المحاضرة 1 مدخل إلى علم الحياة An Introduction to Biology 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 1
»استكشاف احلياة ومستويات التعضي البيولوجي«مقدمة: البيولوجيا هو علم يهتم بالدراسة العلمية للحياة ويعتر هذا العصر األكثر إثارة بالنسبة لعلم احلياة حيث شرعت أكر جمتمعات العلماء يف التاريخ واجملهزة أفضل جتهيز حبل ألغاز احلياة اليت بدت يوما ما غري قابلة للحل. إننا نقرتب من فهم كيف ميكن خللية جمهرية واحدة أن تتطور إىل نبات أو حيوان معقد وكيف تستطيع النباتات حتويل الطاقة الشمسية إىل الطاقة الكيميائية يف الطعام وكيف يعمل العقل البشري وكيف تتشابك أشكال خمتلفة من احلياة يف جمتمعات بيولوجية مثل الغابات والشعاب املرجانية coral reefs وكيف تطور التنوع اهلائل للحياة على األرض انطالقا من امليكروبات. إننا كلما تعلمنا عن احلياة أكثر كلما ازدادت سحرا ألن التقدم يف مسألة ما يقود إىل أسئلة أخرى تتأثر بالعقل الفضولي لعقود آتية من الزمن. وفوق كل شيء فإن البيولوجيا حبث وحت ق ق مستمر عن طبيعة احلياة. إن البيولوجيا احلديثة مهمة بقدر ما هي ملهمة. فالبحوث واالكتشافات يف جمال الوراثة والبيولوجيا اخللوية تعمل على تطوير الطب والزراعة. وكذلك تقد م البيولوجيا اجلزيئية أدوات جديدة الختصاصات متنوعة مثل األنثروبيولوجيا وعلم اجلرمية. وكذلك فإن العلوم العصبية والبيولوجيا التطورية- bio evolutionary logy تعيدان اآلن تشكيل علم النفس وعلم االجتماع. كما أن مناذج جديدة يف علم البيئة أخذت تساعد العلماء على تقييم بعض القضايا البيئية مثل أسباب االحتباس احلراري العاملي والنتائج البيولوجية هلذه الظاهرة. هذه أمثلة قليلة عن كيفية تداخل البيولوجيا يف نسيج ثقافتنا أكثر من أي وقت مضى. إذ مل يسبق أن كان هناك وقت أفضل الستكشاف احلياة من الوقت احلاضر. إن الظاهرة اليت نسميها احلياة تتحدى التعريف البسيط جبملة واحدة. إن أي طفل يدرك أن الكلب أو البقة أو النبات مثل السرخس )اخلنشار( املصور يف )الشكل 1( هو نوع )species( من الكائنات احلية بينما الصخرة ليست كذلك. إننا نتعر ف على احلياة من خالل معرفة ما تقوم به الكائنات احلي ة )الشكل 2(. الشكل )1(: السرخس )اخلنشار(- البيولوجيا هو العلم الذي يدرس احلياة وفيما نتأهب الكتشاف احلياة سيكون من املفيد أن يكون لدينا صورة مشولية )بانورامية( للعلم الواسع الذي سندرسه. فهذا اجلزء االفتتاحي يعرض اجملال الواسع من البيولوجيا ويلقي الضوء على تنوع احلياة ويصف موضوعات )مثل التطور( توحد كل البيولوجيا ويفحص الطرائق اليت يستخدمها البيولوجيون الستكشاف احلياة. 2
