1

مدخل إلى علم الحياةAn Introduction to Biology

المحاضرة 1

Ref. 1 – Campbell/Reece Biology، Eighth Edition، 2008: Pearson Benjamin.

Pages: 1-11.

Ref. 2 – Mader: Biology، tenth edition، 2010: McGraw-Hill Companies،

pages: 2-5.

The periodical-The Journal of Biology And Life Science

2

»استكشاف احلياة ومستويات التعضي البيولوجي«

مقدمة:البيولوجيــا هــو علم يهتم بالدراســة العلمية للحياة ويعتر هذا العصر األكثر إثارة بالنســبة لعلم احلياة حيث شرعت أكر جمتمعات العلماء يف التاريخ، واجملهزة أفضل جتهيز، حبل ألغاز احلياة اليت بدت يومًا ما غري قابلة للحــل. إننــا نقرتب من فهــم كيف ميكن خللية جمهرية واحــدة أن تتطور إىل نبات أو حيــوان معقد، وكيف تستطيع النباتات حتويل الطاقة الشمسية إىل الطاقة الكيميائية يف الطعام، وكيف يعمل العقل البشري، coral وكيف تتشــابك أشــكال خمتلفة من احلياة يف جمتمعات بيولوجية مثل الغابات والشــعاب املرجانية

reefs، وكيــف تطــور التنوع اهلائل للحياة علــى األرض انطالقًا من امليكروبات.

إننــا كلمــا تعلمنــا عــن احلياة أكثر كلمــا ازدادت ســحرًا، ألن التقدم يف مســألة مــا يقود إىل أســئلة أخرى ق مستمر عن طبيعة قُّ تتأثر بالعقل الفضولي لعقود آتية من الزمن. وفوق كل شيء، فإن البيولوجيا حبث وحَتَ

احلياة.

إن البيولوجيا احلديثة مهمة بقدر ما هي ملهمة. فالبحوث واالكتشــافات يف جمال الوراثة والبيولوجيا اخللوية م البيولوجيــا اجلزيئية أدوات جديــدة الختصاصات متنوعة تعمــل على تطويــر الطب والزراعة. وكذلــك تقدِّevolutionary bio- ةمثل األنثروبيولوجيا وعلم اجلرمية. وكذلك، فإن العلوم العصبية والبيولوجيا التطوري

logy تعيدان اآلن تشــكيل علم النفــس وعلم االجتماع.

كمــا أن منــاذج جديدة يف علم البيئة أخذت تســاعد العلمــاء على تقييم بعض القضايا البيئية مثل أســباب االحتباس احلراري العاملي والنتائج البيولوجية هلذه الظاهرة. هذه أمثلة قليلة عن كيفية تداخل البيولوجيا يف نســيج ثقافتنا أكثر من أي وقت مضى. إذ مل يســبق أن كان هناك وقت أفضل الستكشــاف احلياة من الوقت

احلاضر.

إن الظاهرة اليت نســميها احلياة تتحدى التعريف البســيط جبملة واحدة. إن أي طفل يدرك أن الكلب أو البقة أو النبــات مثــل الســرخس )اخلنشــار( املصــور يف )الشــكل 1( هو نــوع )species( مــن الكائنات احليــة بينما

ة )الشــكل 2(. الصخــرة ليســت كذلك. إننا نتعّرف علــى احلياة من خالل معرفة ما تقوم به الكائنات احليَّ

الشكل )1(: السرخس )اخلنشار(- البيولوجيا هو العلم الذي يدرس احلياة

وفيما نتأهب الكتشــاف احلياة ســيكون من املفيد أن يكون لدينا صورة مشولية )بانورامية( للعلم الواســع الــذي سندرســه. فهــذا اجلــزء االفتتاحي يعرض اجملال الواســع مــن البيولوجيا، ويلقــي الضوء على تنــوع احلياة، ويصــف موضوعــات )مثــل التطــور( توحــد كل البيولوجيــا ويفحــص الطرائــق الــيت يســتخدمها البيولوجيون

الستكشــاف احلياة.

