จากอณูสู่อาณาจักร (ชีวิต) ตอนที่ 1 ปฐมบท

    
          ท่ามกลางสรรพสิ่งที่อยู่รอบตัวเราล้วนเป็นวัฏจักรของธรรมชาติที่คงอยู่ เปลี่ยนแปลงและเกื้อหนุนกันอย่างละมุน กระบวนการหรือพลวัตรที่ขับเคลื่อนวัฏจักรเหล่านี้คือปริศนาที่รอการไขและนำไปประยุกต์ใช้ให้เกิดประโยชน์ สรรพสิ่งในการนี้หมายรวมถึงสิ่งที่เล็กที่สุดกระทั่งสิ่งที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่ปรากฏอยู่ในธรรมชาติ ชุดบทความนี้มุ่งเน้นบรรยายความสัมพันธ์ระหว่างพฤติกรรมหรือผลจาก   พฤติกรรมของสรรพสิ่งขนาดเล็กที่มีผลต่อสิ่งมีชีวิตตามที่นักวิทยาศาสตร์ได้ให้นิยาม ตั้งสมมติฐาน ทำการทดลองตามหลักฐานเชิงประจักษ์ และสรุปผลเท่าที่มีในปัจจุบัน ทั้งนี้ เพื่อสร้างแรงบันดาลใจแก่ผู้สนใจหน้าใหม่ในศาสตร์ “ชีววิทยาควอนตัม (Quantum Biology)” ให้มาร่วมกันไขปริศนาในดินแดนสนธยาอันน่าหลงไหลแห่งนี้ 


          “ชีววิทยา (Biology)”เป็นศาสตร์หนึ่งของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ (Natural science) ที่ศึกษาทุกแง่มุมของสิ่งมีชีวิตไม่ว่าจะเป็นโครงสร้าง พฤติกรรม วิวัฒนาการ และอื่นๆ ทั้งในระดับมหภาคและจุลภาค ซึ่งหากดู    ผิวเผินแล้วชีววิทยาคงเป็นศาสตร์ที่เต็มไปด้วยข้อมูลตายตัวให้ศึกษาและท่องจำกันจนกบาลบวม แต่ในความเป็นจริงสิ่งมีชีวิตกลับมีองค์ประกอบมากมายที่เต็มไปด้วยความไม่แน่นอน ยกตัวอย่างเช่น พฤติกรรมของน้องไก่จ๋าตัวหนึ่งที่กำลังจิกกินเม็ดข้าวบนพื้น แน่นอนว่าไก่จิกกินข้าวเมื่อมันรู้สึกหิว ข้อมูลนี้ค่อนข้างตายตัวเพราะสิ่งมีชีวิตย่อมแสดงพฤติกรรมเมื่อมีสิ่งเร้ามากระตุ้น แต่หากพิจารณาว่าไก่จะโยกหัวในจังหวะเฮฟวี่เมทัลลงไปจิกข้าวกี่ครั้งถึงจะเงยหน้าขึ้นมาและส่ายหัวตามจังหวะดนตรีภารตะอีกกี่หน ข้อมูลนี้สิยากที่จะคาดเดา เราคงทำได้แค่ทำนายความน่าจะเป็นของเหตุการณ์ที่จะเกิดขึ้นเพียงเท่านั้น 


          นอกเหนือจากความมหัศจรรย์ของสิ่งมีชีวิตที่เราสามารถสังเกตและสัมผัสจับต้องได้ด้วยประสาทสัมผัสแล้ว สิ่งมีชีวิตยังประกอบไปด้วยสิ่งไม่มีชีวิตอย่างอะตอมและองค์ประกอบของอะตอมที่เราเหล่านักฟิสิกส์ทราบกันดีอยู่แล้วว่ามัน “โค-ตะ-ระ” ไม่แน่นอนและแถมยังไม่ต่อเนื่องอีกต่างหาก โดยเราไม่สามารถบอกพฤติกรรมของสิ่งเหล่านั้นได้โดยตรง ทำได้พียงทำนายพฤติกรรมของมันและบอกออกมาอยู่ในรูปของตัวเลขที่บ่งบอกถึงจำนวนโอกาสที่จะเกิดขึ้นที่เรียกว่า “ค่าความน่าจะเป็น (Probability)” ด้วยปริศนาที่เต็มจนตุงของสิ่งมีชีวิตนี้เองได้กระตุ้นต่อมเอ๊ะและสร้างความหลงใหลใคร่รู้ให้กับนักฟิสิกส์ชั้นนำของโลกอย่าง เออร์วิน ชโรดิงเงอร์ (Erwin Schrödinger) ให้ได้ศึกษาและบรรจงสบัดน้ำหมึกปากกาเขียนเป็นหนังสือหนา 184 หน้า ที่มีชื่อเรื่องว่า “ชีวิตคืออะไร (What is Life?)” ^[1] บรรยายเกี่ยวกับความมหัศจรรย์ของสิ่งมีชีวิตที่เขาสังเกตเห็น             อะไรเป็นเหตุผลสำคัญที่ทำให้นักฟิสิกส์ชื่อก้องโลกอย่างชโรดิงเงอร์ให้ความสนใจความลี้ลับแห่งชีวิตซึ่งถือเป็นศาสตร์วิชาที่อยู่คนละมุมกับวิชาฟิสิกส์ภายในบ้านหลังใหญ่ที่ชื่อว่าวิทยาศาสตร์ คำตอบคงเป็นเพราะ ชโรดิงเงอร์มีจิตวิญญาณของความเป็นนักวิทยาศาสตร์อย่างเต็มตัว ทำให้เขารู้สึกสนุกกับการค้นคว้าเพื่อไขปริศนาที่อยู่ตรงหน้าถึงแม้ว่าจะไม่ได้มีความรู้เฉพาะทางในด้านนั้นๆ ก็ตาม ดังประโยคเกริ่นนำที่เขาเขียนไว้ในหนังสือชีวิตคืออะไร ว่า 

