ميكانيك الكم ونشوء الحياة

يعرض Domingo (2020) عددًا من التعاريف للحياة: فالحياة حسب Schrӧdinger (1944) هي صفة المنظومة التي تنتزع إنتروبي سالبًا من البيئة، وتصدِّر لها الإنتروبي (لتُحافِظ على الترتيب أو النظام وتؤخِّر التحلُّل إلى التوازُن الديناميكي الحراري). وحسب Kauffman (1993) فإن الحياة صفةٌ متوقَّعة ذاتية التنظيم لبوليمرات محفِّزة. وحسب Yarus (2010) فإن الحياة تورَث مع تغيير، وإن التضاعُف هو استراتيجية البقاء الفيزيائية الكيميائية الأخيرة. بينما يعتبر المعهد الفلكي لناسا (NASA Astrobiology Institute) الحياة كمنظومةٍ كيميائيةٍ محفوظة ذاتيًّا، وتتمَّكن من التطوُّر الداروني. ويعرِّف Demetrius (2013) الكائنات الحية على أنها منظوماتٌ أيضيةٌ قادرة على التضاعُف، مؤلَّفة من جُزيئات وخلايا معرَّضة للتغيُّرات التلقائية في التركيب والوظيفة بسبب الطفرات. وحسب Breaker (2015) أن الحياة عمليةٌ كيميائيةٌ ذاتية الديمومة تتمكَّن من التضاعُف والتطوُّر.

تُظهِر المنظوماتُ الحية تنوعًا هائلًا مقارنةً بالأشياء أو المنظومات غير الحية؛ فالمعادن على الأرض والتي تتشكَّل من تفاعُل بعض العناصر حوالي ٥٤٠٠ نوعٍ فقط، بينما يبلغ عدد المركبات العضوية حسب Beilstein database ٩,٨ ملايين وحسب Ruddigkeit et al., (2012) يُوجد ١٦٦ مليارًا من الجُزيئات العضوية الصغيرة. أما عدد أنواع الحيوانات فيبلغ ١٢٧٠٧٨٥ والنباتات ٣٦٦٤٦٥ والفطريات ١٤٦١٦٧ والطحالب ٢١٢٣٦ والحيوانات الابتدائية ٢٥٦٥ والبكتيريا ٩٩٨٣ والأركيا ٣٧٧ والفايروسات ٣١٨٦ (Catalogue of Life, 2020). هذه هي الأنواع المدروسة فقط. ويقدِّر بعض الباحثين عدد أنواع الأحياء بأكثر من ترليون نوع، ويُسجَّل سنويًّا ١٧٠٠٠ نوعٍ جديد. كما أن عدد أنواع الكائنات الحية الحالية لا يتجاوز ٠,١٪ فقط من عدد الأنواع المنقرضة.

الكائنات الحية تخضع كما هو كل شيء في الكون، إلى مبدأ الوحدة والتبايُن (انظر الفصل الأول)؛ فعلى الرغم من التبايُن أو التنوُّع الهائل للكائنات الحية من حيث الحجم والكتلة والشكل واللون ودرجة التعقيد، فإنها تشترك جميعا بخواصَّ تركيبيةٍ ووظيفيةٍ معينة. وكما أن المجرَّات والنجوم والكواكب التي يتكوَّن منها الكونُ المرئي متنوِّعة، تُظهِر التبايُن من حيث الحجم والكتلة والتشكُّلات، إلا أنها تُظهِر وحدةً في أساس التركيب والنشوء والتحوُّل. وحيث إن ملاحظة تباعُد المجرات المتسارع الذي اكتشفه إدوين هابل (Edwin Hubble) سنة ١٩٢٩م، قاد إلى الإجابة على السؤال الكبير عن نشوء الكون وتبلوُر نظرية الانفجار العظيم. لكن الجواب عن السؤال الكبير الآخر عن نشوء الأحياء، ما زال لم يكتمل بعدُ. مع ذلك ثمَّة مشتركٌ أساس بين الحالتَين، وهو التغيُّر مع الزمن أو التطوُّر، والذي نجده في تباعُد الأنواع وراثيًّا عن بعضها هو المفتاح المشترك الذي يمكن أن يقود إلى الحل عَبْر البحث عن الأصل المشترك أو أصل الحياة مثلما أوصل اكتشاف هابل لأصل نشوء الكون من النقطة المنفردة.

