الحالة الكمومية تكمُن في تركيب جُزيئة اﻟ «دي إن إيه»

كما أشرنا سابقًا أن ارتباط القواعد النووية في جُزيئة اﻟ DNA يتم من خلال تكوين الأواصر الهيدروجينية، وأن العامل الحاسم في نُشوء هذه الأواصر هو مشاركة القاعدتَين النوويتَين المتقابلتَين بالبروتون. وكما نرى في الشكل ٥-٥ فإن الأواصر الهيدروجينية تمثَّل بخطوطٍ متقطِّعة لتوضيح أن مواقع البروتونات يمكن أن تكون على امتداداتِ هذه الخطوط المتقطِّعة. وكما يُلاحظ في الشكل فإن البروتون لا يكون في منتصف المسافة، بل أقرب إلى أحد الشريطَين دون الآخر. السبب في ذلك يرجع إلى أن البروتون هو جُسيمٌ ذرِّي يظهر حالة ازدواجية الجسيم – الموجة. وهكذا يمكن أن يتحرَّك البروتون كموجةٍ في المسافة بين ذرَّتَي النتروجين في الأدنين والأوكسجين في الثيامين على الشريط الآخر أو ذرة النتروجين في الثيامين على شريط وذرة النتروجين في الأدنين على الشريط الآخر. وإذا أخذنا مثال ازدواج الأدنين والثيامين في الشكل ٥-٥ (a)، فإن أحد البروتونَين سيكون أقرب إلى ذرة النتروجين في الأدنين والآخر أقرب إلى ذرة الأوكسجين في الثيامين مؤديًا إلى تكوين آصرتَين هيدروجينيتَين. لكن في الحالة الكمومية التي نُناقِشها ليس للبروتون موقعٌ ثابت؛ فهو يمكن أن يكون في جميع المواقع في الوقت نفسه، وهو أمرٌ تحدِّده الاحتمالات. وما عرضناه عن مواقع البروتونات في هذا المثال إنما يمثِّل الاحتمالاتِ الأرجح. مع ذلك لا يمكن استبعادُ الاحتمالات الضئيلة الأخرى التي تتطلَّب عملية اختراق (Tunneling). عدم التناظُر في موضع البروتونات هنا هو عاملٌ حاسمٌ في عمل جُزيئة اﻟ DNA (Johnjoe & Al-Khalili, 2014).

لو أن البروتونَين اللذَين يربطان القاعدتَين النوويتَين قفزا إلى الجانب الآخر من الآصرة الهيدروجينية، فسيكون كلٌّ منهما أقرب إلى القاعدة النووية المقابلة. هذا سيؤدي إلى تكوين شكلٍ بديلٍ لكل قاعدةٍ نووية يُسمَّى بالصنو أو التاوتومير (Tautomer) كما في الشكل ٥-٦. وهكذا كل قاعدةٍ نوويةٍ في اﻟ DNA يمكن أن تُوجد بصيغتها الاعتيادية الشائعة حسب ازدواج واتسون-كريك، وكذلك بصيغتها التاوتوميرية النادرة حيث تَعبُر بروتوناتها المشفَّرة إلى المواقع الجديدة. الحالة الأُولى ستُنتِج ازدواجًا طبيعيًّا للقواعد النووية، أما الحالة الثانية فستؤدي إلى ازدواجٍ غير طبيعي، فإذا حصل أنْ أدَّى انتقال البروتونات إلى تكوين الصيغ التاوتوميرية النادرة الحدوث للقواعد النووية أثناء عملية مضاعفة شريط اﻟ DNA، فسيتم تضمينُ القواعد النووية الخطأ في الشريط الجديد.

