هذه المرة، حاز الضوء على جائزة نوبل مرة أخرى: وهذه المرة تعلمنا كيف نستخدم الضوء لتشغيل وتعطيل أنشطة الدماغ.

في الخامس من أكتوبر بالتوقيت المحلي، أعلنت كلية كارولينسكا السويدية عن منح جائزة نوبل في الفسيولوجيا أو الطب لعام 2026 لعلم الوراثة الضوئية الذي يُستخدم فيه الضوء لتشغيل وتعطيل أنشطة الدماغ. وبالنظر إلى الـ125 عامًا الماضية، نجد أن الضوء قد حظي بشرف الجائزة للمرة الخامسة؛ بدءًا من الأشعة السينية التي تكشف العظام، مرورًا بـLED الأزرق الذي يضيء المنازل، وصولًا إلى شعاع الضوء الأزرق الذي يخاطب الخلايا العصبية مباشرةً اليوم. إنها سلسلة واضحة: فهم الضوء → إدراك الضوء → تصنيع الضوء → ضبط الحياة بواسطة الضوء → التحكم في الحياة باستخدام الضوء.

القبلة الأولى (1901): رؤية عالم لا يُرى

في ليلة الثامن من نوفمبر عام 1895، كان الفيزيائي فيرنر فون زاكس في مختبره بجامعة فورتسبورغ الألمانية، يجرّب أنبوبًا للأشعة المهبطية. ولمنع تسرب الضوء، غلّف الأنبوب بورق أسود محكم الإغلاق. لكن ما إن تم توصيل الكهرباء حتى لاحظ أن قطعة من الورق المطلي بمادة فوسفورية على بعد متر واحد بدأت تتوهج خافتًا.

كيف انتقل الضوء عبر الورق الأسود؟

على مدى ستة أسابيع، عاش زاكس وعمل في المختبر. واكتشف أن هذه الأشعة غير المرئية تستطيع اختراق الخشب والكتب والجلد، بينما تُحجب بواسطة العظام والمعادن. وفي الثاني والعشرين من ديسمبر عام 1895، طلب من زوجته بيرتا أن تضع يدها على لوحة حساسة للضوء، فالتقط أول صورة أشعة سينية طبية في التاريخ—تظهر فيها معالم العظام بوضوح، مع خاتم الزواج بارزًا. ويُقال إن بيرتا حين رأت الصورة قالت بانفعال: "لقد رأيت موتي."

【الرسم التوضيحي 2: يد السيدة زاكس】التعليق: في 22 ديسمبر 1895، التقطت أول صورة أشعة سينية طبية في التاريخ—يد السيدة زاكس اليسرى، حيث تظهر العظام وخاتم الزواج بوضوح (صورة تاريخية، ضمن الملكية العامة)

ولأنه لم يكن يعرف ماهية هذا الشيء، أطلق عليه اسم "X"، وهو الرمز المستخدم في الرياضيات للدلالة على المجهول. وهذا "الجهل" هو الذي فتح بابًا جديدًا في فهم الإنسان: إذ تبيّن أن حدود الضوء أوسع بكثير من الشق الضيق الذي تراه العين.

【الرسم التوضيحي 3: الطيف الكهرومغناطيسي】التعليق: الطيف الكهرومغناطيسي عائلة كبيرة—والضوء المرئي ليس سوى جزء ضيق جدًا منه، أما الأشعة السينية فتقع في نطاق أطوال موجية أقصر

تجدر الإشارة إلى نقطة مهمة: لم يسجل زاكس أي براءة اختراع لأشعة X، بل تبرع بجائزة نوبل الأولى في الفيزياء لعام 1901 لصالح الجامعة. واليوم، من أجهزة التصوير المقطعي في المستشفيات إلى أنظمة الأمن في المطارات، ينقذ هذا الاكتشاف "المجاني" ملايين الأرواح سنويًا.

القبلة الثانية (1921): فهم "النواة الكمومية" للضوء

بعد أن مكّن زاكس البشرية من رؤية ضوء جديد، جاء آينشتاين ليجعلها تفهم جوهر الضوء.