الشكل )2(: بعض خصائص احلياة

a ..الرتتيب: تشرح هذه الصورة املقربة لزهرة عباد الشمس البنية الفائقة الرتتيب اليت متيز احلياة

b . التكيــف التطــوري: ان مظهر حصان البحر القزم هذا ميوه احليوان يف بيئته، وتنشــأ هذه التكيفات علىمدى أجيال عديدة من خالل النجاح التناســلي لتلك األفــراد ذات الصفات القابلة للتوريث.

c . االســتجابة البيئيــة: يغلــق خانــق الذبــاب مصيدته بســرعة اســتجابة للمنبــه البيئي ليعســوب حط علىاملصيــدة املفتوحة.

d . التنظيــم: ان تنظيــم تدفــق الــدم داخل األوعيــة الدمويــة املوجــودة يف كال أذني األرنب يســاعد يف صوندرجــة حــرارة ثابتة من خالل تنظيــم التبادل احلراري مــع اهلواء احمليط.

e . معاجلــة الطاقــة: حيصــل هــذا الطائــر الطنان علــى وقوده مــن رحيق الزهــور، ثم يســتعمل الطنــان الطاقةالكيميائيــة املختزنــة يف طعامــه لغــرض الطريان وألعمــال أخرى.

f . التشــكل والنمــو: تتحكــم املعلومات الوراثية الــيت حتملها اجلينات يف مناذج تشــكل ومنو الكائناتاحلية مثل متساحالنيل.

g ..التناسل: تنجب الكائنات احلية الصنف اخلاص بها. يظهر يف هذه الصورة بطريق حيمي وليده

3

:global scale استكشاف احلياة ابتداًء من اجملهر وحتى مقاس الكرة األرضيةة وحتى املقاس الشــمولي متتــد دراســة احلياة من املقــاس اجملهري للجزيئــات واخلاليا اليت تؤلفالكائنــات احليَّ

ة. للكوكب احلي بأســره. وميكنناأننقســم هذا املدى اهلائل إىل عدة مســتويات من الكائنات احليَّ

تراتبية مستويات التعضي البيولوجي-

ختيل حماولة رؤية األرض بتقريب الصورة من الفضاء. لتكن وجهتنا هي غابة يف مكان ما، حيث ســنقوم يف نهاية املطاف باســتخدام اجملاهر ومعدات أخرى الستكشــاف ورقة لنبات ما عر التصغري حتى املســتوى اجلزيئي

)الشكل 3(. إن هذه العملية تقودنا إىل املرور عر مستويات التعضيِّ البيولوجي هي:

احمليــط احليــوي لــألرض Biosphere: حاملــا نصبــح قريبــني لدرجــة كافية مــن األرض حبيث تتــاح رؤية . 1القــارات واحمليطات. فإننا نبدأ برؤية عالمات احلياة وذلك يف فسيفســاء غابات الكوكب اخلضراء على ســبيل املثــال. هذه هــي النظرة األوىل للمحيــط احليوي الذي يتألف مــن مجيع البيئات املســكونة باحلياة علــى األرض. ويضــم احمليــط احليوي معظم مناطق اليابســة، واملســطحات املائية كاحمليطــات والبحريات

واألنهــار وكذلك الغالف احليــوي إىل ارتفاعات تصــل بضعة كيلومرتات.

املنظومــات البيئيــة Ecosystems: حــني تقــرتب مــن األرض بهبــوط افرتاضــي يف مــكان مــا مــن األرض، . 2نســتطيع البــدء برؤيــة غابة حتتــوي على عــدد وافر من األشــجار. وتعتر هــذه الغابة مثاال ملنظومــة بيئية. كمــا أن املــروج والصحــارى واحمليطات والشــعاب املرجانية هــي منظومات بيئيــة أخرى. وتتألــف املنظومة البيئيــة مــن مجيع العناصر احلية يف منطقة معينة باإلضافــة إىل مجيع املكونات غري احلية اليت تتفاعل معهااألحيــاء كالرتبــة واملــاء والغازات اجلويــة والضوء. هذا وجتتمــع كل املنظومات البيئيــة املوجودة يف

األرض لتشــكل احمليط احليــوي لألرض.

