บทนำ

คณิตศาสตร์ ฟิสิกส์ เคมี และชีววิทยา นับเป็น 4 สาขาหลักของวิทยาศาสตร์ ซึ่งต่อมาได้แตกแขนงออกเป็นศาสตร์ต่างๆ มากมาย อาทิ จุลชีววิทยา พันธุศาสตร์ ชีวเคมี วัสดุศาสตร์ เป็นต้น ถ้าสังเกตให้ดีจะพบว่าศาสตร์แขนงใหม่ที่ถือกำเนิดขึ้นมา มักเป็นศาสตร์ลูกผสมระหว่าง คณิตศาสตร์ ฟิสิกส์ และเคมี หรือ เคมี และชีววิทยา เป็นส่วนมาก ส่วนศาสตร์ที่เกิดจากการผสมผสานระหว่าง คณิตศาสตร์และชีววิทยา หรือ ฟิสิกส์ เคมี และชีววิทยา มีน้อยมาก และจำกัดอยู่เพียงในวงการแคบๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ฟิสิกส์เชิงชีววิทยา (Biological Physics)และชีวฟิสิกส์ (Biophysics) ซึ่งแม้จะเป็นที่ยอมรับกันว่าเป็นแขนงวิชาย่อยๆ ทางวิทยาศาสตร์ แต่ก็นับได้ว่ามีอายุน้อยมากเมื่อเทียบกับสาขาวิชาหลักๆ ของวิทยาศาสตร์ที่ได้กล่าวมาแล้ว

ฟิสิกส์เชิงชีววิทยาและชีวฟิสิกส์ ฟิสิกส์เชิงชีววิทยา เป็นศาสตร์ลูกผสมแขนงหนึ่งที่ดึงเอาฟิสิกส์ที่น่าสนใจ ได้แก่ ปรากฏการณ์ ความคิดรวบยอด และกฎต่างๆ จากชีวระบบ โดยที่ชีวระบบจะถูกมองเสมือนว่า เป็นระบบทางกายภาพระบบหนึ่ง [4-5] ศาสตร์นี้ถือกำเนิดขึ้นจากการที่นักฟิสิกส์กลุ่มหนึ่งมีความคิดว่า การศึกษาทางจุลภาค คือการค้นหาองค์ประกอบย่อยๆ ของอะตอม เช่น quark หรือการศึกษาทางมหภาค คือ การศึกษาจักรวาล เป็นการลงทุนที่มหาศาล เนื่องจากต้องอาศัยเครื่องเร่งอนุภาค หรือกล้องโทรทรรศน์ที่มีราคาสูง แต่ผลที่ได้จากการศึกษามีน้อย และต้องอาศัยการลงทุนที่มหาศาล ในขณะที่สิ่งมีชีวิตซึ่งเป็นสิ่งที่ใกล้ตัว และเกี่ยวข้องโดยตรงกับมนุษย์ กลับไม่ได้รับความสนใจเท่าที่ควร กอปรกับได้มีการค้นพบโครงสร้างของกรดนิวคลีอิค (nucleic acid) ประเภท deoxyribonucleic acid หรือ DNA ในปี ค.ศ. 1953 โดย James Watson และ Francis Crick โดยอาศัยวิธีการทางฟิสิกส์ คือ การเลี้ยวเบนรังสีเอ็กซ์ (x-ray diffraction) ซึ่งความสำเร็จนี้เทียบได้กับการค้นพบอะตอมของไฮโดรเจนทีเดียว นี้เป็นจุดเริ่มต้นให้นักฟิสิกส์เริ่มหันมาให้ความสนใจชีววิทยา อันที่จริงฟิสิกส์เชิงชีววิทยาถือกำเนิดมานานมากแล้ว แต่ที่ยังไม่เป็นที่รู้จักกัน เนื่องจากมีผู้ให้ความสนใจน้อย คล้ายๆ กันกับที่วิชาชีวฟิสิกส์ประสบอยู่เช่นกัน ทั้งสองสาขาวิชาต่างก็เป็นสหสาขาวิชา (interdisciplinary science) เนื่องจากต้องอาศัยองค์ความรู้ในหลายสาขาวิชา เช่น คณิตศาสตร์ ฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา และชีวเคมี เป็นต้น ในการศึกษา พจนานุกรมศัพท์ชีววิทยาของ McGraw Hill ซึ่งตีพิมพ์ในปี ค.ศ. 1986 ได้ให้คำนิยามของชีวฟิสิกส์ไว้ว่า "ชีวฟิสิกส์เป็นศาสตร์ลูกผสมซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้วิธีการและแนวคิดของฟิสิกส์และเคมี ในการศึกษาและอธิบายโครงสร้างของสิ่งมีชีวิต และกลไกของกระบวนการของสิ่งมีชีวิต" หรือกล่าวอีกแง่หนึ่งก็คือ เป็นสิ่งที่นักฟิสิกส์กระทำต่อชีววิทยา ซึ่งจากคำนิยามจะเห็นว่าศาสตร์ทั้งสองนี้แตกต่างกัน อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริงการจะระบุให้ชัดเจนลงไปว่าหัวข้อใดหัวข้อหนึ่งเป็นของสาขาใดสาขาหนึ่งนั้นทำได้ยาก เนื่องจากศาสตร์ทั้งสองมีส่วนเหลื่อมล้ำกันอยู่ ทำนองเดียวกันกับที่เป็นอยู่ในวิชาฟิสิกส์และเคมี