الشكل )2(: بعض خصائص احلياة a.aالرتتيب: تشرح هذه الصورة املقربة لزهرة عباد الشمس البنية الفائقة الرتتيب اليت متيز احلياة. b.bالتكيف التطوري: ان مظهر حصان البحر القزم هذا ميوه احليوان يف بيئته وتنشأ هذه التكيفات على مدى أجيال عديدة من خالل النجاح التناسلي لتلك األفراد ذات الصفات القابلة للتوريث. c.cاالستجابة البيئية: يغلق خانق الذباب مصيدته بسرعة استجابة للمنبه البيئي ليعسوب حط على املصيدة املفتوحة. d.dالتنظيم: ان تنظيم تدفق الدم داخل األوعية الدموية املوجودة يف كال أذني األرنب يساعد يف صون درجة حرارة ثابتة من خالل تنظيم التبادل احلراري مع اهلواء احمليط. e.eمعاجلة الطاقة: حيصل هذا الطائر الطنان على وقوده من رحيق الزهور ثم يستعمل الطنان الطاقة الكيميائية املختزنة يف طعامه لغرض الطريان وألعمال أخرى. f.fالتشكل والنمو: تتحكم املعلومات الوراثية اليت حتملها اجلينات يف مناذج تشكل ومنو الكائنات احلية مثل متساحالنيل. g.gالتناسل: تنجب الكائنات احلية الصنف اخلاص بها. يظهر يف هذه الصورة بطريق حيمي وليده. 3
استكشاف احلياة ابتداء من اجملهر وحتى مقاس الكرة األرضية :global scale متتد دراسة احلياة من املقاس اجملهري للجزيئات واخلاليا اليت تؤلفالكائنات احلي ة وحتى املقاس الشمولي للكوكب احلي بأسره. وميكنناأننقسم هذا املدى اهلائل إىل عدة مستويات من الكائنات احلي ة. - أتراتبية مستويات التعضي البيولوجي ختيل حماولة رؤية األرض بتقريب الصورة من الفضاء. لتكن وجهتنا هي غابة يف مكان ما حيث سنقوم يف نهاية املطاف باستخدام اجملاهر ومعدات أخرى الستكشاف ورقة لنبات ما عر التصغري حتى املستوى اجلزيئي )الشكل 3(. إن هذه العملية تقودنا إىل املرور عر مستويات التعضي البيولوجي هي: 1 احمليط 1. احليوي لألرض :Biosphere حاملا نصبح قريبني لدرجة كافية من األرض حبيث تتاح رؤية القارات واحمليطات. فإننا نبدأ برؤية عالمات احلياة وذلك يف فسيفساء غابات الكوكب اخلضراء على سبيل املثال. هذه هي النظرة األوىل للمحيط احليوي الذي يتألف من مجيع البيئات املسكونة باحلياة على األرض. ويضم احمليط احليوي معظم مناطق اليابسة واملسطحات املائية كاحمليطات والبحريات واألنهار وكذلك الغالف احليوي إىل ارتفاعات تصل بضعة كيلومرتات. 2 املنظومات 2. البيئية :Ecosystems حني تقرتب من األرض بهبوط افرتاضي يف مكان ما من األرض نستطيع البدء برؤية غابة حتتوي على عدد وافر من األشجار. وتعتر هذه الغابة مثاال ملنظومة بيئية. كما أن املروج والصحارى واحمليطات والشعاب املرجانية هي منظومات بيئية أخرى. وتتألف املنظومة البيئية من مجيع العناصر احلية يف منطقة معينة باإلضافة إىل مجيع املكونات غري احلية اليت تتفاعل معهااألحياء كالرتبة واملاء والغازات اجلوية والضوء. هذا وجتتمع كل املنظومات البيئية املوجودة يف األرض لتشكل احمليط احليوي لألرض. 3 اجملتمعات 3. :Communities إن مجيع مصفوفة الكائنات احلية اليت تعيش يف منظومة بيئية معينة تسمى جمتمعا بيولوجيا. واجملتمع يف منظومتنا البيئية للغابة يتضمن العديد من األشجار والنباتات وحيوانات متنوعة وأنواعا متعددة من الفطر املشروم وفطور أخرى باإلضافة إىل عدد هائل من األحياء الدقيقة املتنوعة مثل البكترييا اليت ال ميكن رؤيتها بدون جمهر. ويسمى كل شكل من أشكال احلياة هذه نوعا حيا.Species 4 اجلماعاتPopulations : 4. تتألف اجلماعة من كل أفراد النوع احلي الواحد الذين يعيشون يف منطقة معينة. فعلى سبيل املثال تضم غابتنا جتمعات من أشجار البلوط ومجاعات من الذئاب أو من الضباع. وميكنناإعادة تعريف اجملتمع بأنه جمموعة من اجلماعات اليت تقطن يف منطقة معينة. 