تبدأ القصة من ظاهرة تجريبية "غير اعتيادية". فقد لاحظ العلماء أنه عند تسليط الضوء على سطح معدني، تتحرر الإلكترونات (وهذا ما يُعرف بـ"التأثير الكهروضوئي")، لكن الغريب أن: حتى لو كان الضوء أحمرًا شديد السطوع، لا يُحرر أي إلكترون، بينما يكفي ضوء فوق بنفسجي خافت لفعل ذلك؛ كما أن الإلكترونات تُطلق فورًا دون أي تراكم للطاقة.

وفقًا للنظرية السائدة في الفيزياء منذ قرن والتي ترى أن الضوء موجة، فإن طاقة الموجة تنتقل بشكل مستمر، وبالتالي ينبغي أن يؤدي الضوء القوي والمكثف إلى إطلاق الإلكترونات. لكن الوقائع التجريبية تثبت عكس ذلك، ولا يمكن تفسيرها بالفيزياء التقليدية.

في عام 1905، طرح أينشتاين، وهو موظف في مكتب البراءات يبلغ من العمر 26 عامًا، فرضية مذهلة: الضوء ليس موجة متصلة، بل هو عبارة عن "رصاصات طاقة" منفصلة—تعرف لاحقًا باسم "الفوتونات". وتتوقف طاقة هذه الرصاصات على تردد الضوء (لونه) فقط، ولا تعتمد على شدته. فالضوء الأحمر ذي التردد المنخفض يشبه مجموعة من حبات الرمل الصغيرة التي لا تستطيع كسر قشرة الجوز، ومهما كثر عددها فلن تجدي نفعًا؛ أما الفوتونات ذات التردد العالي مثل الأشعة فوق البنفسجية، فتكفي واحدة منها لإطلاق إلكترون.

【الرسم التوضيحي 4: مبدأ التأثير الكهروضوئي】التعليق: نموذج "رصاصات الطاقة" في التأثير الكهروضوئي—تعتمد طاقة الفوتون على التردد (اللون)، وليس على الشدة

حتى الفيزيائي التجريبي روبرت ميليكان وجد هذه الفرضية بعيدة عن الواقع، فبذل عشر سنوات في محاولة دحضها، لكنه في النهاية أكد صحة معادلة أينشتاين—ومن ثم حصل على جائزة نوبل عام 1923.

لذلك مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1921 لأينشتاين. ومن الجدير بالذكر أن جائزته استندت إلى التأثير الكهروضوئي، وليس إلى النظرية النسبية. وقد رسّخت هذه اللحظة مفهوم "ازدواجية الموجة والجسيم" للضوء، وأسست لأساس علم ميكانيكا الكم بأكمله. فاليوم، تعمل ألواح الطاقة الشمسية وكاميرات الهواتف وشبكات الاتصالات الضوئية بناءً على منطق هذه "الفوتونات" الصغيرة.

القبلة الثالثة (2014): صنع ضوء أزرق ينير العالم

بعد أن كرّمت جائزتا نوبل السابقتان "فهم الضوء"، جاءت الجائزة الثالثة لتكريم "صنع الضوء"—وهي الأكثر صلة بحياتنا اليومية.

لم يكن LED (الصمام الثنائي الباعث للضوء) جديدًا: ففي خمسينيات وستينيات القرن الماضي، ظهرت مصابيح LED بالألوان الأحمر والأخضر تباعًا. لكن مسألة إنتاج مصباح أزرق كانت تشكل تحديًا عالميًا استمر ثلاثة عقود. والسبب بسيط: إذا لم تتوفر الألوان الأساسية الثلاثة—الأحمر والأخضر والأزرق—فلن يتكوّن الضوء الأبيض، ولن يدخل LED سوق الإضاءة أبدًا. وكانت المصابيح المتوهجة ذات الفعالية المنخفضة والعمر القصير، ومصابيح الفلورسنت المحتوية على الزئبق، هي السائدة آنذاك.