สิ่งมีชีวิตประกอบขึ้นจากส่วนย่อยที่เป็นลำดับขั้น

สิ่งมีชีวิตประกอบขึ้นจากส่วนย่อยที่เป็นลำดับขั้น ในทางฟิสิกส์ก่อนที่จะเริ่มต้นศึกษาเราต้องทราบขนาดของสิ่งที่จะศึกษาก่อนเพื่อที่จะเลือกใช้ทฤษฎีได้อย่างเหมาะสม ชีววิทยาเองก็มีการจัดลำดับขนาดของสิ่งมีชีวิตเช่นกัน จากที่ใหญ่ที่สุด คือตัวสิ่งมีชีวิตเอง ลงไปจนถึงส่วนที่เล็กที่สุด คือ อะตอม ดังแสดงในรูปที่ 1 [4] ซึ่งจากรูปจะเห็นได้ว่าสิ่งมีชีวิตประกอบด้วยองค์ประกอบซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่มีชีวิต โดยจุดที่อยู่กึ่งกลางระหว่างสภาพความไม่มีชีวิตและสภาพความมีชีวิต คือ ระดับของชีวโมเลกุล (biomolecule) ก่อนที่เราจะศึกษาลึกลงไปในระดับดังกล่าว ลองมาทำความเข้าใจเซลล์ซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตกันก่อน

สิ่งมีชีวิต 2 ประเภท สิ่งมีชีวิตบนโลกจำแนกได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ คือ procaryote และ eucaryote โดยที่ procaryote เป็นสิ่งมีชีวิตซึ่งประกอบด้วยเซลล์ที่ไม่มีเยื่อหุ้มนิวเคลียส (nuclear membrane หรือ nuclear envelope) และอวัยวะในเซลล์ (organelle) ก็ไม่มีเยื่อหุ้ม เพราะฉะนั้นสารพันธุกรรม (genetic material) หรือกรดนิวคลีอิคจึงอยู่ปะปนกับอวัยวะในเซลล์ ในขณะที่ eucaryote เป็นสิ่งมีชีวิตซึ่งประกอบด้วยเซลล์ที่มีเยื่อหุ้มนิวเคลียส รวมถึงเยื่อหุ้มอวัยวะในเซลล์ ดังนั้น สารพันธุกรรมหรือกรดนิวคลีอิคประเภท DNA จึงถูกแยกออกมาต่างหาก ไม่ปะปนกับอวัยวะในเซลล์ สิ่งมีชีวิตที่จัดเป็นพวก procaryote ได้แก่ แบคทีเรีย และสาหร่ายสีน้ำเงินแกมเขียว (blue-green algae) ส่วนสัตว์และพืชชั้นสูงจัดเป็นพวก eucaryote รูปที่ 2 แสดงเซลล์และองค์ประกอบภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตทั้งสองชนิดเปรียบเทียบกัน โดยเซลล์ของสิ่งมีชีวิตประเภท eucaryote ที่แสดงเป็นเซลล์พืชเนื่องจากมี chloroplast