النظرة المتفحِّصة إلى الأحياء تُظهِر وجود مشتركٍ تركيبيٍّ بين جميع الأحياء؛ كونها تتألَّف من منظومةٍ متكاملةٍ هي الخلية، وثمَّة تدرُّج في درجة التعقيد؛ فثمَّة مجاميعُ من الأحياء تتألَّف من خلايا مفردةٍ بسيطة التركيب؛ حيث لا تمتلك عُضيَّاتٍ خلوية؛ مثل النواة والميتاكوندريا وأجسام كولجي والبلاستيدات وغيرها. هذه الأحياء تتمثَّل بالأحياء البدائية النواة؛ البكتيريا والأركيا. والمجاميع الأخرى من الأحياء والتي تُسمَّى بالأحياء الحقيقية النواة خلاياها أكثر تعقيدًا وتطورًا؛ حيث تمتلك عُضيَّاتٍ خلويةً ويُمكِن أن تكون أحاديةَ الخلية أو بمجاميعَ متشابهةٍ من الخلايا المتجمِّعة، أو عديدةَ الخلايا صغيرةً لا تُرى بالعين المجرَّدة ولا تمتلك أنسجة، إلى الكبيرة المؤلَّفة من أنسجة وتزن مئات الكيلوغرامات أو الأطنان؛ كالنخيل والأشجار والحيتان. لكن حين البحث عن أزمان ظهور هذه المجاميع المختلفة من الأحياء نجد تفاوتًا كبيرًا؛ فحسب المعطيات الجيولوجية وتحليل الافتراق الجُزيئي للنمو التطوُّري للأركيا، يمكن أن تكون الحياة قد بدأَت قبل ٤٫١–٤٫٢ مليار سنة (Kitadai & Maruyama, 2018).

وحسب الباحثين فإن الحياة تتضمَّن الوظائف الثلاثة التالية: (١) التحاوز (Compartmentalization) ويتضمَّن تجميع المكوِّنات وتمييزها عن البيئة. (٢) التضاعُف ويتمثَّل في معالجة ونقل المعلومات الوراثية إلى الذرية. (٣) الأيض ويشتمل على الحصول على الطاقة والمواد والبقاء بعيدًا عن حالة التوازن الحراري. هذه الوظائف تتم بواسطة بوليمراتٍ حيوية؛ فالتحاوز يتم بواسطة الشحوم الفوسفاتية، وهي تتألَّف من أحماضٍ دهنيةٍ مؤسترة بجُزيئةِ فوسفات الكليسرول. والتضاعُف يتم بواسطة جُزيئات DNA وRNA المؤلَّفة من نكليوتيداتٍ مترابطة، والتي بدَورها تتألَّف من جُزيئة سكَّرٍ خماسيٍّ مع جُزيئة فوسفات وقاعدةٍ نووية. والأيض يُنجز بواسطة البروتينات، وهي بوليمرات من جُزيئات الأحماض الأمينية (شكل ١٥-١). إن هذه المكوِّنات يُفترَض أن تكون قد تكوَّنَت وتبلمرَت بدايتها بطرقٍ غير أحيائية.

إن أول محاولةٍ علميةٍ زائفة لتفسير نشوء الحياة، كانت نظرية النشوء التلقائي (Spontanous generation) التي قالت بنشوء المادة الحية والكائنات الحية بصورةٍ تلقائيةٍ ومفاجئة من موادَّ غيرِ حية. ومن تجاربها «العلمية» هي نشوء الديدان والحشرات من عصير المواد السكَّرية أثناء عمل الخل، أو ظهور فأر في غرفة لم يكن فيها سوى خبز مثلًا وغير ذلك. سادت هذه النظرية لمئات السنين.

ومع ولادة العلوم الحديثة في أواسط القرن السادس عشر عمل العديد من الباحثين وعلى مدى عشرات السنين، إلى تفنيدِ ودحضِ نظرية النشوء التلقائي ومن بين أبرزهم Francesco Redi سنة ١٦٦٨م، وLazzaro Spallanzani سنة ١٧٦٥م. وفي سنة ١٨٠٦م عمل Berzelius ببلورة علم الكيمياء العضوية وإطلاقه ما عُرف بالمبدأ المركزي في الكيمياء والقائل «إن تكوين المركَّبات العضوية من المركبات اللاعضوية لا يمكن أن يتم خارج الكائنات الحية.» وتكلَّلَت أعمال هؤلاء العلماء بتجاربِ لويس باستور سنة ١٨٦١م، التي لا تقبل الشك بتسخين (تعقيم) مرقٍ مُغذٍّ في دورق غليان ذي نهايةٍ مُعوجَّة يسمح بخروج الغازات دون دخولها من الخارج، ولم تتكوَّن أية أحياءٍ داخل الدورق مهما ترُكَت بعد غليانها. تجاربُ باستور صارت تقنيةً تُستخدم حتى الوقت الحاضر في تعقيم المواد الغذائية؛ والتي تُعرف بالبسترة التي اشتُق مصطلحها من اسم هذا العالم الفذ. قادت تجارب باستور إلى ظهور المبدأ المركزي في البيولوجيا وهو «أن الحياة تنشأ من الحياة» والتي طُوِّرَت واستمرَّت حتى الوقت الحاضر فيما يُعرف بنظرية الخلية، والتي تقول بنشوء الخلية من خليةٍ سابقةٍ لها.

