عشرة ألغاز لم تحل بعد

أبحاث تتعلق بفهم الذرّات والجزيئات، الكثير من أكثر الأسئلة الفهمية .صعوبة وعمقا، وكذلك بعض أكثر مشكلات البشرية إلحاحا

Ph. بول

-1 كيف من الممكن أن بدأت الحياة؟

لا زالت اللحظة التي بدأت فيها أول مظاهر الحياة من مادة جامدة (غير حية)، قبل نحوأربعة ملايين سنة، يكتنفها الغموض. فكيف استطاعت جزيئات بسيطة نسبيا، في العصارة البدائية ثم تزداد تعقيدا،يا ترى؟ وكيف بدأ بعض هذه المركبات بمعالجة الطاقة والتكاثر replication (وهما عمليتان مميزتان للحياة)،يا ترى؟ وعلى المستوى الجزيئي، تعتبر جميع هذه المراحل، بالطبع، تفاعلات كيميائية، وهذا الأمر يجعل التساؤل عن بداية الحياة سؤالا يقع في صميم الكيمياء.

لــم يــــعــــــد الــتـحــدي الــذي يقابله الكيميائيون يتمثل بتقديم سينــاريوهــات، جــديرة بالتصديق ظــاهــريا، ولكن يكتنفها الغموض. فهذه السيناريوهات يتوافر منها الكثير. عملى سبيل المثال، افترض الباحثون حتى الفلزات مثل الطين أدت دور الحافز في تكوين أول پوليميرات polymers ذاتية التكاثر (هي جزيئات، كالدنا DNA أوالپروتينات، وهي سلاسل طويلة تتكون من وحدات أصغر). وافترض الباحثون أيضا حتى التعقيد الكيميائي للجزيئات استمد طاقته من منابع المياه الساخنة في أعماق البحار. وكذلك تصوَّر الباحثون حتى جزيء الرنا RNA (وهوابن عم الدنا DNA)، هوجزيء تام له عالَم خاص ويؤدي دور الإنزيم الذي يُحَفِّز التفاعلات كما تعمل الپروتينات، وأنه ظهر للوجود قبل جميع من الدنا والپروتينات.

لا يمكن الاكتفاء بمثل هذه الفرضيات، بل يحتاج الأمر حتى يتم اختبار هذه الأفكار عبر تفاعلات تُجرى بعناية في أنابيب الاختبار. عملى سبيل المثال، أوضح الباحثون حتى بعض المواد الكيميائية البسيطة يمكنها حتى تتفاعل تلقائيا لتكوِّن وحدات البناء الأكثر تعقيدا للنظم الحية، مثل الأحماض الأمينية amino acids، والنيوكليوتيدات nucleotides التي هي الوحدات الأساسية لكل من الدنا والرنا. وفي عـام 2009 قام فريق بقيادة J. ساثرلاند [الذي يعمل حاليا في مختبرات علوم الحياة الجزيئية MRC في كمبردج ببريطانيا] بإثبات تكوّن النيوكليوتيدات من جزيئات يمكن حتى تكون قد توفرت في (العصارة البدائية). وقد ركز باحثون آخرون على قدرة بعض شرائط الرنا على تأدية دور المُحَفِّز، ليقدموا دليلا يدعم فرضية العالم الكامل للرنا. وعبر مثل هذه المراحل يمكن للفهماء بشكل تدريجي، حتى يردموا الفجوة بين المادة الجامدة ونظم التكاثر الذاتي، ومن ثم نظم القدرة الذاتية على استمرار الحياة.

الآن وحيث يمتلك الفهماء فكرة أفضل عن بيئات غريبة ذات خصوبة كامنة في نظامنا الشمسي، مثل الانسيابات المتبترة للماء على الكوكب مارس Mars، والبحار البتروكيمياوية في القمر تيتان Titan التابع للكوكب ساتورن Saturn، والمحيطات المالحة الباردة التي يظهر أنها تكمن تحت ثلج القمرين آيروپا Europa وغانيميد Ganymede التابعين للكوكب جوپيتر Jupiter فإن موضوع أصل الحياة على الأرض terrestrial life، يظهر وكأنه يُشكل جزءا من سؤال أكبر وهو: تحت أيَّة ظروف يمكن حتى تنشأ الحياة،يا ترى؟ وإلى أي مدى يمكن لأُسسها الكيميائية حتى تتباين،يا ترى؟ ويزداد هذا الموضوع غنى بسبب الاكتشافات التي تمت خلال السنوات الست عشرة الماضية لأكثر من 500 كوكب خارج المجموعة الشمسية extrasolar تدور في فلك نجوم أخرى، وهي تشكل في مجملها عوالم من التنوع المذهل.

