أن نتخيَّل كلَّ مستقبِلٍ شمي وكأنه يمتلك «جيبًا لربط المادة ذات الرائحة» مُقولَبًا بالشكل المثاليِّ بحيث يتناسب داخلَه جزيءُ تلك المادةِ تناسبًا متقنًا.

وعلى أي حال، فالتوقُّع الواضح الخاص بنظرية الشكل هو أنه لا بد من وجود نوعٍ من التناسُب بين الشكل الجزيئي للمادة ذات الرائحة ورائحتها؛ بمعنى أن جزيئات الموادِّ المتماثِلة الشكل ينبغي أن تتشابهَ في رائحتها، وأن الجزيئات المختلفةَ الشكلِ للغاية من المُرجَّح أن تكون لها رائحةٌ مختلفة تمامًا.

شكل ٥-٢: الجزيئات من «أ» إلى «د» لها أشكالٌ مختلفة جدًّا ولكن رائحتها متشابهةٌ إلى حدٍّ كبير. أما الجزيئان «ﻫ» و«و» فلهما شكلان مُتطابقان تقريبًا ولكن لهما رائحة مختلفة تمامًا.

في عشرينيَّات القرن العشرين وقتَ أنْ طرح دايسون هذا الزعم لأول مرة، لم يكن لدى أحدٍ أيُّ فكرة عن طريقة اكتشاف الاهتزازات الجزيئية. لكن في رحلةٍ إلى أوروبا في أوائل عشرينيَّات القرن العشرين، انبهر عالمُ الفيزياء الهنديُّ تشاندراشيخارا فينكاتا رامان ﺑ «البريق الأزرق الرائع للبحر الأبيض المتوسط»، وتكهَّن بأن «الظاهرة في أصلها تعود إلى تشتُّت الضوء بفعل جزيئات المياه». غالبًا، عندما يرتدُّ الضوء عن ذرة أو جزيء، فعادةً ما يرتدُّ عنها «بطريقةٍ مَرنة»؛ أي: من دون أن يفقد أيَّ طاقة، مثلما ترتدُّ الكرة المطاطية عندما ترتطم بسطح صُلب. يقترح رامان أنه في حالاتٍ نادرة يمكن أن يتشتَّت الضوء «بطريقة غير مرنة»، وكأنه كرة صلبة ارتطمَت بمضربٍ خشبي ونقلَت قدرًا من طاقتها إلى المضرب وإلى ضارب الكرة (تخيَّل الأرنب باجز باني وهو يضرب كرة بيسبول سريعةً بقوة، لدرجة أن يهتزَّ هو والمضرب). في التشتت غير المرن، تفقد الفوتونات طاقتَها بالطريقة نفسِها لصالح الروابط الجزيئية التي ترتطم بها مما يُسبب اهتزازَها، وعندئذٍ يظهر الضوء المُشتَّت بطاقةٍ أقل. يؤدي انخفاضُ طاقة الضوء إلى انخفاض تردُّده ويُحول لونه تجاه الطرف الأزرق من الطيف، ما جعل رامان يستمتع ﺑ «البريق الأزرق الرائع».

يستخدم علماء الكيمياء هذا المبدأ لفحص البِنْية الجزيئية. على نحوٍ أساسي، يُسلَّط الضوء على عينةٍ كيميائية والاختلاف في اللون أو التردُّد (ومن ثم الطاقة) بين الضوء الداخل والضوء الخارج يُسجَّل باعتباره «طيف رامان» لمادة كيميائية معيَّنة، مما يوفر نوعًا من البصمة لروابطها الكيميائية. يحمل الأسلوب اسمَ مخترعه — تحليل رامان الطيفي — وقد حاز جائزة نوبل لاختراعه إيَّاه. وعندما سمع دايسون عن عمل رامان، رأى أن هذا العمل يمكن أن يُوفِّر آليةً يمكن أن يستخدمها الأنفُ لاختبار الاهتزازات الجزيئية لجزيئات الرائحة. اقترح أن الأنف «يمكن أن يكون أداةَ تحليل طيفي» قادرةً على اكتشاف التردُّدات التي تهتزُّ عندها الروابطُ الكيميائية المختلفة. حتى إنه حدَّد التردُّدات الشائعة في أطياف رامان للمركبات التي ترتبط بروائحها. على سبيل المثال، كل «مركَّبات المرْكَبْتان» (وهي مركبات تحتوي على رابطةٍ طرَفية من الكبريت والهيدروجين) تتشاركُ ذروةً محددة من أطياف رامان يتراوح تردُّدها بين ٢٥٦٧ و٢٥٨٠. وكلها رائحتها كرائحة البيض المتعفِّن.

