เซลล์ชีวภาพ โมเลกุล และสิ่งมีชีวิตเป็นระบบที่ซับซ้อนซึ่งดึงดูดจินตนาการของนักฟิสิกส์มากขึ้นเรื่อยๆ ระบบชีวภาพไม่เหมือนกับวัตถุจำนวนมากในโดเมนทางกายภาพ ระบบชีวภาพไม่สามารถอธิบายได้ง่ายๆ ด้วยพฤติกรรมโดยรวมขององค์ประกอบแต่ละส่วน ข้อแตกต่างคือเซลล์ชีวภาพเป็นระบบที่มีชีวิต ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ไม่เกี่ยวข้องกับจำนวนของส่วนประกอบที่มีอยู่และเกี่ยวข้องกับวิธีการจัดเรียง
ส่วนประกอบ
ต่างๆ เหล่านี้ นักฟิสิกส์หลายคนตระหนักดีว่าการเข้าใจความซับซ้อนนี้เป็นความท้าทายพื้นฐานของชีววิทยาแต่ส่วนประกอบของเซลล์ที่มีชีวิตปฏิบัติตามกฎทางฟิสิกส์เช่นเดียวกับระบบอื่นๆ ทั้งหมด ตั้งแต่ดาวฤกษ์และกาแล็กซีจนถึงอนุภาคย่อยของอะตอมที่เล็กที่สุด แม้ว่าธรรมชาติจะมีแรงพื้นฐาน
อยู่ 4 แรง แต่แรงไฟฟ้าสถิตนั้นสำคัญที่สุดในชีววิทยา (เราจะมองข้ามกรณีพิเศษบางอย่างที่แรงโน้มถ่วงมีบทบาทสำคัญเช่นกัน เช่น ความมั่นคงของต้นไม้และการไหลเวียนของเลือดในคอของยีราฟ)เป็นตัวอย่างวิธีการที่ระบบชีวภาพอยู่ภายใต้กฎของฟิสิกส์ ลองพิจารณาแนวคิดของ “การคัดกรองประจุ”
ในสารละลายไอออนิก ตัวอย่างเช่น สนามไฟฟ้ารอบไอออนที่มีประจุบวกจะลดลงตามระยะทางอย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากไอออนที่มีประจุลบจะกระจุกตัวอยู่รอบๆ การคัดกรองประจุมีความสำคัญในระบบทางกายภาพทั้งหมด ตั้งแต่ฟิสิกส์ของพลาสมาไปจนถึงคอลลอยด์ แม้ว่าโมเลกุลและเยื่อชีวภาพ
ส่วนใหญ่จะถูกประจุไฟฟ้า แต่ประจุดังกล่าวมีบทบาทในระยะทางที่น้อยมากเท่านั้น ไม่เหมือนกับปฏิกิริยาเคมีในหลอดทดลอง ปฏิกิริยาในระบบชีวภาพไม่สามารถเริ่มต้นหรือเร่งความเร็วได้โดยการเปลี่ยนอุณหภูมิ ในระบบชีวภาพ เอ็นไซม์ถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเริ่มต้นและควบคุมปฏิกิริยา
เนื่องจากอุณหภูมิถูกกำหนดโดยสิ่งแวดล้อมหรือโดยสิ่งมีชีวิตเอง เช่น ในกรณีของสัตว์เลือดอุ่น แม้จะมีความซับซ้อนมากก็สามารถเรียนรู้เกี่ยวกับระบบทางชีววิทยาที่ซับซ้อนได้โดยการศึกษาส่วนประกอบแต่ละส่วน และในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้มีการพัฒนาเทคนิคการทดลองใหม่ๆ ที่ช่วยให้นักวิจัย
สามารถ
ศึกษาและจัดการกับโมเลกุลแต่ละตัวได้ ช่วงเหล่านี้มีตั้งแต่การเรืองแสงโมเลกุลเดี่ยวและแหนบแบบออปติคัล ซึ่งใช้ลำแสงเลเซอร์เพื่อควบคุมตัวอย่างทางชีวภาพ (โปรดดูที่แพดเจตต์และอัลเลนในการอ่านเพิ่มเติม) ไปจนถึงเทคนิคการสแกนโพรบ เช่น กล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณู
อุปกรณ์อเนกประสงค์กล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณู (AFM) เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการศึกษาระบบทางชีววิทยาเนื่องจากความสามารถรอบด้าน เครื่องมือเหล่านี้สามารถใช้งานได้หลายวิธี ตั้งแต่การทำแผนที่พื้นผิวของตัวอย่างโดยละเอียดไปจนถึงการวัดแรงกระทำเฉพาะที่บนพื้นผิว ข้อดีอีกประการ