لقد دفعت هذه الاكتشافات الكيميائيين إلى توسيع آفاق تصورهم للكيميائيات الممكنة للحياة. عملى سبيل المثال، فإن الوكالة ناسا NASA طالما شجعت وجهة النظر القائلة إذا الماء السائل شرط ضروري لوجود الحياة، ولكن الفهماء حاليا ليسوا على يقين من ذلك، إذ ماذا عن النشادر السائل، أوالفورماميد، أومذيب زيتي مثل الميثان السائل، أوالهدروجين عند درجات الحرارة فوق الحرجة supercritical الموجود على الكوكب جوپيتر،يا ترى؟ ثم لما ينبغي على الحياة حتى تقيد نفسها بالدنا والرنا والپروتينات،يا ترى؟ ذلك أنه قد تم الآن خلق الكثير من النُّظم الكيميائية الصُّنْعِيَّة artificial التي تُظْهر نوعا من التكاثر اعتمادا على مكونات أجزائها من دون الاعتماد على الأحماض النووية. فكل ما يحتاج إليه المرء على ما يظهر هونظام كيميائي يمكنه حتى يؤدي دور النطقب لعمل نسخة، ومن ثمَّ تفصل النسخة نفسها عن النطقب.

يقول الكيميائي S. بيتر من مؤسسة التطور الجزيئي التطبيقي في مدينة گينيزڤيل بولاية فلوريدا : عند النظر إلى الحياة على الأرض، لا نمتلك وسيلة لتقرير ما إذا كانت التشابهات (مثل استخدام الدنا والپروتينات) تعكس أصلا مشهجرا، أوأنها حاجات ضرورية للحياة بشكل عام وشامل. ولكننا إذا تراجعنا عن ذلك وعدنا للقول إذا علينا حتى نتمسك بما نعهده، فلنقد يكون هناك ما يَسرُّ.

-2 كيف من الممكن أن تتكون الجزيئات؟

قد تكون دراسة الهجريب الجزيئي نادىمة رئيسة في الدروس الفهمية في المدرسة الثانوية، ولكن الصورة التقليدية للكرات والعِصِيّ التي تمثل الذرات والروابط فيما بينها تعتبر ضربا من الخيال. وتكمن المشكلة في حتى الفهماء يختلفون فيما بينهم حول طبيعة تمثيل أدق للجزيئات.

تعتبر الروابط الجزيئية أساسية لجميع جوانب الكيمياء، ولكن الغريب حتى طبيعتها ليست مفهومة بشكل كامل. وقد أصبحت المحاكاة الحاسوبية أداة قوية لتقديم تنبؤات تتمتع بقدر معقول من الدقة. وعلى سبيل المثال، اكتشف الباحثون، وعززوا اكتشافاتهم بالتجربة، بأن كُرتين مصنوعتين من جلد الوعل buckyball يمكنهما حتى تتصرّفا إلى حد ما كذرَّات عملاقة، قادرة على تشكيل روابط من خلال التشارك في الإلكترونات، تماما كما تعمل ذرتا هدروجين.

في عشرينات القرن الماضي أوضح الفيزيائيان W. هايتلروF. لندن كيفية وصف رابطة كيميائية، باستخدام معادلات النظرية الكمومية quantum theory، حديثة الظهور آنذاك؛ كما اقترح الكيميائي الأمريكي الشهير <L. پاولنگ> حتى الروابط الكيميائية تتكون حينما تتشابك المــدارات الإلـكتـــرونيـــة للـــذرات في الفضاء. وقـــــد اقـتــــــرح كــــل مـــن R. موليكان وF. هُند نظرية منافسة مفادها حتى الروابط هي حصيلة اندماج المدارات الذرية في مدارات جزيئية molecular orbitals تمتد فوق أكثر من ذرة واحدة. وبدت الكيمياء النظرية وكأنها كادت حتى تصبح فرعا من الفيزياء.

