الخصائص الأساسية 7 التي تعرّف الحياة: الحياة بعيون العلم

ظل فهم الحياة والتعمق في دراستها موضع فضول عبر تاريخ البشرية. وقد قدّم عالم الأحياء الحائز جائزة نوبل Paul Nurse إطارًا مهمًا في هذا الشأن بتحديد خمس خصائص أساسية للحياة. ووسّعنا نحن هذه القائمة قليلًا، فأضفنا بندين جديدين: التوازن و اعتماد الكائنات الحية بعضها على بعض. وهكذا سنتناول الخصائص السبع الأساسية للحياة بأسلوب علمي مبسّط ومفهوم. وسننظر معًا من جديد إلى سؤال «ما الحياة؟» مستعينين بأمثلة وبيانات حديثة تحت كل عنوان.

1. الخلايا (الوحدة الأساسية للحياة)

لبنة البناء الأساسية لكل الكائنات الحية هي الخلية. ويمكن عدّ الخلايا أصغر وحدات الحياة وأبسطها. فالخلية الواحدة تستطيع وحدها أداء جميع العمليات الأساسية للحياة. والبكتيريا مثلًا كائنات وحيدة الخلية، وهذه الأشكال الصغيرة من الحياة تستطيع التغذي وإنتاج الطاقة والتكاثر. أما في الكائنات متعددة الخلايا، ومنها نحن البشر، فتتكون أجسامنا من تريليونات الخلايا التي تتولى مهام مختلفة. ويوجد في جسم الإنسان نحو 30 تريليون خلية بشرية، تخصص معظمها بوظائف معينة (مثل خلايا العضلات والأعصاب والدم). وتنمو الخلايا وتنقسم منتجة نسخًا من نفسها، فتستمر الحياة. وقد وصف العلماء الذين يُعدّون آباء النظرية الخلوية أساس الحياة في سنوات 1800 بقولهم «تتكون جميع الكائنات الحية من خلية أو أكثر، وتنشأ كل خلية جديدة بانقسام خلية أخرى» .

تختلف أحجام الخلايا وأشكالها وفق وظائفها. فكريات الدم الحمراء البشرية قرصية الشكل ومتخصصة في نقل الأكسجين، بينما تنقل الخلايا العصبية الإشارات في أجسامنا بامتداداتها الطويلة. أكبر خلية في العالم هي بيضة النعامة؛ خلية واحدة ضخمة يمكن رؤيتها بالعين! وللعالم المجهري مفاجآته أيضًا: ففي 2022 أعلن العلماء أن بكتيريا اكتُشفت في مستنقع للمانغروف تُسمّى Thiomargarita magnifica يمكن أن يبلغ طولها نحو 1 سنتيمتر . وهذه البكتيريا الوحيدة الخلية أكبر بنحو 50 ضعفًا من البكتيريا المتوسطة، وهي أول بكتيريا يمكن رؤيتها بالعين المجرّدة. وقد فاجأ هذا الاكتشاف العلماء بتحديه الحدود المتصوّرة لحجم الخلايا. والخلاصة أن الخلايا لبنات الحياة؛ وسواء أكانت مجهرية أم مرئية بالعين، فإنها تحمل جميع خصائص الحياة.

2. الجينات والوراثة (شفرة الحياة)

تتيح الجينات الشفرة التي تنقل خصائص الكائن الحي من جيل إلى آخر. والجينات أجزاء محددة من جزيء يُسمّى DNA ، ويشفّر كل جين خاصية معينة في الكائن الحي، مثل لون العينين أو فصيلة الدم. والبنية الحلزونية المزدوجة الشهيرة لـDNA أشبه بـ كتاب الحياة : فهو يحتوي تعليمات مكتوبة بأبجدية كيميائية من أربعة أحرف (نوكليوتيدات A وT وC وG). وتخبر هذه التعليمات الخلايا أي بروتينات يجب أن تنتج، والبروتينات بدورها أشبه بلبنات بناء الكائن الحي وأجزاء آلاته. وتنتقل المعلومات الوراثية من الوالدين إلى الذرية عبر التكاثر، ولذلك يشبه الأطفال آباءهم وأمهاتهم. وأول من اكتشف ظاهرة الوراثة هذه من خلال دراساته على البازلاء هو Gregor Mendel . وأمكن لاحقًا تفسير اكتشافات Mendel على المستوى الجزيئي بعد فك بنية DNA.

