دراسة تكشف أن المادة الحية تخرق قواعد التناظر الفيزيائي الكلاسيكي في الحركة الجماعية

كشف فريق بحثي بقيادة علماء في Ben-Gurion University of the Negev أن المادة الحية تخرق بشكل منهجي المبادئ الكلاسيكية للتناظر الفيزيائي عند تشكيل أنماط الحركة الجماعية وتفككها، وفقاً لدراسة نُشرت في مجلة Nature Physics. وتتحدى هذه النتائج النماذج الفيزيائية التقليدية المستعارة من البلورات السائلة الخاملة ونظرية المادة اللينة، والتي تُستخدم منذ فترة طويلة للتقريب الفيزيائي لكيفية تحرك مجموعات الخلايا الحية. ومن خلال دراسة أنظمة تتراوح من البكتيريا المتشابكة إلى صفائح الخلايا النسيجية، أثبت الباحثون أن الوحدات البيولوجية المستهلكة للطاقة تولد تدفقات غير متوازنة تكسر التناظرات المكانية والزمانية الأساسية. ويوفر هذا الاكتشاف إطاراً أكثر وضوحاً لفهم كيفية التنظيم الذاتي للنسيج البيولوجي خلال العمليات التطورية، وإلتئام الجروح، وتطور الأمراض.

## Key facts - نشر باحثون بقيادة Ben-Gurion University of the Negev نتائجهم في مجلة Nature Physics في September 22, 2026. - تُظهر الدراسة أن المادة الحية النشطة تخرق قوانين التناظر الفيزيائي القياسية التي تحكم المواد اللينة غير الحية. - حللت التجارب الحركة الجماعية عبر أنظمة بيولوجية متعددة، بما في ذلك مستعمرات البكتيريا المتحركة وطبقات خلايا الأنسجة لدى الثدييات. - فشلت النماذج الفيزيائية الكلاسيكية القائمة على نظرية البلورات السائلة الخاملة في التنبؤ بكيفية تشكل التدفقات البيولوجية وتنظيمها وتفككها. - أثبت البحث أن استهلاك الطاقة على المستوى المجهري بواسطة الخلايا يولد إجهادات نشطة غير متوازنة تكسر التناظر الزمني والتناظرات المكانية.

## What happened في العلوم الفيزيائية، تتبع المواد الخاملة مثل الماء والمبلمرات البسيطة والبلورات السائلة غير الحية مبادئ تناظر موثقة جيداً تقوم على الديناميكا الحرارية والميكانيكا الإحصائية. وعندما تنتقل البلورات السائلة الخاملة بين الحالات المنظمة والعشوائية، تصطف جزيئاتها المكونة وفقاً لمبادئ تقليل الطاقة إلى الحد الأدنى، محتفظة بالتكافؤ المكاني والمسارات العكسية تحت الانعكاس الزمني.

ومع ذلك، لاحظ الفريق البحثي في Ben-Gurion University of the Negev (BGU) أن الخلايا الحية تتصرف بشكل مختلف جذرياً عند تنظيم نفسها في تدفقات جماعية. إذ تستهلك الكائنات الحية الطاقة الكيميائية — المخزنة عادة في شكل adenosine triphosphate (ATP) في الخلايا حقيقية النواة أو المتولدة عبر العمليات الأيضية في البكتيريا — للدفع الذاتي وممارسة قوى على الخلايا المجاورة والمصفوفة خارج الخلية المحيطة بها. وتبعد هذا التبدد الداخلي المستمر للطاقة المادة الحية تماماً عن التوازن الديناميكي الحراري.

تتبع باحثو BGU ظهور وحلول الحركة الخلوية الجماعية عبر تكوينات تجريبية متعددة، متضمنة كلاً من أسراب البكتيريا المتحركة عالية الكثافة والطبقات المتصلة من خلايا الأنسجة الظهارية. وفي نماذج البلورات السائلة الكلاسيكية، تتشكل العيوب الطوبولوجية — وهي النقاط التي ينهار عندها النظام الاتجاهي — وتتلاشى في أزواج متناظرة وقابلة للتنبؤ. وكشفت الدراسة أنه في المادة الحية النشطة، لا تخضع عملية تشكل وانحلال أنماط التدفق الجماعي هذه لهذه القواعد التقليدية.

