ما هي الحياة؟

ما هي الحياة؟ الجانب الفيزيائي للخلية الحية هو كتاب علمي صدر عام 1944، كتبه الفيزيائي إرفين شرودنغر للقارئ غير المتخصص . استند الكتاب إلى سلسلة محاضرات عامة ألقاها شرودنغر في فبراير 1943، برعاية معهد دبلن للدراسات المتقدمة ، حيث كان مديرًا للفيزياء النظرية في كلية ترينيتي بدبلن . استقطبت المحاضرات جمهورًا بلغ حوالي 400 شخص، تم تحذيرهم من أن "الموضوع معقد، وأن المحاضرات لا يمكن وصفها بأنها شعبية، على الرغم من أن سلاح الفيزيائي الأكثر رعبًا، وهو الاستدلال الرياضي، نادرًا ما يُستخدم". ^{[ 1 ]} ركزت محاضرة شرودنغر على سؤال مهم: "كيف يمكن تفسير الأحداث التي تحدث في المكان والزمان داخل الحدود المكانية للكائن الحي بواسطة الفيزياء والكيمياء؟" ^{[ 1 ]}

في كتابه، طرح شرودنغر فكرة "المادة الصلبة غير الدورية" التي تحتوي على المعلومات الوراثية في بنيتها من الروابط الكيميائية التساهمية . في أربعينيات القرن العشرين، أثارت هذه الفكرة حماسًا كبيرًا لاكتشاف الأساس الكيميائي للوراثة . مع أن وجود شكل من أشكال المعلومات الوراثية كان مفترضًا منذ عام 1869، إلا أن دورها في التكاثر وشكلها الحلزوني كانا لا يزالان مجهولين وقت محاضرة شرودنغر. في عام 1953، اقترح جيمس د. واتسون وفرانسيس كريك معًا بنية الحلزون المزدوج للحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) استنادًا، من بين رؤى نظرية أخرى، إلى تجارب حيود الأشعة السينية التي أجرتها روزاليند فرانكلين . وقد أشاد كلاهما بكتاب شرودنغر لتقديمه وصفًا نظريًا مبكرًا لكيفية تخزين المعلومات الوراثية، واعترف كل منهما على حدة بأن الكتاب كان مصدر إلهام لأبحاثهما الأولية. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

يستند الكتاب، الذي نُشر عام ١٩٤٤، إلى محاضرات أُلقيت برعاية معهد دبلن للدراسات المتقدمة في كلية ترينيتي، دبلن، في فبراير ١٩٤٣، وحضرها إيمون دي فاليرا وفريقه . ^{[ ٤ ]} في ذلك الوقت، ورغم أن الحمض النووي كان معروفًا بأنه أحد مكونات نواة الخلية، إلا أنه لم يُحدد بعد بشكل قاطع كأساس جزيئي للوراثة، وكان مفهوم "جزيء الوراثة" نظريًا بحتًا، مع وجود العديد من المرشحين. وكان أحد أنجح فروع الفيزياء في ذلك الوقت هو الفيزياء الإحصائية . ويُعد شرودنغر نفسه أحد مؤسسي ميكانيكا الكم ، وهي نظرية تفترض تركيزًا إحصائيًا لفهم العالم الطبيعي على المستوى دون الذري.

ألقى شرودنغر سلسلة محاضرات عامة بعنوان "ما هي الحياة؟" في كلية ترينيتي بدبلن في فبراير 1943 برعاية معهد دبلن للدراسات المتقدمة (DIAS). في عام 1940، دعا رئيس الوزراء الأيرلندي إيمون دي فاليرا شرودنغر ليكون أول مدير لمدرسة الفيزياء النظرية في المعهد. كان شرودنغر، الفيزيائي النمساوي الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1933 لتطويره ميكانيكا الموجات، قد غادر ألمانيا النازية، وبعد إقامات في أكسفورد وغراتس وغنت، استقر في دبلن لمدة ستة عشر عامًا، وهي أطول فترة في حياته. كان من بين متطلبات المعهد تنظيم سلسلة محاضرات سنوية لجمهور عام. قام شرودنغر بنفسه بتصميم سلسلة محاضرات عام 1943 وألقاها في كلية ترينيتي بدبلن. ^{[ 5 ]}