نشوء الخلايا الأولى من عناصر الأرض المبكِّرة، والذي تم قبل حوالي ٤ مليارات سنة، لا بد أن يكون قد تم تدريجيًّا (Xavier et al., 2020). إن نشوء جُزيئات اﻟ RNA القادرة على حمل المعلومات الوراثية والنشاط الإنزيمي بصيغة الرايبوزايم لا يقدِّم حلًّا كاملًا لمنظومةٍ متضاعفة (Replicon) إلا إذا أُحيطَت هذه الجُزيئات بغشاءٍ يُحافِظ على المحتويات، ويمكِّن من عملية تبادُل المواد مع المحيط والتكاثُر، وبالتالي التطوُّر الداروِني. بيَّن Chen et al., (2004) أن إحاطة جُزيئات RNA بأغشيةِ أحماضٍ دهنيةٍ تمثِّل خلايا أولية؛ فهذه التشكيلة ستُوجِد ضغطًا أزموزيًّا من خلال التركيز العالي لجُزيئات RNA ما يؤدِّي إلى أخذ مزيدٍ من الأحماض الدهنية إلى الغشاء المشدود، ونمو الحوصلة أو الخلية الأولية على حساب الحوصلات المجاورة المحتوية على RNA وضغطٍ أزموزيٍّ أقل. غير أن الحوصلات المنتفخة أزموزيًّا تنحو لتكوين كراتٍ مستقرَّة يصعُب انقسامها. وللتغلُّب على هذه المشكلة قام Chen et al., (2005) باستخدام مزيجٍ من Myristoleic acid وأسترة من الكليسرول لتكوين الحوصلات حيث تتحمل أيونات المغنسيوم. وهكذا صار رايبوزايم رأس المطرقة (Hammerhead ribozyme) في الحوصلات المحتوية على أيونات المغنسيوم نشطًا ومنقسمًا ذاتيًّا (شكل ١٥-٧). بعد ذلك بيَّن باحثون وبعيدًا عن الضغط الأزموزي، أن وجود كمياتٍ قليلةٍ من الشحوم الفوسفاتية أو ببتيداتٍ ثنائيةٍ محفِّزة كارهة للماء، يمكن أن يؤدي إلى نموٍّ تنافُسيٍّ لحوصلات الأحماض الدهنية. كما أن تخليق الببتيدات المحفِّزة يجري بكفاءةٍ أكثر في الحوصلات مما في المحلول؛ ما يشجِّع المنافسة (Adamala & Szostak, 2013a; Budin & Szostak, 2011). المشكلة مع نموذج الأحماض الدهنية كمكوِّن للخلية الأولية هي عدم ثبات الأحماض الدهنية بوجود الوضعية الأيونية الضرورية لتضاعُف اﻟ RNA؛ فتضاعُف اﻟ RNA يتطلَّب تراكيزَ عاليةً من أيونات المغنسيوم، في حين أن هذه الأيونات تؤدِّي إلى تكتُّل وترسيب حوصلات الأحماض الدهنية. تم التغلُّب على هذه المشكلة بتوفيرِ حامضِ الستريك الذي يخلبُ أيونات المغنسيوم بحيث يخفض كثيرًا ترسيبَ الأحماضِ الدهنية، بينما لا يتأثَّر تضاعُف اﻟ RNA إلا قليلًا (Adamala & Szostak, 2013b). ومن المعروف الدَّور الذي يلعبه حامض الستريك في أيض الكاربون (دورة كريبز) في الخلايا الحديثة، والذي ربما نشأ عن مثل هذا التآزُر في الأدوار المبكِّرة لنشوء الحياة كما سبق ذكره. مثل هذا النموذج يمكن أن يكون إحدى الحالات التي أدَّت إلى تكوُّن الخلايا الأولية، والتي طُوِّرَت عَبْر الطفرات في جُزيئات RNA وقدرتها على تكوين الببتيدات والأحماض الدهنية الخاصة بها، وكذلك القدرة الإنزيمية لخوض طريق المنافسة والتطوُّر.