5 الكائنات 5. احلية :Organisms يطلق على األحياء اسم الكائنات احلية فكل حيوان يف الغابة مثل الضفدع والسنجاب والدب واحلشرة تسمى كائنا حيا. 6 األعضاء 6. ومنظومات األعضاء :Organs and Organssystems تستمر الرتاتبية البنيوية للحياة بالتكشف تدرجييا كلما استكشفنا اهلندسة 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 جسم يتألف من نسيجني أو أكثر. نذكر من أمثلة األعضاء عند نوع من احليوانات الراقية: الدماغ القلب والكلى. وتنتظم األعضاء لدى اإلنسان واحليوانات املتطورة يف منظومة أعضاء. وتتألف كل منظومة من فريق من األعضاء تتعاون مفرداته يف وظيفة نوعية. فعلى سبيل املثال يتضمن جهاز اهلضم لدى اإلنسانأعضاءمثل اللسان واملعدة واألمعاء. 4
7 النسج 7. :Tissues تتطلب رؤية نسيج يف عضو من أعضاء حيوان ما استخدام اجملهر. فمثال يتألف القلب عند اإلنسان من جمموعة من النسج املختلفة كالعضالت امللساء والعضالت املخططة وغريها. ويتألف كل نسيج من بنية خلوية معينة ويف احلقيقة يتألف كل نوع من النسج من جمموعة من اخلاليا املتماثلة. 8 اخلاليا 8. :Cells اخللية هي الوحدة األساسية للبنية والوظيفة يف احلياة. بعض الكائنات احلية مثل األميبات ومعظم البكترييا تتألف أجسامها من خلية واحدة. أما الكائنات احلية األخرى مبا يف ذلك النباتات واحليوانات فهي متعددة اخلاليا. و بدال من أن تقوم خلية واحدة بكل وظائف احلياة تقوم اخلاليا يف األحياء املتعددة اخلاليا بتقاسم العمل بني خالياها املتخصصة. ويتألف جسم اإلنسان من مليارات اخلاليا اجملهرية املتعددة األصناف مبا يف ذلك اخلاليا العضلية واخلاليا العصبية واليت تكون منتظمة يف أنسجة خمتصة متنوعة. على سبيل املثال تتألف النسج العضلية من حزم من اخلاليا العضلية. 1 العضيات 1. :Organelles إن املصورات احليوية )اجلسيمات الكوندرية( وكذلك جهاز غوجلي هي مثال عن العضيات اليت هي املكونات الفعالة املختلفة اليت تشكل اخلاليا. 2 اجلزيئات 2. :Molecules متثل اجلزيئة بنية تتألف من وحدتني كيميائيتني صغريتني أو أكثر تسمى ذرات.Atoms فمثال يعتر اليخضور جزيئة صباغ جتعل ورقة النبات خضراء اللون. وهي واحدة من أكثر اجلزيئات أهمية على األرض إذ ميتص اليخضور أشعة الشمس خالل املرحلة األوىل من الرتكيب الضوئي. وتنتظم داخل كل حبيبة خيضورية ماليني اجلزيئات اليخضورية وجزيئات أخرى ميكنها 5