وهكذا يُمكِن أن يزدوج الثيامين التاوتوميري مع الكوانين بدلا من الأدنين، وبذلك سيضمن الكوانين في الشريط الجديد حيث كان أدنين في الشريط القديم. كذلك لو أن الأدنين هو في الصيغة التاوتوميرية أثناء تضاعُف اﻟ DNA، فإنه سيزدوج مع السايتوسين بدلا من الثيامين، وسيكون الشريط الجديد محتويًا على السايتوسين؛ حيث الشريط القديم يحتوي الثيامين. وفي الحالتَين ستحصُل طفرات تنتقل إلى الذَّرية. وحسب Johnjoe & Al-Khalili (2014)، فإن كشف Wang et al., (2011) من أن القواعد النووية التاوتوميرية يمكن أن تنتظم في الموقع الفعَّال للإنزيم DNApolymerase بحيث يمكن أن تضمن في شريط اﻟ DNA الجديد أثناء عملية التضاعُف وتسبب الطفرات، يدعم إمكانية تحقُّق التأثير الكمومي لبروتونات القواعد النووية. غير أن نسبة القواعد النووية التاوتوميرية ﻟﻠ DNA تساوي حوالي ٠٫٠١٪ من مجموع القواعد النووية فيها ستؤدي إلى نسبة خطأ أو طفراتٍ مماثلة (أي ١ / ١٠٠٠٠). هذه النسبة أكبر بكثيرٍ من نسبة الطفرات التلقائية الطبيعية التي تبلُغ واحدًا في المليار، ما يُسلِّط الشك على هذه الآليَّة في تفسير الطفرات. لكن تصحيح معظم الأخطاء بواسطة الإنزيم DNApolymerase يُبقي على القليل جدًّا منها، والتي تظهر بشكل طفرات، ما يُبقي المجال مفتوحًا أمام عمل هذه الآلية الكمومية.

وفي بحثٍ حديثٍ وباستخدام المحاكاة الحاسوبية وطرق ميكانيك الكَم ومعتبرين التداخُلات الجُزيئية والبيئية، بيَّن slocombe et al., (2021) أنَّ دَور الاختراق في زوج A–T التاوتاميري ﻟﻠ DNA أقل ترجيحًا بسبب صغرِ حاجزِ التفاعُل العكسي، لكنه يكون مرجَّحًا في زوج حيث يلعب دَورًا غيرَ عابرٍ في إحداث الطفرة النقطوية.

