شاید اثر کازیمیر را تنها یک اثر کوانتومی بدانیم که در آن افت‌‌و‌خیزهای کوانتومی می‌تواند منجر به نیروی جاذبه بین دو آینه موازی شود. اما اثر کازیمیر یک معادل ترمودینامیکی دارد که به خاطر افت‌‌و‌خیزهای مواد سازنده یک سیال در نزدیکی نقطه بحرانی است. پژوهشی جدید از فیزیکدانان آمریکایی نشان می‌دهد که این نیروهای «کازیمیر بحرانی» بر پروتئین‌های درون غشاهای سلولی وارد و باعث می‌شود تا پروتئین‌ها با یکدیگر تعامل کرده و به محرک‌هایی همچون گرده‌ها پاسخ دهند.

همه سلول‌ها از غشایی پوشیده شده‌اند که حرکت مواد به درون و بیرون ارگانیسم را مدیریت می‌کند. غشاها از مولکول‌هایی ساخته شده‌اند که لیپید نامیده می‌شوند و در واقع پروتئین‌ها در لیپیدها جای گرفته‌اند. در ابتدا تصور می‌شد که لیپیدها کاملا یکنواخت هستند اما با انجام آزمایش‌هایی در دهه 1970 و 1980 مشخص شد که لیپیدها به شکل خوشه‌ای جمع می‌شوند و ساختارهایی ده‌(صد)ها برابر بزرگتر از اندازه خود می‌سازند. با این حال دانشمندان متوجه نشدند که انرژی لازم برای نگهداری چنین ساختاری از کجا می‌آید.

نگاه انتقادی به رفتار بحرانی

اکنون ویچ به دانشگاه میشیگان رفته اما در پژوهش اخیر خود با گروه بنجامین ماچتا[2] و جیمز ستنا[3] از دانشگاه کرنل همکاری کرده تا هدف این رفتار بحرانی را دریابد. پژوهشگران فرض کردند که انواع خاصی از پروتئین‌ها به یکی از فازها جذب می‌شوند و بقیه پروتئین‌ها به فاز دیگر تمایل دارند بنابراین پروتئین‌های مشابه به سمت هم کشیده می‌شوند اما پروتئین‌های نامشابه از هم دور می‌گردند.

همانطور که ویچ می‌گوید این برهمکنش‌های پروتئینی «آبشار»هایی درست می‌کند که اطلاعات مربوط به مواد سازنده پروتئین غشا و درون سلول را انتقال می‌دهد. از این اطلاعات می‌توان برای پاسخ به پرسش‌هایی همانند «آیا زمان خوبی برای تقسیم است؟» یا «آیا حرکت به سمت غذا امن است؟»، استفاده کرد. او می‌گوید:«فکر می‌کنیم یک دلیل این که غشاهای سلولی افت‌وخیزهای بحرانی دارند این است که بعضی از مراحل اولیه را تشهیل کنند.»

برای محاسبه شدت و شکل نیروی کازیمیر بین پروتئین‌ها، ماچتا از ریاضیاتی استفاده کرد که اصولا برای نظریه ریسمان ساخته شده است. همان‌طور که انتظار داشت متوجه شد که نیرو برای پروتئین‌های همانند جاذبه و برای پروتئین‌های مختلف دافعه است. همین امر در فواصلی از مرتبه چند ده نانومتر منجر به انرژی پتانسیلی منجر می‌شود که چند برابر انرژی گرمایی پروتئین است. به خاطر اثر پوششی یون‌های درون سلول، نیروهای بسیار قوی الکترواستاتیک به حدود یک نانومتر محدود هستند. ماچتا می‌گوید:«ما دریافته‌ایم در نزدیکی نقطه بحرانی، سلول‌ها نیرویی بلندبرد بین پروتین‌ها وارد می‌کنند.» ستنا می‌افزاید:«واقعا شگفت‌انگیز است که چند برهمکنش در سلول، انرژی هم‌اندازه افت‌وخیزهای گرمایی دارند؟ ما فکر می‌کنیم که سلول صرفه‌جو باشد!»