وفي محاكاةٍ لظروف الشقوق المائية الحرارية في مياه بركٍ بركانية، والتي يمكن أن تكون قد شَهدَت تكوُّن المركَّبات الدهنية التي أدَّت إلى نشوء الحوصلات أو الأغشية للخلايا البدائية، قام Milshteyn et al., (2018) ببحث إمكانية تكوُّن حوصلاتٍ مستقرة من مركَّباتٍ مزدوجةِ الميل للماء والدهون متمثلة بأحماضٍ دهنيةٍ أحادية مجموعة الكاربوكسيل ذات ١٠ و١٢ ذرة كاربون لوحدها أو ممزوجة مع كليسيريداتٍ أحادية. تَم استخدام ماء البِرَك البركانية وماء البحر للمقارنة. أظهَرَت النتائجُ أن الأحماض الدهنية النقية يمكن أن تكون حوصلاتٍ غشائية في مياه البِرَك، لكن مع حامض الدوديكونيك وglycerol monododecanoate كانت أقل حساسيةً للحرارة وتجمَّعَت في أغشيةٍ مستقرة نسبيًّا في ظروف pH حامضية وقاعدية. كما تمكَّنَت هذه الحوصلات من احتواء أحماضٍ نووية وصبغة البايرانين. لكن لم يتمكَّن أيٌّ من الأحماض الدهنية المزدوجة الميل للماء والدهون من تكوين الحوصلات في ماء البحر بسبب الأيونية العالية، التي تمزِّق الأغشية. مؤخرًا، بيَّن Cornell et al. (2019) أن ارتباط الأحماضِ الأمينيةِ الموجودة قبل الحياة وغير المعدَّلة؛ مثل السيرين والكلايسين بالأغشية الدهنية، حفظَت ثبات هذه الأغشية بحوصلاتٍ بقطر ١٠مكم وبوجود الأيونات الثنائية؛ مثل Mg⁺⁺ وكذلك ملح الطعام. هذا يحُل مسألةَ ثباتِ أغشيةِ الخلايا البدائية بوجود الأيونات، والتي هي مطلوبة لعمل جُزيئات RNA. كما أن ترافُق الأحماض الأمينية مع أغشية هذه الخلايا يُمكِن أن يكون مصدرًا لتكوين الببتيدات والبروتينات.

حسب Domingo (2020) يُمكِن وضع النظريات التي تبحث في أصل الفايروسات في مجموعتَين؛ الأولى تقول بنشوء الفايروسات قبل وجود الخلايا، والثانية ترى أنها نشأَت عن الخلايا الحية. ويمكن عرضُ النظريات المختلفة كما يلي:

لنأخذ مثال البرِكة أو البرِكة الطينية أو الشقوق الصخرية المائية الحرارية في الينابيع البركانية، وقيعان المحيطات (أشكال ١٥-٩ و١٥-١٠ و١٥-١١) والتي غالبًا ما ترشَّح على أنها يمكن أن تكون موطن نشوء الأشكال الأولى للحياة، وهي منظوماتٌ من ماء وعناصرَ عديدةٍ ومركباتٍ مختلفة لا عضوية وعضوية لا أحيائية.

