ฟิสิกส์ชีวภาพ: พลังงาน ข้อมูล ชีวิต
Philip Nelson
WH ฟรีแมน: 2004 600 หน้า 34.99 ปอนด์, 106.50 ดอลลาร์ 0716743728 | ISBN: 0-716-74372-8
สีที่มีชีวิต: ภาพ ‘เซลล์แออัด’ ของ David Goodsell ของแบคทีเรียEscherichia coli เครดิต: DAVID GOODSELL, สถาบันวิจัยสคริปต์
เว็บสล็อต “ฟิสิกส์คือสิ่งที่นักฟิสิกส์ทำ” คำจำกัดความนี้เป็นปัจจุบันในแผนกฟิสิกส์อย่างน้อยบางแผนก ไม่ได้มีเจตนา (เราไว้วางใจ) เพียงเพื่อสร้างความสับสนให้กับชุมชนวิทยาศาสตร์ที่เหลือ ค่อนข้างจะแนะนำว่าวินัยของฟิสิกส์ที่กำหนดไว้ตามอัตภาพมากขึ้น (ในShorter Oxford English Dictionary ) เป็นสาขาของวิทยาศาสตร์ “ที่เกี่ยวข้องกับธรรมชาติและคุณสมบัติของสสารและพลังงาน” สามารถนำไปใช้ได้หลากหลาย ปัญหาในวงกว้างของความรู้ของมนุษย์
เมื่อ 100 ปีที่แล้ว นักฟิสิกส์ทำให้เกิดการปฏิวัติทางเคมี เมื่อการค้นพบอิเล็กตรอนทำให้เกิดความเข้าใจในธรรมชาติของอะตอม โครงสร้างโมเลกุลและพันธะ และเมื่อ 50 ปีที่แล้ว นักฟิสิกส์ได้ริเริ่มการปฏิวัติทางชีววิทยา ด้วยการสาธิตที่น่าทึ่งว่าการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์สามารถเปิดเผยโครงสร้างของดีเอ็นเอและโปรตีนได้ อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์ค่อนข้างน้อยที่ “ทำชีววิทยา” และหลายคนเหล่านี้อพยพจากแผนกฟิสิกส์กระแสหลักไปตั้งองค์กรต่างๆ เช่น ห้องปฏิบัติการชีววิทยาโมเลกุลในเคมบริดจ์ สหราชอาณาจักร หรือสถาบันวิจัยโปรตีนในปูสชิโน รัสเซีย
แต่เวลามีการเปลี่ยนแปลง นักฟิสิกส์ในแผนกฟิสิกส์กำลังมองหาความท้าทายที่ยิ่งใหญ่เพื่อแข่งขันกับความท้าทายที่นำไปสู่ความก้าวหน้าที่สำคัญในความเข้าใจของเราในหลาย ๆ ด้านของโลกทางกายภาพ ตั้งแต่อนุภาคพื้นฐานของสสารไปจนถึงต้นกำเนิดของจักรวาล และชีววิทยา การศึกษาธรรมชาติของชีวิตเองก็ไม่ได้ขาดแคลนปัญหาที่ท้าทายเช่นนั้น สิ่งเหล่านี้บางส่วนมีแนวโน้มที่จะยอมจำนนต่อเทคนิคทางกายภาพที่ใหญ่กว่าและดีกว่า คนอื่น ๆ อาจได้รับการปฏิวัติด้วยแนวทางการรีดิวซ์นิสม์ซึ่งนักฟิสิกส์ชื่นชอบในการระบุและหยอกล้อหลักการพื้นฐานจากอาร์เรย์ข้อมูลมากมายที่เทคนิคดังกล่าวสามารถสร้างได้
อย่างไรก็ตาม หากต้องจัดการกับความท้าทายที่ยิ่งใหญ่เช่นนี้ได้สำเร็จ นักฟิสิกส์จะต้องร่วมมือกับนักชีววิทยาและกับนักชีววิทยาในสาขาอื่นๆ เช่น เคมี คณิตศาสตร์ และการแพทย์ การจะทำงานร่วมกันได้นั้น จะต้องมีภาษากลางและเห็นคุณค่าในจุดแข็งและจุดอ่อนของความสามารถของกันและกัน
ข้อความที่ยอดเยี่ยมของ Philip Nelson
, Biological Physicsจัดเตรียมสื่อสำหรับประเภทของหลักสูตรที่เราควรจะนำเสนอให้กับนักเรียนของเราทุกคน เนลสันกล่าวว่าหนังสือของเขามีไว้สำหรับ “นักศึกษาวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิตที่เต็มใจใช้แคลคูลัส” และสำหรับ “นักศึกษาสาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและวิศวกรรมศาสตร์ที่เต็มใจคิดเกี่ยวกับเซลล์” และแน่นอน หนังสือของเขาควรให้ความรู้และดึงดูดใจทั้งสองกลุ่ม