تكلفة الطاقة غير المرئية للبقاء على قيد الحياة والتي تجاهلتها الفيزياء لفترة طويلة

تُظهر دراسة JSTAT جديدة كيفية حساب الحد الأدنى من الطاقة التي تستخدمها خلايا الطاقة للحفاظ على مسارات استقلابية معينة مع قمع مسارات أخرى، مما يكشف عن “تكلفة” غير مرئية للفيزياء الميكانيكية.

هناك “تكاليف الحياة” التي لا تستطيع الفيزياء الميكانيكية التقاطها. أحد الأمثلة على ذلك هو الطاقة اللازمة للحفاظ على سير عمليات كيميائية حيوية معينة، بما في ذلك العمليات المشاركة فيها التمثيل الضوئي، مع منع ردود الفعل المحتملة الأخرى من السيطرة. في الميكانيكا الأساسية، إذا لم يتحرك أي شيء، فلن يتم بذل أي شغل، لذا فإن إيقاف شيء ما من الحدوث يبدو كما لو أنه لا يتطلب أي طاقة. لكن الحسابات التفصيلية في الديناميكا الحرارية العشوائية تظهر أن هذه التكاليف الخفية حقيقية، ويمكن أن تكون كبيرة.

ورقة جديدة في مجلة الميكانيكا الإحصائية: النظرية والتجربة (JSTAT) ويحدد النهج الديناميكي الحراري لتقدير هذه التكاليف. يقدمه المؤلفون كطريقة جديدة لدراسة كيفية اختيار المسارات الأيضية وكيفية تطورها في أساس الحياة.

الحياة تبدأ بالحدود والاختيارات

في المحيط القديم، شكلت بعض الجزيئات العضوية حدودًا خارجية أصبحت أول غشاء للخلية. لأول مرة، كان هناك فصل واضح بين الداخل والخارج. منذ ذلك الحين، كان على هذا النظام المبكر أن يستهلك الطاقة للحفاظ على هذا الفصل ولتضييق التفاعلات العديدة التي يمكن أن تحدث في عدد صغير فقط من المسارات الأيضية.

ويمكن لهذه المسارات أن تأخذ مواد مفيدة من “الخارج” وتحولها إلى منتجات جديدة. ظهرت الحياة جنبًا إلى جنب مع هذا العمل المستمر للحفاظ على الأجزاء واختيار المواد الكيميائية.

تتطلب التفاعلات الأيضية طلبًا واضحًا على الطاقة، ولكنها تأتي أيضًا مع “تكلفة إضافية”. يعكس هذا العبء الإضافي الجهد المطلوب للحفاظ على تدفق النشاط الكيميائي على طول المسار المفضل بدلاً من الانتشار في كل بديل ممكن فيزيائياً.

ومع ذلك، تتعامل الميكانيكا الكلاسيكية مع التقسيم واختيار التفاعل على أنهما “قيود” موضوعة عند حدود النظام، ومن وجهة النظر هذه، فلا ينبغي أن تكلف شيئًا لأنه يتم التعامل معها كظروف خارجية ثابتة لا تضيف إلى إنتاج الإنتروبيا.

طريقة جديدة لتصنيف المسارات الأيضية

عمل برافول جاجراني، الباحث في جامعة طوكيو والمؤلف الأول للدراسة، مع نينو لاوبر (جامعة فيينا)، وإريك سميث (معهد جورجيا للتكنولوجيا ومعهد علوم الحياة الأرضية)، وكريستوف فلام (جامعة فيينا) لتطوير طريقة لحساب هذه التكاليف المهملة واستخدامها لترتيب المسارات. تمنح هذه الطريقة الباحثين طريقة لمقارنة الكفاءة البيولوجية، مما يمكن أن يساعد الدراسات التطورية التي تبحث في كيفية ظهور الحياة على كوكبنا.

“ما ألهم العمل الجديد هو أن إريك سميث، أحد المؤلفين المشاركين، استخدم MØD، وهو برنامج طوره فلام وزملاؤه، لتعداد جميع المسارات المحتملة التي يمكنها “بناء” الجزيئات العضوية بدءًا من ثاني أكسيد الكربون.”

يشير جاجراني إلى إحدى الدراسات السابقة التي أجراها سميث وآخرون حول دورة كالفين، وهي دورة من التفاعلات الكيميائية في عملية التمثيل الضوئي التي تحول ثاني أكسيد الكربون إلى جلوكوز.