العديد من الدراسات تُرجِّح أن تكون الحياة الأولى قد نشأَت في مثل هذه البيئات التي بعضها أعلى من مستوى سطح البحر، والتي نشأَت قبل ٤ مليارات سنة نتيجة الانفجارات البركانية؛ فمياه هذه البيئات تكوَّنَت نتيجة الأمطار؛ مما يجعلها ذات تراكيزَ ملحيةٍ أقل من مياه المحيطات. كما أنها تتميَّز بمحدودية كميات المياه فيها؛ مما يجعلها مؤهلةً لأن تجمع وتركِّز المركَّبات العضوية التي تُخفف جدًّا في مياه المحيطات، وتحول دون تراكُمها (Milshteyn et al., 2018). وهكذا ففي أية منظومةٍ متعددة المكوِّنات وهذه المكوِّنات تتحرك بصورةٍ عشوائية، فثمَّة احتمالاتٌ قائمة أن يصطدم أي مكوِّنٍ فيها بأي مكوِّنٍ آخر في زمنٍ مفتوح. ومع الزمن تتغيَّر تشكيلات الظروف البيئية من درجات الحرارة والرطوبة والضغط وتراكيز المواد. وكذلك التأثيرات الكونية المتمثلة بالمذنَّبات والنيازك، والتي كانت تسقط على الأرض بمعدَّلاتٍ وكمياتٍ أعلى بكثير مما يحصل الآن، مع ما تحمله من موادَّ بما فيها المواد العضوية والحرارة الهائلة التي تُحدِثها، وكذلك الإشعاعات الكونية بما فيها الأشعة فوق البنفسجية. كما تدخُل في صُلب العمليات طبيعةُ التركيب الذري والجُزيئي للعناصر، والجُزيئات، والشحنات، والاستقطابية، والطاقة الحرة، وعامل التنظيم الذاتي (Self organization)؛ كل هذا وغيره سيُنتِج المركَّبات المختلفة، التي تَم استعراض العديد منها في تجارب المحاكاة التي تم ذِكْرها. وأعقد مركَّب له أهميةٌ كبرى في تشكيل الخلية الأولية، هي جُزيئات RNA القادرة على حفظ المعلومات الوراثية، والنشاط الإنزيمي؛ أي جزيئات الرايبوزايم. الملاحظة المؤكَّدة أن جميع تجارب محاكاة ظروف الأرض البدائية في المُختبَر منذ تجربة Miller-Urey في بداية خمسينيات القرن العشرين حتى الوقت الحاضر، لم تنجح في تكوين منظومةٍ متضاعفةٍ أولية. وإن نجحَت بعض التجارب في تكوين أحماضٍ أمينية، وقواعدَ نووية، وسكَّريات بما فيها سكر الرايبوز، وأحماضٍ دهنية تتمكَّن من التشكُّل الذاتي بشكل غشاءٍ دهني، إلا أن هذه التجارب تتم عادةً بتهيئة ظروفٍ مناسبةٍ مع تخليص النواتج المرغوبة من المركَّبات العَرَضية التي لولا ذلك لأعاقت تكوينها. إن تكوين مركَّباتٍ معقَّدة ذات ترتيبٍ خاص مثل جُزيئات RNA يتطلب ربط إحدى القواعد النووية وهي أربعة؛ الأدنين والسايتوسين والكوانين واليوراسيل مع جُزيئة سكر الرايبوز، وربط الرايبوز من الناحية الأخرى مع مجموعة فوسفات لتشكيل النكليوتيدة، وهي اللبنة الأساسية التي يجب أن تتكرَّر مع تغيُّر القاعدة النووية لبناء جُزيئة اﻟ RNA. كما أن ارتباط القاعدة النووية البيورينية (أدنين أو كوانين) يجب أن يكون بين الذرة ٩ من القاعدة النووية مع ذرة الكاربون رقم واحد في جُزيئة السكر، وأن ترتبط مجموعة الفوسفات مع ذرة الكاربون رقم خمسة في جُزيئة السكر. والنكليوتيدة التالية يجب أن ترتبط مع النكليوتيدة السابقة مع ذرة الكاربون الثالثة. هذا من ناحية، ومن ناحيةٍ أخرى ولغرض تضاعُف جُزيئة اﻟ RNA المؤلَّفة من عددٍ غيرِ قليل من النكليوتيدات يتوجَّب استخدامُ شريط RNA كقالب وانتخاب النكليوتيدات الصحيحة بالضبط لبناء الشريط الجديد. هذه المحدِّدات العديدة تجري عَبْر انتخاب المكوِّنات المذكورة من وسط الحَسَاء البدائي والذي يعجُّ كما هو متوقَّع بمثل المواد المطلوبة والكثير غيرها. من الصعب جدًّا أن تحصُل مثل هذه العملية من خلال الصدفة؛ فهذه مثل أن تطلب من مجموعةٍ كبيرة من القرود التي كل واحدٍ منها مجهَّز بطابعة، ويضغَط على أزرارها بشكلٍ عشوائيٍّ طبعًا، أن ينجح أحدهم في كتابة مسرحية هاملت لشكسبير مهما استمروا في ذلك، كما ذكر Lloyd (2006) في حالةٍ مماثلة.

