الرئيسية
[size=48]من الهيكل العظمي إلى الهيكل الخلوي[/size]
ما تأثير خاصية الانشدادية في جسم الإنسان؟ إن مبادئ الانشدادية تنطبق أساسا على كل ما له حجم يمكن استبانته في الجسم. فعلى المستوى الماكروي، تنشدّ العظام التي تؤلف عمودنا الفقري (والبالغ عددها 206 عظام) إلى أعلى ضد قوة الثقالة الأرضية وتستقر في هيئتنا المنتصبة بفضل الشد والجذب الذي تمارسه العضلات الشادّة (الموترة) والأوتار والأربطة (على نحو يشبه أسلاك تماثيل سنيلسون). بعبارة أخرى، تعتبر العظام في البنية الانشدادية المعقدة داخل كل فرد منا هي الدعائم الانضغاطية، في حين تُعتبر العضلات والأوتار والأربطة هي المكونات المتحملة للشد. وفي الطرف الآخر من المقياس الميكروي (المستوى المجهري) تثبت البروتينات نفسها، والجزيئات الرئيسية الأخرى في الجسم، عبر مبادئ وخصائص الانشدادية ذاتها. ويقع اهتمامي الخاص فيما بين هذين الحدين، أي عند المستوى الخلوي.
يوم كنت طالب دراسات عليا أعمل مع < D.J. جاميسون> (في جامعة ييل)، ركَّزت اهتمامي على كيفية تآثر interaction مكونات المنظومات البيولوجية (ولا سيما الخلايا) ميكانيكيا. فحينذاك، في أواخر السبعينات من القرن الحالي، كان البيولوجيون عموما يرون الخلية كسائل لزج أو هلامة محاطة بغشاء، على نحو أشبه ما يكون ببالون مملوء بِدِبْس السكر. وكان يعرف عن الخلايا أنها تحوي هيكلا داخليا يدعى الهيكل الخلوي cytoskeleton ويتألف من ثلاثة أنماط مختلفة من پوليميرات (مُكَوْثَرات) بروتينية جزيئية يطلق عليها الخيوط الميكروية microfilaments والخيوط البينية (المتوسطة) intermediate filaments والأُنَيْبيبات الميكروية microtubules. ولكن دور هذه الأنماط في التحكم في صياغة شكل الخلية لم يكن مفهوما جيدا.
وفي تلك الأيام، كان هناك لغز آخر يتعلق بالطريقة التي تسلكها الخلايا المنعزلة لدى وضعها على السطوح المختلفة. فلطالما كان معروفا أن الخلايا تتمدّد وتنبسط لدى التصاقها بالزجاج الصلب أو بطبق الزرع (الاستنبات) البلاستيكي. ولكن في عام 1980 أظهر < K.A. هاريس> (من جامعة نورث كارولينا في شاپل هيل) أن الخلايا تنكمش وتغدو أكثر كروية في أشكالها حين لَصْقها على ركيزة (طبقة سفلية) مطاطية مرنة. ويُجَعِّد هذا الانكماشُ المطاطَ الحامل لتلك الخلايا.
لقد خطر في بالي أن النظر إلى الخلية كبنية انشدادية يمكنه أن يفسر مثل هذا السلوك بسهولة. فقمت بإعداد نموذج شبيه بالخلية يتصف بمثل هذه البنية؛ وكان النموذج يتألف من ستة أوتاد خشبية وقطعة خيط مرن (مطاط). وقد رتبت الأوتاد التي تتحمل الإجهاد الانضغاطي في ثلاثة أزواج، وكان كل زوج منها متعامدا على الزوجين الآخرين من دون أن تلامس هذه الدعامات الخشبية إحداها الأخرى. أما الخيط المرن المتحمل للشد فقد رُبط بنهايات جميع الأوتاد شادا إياها، بحيث تتثبت في شكل مستقر ثلاثي الأبعاد. وكذلك قمت بوضع نموذج model انشدادي كروي صغير يمثل النواة داخل النموذج الكبير الذي كان يمثل باقي الخلية. ومن ثم، ومن أجل محاكاة الاتصالات داخل الهيكل الخلوي بين النواة وسائر الخلية مددت خيوطا مرنة من سطح البنية الانشدادية الكبيرة إلى البنية الصغيرة التي بداخلها [انظر الشكل في أعلى يمين الصفحة السابقة].