کاربردهای پزشکی

پژوهشگران شک دارند که وجود این نیروهای کازیمیر بحرانی توضیح دهد چرا سلول‌هایی با کلسترول کم آن‌طور که باید عمل نمی‌کنند. آن‌ها حدس می‌زنند که حذف کلسترول، غشا را از نقطه بحرانی خود دور می‌کند. آن‌ها گمان می‌کنند که همین نیروها در فرایند عطسه نقش دارند. ستنا توضیح می‌دهد وقتی پروتئین‌های گیرنده در سلول‌های ایمنی متوجه ماده محرکی همچون گرده می‌شوند، کنار هم جمع شده و با تحریک هیستامین‌ها باعث عطسه می‌گردند. وی می‌گوید شاید محرک انتخاب پروتئین‌های گیرنده را برای یکی از فازهای مایع تغییر دهد و آن‌ها را به سمت هم بکشد.

این گروه امیدوار است که کارش به کاربردهای پزشکی منجر شود. ویچ توضیح می‌دهد که تصور می‌شود نقص در لیپیدها منجر به بیماری‌های زیادی مانند سرطان، بیماری‌های خودایمنی(خودشکنی) و التهاب می‌شود. او می‌افزاید:«این کار روشن می‌کند که لیپیدها چگونه بر این بیماری‌ها اثر می‌گذارند. در آینده، می‌توانم داروهایی را تصور کنم که به طور خاص لیپیدها را هدف قرار می‌دهند تا برهمکنش بین پروتئین‌ها را منظم و بیماری‌های انسانی را درمان کنند.»

ساتنا می‌افزاید که مقیاس زمانی برای دستیابی به این داروها احتمالا طولانی است: «کار ما بیشتر شبیه این است که بخواهیم بتن بهتری برای ساخت پیِ آسمانخراش کاربردهای پزشکی درست کنیم.»

تطابق نظریه با مشاهده

علاوه بر کاربردهای آینده این طرح، ستنا معتقد است که وجود رفتار بحرانی، اتکا بر سازوکارهای تکاملی را برای توضیح رفتار سلول‌ها کم می‌کند. او خاطر نشان می‌کند:«چیزهایی زیادی درباره سلول‌ها وجود دارد که زیست‌شناسان فرض می‌کنند که تکامل آن را به وجود می‌آورد. من حدس می‌زنم که تکامل به سلول اجازه می‌دهد تا این نقطه بحرانی را بیابد. اما به محض این‌که سلول در نقطه بحرانی قرار گرفت، می‌توانیم از نظریه استفاده کنیم و بسیاری از رفتارهای دیگر را توضیح دهیم بدون اینکه همه‌چیز را به تکامل ربط دهیم.»

با این وجود، بعضی از متخصصان احساس می‌کنند که در مورد نتایج تجربی ویچ باید با احتیاط صحبت کرد زیرا این آزمایش‌ها با استفاده از سلول‌های دست‌نخورده صورت نگرفته‌اند. فردی که خواست نامش اعلام نشود، می‌گوید که جداسازی غشا از بقیه سلول می‌تواند بعضی از مواد را از غشا حذف کند. بدنه سلول نیز می‌تواند به شکلی بر افت‌وخیزهای بحرانی اثر بگذارد. وی می‌گوید:«من هنوز قانع نشده‌ام که نظریه ارایه شده در مورد غشاهای زیستی زنده درست باشد. بنابراین فکر می‌کنم باید کار تجربی بیشتری صورت گیرد.»

منبع:

A Casimir force for life, Edwin Cartlidge, Physicsworld.com

مرجع:

Critical Casimir Forces in Cellular Membranes, Phys. Rev. Lett. 109, 138101 (2012)