 

          แน่นอนครับ!! เมื่อนักฟิสิกส์สักคนจะทำการค้นหาคำตอบใดๆ ก็ตามย่อมใช้วิธีการทางวิทยาศาสตร์ไปพร้อมกับทักษะและสัญชาตดารที่ตนเองมีอยู่ คือ ใช้คณิตศาสตร์เป็นเครื่องมือหลักในการทำงานเพื่อทำนายปรากฏการณ์ธรรมชาติ ผนวกกับการใช้หลักการ กฏ หรือทฤษฎีทางฟิสิกส์เป็นหลักยึดในการขับเคลื่อนแนวคิดให้บรรลุเป้าหมายที่วางไว้ แล้ววิชาใดทางฟิสิกส์ล่ะที่เพรียบพร้อมไปด้วยหลักการหรือกฏหรือทฤษฎีที่พูดถึงความไม่แน่นอนของธรรมชาติและผสมรวมกับความไม่ต่อเนื่องไว้อย่างถึงพริกถึงขิง ใช่ครับ!! วิชานั้น คือ “กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics)”


          กลศาสตร์ควอนตัมเป็นกระบวนยุทธหนึ่งของสำนักวิชาฟิสิกส์ทฤษฎีแบบรากฐานที่ถูกคิดค้นขึ้นมาเพื่อเติมเต็มช่องว่างทางทฤษฎีที่ฟิสิกส์แบบดั่งเดิม (Classical Physics) ไม่สามารถอธิบายได้หรืออธิบายได้แต่ก็ไม่แม่นยำ อาทิเช่น การแผ่รังสีของวัตถุดำ หรือพฤติกรรมของอนุภาคในอะตอม* ฯลฯ โดยส่วนใหญ่ภาพจำเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมที่เราคุ้นเคยจะวนเวียนอยู่กับการอธิบายพฤติกรรมของอนุภาคในอะตอมเมื่ออยู่ในสภาวะต่างๆ จากนั้นจึงนำผลที่ได้ไปต่อยอดประยุกต์ใช้เกิดเป็นนวัตกรรมใหม่ๆ อาทิเช่น คอมพิวเตอร์ โทรศัพท์สมาร์ทโฟน เลเซอร์ นาฬิกาอะตอม หรือแม้แต่เครื่องสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเอ็มอาร์ไอ ^[2] แต่ในทางปฏิบัติแล้วหลักการทางกลศาสตร์ควอนตัมยังสามารถใช้กับสิ่งอื่นๆ ที่ไม่เกี่ยวข้องกับอนุภาคได้เช่นกัน อาทิการทำนายการขึ้นลงของหุ้นในตลาดหลักทรัพย์ ^[3] ถึงอย่างไรก็ตาม เพื่อให้เป็นไปตามวัตถุประสงค์ของบทความนี้เราจะมุ่งเน้นไปยังผลของพฤติกรรมของอนุภาคหรือระบบอนุภาคภายในอะตอมที่ส่งผลต่อปรากฏการณ์ทางชีววิทยาเพียงเท่านั้น
*หมายเหตุ อนุภาคในที่นี้อาจจะมองเป็นคลื่นก็ได้เนื่องจากสมบัติทวิภาคคลื่น-อนุภาค (Wave-particle duality) ซึ่งจะขยายความในบทความถัดไป