اجملتمعــات Communities: إن مجيــع مصفوفــة الكائنــات احلية اليت تعيش يف منظومــة بيئية معينة . 3تســمى جمتمعــا بيولوجيــا. واجملتمع يف منظومتنــا البيئية للغابة يتضمــن العديد من األشــجار والنباتات وحيوانــات متنوعــة وأنواعــا متعددة من الفطر املشــروم وفطــور أخرى، باإلضافــة إىل عدد هائــل من األحياء الدقيقــة املتنوعــة مثل البكترييا اليت ال ميكن رؤيتها بدون جمهر. ويســمى كل شــكل من أشــكال

.Species احلياة هذه نوعــا حيا

اجلماعــاتPopulations: تتألــف اجلماعــة من كل أفراد النــوع احلي الواحد الذين يعيشــون يف منطقة . 4معينــة. فعلــى ســبيل املثال، تضــم غابتنا جتمعات من أشــجار البلــوط ومجاعات من الذئــاب أو من الضباع.

وميكنناإعــادة تعريــف اجملتمع بأنه جمموعة مــن اجلماعات اليت تقطــن يف منطقة معينة.

الكائنــات احليــة Organisms: يطلق على األحياء اســم الكائنات احلية، فــكل حيوان يف الغابة مثل . 5الضفدع والســنجاب والدب واحلشرة تسمى كائنا حيا.

ــاة . 6 ــة للحي ــة البنيوي ــتمر الرتاتبي ــاء Organs and Organssystems: تس ــات األعض ــاء ومنظوم األعضبالتكشــف تدرجييا كلما استكشــفنا اهلندســة املعمارية للكائنات احلية املعقدة. متثل ورقة نبات ما مثاال عن عضو يف كائن حي، وكذلك ميثل القلب عند اإلنسان عضو يف كائن حي. مبعنى أنه جزء

من جســم، يتألف من نسيجني أو أكثر.

نذكــر مــن أمثلــة األعضــاء عند نوع مــن احليوانــات الراقيــة: الدماغ، القلــب والكلــى. وتنتظــم األعضاء لدى اإلنســان واحليوانــات املتطورة يف منظومة أعضاء. وتتألــف كل منظومة من فريق من األعضاء تتعاون مفرداته

يف وظيفــة نوعية. فعلى ســبيل املثال يتضمن جهاز اهلضم لدى اإلنســانأعضاءمثل اللســان واملعدة واألمعاء.

4

النســج Tissues: تتطلــب رؤية نســيج يف عضو من أعضاء حيوان ما اســتخدام اجملهــر. فمثال يتألف القلب . 7عند اإلنســان من جمموعة من النســج املختلفة كالعضالت امللســاء والعضالت املخططة وغريها. ويتألف كل نســيج مــن بنيــة خلوية معينــة، ويف احلقيقــة يتألف كل نوع من النســج من جمموعــة من اخلاليا

املتماثلة.

اخلاليــا Cells: اخلليــة هــي الوحدة األساســية للبنيــة والوظيفة يف احليــاة. بعض الكائنــات احلية مثل . 8األميبــات ومعظــم البكترييا تتألف أجســامها مــن خلية واحدة. أمــا الكائنات احلية األخــرى، مبا يف ذلك

النباتــات واحليوانات، فهــي متعددة اخلاليا.

و بدال من أن تقوم خلية واحدة بكل وظائف احلياة، تقوم اخلاليا يف األحياء املتعددة اخلاليا بتقاســم العمل بــني خالياهــا املتخصصة. ويتألف جســم اإلنســان من مليــارات اخلاليا اجملهريــة املتعددة األصنــاف، مبا يف ذلك اخلاليــا العضليــة واخلاليــا العصبية، واليت تكــون منتظمة يف أنســجة خمتصة متنوعة. على ســبيل املثال،

تتألف النســج العضلية من حزم مــن اخلاليا العضلية.

العضيــات Organelles: إن املصورات احليوية )اجلســيمات الكوندرية( وكذلك جهاز غوجلي هي مثال . 1عن العضيات اليت هي املكونات الفعالة املختلفة اليت تشكل اخلاليا.

