مادة نشطة

قطرة ماء على غشاء بوليمر فلوري تتصرف في البداية كما هو متوقع: تستقر وتتبخر. ولكن بمجرد أن يتقلص حجمها إلى ربع حجمها الأولي، تنطلق من مكانها وتقطع في أجزاء من الثانية مسافة تعادل عدة أضعاف نصف قطرها. بعد ذلك تزحف ببطء ولكن بإصرار، تاركةً خلفها أثرًا غير مرئي من الشحنات الكهربائية. هذا الأثر هو سبب الحركة.

جالسةً أمام نولها، تتحرك يدا الحائكة بإيقاع لا يمكن توقعه مسبقًا. الخيوط تلتقي وتفترق، مشكلةً نمطًا يبدو عشوائيًا لكنه يخضع لقواعد صارمة. على نحو مماثل تقريبًا تتصرف البكتيريا في معلق كثيف: كل خلية تسبح في مسارها الخاص، لكنها معًا تخلق تدفقًا يخلط المغذيات بكفاءة تفوق بكثير أي حركة فردية. لفترة طويلة، لم يستطع العلماء فهم كيف تتراكم المسارات المجهرية لتكوين خلط عياني. فرؤية النمط تتطلب تتبع كل خيط.

المكبس في أسطوانة مليئة بالغاز يتحرك عادةً عندما يضغط عليه الغاز. لكن هناك مكبسًا يتحرك عندما يكون الفراغ أمامه. كل خمس ثوانٍ، يفحص الحيز المجاور لجداره، وإذا لم يكن هناك أحد، يخطو خطوة إلى الداخل، ضاغطًا الغاز دون قوة ميكانيكية مباشرة. هكذا يعمل المحرك المعلوماتي: فهو يحوّل المعرفة حول مواقع الجسيمات إلى شغل مفيد. في التجربة الجديدة، لم يكن وسط العمل غازًا عاديًا، بل غازًا من روبوتات ذاتية الحركة.

الحشد عند مدخل ممر ضيق يتصرف بشكل مختلف عن تصرفه في قاعة واسعة: البعض يُدفع نحو الجدران، والبعض الآخر يُقذف إلى الأمام. يحدث شيء مشابه تقريبًا عندما يجد جسيم مستطيل نفسه في سائل يزخر بالدمبل ذاتية الدفع. حتى الآن كان من غير الواضح لماذا يتحرك مثل هذا الجسيم على طول محوره الطويل أسرع من عرضيًا، وكيف تؤثر كثافة الحشد على سرعته.

الحشد عند مدخل ممر ضيق يتصرف بشكل مختلف عن تصرفه في قاعة واسعة: البعض يُدفع نحو الجدران، والبعض الآخر يُقذف إلى الأمام. يحدث شيء مشابه تقريبًا عندما يجد جسيم مستطيل نفسه في سائل يزخر بالدمبل ذاتية الدفع. حتى الآن كان من غير الواضح لماذا يتحرك مثل هذا الجسيم على طول محوره الطويل أسرع من عرضيًا، وكيف تؤثر كثافة الحشد على سرعته.

أخطبوط ينتظر باسطًا أذرعه. لا أحد يتحكم في أذرعه من مركز واحد، لكن بمجرد أن تلمس الفريسة إحداها، تلتف الأذرع الثمانية حولها. وقد أعاد الفيزيائيون إنتاج حيلة مشابهة في المختبر باستخدام جسم لا يملك خلايا عصبية ولا عضلات: بوليمر نجمي بأذرع ذاتية الحركة. صُنع البوليمر من روبوتات اهتزازية أسطوانية صغيرة على لوحة مهتزة.

تخيّل سرب طيور يتجمّع حول معلف لم يصنعه أحد. كل طائر يبحث عن طعام لنفسه، لكنهم في النهاية يجدون أنفسهم معًا. عادةً ما يُفسَّر هذا السلوك بالغريزة الاجتماعية: فالطيور تريد أن تكون قرب أقرانها. لكن ماذا لو كان السرب مجرد أثر جانبي للجشع؟ درّب الباحثون 50 وكيلًا للبحث عن أهداف دون رؤية الأهداف نفسها، بل بمراقبة الوكلاء الآخرين فقط.

قطرة زيت في الماء مثل كرة وسط حشد. ما دام الحشد متناثرًا، تتحرك الكرات بحرية. لكن إذا كان الناس كثيرين، يكون كل واحد محشورًا بين جيرانه، وتتصرف الكتلة كلها كجسم واحد. هكذا تقريبًا يعمل المستحلب — خليط تعلق فيه قطرات سائل (مثل الزيت) في سائل آخر (مثل الماء) أو العكس. المستحلب الكثيف يشبه الكريم أو المايونيز: يحافظ على شكله، لكنه يبدأ بالتدفق عند الضغط القوي.

