الحركة التلقائية في الأنظمة الحية

الموجز

الحركة التلقائية (أو العفوية) في الأنظمة الحية (Spontaneous Motion in Living Systems)، ظاهرة أساسية، إذ تَظهَر الجزيئات في حركة مستمرة وعشوائية بفعل الطاقة الحرارية، مثل الحركة البراونية {{الحركة البراونية: (Brownian motion) هي الحركة العشوائية غير المنتظمة للجسيمات المجهرية المعلقة في مائع (سائل أو غازي)، وتحدث بسبب الاصطدامات المستمرة مع جزيئات المائع المحيطة المتحركة بسبب الطاقة الحركية الموجودة فيها.}}، وهذه الحركة المستمرة هي الحالة الطبيعية للأجسام الحية على المستوى الجزيئي خلافًا للأجسام غير الحية المرئية التي تبقى ساكنة ما لم يُؤثَّر فيها. 

تعدّ هذه الحركة ضرورية للحياة، إذ تُستخدَم لإنجاز مختلف العمليات البيولوجية، وتُستَغل في الكائنات الحية لتشغيل الأنشطة الخلوية، مثل انقباض العضلات وأنظمة النقل. إن الطاقة الحرارية، التي تُعدّ عنصرًا أساسيًّا للحياة، هي السبب الرئيس للحركة التلقائية التي تجري على المستوى الجزيئي. تتحرك المواد الخاملة غير الحية حركة جزيئية براونية ولكن من دون التنظيم اللازم للاستفادة منها بشكل فعال. وتشكل ديناميات هذه الحركة تحديًّا كبيرًا للفيزياء الكلاسيكية، ولكنها تؤدي إلى فهم أعمق لجوهر الحياة على المستوى الجزيئي.​

الطاقة الجزيئية ودورها في الحياة

ليست الحركة بذاتها دليلًا على الحياة، فما يميز الكائنات الحية هو قدرتها على توليد الحركة داخليًّا، وذلك عبر تحويل الطاقة الناتجة من التفاعلات الكيميائية إلى حركة فيزيائية. ففي جوهر الأمر، تمتلك الكائنات الحية مُحرِّكات مشابهة لتلك التي يصنعها الإنسان ولكن على المستوى الجزيئي.

تعمل الآلات والخلايا على المستوى العياني {{المستوى العياني: يشير إلى الأجسام والظواهر التي تكون كبيرة بما يكفي لتُرى بالعين المجردة من دون مساعدة تقنيات التكبير من عدسات ومجاهر.}} (الماكروسكوبي) وفق مبادئ متماثلة، إذ تعتمد على محركات تستغل الطاقة التي تنتجها التفاعلات الكيميائية {{التفاعلات الكيميائية: عمليات تتحول فيها المواد (المتفاعلات، Reactants) إلى مواد جديدة (نواتج،Products ) عن طريق كسر روابط كيميائية وتكوينها.}} لتوليد الحركة، ورغم ذلك، فإن التباين يكون جليًّا عند الانتقال إلى دراسة المستوى الجزيئي {{المستوى الجزيئي: المستوى الذي يصف المستوى المجهري أو الجزيئي للأجسام والأحداث التي تكون صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها من دون مجهر، مثل الخلايا والجزيئات والذرات.}}. ففي الحياة اليومية، يتطلب استبدال بطارية المثقاب اليدوي اللاسلكي تدخلًا بشريًّا، فيجب على المستخدِم تبديل البطارية المُستنفَدة أو إعادة شحنها، غير أن الأمر مختلف في عالم الخلايا المجهري؛ فمثلًا، عندما يحتاج نظام النقل الخلوي إلى طاقة، يجري تبادل جزيء الأدينوسين ثنائي الفوسفات غير النشط الذي استُنفِدت طاقته مع جزيء الأدينوسين ثلاثي الفوسفات المُنشَّط بكامله بسرعة فائقة، ويحدث هذا التبادل آلاف المرات في الثانية بسبب الطاقة المنخفضة لجزيء ATP واحد التي هي أقل بمقدار كبير من طاقة أضعف بطارية ليثيوم. وتستمر الحركة على المستوى الجزيئي، رغم عشوائيتها، بلا انقطاع، وتبدو أنها من دون مصدر طاقة خارجي. ومن اللافت للنظر أن الجزيئات كلها داخل الخلايا تهتز أو تدور أو تنتقل من مكان إلى آخر من دون أن تستهلك هذه الحركة الجزيئية الطاقة أو تستنزفها. وتبدو هذه الظاهرة غير منطقية عند مقارنتها بالطبيعة الساكنة للأشياء في العالم المرئي، إذ لا يعود القلم الساقط على الأرض تلقائيًّا إلى موضعه على المكتب، ورغم ذلك، فإن الحركة التلقائية على المستوى الجزيئي تعدّ شائعة وضرورية. وكذلك تظهر المادة غير الحية حركة جزيئية، إلا أن الحياة وحدها هي التي تسخّر هذه الحركة لتحقيق نتائج هادفة، فلا وجود للحياة إن انعدمت هذه الحركة الجزيئية الدائمة.