قام McFadden & Al-Khalili (2014) بتتبُّع الاحتمالات اللازمة لتخليق جُزيئات RNA في وسط الحَسَاء البدائي؛ فحسب الكيميائي الاسكتلندي Graham Cairns-Smith ثمَّة ١٤٠ خطوةً تلزم لتحضير قاعدةٍ نووية من مركَّباتٍ عضويةٍ يرجَّح أن تكون موجودة في الحَسَاء البدائي. وفي كل خطوة ثمَّة ٦ تفاعلاتٍ محتملة يتوجَّب تجنُّبها. وهكذا يمكن تصوُّر أن التفاعُل الكيميائي المطلوب يمثِّل أحد وجوه زهر الطاولة الستة، الذي سيُحقِّق التفاعل المطلوب في كل خطوة؛ وعليه يتوجَّب رمي الزهر للحصول على الوجه المطلوب ١٤٠ مرة. وبذلك ستكون الاحتمالية الصحيحة ١ من ٦^١٤٠ أو ١٠^١٠٩ تقريبًا. هذا يستدعي أن يكون في الحَسَاء البدائي في بداية التفاعل هذا العدد من الجزيئات، لتحصُل على جُزيئة RNA بطريق الصدفة. غير أن هذا العدد يتجاوز بكثير عدد الذرات في الكون البالغة ١٠^٨٠. إذن من غير الممكن بناءُ قاعدةٍ نوويةٍ بهذا الكَم المهول من الجُزيئات. ولو تَم بناء قواعدَ نوويةٍ بطريقةٍ غيرِ معروفة، ينبغي أن تكون هذه القواعدُ بترتيبٍ معيَّن في شريط اﻟ RNA الذي هو بطول ما لا يقل عن ١٠٠ قاعدة نووية، لتتكوَّن جُزيئة رايبوزايم؛ وعليه في كل موقع قاعدةٍ نوويةٍ ينبغي الاختيار بين واحدة من أربعِ قواعد (A,U,G,C). وهكذا سيكون ٤^١٠٠ طرقٍ محتملةٍ لربط القواعد النووية المضبوطة في جُزيئة الرايبوزايم. هذا يعني استخدام ١٠^٥٠كغم من المادة، وهذا يفوق كتلة مجرَّتنا؛ درب التبانة، التي تبلغ ١٠^٤٢كغم؛ وبناءً على ما تقدَّم لا يمكن الاعتماد على الصُّدفة وحدها كتفسيرٍ لتكوُّن الرايبوزايم. وحسب الباحثين McFadden & Al-Khalili (2014) قد تكون ثمَّة ترليونات المُتضاعِفات المحتملَة الممكن تكوُّنها لشريط RNA من ١٠٠ قاعدة نووية. وقد تكون اﻟ RNA المتضاعفة شائعةً وقتها؛ حيث وجود مليون جُزيئة كان كافيًا لتكوُّنها. لكن رغم كل الجهود العلمية لتكوين جُزيئة RNA قادرة على التضاعُف لم تُفلِح. ولم يتمَّ العثور في الطبيعة خارج الخلايا على مثلها. لكن هل تم ذلك بواسطة متضاعفٍ أوَّليٍّ أبسط بكثيرٍ من الخلية في ذلك الزمن السحيق؟ يجيب الباحثان بالتأكيد نعم، ولكن من غير الواضح كيف. وعلى الرغم من التقدُّم الصناعي والعلمي، لم يتم إنتاجُ أية ماكنةٍ تتمكَّن من نسخ نفسها، علمًا أن هذا كان الهدف الأسمى الذي وضعه مؤسس التقنية النانوية K. Eric Drexler سنة ١٩٨٦م، منطلقًا من أفكار الفيزيائي الفذ Richard Feynman ومقولته الشهيرة: «الشيء الذي لا أستطيع عملَه فإنني لم أفهمه.» لكنِ الباحثان McFadden & Al-Khalili (2014) يطرحان مسألة نشوء الفايروسات الرقمية، وهي برامجُ قصيرةٌ نسبيًّا، وتتمكَّن من التضاعُف. ولماذا لم يتم نشوءُها تلقائيًّا من كَمِّ المعلومات الهائل في الإنترنت، والذي يبلغ زليونات المليارات من البِتات في الثانية، وهي بحدودٍ معيَّنة مشابهةٌ لنشوء متضاعفٍ جُزيئي في كمٍّ كبيرٍ من جُزيئات الحَسَاء البدائي؛ فإلى الآن لم ينشأ أي فايروس رقمي تلقائيًّا، بينما يتم ذلك من قِبل أفراد ذوي مهارةٍ جيدةٍ ببرامج الحواسيب الرقمية. وكمثال الفايروس الرقمي المعروف Tinba مؤلَّف من ٢٠٠٠٠ بايت أو ١٦٠٠٠٠ بت، هذا يعني وجود احتمال ١ من ٢^١٦٠٠٠٠ أن ينشأ هذا الفايروس بالصدفة. وهذا احتمال كما هو واضحٌ غاية في الندرة، ويفسِّر عدم إمكانية نشوئه بالصدفة وحدها. وهكذا يظهر أن نشوء المتضاعف الأوَّلي بالصدفة، أمرٌ مستَبعَد جدًّا، ولكن هذه الحسابات والاستنتاجات تدور في إطار العالَم التقليدي. ماذا لو بحثنا المسألة من واقع ميكانيك الكَم الذي يحكُم حركة الجُسيمات والذرات والجُزيئات وهو على حال المتضاعف الأوَّلي المفترض بشكل جُزيئات الرايبوزايم. وجُزيئة اﻟ RNA هذه تتألَّف من ذراتٍ مترابطةٍ من خلال الأواصر الكيميائية التي تعتمد على الإلكترونات والبروتونات. بعض هذه البروتونات والإلكترونات غير شديدة الارتباط، ويمكن أن تنتقل بين الذرَّات المرتبطة كما تطرَّقنا إلى ذلك في عمل الإنزيمات، وتركيب جُزيئات الحامض النووي. هذه الجُسيمات على خلاف الحالة التقليدية يمكن أن تعبُر حاجز الطاقة، وتنتقل من ذرة إلى أخرى مؤديةً إلى تغيُّراتٍ تركيبيةٍ ووظيفية في الجُزيئة، وهي في الحالة الكمومية. لكن هذه الحالة تتطلَّب أن تكون الجُسيمات في حالة تماسُكٍ كمومي، والذي سرعان ما تنهار إلى الحالة التقليدية (حيث تصبح جزءًا من الواقع) عند فك التماسُك الكمومي، ولكن في هذه الحالة تكون قد صارت في وضعيةٍ مختلفةٍ عن حالتها الأصلية. وتبدأ عمليةُ تماسكٍ جديدة وقدرة على الانتقال للجُسيمات ومن ثَم انهيارها لحالةٍ تقليديةٍ جديدة وهكذا. في كل حالة فكِّ تماسُك، يمكن أن تكون الذرات قد ترتَّبَت على نحوٍ مختلف. وهكذا يمكن أن تتمكَّن الجُزيئة من البحث عن احتمالاتٍ مختلفة قد يكون أحدها هو القدرة على التضاعُف. مع ذلك، فهذا يتطلب كما رأينا أعلاه، البحث في احتمالاتٍ هائلة، والتي من بينها احتمالٌ نادر؛ هو أن تكون بترتيبٍ ذريٍّ يُكسِبها القدرة على التضاعُف. مثلًا يفترض الباحثان McFadden & Al-Khalili (2014) وجود ٦٤ إلكترونًا وبروتونًا قابلين لتغيير مواقعهم بين الذرات عَبْر عملية التسرُّب الكمومي؛ كأن يكون الواحد منهم على هذا الجانب أو ذاك من حاجز الطاقة. هذا يعني أن الاحتمال المطلوب وهو التركيب الذري الذي يمكِّن الجُزيئة من التضاعُف، سيُساوي ١ من ٢^٦٤ وهو احتمالٌ نادرٌ جدًّا يذكِّرنا بمثال الأمير الصيني مع مخترع لعبة الشطرنج. لكننا هنا لا نعامل المسألة بمفهومٍ تقليدي، وإنما بمفهومٍ كمومي. يعني وكأننا نتعامل مع حاسوبٍ كمومي ﺑ ٦٤ كيوبت (انظر الفصل الرابع عشر). هذا سيمكِّن من بحث كل الاحتمالات في نفس الوقت، وبالتالي سيُسرِّع جدًّا من العثور على ذلك الاحتمال الضئيل مع الوقت، الذي كان قد امتد ملايين السنين وأماكن ومكوِّنات وظروفٍ شديدة التغايُر. وعند الانهيار على تلك الحالة، والتي ستتحوَّل إلى الحالة التقليدية (العادية) بفَك التماسُك، تكون قد تكوَّنَت الجُزيئة القادرة على التضاعُف. وما إن يكون المتضاعف الأوَّلي قد تكوَّن، حتى يبدأ عمل التطوُّر الداروِني نتيجة التغيُّرات التي ستنشأ أثناء التضاعُف، ويبدأ مسلسل التطوُّر ونشوء الحياة.