في جميع الأحياء يتم تكوين البروتينات بما فيها الإنزيمات عن طريق عملية النسخ  (Transcription) حيث يقوم الإنزيم RNApolymerase بعد الارتباط بالمحفِّز (Promoter) الذي يقع في مقدِّمة الجين أو مجموعة الجينات المكوِّنة لمشغل (Operon) بتكوين جُزيئة mRNA كنُسخةٍ متممةٍ لتتابُع القواعد النووية المشفِّرة للبروتين في الجين. تُتبع هذه العملية بالترجمة  (Translation) حيث ترتبط جُزيئة mRNA بالرايبوسوم وبمشاركة جُزيئات tRNA التي يحمل كلٌّ منها أحد الأحماض الأمينية الخاصة، وبخطواتٍ متتاليةٍ تتحد الأحماض الأمينية مُكوِّنةً سلسلةً من عديد الببتيد التي ستكوِّن البروتين حسب تسلسُل القواعد النووية في جُزيئة mRNA. إن هذه العملية خاضعةٌ لآلياتِ تنظيمٍ محكَمة؛ فباستثناء عددٍ محدودٍ من الجينات، والتي تُسمَّى جينات مدبِّرة المنزل  (House keeper genes) والتي يُعبر عنها باستمرار، بقية الجينات تشغل فقط حين الحاجة إلى نواتجها من البروتينات؛ ذلك يعود إلى ضبط اقتصاد الخلية، التي هي محدودة الموارد؛ فالبروتينات جُزيئاتٌ ضخمةٌ في الغالب تتطلَّب مواردَ جُزيئيةً وطاقيةً عالية؛ وعليه فإنها لا تنتج إلا عند الحاجة إليها. كما يجري تحليل الموجود منها إلى مكوِّناتها عند عدم الحاجة إليها لاستغلالها في بناء بروتيناتٍ جديدةٍ مطلوبة. كمثالٍ معروفٍ جيد هو مشغل لاك (lac Operon) (شكل ٥-٧) ويتألَّف من ثلاثة جيناتٍ متجاورةٍ هي lacZ وlacY وlacA تشترك بمحفِّز (Promoter) واحد، ويتم التعبيرُ عنها بتكوين ثلاثة بروتيناتٍ تشكل الإنزيم Beta-galactosidase الذي يتمكَّن من تحليل السكَّر الثنائي لاكتوز إلى السكَّرين الأحاديَّين كلوكوز وكالاكتوز؛ حيث تتمكَّن الخلية من استغلالهما في عملية التنفس. عدم وجود سُكَّر اللاكتوز في وسط نمو البكتيريا، يجعل مشغل لاك لا يعمل بسبب وجود مادةٍ كابحةٍ  (Suppressor) في المحفِّز، تمنع اتصال الإنزيم RNApolymerase بالمحفِّز، وبذلك تثبِّط عملية النسخ لتكوين الإنزيم Beta-galactosidase. توافُر سكَّر اللاكتوز في الوسط يجعل جُزيئات هذا السكَّر تُزيح جُزيئة المادة الكابحة من المحفِّز ويتمكَّن الإنزيم RNApolymerase من الاتصال بمحفِّز المشغِّل لاك والقيام بالتعبير الجيني وتكوين الإنزيم Beta-galactosidase، لتحليل اللاكتوز. من ناحيةٍ أخرى، فإن حصول طفرة في أحد جينات المشغِّل تُفقد الخليةَ القدرةَ على تكوين الإنزيم Beta-galactosidase وبالتالي تُفقِدها القدرة على النمو في وسطٍ غذائي، يكون فيه سكَّر اللاكتوز هو المصدر الوحيد للكاربون. وهكذا، حسب المبدأ المركزي في البيولوجيا الجُزيئية، المعلومات التي في اﻟ DNA تنساب باتجاهٍ واحدٍ عَبْر عملية النسخ إلى البروتينات، وإلى بيئة الخلية أو الكائن الحي. لكن ظهور طفراتٍ بكتيريةٍ مستحثَّة قادرة على النمو في وسطٍ يحتوي على اللاكتوز كمصدرٍ وحيدٍ للكاربون من سُلالةٍ فاقدةٍ للقدرة على استغلال سكَّر اللاكتوز، يُظهِر أن العامل البيئي وهنا هو اللاكتوز، قد حثَّ على ظهور الطفرة النافعة، التي مكَّنَت البكتيريا من النمو (Cairns et al., 1988). أي إن سيل المعلومات لا يكون باتجاهٍ واحدٍ فقط من اﻟ DNA باتجاه البيئة؛ وإنما بالاتجاه الآخر أيضًا من البيئة إلى اﻟ DNA. هذه الظاهرة تستند إلى مسلَّمة أنَّ البروتونات في القواعد النووية في جُزيئة اﻟ DNA للبكتيريا تسلك سلوكًا كموميًّا؛ فهي تكون في مواقعَ تجعل هذه القواعد النووية اعتيادية، أو أحيانًا تكون في مواقعَ تجعل القاعدة النووية تاوتوميرية. وحيث إنها في حالةِ تماسُكٍ كمومي فالبروتونات تُعاني حالة التراكُب وتكون في الحالتَين الاعتيادية والتاوتوميرية في الوقت نفسه. وجود اللاكتوز (باعتباره جزءًا من البيئة) سيعمل كمراقبٍ أو آلةِ قياسٍ ويؤدِّي إلى فك التماسُك وانهيار دالَّة الموجة، أما في الوضع الذي يكون فيه البروتون اعتياديًّا (وهنا لا تتمكَّن الخلايا من استغلال اللاكتوز لغرض النمو) وهو ما يحصُل في الغالب، أو في الوضع التاوتوميري أحيانًا، الذي تصبح فيه الخلايا طافرة وتتمكَّن من النمو على اللاكتوز (McFadden & Al-Khalili, 1999; 2014). في هذه العملية تُحوِّل جزيئات اللاكتوز الحالة الكمومية إلى حالةٍ تقليديةٍ متحقِّقة في الواقع.