يشكل وجود هذه الحركة الجزيئية التلقائية تحديًا للفيزياء الكلاسيكية، كما تمثلها قوانين نيوتن للحركة، إذ إن الحركة التلقائية تناقض قانون نيوتن الأول تحديدًا، وهو قانون العَطالَة، الذي ينص على أن الأجسام المتحركة تظلّ في حالة حركة ما لم تؤثر فيها قوة خارجية، وقانون نيوتن الثاني الذي يربط القوة المستخدمة بالتسارع الناتج عنها. ولذلك يبدو أن هناك خطأً ما في قوانين نيوتن، فهي تتجاهل الطاقة المسؤولة عن حركة الجزيئات. فعند التعامل مع حركة الأجسام على نطاق الكتلة (بكُتَلٍ تبدأ من ملّيغرام فأكثر)، فإن تأثير الطاقة الداخلية لا يكاد يذكر، وبناءً عليه تنطبق قوانين نيوتن على ما سبق بسهولة[1]. وأما في حالة الجزيئات والعضيّات الخلوية {{العضيات الخلوية: (Organelles) جسيمات خلوية متخصصة محاطة بغشاء (أو أكثر) توجد داخل الخلايا حقيقية النواة (Eukaryotic cells)، وتؤدي وظائف متخصصة، مثل النواة (Nucleus) أو الميتوكوندريا (Mitochondria) أو البلاستيدات (Chloroplasts).}}، فإن الحركة لا تنتج بوساطة قوى خارجية فقط، بل تؤدي الطاقة الداخلية دورًا محوريًّا في ذلك، وهذه الطاقة الداخلية المسؤولة عن حركة الجزيئات هي الطاقة الحرارية[2].