حتويل الطاقة الضوئية إىل الطاقة الكيميائية يف الغذاء. - بديناميكية )حركية( املنظومة البيئية Ecosystem dynamic تتضمن ديناميكية أي منظومة بيئية عمليتني أساسيتني هما: العملية األوىل: وتضم تدوير املغذيات. فعلى سبيل املثال تعاد يف نهاية املطاف املعادن ليحصل عليها النبات إىل الرتبة عن طريق األحياء الدقيقة اليت تفكك أوراق األشجار املتساقطة واجلذور امليتة يف حطام عضوي. العملية اهلامة الثانية: هي تدفق الطاقة من ضوء الشمس إىل املنتجني Producers ثم املستهلكني.Consumers أما املنتجون فهما النباتات والكائنات األخرى القادرة على الرتكيب الضوئي واليت حتول الطاقة الضوئية إىل طاقة كيميائية. وأما املستهلكون فهم كائنات حية مثل احليوانات اليت تعيش على منتجني ومستهلكني آخرين. ج- حتويل الطاقة Energy conversion تتطلب احلركة والنمو والتناسل واألنشطة احلياتية األخرى من الكائنات احلية القيام بعمل ويعتمد العمل على مصدر للطاقة. وتبادل الطاقة بني الكائنات احلية وحميطها يتضمن عادة حتول الطاقة من شكل إىل آخر. فعلى سبيل املثال عندما تنتج الورقة اخلضراء السكر فإنها حتول الطاقة الشمسية إىل طاقة كيميائية يف جزيئة السكر. وعندما تستعمل اخللية العضلية حليوان ما هذا السكر كوقود فإنها حتول الطاقة الكيميائية إىل طاقة حركية. و يف مجيع عمليات حتول الطاقة يتم حتويل بعض الطاقة املتوافرة هذه إىل طاقة حرارية تنشرها الكائنات احلية املتحركة يف حميطها على شكل حرارة. وعلىعكس املغذيات اليت يعاد تدويرها Recycled يف املنظومة البيئية فإن الطاقة تتدفق عر املنظومة البيئية فتدخل عادة على شكل ضوء وخترج على شكل حرارة )الشكل 4(. 6
الشكل )4(: شكل أساسي لتدفق الطاقة خالل منظومة بيئية نظرةإىل اخلاليا حتتل اخللية مكانا خاصا يف الرتاتبية البنيوية للحياة بكونها أخفض مستوى يف التعضي يكون قادرا على القيام بكل النشطة الالزمة للحياة. فعلى سبيل املثال تكون قدرة اخلاليا على االنقسام 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 لألنشطة اخللوية مبا يف ذلك الرتكيب الضوئي الذي حيدث يف الصانعات اليخضورية املوجودة يف خاليا األوراق. وإن فهم كيفية عمل اخلاليا هو عمل حبثي أساسي تركز عليه البيولوجيا احلديثة. املعلومات اخللوية القابلة للتوريث إذا ألقيت نظرة على اخللية املنقسمة ميكن رؤية بنى ضمن اخلاليا تسمى صبغيات.Chromosomes وهذه الصبغيات مصنوعة جزئيا من مركب يسمى احلمض الرييب النووي املنزوع االكسجني )أو الدنا DNA اختصارا(. وهو مادة اجلينات «واليت هي وحدات الوراثة اليت تنقل املعلومات من اآلباء إىل األبناء. وعلى سبيل املثال فإن زمرة الدم )A; O( ;AB B; هي نتيجة جينات معينة ورثها االبن من والديه. يتألف كل صبغي من جزيئة دنا واحدة طويلة جدا تضم مئات أو آالف اجلينات اليت تنتظم على امتدادها. وتتضاعف دنا الصبغيات عندما تستعد اخللية لإلنقسام وبالتالي ترث كل خلية من خاليا النسل جمموعة كاملة من اجلينات. يبدأ كل شخص منا حياته كخلية واحدة مليئة بالدنا املوروثة من والديه. وتنقل الدنا املتضاعفة تلك اجلينات إىل خاليا أخرى تعد باملليارات. ويف كل خلية ترمزencode اجلينات املوجودة على طول جزيئات الدنا املعلومات الوراثية الالزمة لبناء اجلزيئات للخاليا. وبهذه الطريقة يوجه الدنا تنامي developement وصيانة Maintenance الكائن احلي بشكل كامل )الشكل 6(. الشكل) 6 (: احلمض الرييب النووي املنزوع األكسجني )DNA( املوروث يوجه تطور الكائنات احلية. 8