【الرسم التوضيحي 5: كيف يتحول LED الأزرق إلى ضوء أبيض】التعليق: بدون الضوء الأزرق لا يمكن الحصول على الضوء الأبيض—واليوم، يعتمد معظم مصابيح LED على شريحة زرقاء مدمجة مع مسحوق فوسفوري أصفر

تكمن صعوبة LED الأزرق في المواد: إذ يتطلب نوعًا من أشباه الموصلات يُسمى نيتريد الغاليوم، لكن بلوراته صعبة النمو، وتشكو من عيوب كثيرة وسهولة التكسر، حتى أن شركات كبرى مثل RCA تخلّت عن البحث في هذا المجال منذ السبعينيات. إلا أن إيتسوكي أكاساكا وهيروشي أمانو من جامعة ناغويا اليابانية لم يقتنعا بذلك: ففي عام 1986، وضعوا طبقة واقية من نيتريد الألومنيوم على ركيزة من الياقوت، مما مكّنهم من نمو بلورات عالية الجودة من نيتريد الغاليوم؛ وفي عام 1989 تمكنوا من حل مشكلة "التطعيم النوعي p"، فصنعوا أول نموذج لـLED أزرق بمستوى سطوع مقبول. وفي مدينة صغيرة باليابان تُدعى توكوشيما، قامت شركة كيميائية صغيرة تضم مئتي موظف تُدعى "نيا كيميكال" بتطوير معدات خاصة، وفي عام 1993 أنتجت أول LED أزرق عالي السطوع في العالم، لتكون أول من يطرحه في السوق.

في عام 2014، مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لهؤلاء العلماء الثلاثة، وجاء في كلمة التكريم: "اخترعوا LED أزرق عالي الكفاءة، مما أتاح مصدرًا للضوء الأبيض مشرقًا وموفرًا للطاقة." وقال رئيس لجنة التحكيم بصراحة: "كثير من الشركات الكبرى جرّبت ذلك وفشلت، لكن هؤلاء الثلاثة ثابروا."

اليوم، تُوفّر إضاءة LED نحو 80% من الطاقة مقارنة بالمصابيح المتوهجة، مما أدى إلى انخفاض مستمر في نسبة استهلاك الكهرباء للإضاءة عالميًا. وهذه القبلة أعادت إحياء أجواء الحياة اليومية.

القبلة الرابعة (2017): الضوء يضبط ساعتنا البيولوجية

إذا كانت القبلات الثلاث السابقة تتعلق بالفيزياء، فإن القبلة الرابعة تحوّل اهتمام الجائزة من المختبر إلى الحياة نفسها.

فجميع الكائنات الحية تقريبًا على كوكب الأرض تمتلك ساعة بيولوجية تدور مرة كل 24 ساعة: تبدأ العمل مع شروق الشمس وتتوقف عند غروبها. لكن كيف يضبط الضوء هذه الساعة؟ في عام 2017، حاز هال، روزباش ويانغ على جائزة نوبل في الفسيولوجيا أو الطب، بعد أن كشفوا السر باستخدام ذباب الفاكهة.

بدأت القصة عام 1971: اكتشف علماء من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وجود طفرة لدى ذباب الفاكهة، حيث تصبح الساعة البيولوجية أسرع لدى بعض الأفراد، وأبطأ لدى البعض الآخر، أو تتوقف تمامًا—وكل ذلك يعود إلى جين يُسمى "period" (الدورة). وفي عام 1984، قام هال وروزباش ويانغ باستقلال كلٍ منهم باستنساخ هذا الجين، ثم شكّلوا مجموعة من "التروس الجزيئية" الدقيقة:

• ليلًا، يبدأ جين period بإنتاج بروتين PER، الذي يتراكم تدريجيًا؛

• يُنقل بروتين PER المتراكم إلى نواة الخلية، فيقوم بدوره بـ"إغلاق" الجين الذي ينتج هذا البروتين—وكأنه يضغط على فرامله الخاصة؛

• نهارًا، يتحلل البروتين تدريجيًا، فتُفتح الفرامل، ويعود الجين إلى العمل، لتبدأ دورة جديدة؛

• الأهم هو بروتين TIM الآخر: حساس للضوء، يتحلل عند تعرضه للضوء—وهذا هو المفتاح الجزيئي الذي يعيد ضبط الساعة البيولوجية كل صباح.