ولفهم الكيفية التي جرت بها تجربتي، لا بد من أن نعلم أن دفع النموذج الانشدادي من النمط الذي بنيته (شكلته) إلى أسفل يجعله يبدو كومةً مسطحة من أعواد وخيوط. وبمجرد أن يزال الضغط تعيده الطاقة المختزنة في الخيوط المشدودة على نحو زنبركي إلى شكله الأصلي القريب من التكوّر. وفي محاولة لمحاكاة كيفية سلوك الخلايا حينما توضع على سطح ما، ابتدعتُ ركيزة استنباتية صلبة من الزجاج أو البلاستيك عن طريق مد قطعة من القماش وشدها وتثبيتها بإحكام إلى قطعة خشب تحتها بوساطة دبابيس. وقد ألصقت النموذج الانشدادي بهذه الركيزة عن طريق بسط النموذج وخياطة نهايات بعض الأوتاد بقطعة القماش. وقد كانت تلك المرتكزات مناظرة لجزيئات السطح الخلوي التي تعرف الآن باسم الإنتگرينات integrins (مستقبلات الالتصاق) التي تربط فيزيائيا خلية بالركيزة التي ترسو عليها تلك الخلية.
وعندما كانت نهايات الأوتاد مخيطة بالقماش المشدود المثبت بالدبابيس بإحكام، بقي النموذج منبسطا، مثلما تفعل الخلية الحقيقية تماما على ركيزة صلبة. ولكن حينما رفعتُ الدبابيس لتحرير القماش من قطعة الخشب، الأمر الذي يقابل جعل السطح الذي تستقر عليه الخلية مرنًا، نتأ النموذج الانشدادي فجأة متخذا شكلا أكثر كروية ومجعِّدا طبقة القماش التي تحته. وعلاوة على ذلك، فعند قيامي بشد النموذج منبسطا عبر تثبيته بالركيزة القماشية، لاحظت تمدُّد الخلية والنواة بداخلها على نحو متناسق، كما تحرك نموذج النواة تجاه قاع الخلية المقلَّدة (المحاكاة). وبعد ذلك بفترة قصيرة أظهرتُ تجريبيا أن الخلايا الحية ونواها تنبسط وتنكمش وتتحرك بطريقة مشابهة حينما تلتصق بركيزة ما. وهكذا، أظهرتُ من خلال نموذجي المصمَّم ببساطة بالغة، أن البنى الانشدادية تحاكي السلوك المعروف للخلايا الحية.
التشبيك المتماسك في الخلايا
لقد عرف البيولوجيون، في السنوات التي تلت تجربتي النمذجية modeling، الشيء الكثير عن النواحي الميكانيكية للخلايا؛ ويبدو أن نتائجهم تؤكد أن الخلايا تتخذ أشكالها فعلا بفضل الخاصية الانشدادية. وأكثر من ذلك، فإن معظم الخلايا حسبما توحي النماذج، لا تعتمد في مبناها على الأنماط الثلاثة الرئيسية لخيوط الهيكل الخلوي فحسب، بل كذلك على المطرق خارج الخلوي (2) الذي يعتبر سقالة الرسو التي تكفل وضع واستقرار الخلايا في الجسم بشكل طبيعي.