تفسر البنية اجلزيئية للدنا غناها باملعلومات وتتألف كل جزيئة دنا من سلسلتني طويلتني توجد بشكل يسمى احللزون املضاعف double helix ومتون كل حلقة من السلسلة واحدة من أربعة أنواع من البنى الكيميائية اليت تسمى نكليوتيدات Nucleotides )الشكل 7(. أما الطريقة اليت رمز بها الدنا املعلومات اخللوية فهي مشابهة للطريق ة ال يت نرت ب فيه ا األح رف األجبدية بشكل دقيق لتعطي معنى دقيقا. فعلى سبيل املثال تستدعي كلمة جرذ )Rat( باإلنكليزيةإىل الذهن صورة أحد القوارض بينما يكون لكل من الكلمتني )Art Rat( اللتني حتتويان نفس األحرف معنيان خمتلفان. الشكل )7(: الدنا )املادة الوراثية(: 1 حلزون مزدوج للدنا 1. 2 شريط مفرد من الدنا 2. ومتتلئ املكتبات بالكتب احملتوية على معلومات مرمزة بالعديد من التسلسالت وذلك انطالقا من 26 حرفا فقط. وميكن أن نفكر بالنكليوتيدات على أنها أحرف األجبدية الوراثية. فالرتتيبات املتتالية النوعية لتلك األحرف الكيميائية األربعة ترمز املعلومات الدقيقة يف اجلينات اليت يكون طوهلا مئات أو آالف النكليوتيدات. وميكن أن تتم ترمجة جينة واحدة يف خلية بكتريية على شكل تكليف ببناء صبغة أرجوانية مثال. كما ميكن أن تعي جينة بشرية معينة «صنع هرمون اإلنسولني«. وبشكل أعم فإن معظم اجلينات ترمج اخلاليا إلنتاج جزيئات كبرية تدعى الروتينات. ويرمز تتالي النكليوتيدات على طول كل جينة بروتينا نوعيا ذا شكل ووظيفة حمددتني يف اخللية. كما ميكن أن يكون بروتني ثالث أنزميا حيفز )مبعنى يسرع( تفاعال كيميائيا حمددا يف اخللية. وحتت معظم األنشطة اخللوية تقريبا إىل فعل بروتني واحد أو أكثر. وإن الدنا تقدم النصوص األصلية القابلة للتوريث أما الروتينات فإنها األدوات اليت تبي اخللية وتصونها فعليا. تدعى»املكتبة«الكاملة للتعليمات اجلينية اليت يرثها كائن حينا باسم اجلينوم )أو اجملني( Genome وحتتوي صبغيات كل خلية بشرية على جينوم يضم حوالي 3 مليارات نكليوتيد. فإذا كانت الرموز الوحيدة احلرف يف هذه املتتالية من النكليوتيدات مكتوبة حبروف من حجم احلروف اليت تقرؤها 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: تشرتك مجيع اخلاليا خبصائص معينة فعلى سبيل املثال حتاط كل خلية بغشاء ينظم مرور املواد بني اخللية وحميطها. وتستعمل كل خلية الدنا ملعلوماتها الوراثية. ميكننا أن منيز نوعني من اخلاليا: -خاليا بدائيات النوى Prokaryoticcells -خاليا حقيقيات النوى Eukaryoticcells وتعد البكترييا واألركيا Archaea خاليا بدائيات النوى بينما تكون خاليا مجيع أشكال احلياة األخرى )مبا يف ذلك النباتات واحليوانات( خاليا حقيقيات النوى. تعمل أغشية داخلية على تقسيم اخلاليا حقيقية النوى إىل عضيات حماطة بغشاء مبا فيها حبيبات اليخضور. ويف معظم اخلاليا حقيقيات النوى تكون أكر عضية هي النواة اليت حتتوي على دنا اخللية على شكل جزيئات