قطرة زيت في الماء مثل كرة وسط حشد. ما دام الحشد متناثرًا، تتحرك الكرات بحرية. لكن إذا كان الناس كثيرين، يكون كل واحد محشورًا بين جيرانه، وتتصرف الكتلة كلها كجسم واحد. هكذا تقريبًا يعمل المستحلب — خليط تعلق فيه قطرات سائل (مثل الزيت) في سائل آخر (مثل الماء) أو العكس. المستحلب الكثيف يشبه الكريم أو المايونيز: يحافظ على شكله، لكنه يبدأ بالتدفق عند الضغط القوي.

شخصان يتفقان على اللقاء، لكن لكلٍّ منهما مشاغله الخاصة. أحدهما يشك: ماذا لو لم يأتِ الآخر؟ فيقرر ألا يذهب. والثاني يفكر بالمثل. فلا يحدث اللقاء. هكذا تبدو الآلية البسيطة التي يحللها مؤلفو الدراسة: العمل المشترك يتطلب أن يستثمر كل طرف وقته، لكن الفائدة تعتمد على مشاركة الشريك. في النموذج، يحتفظ كل شخص بقائمة مهام مرتبة حسب الأهمية.

مجموعة من النقاط المضيئة تسبح في الظلام، تارة تنكمش إلى جزر صغيرة وتارة تتباعد كالأمواج. هذه ليست أسماكًا ولا طيورًا — إنها نموذج رياضي للمادة النشطة، حيث يستهلك كل جسيم طاقته الخاصة للحركة، وفي الوقت نفسه يولد ويموت ويتنافس مع جيرانه على المساحة. بدأ مؤلفو العمل الجديد من العالم الصغير: كل جسيم يخضع لقواعد عشوائية بسيطة — دفعة، انعطاف، انقسام أو اختفاء.

في حفل موسيقي وسط حشد كثيف، كل خطوة تتطلب جهدًا — كلما زاد الازدحام، قلت الرغبة في الحركة. هكذا تتصرف المادة النشطة عادةً: أسراب البكتيريا أو أسراب الروبوتات تتجمد في الأماكن الضيقة. لكن مجموعة من الباحثين اكتشفت تأثيرًا معاكسًا. جسيمات صغيرة تظل ساكنة عند انفرادها، تبدأ فجأة بالاندفاع في رفقة الآخرين، مثل جزيئات غاز محمومة.

قطرة ماء على زجاج ترتجف وتتلألأ، وكأنها تعيش حياتها الخاصة. سلوك مشابه يمكن الآن رؤيته في عالم الغرويات (colloids) — جسيمات مجهرية معلقة في سائل. الباحثون صمموا على الحاسوب جسيمات تطلق إشارات كيميائية. هذه الإشارات، مثل الروائح في الهواء، تنتشر حولها وتجعل الجيران إما يقتربون أو يبتعدون.

في عالم حيث أعداد رينولدز ضئيلة، يتحول الماء إلى شراب لزج، وتتوقف طرق السباحة المألوفة لدينا عن العمل. هنا تسود نظرية المحارة الخبيثة: الحركات المتماثلة لا تُنتج تقدماً. وجدت الكائنات الدقيقة مخرجاً: إنها تُنمي أذيالاً بوليمرية.

نادرًا ما تُبهجنا المادة الكمومية بمشهد الحركة الذاتية. فبينما يعج العالم الكلاسيكي بأسراب الزرازير وأفواج الأسماك والبكتيريا المتلاطمة، ظلت الديناميكا الحرارية الكمومية في سكون طويل.

لكل جسيم نشط في النموذج الجديد إيقاع داخلي: فهو يدور إما يساراً أو يميناً. اليدوانية خاصية أساسية: فبعضها يدور مع عقارب الساعة والآخر بعكسها. لكن ما إن يصطدم هذا الجسيم بعائق أو بجسيم مجاور حتى يغير اتجاه دورانه، مثل متزلج على الجليد ينفجر في دوران معاكس بعد ملامسة الحاجز.

في عام 1905، أظهر أينشتاين أن الحركة العشوائية لحبوب اللقاح في الماء هي نتيجة اصطدام جزيئات غير مرئية. وبعد قرن من الزمان، تعلم الفيزيائيون ليس فقط مراقبة الحركة، بل والتحكم بها على المستوى الكمومي.