على الأقل فسَّرَت نظريةُ دايسون الطبيعةَ التحليلية للروائح، ولكن ليس لدى أحدٍ أدنى فكرة عن كيف يمكن للأنف أن يستخدِم شيئًا مثلَ تحليل رامان الطيفي كي يشمَّ الروائح. ففي النهاية، لن يَلزم تجميعُ الضوء المشتَّت وتحليلُه باستخدام أداة تحليل طيفي بيولوجي فحسب، بل سيلزم أن يكون هناك مصدرُ ضوءٍ في المقام الأول.

شكل ٥-٣: الليمونين (أ) والدايبنتين (ب) جزيئان متطابقان، ولكن لهما رائحةٌ مختلفة. لا يختلف الجزيئان إلا في اتجاه المجموعة الكيميائية السُّفلى التي يُمثلها السهمُ الذي يشير إلى أسفل الصفحة (الرابطة التي تُشير إلى الأسفل) في الليمونين، والسهم الذي يُشير إلى أعلى الصفحة (الرابطة التي تُشير إلى الأعلى) في الدايبنتين. بالطبع يمكن قلبُ جزيء الدايبنتين بحيث تُشير مجموعته الكيميائية إلى أسفل الصفحة مثل الليمونين، ولكن حينَها ستلتفُّ رابطتُه المزدوجة إلى جهة اليسار بدلًا من جهة اليمين، ومن ثم ستظلُّ رائحته مختلفة. الجزيئان يُشبهان فردتي القفاز اليمنى واليسرى.

شكل ٥-٤: الجزيئات المُكونة من الأجزاء الكيميائية الأساسية نفسها — مثل الفانيلين والأيزوفانيلين المذكورتَين هنا — يمكن أن تكون لها، مع ذلك، روائحُ مختلفة للغاية.

الشم بأنفٍ كمي

إن عملية التعرُّف على الشكل سهلةُ الفهم بنحوٍ بديهي؛ فكثيرًا ما نتعامل مع تكامليةِ الشكل في كل مرةٍ نرتدي فيها قُفازًا أو نلفُّ مِفتاحًا في قُفل، أو نستخدِم مِفتاحًا لربطِ صامولة. الإنزيمات (التي تناوَلْناها في الفصل الثالث) والأجسام المضادَّة ومستقبلات الهرمونات وغيرها من الجزيئات الحيوية معروف أيضًا أنها تتفاعل على نحوٍ أساسي عبر الترتيب الهندسي لذرَّاتها وجزيئاتها؛ إذن لا عجَب في أن تَلقى نظريةُ الشكل الخاصة بعملية الشم دعمًا كبيرًا من الكثير من علماء الأحياء، بما في ذلك العالمان الحاصلان على جائزة نوبل عن مُستقبلات الشمِّ ريتشارد أكسل وليندا باك.

الاتصال عبر الاهتزازات مألوفٌ بدرجةٍ أقلَّ بكثيرٍ لدى الإنسان، على الرغم من حقيقة أنه أساسيٌّ في حاستَين على الأقل وهما البصر والسمع. لكن في حين أن الجانب الفيزيائي للطريقة التي تكتشِف بها العينُ تردُّد الاهتزازات الخاص بالضوء وتُسجل بها الأذن تردُّدَ الاهتزازات الخاص بالهواء مفهومة تمامًا، فلم يكن لدى أحدٍ أيُّ فكرة — حتى وقت قريب — عن الطريقة التي يمكن أن يستخدمها الأنفُ لاكتشاف ترددِ أي اهتزازٍ جزيئي.

