الفيزياء

الحمض النووي DNA
ليس مجرد شيفرة وراثية تحفظ الصفات، بل جزيء بُني على أسس دقيقة من قوانين الفيزياء.
من شكله الحلزوني إلى طريقة تفاعله، كل جزء فيه يخضع لحسابات محكمة تتكامل فيها القوى، الطاقة، والاحتمال.
وكلما تعمقنا في هذه التفاصيل، ظهر لنا بوضوح أن هذا النظام ليس فقط معقدًا، بل مصممًا بعناية فائقة تدعو للتفكر والإعجاب بعظمة الخالق.
سبحان { الذي خلق فسوى • وقدّر فهدى }
اولًا . القوى البنيوية للحمض النووي
الحمض النووي يتكوّن من سلسلتين متقابلتين، تلتفّان حول بعضهما لتُشكّلا ما يُعرف بـ “الحلزون المزدوج”.
بين القواعد النيتروجينية في كل سلسلة، تنشأ روابط هيدروجينية تُمسك الجزيء معًا.
ورغم أن هذه الروابط أضعف من الروابط التساهمية، إلا أنها ليست “هشة” كما قد يُفهم من وصفها بالضعف.
بل هي مثالية لوظيفة الحمض النووي: قوية بما يكفي لتُبقي السلسلتين متماسكتين، لكنها قابلة للفك بسهولة عند الحاجة لنسخ أو إصلاح الشيفرة.
وهذا هو ما يمنح الحمض النووي المرونة الوظيفية دون التضحية بالثبات البنيوي.
إلى جانب ذلك، تتكدّس القواعد النيتروجينية فوق بعضها في ترتيب رأسي، يُثبّت عبر قوى فان دير فالس.
هذه القوى الناتجة عن اضطرابات لحظية في توزّع الشحنات تضيف طبقة من الثبات والتماسك.
فكر فيها كنوع من “التلاصق الصامت” بين القواعد، يُعزز صلابة البنية من دون تدخل كيميائي مباشر، ويمنع القواعد من الانزلاق أو التشوّه أثناء الانفتاح والانغلاق.
ثانيًا . الديناميكا الحرارية والطاقة
أي عملية تحدث داخل الحمض النووي مثل النسخ أو التضاعف لا تحدث دون طاقة.
وهنا يأتي دور الديناميكا الحرارية، التي تشرح لنا كيف تُستهلك الطاقة وتُحوَّل من شكل إلى آخر.
لفصل سلسلتي الـDNA، تحتاج الخلية إلى طاقة لفك الروابط، وتستمدّ هذه الطاقة من جزيئات مثل ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات)، وهو جزيء يُخزن الطاقة في روابطه الكيميائية.
وعند كسر إحدى روابطه، يُطلِق طاقة تستخدمها الخلية لأداء المهام.
لكن كيف تقرر الفيزياء إن كان التفاعل “يستحق” أن يحدث؟
ذلك يعتمد على تغيّر الطاقة الحرة (ΔG)، وهو مقياس للطاقة المتاحة بعد خصم الطاقة المفقودة في الحرارة أو التشتت.
• إذا كان ΔG سالبًا، فإن التفاعل يحدث تلقائيًا أي أن الناتج أكثر استقرارًا من المواد الداخلة.
• أما إذا كان موجبًا، فالخلية تحتاج إلى إدخال طاقة إضافية.
بهذا الشكل، لا تحدث التفاعلات داخل الحمض النووي عشوائيًا، بل تخضع لقوانين محسوبة تُراعي الكفاءة، التوقيت، والتوازن الحراري.
ثالثًا . ميكانيكا الكم
الروابط بين القواعد النيتروجينية، وحتى توزيع الإلكترونات داخل الجزيء، لا يمكن فهمها بالكامل إلا من خلال ميكانيكا الكم.
في هذا النموذج، الإلكترونات لا تتحرك في مدارات ثابتة كما في الصور الكلاسيكية، بل توجد في سُحب احتمالية تُعرف بالسُحب الإلكترونية.
هذه السُحب تحدد شكل الروابط، قوتها، ومسافاتها وبالتالي تتحكم في استقرار الحمض النووي وقدرته على حفظ الشيفرة.
الميكانيكا الكمومية هنا تُفسّر سلوك الإلكترونات بدقة متناهية:
• تشرح كيف ولماذا تنشأ الروابط الهيدروجينية بالضبط بين الأدينين والثايمين، أو بين الجوانين والسيتوسين.
• وتُظهر كيف أن استقرار هذه الروابط يعتمد على توزيع الإلكترونات، الذي يخضع لقوانين الاحتمال لا الحتمية.
لكن كيف يحدث ذلك؟
كل قاعدة نيتروجينية تحتوي على ذرات ذات توزيع شحنات معين، والإلكترونات تدور حولها في سُحب احتمالية.
عندما تقترب قاعدتان متقابلتان (مثل A وT)، يتوافق شكل سحب الإلكترونات في كل منهما بحيث تسمح بحدوث تجاذب كهربائي دقيق بين الهيدروجين وذرات الأوكسجين أو النيتروجين في الأخرى — وهنا تتشكل الرابطة الهيدروجينية.
هذا التجاذب يحدث فقط إذا كانت الظروف الكمومية (مثل الطاقة والموقع والاتجاه) متوافقة بشكل مثالي، مما يجعل هذه الروابط تجليًا حيًا لاحتمالات ميكانيكا الكم.