اجلزيئــات Molecules: متثل اجلزيئة بنية تتألف من وحدتني كيميائيتني صغريتني أو أكثر تســمى . 2ذرات Atoms. فمثــال يعتــر اليخضــور جزيئــة صبــاغ جتعــل ورقة النبــات خضــراء اللون. وهــي واحدة من أكثر اجلزيئات أهمية على األرض، إذ ميتص اليخضور أشــعة الشــمس خالل املرحلة األوىل من الرتكيب الضوئــي. وتنتظــم داخل كل حبيبة خيضورية ماليــني اجلزيئات اليخضوريــة وجزيئات أخرى ميكنها

5

حتويــل الطاقة الضوئية إىل الطاقــة الكيميائية يف الغذاء.

ديناميكية )حركية( املنظومة البيئية Ecosystem dynamicب-

تتضمن ديناميكية أي منظومة بيئية عمليتني أساسيتني هما:

العمليــة األوىل: وتضم تدوير املغذيات. فعلى ســبيل املثال تعــاد يف نهاية املطاف املعادن ليحصل عليها النبات إىل الرتبة عن طريق األحياء الدقيقة اليت تفكك أوراق األشجار املتساقطة واجلذور امليتة يف حطام عضوي.

العمليــة اهلامــة الثانيــة: هــي تدفــق الطاقــة مــن ضــوء الشــمس إىل املنتجــني Producers ثم املســتهلكنيConsumers. أمــا املنتجــون فهمــا النباتــات والكائنات األخــرى القادرة علــى الرتكيب الضوئــي واليت حتول الطاقــة الضوئيــة إىل طاقة كيميائية. وأما املســتهلكون فهم كائنات حية مثــل احليوانات اليت تعيش على

ــتهلكني آخرين. منتجني ومس

Energy conversion ج- حتويل الطاقة

تتطلــب احلركــة والنمو والتناســل واألنشــطة احلياتية األخرى مــن الكائنات احليــة القيام بعمــل، ويعتمد العمــل علــى مصــدر للطاقــة. وتبادل الطاقــة بني الكائنــات احليــة وحميطها يتضمــن عادة حتــول الطاقة من شكل إىل آخر. فعلى سبيل املثال، عندما تنتج الورقة اخلضراء السكر فإنها حتول الطاقة الشمسية إىل طاقة كيميائيــة يف جزيئــة الســكر. وعندما تســتعمل اخلليــة العضلية حليوان ما هذا الســكر كوقــود، فإنها

حتــول الطاقة الكيميائيــة إىل طاقة حركية.

و يف مجيــع عمليــات حتول الطاقة، يتم حتويل بعض الطاقة املتوافرة هذه إىل طاقة حرارية تنشــرها الكائنات احليــة املتحركــة يف حميطها على شــكل حرارة. وعلىعكــس املغذيات اليت يعــاد تدويرها Recycled يف املنظومة البيئية، فإن الطاقة تتدفق عر املنظومة البيئية فتدخل عادة على شــكل ضوء وخترج على شــكل

حــرارة )الشــكل 4(.

6

الشكل )4(: شكل أساسي لتدفق الطاقة خالل منظومة بيئية

نظرةإىل اخلالياحتتــل اخللية مكانــا خاصا يف الرتاتبية البنيويــة للحياة بكونها أخفض مســتوى يف التعضي يكون قادرا علــى القيــام بكل النشــطة الالزمة للحياة. فعلى ســبيل املثال، تكــون قدرة اخلاليا على االنقســام من أجل تشكيل خاليا جديدة هي أساس التناسل والنمو والرتميم يف الكائنات احلية متعددة اخلاليا )الشكل 5(.

الشكل )5(: خلية رئوية من مسندل املاء تنقسم إىل خليتني صغريتني وهي بدورها سوف تكر وتنقسم جمددا.

7

إن مجيع حركات وأفكار االنسان تعتمد على أنشطة اخلاليا العضلية واخلاليا العصبية. وحتى العمليات الشمولية األرضية مثل عودة دورة الكربون وهو العنصر الكيميائي األساسي للحياة، فهي منتج تراكمي لألنشــطة اخللويــة مبــا يف ذلك الرتكيب الضوئــي الذي حيــدث يف الصانعات اليخضورية املوجــودة يف خاليا

األوراق. وإن فهــم كيفيــة عمل اخلاليا هو عمل حبثي أساســي تركز عليــه البيولوجيا احلديثة.