【الرسم التوضيحي 6: دائرة التغذية الراجعة للساعة البيولوجية】التعليق: التروس الجزيئية للساعة البيولوجية—بروتين PER يتراكم ليلًا ويُقيد نفسه، وضوء الصباح يعيد ضبط الساعة عبر تحلل بروتين TIM

وكيف ينقل الضوء هذه الإشارة إلى الدماغ؟ في عام 2002، توصل العلماء إلى الإجابة: فبالإضافة إلى خلايا المخروط والقضيب المسؤولة عن الرؤية، يوجد نوع ثالث من الخلايا الحساسة للضوء—خلايا العقدة العصبية الحساسة للضوء التي تحتوي على الميلانوبسين (ipRGC)، وهي لا تشارك في التصوير، بل تُبلغ مركز الساعة البيولوجية في الدماغ، وهي أكثر حساسية للضوء الأزرق بطول موجة حوالي 480 نانومتر.

【الرسم التوضيحي 7: لماذا الضوء الأزرق أكثر منشطًا】التعليق: هناك نوعان من المستقبلات الضوئية في العين—خلايا المخروط المسؤولة عن التصوير، وخلايا ipRGC المسؤولة عن الساعة البيولوجية (أكثر حساسية للضوء الأزرق بطول موجة 480 نانومتر)

وهذا يفسر مفارقة في حياتنا الحديثة: لماذا يزداد النشاط عند تصفح الهاتف قبل النوم؟ لأن الضوء الأزرق للشاشة يقع بالضبط حول طول موجة 480 نانومتر—وهو ما يُرسل إلى ساعتك البيولوجية رسالة خاطئة تقول: "إن الوقت الآن نهار." فاضطرابات الأيض، واضطرابات النوم، بل وحتى زيادة مخاطر الأمراض الناجمة عن السهر، ونوبات العمل الليلية، ورحلات الطيران عبر المناطق الزمنية، كلها تعود إلى اضطراب هذا الإيقاع الضوئي. وقد صنّفت الوكالة الدولية لأبحاث السرطان "العمل بنظام النوبات الذي يُحدث اضطرابًا في الإيقاع اليومي" ضمن عوامل الإصابة بالسرطان من الفئة 2A منذ عام 2007.

بالنسبة لصناعة الإضاءة، فإن هذه الجائزة تحمل معنى عميقًا: فالضوء ليس مجرد أداة لإضاءة الفضاء، بل هو أيضًا "إشارة توقيت" تضبط الحياة—وهذا بالضبط هو الأساس العلمي لمفهومي "الإضاءة المتمحورة حول الإنسان" و"الإضاءة الصحية" في السنوات الأخيرة.

القبلة الخامسة (2026): استخدام شعاع ضوئي لتشغيل وإيقاف أنشطة الدماغ

اليوم (5 أكتوبر 2026)، أعلنت كلية كارولينسكا السويدية أن جائزة نوبل في الفسيولوجيا أو الطب لهذا العام ستُمنح لكارل ديسايروث، بيتر هيغمان وغيورغ ناغل، تقديرًا لـ"اكتشافاتهم في مجال القنوات الأيونية المتحكمة بالضوء والوراثة الضوئية". وسيتقاسم الثلاثة جائزة قدرها 12 مليون كرونة سويدية (ما يعادل نحو 8.02 مليون يوان صيني).

تبدأ هذه القصة من طحالب وحيدة الخلية.

في تسعينيات القرن الماضي، تساءل هيغمان عن سبب سرعة استجابة طحالب "الإيشيمو" للضوء: فبينما تحتاج العين البشرية إلى سلسلة من التفاعلات الكيميائية تستغرق نحو 10 ملي ثوانٍ على الأقل، فإن استجابة هذه الطحالب أسرع بـ20 مرة. وقد توصل هو وناغل إلى الحل من خلال دراسة هذه الطحالب—البروتين المعروف باسم "الرودوبسين": وهو بروتين يقبع على غشاء الخلية، وعند تعرضه للضوء الأزرق، تُفتح قنوات أيونية داخله كأنها بوابات، فتتدفق الأيونات المشحونة إلى داخل الخلية، مما يولد إشارة كهربائية مباشرة. إنها عملية تحويل ضوئي بسرعة الضوء، دون أي تفاعل كيميائي بينهما.

والأجمل من ذلك أنهم اكتشفوا أنه إذا تم زرع جين هذا البروتين في خلايا أخرى، فإن تلك الخلايا التي كانت لا تستجيب للضوء سابقًا ستصبح لديها "مفتاح حساس للضوء" أيضًا.

