فوضوية أورانوس المغناطيسية... «شكل غريب» من الماء يساعد في تفسيرها

أورانوس ونبتون (Scientific American)
أورانوس ونبتون (Scientific American)
TT

فوضوية أورانوس المغناطيسية... «شكل غريب» من الماء يساعد في تفسيرها

أورانوس ونبتون (Scientific American)
أورانوس ونبتون (Scientific American)

من أكثر الأشياء الغريبة في أورانوس ونبتون مجالاتهما المغناطيسية. ويحتوي كل كوكب من هذين الكوكبين على فوضى عارمة من الغلاف المغناطيسي، وهو غير منتظم ومائل بشدة عن محور الدوران بطريقة لا يمكن رؤيتها في أي كوكب آخر.

وفي حين ليس من الواضح تماماً السبب، فإن فريقاً من الباحثين من الصين وروسيا حلوا جزءاً جديداً من اللغز، بحسب تقرير لموقع «ساينس أليرت»: شكل غريب حقاً من الماء المتأين (ionized) يُطلق عليه اسم «أكواديوم» الذي يمكن أن يوجد عميقاً في الأجزاء الداخلية ذات الضغط العالي الشديد لهذه العوالم الجليدية الغريبة.

ويتكون «أكواديوم» من جزيء ماء عادي مع بروتونين إضافيين، ما يمنحه شحنة موجبة صافية يمكنها - بكميات كافية - إنتاج مجال مغناطيسي كوكبي مثل مجال أورانوس ونبتون.

وتمتد المجالات المغناطيسية الكوكبية بعيداً في الفضاء المحيط بالكواكب وتنتجها. ومع ذلك، يتم إنشاؤها في أعماق الكوكب عن طريق تحريك الشحنات، على الرغم من أن الآلية الدقيقة يمكن أن تختلف.

على الأرض، هي عبارة عن سبيكة من الحديد والنيكل تدور حول النواة، وتلف، وتحمل، وتوصل الكهرباء، وتحول كل تلك الطاقة الحركية إلى تيارات من الإلكترونات فيما يسمى «الدينامو».

وبالنسبة للمشتري وزحل، يعتقد العلماء أن الهيدروجين المعدني هو الذي يوفر قناة لتدفق الإلكترونات.

تتمتع الأرض والمشتري وزحل بمجالات مغناطيسية مرتبة نسبياً تشبه تلك الموجودة في قضيب مغناطيسي ضخم يمتد أسفل محور دوران الكوكب، وخطوط مجاله تشبه القفص الذي يربط بين القطب الشمالي والجنوبي بدقة.

وعلى النقيض من ذلك، يميل القطبان المغناطيسيان لأورانوس ونبتون بمقدار 59 و47 درجة، على التوالي، عن محوري الدوران، وتتحول خطوط المجال المغناطيسي وتتحول باستمرار. وهي لا تتمركز في الواقع حول قلوب الكواكب.

أحد التفسيرات المحتملة هو أن المجالات المغناطيسية يمكن أن تتولد عن طريق سائل موصل أيوني، حيث تكون الأيونات هي حاملات الشحنة بدلاً من أن يعمل السائل على أنه قناة للإلكترونات.

وفي هذا المجال، شرح الكيميائي النظري وعالم المعادن والفيزيائي أرتيم أوغانوف من معهد سكولكوفو للعلوم والتكنولوجيا في روسيا أن «الهيدروجين المحيط بالنواة الصخرية لكوكب المشتري في تلك الظروف (الضغط العالي) هو معدن سائل: يمكن أن يتدفق بالطريقة التي يتدفق بها الحديد المنصهر في باطن الأرض، وترجع موصليته الكهربائية إلى الإلكترونات الحرة المشتركة بين جميع ذرات الهيدروجين مضغوطة معاً».

وقال: «في أورانوس، نعتقد أن أيونات الهيدروجين نفسها - أي البروتونات - هي حاملات الشحنة الحرة».

وسأل: «أي أيونات؟ بعضها، مثل الأمونيوم، احتمالات واضحة».

ولكن هل يمكن لجزيئات الماء الموجودة على الكواكب أن تلعب دوراً أكثر أهمية في هذه العملية أيضاً؟

بقيادة الفيزيائي جينجيو هو من جامعة نانكاي في الصين، عاد فريق من الباحثين إلى المبادئ الأولى مقترنة بنماذج حول الطريقة التي يمكن أن تتطور بها الجزيئات، وتعمقوا في مفهوم يسمى «التهجين الكيميائي».