وفي داخل الخلية ثمة شبكة عنكبوتية رقيقة من خيوط ميكروية تقلصية ـ وهي عنصر أساسي في الهيكل الخلوي ـ تمتد في كل مكان من الخلية وتمارس الشد. بعبارة أخرى، تقوم هذه الشبكة بجذب الغشاء الخلوي وجميع المكونات الخلوية الداخلية باتجاه النواة الموجودة في قلب الخلية. وفي المقابل، يقاوم هذا الجذب إلى الداخل نمطان رئيسيان من العناصر الانضغاطية أحدهما موجود خارج الخلية والآخر داخلها. ويتألف المكوِّن الواقع خارج الخلية من المطرق الخارج الخلوي، في حين قد تتمثل «العوارض» girders الانضغاطية داخل الخلية إما في الأُنَيْبيبات الميكروية أو في حزم كبيرة من خيوط ميكروية تتشابك عرضيا داخل الهيكل الخلوي. أما الخيوط البينية، وهي المكون الثالث للهيكل الخلوي فتعدّ المكاملات (المتممات) integrator العظمى؛ إذ تربط الأنيبيبات الميكروية والخيوط الميكروية الانقباضية بعضها ببعض، كما تربطهما بالغشاء السطحي الخلوي وبنواة الخلية. إضافة إلى ذلك، تعمل الخيوط البينية كأسلاك شدادة تؤمن يبوسة (تماسك) النواة المركزية وثباتها في مكانها. ومع أن الهيكل الخلوي تحيط به أغشية ويخترقه سائل لزج، فإن هذه الشبكة من الدعائم الجزيئية والكبلات cables المتماسكة بصلابة هي التي تثبت شكل الخلية وتحافظ عليه.
فإذا كانت الخلية والنواة مترابطتين فيزيائيا بخيوط شادة، وليس بالسيتوپلازم (الهيولى) المائع فحسب، فلا بد عندئذ أن يولد شد المستقبلات الموجودة على السطح الخلوي تبدلات بنيوية آنية في أعماق الخلية. وقد أثبت ذلك مؤخرا < A. مانيوتيس> (الذي كان ضمن مجموعتي في مستشفى الأطفال بكلية طب هارڤارد) وبطريقة مباشرة، إذ عمد إلى ربط مِمَصّات ميكروية بمستقبلات الالتصاق الموجودة على سطوح الخلايا الحية، ثم شدها نحو الخارج مسببا بذلك إعادة اصطفاف خيوط الهيكل الخلوي والبنى الموجودة ضمن النواة فورا في اتجاه الشد. وهكذا، وكما أوحت تجاربي السابقة، لم تسلك الخلايا والنوى سلوك بالونات مائية لزجة.
[size=32] [/size]ما تأثير خاصية الانشدادية في جسم الإنسان؟ إن مبادئ الانشدادية تنطبق أساسا على كل ما له حجم يمكن استبانته في الجسم. فعلى المستوى الماكروي، تنشدّ العظام التي تؤلف عمودنا الفقري (والبالغ عددها 206 عظام) إلى أعلى ضد قوة الثقالة الأرضية وتستقر في هيئتنا المنتصبة بفضل الشد والجذب الذي تمارسه العضلات الشادّة (الموترة) والأوتار والأربطة (على نحو يشبه أسلاك تماثيل سنيلسون). بعبارة أخرى، تعتبر العظام في البنية الانشدادية المعقدة داخل كل فرد منا هي الدعائم الانضغاطية، في حين تُعتبر العضلات والأوتار والأربطة هي المكونات المتحملة للشد. وفي الطرف الآخر من المقياس الميكروي (المستوى المجهري) تثبت البروتينات نفسها، والجزيئات الرئيسية الأخرى في الجسم، عبر مبادئ وخصائص الانشدادية ذاتها. ويقع اهتمامي الخاص فيما بين هذين الحدين، أي عند المستوى الخلوي.