صبغية..Chromosomalmolecules أما العضيات األخرى فإنها تتوضع يف السيتوبالزما اليت تشكل مجيع املنطقة الكائنة بني النواة وجدار اخللية اخلارجي. تكون اخلاليا بدائيات النوى أبسط وأصغر بكثري من اخلاليا حقيقيات النوى عموما )الشكل 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 بغشاء 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 «الكل هو شيء أعظم من جمموع أجزائه«. ذلك القول املأثور املألوف يؤطر املفهوم بأن مجع املكونات ميكن أن يشكل تعضيا أكثر تعقيدا يدعى منظومة.System وتعتر اخلاليا 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 كيفية عمل مثل هذه املنظومات املتكاملة مبجموعها. - أاخلواص املستحدثة للمنظومات: إذا ألقينا نظرة على مستويات احلياة الوارد ذكرها آنفا جند أنه مع كل خطوة إىل األعلى يف تراتبية الرتتيب البيولوجي تظهر خصائص مستحدثة مل تكن موجودة يف املستوى األدنى مباشرة. إن هذه اخلواص املستحدثة تعود إىل طريقة انتظام األجزاء وتأثرها كلما ازداد التعقيد. وكمثال يف هذا الصدد لو أن أذية يف الرأس تسببت خبلل يف بنيان دماغ إنسان ما فإن عقله سوف يتوقف عن العمل بالشكل الصحيح على الرغم من أن مجيع أجزاء الدماغ ما زالت موجودة. إن أفكارنا وذاكراتنا هي خواص مستحدثة يف شبكة معقدة للخاليا العصبية. و يف مستوى أعلى من التعضي البيولوجي مثل مستوى املنظومة البيئية فإن إعادة تدوير املغذيات )من أمثال الكربون( تعتمد على شبكة من أحياء متنوعة تتأثر بعضها مع بعض من جهة ومع الرتبة واهلواء من جهة أخرى. ليست اخلواص املستحدثة خواصا فوق طبيعية وال خواصا فريدة للحياة. - بقوة مذهب االختزالية وحمدوديته ملا كانت خواص احلياة تنشأ من التعضي املعقد فإن العلماء الذين يسعون إىل فهم املنظومات البيولوجية يواجهون حرية. فنحن ال نستطيع أن نوضح بشكل كامل مستوى أعلى من ترتيب ما عر تفكيكه إىل أقسامه ألن احليوان املشرح يتوقف عن القيام بوظائفه كما ان اخللية املفككة إىل مكوناتها الكيميائية ليست خلية. إن أي شيء معقد بقدر تعقيد كائن حي أو خلية ماال ميكن حتليله ب دون جتزئة. تشكل االختزالية Reductionism اسرتاتيجية نافذة يف البيولوجيا. فعلى سبيل املثال ومن خالل دراسة البنية اجلزيئية للحمض الرييب النووي املنزوع األكسجني )الدنا( الذي مت استخالصه من اخلاليا استدل جيمس اتسونو فرانسيس كويك يف العام 1953 أن هذه اجلزيئة تشكل األساس الكيميائي للوراثة. ويف العام 2001 أي بعد حوالي نصف قرن من العمل الشهري املنسوب إىل واتسون وكريك قام فريق دولي من العلماء بنشر رسم تقرييب لتتالي 3 مليارات حرف كيميائي يف اجلينوم البشري. وكذلك سلسل Sequenced الباحثون اجلينوم اخلاص بالعديد من األنواع احلية األخرى. وقد اعترت الصحافة وقادة العامل مشروع اجلينوم البشري واحدا من أعظم اإلجنازات العلمية على االطالق. - جبيولوجيا املنظومات: 11 إن اهلدف النهائي لبيولوجيا املنظومات هو منذجة Modeling السلوك الديناميكي للمنظومات البيولوجية ككل. فالنماذج الدقيقة متكن البيولوجيني من التنبؤ بكيفية تأثري متغري أو أكثر يف املكونات األخرى ويف جمموع املنظومة ككل. وعلى سبيل املثال كيف تؤثر الزيادة الطفيفة يف تركيز كالسيوم اخلاليا العضلية بأنشطة عشرات الروتينات اليت تنظم التقلصات العضلية وكيف يؤثر عقار ما خافض لضغط الدم على عمل األعضاء يف مجيع أرجاء جسم اإلنسان وما حيتمل