وبعد نحو100 عام، أصبحت صورة المدار الجزيئي هي الأكثر انتشارا، ولكن يظهر أنه لا يتوافر حتى الآن إجماع بين الكيميائيين على أنها دائما هي الطريقة الأفضل للنظر إلى الجزيئات. والسبب في ذلك يرجع إلى حتى هذا النموذج للجزيئات، وجميع النماذج الأخرى، مبنية على افتراضات مُبَسَّطة، وأنها بذلك توصيفات جزئية وتقريبية. أما حقيقة الأمر، فهي حتى الجزيء هوباقة من النوى الذرية في سحابة من الإلكترونات، وبها قوى كهربائية ساكنة electrostatic تخوض صراعا عنيفا معا، وأن جميع هذه المكونات دائمة الحركة وتعيد تنظيم ذاتها بشكل مستمر. وتحاول النماذج الحالية للجزيئات عادة تجميد هذه الوحدة الديناميكية على شكل ساكن، وأن تحتفظ ببعض صفاتها البارزة وتهمل الأخرى.

لا تستطيع النظرية الكمومية توفير تعريف متميز للروابط الكيميائية، يتناسب مع البديهيات التي يراها الكيميائيون الذين يقومون يوميا ببناء هذه الروابط وكسرها. ويتوافر حاليا الكثير من الطرق لتوصيف الجزيئات بصفـتهــــا ذرات تجمعهـــا روابــــط. وفي هـــذا المجال يقـــول الكيميـــائي الكمومي D. ماركس من جامعة روهر بمدينة بوخوم بألمانيا : «معظم التوصيفات، مفيدة في بعض الحالات ولكنها تخفق في حالات أخرى.

فيما بعد الجينات، تتحكم مجموعة أخرى من التعليمات في تحديد الجينات التي ستكون نشطة في الخلية. ويُوصل هذا الكود فوق الجيني، المعلومات عبر كيمياويات مرتبطة بالدنا، أوموجودة في پروتينات الهيستون، التي تلفها الدنا حول الصبغيات. وتساعد الواسمات الكيماوية على تحديد ما إذا كانت الجين مختبئا بعيدا في جزء فائق التكثُّف من الصبغيات أوأنه متوفر للتناسخ.

ويمكن الآن للمحاكاة الحاسوبية حتى تحسب بدرجة عالية من الدقة تراكيب وخواص الجزيئات اعتمادا على مبادئ الميكانيك الكمومي الأولية شريطة حتىقد يكون عدد الإلكترونات قليلا نسبيا. ويقول <ماركس>: «يمكن دفع الكيمياء الحسابية computational chemistryإلى أعلى مستويات الواقعية والتعقيد.» ونتيجة لذلك تزداد النظرة إلى الحسابات الحاسوبية كنوع من التجارب الافتراضية التي تتنبأ بالسبيل الذي يفترض أن يسلكه التفاعل. ولكن إذا اشتمل التفاعل الذي يُراد محاكاته على أكثر من عدة دستات من الإلكترونات، فإن هذه الحسابات تبدأ بتحدي قدرات أقوى الحواسيب. إلى غير ذلك، فإن التحدي أمام الفهماء يتمثل بحمل سوية عمليات المحاكاة بحيث يمكن مثلا وضع نماذج حاسوبية للعمليات المعقدة التي تقوم بها المواد الثنائية الجزيء biomolecular المعقدة أوالمواد المتطورة الأخرى في الخلية.

-3 كيف من الممكن أن تؤثر البيئة في جيناتنا؟

تمضى الفكرة القديمة لعلوم الحياة إلى حتى الإنسان هوحصيلة للجينات التي يحملها. ومن الواضح حاليا حتى المسألة التي تساويها بالأهمية هي: أي الجينات تُستخدم،يا ترى؟ وهذا الأمر، مثله مثل جميع أمور علوم الحياة، هوموضوع كيميائي في جوهره.

ويمكن لخلايا الجنين الوليدة حتى تتطور لِتُكَوِّن أي نوع من النسيج، ومع نضوج الجنين، تبدأ الخلايا التي يُطلق عليها اسم الخلايا الجذعية المتعددة الفعاليات pluripotent stem cellsبالتمايز، مُكْتَسِبَة أدوارا محددة (كأن تكون خلايا دم أوعضلات أوأعصاب) تمتد إلى ذريتها progeny. ويعتبر تكوُّن جسم الإنسان عملية تحوير كيميائي لصبغيات (كروموسومات) chromosomes الخلايا الجذعية بطرق تؤدي إلى تغيير صفيفات(2) الجينات المسؤولة عن التشغيل والإيقاف.