لعلك تتذكَّر من الفصل الأول أنَّ النفق الكميَّ هو الخاصية الميكانيكية الكمية الغريبة التي تنشأ عن قدرة الجسيمات مثل الإلكترونات أو البروتونات على التصرف مثل موجات احتمال قادرة على التسرُّب عبر الحواجز التي لا يمكن اختراقُها عبر أي مسارٍ تقليدي. واكتشفْنا في الفصل الثالث كيف أن لها دورًا بالغَ الأهمية في العديد من التفاعلات الخاصة بالإنزيمات. وبينما كان تورين حائرًا بشأن سرِّ الرائحة، وقَعَت يدُه على ورقةٍ بحثية تصف تقنيةً كيميائية تحليلية جديدة تُسمَّى «التحليل الطيفي لنفَق الإلكترونات غير المرن». في هذه التقنية، يوضع لوحان معدِنيَّان على مسافةٍ قريبة بشدةٍ أحدهما من الآخَر، وتفصل بينهما فجوةٌ صغيرة. إذا وُصل جهدٌ كهربي بين اللوحَين، فستتجمَّع الإلكترونات على أحد اللوحَين، ومن ثم تُصبح شحنته سالبة (المانح) وسيُصادف قوةً جاذبة من اللوح الآخَر ذي الشحنة الموجبة (المستقبِل). عند النظر في الأمر على نحوٍ كلاسيكي، نجد أن الإلكترونات تفتقر إلى الطاقة كي تقفز وتعبُر الفجوة العازلة بين اللوحَين؛ ولكن الإلكترونات أجسامٌ كمية وإذا كانت الفجوة صغيرة بالدرجة الكافية، فيُمكنها عملُ نفقٍ كمي والعبور من اللوح المانح إلى اللوح المستقبِل. تُسمَّى هذه العملية بالنفق المرن؛ لأن الإلكترونات لا تكتسب أو تفقد طاقةً في أثنائها.

لكنَّ هناك شرطًا إضافيًّا بالغَ الأهمية وهو أن الإلكترون لا يستطيع أن يشقَّ نفقًا بطريقةٍ مرنةٍ مِن الموقع المانح إلى موقع المستقبِل إلا إذا كانت هناك فتحةٌ فارغة متوفرة له بالطاقة نفسِها بالضبط. فإذا كانت أقربُ فتحة متاحةٍ في الموقع المستقبِل ذاتَ طاقةٍ أقل، فلا بد للإلكترون أن يفقد قدرًا من طاقته للقفز. تُسمَّى هذه العملية النفَقَ غيرَ المرن. لكن ينبغي أن تنتقل الطاقةُ المفقودة إلى مكانٍ ما، وإلا فلن يتمكَّن الإلكترون من شقِّ النفق. إذا وُضعت مادة كيميائية في الفجوة بين اللوحَين، فبإمكان الإلكترون أن يشقَّ النفق طالما أن بإمكانه منْحَ طاقته الزائدة للمادة الكيميائية هذه، وهو الأمر الذي بإمكانه فِعله ما دامت الجزيئاتُ في الفجوة تحتوي على روابطَ قادرةٍ على الاهتزاز بالتردُّد المناسب، المُناظِر لذلك الخاص بالطاقة المفقودة. بمجرَّد تمرير الطاقة الزائدة بتلك الطريقة، تصلُ الإلكترونات المنتقلة عبر النفق «غير المَرِن» إلى اللوح المستقبل بطاقةٍ أقلَّ قليلًا، وبتحليلِ فروق الطاقة بين الإلكترونات التي غادرَت الموقع المانح والإلكترونات التي وصلتْ إلى الموقع المستقبِل، تستكشف تقنيةُ التحليل الطيفي لنفق الإلكترونات غير المرن طبيعةَ الروابط الجزيئية لأيِّ مادة كيميائية.