ألقى شرودنغر ثلاث محاضرات متتالية أيام الجمعة (5 و12 و19) من شهر فبراير عام 1943 في جامعة ترينيتي، تحت عنوان "ما هي الحياة؟". عُقدت المحاضرات في قاعة محاضرات الفيزياء بمبنى فيتزجيرالد في الجامعة. ووفقًا لشرودنغر نفسه، كما ورد في كتابه "ما هي الحياة؟"، بلغ عدد الحضور حوالي 400 شخص في كل محاضرة. ونظرًا لأن قاعة محاضرات الفيزياء لا تتسع إلا لحوالي 150 شخصًا، يُعتقد أن كل محاضرة أُعيدت في كل يوم اثنين من الأيام التالية. حظيت المحاضرات بتغطية إعلامية واسعة في صحيفة "آيريش تايمز"، حتى أنها نُشرت في مجلة "تايم" الأمريكية. وفي الواقع، نشرت صحيفة "آيريش تايمز" في 6 فبراير عام 1943 صورة لشرودنغر مع الدكتور إرنست ألتون ، عميد جامعة ترينيتي، ورئيس الوزراء إيمون دي فاليرا، واقفين خارج مبنى الفيزياء في ترينيتي قبل بدء المحاضرة.

كان هدف شرودنغر المعلن هو الإجابة على السؤال التالي: "كيف يمكن تفسير الأحداث التي تحدث في المكان والزمان ضمن الحدود المكانية للكائن الحي بواسطة الفيزياء والكيمياء؟" وقد أُقرّ مسبقًا بصعوبة الموضوع وعدم ملاءمته لمحاضرة علمية مبسطة بالمعنى المعتاد. في محاضراته، ولاحقًا في كتابه الصادر عام 1944 والمستند إليها، استكشف شرودنغر كيف يمكن للمفاهيم الفيزيائية أن تُفسّر استقرار البنى الوراثية، والطفرات، وتنظيم الخلايا الحية. وقدّم مفهوم "البلورة غير الدورية" لوصف المادة الوراثية المقترحة. كما جادل بأن الأنظمة الحية تتوافق مع قوانين الديناميكا الحرارية، وأنها تعوّض انخفاض الإنتروبيا المرتبط بنموها من خلال التغذي على "الإنتروبيا السالبة" من بيئتها. على الرغم من أن الآلية الجزيئية للوراثة في شكل الحمض النووي لم تكن قد اكتُشفت بعد في ذلك الوقت، إلا أن نيكولاي تيموفييف-ريسوفسكي ، وكارل زيمر ، وماكس ديلبروك قدّموا في عام 1935 أول دليل تجريبي على وجود أساس جزيئي للجينات في معهد القيصر فيلهلم للكيمياء في برلين. كان شرودنغر يعرف ديلبروك منذ فترة وجوده في برلين، وقد أُعجب بشدة بعمله. لفتت تأملاته في دبلن الانتباه إلى العمل التجريبي وساعدت في تحفيز المزيد من البحث. ^{[ 6 ]}

يُنسب الفضل على نطاق واسع إلى الكتاب الذي تطور من محاضراته في التأثير على علماء الأحياء الجزيئية الشباب جيمس دي واتسون وفرانسيس كريك، وكلاهما أقر بأن عمله كان أساسيًا في اكتشافهما للحلزون المزدوج للحمض النووي في عام 1953. ويحتفظ معهد دبلن للدراسات المتقدمة برسالة من عام 1953 من كريك إلى شرودنغر تشير إلى أن واتسون وكريك قد تأثرا بكتاب "ما هي الحياة؟".

يمكن اعتبار هذه المحاضرات "أهم وأروع حدث شهدته كلية ترينيتي خلال سنوات الحرب الست المظلمة". ^{[ 7 ]} وذكرت مجلة تايم أن "أوروبا اليوم لا تستطيع أن تقدم مثل هذا المشهد إلا في ظل السلام الهش الذي ينعم به أيرلندا. ففي كلية ترينيتي بدبلن الشهر الماضي، مُنعت حشود غفيرة من حضور محاضرة علمية مكتظة. وصفق وزراء الحكومة والدبلوماسيون والعلماء والشخصيات الاجتماعية بحرارة لأستاذ الفيزياء إرفين شرودنغر، المولود في فيينا، والذي كان يتحدث عن موضوع "ما هي الحياة؟". ^{[ 8 ]}

تُحيي كلية ترينيتي اليوم ذكرى المحاضرات بطرقٍ متنوعة: محاضرة سنوية بعنوان "ما هي الحياة؟" (بدأت عام ١٩٩٥) تُلقى عادةً في قاعة محاضرات الفيزياء، تكريمًا لسلسلة محاضرات عام ١٩٤٣؛ وفي عام ٢٠١٨، نُظِّم مؤتمر الذكرى الخامسة والسبعين بعنوان "شرودنغر في الخامسة والسبعين: مستقبل علم الأحياء". كما أقامت مكتبة ترينيتي معرضًا احتفاءً بسنوات شرودنغر في دبلن وتأثير محاضراته.

