الثلج والتنظيم الذاتي ونشوء الحياة
هذا المقال محاولة متواضعة جديدة لتبسيط موضوع بغاية التعقيد. موضوع الحياة.
كل يوم أسأل نفسي الكثير الكثير من الأسئلة حول نشأة الحياة وكيف لهذه الظاهرة الكيميائية أن تبدأ وتستمر لمليارات السنين. طبعاً هذا المقال لا يرتقي لمستوى الإجابة عن هذا السؤال لكن هدفي هنا هو شرح ظاهرة التنظيم الذاتي.
كيف لأشكال بغاية التعقيد والانسيابية أن تنشأ بمفردها دون أي قوة تنظم عملها؟
في الواقع يوجد أكثر من قوة تنظم هذا العمل ولكنها ليست قوى سحرية ماورائية وإنما قوانين فيزيائية ناتجة عن علاقات الذرات فيما بينها.
سأستخدم ندفة الثلج كمثال لشرح كيف تتشكل أشكال بلورات الثلج الجميلة من خلال قوانين بسيطة وعلاقات فيزيائية تنتج عنها هذا الأشكال السداسية الانسيابية التي نرى فيها بلورات الثلج.
بلورة الثلج معروفة بشكلها السداسي المتناسق من ٦ فروع، اخترت مثال بلورة الثلج لتفسير التنظيم الذاتي لأن هذه الظاهرة أهم مميزات الحياة وفهم شرط أساسي في بحث بدايات الحياة.
كثيراً ما يتم طرح مغالطة حول كيف ممكن لظاهرة منتظمة أن تنشأ عن طريق الصدفة، لكن في الواقع هذه المغالطة سببها عدم فهم العوامل التي تؤدي لظهور الظاهرة، والاعتقاد الشائع بوجود شيء اسمه صدفة.
الصدفة ليست شيء موضوعي موجود في الكون، وإنما توصيف بشري لترابط بين حدثين دون وجود مسبب مشترك بينهما، لكن في الواقع الشعور بأن الصدف هي شيء نادر الحدوث يعود لمحدودية المعلومات المتوفرة لدينا، كلما زادت كمية المعلومات المتوفرة لدينا كلما ظهرت النسب الحقيقة لوقوع الحدث، وبالتالي تبدد الشعور البشري بأن الصدفة شيء مميز أو خارج عن المألوف، الصدفة تعبير بشري لمحدودية معارفنا فيما يتعلق باحتماليات وقوع الأحداث.
ماذا يعني تنظيم ذاتي؟
التنظيم الذاتي هو ظهور لانتظام معين ضمن الطبيعة بشكل ذاتي من ضمن النظام ذاته، ودون وجود قوة خارجية تقود عملية التنظيم.
جميع بلورات الثلج لها ٦ أضلاع بشكل متناسق بزوايا متساوية بشكل دقيق (شكل سداسي) كل زاوية لها فرع تمتد منه فروع أخرى.
لكن لماذا هذا الشكل بالذات لهذه البلورات الثلجية وكيف تنظم نفسها بنفسها بهذه الدقة ودون خطأ في كل مرة؟
كل بلورة ثلج تختلف عن الأخرى من حيث التفاصيل، لكن جميعها متطابق من حيث الهيكلية الأساسية.
كيف لهذه البلورات معرفة كيف تشكل نفسها بنفسها دون أي خطأ؟ فهم تشكل بلورة الثلج يستوجب فهم العوامل الفيزيائية التي تؤثر على جزيئات الماء التي تتشكل منها بلورة الثلج ومعاينتها من منظور الديناميكية الحرارية والإنتروبي وعوامل ترابط الذرات مع بعضها البعض.
خوفاً من ألا يكون جميع القراء على نفس السوية المعرفية أشعر أنه يجب شرح بعض المفاهيم الأساسية، بداية سأقوم بشرح ما هو جزيء الماء ومما يتشكل ثم سأقوم بشرح عملية الترابط الكيمائي التي تربط جزئيات الماء مع بعضها البعض، ثم سأنتقل لموضوع الطاقة وعلاقة الديناميكية الحرارية التي تؤثر في جزيئات الماء لتجعلها صلبة، في الخاتمة سأقوم بشرح كيف تتشكل ندفة الثلج، في المحور المقابل سأقوم بربط العوامل الفيزيائية المؤثرة بتشكل الثلج مع نفس العوامل وعلاقتها في فرضية بدايات الحياة ومنها أسلط الضوء على مفهوم التنظيم الذاتي وأهميته في فهم لغز الحياة.