وبدلاً من ذلك، يُظهر إنشاء وإبادة العيوب الطوبولوجية في الأنسجة الحية وأسراب البكتيريا انحيازات اتجاهية قوية وديناميكيات غير عكسية. ومع توليد التدفقات الخلوية للاضطراب تلقائياً أو انهيارها إلى تدفقات منظمة، فإن الأنماط المكانية الملاحظة أثناء تشكل النمط لا تماثل تلك المشاهدة أثناء تفكك النمط. ويخرق هذا اللا تناظر الهيكلي علاقات Onsager التبادلية الكلاسيكية وتناظر الانعكاس الزمني، مما يثبت أن النماذج الفيزيائية الخاملة لا يمكنها وصف انتقالات المرحلة وديناميكيات التدفق للمجموعات الخلوية الحية بشكل كافٍ.

## Why it matters إن فهم القوانين الفيزيائية التي تحكم المادة الحية له آثار مباشرة عبر الفيزياء الحيوية، والبيولوجيا التطورية، وعلم المواد، وعلم الأورام. لعقود من الزمن، اعتمد علماء الفيزياء الحيوية على نسخ معدلة من نظرية البلورات السائلة الخاملة — المعروفة باسم النماذج النيماتية النشطة — لوصف الأنسجة الخلوية. ومع ذلك، فإن استخدام النماذج الخاملة لتمثيل الأنظمة البيولوجية النشطة تؤدي غالباً إلى تنبؤات غير صحيحة فيما يتعلق بتوزيع القوة، وتشوه الأنسجة، والنقل الجماعي. ومن خلال تحديد كيفية خرق الأنظمة الحية للتناظرات الفيزيائية بدقة، تقدم دراسة BGU إطاراً رياضياً محسناً لنمذجة الحركة البيولوجية.

وفي الأبحاث الطبية، تُعد الهجرة الخلوية الجماعية عملية أساسية في تطوير الأنسجة الجنينية، وإلتئام الجروح، وانتقال السرطان. وأثناء تكوّن الأعضاء، يجب أن تهاجر الخلايا في صفائح منسقة لتشكيل هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة. وعندما تتعرض البشرة أو جدران الأوعية الدموية للإصابة، تهاجر الخلايا المجاورة جماعياً لإغلاق الجرح. وعلى العكس من ذلك، أثناء غزو الأورام الخبيثة، تنفصل الخلايا السرطانية غالباً عن الأورام الأولية وتغزو الأنسجة المحيطة كعناقيد جماعية بدلاً من وحدات معزولة.

وتسمح النماذج الفيزيائية الدقيقة لهذه السلوكيات الجماعية لبيولوجيي الأبحاث الطبية بمحاكاة استجابة هياكل الأنسجة للإجهاد الميكانيكي، والإشارات البيوكيميائية، والتدخلات الدوائية بشكل أفضل. علاوة على ذلك، في علم المواد، يمكن لفهم كيفية تسخير الأنظمة البيولوجية للطاقة المحلية لتحقيق التجمع الذاتي دون قيود التناظر الديناميكي الحراري أن يتيح تصميم مواد اصطناعية جديدة. ويمكن لهذه المواد البيولوجية النشطة أن تصلح نفسها ذاتياً، وتولد ضخاً مائعياً دقيقاً مستمراً دون أجزاء ميكانيكية خارجية، أو تعيد تهيئة خواصها الهيكلية ذاتياً استجابة للمؤشرات البيئية.