 تمتلك الخلية العصبية استطالات طويلة تدعى العُصَيْبات neurites تتصل كهربائيا بالخلايا العصبية المجاورة (في اليسار وأعلى اليمين). وتمتد العصيبات من الخلية (صورتان في اليمين) أثناء معالجة أذية ما، على سبيل المثال، عن طريق استطالة ألياف جزيئية داخلية تسمى أنيبيبات ميكروية (الأرجواني). أما الخيوط الميكروية التقلصية (الأحمر) فإنها تحيط بالأنيبيبات الميكروية ضاغطة إياها ومقيدة نموها. ولكن الخيوط الميكروية نفسها تترابط بخيوط أخرى (البرتقالي) تمتد نحو الأمام إلى النقاط التي تتثبت عندها الخلية على الركيزة التي تحتها (في الوسط). وعندما تشد الخيوط الميكروية نفسها قدما ضد هذه الالتصاقات، فإنها تمكن الأنيبيبات الميكروية من الاستطالة فتتمدد العصيبات (في الأسفل). |
يوم كنت طالب دراسات عليا أعمل مع < D.J. جاميسون> (في جامعة ييل)، ركَّزت اهتمامي على كيفية تآثر interaction مكونات المنظومات البيولوجية (ولا سيما الخلايا) ميكانيكيا. فحينذاك، في أواخر السبعينات من القرن الحالي، كان البيولوجيون عموما يرون الخلية كسائل لزج أو هلامة محاطة بغشاء، على نحو أشبه ما يكون ببالون مملوء بِدِبْس السكر. وكان يعرف عن الخلايا أنها تحوي هيكلا داخليا يدعى الهيكل الخلوي cytoskeleton ويتألف من ثلاثة أنماط مختلفة من پوليميرات (مُكَوْثَرات) بروتينية جزيئية يطلق عليها الخيوط الميكروية microfilaments والخيوط البينية (المتوسطة) intermediate filaments والأُنَيْبيبات الميكروية microtubules. ولكن دور هذه الأنماط في التحكم في صياغة شكل الخلية لم يكن مفهوما جيدا.
وفي تلك الأيام، كان هناك لغز آخر يتعلق بالطريقة التي تسلكها الخلايا المنعزلة لدى وضعها على السطوح المختلفة. فلطالما كان معروفا أن الخلايا تتمدّد وتنبسط لدى التصاقها بالزجاج الصلب أو بطبق الزرع (الاستنبات) البلاستيكي. ولكن في عام 1980 أظهر < K.A. هاريس> (من جامعة نورث كارولينا في شاپل هيل) أن الخلايا تنكمش وتغدو أكثر كروية في أشكالها حين لَصْقها على ركيزة (طبقة سفلية) مطاطية مرنة. ويُجَعِّد هذا الانكماشُ المطاطَ الحامل لتلك الخلايا.
 يتجعد (يَتَغَضّن) الأنيبيب الميكروي النامي بتأثير انضغاطه في هذه الصور الملتقطة بالتصوير البطيء بالڤيديو. ويحدث التجعد حينما يستطيل الأنيبيب ويشق طريقه ضد المكونات الأخرى لهيكل الخلية. |
لقد خطر في بالي أن النظر إلى الخلية كبنية انشدادية يمكنه أن يفسر مثل هذا السلوك بسهولة. فقمت بإعداد نموذج شبيه بالخلية يتصف بمثل هذه البنية؛ وكان النموذج يتألف من ستة أوتاد خشبية وقطعة خيط مرن (مطاط). وقد رتبت الأوتاد التي تتحمل الإجهاد الانضغاطي في ثلاثة أزواج، وكان كل زوج منها متعامدا على الزوجين الآخرين من دون أن تلامس هذه الدعامات الخشبية إحداها الأخرى. أما الخيط المرن المتحمل للشد فقد رُبط بنهايات جميع الأوتاد شادا إياها، بحيث تتثبت في شكل مستقر ثلاثي الأبعاد. وكذلك قمت بوضع نموذج model انشدادي كروي صغير يمثل النواة داخل النموذج الكبير الذي كان يمثل باقي الخلية. ومن ثم، ومن أجل محاكاة الاتصالات داخل الهيكل الخلوي بين النواة وسائر الخلية مددت خيوطا مرنة من سطح البنية الانشدادية الكبيرة إلى البنية الصغيرة التي بداخلها [انظر الشكل في أعلى يمين الصفحة السابقة].