وبالعودة إلى مثالنا الموسيقيِّ، إذا كنتَ قد جرَّبتَ في حياتك من قبلُ أن تعزف على آلةٍ موسيقية ذاتِ أوتار، فستعلم أنه يمكن الحصول على نغمةٍ من أحد الأوتار من دون حتى لمسِه؛ وذلك عن طريق الرنين. في الحقيقة، يمكن استخدام تلك الخدعة لضبط الجيتار. إذا طويتَ قصاصةً صغيرة من ورقٍ خفيف للغاية فوق أحد الأوتار، ثم ضربتَ النغمة التي تُريدها على وترٍ مجاور له، فربما تتسبَّب في إسقاط قصاصة الورق من دون حتى أن تلمس الوتر على الإطلاق. السبب في ذلك أنه بمجرد القيام بالضبط على النحو الصحيح، فإن الوتر المضروبَ يهزُّ الهواء، والهواء المُهتز يُمرر الاهتزاز إلى الوتر غير المضروب، ما يجعله يهتزُّ على نحوٍ يتوافق مع اهتزاز الوتر المضروب. في تقنية التحليل الطيفي لنفق الإلكترونات غير المرن، لا يندفع الإلكترون من الموقع المانح إلا إذا كانت المادة الكيميائية بين اللوحَين لها رابطةٌ مضبوطة على نحوٍ مُماثل على التردُّد الصحيح بحيث يُمكنه القيام بعملية القفز. وفعليًّا، يفقد الإلكترون الذي يقطع النفقَ بعضَ طاقته عن طريقِ فقدِ رابطةٍ جزيئية في رحلته الكمية عبر اللوحين.

اقترح تورين أن المُستقبِلات الشمِّية تعمل بطريقةٍ مماثلة، ولكن مع استبدال جزيءٍ واحد، ألا وهو المستقبِل الشمي، بلوحَي التقنية والفجوة. لقد تصوَّر إلكترونًا يُوجَد أولًا في «موقعٍ مانح» في الجزيء المستقبِل. وكما يحدُث في تقنية التحليل الطيفي لنفق الإلكترونات غيرِ المرن، يستطيع الإلكترونُ أن يشقَّ نفقًا إلى موقعٍ مُستقبِل في الجزيء نفسِه، ولكنه يرى أنه يُمنع من ذلك بسبب اختلاف الطاقة بين الموقعَين. لكن إذا التقَط المستقبِلُ جزيءَ مادةٍ ذات رائحة يحتوي على رابطةٍ مضبوطة على التردُّد الاهتزازي المناسب، فعندئذٍ يُمكن للإلكترون أن يقفزَ من الموقع المانح إلى الموقع المُستقبل عبر نفق، وفي الوقت نفسِه لا يُنقل سوى القدرِ الكافي من الطاقة إلى المادة ذات الرائحة، فعليًّا عن طريق فقد إحدى روابطه الجزيئية. اقترح تورين أن الإلكترون، الذي شقَّ النفق الذي يقبع الآن في الموقع المستقبل، تسبَّب في إطلاق القذيفة الجزيئية المثبتة المتمثلة في بروتين جي، مما يؤدي إلى تنشيط الخلية العصبية الشمِّية وجعلها تُرسل إشارة إلى الدماغ؛ مما يُتيح لنا أن نَشَمَّ رائحة البرتقال.

إن هذا الاكتشاف، المتمثلَ في أنَّهُ من بينِ آلاف الموادِّ الكيميائية التي شُمَّت رائحتها، فإن المادة الوحيدة التي تنبعثُ منها الرائحة الكريهة التي لكبريتيد الهيدروجين عبارةٌ عن جُزيءٍ له التردُّد الاهتزازي نفسُه، وفَّر دعمًا قويًّا لنظرية الاهتزاز الخاصة بالرائحة. تذكَّر أن صانعي العطور كانوا يُحاولون منذ عقودٍ التعرفَ على الجانب الجزيئي للرائحة. استطاع تورين فِعلَ ما لم يقدر عليه الكيميائيُّون الخاصون بهم؛ لقد توقَّع الرائحةَ من النظرية فقط. لقد كان هذا المكافئُ الكيميائي لتوقُّع عبق العطر من شكلِ زجاجته. كذلك قدَّمَت نظرية تورين آلية كمية معقولة بيولوجيًّا تسمح للجزيء الحيويِّ باكتشاف الاهتزاز الجزيئي. لكن وجود «آلية معقولة» ليس كافيًا. فهل كانت صحيحة؟