حقق العلم الحديث تقدمًا مذهلًا في الوراثة. ويضم الجينوم البشري، أي مجموعة معلومات الإنسان الوراثية، نحو 25 ألف جين، ويحتوي DNA لدينا إجمالًا تسلسلًا من 3 مليارات حرف. وكان عام 2003 محطة فارقة عندما فكّ مشروع الجينوم البشري معظم تسلسل جينومنا، أي 92% منه؛ لكن بعض المناطق الصعبة بقيت ناقصة. وأخيرًا، في عام 2022، استكمل اتحاد دولي من العلماء الجزء المتبقي من الجينوم البشري، أي الجزء الناقص البالغ 8% ، ونشروا للمرة الأولى تسلسلًا كاملًا غير منقوص للجينوم البشري . وهذا يعني إمكان قراءة كل صفحات كتاب معلوماتنا الوراثية. ويفتح فك معلوماتنا الوراثية بالكامل الباب لتطورات رائدة في فهم الأمراض الوراثية وعلاجها، بل وتصميم كائنات حية جديدة (البيولوجيا التركيبية). وبفضل تقنيات تحرير الجينات، مثل CRISPR، نستطيع أيضًا تغيير جينات محددة عمدًا. الجينات والوراثة هما أساس استمرارية الحياة والمادة الخام للتغير التطوري؛ لذا يحتلان مكانًا محوريًا في قائمة خصائص الحياة.

3. التطور والانتقاء الطبيعي (القدرة على التكيّف)

تخضع الكائنات الحية بمرور الزمن لعملية التطور للتكيّف مع الظروف البيئية المتغيرة والبقاء. ويقوم مفهوم التطور على آلية اكتشفها Charles Darwin، وهي الانتقاء الطبيعي . ويعني الانتقاء الطبيعي في أبسط صوره بقاء الكائنات الأكثر تكيفًا مع البيئة وتكاثرها، واستبعاد غير القادرة على التكيّف . ففي الجماعة الواحدة تباينات وراثية (اختلافات جينية)، ويترك الأفراد ذوو الصفات الأنسب للبيئة نسلًا أكثر، فتنتشر تلك الصفات مع الزمن. وهكذا تتغير الأنواع عبر الأجيال لتتكيف مع بيئاتها بصورة أفضل.

يمكن تقديم أمثلة لافتة على التطور من حياتنا اليومية. فاكتساب البكتيريا مقاومة للمضادات الحيوية، مثلًا، هو حرفيًا حدوث التطور أمام أعيننا. فالمضاد المستخدم للقضاء على عدوى يقتل البكتيريا الحساسة الموجودة، ويُبقي قلة نادرة اكتسبت المقاومة بطفرة. وتتكاثر البكتيريا المقاومة حتى تسود سريعًا، فتنشأ جماعة بكتيرية مقاومة لا تستجيب لذلك المضاد. ويمكن ملاحظة هذا الانتقاء الطبيعي حتى في المختبر. وهناك مثال تاريخي آخر حدث في إنجلترا خلال الثورة الصناعية، هو تغيّر لون الفراشات : فقد بدأت الفراشات المعروفة باسم العثة المفلفلة ، ذات الأجنحة الفاتحة عادةً، باتخاذ اللون الداكن مع تغطية السخام للأشجار؛ إذ نجت العثات الطافرة الداكنة بتمويهها على الأشجار المسوّدة واختبائها عن الطيور، وأصبحت سريعًا أغلبية الجماعة. وعندما انخفض تلوث الهواء لاحقًا استعادت العثات الفاتحة أفضليتها. ويبيّن ذلك كيف يمكن أن تنعكس ضغوط الانتقاء الطبيعي بتغير الظروف البيئية.