ويتمثل أحد الاكتشافات الثورية في مجال أبحاث الاستنساخ cloning والخلايا الجذعية بكون هذا التحوير عملية عكوسة، ويمكن التأثير فيها من خلال خبرات الجسم. ولا تقوم الخلايا بإفقاد الجينات قدراتها بشكل دائم خلال عمليات التمايز، ولكنها تحتفظ فقط بالقدرات التي بحاجة إليها في حالة جاهزة للعمل. وفي النتيجة، تحتفظ الجينات التي أوقف نشاطها بقدرة كامنة على العمل لتكوِّن الپروتينات التي تُكَوِّدُها encode، كما يمكن أيضا حتى يُعاد تنشيط هذه الجينات مثلا من خلال التعريض لبعض المواد الكيميائية التي تكتسبها من البيئة.

وما يمكن حتىقد يكون مثيرا بشكل خاص لحماس الكيميائيين، هوحتى التحكم في نشاط الجينات يظهر وكأنه يتضمن أحداثا كيميائية تحدث بأحجام، مقاساتها أكبر من حجم الذرات والجزيئات، وهوما يُطلق عليه المقاس المتوسط mesoscale حيث تتآثر مجموعات جزيئية كبيرة مع مُجَمَّعات جزيئية assemblies. ويلاحظ حتى الكروماتين chromatin وهوخليط من الدنا والپروتينات ومسؤول عن تكوين الصبغيات، هوذوهجريب هرمي. ويلتف اللولب المزدوج حول جسيمات أسطوانية مصنوعة من الپروتينات تُدعى الهيستونات histones، ومن ثمَّ تُرَزَّم سلسلة الكريات على أشكال أكثر تنظيما لم يتم فهم كنهها بعد انظر الشكل في هذه الصفحة . وتمارس الخلايا تحكما كبيرا في أسلوب هذا الرزم packing، حيث يمكن حتى تحدد كيفيةُ ومكانُ رزم الجين في الكروماتين إذا كان هذا الجين نشطًا أولا.

وتمتلك الخلايا إنزيمات خاصة لإعادة تشكيل هجريب الكروماتين. فهما بأن لهذه الإنزيمات دورا مركزيا في تمايز الخلايا. ويبدوحتى الكروماتين في الخلايا الجذعية الجنينية، له هجريب فضفاض ومفتوح؛ وحينما تصبح بعض الجينات غير نشيطة، يزداد تكتل وتنظيم الكروماتين. وفي هذا المجال، يقول المختص في فهم الأمراض B. بيرنشتاين من مستشفى ماساتشوستس العام : يظهر حتى الكروماتين يُصْلِح ويحافظ ويثبت وضع الخلايا.

إضافة إلى ذلك، فإن عمل هذا الكروماتين يترافق مع تعديل كيميائي لكل من جزيئات الدنا والهيستونات. وتؤدي الجزيئات الصغيرة الملتصقة بهما دور الواسم (الدليل) الذي يوحي للآلة الخلوية بإسكات الجينات، أوبعكس ذلك، يطلقها لتقوم بأداء عملها. ويُطلق على مثل هذا الواسم مُسمَّى فوق الجيني (الوراثي) epigenetic لأنه لا يؤثر في المعلومات التي تحملها الجينات نفسها.

ويبدوحتى السؤال حول المدى الذي يمكن خلاله إعادة الخلايا الناضجة إلى فترة تعدد الفعاليات وكأنها تماثل الخلايا الجذعية الحقيقية (وهذا أمر حيوي بالنسبة إلى استخدامها في الطب التجديدي regenerative medicine) بأنه سؤال يتوقف بشكل كبير على مدى إمكانية إعادة ضبط الواسم فوق الجيني.

وقد أصبح واضحا الآن، أنه إضافة إلى الكود الجيني الذي يُعبّر عن الكثير من التعليمات المفتاحية للخلية، فإن الخلايا تتواصل بلغة كيميائية مختلفة تماما عن لغة فهم الجينات (لغة فهم الوراثة) genetics. وهذه اللغة الجديدة هي ما تسمى لغة «ما فوق الجينية». ويقول عالم الجينات ب. تيرنر[من جامعة بيرمنگهام في إنكلترا]: «قد يحدث لدى الناس نزعة جينية مسبقة للعديد من الأمراض، بما في ذلك السرطان، ولكن وقوع السقم أوعدمه يعتمد غالبا على عوامل بيئية تعمل عبر هذه السُّبل فوق الجينية.»

