تحدد جزيئات الماء المواد من حولنا

أو هكذا تقول القصة.

ورقة جديدة نشرت اليوم في طبيعة يقلب هذا النموذج رأسًا على عقب، ويجادل بأن طبيعة العديد من المواد البيولوجية يتم إنشاؤها بالفعل بواسطة المياه التي تتخلل هذه المواد. يؤدي الماء إلى تكوين مادة صلبة ويحدد خصائص تلك المادة الصلبة، مع الحفاظ على خصائصها السائلة. في ورقتهم البحثية، قام المؤلفون بتجميع هذه المواد وغيرها في فئة جديدة من المادة يطلقون عليها اسم 'المواد الصلبة المائية'، والتي يقولون إنها 'تكتسب صلابتها الهيكلية، وهي السمة المميزة للحالة الصلبة، من السائل الذي يتخللها'. المسام.' إن الفهم الجديد للمادة البيولوجية يمكن أن يساعد في الإجابة على الأسئلة التي تطارد العلماء لسنوات.

وقال أوزجور شاهين، أستاذ العلوم البيولوجية والفيزياء وأحد مؤلفي البحث: 'أعتقد أن هذه لحظة خاصة حقًا في العلوم'. 'إنها توحد شيئًا متنوعًا ومعقدًا بشكل لا يصدق مع شرح بسيط. إنها مفاجأة كبيرة، ومتعة فكرية'

استخدم ستيفن ج. هاريلسون، الذي أكمل مؤخرًا دراسات الدكتوراه في قسم الفيزياء بجامعة كولومبيا، وهو أحد مؤلفي الدراسة، استعارة المبنى لوصف النتائج التي توصل إليها الفريق: 'إذا كنت تفكر في المواد البيولوجية مثل ناطحة سحاب، فإن المبنى الجزيئي الكتل هي الإطارات الفولاذية التي تحملها، والماء الموجود بين كتل البناء الجزيئية هو الهواء الموجود داخل الإطارات الفولاذية. لقد اكتشفنا أن بعض ناطحات السحاب لا تدعمها إطاراتها الفولاذية، بل الهواء الموجود داخل تلك الإطارات.'

وأضاف شاهين: 'قد تبدو هذه الفكرة صعبة التصديق، لكنها تحل الألغاز وتساعد على التنبؤ بوجود ظواهر مثيرة في المواد'.

عندما يكون الماء في حالته السائلة، فإن جزيئاته تحقق توازنًا دقيقًا بين النظام والفوضى. ولكن عندما تتحد الجزيئات التي تشكل المواد البيولوجية مع الماء، فإنها تقلب الميزان نحو النظام: يريد الماء العودة إلى حالته الأصلية. ونتيجة لذلك، تدفع جزيئات الماء جزيئات المادة البيولوجية بعيدًا. تم التعرف على قوة الدفع هذه، والتي تسمى قوة الماء، في السبعينيات، ولكن كان يُعتقد أن تأثيرها على المادة البيولوجية محدود. إن حجة هذه الورقة الجديدة بأن قوة الماء هي التي تحدد طبيعة المادة البيولوجية بشكل كامل تقريبًا، بما في ذلك مدى ليونتها أو صلابتها، تأتي بمثابة مفاجأة.

لقد عرفنا منذ زمن طويل أن المواد البيولوجية تمتص الرطوبة المحيطة. فكر، على سبيل المثال، في الباب الخشبي الذي يتوسع خلال فترة الرطوبة. ومع ذلك، يوضح هذا البحث أن المياه المحيطة هي أكثر أهمية بالنسبة للخشب والفطريات والنباتات وخصائص المواد الطبيعية الأخرى مما عرفناه من قبل.

ووجد الفريق أن جلب الماء إلى الأمام والوسط سمح لهم بوصف الخصائص التي تعرضها المواد العضوية المألوفة باستخدام عمليات حسابية بسيطة للغاية. تتطلب النماذج السابقة لكيفية تفاعل الماء مع المواد العضوية عمليات محاكاة حاسوبية متقدمة للتنبؤ بخصائص المادة. إن بساطة الصيغ التي وجدها الفريق يمكنها التنبؤ بهذه الخصائص تشير إلى أنهم توصلوا إلى شيء ما.

لنأخذ مثالا واحدا، وجد الفريق أن المعادلة البسيطة ه=آل/  يصف بدقة كيف تتغير مرونة المادة بناءً على عوامل تشمل الرطوبة ودرجة الحرارة وحجم الجزيء. (E في هذه المعادلة تشير إلى مرونة المادة؛ A وهو عامل يعتمد على درجة حرارة البيئة ورطوبتها؛ l هو الحجم التقريبي للجزيئات البيولوجية و λ هي المسافة التي تفقد فيها قوى الماء قوتها).

وقال هاريلسون: 'كلما عملنا أكثر في هذا المشروع، أصبحت الإجابات أبسط'، مضيفاً أن هذه التجربة 'نادرة جداً في العلوم'.

