ความสำคัญของฟิสิกส์ต่อแพทยศาสตร์

ความสำคัญของฟิสิกส์ต่อแพทยศาสตร์

ความสำคัญของฟิสิกส์ต่อแพทยศาสตร์           จุดประสงค์หลักของวิทยาการด้านแพทยศาสตร์คือการค้นหาความรู้และวิธีที่ทำให้ชีวิตของมนุษย์มีคุณภาพดีขึ้น ด้วยเหตุนี้งานวิจัยด้านแพทยศาสตร์จึงมีหลายด้าน เช่น ด้านการป้องกัน การตรวจหา การวิเคราะห์ และการรักษาโรคหรือความพิการต่าง ๆ ตั้งแต่โรคที่เป็นกันง่ายอันได้แก่ หวัด จนกระทั่งโรคที่เกิดจากความผิดปกติทางพันธุกรรม เช่น มะเร็ง ธาลัสซีเมียและโรค Hodgkin เป็นต้นและในการทำสงครามราวีรบกับโรคร้ายทั้งหลายนั้น แพทย์ต้องการความรู้และความช่วยเหลือจากบุคคลต่าง ๆ ในหลายวงการเช่น จากนักชีววิทยา นักเคมี เภสัชกร นักคณิตศาสตร์ วิศวกร นักฟิสิกส์ นักคอมพิวเตอร์ นักสังคมวิทยา นักมานุษยวิทยา และนักพฤติกรรมศาสตร์ ฯลฯ แต่ถ้าเราพิจารณาย้อนไปในอดีต และมองมุ่งสู่อนาคตแล้วเราก็จะเห็นว่า นักฟิสิกส์และนักเคมีมีบทบาทในการทำให้วิทยาการด้านแพทยศาสตร์เจริญรุดหน้ามากที่สุด           ในส่วนที่เกี่ยวกับฟิสิกส์นั้น วงการแพทย์ก็คงต้องยอมรับว่า การประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์เมื่อ ๓๒๘ ปีก่อนได้ช่วยให้แพทย์สามารถเห็นและเข้าใจธรรมชาติของสัตว์ขนาดเล็กเช่น เชื้อโรคและจุลินทรีย์ดีขึ้น ความสำเร็จของ Rontgen ในการพบรังสีเอ็กซ์ เพื่อให้ตรวจกระดูกและดูอวัยวะภายในร่างกาย โดยไม่ต้องผ่าคนไข้ออกดูก็เป็นที่รู้กันมานานกว่าศตวรรษแล้ว การใช้อะตอมของธาตุกัมมันตรังสีแปะติดกับเซลล์เม็ดเลือดแดง เพื่อดูว่าเซลล์แต่ละตัวดำรงชีวิตอย่างไรขณะอยู่ในร่างกายคน ก็ได้มีส่วนทำให้เราเข้าใจธรรมชาติของการหมุนเวียนโลหิตในร่างกายดีขึ้นมาก การใช้เทคนิค MRI (Magnetic Resonance Imaging) และเทคนิค Position Emission Tomography (PET) ร่วมกันเพื่อศึกษาการทำงานของสมองว่า สมองส่วนใดมีหน้าที่อะไร ก็ได้ทำให้เรารู้ว่า สมองคนทำงานเรียนรู้ ลืม จำ และเสื่อมอย่างไร โดยไม่ต้องผ่าสมองหรือผ่าอกใครออกดู ซึ่งเทคโนโลยีรังสีเอ็กซ์ MRI PET หรือ ultrasound ฯลฯ เหล่านี้เป็นเทคโนโลยีที่แพทย์ปัจจุบันใช้ และต่างก็ทำงาน โดยใช้กฎของฟิสิกส์และเป็นอุปกรณ์ที่นักฟิสิกส์ประดิษฐ์ขึ้นทั้งสิ้น           นอกจากนี้ เวลาแพทย์ต้องการเห็นเชื้อโรคที่มีขนาดเล็ก จนกล้องจุลทรรศน์ธรรมดามิสามารถมองเห็นได้ เพราะเชื้อโรคเหล่านั้นมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสง แพทย์ก็จำต้องใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนซึ่งทำงานโดยอาศัยคุณสมบัติความเป็นคลื่นของอิเล็กตรอน และเมื่อแพทย์สามารถเห็นรูปร่างโครงสร้าง และวิถีชีวิตของเชื้อโรคที่เป็นมัจจุราชร้ายของมนุษย์ หนทางต่อสู้และพิชิตมันก็สามารถทำได้ง่ายขึ้น ทุกวันนี้นักวิทยาศาสตร์ยังใช้เทคนิคด้าน nuclear magnetic resonance (NMR) และเทคนิคด้าน X-ray           วิเคราะห์โครงสร้างของโปรตีนในเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตด้วย