-4 كيف من الممكن أن يُفَكِّر الدماغ ويُكوِّن الذاكرات؟

الدماغ هوحاسوب كيميائي. ويتم التواصل بين العصبونات (النورونات) neurons التي تشكل دارته، بواسطة الجزيئات، وهي تحديدا الناقلات العصبية التي تعبر بين المشابك العصبية synapses ، وهي نقاط التواصل بين الخلية العصبية والأخرى. وتشكل عملية الذاكرة أكثر جوانب كيمياء الدماغ إثارة للإعجاب. فالمبادئ والمفاهيم المجردة، مثل رقم هاتف أومناسبة عاطفية، تكون مطبوعة في مواقع من الشبكة العصبية بواسطة إشارات كيميائية مُعزَّزة. وهنا يمكن طرح السؤال: كيف من الممكن أن يمكن للكيمياء حتى تكوّن ذاكرة تتميز بالديمومة والدينامية، والقدرة على الاسترجاع والمراجعة والنسيان؟

نحن حاليا على فهم بجزء من الجواب. فهناك شلال من العمليات الكيميائية الحيوية (الكيموحيوية) التي تؤدي إلى تغير في كميات جزيئات الموصلات العصبية في المشبك، وهذا الشلال هوالذي يطلق تعلُّم الأفكار اللاإرادية المعتادة. ولكن حتى هذا الجانب البسيط من التفهم له مرحلتان، إحداهما قصيرة والأخرى طويلة المدى. في حين حتى هناك ذاكرة معقدة يطلق عليها اسم الذاكرة التصريحية (الإعلانية) declarative memory وهي الذاكرة الخاصة بالناس والأماكن وغير ذلك. ولهذه الذاكرة آلية ومسقط مختلفان في الدماغ، وهي تشتمل على پروتين يدعى المُسْتَقبِل NMDA، يوجد على بعض العصبونات. وقد عثر حتى حجب هذا المُستقبِل، بواسطة العقاقير يمنع استرجاع الكثير من أنواع الذاكرة التصريحية.

وغالبا ما تُكَوَّد ذاكرتنا التصريحية اليومية من خلال عملية تسمى تدعيم طويل الأمد، ويتضمن المُستقبِلات NMDA ويصاحبه تضخم في المنطقة العصبية التي تُكَّوِن المشبك. ومع نموالمشبك، تنموكذلك «قوة» تواصله مع جيرانه. وتُسْتَحَثُّ الكهربية عند الارتباط المشبكي بوصول دفعات عصبية. وقد تم إيضاح الكيمياء الحيوية لهذه العملية خلال الأعوام الكثيرة الماضية. وهي تتضمن تكوُّن شُعَيْرات خلال العصبون من الپروتين أكتين actin، وهوجزء من السنطقات scaffoldings الأساسية للخلية، كما أنه المادة التي تُحدد حجم الخلية وشكلها. ولكن هذه العملية يمكن حتى تُوقَفْ إذا مَنَعَت العواملُ الكيميائية الحيوية الشعيراتِ الحديثة التكوين من تثبيت نفسها.

وما حتى يتم تكويد ذاكرة التفهم البسيط والمعقد حتى يتم الحفاظ على نشاطها لفترة طويلة بواسطة تشغيل الجينات التي تؤدي إلى ظهور پروتينات محددة. ويبدوحتى هذه العملية تتضمن جزيئا يسمى پريون prion. والپريونات هي پروتينات يمكنها حتى تتحول بين شكلين متماثلين conformation مختلفين فراغيا، وأحد هذين المتماثلين قابل للذوبان أما المتماثل الآخر فهوغير قابل للذوبان، ويؤدي دور الحافز ليحول جزيئات أخرى تشبهه إلى حالة عدم الذوبان، مما يدفع هذه الجزيئات إلى التكدس. وقد تم اكتشاف الپريونات لأول مرة وتم تعهد دورها في حالات الانحلال العصبي neurodegenerative، كما في سقم جنون البقر. وقد تم التوصل إلى حتى آليات الپريون لها أدوار مفيدة أيضا، حيث يشير تكدس پريوني على مشبك مُعَيَّن لحفظ الذاكرة.