املعلومات اخللوية القابلة للتوريث .Chromosomes إذا ألقيــت نظــرة على اخللية املنقســمة، ميكن رؤية بنى ضمن اخلاليا تســمى صبغياتDNA وهذه الصبغيات مصنوعة جزئيا من مركب يسمى احلمض الرييب النووي املنزوع االكسجني )أو الدنا

اختصــارا(. وهــو مادة اجلينات » والــيت هي وحدات الوراثة اليت تنقــل املعلومات من اآلباء إىل األبناء. وعلى ســبيل املثــال فإن زمرة الدم )O ;AB ;B ;A( هــي نتيجة جينات معينة ورثها االبن من والديه.

يتألــف كل صبغــي مــن جزيئــة دنا واحدة طويلة جــدا تضم مئــات أو آالف اجلينات اليت تنتظم علــى امتدادها. وتتضاعف دنا الصبغيات عندما تستعد اخللية لإلنقسام، وبالتالي ترث كل خلية من خاليا النسل جمموعة

كاملة من اجلينات.

يبــدأ كل شــخص منــا حياتــه كخلية واحــدة مليئــة بالدنا املوروثة مــن والديه. وتنقــل الدنــا املتضاعفة تلك اجلينــات إىل خاليــا أخــرى تعد باملليــارات. ويف كل خلية ترمــزencode اجلينات املوجودة علــى طول جزيئات developement الدنــا املعلومــات الوراثيــة الالزمة لبناء اجلزيئــات للخاليا. وبهــذه الطريقة يوجه الدنا تنامــي

وصيانــة Maintenance الكائــن احلــي بشــكل كامــل )الشــكل 6(.

الشكل)6(: احلمض الرييب النووي املنزوع األكسجني )DNA( املوروث يوجه تطور الكائنات احلية.

8

تفســر البنيــة اجلزيئية للدنــا غناها ــة ــف كل جزيئ ــات، وتتأل باملعلومدنــا مــن سلســلتني طويلتــني توجــد ــمى احللزون املضاعف بشكل يسdouble helix ومتــون كل حلقــة من السلســلة واحــدة من أربعــة أنواع مــن البنــى الكيميائية اليت تســمى Nucleotides نكليوتيــدات

ــكل 7(. )الش

ــا ــا الدن ــز به ــيت رم ــة ال ــا الطريق أمــابهة ــي مش ــة فه ــات اخللوي املعلومــرف ــا األح ــب فيه ــيت نرت ــة ال للطريقاألجبديــة بشــكل دقيــق لتعطــي معنــى دقيقــا. فعلــى ســبيل املثــال، )Rat( جــرذ كلمــة تســتدعي باإلنكليزيــةإىل الذهن صــورة أحد ــكل ــون ل ــا يك ــوارض، بينم القمــن الكلمتــني )Art،Rat( اللتــني حتتويــان نفــس األحــرف معنيــان

الشكل )7(: الدنا )املادة الوراثية(: خمتلفــان.حلزون مزدوج للدنا. 1شريط مفرد من الدنا. 2

ومتتلــئ املكتبــات بالكتــب احملتويــة على معلومــات مرمــزة بالعديد من التسلســالت وذلــك انطالقا من 26 حرفــا فقــط. وميكــن أن نفكــر بالنكليوتيــدات علــى أنهــا أحــرف األجبديــة الوراثيــة. فالرتتيبــات املتتالية النوعيــة لتلــك األحرف الكيميائية األربعة ترمز املعلومات الدقيقة يف اجلينات اليت يكون طوهلا مئات أو آالف النكليوتيــدات. وميكــن أن تتم ترمجة جينة واحدة يف خلية بكتريية على شــكل تكليف ببناء صبغة

أرجوانيــة مثــال. كما ميكن أن تعي جينة بشــرية معينة » صنع هرمون اإلنســولني«.