DNA และโปรตีน: ฝ่ายสั่งการและฝ่ายดำเนินการในสิ่งมีชีวิต

ชีวโมเลกุล 2 ประเภทที่เป็นองค์ประกอบที่มีบทบาทมากในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต ได้แก่ กรดนิวคลีอิค และโปรตีน โดยกรดนิวคลีอิคมีหน้าที่เก็บและส่งผ่านข้อมูล รวมถึงสั่งการในกระบวนการสร้างโปรตีน ส่วนโปรตีนนั้นเปรียบเสมือนกับเครื่องจักรที่ทำหน้าที่ต่างๆ ซึ่งจำเป็นต่อชีวิต ความสัมพันธ์ระหว่างชีวโมเลกุลทั้งสองประเภทนี้ แสดงในรูปที่ 3 โดยเปรียบเทียบหน้าที่ของกรดนิวคลีอิคกับฝ่ายสั่งการ และหน้าที่ของโปรตีนกับฝ่ายดำเนินการ [4] กรดนิวคลีอิค ซึ่งจากรูปเป็นของสิ่งมีชีวิตประเภท eucaryote เนื่องจากพันอยู่รอบแกนโปรตีน histone จะถูกถอดรหัส (transcribe) ออกมาเป็นกรดนิวคลีอิคประเภท ribonucleic acid หรือ RNA และ RNA นี้จะถูกส่งออกไปนอกนิวเคลียส ไปยังไรโบโซม (ribosome) ที่ซึ่งการสังเคราะห์โปรตีนจากกรดอะมิโน (amino acid) พื้นฐาน 20 ชนิดเกิดขึ้น โปรตีนที่ได้จากการสังเคราะห์จะเป็นตัวที่ทำหน้าที่ต่างๆ ในสิ่งมีชีวิตให้ดำเนินไปอย่างปกติ

กรดนิวคลีอิค ความเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้างและหน้าที่ของกรดนิวคลีอิคก้าวหน้าอย่างรวดเร็วในช่วงหลายสิบปีที่ผ่านมา เนื่องจากเทคนิคในการศึกษาได้รับการพัฒนาให้ทันสมัยขึ้น จากการศึกษาทำให้เราทราบว่า กรดนิวคลีอิคจำแนกได้ 2 ประเภท คือ DNA และ RNA โดยที่กรดนิวคลีอิคทั้ง 2 ประเภทต่างประกอบด้วยองค์ประกอบหลัก 3 ส่วนคือ น้ำตาลที่มีธาตุคาร์บอน 5 อะตอม หมู่ฟอสเฟต และเบสที่มีธาตุไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบ (nitrogenous base) ต่างกันตรงที่น้ำตาลใน DNA เป็นน้ำตาล deoxyribose ส่วนใน RNA เป็นน้ำตาล ribose และ เบส ซึ่งใน DNA ประกอบด้วยเบส adenine (A) guanine (G) cytosine (C) และ thymine (T) ส่วนใน RNA ประกอบด้วย A G C และ uracil (U) องค์ประกอบของ DNA และ RNA โดยสรุปแสดงไว้ในตารางที่ 1
โมเลกุลที่ประกอบด้วยน้ำตาลและเบส ทางชีวเคมีเรียกว่า nucleoside และ nucleoside ที่มีหมู่ฟอสเฟตอยู่ด้วยมีชื่อว่า nucleotide ตัวอย่างของ nucleotide ซึ่งประกอบด้วยเบสชนิด adenine แสดงในรูปที่ 5 กรดนิวคลีอิคไม่ว่าจะเป็น DNA หรือ RNA ก็ตาม เกิดจากการจับกันระหว่าง nucleotide ด้วยพันธะซึ่งเรียกว่า phosphodiester
phosphodiester linkage เกิดเป็นสาย polynucleotide ใน DNA โครงสร้างที่พบมีลักษณะเป็นเกลียวคู่ (double helix) ดังรูปที่ 6 โดยเกิดจาก polynucleotide 2 สายมาจับกันโดยอาศัยพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) ระหว่างเบส โดยที่ A จับกับ T ด้วยพันธะไฮโดรเจน 2 พันธะ และ G จับกับ C ด้วยพันธะไฮโดรเจน 3 พันธะ ดังแสดงในรูปที่ 7 การจับคู่ระหว่าง A กับ T และ G กับ C นี้เรียกว่า การจับคู่สมของเบส (complementary base pairing)
เมื่อสิ่งมีชีวิตมีการแบ่งเซลล์ การแบ่งนิวเคลียสจะเกิดขึ้นด้วย เพื่อที่จะอนุรักษ์ลักษณะทางพันธุกรรมของเซลล์ลูก ที่เกิดจากการแบ่งเซลล์ โดยจะมีการจำลองตัว (replicate) ของ DNA ในนิวเคลียส สาย DNA เกลียวคู่จะถูกเอนไซม์บางชนิดคลายเกลียวออก และจากนั้นจะมีการจำลองสาย DNA ขึ้นมาอีก 2 สาย โดยอาศัย 2 สายเดิมเป็นเส้นแม่พิมพ์ (template) ดังแสดงในรูปที่ 8 เซลล์ลูกแต่ละเซลล์ที่ได้จากการแบ่งเซลล์ประกอบด้วย DNA เกลียวคู่ซึ่งประกอบขึ้นจากสายเดิม และสายใหม่ อย่างละเส้น