بداية ما هو جزيء الماء:
جزيء الماء يتألف من ذرتين من الهيدروجين وذرة من الأوكسيجين.
ذرة الأوكسجين تتألف من نواة فيها ٨ بروتونات موجبة ومن ٨ الكترونات (سالبة) تحوم (تتواجد) حول النواة.
ذرة الهيدروجين تتألف من نواة والكترون (سالب) وحيد يحوم (يتواجد) حول النواة.
الالكترونات تكون مستقرة ضمن الذرة عندما يكون عددها ٢ أو ١٠ أو ١٨ أو ٣٦ أو ٥٤ أو ٨٦ لهذا هي “تسعى” دائماً للوصول لهذه الأرقام السحرية في علاقات ترابطها مع الذرات الأخرى. يعني أن الذرات التي لديها ٨ الكترونات تريد أن تحصل على المزيد من الإلكترونات لأن رقم ١٠ هو أقرب رقم استقرار بالنسبة لها، والذرات التي لديها الكترون واحد تبحث عن الكترون إضافي للوصول رقم ٢ وهكذا.
أنا أستخدم كلمة تسعى بشكل مجازي، وسبب هذا التوجه لدى الإلكترونات يعود لقوانين استقرار الطاقة وانتقالها لأقل مستوى منخفض.
مثلاً عندما نضع كرة في أعلى الجبل، نجد أن الكرة تتدحرج نحو الأسفل، نحن نقول أن هذه الكرة تتجه نحو الأسفل بسبب الجاذبية، لكن في قول آخر الكرة تبحث عن الحالة ذات المستوى الأقل من الطاقة الكامنة. الكرة تصرف طاقة الجاذبية وتستقر بهذه الحالة لأنها المستوى الأقل الممكن من الطاقة، إذاً الذرات دائماً تتجه نحو الحالة الأقل من الطاقة، الطاقة دائماً تجري من الأعلى إلى الأسفل، من الانتظام إلى الفوضى، من الحار إلى البارد.
فهم هذا القانون الفيزيائي مهم جداً لفهم الأنظمة المعقدة التي قد تنشأ من ظواهر بسيطة، و هذا القانون يسمى بالقانون الثاني من الديناميكية الحرارية، هذا القانون يمكن أن نشرح من خلاله سهم الوقت أيضاً، إذا أن الوقت هو تجربتنا الشخصية لعملية انتقال الطاقة من الانتظام نحو الفوضى تدحرج الكرة من أعلى الجبل إلى أسفله. (سأقوم بشرح هذه الفكرة بمقال مستقل).
حسناً لنعود لبلورات الثلج.
لماذا هذا الشكل السداسي المتناسق بزواياه المتساوية والمتطابقة؟
ذرة الأوكسجين لديها ٨ الكترونات ولهذا هي “تسعى” للوصول إلى أقرب رقم سحري لها وهو ١٠.
إذاً تبحث عن إلكترونين إضافيين ينضموا إلى الكتروناتها الثمانية.
الهيدروجين لديه الكترون وحيد ويسعى إلى الوصول إلى أقرب رقم سحري منه وهو ٢، هذا يوحّد أهداف هاتين الذرتين فتتجمع ذرتين من الهيدروجين مع ذرة من الأوكسجين ويكون لدينا جزيء الماء.
الماء من المركبات التي يتميز بأن حالته الصلبة أقل كثافة من حالته السائلة، على عكس بقية المركبات التي تكون حالتها الصلبة أكثر كثافة من حالتها السائلة. (الحديد الصلب أكثر كثافة من الحديد السائل).
شكل جزيء الماء عبارة عن كرة كبيرة (ذرة الأوكسجين ٨) وكرتين صغيرتين (الهيدروجين ١&١).
عندما يكون الماء بحالته السائلة تكون الكترونات الهيدروجين مشتركة من قبل ذرة الأوكسجين. حرارة الجزيء مرتبطة بمدى تحفيز الإلكترونات وبالتالي الحالة السائلة بالنسبة للماء (حرارة فوق الصفر المئوي) تعني أن الكترونات الجزيء محفزة بشكل كبير وتتحرك بسرعة مما يعطيها الخصائص التي نعرفها عن الماء السائل كالمرونة وسهولة فصل المركبات عن بعضها البعض.