وبشــكل أعــم، فــإن معظم اجلينــات ترمج اخلاليــا إلنتاج جزيئــات كبرية تدعــى الروتينات. ويرمــز تتالي النكليوتيــدات علــى طول كل جينة بروتينا نوعيا ذا شــكل ووظيفــة حمددتني يف اخللية. كما ميكن أن يكــون بروتــني ثالــث أنزميــا حيفز )مبعنــى يســرع( تفاعــال كيميائيا حمــددا يف اخللية. وحتــت معظم األنشــطة اخللويــة تقريبــا إىل فعل بروتني واحد أو أكثــر. وإن الدنا تقدم النصوص األصليــة القابلة للتوريث،

أمــا الروتينات فإنهــا األدوات اليت تبي اخلليــة وتصونها فعليا.

Genome )تدعــى »املكتبــة« الكاملة للتعليمــات اجلينية اليت يرثها كائن حينا باســم اجلينــوم )أو اجملنيوحتتــوي صبغيــات كل خليــة بشــرية علــى جينوم يضــم حوالي 3 مليــارات نكليوتيــد. فإذا كانــت الرموز الوحيــدة احلــرف يف هذه املتتاليــة من النكليوتيــدات مكتوبة حبروف مــن حجم احلروف اليت تقرؤهــا أنت، فإن النص اجليي ميأل حوالي 600 كتاب. ونشري إىل وجود عدد من اجلينات ترمز إلنتاج أكثر من 7500 نوع خمتلف من الروتينات، ولكل بروتني منها وظيفة خمتلفة ضمن هذه املكتبة اجلينومية للمتتاليات النكليوتيدية.

9

أشكال اخلاليا:تشــرتك مجيــع اخلاليــا خبصائص معينة، فعلى ســبيل املثــال حتاط كل خلية بغشــاء ينظم مــرور املواد بني

اخلليــة وحميطها. وتســتعمل كل خلية الدنــا ملعلوماتها الوراثية.

ميكننا أن منيز نوعني من اخلاليا:

-Prokaryoticcells خاليا بدائيات النوى

-Eukaryoticcells خاليا حقيقيات النوى

وتعــد البكترييــا واألركيــا Archaea خاليــا بدائيــات النــوى، بينما تكــون خاليا مجيع أشــكال احلياة األخــرى )مبــا يف ذلك النباتــات واحليوانات( خاليــا حقيقيات النوى.

تعمــل أغشــية داخليــة علــى تقســيم اخلاليا حقيقيــة النــوى إىل عضيــات حماطة بغشــاء، مبا فيهــا حبيبات اليخضور. ويف معظم اخلاليا حقيقيات النوى تكون أكر عضية هي النواة اليت حتتوي على دنا اخللية على شــكل جزيئات صبغيــة Chromosomalmolecules.. أما العضيات األخرى فإنها تتوضع يف الســيتوبالزما

الــيت تشــكل مجيع املنطقة الكائنة بني النواة وجــدار اخللية اخلارجي.

تكــون اخلاليــا بدائيات النوى أبســط وأصغر بكثري من اخلاليــا حقيقيات النوى عموما )الشــكل 8(. ويف اخللية البدائية النواة ال يوجد غشاء للنواة حبيث ال ينفصل الدنا DNA عن بقية أجزاء اخللية. وتفتقد اخللية

البدائية النواة ألصناف العضيات األخرى احملاطة بغشــاء واليت متيز اخلاليا حقيقيات النوى.

الشكل )8(: يوضح هذا الشكل االختالف بني اخلاليا حقيقيات النوى واخلاليا بدائيات النوى يف احلجم والتعقيد.

10

املنظومات البيولوجية تفوق جمرد جمموع أجزائها» الــكل هو شــيء أعظم من جمموع أجزائه«. ذلك القول املأثــور املألوف يؤطر املفهوم بأن مجع املكونات ميكــن أن يشــكل تعضيــا أكثــر تعقيدا يدعــى منظومــة System. وتعتــر اخلاليــا والكائنات احلية واملنظومات البيئية أمثلة من املنظومات البيولوجية. وال يكفي وجود قائمة باألجزاء لفهم كيفية عمل مثل هذه املنظومات حتى ولو كانت تلك القائمة كاملة. فمستقبل البيولوجيا يكمن يف فهم

كيفيــة عمل مثل هذه املنظومات املتكاملة مبجموعها.