أما ديسايروث، فقد تولى الدور الأهم: ففي عام 2005، قام بزرع جين الرودوبسين في خلايا عصبية لفئران، واستطاع تفعيل إشارات عصبية باستخدام الضوء الأزرق؛ وفي عام 2007، ذهب أبعد من ذلك، فنجح في إرسال ضوء أزرق عبر ألياف ضوئية إلى دماغ فأر حي، ليُضيء خلايا عصبية محددة بدقة—وهكذا وُلد علم الوراثة الضوئية (optogenetics، مزيج من علم الضوء وعلم الوراثة).

【الرسم التوضيحي 8: مبدأ علم الوراثة الضوئية】التعليق: علم الوراثة الضوئية—يزرع في الخلايا العصبية "مفتاحًا ضوئيًا" مستمدًا من الطحالب، وعند تعرضه للضوء الأزرق، يُشغل في غضون ملي ثوانٍ

تكمن ثورية هذه التقنية في أنها تتيح للعلماء، الذين كانوا في السابق يعتمدون على "الملاحظة" فقط—فإذا لاحظوا أن منطقة معينة في الدماغ تتوهج، يفترضون أن لها علاقة بسلوك معين، لكنهم لا يستطيعون إثبات العلاقة السببية—أن يضغطوا على مفاتيح كمبيوتر، ليتمكنوا من فتح أو إغلاق فئة معينة من الخلايا العصبية بدقة، والتحقق مباشرةً من "ما الذي تتحكم به هذه المجموعة من الخلايا". فكيف تتشكل الذكريات، وكيف يتم ترميز الخوف، وكيف تنشأ الإدمان، وأين توجد الدوائر الشاذة في مرض باركنسون والصرع—على مدى العشرين سنة الماضية، فتحت آلاف المختبرات حول العالم صندوق الأسرار هذا باستخدام "مفتاح الضوء". وقد قال رئيس لجنة نوبل: "إن علم الوراثة الضوئية يتيح لنا رسم خريطة للدماغ بالطريقة التي كنا نحلم بها دائمًا."

كما أن هذه التقنية تشق طريقها نحو التطبيقات السريرية: ففي عام 2016، خضعت امرأة في دالاس، الولايات المتحدة، مصابة بمرض التنكس الصبغي في الشبكية، لأول تجربة علاجية باستخدام علم الوراثة الضوئية—حيث تم زرع جين بروتين حساس للضوء في الخلايا المتبقية في شبكية العين، لتحل محل الخلايا الحساسة للضوء الميتة بإشارات ضوئية اصطناعية. ويهدف الفريق البحثي في النهاية إلى تمكين المكفوفين من "رؤية" مرة أخرى.

【الرسم التوضيحي 9: من الإضاءة إلى الحوار مع الحياة】التعليق: خلال 125 عامًا، ارتقى استخدام الإنسان للضوء عبر خمس مراحل

بالنظر إلى هذه القبلات الخمس، تبرز مسار واضح:

• عام 1901، فهم الضوء—تبين أن هناك عالمًا خفيًا يتجاوز الضوء المرئي؛

• عام 1921، إدراك الضوء—تبين أن الضوء عبارة عن رصاصات طاقة كمومية منفصلة؛

• عام 2014، صنع الضوء—لأول مرة، تمكن الإنسان من إنتاج مصدر ضوئي اصطناعي عالي الكفاءة ورخيص الثمن؛

• عام 2017، ضبط الحياة—تبين أن الضوء يضبط ساعتنا البيولوجية يوميًا عبر العين؛

• عام 2026، التحكم في الحياة—صار الضوء مفتاحًا دقيقًا يتحدث مباشرةً مع الخلايا العصبية.

من "إضاءة العالم" إلى "الحوار مع الحياة"، لقد تغيّر دور الضوء في يد الإنسان تمامًا. وبالنسبة لمحترفي الإضاءة الذين قضوا حياتهم في التعامل مع الضوء، فإن هذه اللحظة ليست فقط خاتمة عصر رائع، بل هي أيضًا دعوة: فحين يُصبح الضوء وسيلة لوصف "دواء"، سيكبر مساحة الفرص أمام من يفهمونه.

إشعار إعادة النشر

تم إعادة نشر المقال من حساب WeChat [光聚聚光乐乐]، ومؤلفه [逍遥山人逍遥风].