معركة الأنوف

لكن، وكما سيقول لك أيُّ باحثٍ طبي، التجارِب في البشر يمكن أن تتشوَّش بكل أنواع التعقيدات؛ مثل توقُّعات المبحوثين وخبراتهم السابقة على التجرِبة. لتجنُّب هذه المشكلات؛ قرَّر فريقٌ بقيادة إفثيميوس سكولاكيس من معهد ألكسندر فليمنج باليونان، الذي يتضمَّن باحثين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، من بينهم لوكا تورين، التحوُّلَ إلى نوعٍ ذي سلوكٍ أفضل بكثير وهو ذباب الفاكهة المُولَّد في المختبر. ابتكر الفريقُ المكافئ الخاص بذباب الفاكهة لتجرِبة اختيار المجرى التي ابتكرَتها جابرييل جيرلاك المعنيَّة بأسماك الشعاب المرجانية والمذكورةُ سابقًا في هذا الفصل. أطلقوا على التجرِبة اسم «المتاهة تي» الخاصة بالذباب. أُدخل الذباب إلى متاهةٍ على شكل حرف تي من خلال الجذع وحُفِّز كي يطيرَ إلى مُفترَقِ طريق حيثُ يكون عليه أن يختار هل يتَّجه نحو اليمين أو اليسار. ضُخ هواءً معطرًا في كل ذراع، وعن طريق عدِّ عدد الذباب الذي ذهب في كل اتجاه، بإمكان الباحثين أن يعرفوا هل الذباب يستطيع التمييزَ بين الموادِّ ذات الرائحة التي ضُخَّت إلى المجْريَين الهوائيَّين الأيسرِ والأيمن على التوالي.

في العام التالي، تعاون سكولاكيس وتورين مع باحثين من كلية لندن الجامعية؛ للإجابة على السؤال المُهم المتمثِّل فيما إذا كان الإنسانُ أيضًا بإمكانه الشمُّ عن طريق الاهتزازات أم لا. وبدلًا من الاعتماد فقط على حاسة الشم المُرهَفة عند تورين، استعان الفريقُ بأحدَ عشَر مبحوثًا لهم حاسةُ شمٍّ مرهفة. لقد أكَّدوا أولًا النتيجةَ التي توصَّلَت إليها فوسول وكيلر؛ فلم يتمكَّن المشاركون في الاختبار من تمييزِ روابط الكربون والديوتيرون في الأسيتوفينون. ولكن قدَّر الفريقُ أنه فقط في حالة وجود ثماني روابط من الكربون والهيدروجين قد تكون الإشارةُ من شكل المادة الكيميائية الذي يحتوي على الديوتيريوم ضعيفةً لدرجة ألَّا يتمكن أنفُ الإنسان من تمييزها؛ ولذا قرَّروا أن يدرُسوا جُزيئاتٍ أكثرَ تعقيدًا لها رائحةُ المسك (مثل الجزيئات المعروضة في الشكل ٥-٢) التي تحتوي على ما يصلُ إلى ثمانٍ وعشرين ذرَّةَ هيدروجين، والتي يمكن في كلٍّ منها أن تحلَّ محلها ذرةُ ديوتيريوم. في هذه المرة وعلى خلاف تجرِبة الأسيتوفينون، استطاع المشاركون الأحدَ عشَر أن يُميزوا بسهولةٍ بين رائحة المسك العادية وتلك التي تحتوي بالكامل على الديوتيريوم. على كل حال، ربما يستطيع الإنسانُ في واقع الأمر أن يُميز الجزيئات التي لها تردُّداتٌ مختلفة.