وبطريقةٍ مماثلةٍ فإن نشوء الإنزيمات لا بد أن مر بسلسلةٍ طويلةٍ من التعقيد بدءًا من تكوين ببتيد ثنائي إلى ببتيد ثلاثي وهكذا. بالتأكيد كلما زاد عدد الأحماض الأمينية في الببتيد المتعدد، زادت خياراتُ أو احتمالاتُ ارتباطاتها المختلفة. لكن عمل ميكانيك الكَم وبخاصة ظاهرةُ التراكُب ستُمكِّن من تجريب كل الاحتمالات في وقتٍ واحد، مما يختزل كثيرًا الزمن اللازم للوصول إلى تشكيلة الببتيد المتعدِّد، الذي يُظهِر نشاطًا إنزيميًّا. غير أن تحقُّق الظاهرة الكمومية كما سبق ذكره في مواقعَ عديدة، يتطلَّب حصول التماسُك الكمومي والذي يشترط عدم الاتصال مع البيئة. هذا الشرط يمكن أن يتحقَّق من خلال الحجم الصغير جدًّا للمتضاعف الأوَّلي أو الخلية البدائية التي تستضيف الببتيد المتعدِّد. وعند إضافة حامضٍ أميني إلى سلسلة الببتيد المتعدد ستنهار الحالة الكمومية في هذه التشكيلة. وطالما بقيَت سلسلة الببتيد المتعدِّد كجُزيئةٍ مفردة، يمكن أن تدخُل في حالة التماسك الكمومي من جديد، وتنهار الحالة الكمومية بعد اتصالها بحامضٍ أمينيٍّ جديد وربطه بالجُزيئة وهكذا. كما أن الببتيدات في أطوالٍ مختلفة (قبل أن تصبح بروتينًا) يمكن أن يُظهِر بعضها نشاطًا إنزيميًّا ليصبح إنزيمًا أوليًّا (Protoenzyme). هذا ما يعمله الباحثون روتينيًّا من خلال تجريب ملايين التشكيلات من الببتيدات في البحث عن ببتيدٍ ذي نشاطٍ إنزيمي، والذي يمكن أن يُوجَد في بعضها ضمن مليون ببتيد. حالة إضافات الأحماض الأمينية الجديدة يمكن أن تستمر لحين الوصول إلى حالةٍ غيرِ قابلةٍ للانعكاس، وتُصبِح حالةً تقليديةً بهيئة إنزيمٍ أوَّلي أو إنزيم. هذه الحالة تكون عندما يتمكَّن هذا الإنزيم من مضاعفة نفسه؛ ومن ثم يخضع للتطوُّر الداروِني (McFadden, 2000).