## The background برزت دراسة المادة النشطة كفرع مستقل من فيزياء المادة المكثفة اللينة في late 1990s و early 2000s. وحُدث تحول رئيسي في 1995 عندما قدم عالم الفيزياء النظرية Tamas Vicsek وزملاؤه نموذجاً رياضياً بسيطاً يصف الحركة الجماعية للجسيمات ذاتية الدفع، مثل أسراب الطيور أو أسماك الأسماك. وبعد ذلك بوقت قصير، قام نظريو المادة اللينة بتكييف الأدوات الرياضية لفيزياء البلورات السائلة — التي كان حائز جائزة نوبل Pierre-Gilles de Gennes من الرائدين فيها في late 20th century — لوصف الأنظمة البيولوجية التي تصطف عناصرها المكونة مثل الجزيئات الشبيهة بالقضبان.

والبلورات السائلة هي حالات للمادة تمتلك خصائص تتوسط المواد السائلة التقليدية والبلورات الصلبة. وفي البلورات السائلة الخاملة، مثل تلك المستخدمة في الشاشات الإلكترونية، تصطف الجزيئات المستطيلة موازية لـ متجه اتجاهي مشترك، يُعرف باسم director field. وتحكم فيزياء البلورات السائلة الخاملة مبادئ الطاقة الدنيا: فعند إزالة القوى الخارجية، يعود النظام إلى حالة متناظرة ذات طاقة منخفضة تحكمها التوازن الديناميكي الحراري.

وفي المقابل، تتكون المادة النشطة من وحدات فردية تحول الطاقة الكيميائية الداخلية إلى شغل ميكانيكي. وتتراوح الأمثلة من المحركات الجزيئية التي تتحرك على طول خيوط الهيكل الخلوي داخل خلية واحدة إلى البكتيريا المتشابكة، وصفائح الخلايا الظهارية، وأسراب الأسماك، والحشود البشرية. ونظراً لأن الطاقة تُضخ باستمرار على مستوى الجسيمات الفردية، فإن المادة النشطة تعمل دائماً خارج نطاق التوازن.

وعلى مدى العقود الاثنين الماضية، أدخل الفيزيائيون نظريات النيماتيك النشط عن طريق إضافة حدود إجهاد نشطة إلى معادلات البلورات السائلة التقليدية. وتعكس هذه الإجهادات النشطة قوى الدفع أو السحب التي تمارسها الكيانات ذاتية الدفع. وبينما نجحت نماذج النيماتيك النشط في التقاط ظواهر مثل الاضطراب النشط والتوليد التلقائي للتدفق، إلا أنها احتفظت غالباً بالتناظرات الرياضية الأساسية الموروثة من نظريات البلورات السائلة الخاملة. وتستهدف دراسة BGU هذا القيد النظري مباشرة، مُظهرة أن الآليات البيولوجية التي تقود الحركة الخلوية تكسر بنشاط هذه التناظرات الخاملة أثناء نمذجة أنماط الحركة وتفككها الديناميكي.

## Reaction جذب نشر البحث في مجلة Nature Physics اهتمام مجتمعي أبحاث الفيزياء والبيولوجيا على حد سواء، مما يسلط الضوء على التحول المستمر نحو التعامل مع المادة الحية كفئة مستقلة تماماً من المواد الفيزيائية بدلاً من كونها مشتقة معدلة من المادة اللينة الخاملة.

ومن المتوقع أن يقوم علماء الفيزياء النظرية المتخصصون في الميكانيكا الإحصائية غير المتوازنة بإعادة تقييم معادلات النيماتيك النشط الحالية لإدراج حدود كسر التناظر الصريحة التي حددها فريق BGU. ومن المرجح أن يركز الباحثون في الفيزياء البيولوجية على ربط انتهاكات التناظر العيانية هذه بهياكل ميكانيكية حيوية مجهرية محددة، مثل actin-myosin contractility، ومجمعات الالتصاق بين الخلايا مثل cadherins، وآليات الدفع السوطية.

ورغم أن الدراسة تقدم إطاراً فيزيائياً أساسياً، فإنه من المتوقع أن يفحص علماء البيولوجيا التطورية والباحثون الطبيون ما إذا كانت أنواع معينة من الأنسجة أو الحالات المرضية تُظهر درجات متميزة من كسر التناظر. ومن المتوقع أن تتناول المنتديات الأكاديمية والمؤتمرات الفيزيائية القادمة، مثل American Physical Society March Meeting، مناقشات حول كيفية دمج هذه القوانين الفيزيائية غير المتوازنة في المحاكاة الحاسوبية لنمو العضوانيات وتوسع الأورام.