تقيس موازين الحرارة التي يستخدمها الجميع الطاقة الجزيئية بصورة كميّة، ورغم ذلك فإن وحدات قياس درجات الحرارة المستخدمة عالميًّا مقياس الدرجات المئوية سيلزيوس {{مقياس الدرجات المئوية سيلزيوس: (Celsius) مقياس لدرجة الحرارة، إذ يمثل 0 درجة مئوية نقطة التجمد، وتمثل 100 درجة مئوية نقطة غليان الماء عند مستوى سطح البحر. ابتكره عالم الفلك والفيزيائي السويدي أندريس سيلزيوس (Anders Celsius) عام 1742، وهو المقياس الأكثر شيوعًا في جميع أنحاء العالم.}} أو مقياس فهرنهايت {{مقياس فهرنهايت: (Fahrenheit) مقياس لدرجة الحرارة يُستخدم بشكل أساسي في الولايات المتحدة الأميركية وبعض الدول القليلة الأخرى. ابتكره الفيزيائي الهولندي (البولندي المولد) دانيال غابرييل فهرنهايت (Daniel Gabriel Fahrenheit) عام 1724، بحيث يقسم الفاصل بين نقطتي تجمد الماء وغليانها إلى 180 درجة متساوية، ويتجمد الماء عند 32 درجة فهرنهايت ويغلي عند 212 درجة فهرنهايت.}} لها أهمية تاريخية فقط، وتفتقر إلى الارتباط المباشر بقياسات الطاقة، إذ إنها وحدات اعتباطية[3]، وبناءً على ذلك توفر وحدة الجول {{الجول: (Joule) وحدة قياس الطاقة أو الشغل الأساسية بحسب النظام الدولي للوحدات (SI)، ويساوي الشغل المبذول لتحريك جسم مترًا واحدًا بوساطة قوة مقدارها نيوتن واحد. وعليه فإن 1 جول يُعرَّف بأنه نيوتن*متر.}} رؤيةً أعمق للطاقة الحرارية الجزيئية. ولقياس الطاقة الجزيئية، أو بعبارة أدق الطاقة الحرارية، يجب تحويل درجة الحرارة أولًا إلى مقياس كلڤن {{مقياس كلڤن: (Kelvin) المقياس المعياري لقياس درجة الحرارة الديناميكية الحرارية بحسب النظام الدولي للوحدات (SI). اقترحه عالم الرياضيات البريطاني وليام طومسون (اللورد كلڤن، William Thomson) في القرن التاسع عشر. وهو مقياس مطلق، أي أن 0 كلڤن يمثل الغياب التام للطاقة الحرارية والحركة الجزيئية (الصفر المطلق). يُعادل مقدار كلڤن واحد درجة مئوية واحدة، لكن نقاط الصفر تختلف. للتحويل بين مقياس كلڤن وسيلزيوس: كلڤن = درجة مئوية (سيلزيوس) + 273.15.}}، وهو مقياس يشكّل فيه الصفر المطلق {{الصفر المطلق: (Absolute zero) أدنى درجة حرارة نظرية ممكنة، ويُعرّف بأنه 0 كلڤن (-273.15 درجة مئوية)، إذ تتوقف جميع الحركة الجزيئية.}} غيابًا كاملًا للطاقة، ولا توجد فيه درجات حرارة سالبة[4] (الصفر المطلق في مقياس كلڤن يساوي -.273.15 درجة مئوية)، وتُحوَّل بعد ذلك هذه الدرجات إلى طاقة بوحدة الجول عن طريق الضرب إما في ثابت الغاز {{ثابت الغاز = R = 8.314 J / mol∙K}} (Gas constant) للحصول على طاقة كلِّ مول {{ المول: (Mole) وحدة كمية المادة الأساسية بحسب النظام الدولي للوحدات (SI)، ويُعرَّف على أنه يحتوي على عدد أڤوغادرو (6.022 × 10²³ بالضبط من الذرات أو الجزيئات}}، وإما في ثابت بولتزمان {{ثابت بولتزمان = k_B = 1.380649 * 10^-23 J/K}} (Boltzmann constant) للحصول على طاقة محددة لكل جزيء، وتبلغ الطاقة الحرارية في درجة حرارة الغرفة 2460 جولًا/ مول[5].

الطاقة الحرارية للجزيئات وحالات الطاقة الأعلى

تعمل الطاقة الحرارية بصفتها مُيسِّرًا للحركة الجزيئية، وتُمكِّن الجزيئاتِ من الوصول إلى حالات طاقة أعلى، إذ يعتمد الإنسان منذ ولادته على الطاقة الحرارية لتسهيل دخول جزيئات الهواء، بما في ذلك الأكسجين، إلى الرئتين، ولكن بغياب الطاقة الحرارية، فإن الجزيئات الموجودة في الهواء، مثل المواد كلها ذات الكتلة، تخضع لقانون نيوتن الثاني، فتتسارع تحت قوة الجاذبية الأرضية[6]، وتستقر على أرضية غرفة الولادة، فيحتاج الشخص لكي يتنفس إلى الزحف على الأرض لسحب هذه الجزيئات إلى رئتيه. أما عند اعتبار وجود الطاقة الحرارية، فإن جزيئات الهواء تملك طاقة حرارية أكبر قليلًا من الطاقة التي تلزمها للانتقال من أرضية الغرفة إلى الأنف، وذلك لأن جزيء الهواء كتلته صغيرة جدًّا، وبناءً عليه تتغلب هذه الجزيئات على قوة الجاذبية وتصل إلى الرئتين[7].