จาก DNA สู่การสังเคราะห์โปรตีน

การสังเคราะห์โปรตีนเริ่มจากการที่สายคู่ของ DNA คลายเกลียวออก และมีเอนไซม์สำหรับการสังเคราะห์ RNA มาจับบนสายของ DNA สายใดสายหนึ่ง และใช้สายนั้นเป็นสายแม่พิมพ์สำหรับสังเคราะห์ RNA สาย RNA ที่สังเคราะห์ขึ้นจะมีชนิดของเบสที่เป็นคู่สมกันกับสายของ DNA ที่เป็นสายแม่พิมพ์ เว้นแต่จะไม่มีการจับกันระหว่างสาย DNA และ RNA ด้วยพันธะ และสำหรับเบสบนสาย DNA ที่เป็น A บนสาย RNA จะเป็น U แทนที่จะเป็น T RNA ที่พบในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตและจำเป็นต่อการสังเคราะห์โปรตีนมีอยู่ 3 ชนิด คือ ribosomal RNA (rRNA) messenger RNA (mRNA) และ transfer RNA (tRNA) สาย mRNA ที่ได้จากการถอดรหัสของ DNA ซึ่งมีข้อมูลของโปรตีนที่จะสังเคราะห์ขึ้น จะเคลื่อนที่ไปยัง ribosome ซึ่งเกิดจากการรวมตัวของ rRNA และ โปรตีนเฉพาะบางตัวอันเป็นสถานที่สำหรับการสังเคราะห์โปรตีน และจับกับ ribosome นั้น จากนั้นเบส 3 ตัว (triplet) บนสาย mRNA ซึ่งเรียกว่า codon จะเข้าคู่กับเบส 3 ตัว ซึ่งเรียกว่า anticodon บน tRNA จำเพาะในลักษณะแบบคู่สม คือ A จับกับ U และ G จับกับ C โดยที่ tRNA แต่ละตัวจะเชื่อมอยู่กับกรดอะมิโนหนึ่งตัว และ tRNA นี้เองที่เป็นตัวนำเอากรดอะมิโนมาสังเคราะห์เป็นโปรตีน การเข้าคู่กันในลักษณะนี้คล้ายๆ กับการแปลรหัสจากเบส 3 ตัวบน mRNA ไปเป็นชนิดของกรดอะมิโน ดังนั้นในทางชีวเคมีจึงเรียกกระบวนการสังเคราะห์โปรตีนว่า การแปล (translation) รูปที่ 9 แสดงขั้นตอนคร่าวๆ ของการถอดรหัสเบสบนสาย DNA มาเป็น mRNA จนถึงเบส 3 ตัวบน mRNA ซึ่งเมื่อแปลแล้ว จะได้ชนิดของกรดอะมิโนต่างชนิดกัน ไปตามลำดับของเบสบน mRNA [2]