وعصافير الشرشور التي درسها Darwin في جزر Galápagos رمز للتطور أيضًا. وتختلف أشكال مناقيرها باختلاف مصادر الغذاء في جزرها؛ فبعضها ذو مناقير غليظة مناسبة لكسر البذور القاسية، وبعضها ذو مناقير مدببة لالتقاط الحشرات على الأغصان الدقيقة. وقد فسّر Darwin بهذه الأمثلة انحدار الأنواع من سلف مشترك وتمايزها للتكيّف مع ظروف مختلفة . واليوم تدعم التحليلات الجينية والأحافير والدراسات الرصدية نظرية التطور بقوة. التطور والانتقاء الطبيعي يمثلان طبيعة الحياة المتغيرة والديناميكية والحساسة للبيئة. وبفضلهما استمرت الحياة على كوكبنا منذ 3.5 مليار سنة، متكيفة مع بيئات لا حصر لها.

4. العمليات الكيميائية (استقلاب الحياة)

الكائنات الحية أشبه بمختبرات كيميائية! العمليات الكيميائية تشمل جميع التفاعلات الكيميائية الحيوية اللازمة لاستمرار الحياة. وتحدث آلاف التفاعلات كل لحظة في أجسامنا وفي جميع الكائنات الأخرى. فعندما نتنفس وننتج الطاقة، يُفكَّك جزيء السكر المسمّى الغلوكوز باستخدام الأكسجين في ميتوكوندريا خلايانا، وينتج جزيء الطاقة الشامل ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات). ويوفر ATP الطاقة اللازمة لعمل الخلايا، مثل تقلّص العضلات ونقل الإشارات العصبية وتصنيع الجزيئات، ولذلك يُعرف في الأحياء باسم «وحدة الطاقة». وينتج جسم الإنسان ويستهلك يوميًا كمية تقارب وزنه من ATP، أي نحو 50 كيلوغرامًا ؛ وبالطبع يُعاد تدوير جزيء ATP نفسه واستخدامه مرات عديدة. ويكشف هذا الرقم المدهش كثافة حركة التفاعلات الكيميائية في استقلابنا.

تدور العمليات الكيميائية للكائنات الحية أساسًا حول أخذ الغذاء وتحويل الطاقة والتخلص من الفضلات. فالكائنات القائمة بالتمثيل الضوئي، كالنباتات والطحالب، تحوّل ثاني أكسيد الكربون من الهواء إلى غذاء باستخدام ضوء الشمس (التمثيل الضوئي)، فتخزن الطاقة وتنتج الأكسجين وتجعل الجو صالحًا للحياة. أما الحيوانات فعندما تأكل، يفكّك الجهاز الهضمي الجزيئات الكبيرة إلى لبنات صغيرة تصبح وقودًا للخلايا. وتُسرَّع هذه التفاعلات كلها بمحفزات حيوية تسمى الإنزيمات، وتُضبط بتوازن دقيق.

كيمياء الحياة مضبوطة بدقة إلى حد أن تغيرًا طفيفًا في حرارة الجسم أو قيمة pH قد يخل بسرعات التفاعل. ففي الحمى الشديدة مثلًا تفقد الإنزيمات بنيتها، وتتعرقل العمليات الكيميائية، وقد تنشأ حالات مهددة للحياة. لذا تسعى الكائنات إلى تثبيت ظروف وسطها الداخلي كي تعمل تفاعلاتها الكيميائية بصورة سليمة، وهو ما يقودنا إلى الخاصية التالية، التوازن. وباختصار، تقع العمليات الكيميائية في أساس الحياة: فكل شيء، من التنفس والهضم إلى النمو والإصلاح، يحدث بالتفاعلات الكيميائية داخل الخلايا. والحياة في حقيقتها ليست إلا رقصة العناصر والجزيئات.

5. تدفق المعلومات

من أروع جوانب الحياة طريقة استخدامها للمعلومات. فالأنظمة الحية تعمل بالمعلومات إلى جانب الطاقة. وتُخزَّن هذه المعلومات غالبًا في DNA، وتحدد متى وأين وماذا يفعل الكائن الحي. لكنها لا تقتصر على الشفرة الوراثية. وكما يؤكد Paul Nurse، الحياة نظام شبكي معقد يخزن المعلومات ويعالجها وينقلها.