ที่น่าประทับใจอย่างยิ่งคือวิธีการอันละเอียดอ่อนที่หัวข้อที่มักทำให้สายตาของแม้แต่นักเรียนที่ขยันขันแข็งที่สุดเพ่งมอง ดูเหมือนจะไม่เพียงแค่น่าสนใจในการอ่านแต่ยังน่าเรียนรู้อีกด้วย กลศาสตร์ทางสถิติและอุณหพลศาสตร์เป็นตัวอย่างที่ชัดเจน และมีการแนะนำแนวคิดหลัก เช่น การกระจายของโบลต์ซมันน์และพลังงานอิสระเพื่ออธิบายคำถามต่างๆ เช่น เหตุใด “เซลล์ทำงานได้ไม่ดีที่สุดในอุณหภูมิที่เย็นที่สุด” แม้ว่าข้อเท็จจริงที่ว่าชีวิตคือการสร้างโครงสร้างที่มีลำดับสูง . นอกจากนี้,
อีกแง่มุมที่ดีของหนังสือเล่มนี้คือมีความทันสมัยในหัวข้อและตัวอย่างที่ครอบคลุม แนวคิดที่ค่อนข้างใหม่หลายอย่าง เช่น การใช้พื้นผิวที่ใช้พลังงานอิสระเพื่อทำความเข้าใจการพับของโปรตีนและแหนบแบบออปติคัลสำหรับการตรวจสอบการทำงานของกล้ามเนื้อ ได้รับการกล่าวถึงในเชิงลึก โดยอย่างน้อยก็มีการอ้างอิงถึงวรรณกรรมต้นฉบับบางส่วน มีความคิดเห็นบ่อยครั้งเกี่ยวกับวิธีการที่แนวคิดและเทคนิคสมัยใหม่ได้เกิดขึ้น ตามที่เนลสันแสดงให้เห็นอย่างชาญฉลาด ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญที่สุดหลายอย่างเกิดขึ้นโดยไม่คาดคิดผ่านการศึกษาแบบสหวิทยาการที่หนังสือเล่มนี้สนับสนุน
ตัวอย่างเช่น นักฟิสิกส์ชื่อดัง Robert Hooke ที่ตระหนักในช่วงกลางศตวรรษที่สิบเจ็ด หลังจากมองลงมาที่กล้องจุลทรรศน์ที่เขาสร้างขึ้นเอง ระบบสิ่งมีชีวิตประกอบด้วยช่องแยกที่เขาเรียกว่าเซลล์ และเมื่อมองลงมาที่กล้องจุลทรรศน์อีกอันหนึ่งในช่วงต้นศตวรรษที่สิบเก้า นักพฤกษศาสตร์ Robert Brown ก็เห็นละอองเรณูที่ “เคลื่อนไหวอย่างเห็นได้ชัด” เมื่อการทดลองเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนไหวไม่ได้เป็นผลมาจากพลังชีวิตบางประเภท เขาตระหนักว่าเขากำลังสังเกตคุณสมบัติทั่วไปของสสารที่ถูกแบ่งอย่างประณีต ข้อสังเกตของเขาเกี่ยวกับ ‘การเคลื่อนที่แบบสีน้ำตาล’ ซึ่งเป็นผลมาจากการชนกันระหว่างอนุภาคไดนามิก ถูกตีความในภายหลังโดยไอน์สไตน์ในวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเขา ซึ่งเป็นงานที่วางรากฐานสำหรับทฤษฎีควอนตัม มันเป็นเรื่องที่น่าสนใจ
หนังสือเล่มนี้เป็นผลงานทางวิทยาศาสตร์ที่สมบูรณ์แบบหรือไม่? บางทีเกือบจะเป็นเช่นนั้นแม้ว่าในตอนแรกนักชีววิทยาอาจไม่คิดอย่างนั้น หนังสือของเนลสันใช้ภาพวาดโครงสร้างทางชีววิทยาบ่อยครั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดย David Goodsell รวมถึงภาพ ‘เซลล์แออัด’ ที่โด่งดังของเขา ในทางตรงกันข้าม ตำราชีววิทยาสมัยใหม่ส่วนใหญ่ แม้แต่ตำราที่มีราคาค่อนข้างถูก กลับถูกเปลี่ยนโดยพลังของกล้องจุลทรรศน์สมัยใหม่และโปรแกรมกราฟิคระดับโมเลกุลที่ซับซ้อน
ถึงกระนั้น ภาพสีจำนวนหนึ่งในหนังสือเล่มนี้แสดงให้เห็นว่าหนึ่งในสิ่งดึงดูดใจมากมายของระบบสิ่งมีชีวิตมักมีความสวยงามอย่างยิ่ง และการสังเกตระบบทางชีววิทยาอย่างง่าย ๆ ก็มีอิทธิพลต่อความก้าวหน้าของฟิสิกส์มาอย่างยาวนาน ท้ายที่สุดแล้ว วัตถุเคลื่อนที่ที่กล่าวว่าได้กระตุ้นความเข้าใจของนิวตันเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงนั้นไม่ต้องสงสัยเลยว่ามีต้นกำเนิดทางชีววิทยา เว็บสล็อต