codon บนสาย mRNA ซึ่งเรียกว่ารหัสพันธุกรรม (genetic code) มีทั้งหมด 64 ตัว (รูปที่ 10) เนื่องจากรหัสบน codon ประกอบด้วยเบสเพียง 4 ชนิด โดยที่แต่ละตำแหน่งมีความเป็นไปได้ 4 อย่าง (4 x 4 x 4 = 64) แต่กรดอะมิโนมีได้ 20 ชนิด ดังนั้น กรดอะมิโนบางตัวจึงมี codon มากกว่าหนึ่ง ซึ่งปรากฏการณ์นี้เรียกว่า degeneracy
degeneracy [1] โปรตีนที่สังเคราะห์ขึ้นเกิดจากการเชื่อมต่อกันของกรดอะมิโนแต่ละตัวด้วยพันธะเปปไตด์ (peptide bond) การเชื่อมต่อของกรดอะมิโนจะสิ้นสุดลงเมื่อมาถึง codon ที่เป็น UAA, UAG หรือ UGA ซึ่งไม่เป็นรหัสสำหรับกรดอะมิโนตัวใดๆ เลย codon เหล่านี้เป็นสัญญาณสั่งให้ยุติการสร้างโปรตีน และเรียกว่า stop codon ซึ่งเมื่อสาย mRNA ถูกอ่านมาจนถึงจุดนี้ สายโซ่ของ polypeptide จะหลุดออกมาจาก ribosome กลไกโดยสรุปของกระบวนการสร้างโปรตีนแสดงไว้ในรูปที่ 11

โครงสร้างของโปรตีน 4 ระดับ

โปรตีนที่สร้างขึ้นในระยะแรกจะเป็นเส้นยาวๆ เกิดจากกรดอะมิโนซึ่งมีอยู่ทั้งหมด 20 ชนิด (รูปที่ 12) มาจับกันเป็นสายโซ่ เรียกว่า สายโซ่ของ polypeptide ซึ่งโครงสร้างดังกล่าวเรียกว่า โครงสร้างปฐมภูมิ (primary structure) ต่อมาสายโซ่ polypeptide จะพันตัวหรือม้วนตัว (fold) เป็นรูปแบบเฉพาะ เช่น a-helix หรือ b-pleated sheet ซึ่งในระดับนี้จะมีพันธะไฮโดรเจนเข้ามาเกี่ยวข้องในการก่อตัวเป็นรูปแบบดังที่ได้กล่าวมา และเรียกโครงสร้างในระดับนี้ว่า โครงสร้างทุติยภูมิ (secondary structure) การพับตัวหรือม้วนตัวที่มากขึ้นก่อให้เกิดเป็นโครงสร้างตติยภูมิ (tertiary structure) โปรตีนที่มีขนาดของโมเลกุลใหญ่บางชนิด เช่น hemoglobin ซึ่งประกอบด้วยหน่วย a 2 หน่วย และหน่วย b 2 หน่วย มีโครงสร้างในระดับที่ 4 คือโครงสร้างจตุรภูมิ (quaternary structure) อันเกิดจากการรวมกันของสายโซ่ polypeptide ที่มีโครงสร้างตติยภูมิ 4 หน่วย รูปที่ 13 แสดงโครงสร้างทั้ง 4 ระดับของโปรตีน โครงร้างตติยภูมิและจตุรภูมิ เป็นโครงสร้างของโปรตีนที่พบในธรรมชาติ การพับทบไปทบมาของสายโซ่ polypeptide ก่อให้เกิดร่องและช่อง ซึ่งเป็นหัวใจของการทำงานของโปรตีน