كان لفكر ماكس ديلبروك حول الأساس المادي للحياة تأثيرٌ كبير على شرودنغر. ^{[ 9 ]} مع ذلك، وقبل وقتٍ طويل من نشر كتابه " ما هي الحياة؟" ، كان عالم الوراثة الأمريكي هيرمان ج. مولر ، الذي نال لاحقًا جائزة نوبل عام 1946، قد وضع في مقالته عام 1922 بعنوان "التنوع الناتج عن تغير في الجين الفردي" ^{[ 10 ]} جميع الخصائص الأساسية لـ"جزيء الوراثة" (الذي لم يكن معروفًا آنذاك بأنه الحمض النووي DNA) والذي أعاد شرودنغر استنتاجه عام 1944 "من المبادئ الأولى" في كتابه " ما هي الحياة؟" (بما في ذلك "عدم دورية" الجزيء)، وهي خصائص حددها مولر وصقلها بشكلٍ إضافي في مقالته عام 1929 بعنوان "الجين كأساس للحياة" ^{[ 11 ]} وخلال ثلاثينيات القرن العشرين. ^{[ 12 ]} وقد كتب مولر نفسه في رسالةٍ عام 1960 إلى صحفي بخصوص كتابه "ما هي الحياة؟" أياً كان ما توصل إليه الكتاب من معلومات صحيحة حول "الجزيء الوراثي"، فقد نُشر بالفعل قبل عام 1944، وأن ما ذكره شرودنغر لم يكن سوى تكهنات خاطئة. كما ذكر مولر اسم اثنين من علماء الوراثة المشهورين، أحدهما ديلبروك، ممن كانوا على دراية بجميع المنشورات ذات الصلة التي سبقت عام 1944، وكانوا على اتصال بشرودنغر قبل ذلك التاريخ. لم يبرز الحمض النووي (DNA) كجزيء الوراثة إلا بعد تجارب أوزوالد أفيري على تحويل البكتيريا، والتي نُشرت عام 1944؛ فقبل تلك التجارب، كانت البروتينات تُعتبر المرشح الأرجح. وقد تأكدت هوية الحمض النووي (DNA) كجزيء الوراثة من خلال تجربة هيرشي-تشيس التي أُجريت عام 1952.

في الفصل الأول، يوضح شرودنغر أن معظم القوانين الفيزيائية على نطاق واسع ناتجة عن الفوضى على نطاق ضيق. ويُطلق على هذا المبدأ اسم "النظام من الفوضى". كمثال، يذكر الانتشار ، الذي يمكن نمذجته كعملية شديدة التنظيم، ولكنه مع ذلك ناتج عن حركة عشوائية للذرات أو الجزيئات. ومع انخفاض عدد الذرات، يصبح سلوك النظام أكثر عشوائية. ويؤكد أن الحياة تعتمد بشكل كبير على النظام، وأن الفيزيائي البسيط قد يفترض أن الشفرة الأساسية للكائن الحي يجب أن تتكون من عدد كبير من الذرات.

في الفصلين الثاني والثالث، يلخص ما كان معروفًا آنذاك عن آلية الوراثة. والأهم من ذلك، أنه يشرح بالتفصيل دور الطفرات في التطور البيولوجي . ويخلص إلى أن حامل المعلومات الوراثية يجب أن يكون صغير الحجم ودائمًا مع مرور الوقت، وهو ما يتناقض مع توقعات الفيزيائيين الساذجين. ولا يمكن حل هذا التناقض بالفيزياء الكلاسيكية .

في الفصل الرابع، يقدم شرودنغر الجزيئات ، التي تتميز بالاستقرار حتى وإن كانت تتكون من عدد قليل من الذرات، كحلٍّ لهذه المعضلة. فعلى الرغم من أن وجود الجزيئات كان معروفًا منذ زمن طويل، إلا أن استقرارها لم يكن قابلاً للتفسير بالفيزياء الكلاسيكية نظرًا لطبيعة ميكانيكا الكم المتقطعة. علاوة على ذلك، ترتبط الطفرات ارتباطًا مباشرًا بالقفزات الكمومية .