لازالت هناك فجوات عديدة وكبيرة في سيرة عمل الذاكرة، ينتظر الكثير منها الحل (الردم) بواسطة الكيمياء. عملى سبيل المثال، كيف من الممكن أن يتم استنادىء الذاكرة بعد تخزينها،يا ترى؟ وفي هذا المجال يقول عالم الأعصاب E. كاندل [من جامعة كولومبيا، والحائز على جائزة نوبل : «هذه معضلة عميقة بدأ تحليلها للتو.

وفي محاولة لفهم كيمياء الذاكرة، نقابل جانبا جذابا ومثيرا للجدل من ناحية التحفيز بالعقاقير. فهناك بعض المواد المعروفة الداعمة للذاكرة، بما في ذلك هرمونات الجنس وبعض المواد الكيميائية الاصطناعية التي تعمل كمستقبلات للنيكوتين والگلوتامات والسيروتونين وغيرها من المُرسِلات العصبية neurotransmitters. وحسب ما يقوله بيولوجي الأعصاب G. لينش [من جامعة كاليفورنيا في إيرڤن فإن تتابع المراحل المعقد الذي يؤدي إلى التفهم الطويل المدى والتذكر، يعني حتى هناك الكثير من الأهداف الواعدة لمثل عقاقير الذاكرة هذه.

-5 ما عدد العناصر الكيميائية الموجودة؟

لابد من مراجعة دائمة للجداول الدورية التي تُزَيّن الجدران، وذلك بسبب الزيادة المضطردة للعناصر. ويستطيع الفهماء من خلال تصادم نوى الذرات معا في مُسرِّعات الجُسيمات، حتى يكوِّنوا عناصر جديدة فائقة الثقل تحتوي في نواها على عدد من الپروتونات والنيوترونات أكبر مما في العناصر الاثنين والتسعين الموجودة في الطبيعة. ولكن هذه النوى المحتقنة ليست عالية الثبات، فهي تضمحل عبر نشاطها الإشعاعي، وغالبا ما يتم ذلك خلال جزء سهل من الثانية. ولكنها أثناء وجودها، فإن هذه العناصر الاصطناعية الجديدة مثل السيبورگيوم seaborgium (وهوالعنصر 106) الهاسيوم hassium (وهوالعنصر 108)، يشبهان أي عنصر آخر، فيما يتعلق بتميزهما بخواص كيميائية محددة. وقد تمكن الباحثون عبر تجارب رائعة، من التحري عن بعض هذه الخواص أثناء فحص بعض الذرات المراوغة لكل من السيبورگيوم والهاسيوم، وذلك خلال الفترة الزمنية القصيرة التي تحياها ذراتهما قبل انشطارها إلى أجزاء.

ومثل هذه الدراسات لا تختبر الحدود الفيزيائية فقط للجدول الدوري، بل حدوده المفاهيمية أيضا: فهل تستمر العناصر الفائقة الثقل، في المقام الأول، بإظهار الاتجاهات والانتظامات في السلوك الكيميائي والتي تضفي إلى هذا الجدول صفته الدورية،يا ترى؟ والجواب عن ذلك، هوحتى بعضها يعمل ذلك وبعضها الآخر لا يعمله. خاصة وأن هذه النوى الثقيلة ترتبط بقوة بإلكترونات الذرة القريبة من النواة بحيث تتحرك الإلكترونات بسرعة قريبة من سرعة الضوء. إلى غير ذلك فإن تأثيرات النسبية الخاصة(8) تزيد من كتلة الإلكترون وقد تسبب فوضى في سويات الطاقة الكمومية التي تعتمد عليها كيمياؤها، ومن ثم دورية الجدول بشكل عام.

مُحاكاة للنباتات، يُطوِّرُ الكيميائيون مُحَفِّزات ومواد جديدة، لتجميع أشعة الشمس وتخزينها على شكل غاز هدروجين. وهنا تقوم أسلاك نانوية مُعَرَّضة لضوء الشمس بفصل جزيئات الماء إلى أيونات هدروجين، وذرات أكسجين وإلكترونات. وتسير الأيونات والإلكترونات إلى أسفل متجهة إلى الجانب الآخر من الغشاء، وعندها تقوم الأسلاك النانوية بتحفيز تكوُّن غاز الهدروجين من الإلكترونات والأيونات.