การหาโครงสร้างปฐมภูมิของโปรตีนกระทำได้โดยอาศัยวิธีการทางชีวเคมี โครงสร้างจตุรภูมิสามารถกำหนดได้โดยอาศัยกล้องจุลทรรศน์อิเล็คตรอน ส่วนโครงสร้างทุติยภูมิและตติยภูมินั้น เกี่ยวข้องกับการจัดเรียงตัวของอะตอมในโปรตีน สามารถหาได้โดยอาศัยวิธีการทางฟิสิกส์ คือ x-ray crystallography หรืออาจใช้ nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy ในกรณีที่โปรตีนที่จะศึกษามีขนาดเล็ก [3]

โครงสร้างระดับอะตอมของโปรตีนช่วยให้เกิดความเข้าใจเกี่ยวกับกลไก การทำงานของโปรตีน

วิธีหาโครงสร้างโปรตีน ไม่ว่าจะเป็น x-ray crystallography หรือ NMR spectroscopy ทำให้เราได้ทราบโครงสร้างในรายละเอียดของโปรตีน (รวมถึงกรดนิวคลีอิค) ถึงระดับอะตอม โครงสร้างที่ได้ช่วยก่อให้เกิดความเข้าใจถึงกลไกการทำงานของโปรตีน เช่น กลไกปฏิกิริยาระหว่าง antigen และ antibody ที่จำเพาะต่อ antigen ตัวอย่างของโครงสร้างโปรตีนที่หาได้โดยวิธี x-ray crystallography ได้แก่ โครงสร้างของ myoglobin ซึ่งเป็นโปรตีนในกล้ามเนื้อที่รับเอาออกซิเจนจาก hemoglobin และสะสมไว้ใช้ยามต้องการ และโครงสร้างของ hemoglobin ซึ่งเป็นโปรตีนที่ทำหน้าที่ขนส่งออกซิเจนจากปอดไปยังเนื้อเยื่อต่างๆ [1]

ซึ่งจากรูปที่ 14 จะเห็นได้ว่าการจัดเรียงตัวของอะตอมของสายหลักของ myoglobin และสาย b ของ hemoglobin มีความคล้ายคลึงกันอย่างเห็นได้ชัด [6] นอกจากนี้ x-ray crystallography ยังแสดงให้เห็นว่า การจัดเรียงตัวของอะตอมในโมเลกุลขณะจับกับโมเลกุลของออกซิเจนยังเปลี่ยนไปจากขณะที่ไม่ได้จับกับโมเลกุลใดๆ ดังเช่น โมเลกุลของ hemoglobin ซึ่งภายหลังจับกับโมเลกุลของออกซิเจนแล้ว คู่หนึ่งของ a-b subunit จะหมุนไป 15 องศา เมื่อเทียบกับอีกคู่หนึ่ง [7] นี้เป็นหลักฐานที่แสดงให้เห็นอย่างประจักษ์ชัดว่า การจับกับโมเลกุลของออกซิเจนของ hemoglobin ได้ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของการจัดเรียงตัวของอะตอมในโมเลกุล รูปเปรียบเทียบแสดงการเปลี่ยนแปลง การจัดเรียงตัวของอะตอมในโมเลกุล deoxyhemoglobin และ oxyhemoglobin แสดงไว้ในรูปที่ 15