يحدث هذا عندما يتم خلط العناصر المدارية للذرة أو دمجها لتكوين ذرة يمكنها الارتباط بطرق جديدة. هناك أنواع مختلفة من التهجين، ولكن النوع المناسب هنا هو تهجين sp3، حيث تشكل 4 مدارات ترتيباً رباعي السطوح حول النواة المركزية.

تحتوي كل نقطة من النقاط الأربع لرباعي الأسطح إما على إلكترون وحيد قادر على الارتباط مع ذرة أخرى، وإما على زوج من الإلكترونات لا يمكنه تكوين روابط مع ذرات أخرى.

يحتوي الأكسجين على إلكترونين منفردين وزوجين من الإلكترونات في غلافه الخارجي. إذا قمت بربط ذرة الهيدروجين بكل إلكترون من إلكترونات التكافؤ المتاحة، فستحصل على الماء.

في بعض الأحيان، يرتبط الهيدروجين دون إلكترونه - المعروف أيضاً باسم البروتون القديم البسيط - بأحد أزواج الإلكترونات لتكوين جزيء يسمى «أيون الهيدرونيوم».

وبحسب الفيزيائي شياو دونغ من جامعة نانكاي: «كان السؤال هو: هل يمكنك إضافة بروتون آخر إلى أيون الهيدرونيوم لملء القطعة المفقودة؟ مثل هذا التكوين في الظروف العادية غير مواتٍ للغاية من حيث الطاقة، لكن حساباتنا تظهر أن هناك شيئين يمكن أن يحدثا ذلك».

وقال: «أولاً، الضغط العالي جداً يجبر المادة على تقليل حجمها، ومشاركة زوج إلكترون غير مستخدم سابقاً من الأكسجين مع أيون الهيدروجين (البروتون) هي طريقة رائعة للقيام بذلك: مثل الرابطة التساهمية مع الهيدروجين، باستثناء كلا الإلكترونين في الزوج ثانياً، أنت بحاجة إلى الكثير من البروتونات المتاحة، وهذا يعني وجود بيئة حمضية، لأن هذا ما تفعله الأحماض - فهي تتبرع بالبروتونات».

أجرى الباحثون نماذج حسابية، وفي ظل ظروف مشابهة لتلك التي يُعتقد أنها موجودة داخل أورانوس ونبتون، هذا ما حدث. عند درجات حرارة تبلغ نحو 3000 درجة مئوية (5430 فهرنهايت)، وضغط يصل إلى 1.5 مليون ضغط جوي، ترتبط البروتونات بالهيدرونيوم لتكوين الماء.

لا يزال الأمر نظرياً بالطبع. وستكون هناك حاجة إلى عمليات رصد أكثر تفصيلاً للكوكبين الخارجيين لمزيد من التحقيق في هذا الاحتمال؛ لكن النتائج تعطي طريقة جديدة لفهم الكرات الزرقاء الغريبة مثل أورانوس ونبتون.

ولها آثار على الكيمياء بشكل عام، كما كتب الباحثون، وتمثل «إضافة مهمة للنظريات الفيزيائية والكيميائية التقليدية مثل نموذج تنافر زوج الإلكترونات في غلاف التكافؤ، ونقل البروتون، ونظرية القاعدة الحمضية».


مقالات ذات صلة

لا هي كواكب ولا نجوم... «أقزام بنية» غير مألوفة تدور في مجرّتنا

علوم يُظهر هذا الانطباع الفني غير المؤرخ الذي نشرته وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) في 21 يونيو 2024 قزما بنيا يدور بالقرب من نجم ساطع (أ.ف.ب)

لا هي كواكب ولا نجوم... «أقزام بنية» غير مألوفة تدور في مجرّتنا

اكتشاف نوع غير مألوف من «الأقزام البنية»، وهي أجرام سماوية لا تتوافر عنها حتى الآن معطيات كثيرة.

«الشرق الأوسط» (نيويورك)
يوميات الشرق سماع انفجار في البحر الأبيض قد يكون ناجماً عن سقوط نيزك (رويترز)

دويّ انفجار بين إيطاليا وفرنسا... هل سقط نيزك؟

تحدث خبراء اليوم (الجمعة)، عن أن انفجارا سُمع الخميس في البحر الأبيض المتوسط، خصوصاً في توسكانا الإيطالية وجزيرة كورسيكا الفرنسية.