اخلواص املستحدثة للمنظومات:أ-

إذا ألقينــا نظــرة علــى مســتويات احليــاة الــوارد ذكرها آنفــا، جند أنه مــع كل خطــوة إىل األعلى يف تراتبية الرتتيب البيولوجي تظهر خصائص مســتحدثة مل تكن موجودة يف املســتوى األدنى مباشــرة. إن هذه اخلواص املستحدثة تعود إىل طريقة انتظام األجزاء وتأثرها كلما ازداد التعقيد. وكمثال يف هذا الصدد، لو أن أذية يف الرأس تســببت خبلل يف بنيان دماغ إنســان ما، فإن عقله ســوف يتوقف عن العمل بالشــكل الصحيح علــى الرغم من أن مجيع أجزاء الدماغ ما زالت موجــودة. إن أفكارنا وذاكراتنا هي

خواص مســتحدثة يف شبكة معقدة للخاليا العصبية.

و يف مســتوى أعلــى من التعضــي البيولوجي، مثل مســتوى املنظومة البيئية، فإن إعــادة تدوير املغذيات )من أمثال الكربون(، تعتمد على شــبكة من أحياء متنوعة تتأثر بعضها مع بعض من جهة ومع الرتبة

واهلواء من جهة أخرى. ليســت اخلواص املســتحدثة خواصا فوق طبيعية وال خواصا فريدة للحياة.

قوة مذهب االختزالية وحمدوديتهب-

ملــا كانــت خــواص احليــاة تنشــأ مــن التعضــي املعقد، فــإن العلمــاء الذيــن يســعون إىل فهــم املنظومات البيولوجية يواجهون حرية. فنحن ال نســتطيع أن نوضح بشــكل كامل مستوى أعلى من ترتيب ما عر تفكيكه إىل أقســامه، ألن احليوان املشــرح يتوقف عن القيام بوظائفه، كما ان اخللية املفككة إىل مكوناتهــا الكيميائيــة ليســت خليــة. إن أي شــيء معقــد بقــدر تعقيــد كائن حــي أو خلية ماال

ــدون جتزئة. ميكن حتليله ب

تشــكل االختزاليــة Reductionism اســرتاتيجية نافــذة يف البيولوجيا. فعلى ســبيل املثال ومن خالل دراسة البنية اجلزيئية للحمض الرييب النووي املنزوع األكسجني )الدنا( الذي مت استخالصه من اخلاليا، اســتدل جيمس اتسونو فرانسيس كويك يف العام 1953 أن هذه اجلزيئة تشكل األساس الكيميائي

للوراثة.

ويف العــام 2001، أي بعــد حوالي نصف قرن من العمل الشــهري املنســوب إىل واتســون وكريــك، قام فريق دولي من العلماء بنشــر رســم تقريــيب لتتالي 3 مليارات حــرف كيميائي يف اجلينوم البشــري. وكذلك سلســل Sequenced الباحثون اجلينوم اخلاص بالعديد من األنواع احلية األخرى. وقد اعترت الصحافة

وقادة العامل مشــروع اجلينوم البشــري واحدا من أعظم اإلجنــازات العلمية على االطالق.

بيولوجيا املنظومات:ج-

إن اهلــدف النهائــي لبيولوجيــا املنظومــات هــو منذجــة Modeling الســلوك الديناميكــي للمنظومــات البيولوجيــة ككل. فالنماذج الدقيقة متكــن البيولوجيني من التنبؤ بكيفية تأثري متغري أو أكثر يف املكونات األخرى ويف جمموع املنظومة ككل. وعلى ســبيل املثال، كيف تؤثر الزيادة الطفيفة يف تركيز كالســيوم اخلاليا العضلية بأنشــطة عشــرات الروتينات اليت تنظــم التقلصات العضلية؟ وكيف يؤثر عقار ما خافض لضغط الدم على عمل األعضاء يف مجيع أرجاء جسم اإلنسان وما حيتمل

11

أن يكــون له من آثار جانبية مؤذية.