تسقط حصاة في بركة ماء - فتنتشر دوائر على سطح الماء. في العالم الكمومي، لا تتكون البركة من الماء، بل من العديد من الجسيمات المتطابقة، والحصاة هي أيضًا جسيم، لكنه غريب. مثل هذا الجسيم الغريب يُسمى بولارون فيرمي. لعقود، درس الفيزيائيون كيف يشعر البولارون عندما يكون في مكان واحد.

داخل كل خلية، يجري بناء متواصل: الجزيئات تتجمع في مجموعات ثم تتفرق من جديد. أحيانًا تشكل قطرات كثيفة — مثل الزيت في الماء، لكن دون غشاء. تعمل هذه القطرات كمستودعات مؤقتة: تُخزَّن فيها البروتينات، أو نسخ الجينات، أو أدوات إصلاح الحمض النووي. لكن إشارة التجميع لا تكون ثابتة دائمًا. غالبًا ما تنبض: تزداد قوة ثم تخفت.

تخيل سائلين غير قابلين للامتزاج، مثل الزيت والماء. في الظروف العادية، يميلان إلى الانفصال مشكلين حدودًا واضحة بينهما. لكن أدخل سباحين مجهريين إلى النظام — بكتيريا، أساسها الكربون — ويتغير المشهد جذريًا. تعمل هذه الكائنات الدقيقة مثل طهاة لا يكلون: حركتهم المستمرة تخفق السوائل في شبكة معقدة من القطرات والقنوات، مكونة رغوة ديناميكية.

حفنة من الأرز تُلقى في كوب ماء فتتناثر — تبتعد الحبات في كل اتجاه. والآن تخيل أن كل حبة تندفع بنفسها إلى الأمام بإصرار عنيد، وعند الاصطدام ترتد بلطف. تُسمى هذه الجسيمات نشطة (active particles): فهي تنفق طاقتها الخاصة في الحركة، مثل البكتيريا أو الروبوتات المجهرية. والمثير للدهشة أنها أحيانًا تتجمع في غيوم كثيفة — رغم عدم وجود أي قوى تجاذب بينها.

حفنة من حبات الأرز تسقط على مقلاة ساخنة — فتقفز. كل حبة تدفع جاراتها، والكتلة كلها تتحرك دون يد خارجية. هذا هو المادة النشطة: عدد كبير من الجسيمات التي تستمد الطاقة بنفسها وتحولها إلى حركة. حتى الآن، درس الفيزيائيون هذه "الرقصة" وفق قوانين نيوتن، دون أن يتذكروا ميكانيكا الكم.

بالون ينتفخ من تلقاء نفسه، رغم أن أحدًا لا ينفخ فيه. هكذا تقريبًا يبدو التوسع المتسارع للكون — ولتفسيره، عادةً ما يُستدعى مفهوم الطاقة المظلمة، وهي قوة غير مرئية وغير مفهومة.

أحيانًا يلتف سرب طيور أو مدرج أسماك في دوامة، رغم أنه لا يوجد فرد واحد يأمر بالدوران. هذا الدوران الجماعي يساعد المجموعة على التماسك والاختلاط بشكل أفضل. عادةً ما يُفسَّر ذلك بأن الأفراد أنفسهم غير متماثلين، مثل المروحة، أو يدفعون بعضهم البعض مع دوران. لكن في عمل جديد تم اكتشاف مسار آخر.

الخميرة محبوسة في هلام شفاف، مثل الزبيب في المهلبية. هي لا تتحرك من تلقاء نفسها، لكنها سرعان ما تبدأ في الارتفاع إلى الأعلى. السر يكمن في «المشروب الغازي» الذي تصنعه بنفسها. أثناء التخمر، تطلق الخميرة ثاني أكسيد الكربون. في الوسط الكثيف، لا يتطاير الغاز بل يتراكم حتى تتشكل فقاعات.

مستعمرة الخلايا تشبه مدينة تنمو من أطرافها: تظهر المباني الجديدة حيث يكون المكان أفسح. في الداخل يكون مزدحمًا، ويتوقف البناء. هكذا تنقسم الخلايا في كثير من الأحيان عند الحافة حيث يقل ضغط الجيران عليها. قام العلماء بمحاكاة ذلك دون أي أوامر كيميائية — فقط ميكانيكا. في النموذج، كل خلية هي كرة تضغط على الأخرى. عندما يكون الضغط مرتفعًا، يتوقف الانقسام.