«الشرق الأوسط» (روما)
يوميات الشرق النجم النيوتروني «البارد» (ناسا)

نجم حرارته 2.3 مليون درجة مئوية يُعدّ «بارداً جداً» مقارنةً بعمره

النجم النيوتروني هو ما بقي من انفجار نجم ضخم في نهاية حياته. وإذا تجاوزت هذه البقايا كتلة معيّنة، تتحوّل ثقباً أسود.

«الشرق الأوسط» (لندن)
يوميات الشرق يظهر صاروخ «فالكون 9» بحمولة 20 قمراً صناعياً في سماء لونديل في كاليفورنيا (أ.ف.ب)

أشبه بفيلم سينمائي... شاهد صاروخ «سبيس إكس» يضيء سماء كاليفورنيا

ترك إطلاق صاروخ من قاعدة فاندنبرغ لقوة الفضاء شهباً من الضوء في أفق جنوب كاليفورنيا، ليلة الثلاثاء.

«الشرق الأوسط» (نيويورك)
يوميات الشرق صور فنية للمجرات الـ14 التي تم رصدها بواسطة تلسكوبات ALMA كما تظهر في الكون المبكر جداً والبعيد جداً في هذا الرسم التوضيحي الصادر 25 أبريل 2018 (رويترز)

علماء يرصدون استيقاظ ثقب أسود هائل من «سباته»

في مركز مجرة درب التبانة، تم اكتشاف ثقب أسود هائل تبلغ كتلته نحو أربعة ملايين مرة كتلة شمس مجرتنا ويطلق عليه اسم القوس إيه*.

«الشرق الأوسط» (واشنطن)

بكتيريا مهندسة جينياً لتدمير الأورام السرطانية

بكتيريا مهندسة جينياً لتدمير الأورام السرطانية
TT

بكتيريا مهندسة جينياً لتدمير الأورام السرطانية

بكتيريا مهندسة جينياً لتدمير الأورام السرطانية

طور الباحثون في كلية الطب بجامعة سنغافورة الوطنية نهجاً ثورياً لعلاج السرطان، وهو بديل أكثر استهدافاً وفعالية وأقل سُمية للعلاج الكيميائي التقليدي للمرض.

ميكروبات مهندسة ولا يؤدي هذا النهج الجديد إلى تحسين فعالية العلاج فحسب، بل يقلل أيضاً بشكل كبير جرعة الدواء المطلوبة لعلاج السرطان، حيث تهدف الطريقة الجديدة في استخدام البكتيريا التي تجري هندستها لتوصيل أدوية العلاج الكيميائي مباشرة إلى مواقع الورم، من خلال الاستفادة من التفاعلات الطبيعية بين البكتيريا والخلايا السرطانية.

وتؤكد نتائج البحث، المنشور في مجلة «Nature Communications» في 21 مايو (أيار) 2024، بقيادة البروفيسور المشارك ماثيو تشانغ بقسم البيولوجيا الاصطناعية للابتكار السريري والتكنولوجي في جامعة سنغافورة الوطنية، إمكانية هذه الاستراتيجية المبتكرة في إحداث تحول بعلاج السرطان، حيث يقود التقدم السريع في البيولوجيا التركيبية إلى تطوير الميكروبات المعدَّلة أو المهندَسة جينياً بصفتها عوامل علاجية لعدد كبير من الأمراض التي تصيب الإنسان؛ بما في ذلك السرطان.

وتخلق البيئة الدقيقة المثبطة للمناعة للأورام الصلبة، على وجه الخصوص، مكاناً مناسباً للبكتيريا المُدارة بشكل منهجي لإيصال الأدوية العلاجية وإطلاقها، لكن مثل هذه الحمولات الدوائية يمكن أن تكون ضارة إذا جرى إطلاقها خارج الورم في الأنسجة السليمة.

العلاج بالبكتيريا الحيةيوفر العلاج بالبكتيريا الحية التي تستهدف الورم خياراً فريداً لمواجهة هذه التحديات. ومقارنةً بمعظم العلاجات الأخرى، فإن فعالية البكتيريا، التي تستهدف الورم، لا تتأثر بشكل مباشر بـ«التركيب الجيني» للورم، حيث تبدأ البكتيريا تأثيراتها المضادة للورم مباشرة من أعماق الورم، ثم تليها استجابات مناعية وتكيفية مضادة للورم من قِبل الجهاز المناعي للشخص نفسه، كما يمكن إعادة برمجة النواقل البكتيرية باتباع قواعد وراثية بسيطة أو مبادئ الهندسة الحيوية الاصطناعية المعقدة لإنتاج وتوصيل العوامل المضادة للسرطان على أساس الاحتياجات السريرية.