ولفهم الكيفية التي جرت بها تجربتي، لا بد من أن نعلم أن دفع النموذج الانشدادي من النمط الذي بنيته (شكلته) إلى أسفل يجعله يبدو كومةً مسطحة من أعواد وخيوط. وبمجرد أن يزال الضغط تعيده الطاقة المختزنة في الخيوط المشدودة على نحو زنبركي إلى شكله الأصلي القريب من التكوّر. وفي محاولة لمحاكاة كيفية سلوك الخلايا حينما توضع على سطح ما، ابتدعتُ ركيزة استنباتية صلبة من الزجاج أو البلاستيك عن طريق مد قطعة من القماش وشدها وتثبيتها بإحكام إلى قطعة خشب تحتها بوساطة دبابيس. وقد ألصقت النموذج الانشدادي بهذه الركيزة عن طريق بسط النموذج وخياطة نهايات بعض الأوتاد بقطعة القماش. وقد كانت تلك المرتكزات مناظرة لجزيئات السطح الخلوي التي تعرف الآن باسم الإنتگرينات integrins (مستقبلات الالتصاق) التي تربط فيزيائيا خلية بالركيزة التي ترسو عليها تلك الخلية.
 تحدث القساوة (التيبس) الخطية في البنية الانشدادية؛ لأن المكونات البنيوية تعيد توجيه نفسها، بحيث يقع العدد الأكبر منها في اتجاه الإجهاد المطبَّق (باتجاه الأسفل في المنظر الأيمن). |
وعندما كانت نهايات الأوتاد مخيطة بالقماش المشدود المثبت بالدبابيس بإحكام، بقي النموذج منبسطا، مثلما تفعل الخلية الحقيقية تماما على ركيزة صلبة. ولكن حينما رفعتُ الدبابيس لتحرير القماش من قطعة الخشب، الأمر الذي يقابل جعل السطح الذي تستقر عليه الخلية مرنًا، نتأ النموذج الانشدادي فجأة متخذا شكلا أكثر كروية ومجعِّدا طبقة القماش التي تحته. وعلاوة على ذلك، فعند قيامي بشد النموذج منبسطا عبر تثبيته بالركيزة القماشية، لاحظت تمدُّد الخلية والنواة بداخلها على نحو متناسق، كما تحرك نموذج النواة تجاه قاع الخلية المقلَّدة (المحاكاة). وبعد ذلك بفترة قصيرة أظهرتُ تجريبيا أن الخلايا الحية ونواها تنبسط وتنكمش وتتحرك بطريقة مشابهة حينما تلتصق بركيزة ما. وهكذا، أظهرتُ من خلال نموذجي المصمَّم ببساطة بالغة، أن البنى الانشدادية تحاكي السلوك المعروف للخلايا الحية.
التشبيك المتماسك في الخلايا
لقد عرف البيولوجيون، في السنوات التي تلت تجربتي النمذجية modeling، الشيء الكثير عن النواحي الميكانيكية للخلايا؛ ويبدو أن نتائجهم تؤكد أن الخلايا تتخذ أشكالها فعلا بفضل الخاصية الانشدادية. وأكثر من ذلك، فإن معظم الخلايا حسبما توحي النماذج، لا تعتمد في مبناها على الأنماط الثلاثة الرئيسية لخيوط الهيكل الخلوي فحسب، بل كذلك على المطرق خارج الخلوي (2) الذي يعتبر سقالة الرسو التي تكفل وضع واستقرار الخلايا في الجسم بشكل طبيعي.