عندما تتجمع أعداد كبيرة من البكتيريا في غشاء رقيق من الماء (خلاياها مبنية بشكل أساسي من الكربون)، يظهر مشهد آسر: تبدأ ملايين الكائنات الحية الدقيقة بالانزلاق بشكل متزامن على مسارات إهليلجية عملاقة، وكأنها رقصة منسقة على حلبة رقص. المدهش أن هذا النمط المعقد ينشأ دون أي تحكم مركزي — من حركات فردية بسيطة.

سرب من اليراعات في غابة ليلية يتوهج بشكل عشوائي: كل حشرة تومض من تلقاء نفسها، والضوء ينتشر في كل الاتجاهات بالتساوي. والآن تخيل أن اليراعات تتفق على أن تومض بحيث يتجه ضوءها المشترك نحو الشمال فقط — رغم أنها واقفة في مكانها ولم يستدر أحد منها. هذا تقريبًا ما فعله الفيزيائيون مع ذرات داخل أنبوب زجاجي رفيع. كانت الذرات في الأنبوب تُثار بواسطة ليزر، فتبدأ بإصدار الضوء.

قطرة حبر في كوب ماء تنتشر من تلقاء نفسها. لكن لو كان الحبر مكونًا من محركات صغيرة، لما اكتفى بالانتشار فحسب، بل كان سيزحف ويتزاحم ويتجمع في أسراب. هذه الجسيمات التي تتحرك بنفسها تُسمى نشطة (active). يمكن تجميعها في جزيئات، كما تُنظم الخرز في سوار. والمدهش أن ترتيب الخرز في السوار يغير السلوك كله. نوعان من الجسيمات: أحدهما يدفع نفسه للأمام، والآخر في اتجاه مختلف. تم ربطهما في سلاسل قصيرة.

البكتيريا في قطرة ماء تدفع وتسبح — كل واحدة بمفردها، لكنها معًا تشكل أنماطًا. عند الحركة الضعيفة، يغلي السائل مثل حساء على نار قوية: تتصادم الدوامات، ويتغير اتجاه التدفق كل ثانية. وهذا ما يسمى بالاضطراب البكتيري. في عام 1995، وصف تونر وتو كيف يمكن للكائنات المتحركة أن تصطف في تدفق جماعي، مثل سرب طيور. لكن عندما تبدأ الجسيمات في التحرك بشكل أسرع، يتغير المشهد.

نوعان من البكتيريا يتقاسمان طبق بتري واحد. كلاهما يأكل نفس الغذاء، ووفقًا لكل القواعد، يجب أن يزيح أحدهما الآخر. لكن في الواقع، غالبًا ما يعيشان معًا لسنوات. السر يكمن في القدرة على الانسحاب في الوقت المناسب. البكتيريا لا تبقى ساكنة. عندما يظهر غريب بالقرب منها، تبدأ في التحرك بشكل أسرع.

في كأس من الماء تُذاب عدة أملاح وفورمالديهايد. بعد فترة، تنفصل السوائل ذاتيًا: تظهر فيها قطرات ذات غشاء تشبه فقاعات صغيرة جدًا. داخل كل قطرة تجري تحولات كيميائية، والقطرة نفسها تنمو بامتصاص المادة من المحلول المحيط بها. هذه القطرات ليست مجرد فقاعات. داخلها تتكوّن قطرات جديدة أصغر، قادرة أيضًا على النمو. هكذا تعطي القطرة الواحدة بداية لجيل تالٍ.

في هواء ورش المصانع والمختبرات، تطفو جزيئات غير مرئية من المذيبات. أحدها — الأسيتونتريل — رائحته خفيفة، لكنه عند التركيزات العالية يضر بالصحة. أما الحساسات التقليدية له فهي ضخمة ومكلفة، بينما هذا — غشاء بلوري رقيق يتفاعل من تلقاء نفسه مع ظهور الأبخرة. هذه البلورة ليست عادية، بل مكوّنة من سلاسل من ذرات الحديد وجزيئات عضوية.

البكتيريا في قطرة ماء لا تسبح فقط — بل تستشعر الفضاء حولها، وتقرر أين تتجه، وتجد المخرج من متاهة معقدة. السباحون المجهريون الاصطناعيون لم يتمكنوا من ذلك حتى الآن: كان لا بد من قيادتهم يدويًا عبر إشارات من الخارج. الآن أظهرت مجموعة من الباحثين أن القطرات-الوكلاء الصغيرة يمكنها الاستغناء عن المرشد. السر يكمن في الإشارات الكيميائية والهيدروديناميكية التي ينشرها الوكلاء أنفسهم حولهم.