“استخدم إريك الخوارزمية لتعداد جميع المسارات التي يمكنها إجراء نفس التحويل الذي تقوم به دورة كالفن، ثم استخدم ما نسميه الآن تكلفة الصيانة في بحثنا لتصنيفها.”

وبهذه الطريقة، سميث وآخرون. أظهر أن الدورة التي تستخدمها الطبيعة تقع بين أقل المسارات تبديدًا، أي تلك ذات تكلفة الطاقة الأقل. “رائع، أليس كذلك؟” تعليقات جاجراني.

قياس الاحتمالية بدلا من الطاقة

مستوحيًا من عمل سميث، ابتكر جاجراني وزملاؤه طريقة عامة لتقدير التكاليف الديناميكية الحرارية للعمليات الأيضية بشكل منهجي. في إطارها، يتم تصور الخلية كنظام يعبره تدفق مستمر، حيث، على سبيل المثال، يدخل جزيء واحد (مغذي) ويخرج آخر (منتج أو نفايات).

ونظرًا للكيمياء الأساسية، يمكن للمرء إنشاء جميع المسارات الكيميائية الممكنة التي تحول المدخلات إلى مخرجات. كل مسار له “تكلفة ديناميكية حرارية” خاصة به. بدلًا من حساب الطاقة بالمعنى الكلاسيكي، تقدر الطريقة مدى احتمالية رؤية الشبكة (مجموعة الجزيئات والتفاعلات التي تحول المدخلات إلى مخرجات) تتصرف بهذه الطريقة تمامًا – في عالم تحركه الكيمياء التلقائية فقط.

تشتمل هذه الاحتمالية على عنصرين. الأول هو تكلفة الصيانة، مما يعني مدى احتمالية الحفاظ على التدفق المستمر عبر مسار معين. والثاني هو تكلفة التقييد، والتي تقيس مدى احتمالية منع جميع التفاعلات البديلة في الشبكة مع الحفاظ على مسار الاهتمام فقط نشطًا.

تمثل عدم الاحتمالية المحسوبة تكلفة تلك العملية، والتي يمكن بعد ذلك استخدامها لتصنيف المسارات الأيضية وفقًا لمدى “تكلفة” إبقاء الخلية على أحد المسارات نشطًا وإسكات المسارات الأخرى.

لماذا تختار الطبيعة ما تختاره؟

“لقد رأينا أشياء لم نتوقعها، ولكن هذا يصبح منطقيًا بمجرد التفكير فيه،” يوضح جاجراني. “على سبيل المثال، استخدام مسارات متعددة في نفس الوقت أقل تكلفة من استخدام مسار واحد فقط. إليك تشبيه: تخيل أربعة أشخاص يحتاجون إلى الانتقال من النقطة أ إلى النقطة باء عبر أنفاق ضيقة. إذا كان لكل شخص نفق خاص به – أربعة أنفاق – فإنهم يصلون بسرعة أكبر مما لو كان هناك ثلاثة فقط أو أقل، لأن شخصين أو أكثر سيعيقون بعضهم البعض في نفس الممر الضيق.”

ومع ذلك، في الطبيعة، عادة ما نرى تفضيل عملية واحدة على العديد من العمليات. كيف يتم تفسير ذلك؟ “هذا صحيح، ولكن في الأنظمة البيولوجية، غالبًا ما يتدخل التحفيز – عمل تسهيل الجزيئات والإنزيمات – مما يسرع التفاعلات ويجعلها أقل تكلفة، ويحقق نفس التأثير مثل وجود مسارات متعددة بالتوازي. يحدث هذا الاختيار التطوري لأن الحفاظ على العديد من المسارات يمكن أن يكون له عيوب أخرى، مثل إنتاج العديد من الجزيئات التي يحتمل أن تكون سامة.”

ويخلص جاجراني إلى أن “طريقتنا هي أداة مفيدة لدراسة أصل الحياة وتطورها لأنها تسمح لنا بتقييم تكاليف اختيار عمليات استقلابية محددة والحفاظ عليها. إنها تساعدنا على فهم كيفية ظهور مسارات معينة – ولكن شرح سبب اختيار تلك المسارات المعينة يتطلب جهدًا متعدد التخصصات حقًا”.

المرجع: “التصنيف الديناميكي الحراري للمسارات في شبكات التفاعل” بقلم برافول جاجراني ونينو لوبر وإريك سميث وكريستوف فلام، 6 يناير 2026، مجلة الميكانيكا الإحصائية: النظرية والتجربة.
دوى: 10.1088/1742-5468/ae22eb

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.