وفي داخل الخلية ثمة شبكة عنكبوتية رقيقة من خيوط ميكروية تقلصية ـ وهي عنصر أساسي في الهيكل الخلوي ـ تمتد في كل مكان من الخلية وتمارس الشد. بعبارة أخرى، تقوم هذه الشبكة بجذب الغشاء الخلوي وجميع المكونات الخلوية الداخلية باتجاه النواة الموجودة في قلب الخلية. وفي المقابل، يقاوم هذا الجذب إلى الداخل نمطان رئيسيان من العناصر الانضغاطية أحدهما موجود خارج الخلية والآخر داخلها. ويتألف المكوِّن الواقع خارج الخلية من المطرق الخارج الخلوي، في حين قد تتمثل «العوارض» girders الانضغاطية داخل الخلية إما في الأُنَيْبيبات الميكروية أو في حزم كبيرة من خيوط ميكروية تتشابك عرضيا داخل الهيكل الخلوي. أما الخيوط البينية، وهي المكون الثالث للهيكل الخلوي فتعدّ المكاملات (المتممات) integrator العظمى؛ إذ تربط الأنيبيبات الميكروية والخيوط الميكروية الانقباضية بعضها ببعض، كما تربطهما بالغشاء السطحي الخلوي وبنواة الخلية. إضافة إلى ذلك، تعمل الخيوط البينية كأسلاك شدادة تؤمن يبوسة (تماسك) النواة المركزية وثباتها في مكانها. ومع أن الهيكل الخلوي تحيط به أغشية ويخترقه سائل لزج، فإن هذه الشبكة من الدعائم الجزيئية والكبلات cables المتماسكة بصلابة هي التي تثبت شكل الخلية وتحافظ عليه.
 يبدي هذا النموذج المصنوع من أنابيب (مصاصات) شراب الصودا (في الأسفل) مع مفاصل مرنة كيف يمكن لشبكة الخيوط الميكروية المتقلصة أن تعيد ترتيب نفسها في حزم خطية (في الأعلى يمينا) أو في أشكال جيوديسية مثلثاتية مثل المثمن octahedron (في الأسفل يمينا) |
فإذا كانت الخلية والنواة مترابطتين فيزيائيا بخيوط شادة، وليس بالسيتوپلازم (الهيولى) المائع فحسب، فلا بد عندئذ أن يولد شد المستقبلات الموجودة على السطح الخلوي تبدلات بنيوية آنية في أعماق الخلية. وقد أثبت ذلك مؤخرا < A. مانيوتيس> (الذي كان ضمن مجموعتي في مستشفى الأطفال بكلية طب هارڤارد) وبطريقة مباشرة، إذ عمد إلى ربط مِمَصّات ميكروية بمستقبلات الالتصاق الموجودة على سطوح الخلايا الحية، ثم شدها نحو الخارج مسببا بذلك إعادة اصطفاف خيوط الهيكل الخلوي والبنى الموجودة ضمن النواة فورا في اتجاه الشد. وهكذا، وكما أوحت تجاربي السابقة، لم تسلك الخلايا والنوى سلوك بالونات مائية لزجة.
..............................
منقول
» إختبار الثلاثي الثالث مادة العلوم الطبيعية
» دلیل بناء اختبار مادة علوم الطبیعة والحیاة في امتحان شھادة البكالوریا – أكتوبر 2017
» ملفات مفتوحة المصدر لجميع مصممين الدعاية والاعلان
» مادة الرياضيات السنة الاولى ثانوي
» برنامج لصنع توقيت مؤسسة تربوية
» كل ما يخص الثانية متوسط من مذكرات ووثائق للأساتذة
» المنهاج والوثيقة المرافقة له للجيل الثاني في كل المواد لمرحلة التعليم المتوسط
» دليل استخدام كتاب الرياضيات الجيل الثاني سنة4