علم الأحياء التخليقي في خدمة الهندسة

العمارة والبيئة المصطنعة

بات أكثرُ من نصف سكان العالم يعيشون الآن في المدن، ونجد أن البيئاتِ المحيطةَ بالناس أغلبَ الوقت ما هي إلا بيئاتٌ من صنع البشر. يُشكِّل تشييدُ هذه البيئة المصطنعة (وإعادةُ تشييدها) ما لا يقلُّ عن ١٠ بالمائة من انبعاثات الكربون عالميًّا، هذا إلى جانب ما تحتاج إليه المباني من تدفئةٍ وتبريد وإضاءة، ممَّا يتسبب في المزيد من الانبعاثات. ويتجاوز إسهامُ المباني في رخاء حياة الإنسان مجردَ ما تنطوي عليه من مأوًى ودفءٍ وضوء؛ فهناك أدلةٌ متزايدة تشير إلى أن طبيعة هذه البيئة الاصطناعية لها تأثيرٌ بالغ على نفسيَّة البشر وسلوكياتهم. لذا من الأهمية بمكانٍ أن نتعلم كيف نبني أفضل.

أغلبُ بنيان المدن الحديثة بنيانٌ خرساني، وغالبًا ما يكون مُدَعَّمًا بالفولاذ. والخرسانة مادةٌ ممتازة للتشييد وتُستخدم منذ عهد الرومان، وحتى اليوم تُعد الخرسانة أكثرَ المواد التي صنعها البشرُ استخدامًا على الإطلاق. فنقلها سهلٌ في صورتها الخام، كما يمكن خلطُها وتجهيزها في موقع الإنشاء نفسه، وتُضخ بسهولة في صورة سائلة للموضع المطلوب، وإن استخدمت القالب المناسب يمكنك أن تجعلها تتَّخذُ أي شكل تقريبًا. ومع ذلك تعيبها مشكلة حقيقية؛ فسطحها معرضٌ للتشقق والشروخ نتيجةَ حدوث ارتطام مثلًا، أو بسبب التفاعل بين الأسمنت القاعدي وحبيبات الرمل المكوَّنة من السيليكا عند وجود الماء. تتفاقم المشكلة في المناطق معتدلةِ البرودة وشديدتِها، حيث قد يخترق الماءُ الشروخَ ثم يتجمد؛ مما يجعله يتمدَّد فيجعل الشروخَ أسوأ. طور فريق هيك يونكرز في هولندا حلًّا بيولوجيًّا لهذا (لكن ليس تخليقيًّا)، وذلك بإضافة أبواغ بكتيريا عصَوية ومواد مغذية مجففة للخليط الخرساني. تظلُّ هذه الأبواغ خاملةً وجافة ما دامت الخرسانةُ سليمة من الشروخ. لكن إن تصدَّعَت الخرسانة وتسلسل الماء داخلها فإن الأبواغ تنشط وتستخدم هذه المُغذِّيات لتنمو؛ ومِن ثَم تُفرز كربونات الكالسيوم، وهي مادة شبيهة بالأسمنت، هي المادة السائدة في الأصداف البحرية وبقاياها المتحجِّرة. وبهذا تلتئم الشروخ ذاتيًّا. يعمل هذا النظام بكفاءة عالية، على الأقل هذا ما وجدناه خلال التجارب المعملية، ولأنه يعتمد فقط على بكتيريا عاديةٍ غير مؤذية؛ فلن يُقابل عراقيلَ هائلة حتى يُسمَح باستخدامه في المباني الحقيقية. لكن ما زالت لدينا مشكلة؛ فبهذه الطريقة لا يمكننا جعلُ الخرسانة ذاتيةَ التعافي إلا إن كانت الأبواغ قد أُضيفت إليها أثناء صبِّها وتصلبها.

شكل ٥-١: فكرة نظام «باسيلافيلا»، وهو مُصمم ليُرَش على الخرسانة المتصدِّعة فيُرممها بتكوين كربونات الكالسيوم (الحجر الجيري) المدعم بوشيجةٍ من البكتيريا المتضافرة.

وبينما لا يزال علماء علم الأحياء التخليقي العمَليون يَخْطون خطواتهم الأُولى نحو الإسهام في مجال التشييد والبناء بتصاميمَ مبتكَرة مثل «باسيلافيلا»، نجد أن علماءَ حالمين أكثر يُفكرون فيما إذا كان من الممكن أن نجعل أجزاءً من البنايات حية، لتُساعد في إدارة الطاقة والحفاظ على جودة الهواء الداخلي. بل يذهب البعض أبعدَ من ذلك ليُناقشوا إمكانية إنشاء بنايات تنمو ذاتيًّا. من الصعب أن نملك انطباعًا واضحًا عن هذه التطلعات الاستشرافية الحالمة. فمحاولات استشراف المستقبل التي رأيناها في الماضي (خصوصًا السيارات الطائرة والحقائب النفاثة التي ستكون في كل مكان) نادرًا ما تحققَت في الواقع، لكن رغم ذلك كثيرًا ما حفزَت مثلُ هذه التصورات المستقبلية أبحاثًا أخذَت في النهاية مساراتٍ مُغايرةً تمامًا.