دور علماء الفيزياء في التعرُّف على عملية الشم

في الحقيقة، كان مُشْرف جيني ومُعلِّمها البروفيسور الراحل مارشال ستونهام أولَ مَن توصَّل إلى ما يُطلق عليه في بعض الأحيان نموذج البطاقة المُمغنطة. كان ستونهام من روَّاد علماء الفيزياء بالمملكة المتَّحدة في جيله وقد تراوحَت اهتماماتُه من السلامة النووية وحتى الحوسبة الكمية وعلم الأحياء وكذلك الموسيقى، وذاك الاهتمام الأخير هو ما يُهمنا في هذا الفصل؛ فقد كان يعزف على البوق الفرنسي. النظرية التي توصَّل إليها فريقُ بروكس عبارةٌ عن شرحٍ ميكانيكي كمِّي لفكرة روبرت إتش رايت بأن كلًّا من شكل المستقبِل الشمي واهتزازات الروابط في جُزيء المادة ذات الرائحة له دورٌ في عملية الشم. اقترحا أن جيب الربطِ الخاصَّ بالمستقبِل الشمِّي يُعد بمنزلة ماكينة قراءة بطاقاتٍ مُمغنَطة. تحتوي البطاقات المُمغنطة على شريحةٍ مغناطيسية تُقرأ لتوليد تيارٍ كهربي في ماكينة قراءة البطاقات الممغنطة. لكن لا تتناسَب كلُّ البطاقات المُمغنطة مع تلك الماكينة؛ إذ يجب أن تكون البطاقة بالشكل والسُّمك المناسبَين وتكون الشريحة المغناطيسية في المكان المناسب، قبل حتى أنْ يكون بإمكانك استخدامُها والتحقُّق إن كانت الماكينة ستتعرَّف عليها أم لا. اقترحَت بروكس وزملاؤها أن المستقبِلات الشميةَ تعمل بالطريقة نفسِها. افترض الفريق أن جُزيء المادة ذاتِ الرائحة لا بد أن يتناسب أولًا مع جيب الربط عديم التناظُر المِرآتي اليميني أو اليساري، مثلما تتناسبُ البطاقة الائتمانية داخلَ ماكينة قراءة البطاقة. ومن ثم فالموادُّ ذات الروائح التي لها الروابط نفسُها ولكن لها أشكال مختلفة، مثل الشكل اليميني والشكل اليساري من الجزيء نفسِه، ستلتقطها مُستقبِلاتٌ مختلفة. وفقط بعد أن تتناسبَ المادة مع مستقبِلها المُكمل، تكون لديها القدرةُ على تحفيز حدَث النفَق الإلكتروني القائم على الاهتزاز من أجل تنشيط الخلية العصبية للمستقبل؛ ولكن لأن الجزيءَ اليساري سينشط المستقبل اليساري، فستختلف رائحتُه عن الجزيء اليميني الذي يُنشط المستقبِلَ اليميني.

إذا رجعنا إلى مثال الموسيقى مرةً أخرى أخيرة، حيث اعتبرنا الجيتار بمثابة جُزيء المادة ذاتِ الرائحة وأوتاره بمنزلة الروابط الجزيئية التي يجب أن تُفقَد؛ فسنجد أن المُستقبِلات إما مُمثَّلة في حالة إريك كلابتون، أو حالةِ جيمي هيندريكس. بإمكان كِليهما عزف النغمات الجزيئية نفسَها، ولكن الجزيئات اليمينة أو اليسارية ينبغي أن تلتقطها المستقبلات اليمينية أو اليسارية، تمامًا مثلما ينبغي أن يُعزَف على الجيتار اليمينيِّ بيدِ عازف أيمن. ومن ثَم فعلى الرغم من أن الليمونين والدايبنتين اهتزازاتهما واحدة، فينبغي أن تلتقطَهما مستقبلاتٌ شمِّية يمينية أو يسارية. ستتَّصل المستقبلات المختلفة بمناطقَ مختلفةٍ في الدماغ، ومن ثم ستولِّد روائحَ مختلفة. هذا الجمع بين الشكل وتمييز الاهتزاز الكميِّ يوفِّر في النهاية نموذجًا يكاد يتناسَب مع كلِّ البيانات التجريبية.

