بيولوجيا الكَم

النُّظُم البيولوجية هي منظوماتٌ مفتوحة، يتوجَّب أن تُرفَد بالطاقة باستمرار للمحافظة على حالة اللاتوازن التي هي ضرورية للحياة. غير أن المنظومات المفتوحة ومنها المنظومة البيولوجية تكون حارةً ورطبةً وضوضائية (لاكتظاظها بالجُزيئات المختلفة) وبالتالي ستكون معرَّضةً للتقلُّبات البيئية، والتي تؤدي إلى فك التماسُك الكمومي سريعًا وتثبيط الظواهر الكمومية. وهكذا يبدو للوهلة الأُولى عدم إمكانية عمل الظواهر الكمومية في البيولوجيا. غير أن ثمَّة دلائل تشير إلى عكس ذلك؛ فالتراكيب البيولوجية الفعَّالة كالبروتينات والأحماض النووية وعلى المستوى الجُزيئي عمومًا، تحصُل التفاعلات والفعاليات البيولوجية بسرعةٍ فائقةٍ تُقاس بالبيكوثانية والفمتوثانية، وفي أبعادٍ نانوية؛ وبالتالي يمكن أن تحصُل معها الظواهر الكمومية قبل أن تتمكَّن البيئة من تحطيمها. وحسَب المعلومات الكمومية، فإن الضوضاء في المنظومات التي هي ليست في حالة التوازُن يمكن أن تدعم التماسُك والتشابُك الكمومي. وهكذا فإن الحركيات الكمومية ستتعزَّز من خلال تبادُل التأثير مع البيئة بما يُشجِّعها أو يُولِّدها. والمسألة الواجب التحقُّق منها ما إذا كانت الطبيعة قد وظَّفَت الظواهر الكمومية كآلياتٍ غيرِ عابرة، وعملُها لا يمكن تفاديه، وهي ليست مجرَّد ناتجٍ ثانويٍّ عن عمل الظواهر الكمومية على مستوى الأواصر الكيميائية.

البيولوجي والحركية والنقل. من المؤكَّد أن المنظومات البيولوجية تراكيبُ حركيةٌ تتطلب التزوُّد بالطاقة والتخلُّص من الإنتروبي، للحفاظ على حالة اللاتوازن المطلوبة. هذا يستدعي عمليات نقلٍ بضمنها نقل طاقة التهييج والجُسيمات.

الخواصُّ الكمومية والفوائد. تتميَّز الظواهر الكمومية بالعديد من الخواص التي تميِّزها عن الظواهر الفيزيائية التقليدية، والتي يمكن أن تُحسِّن من الوظائف البيولوجية. تشمل هذه ظاهرتَي التماسُك الكمومي والتداخُل، التي تُفرِزها الخاصية الموجية للجُسيمات تحت الذرية والتي تُسرِّع العمليات. كما تُوفِّر حالة التشابُك الكمومي حساسيةً أكثر للإشارات الخارجية. كما تُوفِّر حالة التجزُّؤ أو كمومية الطاقة من حصول تردُّداتٍ اهتزازيةٍ تُمكِّن من بناء أدواتِ تحسُّس.

منظوماتٌ كموميةٌ مفتوحة. المنظومات البيولوجية منظوماتٌ مفتوحةٌ على اتصال مع البيئة، في الوقت الذي تكون التقلُّبات الحرارية للبيئة نافعةً لتسيير التفاعُلات الكيميائية وتشكل (انثناءات) البروتينات، فإن فوائد اتصال المنظومات البيولوجية والبيئة تكون أقل وضوحًا في العالم الكمومي؛ حيث ستبرزُ حالات فك التماسُك. ولكن وُجد أن التآثُر بين المنظومة البيولوجية والبيئة يمكن أن يُوجِد حالاتٍ كموميةً كالتماسُك والتشابُك، كما توضح في التركيب الضوئي. معرفة آليات حصول مثل هذه الخواصِّ الكمومية في عمليات النقل والعمل الإشاري والتحسُّس سيكون ذا فائدةٍ كبيرة.

البيئة مركَّبة التأثير. البيئة ليست سلبية في التأثير على المنظومات البيولوجية؛ فالبيئة تُظهِر نوعَين رئيسَين من التأثيرات على المنظومة البيولوجية؛ خلفية ناعمة عريضة ذات ذاكرةٍ قصيرةٍ وتتآثَر مع المنظومة البيولوجية من خلال تقلُّباتها، مسببةً ضوضاء وحالاتٍ محدَّدةً تشبه حركةً اهتزازيةً طويلة المدى، يمكن أن تقود إلى تبادُلٍ حركيٍّ غير متوازن شِبه متماسِكٍ بين المنظومة والبيئة. هذه الخلفية الناعمة تعود في الغالب إلى بيئة البروتين وعمليات الضوضاء الناشئة عن المذيبات، بينما المظاهر الحادة يمكن أن تتسبَّب من اهتزاز الجُزيئات الموجودة في سقالاتِ البروتين. هذه الخواص تختلف عن البيئة التي تُدرس عادةً في التقنيات الكمومية، وتكشف عن تأثيراتٍ غيرِ عابرة، والتي اكتُشفَت من قِبل الطبيعة وتتطلَّب دراسةً جدِّية.

حالة اللاتوازن والتأثير العكسي. العديد من العمليات المهمة لبيولوجيا الكَم تُحفَّز بالتكوين المفاجئ لإثارةٍ أوليةٍ كمثل الطاقة الكمومية، التي يتوجَّب نقلُها والتي تُبعِد المنظومة عن حالة التوازن. ونتيجةً لهذه الإثارة المفاجئة لا المنظومة ولا البيئة ستبقيان ثابتتَين. حركياتُ اللاتوازن هذه ستؤدِّي إلى اضطراباتٍ بيئيةٍ مصدرها المنظومة، وتأثيرٍ عكسيٍّ من البيئة ذاتها على المنظومة، وبذلك يحصُل تبادُلٌ حركيٌّ بين المنظومة والبيئة. وإذا كانت الاضطرابات البيئية تخُص الخلفية الناعمة العريضة فسترجع بصورةٍ سريعةٍ جدًّا إلى حالة التوازن بسبب ذاكرتها القصيرة. أما إذا أُثيرَت حالةٌ حادةٌ مرتبطة بنمط اهتزازاتٍ طويلةِ الأمد، فستؤدي إلى حركةٍ شبهِ متماسكةٍ طويلةِ الأمد للبيئة، مع احتمال قدْحِ تبادُلٍ شِبهِ مُتماسكٍ مع المنظومة. هذا وغيره من تبادُل اللاتوازن بين المنظومة والبيئة، يمكن أن يكون له تأثيراتٌ مهمةٌ على حركيات المنظومة واتجاه نقل الطاقة، كما يمكن أن يؤدي إلى حصولِ تماسُكٍ كموميٍّ طويل الأمد في المنظومة.