تخزين البيانات في جزيئات الدي إن إيه

يتَّسم القرن الحادي والعشرون، في الدول المتقدمة على الأقل، ببِنيةٍ تحتية هائلة ومتنامية لتخزين البيانات الرقمية وإرسالها. تُقدر كمية البيانات الرقمة الحالية في العالم كله بنحو ٢ زيتابايت (أي ٢٠٠٠٠٠٠٠٠٠٠٠٠٠٠٠٠٠٠٠٠٠ بايت) ومن المتوقَّع أن تزداد، ونحتاج على الأقل إلى أرشفة البيانات الأهم منها وحفظها في صورة دائمة ما. مقارنةً بوسائط التخزين الإلكترونية والضوئية التي لدينا حاليًّا، يستطيع الدي إن إيه الاحتفاظَ بقدرٍ هائل من البيانات في حيز ضئيل جدًّا، بكثافة تخزينية تصل إلى نحو عشرة زيتابايت لكل جرام. نظريًّا، يحتاج الاحتفاظ بنسخةٍ من كل البيانات الرقمية المخزَّنة على كل جهاز كمبيوتر حول العالم، وفي ذلك بيانات الفهرسة المكملة لها، إلا إلى أقل من خمسين جرامًا من جزيئات دي إن إيه مفرَدة الشريط. هذا يُقارب وزن قدح قهوة كبير. وعلى عكس ما قد تتوقَّعه من الأنظمة البيولوجية الحساسة، نجد أن الدي إن إيه يُعد وسيطَ تخزينٍ مستقرًّا مقارنةً بالأشرطة والأقراص الصلبة والمضغوطة. فقد تبين مثلًا أن نحو أربعة أخماس جينوم الماموث الصوفي بعد رُقاده لما يزيد عن ١٠ آلاف سنة ما زال جيدًا كفايةً لنقرأه.

تكلفة كتابة دي إن إيه وقراءته بالإضافة إلى الوقت الذي تستغرقه العملية تجعل التخزين على دي إن إيه بديلًا فاحشَ التكلفة للأقراص الصلبة المعتادة في تخزين البيانات التي تُستخدم بشكل متكرر. لكن لعله يُصبح ذا جدوى إن استُخدِم في أرشفة البيانات المهمة المطلوبِ الاحتفاظ بها للأبد، لكن بدون الحاجة إلى الرجوع إليها إلا نادرًا. فعملية تخزين البيانات على الوسائط المغناطيسية التقليدية تتطلب قراءةَ البيانات وإعادةَ كتابتها كلَّ خمس سنين إلى عَشر سنين (لأن مَغْنطة القرص تخفتُ وتتبدَّد مع الوقت). وبعد إجراء الحسابات، تبيَّن أنه للاحتفاظ بالبيانات مدةً طويلة جدًّا، خمسة قرون أو أكثر، ستكون الذاكرة المعتمدة على دي إن إيه مُجديةً أكثرَ ماديًّا. كما أن الدي إن إيه لا يواجه تهديدَ أن يصير تكنولوجيا قديمةً مهجورة كما يحدث مع أصناف تكنولوجيا الكمبيوتر الأخرى، لكن ما زالت أمامنا مُعضلةُ نقلِ تعليمات استخدام هذه الأرشيفات للقرَّاء بعد آلاف السنين؛ لأن اللغات نفسها تتغيَّر تغيرًا هائلًا خلال هذا المدى الطويل.

الحوسبة

شكل ٥-٢: الحوسبة باستخدام الدي إن إيه: (أ) يوضح مسألة المسار الهاملتوني؛ (ب) يوضح طريقة تمثيل النقاط والخطوط بأشرطة مفردة من الدي إن إيه؛ (ج) يوضح كيف يؤدي ازدواج القواعد إلى تجميع القطع مكوِّنًا سلاسلَ طويلة تعبر عن مسارات داخل النظام.

علم التشفير

يرجَّح أنه منذ أن اخترع الإنسان الكتابة على شيءٍ ما، كان البشر يتمنَّون لو تحكَّموا فيمن يُمكنه أن يقرأ ما يكتبون، ومنذ وقتٍ مبكر في التاريخ يرجع إلى عام ١٥٠٠ قبل الميلاد، كان الصُّناع المهرة في بلاد الرافدَين يكتبون نصوصهم مشفرةً على الألواح الطينية ليحموا أسرارَ تِجارتهم، وبعدها بألف عام كان اليونانيون يستخدمون تقنياتِ تورية النصوص لتضمين رسائلهم ومواراتها داخل نصوص أخرى؛ لئلا ينكشف وجود رسالة أصلًا. وقد نجح العلماء في استخدام الدي إن إيه لتطبيق كِلتا العمليتَين: تشفير الرسائل وإخفائها. وصُمِّمت أنساقٌ عديدة لهذا، وسنتناول فيما سيأتي بعضًا منها لسهولة شرحه في مساحة محدودة.

شكل ٥-٣: تشفير الصور باستخدام الدي إن إيه – الجزء الأول: تستخدم أليس مكتبة من البادئات لتُصنِّع أزواج plaintext^c وcodetext^c.

شكل ٥-٤: تشفير الصور باستخدام الدي إن إيه – الجزء الثاني: تُشفِّر أليس صورتها بإضافة مزيج أزواج plaintext^c وcodetext^c التي لديها للرقاقة، ومن ثَم تسلط الصورة السرية عليها، وتجمع القطع ذات التسلسل plaintext^c المتحرِّرة.

شكل ٥-٥: تشفير الصور باستخدام الدي إن إيه – الجزء الثالث: يشفر بوب رسالة أليس.