## What we don't know yet على الرغم من إثبات أن التدفقات الخلوية تخرق نماذج التناظر الكلاسيكية، إلا أن العديد من الأسئلة الحيوية لا تزال غير محسومة بشأن المحركات البيولوجية الدقيقة وراء هذه الظواهر الفيزيائية. أولاً، لم يتم تحديد المسارات البيوكيميائية الدقيقة التي تتحكم في مقدار كسر التناظر الفيزيائي عبر أنواع الأنسجة المختلفة بشكل كامل. ولا يزال غير واضح كيف ترتبط شلالات الإشارات داخل الخلايا المحددة — مثل مسارات Rho-GTPase التي تنظم انقباضية الخلايا — مباشرة بمعلمات كسر التناظر الرياضية المحددة في الدراسة.

ثانياً، تتعامل النتائج الحالية بشكل أساسي مع الإعدادات التجريبية ثنائية الأبعاد والشبه ثنائية الأبعاد، مثل الطبقات الخلوية الأحادية على الشرائح الزجاجية أو المعلقات البكتيرية الرقيقة. وكيفية ترجمة انتهاكات التناظر الفيزيائي هذه إلى بيئات 3D بالكامل، مثل الأجنة النامية أو الأورام الصلبة المدمجة في مصفوفات كثيفة خارج الخلية، تظل مجالاً مفتوحاً للبحث.

أخيراً، لم يحدد الباحثون بعد ما إذا كانت الخلايا الخبيثة تُظهر سمات كسر تناظر فيزيائي مختلفة مقارنة بالخلايا السليمة غير السرطانية. وإذا أظهرت الأنسجة السرطانية تناظرات تدفق متميزة غير متوازنة أثناء الغزو الجماعي، فقد تعمل هذه الخاصية الفيزيائية كعلامة بيولوجية تشخيصية جديدة أو هدف علاجي، على الرغم من أن الإثبات التجريبي لهذا المفهوم لا يزال مفقوداً حالياً.

## What to watch في الأشهر والسنوات القادمة، ستشير العديد من التطورات الرئيسية إلى كيفية تشكيل هذا التقدم النظري للفيزياء البيولوجية والتطبيقات الطبية الحيوية. وسيتابع الباحثون عن كثب الدراسات المتابعة التي تحاول صياغة معادلات رياضية موحدة تأخذ في الاعتبار صراحة التناظرات المكسورة الملاحظة في التدفقات الحية.

وستكون المحطة الحاسمة هي تطبيق هذه المعلمات الفيزيائية الجديدة في برمجيات النمذجة الفيزيائية الحيوية، والتي يستخدمها الباحثون لمحاكاة التخلق المتوالي، وإلتئام الجروح، وتشكل الشبكات الوعائية. وإذا أظهرت النماذج المحدثة دقة تنبؤية أعلى بكثير مقارنة ببيانات نمو الأنسجة التجريبية، فمن المرجح أن يصبح الإطار النظري المقترح من فريق BGU معياراً قياسياً في البيولوجيا الحاسوبية.

بالإضافة إلى ذلك، من المتوقع أن تختبر المجموعات التجريبية هذه المبادئ في زراعات العضوانيات 3D المعقدة والنماذج الحيوانية. وستوفر الدراسات الرصدية التي تتتبع ما إذا كان كسر التناظر الخلوي يتغير خلال مراحل تطورية محددة أو تطورات المرض تحققاً حاسماً. وفي مجال الهندسة، سيراقب علماء المواد المحاولات لبناء أنظمة نشطة حيوية مهجنة تستخدم كسر التناظر غير المتوازن لإنشاء مضخات مائعيات ذاتية الدفع ومواد بيولوجية ذاتية التماثل.

يستند هذا التقرير إلى بحث أصلي نُشر في مجلة Nature Physics وغطاه موقع phys.org في September 22, 2026.