اقترح Rieper et al., (2010) أن التشابُك الكمومي يلعبُ دورًا مهمًّا في ثبات شريطَي اﻟ DNA. وأكَّد باحثون حصولَ التشابُك الكمومي أيضًا في عمل جُزيئة اﻟ DNA؛ فحسب Mihelic (2013; 2019) فإن جُزيئة اﻟ DNA تعمل كمعالجٍ منطقيٍّ كمومي؛ فقد بيَّنَت أبحاثٌ سابقة عن مُقاومة محورِ جُزيئة اﻟ DNA لنقل الإلكترونات اختلافاتٍ كبيرةً في نتائجها؛ فأحدها بيَّن أنها غيرُ مُوصِّلة، وفي بحثٍ آخر أنها شبهُ موصِّلة، وآخر موصِّلة معدنية وآخر أنها فائقة التوصيل. هذا دفع الباحث لأن يعتبرها مؤشرًا لعمل المنطق الكمومي. وقد سبق أنْ تم توضيحُ وجودِ نقلٍ متماسك للإلكترونات طوليًّا على امتداد الجُزيئة من خلال تآثُرات تنضيد pi للقواعد النووية العطرية. كما تمَّ تبيانُ أن الإلكترونات المتحركة طوليًّا على امتداد الجُزيئة، تتعرَّض لعمليةٍ ترشيحٍ كفوءةٍ جدًّا لبَرمها المغزلي بسبب تآثُر لولبية الجُزيئة مع البَرم المغزلي للإلكترونات. وكان Göhler et al., (2011) قد بيَّن ترشيح البَرم المغزلي في جُزيئة اﻟ DNA، حيث إن حركة الإلكترونات على امتداد الجُزيئة الملتفَّة إلى اليمين لا تُعيق البَرم المغزلي الأسفل للإلكترونات، لكن البرم المغزلي الأعلى يثبط على امتداد حوالي ٢٠ نكليويدة. وهذا يعني حسب الباحث أن الإلكترونات تنقل كموميًّا على امتداد مرشَّح لفٍّ مغزلي كَفوءٍ جدًّا. وهنا يلعب عدم التناضُر المرآتي لذرَّتَي الكاربون ٢ و٣ لجُزيئة الرايبوز اللاأوكسجيني في كل نكليويدة ما يمكِّن كل نكليويدة لأن تعمل كبوابةٍ منطقية. وإن جُزيئة اﻟ DNA قابلةٌ للتعامُل مع عددٍ كبيرٍ من الكيوبتات وفي درجة حرارة الغرفة. التقلُّبات للمنظومة المنطقية الكمومية لجُزيئة اﻟ DNA تنشأ من تداخُل الجُزيئات الأخرى مثل البروتينات التي ترتبط باﻟ DNA وتحدث تغيُّرات تشاكُلية (طوبولوجية)، يتم تنسيقها بواسطة قدرات المعالجة المنطقية لجُزيئة اﻟ DNA.

وحسَب Mihelic (2019) فإن أزواج الإلكترونات المتشابكة كموميًّا يمكن أن تُفصل بواسطة ترشيح البَرم المغزلي، وتبقى متماسكةً كموميًّا في درجات الحرارة البيولوجية ضمن البوابات الكمومية للنكليوتيدة المعزولة حراريًّا، وأن تُضمَّن في أشرطةٍ DNA منفصلةٍ خلال تضاعُف اﻟ DNA. وهكذا يمكن لشريطَي DNA يشتركان بإلكتروناتٍ متشابكةٍ كموميًّا أن يعانيا انقسامًا خيطيًّا ويكونا في خلايا منفصلة، وبالتالي في مزرعتَين خلَويتَين منفصلتَين. وبيَّنَت التجارب الأولية أن نموذج اﻟ DNA الكمومي أظهر ارتباطاتٍ في اللااستقطابية بين مزارعِ خلايا عصبيةٍ منفصلة.

وبيَّن Hubač et al., (2017) حصول ظاهرة التشابك الكمومي بين القواعد النووية في جُزيئة اﻟ DNA وبالإضافة إلى المعلومات التقليدية المعروفة في هذه الجُزيئة، ثمَّة معلوماتٌ كمومية وهما مرتبطان معًا. وأبرز الباحثون أهمية القواعد النووية في التتابُعات المشفرة وغير المشفرة، واعتبروا لها قيمة إنتروبي المعلومات الكمومية ومجموع تتابُعات الإنتروبي الكمومي هذه تشكِّل المعلومات الكمومية في اﻟ DNA. وانطلاقًا من مبدأ أن الإنتروبي مقياسٌ مهم لتعقيد المنظومة، وحيث إن الجزء غير المشفر للبروتين يزداد كثيرًا مع درجة تعقيد الكائن الحي، ويصل إلى ٩٨٪ في الإنسان، فإن كمية المعلومات الكمومية ﻟﻠ DNA تزداد مع زيادة تعقيد الكائن الحي وتنوُّعه.