عندما يبرد جزيء الماء تحت درجة الصفر المئوي تنخفض درجة تحفيز الإلكترونات لدرجة تمكن جزيء الماء من الترابط مع جزيئات ماء أخرى عبر عملية نسميها الترابط الهيدروجيني. هذا يعني أن الالكترونات التي تحوم حول الأوكسجين أصبحت أقل حركة وبالتالي يمكنها الترابط مع بعضها البعض بشكل أصلب من الحالة السائلة.
مركب الماء وميكي ماوس:
شكل مركب الماء يشبه صورة رأس ميكي ماوس، دائرة كبيرة (الأوكسيجين) مع دائرتين صغيرتين (الهيدروجين) حيث تمثل ذرة الأوكسيجين الرأس والهيدروجين هما الأذنتين.
ذرتي الهيدروجين المترابطتين مع الأوكسجين يشاركان إلكترونهم الوحيد مع الأوكسجين لكن بسبب كبر حجم الأوكسجين فإن توازن الشحنات بين الذرات يكون لمصلحة الأوكسجين، هذا يعني أن الهيدروجين على الرغم من تشاركه مع الأوكسيجين بالإلكترون إلا أنه شحنته أقل سلبية من الأوكسجين بسبب خسارته لإلكترونه السالب لمصلحة الأوكسجين، والأوكسجين بسبب كبر حجمه بالنسبة للهيدروجين فهو سعيد بسحب إلكترونات الهيدروجين ويكون أكثر سلبية، لكن هذا يؤدي إلى تكتل الهيدروجين على طرف والأوكسجين على الطرف الآخر (لكي يتشكل رأس ميكي ماوس). المسافة بين ذرتي الهيدروجين هي دائماً نفسها بسبب تأثير تنافر الشحنات الكهربائية بين ذرتي الهيدروجين التي خسرتا الكتروناتها، وبالتالي نجد ان مركب الماء دائماً له ذرة أوكسيجين وذرتي هيدروجين ضمن زاوية تساوي ١٠٤,٥ درجة (زاوية منفرجة بالنسبة للأوكسجين).
حسناً أعلم أني قدمت الكثير من المعلومات لهذا دعونا نلخص الفكرة الأساسية.
شكل جزيء الماء دائماً نفسه بسبب قوى فيزيائية تحكم علاقات الذرات مع بعضها البعض ضمن الجزيء، هذا الجزيء عبارة عن كرة كبيرة مرتبطة معها كرتين أصغر ضمن زاوية بقيمة ١٠٤,٥. هذا يعني أن ترابط جزيئات الماء مع بعضها البعض سيكون ضمن زاويا ١٠٤,٥ دائماً بسبب موقع ذرات الهيدروجين بالنسبة لذرة الأوكسيجين.
حسناً لنضع هذه المعلومة جانباً.
لنعود لموضوع الثلج. بلورة الثلج الواحدة عبارة عن مجموعة من العديد من جزيئات الماء، هذه الجزيئات مرتبطة مع بعضها البعض عن طريق ترابط بين إلكترونات ذرات الهيدروجين الموجودة ضمن المركب. تخيل رأس ميكي ماوس مرتبط مع رأس ميكي ماوس آخر مرتبط مع رأس ميكي ماوس إضافي إلا أن يتشكل لدينا شكل سداسي.
كل رأس ميكي ماوس يمثل مركب ماء (H2O). كل أذن من أذان ميكي ماوس مرتبطة مع الأذن المجاورة لها وهكذا يتشكل لدينا شكل سداسي.
ذكرت سابقاً ان تموضع ذرات الهيدروجين ضمن كل جزيء ماء هي بزاوية ١٠٤,٥ بالنسبة لذرة الأوكسجين، هذا يعني أن شكل بلورة الثلج عبارة عن جزيء ماء موصول بجزيء ماء آخر بجزيء ماء آخر بجزيء ماء آخر، تماسك بلورة الثلج يعود لانخفاض مستوى الطاقة ضمن الكترونات جزيئات الماء أو ما نسميه نحن درجة تجمد الماء، ترابط هذه الجزيئات ضمن درجة حرارة معينة على أساس زاوية ١٠٤,٥ يعطي هذا الشكل السداسي لبلورات الثلج.