وبما أنه يُعتقد بأن النوى يتم تثبيتها «بأرقام سحرية» معينة من الپروتونات والنيوترونات لذا يأمل بعض الباحثين بالعثور على ما يسمونه «جزيرة الثبات» island of stability، وهي منطقة تقع فيما وراء الإمكانات الحالية لاصطناع العنصر، ويمكن فيها لمثل هذه العناصر الثقيلة حتى تعيش فترة زمنية أطول. ومع ذلك يحق لنا حتى نتساءل هل هناك حدود مبدئية لحجم هذه العناصر،يا ترى؟ لقد تبين بواسطة عملية حساب بسيطة حتى النسبية تمنع الإلكترونات من الارتباط بالنوى التي بها أكثر من 137 پروتونا. ولكن حسابات أكثر تطورا تتحدى هذا الحد. وهذا ما يصر عليه الفيزيائي النووي W. گراينر من جامعة جون يوهان في فرانكفورت بألمانياحيث يقول: «لن ينتهي النظام الدوري عند الرقم 137، بل إنه في واقع الأمر لن ينتهي أبدا». ولكن الاختبار التجريبي لهذا الانادىء لا زال بعيد المنال.

-6 هل يمكن خلق الحواسيب من الكربون؟

يمكن حتى تكون شيپات chips الحاسوب المصنوعة من الگرافين graphene، الذي هونسيج من ذرات الكربون - أسرع وأكثر قوة من مثيلتها المعتمدة على السِليكون. لقد حاز اكتشاف الگرافين على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2010، ولكن نجاحه ونجاح أشكال أخرى من تقانات النانوالمبنية على الكربون، يمكن حتى تعتمد في النهاية على قدرة الكيميائيين على تكوين تراكيب ذات دقة ذرية.

واكتشاف كرات بكي buckyballs في عام 1985، وهي جزيئات مُجوفة لها شكل القفص تتكون من الكربون الخالص، شكّل البداية لشيء كان أكبر كثيرا. وبعدها بست سنوات ظهرت أنابيب من ذرات كربونية منتظمة على شكل مُسدّس الزوايا والأضلاع يشبه ذاك الموجود في شرائح الكربون للگرافيت. ولكونها مجوفة وعالية المتانة والقسوة وموصلة للكهرباء، فإن هذه الأنابيب النانوية الكربونية كانت واعدة بتطبيقات تتراوح بين مركبات كربونية بالغة القوة وأسلاك دقيقة وتجهيزات إلكترونية وكبسولات جزيئية صغيرة وأغشية تنقية الماء.

ومع جميع التسقطات التي بنيت على الأنابيب النانوية الكربونية إلا أنه لم ينجم عنها الكثير من المنتجات والتطبيقات التجارية. وعلى سبيل المثال، لم ينجح الباحثون في حل معضلة كيفية ربط الأنابيب بعضها ببعض، لتكوين دارة إلكترونية معقدة. وحديثا تحرك الگرافيت ليحتل مركز الاهتمام بسبب اكتشاف إمكانية فصله إلى صفائح إفرادية شبيهة بأسلاك بيت الدجاج، تسمى الگرافين، يمكنها حتى تكون أساس دارات إلكترونية فائقة الصغر، رخيصة ومتينة. ويؤمل حتى تتمكن صناعة الحواسيب من استخدام شرائط رفيعة، وشبكات من الگرافين، مصنوعة بدقة ذرية، لبناء شيپات ذات أداء أفضل من تلك المعتمدة على السيليكون.

يــقـــــول أخـــصــــائــي الـــكــربـــــون W. دوهير من معهد جورجيا للتقانة : «يمكن خلق نموذج من الگرافين بكيفية تسمح بتجاوز مشكلات وصل وتوضّع أنابيب الكربون النانوية». ويشير إلى حتى استخدام طرق مثل الحفر etching، لنمذجة دارات الگرافين وصولا إلى الذرات الأحادية، يُعتبر عملية بدائية فجّة غير مناسبة. ويَخْشى حتى تنتمي تقانة الگرافين إلى صنف من الفهم غير الموضوعي أكثر من انتمائها إلى الفهم الحقيقي. فاستخدام تقانات الكيمياء العضوية لبناء دارات الگرافين من الأسفل إلى الأعلى عن طريق ترابط جزيئات «عديدة الأروماتية» تحوي عددا من حلقات الكربون السداسية مثل شدف صغيرة من شريحة گرافين، يمكن حتى يُشكل مفتاحا لهندسة دقيقة على المستوى الذري. وإذا نجح ذلك فإنه سيفتح الباب لدارات الگرافين الإلكترونية.مجلة العلوم الأميريكية