          หากจินตนาการลึกลงไปในดินแดนอันเล็กจิ๋วระดับควอนตัม พฤติกรรมของอนุภาคหรือระบบอนุภาคภายในอะตอมนั้นจะแสดงออกมาให้เห็นอยู่ในรูปของปรากฏการณ์ที่เราอาจจะเคยพบเจอหรืออาจจะไม่เคยพบเจอ ซึ่งมิอาจฟันธงได้ แต่ที่แน่นอนคือมีหลายปรากฏการณ์ที่ ว้าว!! มาก อาทิเช่น การแทรกสอดทางควอนตัม (Quantum interference), อุโมงค์ของอนุภาคแสง (Tunneling of light particle), การพัวพันทางควอนตัม (Quantum entanglement), โฟตอนเดี่ยว (Single-photon) และอื่นๆ อีกมากมาย ปรากฏการณ์เหล่านี้ว้าวเพราะเรามิอาจพบเจอได้ในชีวิตประจำวันวันหรือองค์ความรู้เดิมที่นักวิทยาศาสตร์เคยพบเจอและแถมยังเป็นปรากฏการณ์ที่แปลกประหลาดยิ่งกว่าประสบการณ์เดิมที่เราจะทำความเข้าใจได้ ปรากฏการณ์อันแสนประหลาดเหล่านี้จึงเปรียบเสมือนของเล่นชิ้นใหม่ที่นักวิทยาศาสตร์ต้องพยายามค้นหาคำตอบ และคำตอบนั้นต้องเป็นคำตอบที่ชัดเจนที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้และอาจจะต้องเป็นคำตอบที่มนุษย์เราสามารถเข้าใจได้มากที่สุดอีกด้วย


          เมื่อเราพบเจอกับสิ่งที่เราไม่รู้ เราจึงจำเป็นยิ่งที่จะต้องระมัดระวังมากในการตั้งสมมติฐาน ออกแบบการทดลอง อภิปราย หรือท้ายที่สุด คือ สรุปผล เพื่อเผยแพร่ความรู้เหล่านั้นออกไปให้แก่บุคคลอื่นได้ทราบ หลายสมมติฐานหรือข้อสรุปยังไม่ได้รับการยอมรับจากนักวิทยาศาสตร์ทุกกลุ่ม ถึงอย่างไรก็ตาม เราจำเป็นต้องยึดตามสิ่งที่ปรากฏจากการทดลองเพื่อเดินหน้าค้นหาคำตอบต่อไป หรือรอนักวิทยาศาสตร์ท่านอื่นมาตรวจผลดังกล่าวให้เกิดความแน่ชัดจนสุดท้ายให้กลายเป็นองค์ความรู้อันเป็นนิรันด์ของมวลมนุษยชาติ


          พอมาถึงตรงนี้ ท่านผู้อ่านคงเห็นภาพลางๆ แล้วว่ากลศาสตร์ควอนตัมกับชีววิทยาจะเดินจับมือควงแขนไปในดินแดนแห่งธรรมชาติได้อย่างไร ข้อสรุปเบื้องต้น ณ จุดจุดนี้ คือ เราจะนำปรากฏการณ์ทางควอนตัมเท่าที่เราอธิบายได้หรือมีผลการทดลองมารองรับมาเชื่อมโยงกับพฤติกรรมทางชีววิทยา จากนั้นจึงอธิบายความสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นด้วยสมมติฐาน/ข้อสรุปที่น่าเชื่อถือเท่าที่เราทำได้ ซึ่งอาจจะตรงหรือไม่ตรงกับแนวคิดของนักวิทยาศาสตร์ทุกกลุ่ม แต่ถึงอย่างไรก็ตาม ต้องย้ำ!!! ว่า “เราจำเป็นต้องทำและเดินหน้าต่อไปด้วยกระบวนการที่เรายึดถือและข้อมูลที่เรามีอยู่” 


          ทั้งนี้ เพื่อให้เห็นภาพรวมว่าปรากฏการณ์ทางควอนตัมจะใช้อธิบายพฤติกรรมใดในทางชีววิทยาก่อนที่จะมีการขยายความต่อในบทความครั้งถัดไป ผู้เขียนได้นำตารางสรุปความสัมพันธ์ระหว่างปรากฏการณ์ทางชีววิทยา (Biological Phenomena) กับกระบวนทางควอนตัม (Quantum Processes) จากผลงานของนักวิทยาศาสตร์นามว่า Graham Fleming จาก University of California, Berkeley ประเทศสหรัฐอเมริกา และคณะ ซึ่งตีพิมพ์ไว้ในวารสาร Chemistry Procedia ในชื่อ “Quantum effects in biology” เมื่อปี พ.ศ. 2554 ^[4] มาให้ท่านผู้อ่านได้ชิมลางไปพรางๆ ก่อน และพบกันในบทความครั้งถัดไปครับ...

 

อ้างอิง

•     [1] E. Schrödinger, “WHAT IS LIFE?”, Cambridge University Press, The Edinburgh Building, Cambridge cb2 8ru, UK. 1962.
•     [2] M. Arndt, T. Juffmann and V. Vedral, “Quantum physics meets biology”, HFSP Journal, Vol. 3, no.6, pp 386-400, 2009.
•     [3] F. Oreste, “Quantum Trading: Using Principles of Modern Physics to Forecast the Financial Markets”, John Wiley & Sons, 2011.
•     [4] G. R. Fleming, G. D. Scholes and Y. C. Cheng, “Quantum effects in biology”, Procedia Chemistry, Vol. 3, pp 38-57, 2011.