وإضافة لذلك، يمكن تطبيق الأساليب العلاجية التي تستخدم البكتيريا الحية التي تستهدف الورم بصفتها علاجاً وحيداً أو مكملة لعلاجات أخرى مضادة للسرطان لتحقيق نتائج سريرية أفضل.

تنشيط الدواء وعادةً ما تتحول العقاقير الأولية؛ وهي جزيئات غير نشطة، إلى أدوية نشطة داخل الجسم، خصوصاً في بيئات الأورام التي تتميز بظروف؛ مثل انخفاض الأكسجين أو الحموضة العالية. ويقلل هذا التنشيط في موقع السرطان تلف الأنسجة السليمة، ومع ذلك فإن استراتيجيات العقاقير الأولية الحالية تُظهر خصوصية محدودة للهدف، وتعتمد في كثير من الأحيان على ناقلات الجزيئات الكبيرة مما يعقّد توزيع الأدوية وإزالتها.

وللتغلب على هذه القيود، طور الباحثون طريقة لتوصيل الأدوية الأولية تستخدم سلالة العصيات اللبنية «Lactobacillus» المتعايشة «Commensal»؛ أي البكتيريا الطبيعية غير المَرضية التي ترتبط بشكل خاص بالخلايا السرطانية عبر جزيء سطحي يسمى كبريتات الهيباران «heparan sulfate».

تحمل هذه البكتيريا المهندسة عقّاراً أولياً يتحول إلى عقّار للعلاج الكيميائي في موقع الورم، كما هي الحال مع الدواء المضاد للأورام «SN-38».

تطبيقات محتملة واسعة وتشير قدرة سلالة العصيات اللبنية على الارتباط بشكل خاص بالخلايا السرطانية، إلى تطبيقات محتملة عبر أنواع مختلفة من علاج السرطان، إذ يقوم الباحثون بتقييم التقارب الملزم بين عدد من السلالات الميكروبية وخطوط الخلايا السرطانية المتعددة بهدف تطوير نظام توصيل متعدد الاستخدامات لسرطانات الغشاء المخاطي، مثل سرطان القولون والمستقيم والمثانة والمعدة والفم والرئة والأنف.

وقد تبيَّن في النماذج قبل السريرية لسرطان البلعوم الأنفي أن البكتيريا المهندسة تمركزت، على وجه التحديد، في الورم، وأطلقت دواء العلاج الكيميائي مباشرة في موقع السرطان، ما أدى إلى تقليل نمو الورم بنسبة 67 في المائة، وزيادة فعالية دواء العلاج الكيميائي بنسبة 54 في المائة.

وتُعد التطبيقات الأوسع المحتملة عبر أنواع مختلفة من علاج السرطان أحد الجوانب الواعدة في هذا البحث، حيث ترتبط سلالة العصيات اللبنية، التي حددها الباحثون بالخلايا السرطانية على وجه التحديد. ومن خلال تسخير التقارب بين البكتيريا والخلايا السرطانية، يهدف الباحثون إلى إحداث ثورة في تقديم العلاج الكيميائي، إذ يقومون بتقييم التقارب الارتباطي لعدد من السلالات الميكروبية مع خطوط خلايا سرطانية متعددة لتطوير نظام توصيل متعدد الاستخدامات باستخدام سلالات ميكروبية لاستهداف أدوية العلاج الكيميائي لسرطانات الغشاء المخاطي المختلفة.

ويقول ماثيو تشانغ إن علاج السرطان غالباً ما يتسبب في خسائر فادحة للمرضى، لذا فإن نتائج هذا البحث تمثل خطوة مهمة نحو تطوير نهج أكثر استهدافاً، وأقل سُمية لعلاج السرطان، نأمل أن يمهد هذا الطريق لعلاجات خفيفة وفعالة.

ويمثل هذا النهج الجديد للعلاج الجيني، والذي يستخدم البكتيريا المهندسة لتوصيل أدوية العلاج الكيميائي مباشرة إلى مواقع الورم تقدماً واعداً في علاج السرطان ومن خلال استهداف الخلايا السرطانية بشكل أكثر دقة، وتقليل الآثار الجانبية، يمكن لهذه الطريقة أن تُحسّن بشكل كبير نوعية الحياة لمرضى السرطان، وتفتح آفاقاً جديدة لعلاج أنواع مختلفة من السرطان.