-7 كيف من الممكن أن يمكننا حتى نحصد مزيدا من الطاقة الشمسية؟

يذكرنا شروق الشمس جميع صباح، بأننا نحصد حاليا قدرا ضئيلا من مصدر الطاقة النظيفة الضخم المتمثل بقرص الشمس. وتعتبر التكلفة المشكلة الرئيسية في حصد كميات أكبر من هذه الطاقة. ذلك حتى التكلفة المرتفعة للّوحات الكهرضوئية photovoltaic التقليدية المصنوعة من السيليكون، تَحُدُّ من التوسع في استخدامها، فهما بأن الحياة على الأرض تعتمد بالكامل تقريبا على الطاقة الشمسية، وذلك من خلال التمثيل الضوئي photosynthesis. وهذا يعني حتى الخلايا الشمسية لا ينبغي حتى تكون بالضرورة عالية الكفاءة، إذا كان بالإمكان حتى نجعلها، مثل أوراق النبات، متوافرة بكميات كبيرة وبأسعار زهيدة.

يقول D. گاست من جامعة ولاية أريزونا : إذا أحد الأهداف المقدسة لأبحاث الطاقة الشمسية، هوالنجاح في استخدام ضوء الشمس في إنتاج الوقود. وأسهل طريقة لإنتاج الوقود من الطاقة الشمسية هي فلق جزيئات الماء لإنتاج غازيْ الهدروجين والأكسجين. ويقوم S .N. لويس ومساعدوه في معهد كاليفورنيا للتقانة Caltech ، بتطوير ورقة صنعية يمكنها حتى تقوم بذلك بالضبط وذلك باستخدام أسلاك نانوية من السيليكون.

وفي طليعة هذا العام (2011) كشف <D. نوسير> والعاملون معه [من المعهد MIT] عن غشاء مصنوع من السيليكون، يشتمل على مُحفِّز ضوئي أساسه الكوبالت، يقوم بفلق جزيئات الماء. ويُقدِّر <نوسير> حتى گالونا واحدا من الماء يمكن حتى يزودنا بكمية من الوقود، تكفي لتزويد منزل بالطاقة في الدول النامية لمدة يوم واحد. ويضيف قائلا: «إن هدفنا هوحتىقد يكون لكل بيت محطة طاقة خاصة به.»

لازالت عملية فلق الماء بالاستعانة بالمحفزات صعبة. ويقول گاست : إذا محفز الكوبالت، مثل الذي يستخدمه نوسير ، وغيره من المحفزات التي تم اكتشافها مؤخرا، المعتمدة على فلزات عادية، هي محفزات واعدة، ولكن أحدا لم يكتشف حتى الآن محفزا مثاليا وغير مكلف.» ويضيف گاست: إننا لا نعهد الآن كيف من الممكن أن يعمل المحفز الطبيعي في عمليات التمثيل الضوئي، وهوالمحفِّز المعتمد على أربع ذرات منگنيز وذرة كالسيوم واحدة.

يعمل گاست وزملاؤه على إنتاج مجّمعات جزيئية للاصطناع الضوئي الصُّنعي، تحاكي إلى حد كبير ما تعمله الأوراق النباتية الطبيعية. وقد تمكن فريقه من اصطناع بعض العناصر التي يمكن تضمينها في أحد هذه المجمعات، ولكن لا زالت هناك حاجة إلى مزيد من العمل على هذه الجبهة. فالجزيئات العضوية، مثل تلك التي تستخدمها الطبيعة، سرعان ما تنكسر. وفي حين حتى النباتات تُنتِج بشكل مستمر پروتينات جديدة لتحل محل ما تم كَسْرُه، فإن المجمَّعات (الأوراق) الصُنْعِيَّة لا تعمل ذلك حتى الآن، وهي لا تمتلك آلية الاصطناع الكيميائي الكامل التي تمتلكها الخلايا الحية وتوفر لها حاجتها.