يواصل شرودنغر شرحه في الفصل الخامس، موضحًا أن المواد الصلبة الحقيقية ، وهي أيضًا دائمة، تتكون من بلورات عالية التنظيم . ويعود استقرار الجزيئات والبلورات إلى المبادئ نفسها، ويمكن تسمية الجزيء بـ"نواة المادة الصلبة". من ناحية أخرى، ينبغي اعتبار المادة الصلبة غير المتبلورة ، التي تفتقر إلى بنية بلورية، سائلًا ذا لزوجة عالية جدًا . يكتب شرودنغر أن المادة الوراثية يُرجح أن تكون جزيئًا، على عكس البلورة، لا يتكرر. ويُطلق على هذا النوع اسم "البلورة غير الدورية". تسمح طبيعتها غير الدورية لها بترميز عدد لا نهائي تقريبًا من الاحتمالات باستخدام عدد قليل من الذرات. وأخيرًا، يقارن هذه الصورة بالحقائق المعروفة ويجدها متوافقة معها.

في الفصل السادس، يقول شرودنغر:

...المادة الحية، وإن لم تفلت من "قوانين الفيزياء" كما تم تحديدها حتى الآن، فمن المرجح أن تنطوي على "قوانين فيزيائية أخرى" غير معروفة حتى الآن، والتي بمجرد الكشف عنها، ستشكل جزءًا لا يتجزأ من العلم مثل سابقتها.

يتوقع أن يُساء فهم هذا التصريح، فيسعى إلى توضيحه. المبدأ الأساسي لـ"النظام من الفوضى" هو القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، الذي ينص على أن الإنتروبيا لا تزداد إلا في نظام مغلق (مثل الكون). يوضح شرودنغر أن المادة الحية تتجنب التحلل إلى حالة التوازن الديناميكي الحراري من خلال الحفاظ على إنتروبيا سالبة في نظام مفتوح .

في الفصل السابع، يؤكد أن "الترتيب من الترتيب" ليس جديدًا تمامًا على الفيزياء؛ بل هو في الواقع أبسط وأكثر منطقية. لكن الطبيعة تتبع "الترتيب من الفوضى"، مع استثناءات مثل الحركة المتوقعة للأجرام السماوية وسلوك الأجهزة الميكانيكية كالساعات. حتى هذه تتأثر بالقوى الحرارية والاحتكاكية. وتعتمد درجة عمل النظام ميكانيكيًا أو عشوائيًا على درجة الحرارة. فإذا سُخّنت الساعة بدرجة كافية، فإنها تذوب وتتحول إلى كتلة من الجزيئات تتحرك عشوائيًا. وعلى العكس، إذا اقتربت درجة الحرارة من الصفر المطلق ، فإن أي نظام يتصرف بشكل ميكانيكي أكثر فأكثر. بعض الأنظمة، كالساعات، تقترب من هذا السلوك الميكانيكي حتى في درجة حرارة الغرفة.

يختتم شرودنغر هذا الفصل والكتاب بتأملات فلسفية حول الحتمية ، والإرادة الحرة ، وسرّ الوعي البشري . ويحاول أن "يرى ما إذا كان بإمكاننا استخلاص النتيجة الصحيحة غير المتناقضة من المقدمتين التاليتين: (1) جسدي يعمل كآلية بحتة وفقًا لقوانين الطبيعة؛ و(2) ومع ذلك، أعلم، من خلال تجربة مباشرة لا جدال فيها، أنني أوجه حركاته، وأتوقع آثارها، التي قد تكون مصيرية وحاسمة، وفي هذه الحالة أشعر بها وأتحمل مسؤوليتها كاملة. والاستنتاج الوحيد الممكن من هاتين الحقيقتين، في رأيي، هو أنني - أنا بالمعنى الأوسع للكلمة، أي كل عقل واعٍ قال أو شعر بـ'أنا' - هو الشخص، إن وُجد، الذي يتحكم في 'حركة الذرات' وفقًا لقوانين الطبيعة". ثم يذكر شرودنغر أن هذه الرؤية ليست جديدة، وأن الأوبانيشاد اعتبرت هذه الرؤية القائلة بأن " أتمن  = براهمان " تمثل "جوهر أعمق الرؤى حول أحداث العالم". ويرفض شرودنغر فكرة أن مصدر الوعي يجب أن يفنى مع الجسد لأنه يجد هذه الفكرة "مُنفرة". كما يرفض فكرة وجود أرواح خالدة متعددة يمكنها الوجود بدون جسد، لأنه يعتقد أن الوعي مع ذلك يعتمد اعتمادًا كبيرًا على الجسد. ويكتب شرودنغر أنه للتوفيق بين هاتين المقدمتين، 

"البديل الوحيد الممكن هو ببساطة التمسك بالتجربة المباشرة بأن الوعي هو مفرد غير معروف له تعدد؛ وأن هناك شيئًا واحدًا فقط وأن ما يبدو أنه تعدد ليس سوى سلسلة من الجوانب المختلفة لهذا الشيء الواحد...:

يقول شرودنغر إن أي حدسٍ بأن الوعي متعدد الأوجه ما هو إلا وهم. وهو متعاطف مع المفهوم الهندوسي للبراهمان ، الذي بموجبه لا يعد وعي كل فرد إلا مظهرًا من مظاهر وعي موحد يسري في الكون ، وهو ما يتوافق مع المفهوم الهندوسي للإله. ويخلص شرودنغر إلى أن "...أنا هو الشخص، إن وُجد، الذي يتحكم في "حركة الذرات" وفقًا لقوانين الطبيعة". ومع ذلك، فإنه يُقيّد هذا الاستنتاج بأنه "ذاتي بالضرورة" في "آثاره الفلسفية". وفي الفقرة الأخيرة، يُشير إلى أن المقصود بـ"أنا" ليس مجموعة الأحداث المُعاشة، بل "أي اللوحة التي تُجمع عليها". ويكتب أنه إذا نجح المنوّم المغناطيسي في محو جميع الذكريات السابقة، فلن يكون هناك فقدان للوجود الشخصي، "ولن يكون هناك فقدان أبدًا". ^{[ 13 ]}

في عالم يحكمه القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، يُتوقع أن تقترب جميع الأنظمة المعزولة من حالة الفوضى القصوى أو الإنتروبيا : وهي حالة توازن ديناميكي حراري لا رجعة فيها ، حيث لا تعود الطاقة الحرة متاحة لأداء شغل . وقد قيل إنه بما أن الحياة تقترب من حالة عالية التنظيم وتحافظ عليها، فإنها تنتهك القانون الثاني المذكور، مما يعني وجود مفارقة. ومع ذلك، بما أن الغلاف الحيوي ليس نظامًا معزولًا، فلا وجود لمفارقة. إن زيادة النظام داخل الكائن الحي تُعوض بزيادة الفوضى خارجه نتيجة فقدان الحرارة في البيئة. وبهذه الآلية، يُطاع القانون الثاني، وتحافظ الحياة على حالة عالية التنظيم، والتي تدعمها من خلال التسبب في زيادة صافية في الفوضى في الكون. ولزيادة التعقيد على الأرض - كما تفعل الحياة - هناك حاجة إلى الطاقة الحرة، وفي هذه الحالة توفرها الشمس. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

ساهم كتاب شرودنغر "ما هي الحياة؟" (المستند إلى محاضراته في دبلن عام 1943) في إشعال شرارة علم الأحياء الجزيئي من خلال تأطير الوراثة كمشكلة فيزيائية ونشر فكرة "البلورة غير الدورية"، مما تنبأ فعليًا بوجود شفرة وراثية. وقد جذب هذا الكتاب الفيزيائيين إلى علم الأحياء؛ ويشير ساركار ^{[ 16 ]} إلى تأثيره على رواد هذا العلم مثل واتسون وكريك وبنزر وويلكنز، حتى وإن قال بعضهم إنهم كانوا سيدخلون هذا المجال على أي حال. ومع ذلك، انتقد اللاحقون علم الأحياء القديم لشرودنغر وتكهناته حول "القوانين الجديدة" و"الإنتروبيا السالبة". ويجادل ساركار بأن هذه الانتقادات غالبًا ما تكون مجحفة في وقتها، وأن الإرث الدائم للكتاب هو الإلهام المفاهيمي أكثر من الدقة التقنية. وتُجسد رسالة كريك اللاحقة إلى شرودنغر -المحفوظة الآن في متحف دبلن للدراسات المتقدمة- هذا الإرث المزدوج: الامتنان للإلهام والتأكيد على أن "البلورة غير الدورية" كانت مناسبة.

• إرفين شرودنغر (1944)، ما هي الحياة؟ ومقالات علمية أخرى . استنادًا إلى محاضرات ألقيت برعاية معهد دبلن للدراسات المتقدمة في كلية ترينيتي، دبلن، في فبراير 1943. دابلداي (1956) وأرشيف الإنترنت.

• الإنتروبيا والحياة
• طاقة جيبس ​​الحرة
• جيمس د. واتسون
• فلسفة علم الأحياء
• الجوانب الكمومية للحياة

• أوستر. Zentralbibliothek für Physik Scan للعنوان والجزء الأول من المحتويات
• (باللغة الإيطالية) مراجعة نقدية متعددة التخصصات لكتاب شرودنغر "ما هي الحياة؟"
• تأثير شرودنغر على علم الأحياء