هكذا يكون ميكانيك الكم ومن خلال ظواهر التماسُك والتراكُب والتسرُّب والتشابُك قد سرَّع بمقاييسَ هائلةٍ من البحث عن كل الاحتمالات، كما لاحظنا ذلك في عمل الإنزيمات وتضاعُف اﻟ DNA وانتقال الفوتونات في التركيب الضوئي وغيرها. وحسب Lloyd (2006) فإن كل التعقيد الذي نراه في أنفسنا وما حولنا من مجرَّات ونجوم وأحياء، هو نتاجُ البحث الكمومي للجُسيمات والذرات والجُزيئات في كونٍ هو حاسوبٌ كمومي. السؤال الملح الذي يمكن أن يبرُز هنا: لماذا لم تُفلِح التجارب المختبرية العديدة جدًّا والجارية منذ خمسينيات القرن العشرين في إيجاد متضاعفٍ أوَّلي مع أن ميكانيك الكم يبقى هو الحاكم للجُسيمات والذرات والجُزيئات المتفاعلة؟ الجواب هو أن ذلك يعود إلى عدم توافُق المكوِّنات والظروف والزمن الكافي للحصول على النتيجة المطلوبة، وأعتقد أن مزيدًا من المعرفة والتجارب وتجارب المحاكاة باستخدام الحاسوب الكمومي المرتقَب، يمكن أن تُقرِّب المسافة باستمرار نحو ذلك الهدف.

يعتقد Davies (2004) أن من غير الممكن صناعة الحياة من بعض الوصفات الكيميائية في أنبوبة الاختبار. لكن سيتم أخيرًا صنع الحياة اصطناعيًّا كناتجٍ عَرَضي لمعالجات المعلومات الكمومية والتقنية النانوية، وليس الكيمياء العضوية.

مع ذلك، تمكَّن فريق من الباحثين Ottelé et al., (2020) من العثور على متضاعفٍ ذاتي (شكل ١٥-١٢) ويظهر نشاط أيضي بتفاعل أدول قَهقَرى (retro-aldol reaction) وشطر مجاميع fluorenylmethoxycarbonyl والتحول الأخير يسلِّط تغذيةً عكسيةً موجبة على التضاعُف (أيض أول Protometabolism)؛ فهذا المتضاعف الذاتي والذاتي التنظيم، لا يتمكَّن من تحفيز تكوين ذاته فحسب، وإنما تحويلات كيميائية أخرى تختلف طبيعتُها عن تفاعُل تضاعُفه. إن المتضاعف الذاتي يتمكَّن من تكوين جُزيئات تقود إلى تكوين وحدات بناء المتضاعف، وبذلك يُسرِّع عملية التضاعُف. وهذه العملية تؤشِّر إلى بداية الأيض. وهكذا يخلُص الباحثون إلى أن التضاعُف والأيض وهما عمليتان مفتاحيتان في نشوء الحياة، يمكن أن تتكاملا ذاتيًّا، وتؤشِّرا إلى إمكانية خلق شكلٍ مختزلٍ من الحياة.