ولهذه المسألة تفسير بطريقةٍ كميّة، فقوة الجاذبية على سطح الأرض تُسبّب في المعدّل تسارعًا لأي جسم بمقدار 9.8 متر/ ثانية² (بتجاهل مقاومة الهواء)، وبما أن لجزيئات الهواء كتلة، يجب أن تتسارع بشكل جماعي تحت تأثير الجاذبية نحو سطح الأرض، فيؤدي ذلك إلى هبوب رياح عمودية قوية، وغياب هذه الرياح يشير إلى أن التسارع يساوي صفرًا، وبناءً عليه، فإن محصلة قوة جزيئات الهواء تساوي صفرًا أيضًا، ولذلك لا بد من وجود قوة معاكسة حتى تكون جزيئات الهواء في حالة توازن مع قوة الجاذبية المؤثرة فيها، وبما أن القوة هي التغير في الطاقة في مسافة معينة، يمكن احتساب فرق الطاقة الذي يختبره جزيء الأكسجين عند انتقاله من الأرض إلى الأنف، فكتلة مول واحد من الأكسجين تساوي 0.016 كيلوغرام، والمسافة المقطوعة من الأرض إلى الأنف تقريبًا 1.6 متر، ونتيجة لذلك فإن فرق الطاقة (الطاقة = الارتفاع × تسارع الجاذبية × الكتلة )هو 0.25 جول/ مول، وهذا رقم ضئيل جدًا مقارنة بالطاقة الحرارية التي تمتلكها جزيئات الأكسجين في درجة حرارة الغرفة (2460 جول/ مول)، لذلك فإن جزيئات الأكسجين لا تواجه صعوبة تُذكَر في الانتقال من الأرض إلى الأعلى متحدية الجاذبية، ولكن إذا انخفضت درجة الحرارة بشكل كبير، فإن الطاقة الحرارية ستكون أقل، وعند درجات حرارة منخفضة بشكل كافٍ، ستكون جزيئات الأكسجين على الأرض على شكل سائل. واستنادًا إلى ذلك، يمكن لجزيئات الهواء أن تنتقل تلقائيًّا إلى مستويات طاقة أعلى (وترتقي إلى مسافات أعلى عن سطح الأرض) لأنها تمتلك طاقة حرارية كافية.

من الطاقة إلى الاحتمالات

إن احتمال انتقال أي جزيء أو أي جسم مادي من موقع ذي طاقة أقل إلى موقع ذي طاقة أعلى يعتمد على كمية الطاقة الحرارية التي يمتلكها، وعلى فرق الطاقة بين موقع وجود الجسم والموقع الجديد، فالتعبير الرياضي الذي يجسد هذه العلاقة هو توزيع بولتزمان[8]، والذي يُمثَّل على النحو الآتي:

\[\frac{P_{1}}{P_{0}}=\exp (\frac{-∆E}{RT})\]

إن P₀ هو احتمال البقاء في الموقع وعلى مستوى الطاقة الحالي، وP₁ هو احتمال البقاء عند مستوى الطاقة الأعلى الجديد. وΔE هو فرق مستوى الطاقة لكلِّ مول، وRT هي الطاقة الحرارية، ووحدة قياسها جول/ مول، وT درجة الحرارة بالكلڤن.