بالطبع حقيقة أنَّ هذا النموذج يتلاءمُ مع البيانات لا تُثبت بذاتِها أن هناك أساسًا كميًّا لعملية الشم. تُقدم البياناتُ التجريبية دليلًا قويًّا على أي نظريةٍ خاصة بالشم تتضمَّن كلًّا من الشكل والاهتزاز. لم تدرس حتى الآن على نحوٍ مباشر أيُّ تجرِبةٍ ما إذا كان النفقُ الكمِّي له دورٌ في عملية الشمِّ أم لا. لكن حتى الآن على الأقل، فالنفق الكمي غير المرن للإلكترونات هو الآلية الوحيدة المعروف أنها تُقدِّم تفسيرًا مقبولًا للطريقة التي يمكن أن تَكتشف بها البروتيناتُ الاهتزازاتِ في جزيئات الرائحة.

الجزء الحيويُّ المفقود حتى الآن في أُحجية عملية الشم هو بِنْية المستقبلات الشمية. إن معرفة ذلك يُسهل العثور على إجابات الأسئلة الأساسية مثل كيف تتلاءم جيوبُ الربط بأريحية مع كلِّ جزيءٍ خاص بمادة ذاتِ رائحة، وهل الجزيئات التي تُعد صورةً معكوسة بعضها من بعض تُربَط بالمُستقبِلات نفسِها، وهل جزيئات المستقبِلات تمتلك مواقعَ مانحةً ومستقبِلةً خاصة بالإلكترونات موضوعة على نحوٍ ملائم لتحفيز عملية النفَق غير المرِن الخاصة بالإلكترونات. لكن على الرغم من الجهود الهائلة التي بُذِلَت على مدى سنواتٍ عديدة من قِبَل بعضٍ من المجموعات المرموقة في علم الأحياء البِنيوي حول العالم؛ لم يتمكَّن أحدٌ حتى الآن من عزل جزيئات المستقبلات الشمِّية التي يمكن دراستها بالطريقة نفسِها التي أتاحت إثباتَ دور آليات ميكانيكا الكم في الإنزيمات (ارجع إلى الفصل الثالث)، أو في بروتينات الصبغة الخاصة بعملية البناء الضوئي (ارجع إلى الفصل الرابع). تكمُن المشكلة في أن المستقبل الشميَّ في الحالة الطبيعية مُدمجٌ في غِشاء الخلية، على نحوٍ يُشبه إلى حدٍّ ما قنديلَ بحرٍ يطفو على سطح الماء. إن استخلاص بروتين المستقبِل من الغشاء يُشبِهُ إخراج قنديلِ بحرٍ من ماء المحيط؛ فهو لن يحتفظ بشكله في هذه الحالة. لم يتوصَّل أحدٌ حتى الآن إلى طريقةٍ لتحديد بِنْية البروتينات وهي لا تزال مدمجةً داخل أغشية الخلايا.

وهكذا، وعلى الرغم من وجودِ جدلٍ كبير حول الأمر، فإن النظرية الوحيدة التي تُقدِّم تفسيرًا للطريقة التي يمكن أن يُميز بها الذبابُ والبشرُ بين روائح المُركبات العادية وتلك التي تحتوي على الديوتيريوم؛ قائمةٌ على آليةِ ميكانيكا الكم التي تُسمَّى نفَق الإلكترونات غير المَرِن. ومؤخرًا، أوضحَت التجارِبُ أنه إلى جانب الذباب والإنسان هناك حشراتٌ أخرى وحتى أسماك قادرة على تَبيُّن الفروق بين روابط الهيدروجين والديوتيريوم. وإذا وُجد الشمُّ الكمي في مِثل هذا النطاق من المخلوقات، فمن المرجَّح أنه شائعٌ بدرجة كبيرة. من المُرجَّح أن البشر وذباب الفاكهة وأسماك المهرج ومجموعةً كبيرة من الحيوانات الأُخرى يُسخِّرون قدرة الإلكترون على الاختفاء من نقطةٍ ما في الفراغ والتجسُّد على الفور في نقطةٍ أخرى؛ حتى يتمكَّنوا من التقاط هذه الرسالة التي «من واقع مادي» والعثور على الطعام أو الوليف، أو طريقهم إلى موطنهم.

هوامش