وظهرت النتائج الجديدة من بحث البروفيسور شاهين المستمر حول السلوك الغريب للجراثيم، وهي الخلايا البكتيرية النائمة. لسنوات، قام شاهين وطلابه بدراسة الجراثيم لفهم سبب تمددها بقوة عند إضافة الماء إليها وتقلصها عند إزالة الماء. (منذ عدة سنوات، حصل شاهين وزملاؤه على تغطية إعلامية لتسخير هذه القدرة في صنع أدوات غريبة صغيرة تشبه المحركات تعمل بالجراثيم).

وفي عام 2012 تقريبًا، قرر شاهين الرجوع خطوة إلى الوراء ليسأل لماذا تتصرف الجراثيم بهذه الطريقة. وانضم إليه الباحثون مايكل س. ديلاي وشي تشن، مؤلفو الورقة الجديدة، والذين كانوا آنذاك أعضاء في مختبره. لم تقدم تجاربهم حلاً للسلوك الغامض للجراثيم. يتذكر شاهين قائلاً: 'لقد انتهى بنا الأمر بالمزيد من الألغاز عما بدأنا به'. لقد كانوا عالقين، لكن الألغاز التي واجهوها كانت تشير إلى أن هناك شيئًا يستحق المتابعة.

وبعد سنوات من التفكير في التفسيرات المحتملة، خطر لشاهين أن الألغاز التي واجهها الفريق باستمرار يمكن تفسيرها إذا كانت قوة التميه تتحكم في الطريقة التي يتحرك بها الماء في الجراثيم.

كان على الفريق إجراء المزيد من التجارب لاختبار الفكرة. وفي عام 2018، انضم هاريلسون، الذي يعمل الآن مهندس برمجيات في شركة تحليل البيانات Palantir، إلى المشروع.

'عندما تناولنا المشروع في البداية، بدا الأمر معقدًا بشكل مستحيل. كنا نحاول شرح العديد من التأثيرات المختلفة، كل منها بصيغة غير مرضية. بمجرد أن بدأنا في استخدام قوى الترطيب، أصبح من الممكن التخلص من كل واحدة من الصيغ القديمة. عندما فقط لقد تركت قوى الترطيب، وشعرنا وكأن أقدامنا قد ارتطمت بالأرض أخيرًا، وكان الأمر رائعًا، وكانت الأمور منطقية للغاية.

قادت نتائج تلك التجارب الفريق والمتعاونين معهم إلى هذه الورقة. بالإضافة إلى هاريلسون، وديلاي، وتشين، وشاهين، فإن المؤلفين الآخرين لهذه الورقة هم أحمد حمدي تشاووش أوغلو، وجوناثان دوركين، وهوارد أ. ستون. توفي آدم دريكس من جامعة لويولا في شيكاغو، والذي ساهم أيضًا في البحث، قبل الانتهاء من العمل. تم توفير التمويل للبحث من قبل مكتب العلوم وعلوم الطاقة الأساسية التابع لوزارة الطاقة الأمريكية؛ من قبل مكتب البحوث البحرية. من قبل المعاهد الوطنية للصحة. ومن خلال برنامج زملاء ديفيد ولوسيل باكارد.

تنطبق نتائج البحث على كميات هائلة من العالم من حولنا: المواد البيولوجية الاسترطابية - أي المواد البيولوجية التي تسمح للماء بالدخول والخروج منها - من المحتمل أن تشكل ما بين 50% إلى 90% من العالم الحي من حولنا، بما في ذلك جميع الكائنات الحية. من خشب العالم، ولكن أيضًا من مواد أخرى مألوفة مثل الخيزران، والقطن، وأقماع الصنوبر، والصوف، والشعر، والأظافر، وحبوب اللقاح في النباتات، والجلد الخارجي للحيوانات، والجراثيم البكتيرية والفطرية التي تساعد هذه الكائنات الحية على البقاء والتكاثر.

ينطبق المصطلح الذي تمت صياغته في البحث، 'المواد الصلبة المائية'، على أي مادة طبيعية تستجيب للرطوبة المحيطة بها. ومن خلال المعادلات التي حددها الفريق، أصبح بإمكانهم الآن والباحثين الآخرين التنبؤ بالخصائص الميكانيكية للمواد من خلال مبادئ الفيزياء الأساسية. وحتى الآن كان هذا صحيحًا بشكل رئيسي بالنسبة للغازات، وذلك بفضل معادلة الغازات العامة المعروفة، والتي عرفها العلماء منذ القرن التاسع عشر.^ذ قرن.

'عندما نسير في الغابة، نفكر في الأشجار والنباتات من حولنا كمواد صلبة نموذجية. ويظهر هذا البحث أنه ينبغي لنا أن نفكر حقًا في تلك الأشجار والنباتات باعتبارها أبراجًا من الماء تحتفظ بالسكريات والبروتينات في مكانها' وقال شاهين: 'إنه عالم الماء حقاً'.