هذه صيغة تعبّر عن التوازن بحيث تكون سرعة الانتقال من منطقة إلى أخرى غير مؤثرة في النتيجة، ويظل فرق الطاقة الأساسي بين الحالتين أو موقعَي الجسم على حاله. وإذا كان هناك أي حركة على الإطلاق، سيصل النظام في النهاية إلى التوازن، ويُستوفَى توزيع بولتزمان. إن التركيز على الغازات بتفاعلاتها الضعيفة بين جزيئاتها، وتفاعلاتها الضعيفة مع المواد الأخرى يجعلها موضوعاتٍ صالحة للدراسة رغم أنها قد تكون ذات فائدة محدودة. تمتع ظروف البيئة المائية بمزايا مماثلة للغازات مع اهتمام إضافي بحقيقة وجود العمليات الحيوية في تلك البيئة.

البيئة المائية

تقتصر الطاقة الحرارية في البيئة الجافة على تحريك المادة بصورة اهتزازية بسبب الترابط بين الجزيئات، ولكن ذلك يتغير كليًّا في حال وجود الماء خلافًا للسوائل جميعها، إذ يتميز بقدرته الفريدة على تيسير حركة المواد المُذابة، وتعدّ قدرته على تكوين روابط هيدروجينية {{روابط هيدروجينية: ارتباط كيميائي ضعيف يتشكل عندما تنجذب ذرة هيدروجين مرتبطة تساهميًا بذرة عالية الكهروسلبية (Electronegativity) (مثل الأكسجين أو النيتروجين أو الفلور)، إلى ذرة كهروسلبية أخرى في جزيء قريب أو داخل الجزيء نفسه. تُعد الروابط الهيدروجينية أساسية لخصائص الماء وتركيب الحمض النووي (DNA) والبروتينات.}} (Hydrogen bonds) متعددة إحدى الخصائص المميزة له، ما يجعله سائلًا عالي التشابك. ويملك الماء قوة شد (-140 ميغا باسكال)[9] لا تختلف كثيرًا عن قوة الفولاذ (-500 ميغا باسكال لأقصى مقاومة شد للفولاذ الهيكلي[10])، فلكي تذوب مادة ما في الماء، يجب أن تتفاعل بقوة مع جزيئات الماء لتعوض تفكّكَ الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء، وبناءً عليه تصبح الجزيئات المذابة عاليةَ الرطوبة، فيمنحها ذلك طبقة تقلل من تأثير التفاعل مع المواد المذابة الأخرى. وتؤدي الروابط الأيونية {{الروابط الأيونية: تسمى أيضًا الروابط الكهروستاتيكية (Electrostatic) نوع من الروابط الكيميائية التي تتكون من خلال التجاذب الكهروستاتيكي بين أيونات ذات شحنات متعاكسة. يحدث هذا عادةً عندما تنقل ذرة فلزية إلكترونًا واحدًا أو أكثر إلى ذرة لافلزية تكتسب إلكترونات بسهولة. ينجذب الأيون الموجب (الكاتيون، Cation) والأيون السالب (الأنيون، Anion) الناتجان بعضهما إلى بعض، مشكلين الرابطة الأيونية.}} القوية بين أيونات الصوديوم والكلوريد دورًا رئيسًا في ترتيب بلورات الملح في البيئة الجافة. أما في الماء، فإن انعزال أيونات الصوديوم (Sodium) عن الكلوريد (Chloride) بوساطة تغليفها بطبقات من الماء يسمح للأيونات بالتحرك بحرية في الوسط المائي، وكذلك الأمر مع بلورات السكر (Sugar crystals) والبروتينات (Proteins)، فقابلية الذوبان في الماء تسمح بحدوث الحركة الانتقالية الضرورية لعمليات الحياة[11].

حذف الصورة؟

سيؤدي هذا إلى نقل الصورة إلى سلة المهملات.

حذف إلغاء

المراجع

Ambaum, Maarten H. P. Thermal Physics of the Atmosphere. Paul D. Williams (ed.). Developments in Weather and Climate Science 1. 2^nd ed. Amsterdam: Elsevier, 2021.

Cline, Douglas. “2.S: Newtonian Mechanics (Summary).” Physics LibreTexts. University of Rochester. 14/3/2021. Accessed on 20/7/2026, at: https://acr.ps/hByaR1H

Giancoli, Douglas C. Physics: Principles with Applications. 6th ed. Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall, 2005.