تتدخــل بيولوجيــا املنظومــات اآلن بدراســة احليــاة علــى مســتوى اخلاليــا واجلزيئــات، مدفوعــة جزئيــا باملعلومــات الغامــرة احلديثــة مــن سلســلة Sequencingاجلينومــات وتنامــي املعلومــات عــن وظائــف الروتينات املعروفة. وعلى ســبيل املثال، يف العام 2003 نشــر فريق حبث كبري شــبكة تأثرات بروتينية

داخــل خليــة ذبابة الفاكهــة اليت تعتــر كائنا حيا شــائعا يف الدراســات العلمية.

ويعتمــد هــذا النمــوذج قاعدة بيانــات واســعة آلالف الروتينات املعروفــة وتآثراتها املعروفة مــع بروتينات أخــرى. فمثال ميكــن أن يرتبط الروتني مع الروتني، األمر الذي يــؤدي إىل التأثر مع بروتينات أخرى. إن

الشــكل )9( يرســم خريطة شــراكة هذه الروتينات مع مواضعها اخللوية.

الشكل )9(: خريطة منظومات للتأثرات بني الروتينات يف خلية. يرسم هذا املخطط خريطة حوالي 3500 بروتني )نقاط( وشبكة تأثراتها )اخلطوط الواصلة بني الروتينات( يف خلية ذبابة الفاكهة.

ومــع أن الفكــرة األساســية يف بيولوجيــا املنظومات بســيطة، فإن املمارســة ليســت كذلــك، مثلما هو متوقــع جــراء تعقيــدات املنظومــات البيولوجية. فقــد احتاج األمــر إىل ثالثة تطورات حبثية رئيســة كي

تصبــح بيولوجيــا املنظومات يف املتنــاول. وتتلخص هذه التطــورات فيما يلي:

1 -:high - throughputtechnology تقانة التداول املرتفع

تعتمــد بيولوجيــا املنظومــات علــى طرائق تســتطيع حتليــل املــواد البيولوجية بســرعة وإنتــاج املقادير high »اهلائلة من البيانات. إن مثل هذه الطرائق جلمع الكم اهلائل من املعطيات تسمى »التداول املرتفعthroughput -. وكمثال عليها تلك املاكينات اليت تقوم بسلســلة الدنا واليت جعلت مشــروع اجلينوم

ممكنا. البشري

2 -:bioinformatics املعلوماتية احليوية

إن قواعــد البيانــات databases اهلائلــة الــيت جنمــت عــن طرائــق التــداول املرتفــع ســتكون فوضويــة ومربكة بدون القدرة احلاسوبية والرجميات والنماذج الرياضياتية اليت تعاجل وتكامل هذه املعلومات

12

البيولوجية. ويعمل احلقل اجلديد للمعلوماتية احليوية على اســتخالص املعطيات البيولوجية املفيدة مــن جمموعــات البيانات اهلائلة الواســعة االنتشــار من تتاليــات الدنا وقوائــم التأثــرات الروتينية. ويغذي

اإلنرتوبيولوجيــا املنظومات من خالل نشــر املعطيــات الرقمية اليت تغــي املعلوماتية احليوية.

3 -:teams interdisciplinaryresearch فرق البحث العلمية املتعددة االختصاصات

لقــد أنشــأت كليــة الطب يف جامعــة هارفارد يف العــام 2003 قســما لبيولوجيا املنظومات وهــذا هو أول قســم جديــد فيها منذ عقديــن من الزمن. ويوجــد بالقرب منه معهد ماساشوســتس للتقانــة )MIT( الذي ينتظم فيه أكثر من 80 عضو هيئة تدريسية من أقسام خمتلفة يف برنامج جديد لبيولوجيا املنظومات وبيولوجيا االحتساب. وميثل هذان الصنفان من البيولوجيا أحواض اندماج ملختصني خمتلفني لبيولوجيا املنظومــات، مبــا يف ذلــك مهندســني وعلمــاء يف الطــب وكيميائيــني وفيزيائيــني، وعلمــاء رياضيات

وحاســوب وبيولوجيني من فــروع خمتلفة طبعا.

نهاية احملاضرة األوىل

إضافات مدرس املقرر

13

14