في الطبقة الأولى يوجد تدفق المعلومات الكلاسيكي بالشكل DNA → RNA → البروتين . وهذه العملية، أي النسخ والترجمة، تدير الوظائف الأساسية للخلايا الحية. ويتحكم DNA بإنتاج البروتين في الخلية عبر RNA، وتؤدي البروتينات دور لبنات بناء الخلية وآلاتها الجزيئية. وهذه العقيدة المركزية لغة الحياة الشاملة.

لكن تدفق المعلومات لا يقتصر على ذلك. تدير الكائنات الحية المعلومات أيضًا عبر شبكات معقدة داخل الخلية. فالجينات التي تنشط في خلية كبدية، مثلًا، تُحدَّد وفق مستوى بروتينات الخلية وحالتها الطاقية، بل وإشارات الإجهاد البيئي. ويعمل ذلك كأنه برنامج حيوي؛ فمستشعرات الخلية الداخلية تقرر أي معلومات تُقرأ وأيها تُسكت.

كما أن الخلايا تتبادل المعلومات فيما بينها. فالإشارات الكيميائية المنبعثة من نسيج مصاب توجه الخلايا المناعية إلى المكان. وفي التطور الجنيني تُصدر جزيئات الإشارة التي تنتجها مجموعة خلوية أوامر للخلايا المجاورة بأن «تصبح عصبونًا» أو «تصبح خلية عضلية». ويتيح هذا التدفق تنظيم الحياة وتشكّل الأنماط الخلوية المختلفة.

وتتحرك النباتات أيضًا وفق المعلومات في عمليات كالنمو باتجاه الضوء واستشعار الماء في التربة. وهذه المعلومات ذات أساس وراثي، لكنها تُنقل بإشارات بين الخلايا. ولذلك توجد المعلومات لا في تسلسلات DNA فحسب، بل أيضًا في الشبكات داخل الخلايا والتواصل بينها وتشكّل الأنماط النمائية.

وفي السنوات الأخيرة طُوّرت تقنيات ثورية من أجل فهم هذا النظام المعلوماتي وإدارته . فبتسلسل DNA يمكن قراءة الكتب الوراثية للكائنات، وبأدوات تحرير الجينات مثل CRISPR يمكن حذف سطور منها أو إعادة كتابتها. وتتيح البيولوجيا التركيبية تصميم دوائر وراثية غير موجودة في الطبيعة. وتكشف هذه التقنيات أن الحياة نظام معلوماتي إلى جانب كونها نظامًا كيميائيًا.

الخلاصة: تدفق المعلومات آلية أساسية لاستمرار وجود الحياة وتنوعها. فهذه المعلومات التي تبدأ بالشفرة الوراثية تُعالج وتُنقل وتُفسر خلال التنظيم الخلوي والتواصل والتطور. والحياة تنظيم متقن لهذا النظام المعلوماتي متعدد الطبقات.

6. التوازن (الاستتباب)

تملك الكائنات الحية القدرة على إبقاء وسطها الداخلي وعلاقتها بالبيئة التي تعيش فيها ضمن توازن . ويُسمّى هذا التوازن الداخلي في الأحياء الاستتباب . ويعني الاستتباب أن يُجري الكائن تعديلات مستمرة لإبقاء ظروفه عند نقطة ثابتة أو ضمن مجال ضيق. فثبات حرارة جسمنا عند نحو 36-37 °C، والحفاظ على سكر الدم عند مستوى معين، وعدم تغير pH خلايانا، كلها نتائج للاستتباب. وإذا حُفظ هذا التوازن بنجاح تستمر الحياة؛ وإذا اختل تظهر الأمراض أو يواجه الكائن مخاطر حيوية.