Han, Huijun, Yunjae Park, Yohan Kim, Feng Ding & Hyung-Joon Shin. “Controlled dissolution of a single ion from a salt interface.” Nature Communications. vol. 15 (2024). article 2401.

Ling, Samuel J., William Moebs & Jeff Sanny. “2.2 Pressure, Temperature, and RMS Speed.” In: University Physics Volume 2. Houston, TX: OpenStax, 2016. Accessed on 20/7/2026, at: https://acr.ps/hByaQIw

Martin, Matthew J., Amanda M. Smelser & George Holzwarth. “Dividing organelle tracks into Brownian and motor-driven intervals by variational maximization of the Bayesian evidence.” European Biophysics Journal. vol. 45, no. 3 (2016). pp. 269-277.

Nelson, Philip. Biological Physics: Energy, Information, Life. New York: W. H. Freeman and Company, 2013.

Pearson, Chuck. “1.2: The meaning and measurement of temperature.” Chemistry LibreTexts. Tusculum University. 5/6/2024. Accessed on 20/7/2026, at: https://acr.ps/hByaQsT

Sullivan, Gavin & Matthew Spencer. “Heat and temperature.” BJA Education. vol. 22, no. 9 (2022). pp. 350-356.

“Young’s Modulus of Elasticity - Values for Common Materials.” The Engineering ToolBox. 2003. Accessed on 3/11/2023, at: https://acr.ps/1L9B9YM

Zheng, Q., D. J. Durben, G. H. Wolf & C. A. Angell. “Liquids at large negative pressures: water at the homogeneous nucleation limit.” Science. vol. 254, no. 5033 (1991). pp. 829-832.

[1] Douglas Cline, “2.S: Newtonian Mechanics (Summary),” Physics LibreTexts, University of Rochester, 14/3/2021, accessed on 20/7/2026, at: https://acr.ps/hByaR1H.

[2] Matthew J. Martin, Amanda M. Smelser & George Holzwarth, “Dividing organelle tracks into Brownian and motor-driven intervals by variational maximization of the Bayesian evidence,” European Biophysics Journal, vol. 45, no. 3 (2016), pp. 269-277.

[3] Chuck Pearson, “1.2: The meaning and measurement of temperature,” Chemistry LibreTexts, Tusculum University, 5/6/2024, accessed on 20/7/2026, at: https://acr.ps/hByaQsT

[4] Gavin Sullivan & Matthew Spencer, “Heat and temperature,” BJA Education, vol. 22, no. 9 (2022), pp. 350-356.

[5] Douglas C. Giancoli, Physics: Principles with Applications, 6th ed. (Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall, 2005).

[6] Maarten H. P. Ambaum, Thermal Physics of the Atmosphere, Paul D. Williams (ed.), Developments in Weather and Climate Science 1, 2^nd ed. (Amsterdam: Elsevier, 2021), pp. 65-89.

[7] Samuel J. Ling, William Moebs & Jeff Sanny, “2.2 Pressure, Temperature, and RMS Speed,” in: University Physics Volume 2 (Houston, TX: OpenStax, 2016), accessed on 20/7/2026, at: https://acr.ps/hByaQIw

[8] Philip Nelson, Biological Physics: Energy, Information, Life (New York: W. H. Freeman and Company, 2013), p. 219.

[9] Q. Zheng, D. J. Durben, G. H. Wolf & C. A. Angell, “Liquids at large negative pressures: water at the homogeneous nucleation limit,” Science, vol. 254, no. 5033 (1991), pp. 829-832.

[10] “Young’s Modulus of Elasticity - Values for Common Materials,” The Engineering ToolBox, 2003, accessed on 3/11/2023, at: https://acr.ps/1L9B9YM

[11] Huijun Han, Yunjae Park, Yohan Kim, Feng Ding & Hyung-Joon Shin, “Controlled dissolution of a single ion from a salt interface,” Nature Communications, vol. 15 (2024), article 2401.