أن يكون له من آثار جانبية مؤذية. تتدخل بيولوجيا املنظومات اآلن بدراسة احلياة على مستوى اخلاليا واجلزيئات مدفوعة جزئيا باملعلومات الغامرة احلديثة من سلسلة Sequencingاجلينومات وتنامي املعلومات عن وظائف الروتينات املعروفة. وعلى سبيل املثال يف العام 2003 نشر فريق حبث كبري شبكة تأثرات بروتينية داخل خلية ذبابة الفاكهة اليت تعتر كائنا حيا شائعا يف الدراسات العلمية. ويعتمد هذا النموذج قاعدة بيانات واسعة آلالف الروتينات املعروفة وتآثراتها املعروفة مع بروتينات أخرى. فمثال ميكن أن يرتبط الروتني مع الروتني األمر الذي يؤدي إىل التأثر مع بروتينات أخرى. إن الشكل )9( يرسم خريطة شراكة 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. ومع أن الفكرة األساسية يف بيولوجيا املنظومات بسيطة فإن املمارسة ليست كذلك مثلما هو متوقع جراء تعقيدات املنظومات البيولوجية. فقد احتاج األمر إىل ثالثة تطورات حبثية رئيسة كي تصبح بيولوجيا املنظومات يف املتناول. وتتلخص هذه التطورات فيما يلي: 1 تقانة -1 التداول املرتفع :high - throughputtechnology 12 تعتمد بيولوجيا املنظومات على طرائق تستطيع حتليل املواد البيولوجية بسرعة وإنتاج املقادير اهلائلة من البيانات. إن مثل هذه الطرائق جلمع الكم اهلائل من املعطيات تسمى»التداول املرتفع«high -. throughput وكمثال عليها تلك املاكينات اليت تقوم بسلسلة الدنا واليت جعلت مشروع اجلينوم البشري ممكنا. 2 املعلوماتية 2- احليوية :bioinformatics إن قواعد البيانات databases اهلائلة اليت جنمت عن طرائق التداول املرتفع ستكون فوضوية ومربكة بدون القدرة احلاسوبية والرجميات والنماذج الرياضياتية اليت تعاجل وتكامل هذه املعلومات
البيولوجية. ويعمل احلقل اجلديد للمعلوماتية احليوية على استخالص املعطيات البيولوجية املفيدة من جمموعات البيانات اهلائلة الواسعة االنتشار من تتاليات الدنا وقوائم التأثرات الروتينية. ويغذي اإلنرتوبيولوجيا املنظومات من خالل نشر املعطيات الرقمية اليت تغي املعلوماتية احليوية. 3 فرق 3- البحث العلمية املتعددة االختصاصات :teams interdisciplinaryresearch لقد أنشأت كلية الطب يف جامعة هارفارد يف العام 2003 قسما لبيولوجيا املنظومات وهذا هو أول قسم جديد فيها منذ عقدين من الزمن. ويوجد بالقرب منه معهد ماساشوستس للتقانة )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 املنظومات مبا يف ذلك مهندسني وعلماء يف الطب وكيميائيني وفيزيائيني وعلماء رياضيات وحاسوب وبيولوجيني من فروع خمتلفة طبعا. إضافات مدرس املقرر نهاية احملاضرة األوىل 13
14