لنأخذ مثالًا يوميًا على الاستتباب، وهو حرارة جسمنا . تبلغ حرارة الجسم الداخلية لدى الإنسان السليم نحو 37 °C. وعندما يبرد الجو نشعر بالبرد، فنحاول منع فقد الحرارة بالارتعاش (إنتاج الحرارة بحركة العضلات)، وتضيّق أوعية الجلد (لتقليل فقد الحرارة)، وارتداء مزيد من الملابس. وبالعكس، عندما ترتفع حرارتنا في يوم حار نتعرق؛ فيبردنا تبخر العرق ونتخلص من الحرارة الزائدة. ويحدث ذلك بفضل عمل مركز في الدماغ يسمى تحت المهاد كمنظّم للحرارة. وبالمثل، عندما يرتفع سكر الدم يفرز البنكرياس الإنسولين، الذي يأمر خلايا الجسم «نظّفي الدم، وأدخلي السكر». وعندما ينخفض السكر ينشط الغلوكاغون، فيرفع مستواه طالبًا من الكبد والعضلات «فككا المخازن الاحتياطية، وأطلقا السكر إلى الدم». وهكذا يبقى سكر الدم في المجال المثالي دون ارتفاع أو انخفاض شديدين.

لا يقتصر الاستتباب على الحرارة أو السكر، بل يشمل تقريبًا كل متغير حيوي؛ فضغط الدم وتوازن الماء والملح وأكسجة الأنسجة، وحتى كميات البروتين المصنَّع داخل الخلايا، تُضبط بآليات الاستتباب. وبفضل أنظمة التغذية الراجعة (feedback)، تخفض الخلايا إنتاج مادة إذا زادت، وترفعه إذا نقصت. فعندما ينخفض أكسجين الدم يزيد الدماغ وتيرة التنفس لجلب مزيد من الأكسجين، وإذا زاد الأكسجين يبطئ التنفس. ولولا أنظمة الضبط الدقيق هذه لما عمل جسمنا بثبات رغم تغيرات المحيط.

الاستتباب هو الخاصية التي تجعل الحياة مرنة ومقاومة بدل هشاشتها أمام البيئة. فيضبط فأر الصحراء كليتيه عندما لا يجد الماء ليعيش بأقل كمية، ويمنع الدب القطبي فقد الحرارة في البرد بطبقة دهون سميكة وبنية ذات مساحة سطحية قليلة دون خفض حرارته. ويرسل جسم الإنسان أيضًا إشارات كالتعرق والبرد والعطش والجوع لإبقائنا متوازنين. وباختصار، التوازن (الاستتباب) لا غنى عنه لاستمرار الحياة. ودون التوازن الداخلي لما أمكن البقاء رغم الظروف المتقلبة للعالم الخارجي.

7. الاعتماد المتبادل (النظام البيئي والتكافل)

لا يستطيع أي كائن حي أن يوجد وحده في عزلة تامة. الاعتماد المتبادل هو نسيج شبكة الحياة. ففي الطبيعة تتفاعل جميع الكائنات مع غيرها مباشرة أو بصورة غير مباشرة، في التغذية والحماية والتكاثر وتوفير الموئل وغير ذلك. فأشجار الغابات، مثلًا، تتشارك الغذاء والمعلومات عبر خيوط دقيقة للفطريات تلتف حول جذورها (الفطريات الجذرية)؛ وقد «تستعير» الشجرة الماء من جارتها عند الحاجة، أو ترسل شجرة تتعرض لهجوم حشري إشارات كيميائية تحذر بها جاراتها. وتشبه هذه التفاعلات شبكة تضامن تمتد في النظام البيئي كله.

ومن أوضح أمثلة الاعتماد علاقات التلقيح (التأبير). فنحو ثلثي النباتات المزهرة في العالم تحتاج إلى ملقحات حيوانية، كما أن نحو 35% من المنتجات الغذائية العالمية (واحدة من كل ثلاث لقم نأكلها!) يعتمد على خدمات التلقيح التي تقدمها حيوانات كالنحل والفراشات والطيور والخفافيش. فعند جمع الرحيق ينقل النحل الخلايا التناسلية للأزهار دون قصد، فتنتج النباتات الثمار والبذور. ونستفيد نحن من هذه الدورة عندما نأكل الثمار. وإذا اختفت الملقحات تعذّر على نباتات كثيرة التكاثر، وتضرر الإنتاج الزراعي بشدة، فتأثرت البشرية مباشرة. وهذا مثال لافت على ترابط الكائنات في سلسلة اعتماد.