ประเด็นที่น่าสนใจทางฟิสิกส์เชิงชีววิทยา

จากที่ได้กล่าวมาในรายละเอียด จาก DNA สู่การสังเคราะห์โปรตีน และโครงสร้างของโปรตีนในระดับต่างๆ จะเห็นได้ว่ามีประเด็นที่น่าสนใจอยู่หลายประเด็น ประเด็นแรกคือ การที่ข้อมูลในสารพันธุกรรมถูกจัดเก็บ บนระบบเลขฐาน 4 (A G C และ T) แทนที่จะเป็นระบบเลขฐาน 2 (0 และ 1) ที่ใช้กันอยู่อย่างกว้างขวางในสังคมปัจจุบัน ระบบดังกล่าวดีกว่าหรือไม่อย่างไรเมื่อเทียบกับระบบที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน เมื่อขบคิดดูจะพบว่า ระบบเลขฐาน 4 มีประโยชน์มากในการดำเนินการเกี่ยวกับข้อมูลจำนวนมากๆ ซึ่งในอนาคตก็มีแนวโน้มที่จะเป็นเช่นนั้น และเป็นไปได้ว่าในอนาคตธนาคารใหญ่ๆ หรือสถาบันต่างๆ อาจจะเปลี่ยนมาใช้ข้อมูลบนระบบเลขฐาน 4 ดังที่ปรากฏอยู่ในสิ่งมีชีวิตก็เป็นได้ นี้เป็นความคิดหนึ่งของการสร้าง DNA computer เพื่อทดแทนคอมพิวเตอร์ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน สืบเนื่องมาจากข้อจำกัดซึ่งคาดว่าจะเกิดขึ้นในอนาคตของ silicon ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน กล่าวคือ เมื่อวงจรจำนวนมากถูกย่อและอัดอยู่บนแผ่น silicon เล็กๆ แผ่นหนึ่ง ในที่สุดจะถึงขีดจำกัดทางฟิสิกส์ดังที่กล่าวไว้ในกลศาสตร์ควอนตัม เนื่องจากวงจรจะลดขนาดลงถึงมิติของอะตอม ซึ่งในระดับดังกล่าวอิเล็คตรอนย่อมเป็นอิสระที่จะเดินผ่านช่องว่างแคบๆ ระหว่างวงจร ไม่วิ่งไปในทิศทางที่ควรจะเป็น และก่อให้เกิดการลัดวงจรในที่สุด อย่างไรก็ตามเป็นที่คาดกันว่า DNA computer คงจะยังไม่เข้ามาทดแทน silicon chip ในอนาคตอันใกล้ เนื่องจาก DNA computer มีขนาดเครื่องที่ค่อนข้างใหญ่เทอะทะ ประกอบด้วยหลอดบรรจุของเหลวอินทรีย์จำนวนมาก และไม่สะดวกเหมือนกับคอมพิวเตอร์ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน ประเด็นที่สอง เป็นประเด็นทางคณิตศาสตร์ คือ เหตุใดจึงต้องมีการแปลงจากเบส 4 ตัว ไปเป็นกรดอะมิโน 20 ตัว อะไรเป็นข้อจำกัดให้ธรรมชาติเลือกใช้กรดอะมิโนเพียง 20 ชนิดในการสร้างโปรตีน และอะไรเป็นสาเหตุที่ธรรมชาติเลือกใช้เบส 3 ตัวในการกำหนดชนิดของกรดอะมิโน การทำงานของโปรตีนซึ่งต้องอาศัยโครงสร้าง ที่มีการจัดเรียงตัวของอะตอมพับไปมาเป็นลักษณะ 3 มิติ ก็เป็นปัญหาที่น่าสนใจ มีการเสนอทฤษฎีเกี่ยวกับ energy landscape ของโปรตีน โดยอาศัยหลักทางอุณหพลศาสตร์ (thermodynamics) โดยโปรตีนที่มีรูปทรงที่แตกต่างจากรูปทรง 3 มิติที่พบอยู่ทั่วไปในธรรมชาติ (native form) จะมีระดับของพลังงานสูงกว่าโปรตีนที่คงรูปทรง 3 มิติตามที่พบในธรรมชาติ ซึ่งมีระดับพลังงานต่ำสุด ทฤษฎีนี้บอกเราว่าระดับพลังงานต่ำสุดของโปรตีนมีได้หลายแห่ง เนื่องจากในความเป็นจริงแขนงข้าง (side chain) ของโปรตีนมีการเคลื่อนไหวตลอดเวลา ดังนั้น โปรตีนจึงมี degeneracy ค่อนข้างสูงทีเดียว [4] ปัญหาเกี่ยวกับ folding ของโปรตีนเป็นปัญหาหลักปัญหาหนึ่งของฟิสิกส์เชิงชีววิทยาที่เป็นที่สนใจกันอย่างมากทีเดียว มีความพยายามที่จะหาวิธีทำนายโครงสร้าง 3 มิติของโปรตีนจากลำดับของกรดอะมิโนบนสาย polypeptide แต่ว่ายังคงไม่ได้ข้อสรุปที่ชัดเจน ฟิสิกส์มักจะสมมุติเอาว่ากระบวนการทางกายภาพที่ขึ้นกับเวลา (time dependent) มักมีความสัมพันธ์แบบ sinusoidal หรือแบบ exponential อย่างไรก็ตาม ข้อสมมุติดังกล่าวไม่เป็นจริงเสมอไป ตัวอย่างเช่น โปรตีนซึ่งเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีการเคลื่อนไหวของแขนงข้างตลอดเวลา ดังนั้น จึงไม่สามารถใช้ single particle model ซึ่งสมมุติว่าโปรตีนเป็นอนุภาคที่ไม่มีการเคลื่อนไหว (static) มาอธิบายได้ และยังพบอีกว่ากระบวนการจำนวนมากในโปรตีนไม่เป็นไปในลักษณะของ exponential เช่น จากการศึกษาการจับคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ของ myoglobin โดยการใช้ลำแสงเลเซอร์ห้วงสั้นๆ (laser flash) เพื่อทำลายพันธะที่ยึดระหว่างโมเลกุลของ CO กับโมเลกุลของ Fe ซึ่งเป็นองค์ประกอบของ heme group ซึ่งจุดนี้จะมีการปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่น เรียกว่า proteinquake คล้ายๆ กับคลื่นแผ่นดินไหว [4] จากนั้นศึกษาการเข้าจับตัวใหม่ของ CO กับ Fe (รูปที่ 16) โดยใช้แสงที่อยู่ในช่วงคลื่นที่มองเห็นได้หรือช่วงแสงอินฟราเรด พบว่า เส้นทางที่ CO เข้าจับกับ Fe ใหม่ไม่เป็นไปตาม exponential decay กล่าวคือ จากการใช้การอินทิเกรตตามวิถี (path integration) ในการศึกษา พบว่า surviving path มีลักษณะคล้ายๆ กันกับรูปที่ได้จากการสะท้อนกราฟของ exponential decay จาก quadrant ที่ 1 โดยอาศัย y = -x เป็นแกนสะท้อน ลงมายัง quadrant ที่ 3 ซึ่งจะต้องมีการศึกษาต่อไปว่าเหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น