لماذا تتوسع بلورة الثلج وتتفرع؟
القانون الثاني للديناميكية الحرارية يفيد بأن الطاقة دائماً تنتقل من الحار إلى البارد، لنبدأً من الشكل السداسي الذي وصلنا إليه حتى الآن، عندما تكون درجة الحرارة المحيطة بالمركب السداسي لجزيئات الماء تبدأ الحرارة بتنفيذ القانون الثاني للديناميكية الحرارية وتبدأ الطاقة بالانتقال من مركب الماء نحو الخارج، هذه العملية ينتج عنها نتوء في مكان خروج الطاقة إلى الخارج، مكان النتوء هذا هو النقطة الأسهل لانتقال الطاقة فتستمر العملية وينتج لدينا عملية تغذية رجعية إيجابية (Positive feedback) حيث أن كل ما زاد طول النتوء كلما كان هذا المكان هو النقطة الملائمة لتبادل الطاقة الحرارية وهكذا ينمو الشكل السداسي على شكل دنفات الثلج المتعارف عليها.
كيف تعرف أذرع ندفة الثلج كيف هو شكل أخواتها الخمس الأخرى لكي تشكل نفسها بنفس الشكل؟
في الواقع الظواهر الفيزيائية التي تؤثر على أذرع ندفة الثلج هي نفسها، و بالتالي ينشأ هذا التناسق.
كل ندفة من الثلج تتصف بتناسق بين كل أطرافها وأقسامها، لأن العوامل التي تؤثر على نشوء ونمو بلورة الثلج هي ذاتها.
تبدأ العملية من ترابط ذرة الأوكسجين مع ذرتي الهيدروجين ثم تقوم هذه الذرات برقصة فيزيائية بناء على القيم الفيزيائية التي تربط شحناتها فتترابط مع بعضها البعض ضمن ترابط هيدروجيني. ينتج عن هذه الرقصة شكل سداسي متناسق لأن جميع مركبات هذا الجسم لها نفس القيم الفيزيائية ونفس التفاعل مع القوانين الكونية، بعدها و بسبب الديناميكية الحرارية في هذا الكون تبدأ عملية تبادل حراري تقوم بتجميد زوايا الشكل السداسي، مركبات الماء الأخرى تترابط مع زوايا هذا الشكل السداسي ثم تقوم بتكرار عملية التبادل الحراري وتستمر العملية ضمن تغذية رجعية إيجابيه.
أشكال ندفات الثلج تختلف بناء على الظروف الخارجية (درجة الحرارة ونسبة الرطوبة الخ) لكن القاعدة الأساسية التي تقود التنظيم الذاتي هي نفسها.
تشكل الحياة:
اخترت مثال تشكل ندفات الثلج لتوضيح فكرة التنظيم الذاتي لكي أتطرق بهذه الفكرة وأربطها مع ظاهرة نشوء الحياة، نحن لا نعلم الكثير عن العوامل التي أدت لنشوء الحياة وكيف حدثت هذه الظاهرة، لكن ما نعرفه أن هذه الظاهرة عليها أن تبدأ مرة واحدة فقط طالما أن أحد خاصيات هذه الظاهرة هي نسخ نفسها بنفسها، كل ندفة من الثلج تحمل معلومات معينة توَصّفها من الناحية الفيزيائية مثل كتلة ذرة الأوكسجين + كتلة ذرتي الهيدروجين والحالة النووية لها (هل تحتوي نيوترون في نواتها فيصبح ماء ثقيل مثلاً)، طبعاً المعلومات ليست بنفس تعقيد المعلومات التي يجب أن يتم تناقلها لاستمرار الحياة لكن قد تكون العملية شبيهة، ظهور تنظيم ذاتي قادر على نسخ نفسه بنفسه قابل أن يتغير بناء على المعطيات الفيزيائية المحيطة به سينُتج لنا كيان حي، فهم بداية الحياة يستوجب أن نبحث من ضمن هذا المنظور. منظور التنظيم الذاتي وعلاقات تدفق الطاقة ضمن تغذية رجعية إيجابية.
بكل تواضع أقول أن هذا المقال لا يرتقي ولا يقترب من وضع فرضية لبدايات الحياة لكن أتمنى أن يكون قد سلط الضوء على ظاهرة التنظيم الذاتي ودحض السؤال المشهور “هل نشأت الحياة عن طريق الصدفة؟” المبني على عدة مغالطات منطقية.
نعم الحياة ممكن أن تبدأ ضمن انتظام ذاتي لأن كل ما يلزم أن تنجح هذه الظاهرة هي أن تبدأ بنجاح مرة واحدة فقط. ما أن بدأت الحياة بنجاح مرة واحدة استطاعت أن تستمر وتتطور عبر الانتقاء الطبيعي إلى ما نراه حولنا من تنوع حيوي.
أتمنى أن يكون هذا المقال محفز لفتح بوابة الفضول للبحث عن اسرار هذه الظاهرة النادرة في الكون.
المصدر ... علومي
رد مع اقتباس