بل إن جسم كل كائن حي نظام بيئي بحد ذاته. فإن ميكروبيوم المكوّن من تريليونات البكتيريا والفطريات والكائنات الدقيقة الأخرى التي تعيش في أمعاء الإنسان يساعد هضمنا ويدرّب مناعتنا، وقد يؤثر حتى في سلوكنا. ولدينا خلايا بكتيرية بعدد خلايا أجسامنا؛ أي يمكن القول إننا عدديًا نصف بشر ونصف بكتيريا! ودون هذه الميكروبات لما هضمنا أغذية كثيرة أو أنتجنا بعض الفيتامينات، ولكنا أكثر عرضة للأمراض. وهي تحتاج إلينا لأننا نوفر الغذاء، ونحتاج إليها لأنها تدعم الهضم والصحة، في علاقة منفعة متبادلة.

وتشيع في الطبيعة أيضًا أشكال العيش المشترك القريب المسماة التكافل . فالأشنات، مثلًا، تتكون باتحاد فطر وطحلب؛ يوفر الفطر الماء والمعادن، ويقوم الطحلب بالتمثيل الضوئي وإنتاج الغذاء، وينجحان معًا في العيش حتى على الصخور القاسية. وبالمثل توجد الشعاب المرجانية بشراكة بوليبات المرجان مع طحالب وحيدة الخلية؛ تقدم الطحالب الغذاء ويقدم المرجان المأوى. علاقات المفترس والفريسة, علاقات الطفيلي والعائل أو علاقات التنافس تشكّل أيضًا جماعات الكائنات وتطورها. ويُمنع التكاثر المفرط لنوع ما بتقييد الأنواع الأخرى له، فيُحفظ توازن النظام البيئي؛ فتكاثر الأرانب تضبطه الذئاب مثلًا، وعدد الذئاب تضبطه محدودية العثور على الفرائس.

الصورة أعلاه تبيّن كيف تنتشر الكائنات الدقيقة، كالبكتيريا والفيروسات والفطريات، دوريًا بين البشر والحيوانات والنباتات والتربة والماء والهواء. ويتفاعل الإنسان مع هذا النظام؛ فقد تنتقل الميكروبات من البيئة إليه ومنه إليها. وتبرز هذه الدورة انتشار العدوى ومسارات الانتقال البيئي وترابط الصحة البيئية مع صحة الإنسان.

وفي الختام، الاعتماد المتبادل يصف ارتباط كل كائن بآخر مباشرة أو بصورة غير مباشرة في شبكة الحياة الكبرى. وفهم هذه الشبكة حاسم لحماية الأنظمة البيئية أيضًا. فمثل حلقات السلسلة، إذا انقرض نوع تأثرت أنواع كثيرة تتفاعل معه. وإذا قل النحل في منطقة بسبب النشاط البشري، لا ينخفض إنتاج العسل وحده، بل محصول الفاكهة والخضراوات أيضًا؛ وإذا انقرضت المفترسات الكبيرة في غابة فقد تنفلت آكلات الأعشاب وتدمّر الغطاء النباتي. وتوضح هذه الأمثلة أن الكائنات توجد ضمن توازن يقوم على الاعتماد المتبادل ، وأنه لا يوجد في الحقيقة كائن «جزيرة منفردة».

تساعدنا هذه الخصائص السبع على فهم تعقيد الحياة وتوازنها الرائع. وهي تمتد من الخلايا والجينات والتطور والكيمياء إلى تدفق المعلومات والتوازن الداخلي والعلاقات البيئية، فتذكرنا من جديد بقيمة الحياة ودقتها. الحياة ظاهرة أغنى من أن يحصرها تعريف واحد، لكن هذه المبادئ الأساسية تكشف «بصمة الحياة» المشتركة بين جميع الكائنات. ومع تقدم العلم قد تُضاف أبعاد جديدة لتعريفها؛ فقد نفهم حالات حدودية كالفيروسات بصورة أفضل، أو نطور أشكالًا اصطناعية للحياة. لكن الخصائص السبع الأساسية المذكورة هنا ستظل في جوهرها المحكات التي تميّز الحياة عن العمليات غير الحية. ولا يُشبع فهمها فضولنا نحو الأحياء فحسب، بل يرشدنا أيضًا لحماية أنفسنا والطبيعة وكل كائناتها والعيش في انسجام معها.