สรุป

สรุป จากที่ได้กล่าวมาจะเห็นได้ว่า ความสัมพันธ์ระหว่างฟิสิกส์และชีววิทยา ดูจะใกล้ชิดกันมากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป การศึกษาฟิสิกส์ของกลไกของชีวโมเลกุลทั้ง DNA และโปรตีน นอกจากจะให้ผลเป็นความเข้าใจที่ลึกซึ้งทางชีววิทยา ซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้ในหลาย ๆ ด้าน เช่น ทางการแพทย์ และเภสัช แล้ว ยังจะก่อให้เกิดประโยชน์แก่ฟิสิกส์ คือ อาจนำไปสู่การคนพบกฎใหม่ๆ ทางฟิสิกส์ที่หลบซ่อนอยู่ในชีวระบบก็เป็นได้ กิตติกรรมประกาศ ผู้เขียนขอขอบคุณสำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.) และสภาวิจัยแห่งชาติ ที่ให้การสนับสนุนการเขียนบทความนี้ บรรณานุกรม มนตรี จุฬาวัฒนทล, ยงยุทธ ยุทธวงศ์, ม.ร.ว. ชิษณุสรร สวัสดิวัฒน์, ประหยัด โกมารทัต, ประพนธ์ วิไลรัตน์, สกล พันธุ์ยิ้ม และภิญโญ พานิชพันธ์ (2530) "ชีวเคมี" ศ. ส. การพิมพ์ กรุงเทพฯ บทที่ 6, 15 Black, J. G., 1999, Microbiology: Principles and Explorations (Prentice-Hall, New Jersey). Branden C., and J. Tooze, 1991, Introduction to Protein Structure (Garland, New York). Frauenfelder, H., 1988, "Physics and Biology," Physics in a Technological World (American Institute of Physics, New York). Frauenfelder, H., P. G. Wolynes, and R. H. Austin, 1999, "Biological Physics," Review of Modern Physics, 71(2), S419-S430. Stryer L., 1995, Biochemistry (Freeman, San Francisco). Van Holde, K. E., W. C. Johnson, and P. S. Ho, 1998, Principles of Physical Biochemistry (Prentice-Hall, New Jersey).