ของ AFM คือเราสามารถศึกษาคุณสมบัติของโมเลกุลที่มีชีวิตได้ในขณะที่พวกมันผ่านปฏิกิริยาต่างๆ และด้วยเหตุนี้จึงเรียนรู้ว่าพวกมันทำงานอย่างไร ประกอบด้วยปลายที่แหลมมาก โดยปกติจะมีรัศมีประมาณ 10 -10ม. ซึ่งติดอยู่กับสปริงคานแบบอ่อนที่สามารถสัมผัสทางกลกับตัวอย่างได้โดยตรง
โดยทั่วไปแล้ว ตัวอย่างจะถูกติดตั้งบน “ตัวกำหนดตำแหน่ง” แบบเพียโซอิเล็กทริกที่สามารถเคลื่อนย้ายได้ในสามมิติทั้งหมด เราสามารถรับแผนผังรูปร่างของพื้นผิวของตัวอย่างได้โดยเพียงแค่เลื่อนส่วนปลายเหนือพื้นผิวในสองมิติและวัดลักษณะการโค้งงอของสปริง หรือโดยการกดปลายลงในตัวอย่าง
เราสามารถออกแรงกับตำแหน่งเฉพาะบนตัวอย่างได้ ด้วยการดึงปลายออกจากตัวอย่าง เรายังสามารถวัดแรงระหว่างทั้งสองให้มีความแม่นยำประมาณ 10 pN ด้วยความไวสูงนี้ AFM จึงสามารถตรวจสอบและศึกษาโครงสร้างและหน้าที่ของโมเลกุลชีวภาพเดี่ยวที่ไม่บุบสลายได้
ความยืดหยุ่น
ของโมเลกุลเดี่ยวโมเลกุลโพลิเมอร์ยืดได้ไกลแค่ไหน? นี่เป็นหนึ่งในปัจจัยที่สำคัญที่สุดในการพิจารณาว่าโมเลกุลบางชนิดทำงานอย่างไร ตัวอย่างเช่น แอนติบอดีบางตัวต้องคลายตัวและยืดออกเพื่อต่อสู้กับสิ่งมีชีวิตที่ก่อให้เกิดโรค และความยืดหยุ่นของเนื้อเยื่อเกี่ยวพัน เช่น คอลลาเจน
มีความสำคัญอย่างชัดเจน ในปี 1997 และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยมิวนิคใช้ AFM เพื่อวัดคุณสมบัติความยืดหยุ่นของโมเลกุลเดกซ์แทรนเดี่ยว ซึ่งเป็นโมเลกุลน้ำตาลสายยาวที่ผลิตโดยแบคทีเรียบางชนิด แนวคิดพื้นฐานคือการจับปลายด้านหนึ่งของโมเลกุลให้แน่นโดยผูกเข้ากับสารตั้งต้น
และในที่สุดความแข็งของโมเลกุลจะเปลี่ยนไป เป็นที่ชัดเจนว่าแถบยางและโมเลกุลมีพฤติกรรมแตกต่างจากสปริงที่ยืดออกอย่างมาก ระบบการปกครองที่แตกต่างกันเหล่านี้สามารถเข้าใจได้อย่างสมบูรณ์หากเราดูที่กระบวนการดึงและเปลี่ยนรูปโมเลกุลในรายละเอียดระดับอะตอม โดยใช้การจำลองไดนามิก
ของโมเลกุล ในการจำลองเหล่านี้ การเคลื่อนที่ของอะตอมแต่ละอะตอมจะถูกคำนวณเนื่องจากแรงที่อะตอมได้รับจากอะตอมอื่นๆ การจำลองสามารถทำได้โดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยเท่านั้นและใช้เวลานานมาก แม้แต่คอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดก็ยังต้องใช้เวลาหลายสัปดาห์ในการจำลองการเคลื่อนที่
ของทุกอะตอมในพอลิเมอร์ในเวลาเพียงไม่กี่นาโนวินาทีอย่างไรก็ตาม เส้นโค้งแรงขยายจากการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์นั้นสอดคล้องกับข้อมูลการทดลองเป็นอย่างดี และข้อดีของการจำลองก็คือ ตอนนี้เราสามารถอธิบายพฤติกรรมในระดับอะตอมหรือระดับโมเลกุลย่อยได้แล้ว ส่วนยืดหยุ่นที่มีความสำคัญ
ต่อแรงที่ค่อนข้างน้อยนั้นเกิดจากการหมุนของพันธะระหว่างโมเลกุลคาร์บอนสองตัวที่เข้าร่วมวงแหวนน้ำตาลจริงสำหรับการใช้งานของมนุษย์” สัญญาณต่อพื้นหลังและขนาดหลอดเลือดที่คล้ายกันกับภาพ ซึ่งเป็นความจริง ซึ่งเป็นการเพิ่มขีดจำกัดความลึกหนึ่งโฟตอนในหน้าต่าง NIR-IIa จากด้านล่าง 2 มม.
credit : สล็อตเว็บตรง100 / ดูหนังฟรี / 50รับ100