لكن ماذا لو تعرضت هذه الإلكترونات لتأثير خارجي مثل إشعاع فوق بنفسجي، أو حرارة مفرطة؟
• قد ينتقل إلكترون من مدار إلى آخر، أو يتغير توزيع شحنته.
• هذا التغير الطفيف يمكن أن يُضعف الرابطة بين القواعد، أو يُحدث تغيّرًا في القاعدة نفسها.
• وإذا حدث أثناء النسخ، فقد تدخل قاعدة خاطئة، ما يُسبب طفرة تغيير دائم في الشيفرة الوراثية.
حتى تغير صغير في مستوى الطاقة الكمومية قد يقلب استقرار الحمض النووي رأسًا على عقب.
رابعًا . الفيزياء الجزيئية
غالبًا ما نتخيل الجزيئات كأجسام جامدة، لكن الحمض النووي مرن بشكل مذهل. يستطيع أن ينثني ويلتوي ويلتفّ حول نفسه آلاف المرات، ويتكدّس داخل نواة لا يتجاوز قطرها بضعة ميكرونات (الميكرون = واحد من مليون من المتر).
هذه المرونة ليست عشوائية، بل تنتج من طبيعة الروابط، والزوايا بين القواعد، وتفاعل الجزيء مع بروتينات مثل الهيستونات، التي تلتف حولها خيوط الحمض النووي بدقة بالغة.
وأثناء التكديس، يخضع الحمض النووي لسلوكيات فيزيائية مادية مثل:
• الانضغاط: قدرة الجزيء على تقليل حجمه تحت الضغط دون أن ينكسر.
• الارتداد: رجوع الجزيء إلى شكله الأصلي بعد إزالة الضغط.
هذه السلوكيات يُمكن نمذجتها كما نفعل مع السوائل والمواد المطاطية، ما يُظهر لنا أن جزيء الحياة هذا، في جوهره، مادة فيزيائية مرنة لها خصائص ميكانيكية يمكن التنبؤ بها .
خامسًا . الفيزياء الضوئية
لفهم شكل الحمض النووي قبل وجود المجاهر المتطورة، لجأ العلماء إلى أدوات الفيزياء الضوئية، وتحديدًا حيود الأشعة السينية
وهي تقنية تعتمد على تسليط شعاع سيني على جزيء، ثم تسجيل نمط انحراف الأشعة الناتجة.
عندما تضرب الأشعة الذرات في الحمض النووي، تنكسر وتُشتت بزاويا معينة.
هذه الزوايا تُرسم كنمط ضوئي على لوحة تصوير، ويُسمى هذا النمط بـ “نمط الحيود”.
• من خلال تحليل تكرار النقاط والفراغات فيه، يستطيع الفيزيائيون استنتاج المسافات بين الذرات، الزوايا الحلزونية، وعدد التكرارات في كل دورة لولبية.
• الصورة 51 الشهيرة التي التقطتها روزاليند فرانكلين كانت نتيجة لهذا النمط، وأظهرت بوضوح تناسقًا حلزونيًا أي أن البنية فيها تكرار، تماثل، وثوابت مكانية دقيقة.
الفيزياء الضوئية هنا كانت المفتاح لفك شفرة الشكل، من خلال الضوء، لا الرؤية عبر تفسير كيف تسلك الأشعة عندما “تتحدث” مع الذرات عبر التشتت والحيود والانكسار .
سادسًا . التكامل بين البنية والوظيفة قد يتساءل القارئ:
ما علاقة الفيزياء بكل هذا؟ أليس الحمض النووي بيولوجيا بحتة؟
لكن الحقيقة أن البيولوجيا الحديثة وُلدت من رحم الفيزياء.
فالميكروسكوبات التي نرى بها، والأشعة التي نحلل بها، والطاقة التي تُحرّك الخلية كلها فيزيائية.
الحمض النووي مثال نادر على تكامل مذهل بين الشكل والوظيفة
لكن الأروع هو أن هذا التكامل لم يأتِ من الصدفة، بل تطور ليُحقق التوافق الأمثل بين الطاقة، القوة، والاستقرار.
الفيزياء، بكل فروعها، تساعدنا على فهم كيف تتفاعل هذه “التروس” معًا، وتشرح كيف يمكن لهذا النظام أن يُصلح نفسه، يُضاعف نفسه، ويضمن بقاء الحياة من جيل إلى آخر.
• فـ الديناميكا الحرارية تفسر كيف يُقرر الجزيء متى يستهلك الطاقة ومتى يحتفظ بها.
• وميكانيكا الكم تشرح أدق التغيرات التي قد تُفضي إلى طفرة أو تصحيح تلقائي.
• والميكانيكا الجزيئية توضح كيف تُرتب الخلية الحمض النووي، وتفككه وتعيد لفّه دون أن يتلف.
• والفيزياء الضوئية تتيح لنا رؤيته وتحليله حتى لو لم نكن نراه مباشرة.
هذا التكامل لا يدل فقط على عظمة التصميم، بل يُعيد توجيه بصرنا وبصيرتنا إلى بديع صنع الله
الذي خلق فسوى، وأعطى كل شيء خلقه ثم هدى.
ختامًا
عبر عدسة الفيزياء، لا نرى الحمض النووي كجزيء صامت، بل كآلة تنبض بالحسابات، بالتوازن، بالاستجابة الذكية.
إنه ليس مجرد جزيء، بل قصة كُتبت بلغة القوانين الطبيعية، وفُهمت بلغة الفيزياء.