จนทำให้เรารู้บทบาทและหน้าที่ของมันในการทำงานของเซลล์ดี           ส่วนด้านการรักษาโรคนั้น แพทย์ก็ใช้เครื่องเร่งอนุภาคนิวตรอนในการสร้างธาตุกัมมันตรังสีรักษามะเร็งหรือใช้เทคโนโลยีผลิตแสงอัลตราไวโอเล็ต และแสงอินฟราเรดของฟิสิกส์ในการรักษาโรคผิวหนัง และใช้เลเซอร์ในการผ่าตัดและรักษาความผิดปกติของตา หรือใช้หลักของวิชาเสียงในการสร้างหูฟัง (stethoscope) และเวลาจะวิเคราะห์ทารกขณะอยู่ในครรภ์มารดาก็ใช้เทคนิค ultrasound และใช้วิทยาการด้านพลศาสตร์ของ ๆ ไหล (fluid mechanics) ในการศึกษาการไหลวนของเลือดในเส้นเลือด และใช้หลักความดันของ ๆ เหลวในการวัดความดันโลหิต อีกทั้งใช้หลักของกลศาสตร์ในการทำศัลยกรรมกระดูก เป็นต้น           ดังนั้น เราจึงเห็นได้ว่า นักฟิสิกส์ไม่ได้เป็นคนที่มีหน้าที่สร้างอุปกรณ์ให้แพทย์ทำงานได้ดีขึ้นเท่านั้น หลักการของฟิสิกส์ก็มีส่วนทำให้วิทยาศาสตร์การแพทย์เจริญก้าวหน้าไปเช่นกัน           ในอดีตเมื่อประมาณ ๕๐ ปีก่อนนี้ Max Delbruck นักฟิสิกส์ผู้พิชิตรางวัลโนเบล สาขาแพทยศาสตร์ได้เคยกล่าวว่า เมื่อเขาเริ่มศึกษาสิ่งมีชีวิต เขารู้สึกประหลาดใจมากที่ระบบชีวิตทุกระบบไม่เคยคงรูป และไม่อยู่นิ่ง คือจะเปลี่ยนไปเรื่อยตามขั้นตอนของวิวัฒนาการและเวลา (ซึ่งต่างกับฟิสิกส์ที่อะตอมของธาตุจะไม่เปลี่ยนแปลง ถ้าไม่มีอิทธิพลภายนอกมารบกวน) และหลังจากที่ได้อ่านหนังสือเรื่อง "What is Life?" ของ E. Schroedinger (ผู้เป็นนักฟิสิกส์ระดับรางวัลโนเบล จากผลงานการสร้างวิชาควอนตัม) แล้วเขาได้เปลี่ยนความสนใจจากฟิสิกส์มาเป็นชีววิทยาอย่างสมบูรณ์ และเขาก็ได้นำวิธีคิดและแนวการวิเคราะห์ที่นักฟิสิกส์ใช้ศึกษาฟิสิกส์มาไขปัญหาทางชีววิทยาให้เป็นไปในลักษณะที่เป็นปริมาณ (quantitative) ยิ่งขึ้น แทนที่จะเป็นการวิเคราะห์เชิงคุณภาพ (qualitative) ดังที่เคยปฏิบัติกันมา โดยนักชีววิทยาสมัยก่อน ๆ ในที่สุดวิธีการที่ Delbruck นำมาใช้นี้ก็คือจุดกำเนิดของวิทยาการด้านชีววิทยาเชิงโมเลกุล (molecular biology) ที่โลกทุกวันนี้รู้จักดีนั่นเอง           Leo Szilard นักฟิสิกส์ผู้มีส่วนในการสร้างระเบิดปรมาณูลูกแรกของโลก ก็เป็นนักฟิสิกส์อีกท่านหนึ่งที่ได้ผูกพันชีวิตมาเป็นนักชีววิทยา เขาได้เคยกล่าวว่าสิ่งสำคัญที่นักฟิสิกส์ได้นำมาสู่วงการชีววิทยา มิใช่เทคโนโลยีและเทคนิคการทำงาน แต่เป็นทัศนคติที่ว่าทุกปัญหาของวิชาชีววิทยามีคำตอบ ลักษณะเดียวกับที่โจทย์ทุกโจทย์ของฟิสิกส์ก็มี คำตอบเช่นกัน           เพราะนับจากวันที่ Delbruck กับ Szilard เริ่มสนใจศึกษาสิ่งมีชีวิตแล้วเขาทั้งสองก็ได้ตั้งคำถามว่า ข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตนั้น แฝงอยู่ที่ใดในเซลล์ และเวลาเซลล์แบ่งตัวข้อมูลเหล่านี้ถูกถ่ายทอดจากเซลล์แม่ไปสู่เซลล์ลูกได้อย่างไร หรือเวลาสิ่งมีชีวิตสืบพันธุ์ ข้อมูลพันธุกรรมจากเซลล์พ่อและเซลล์แม่มีการจัดเรียงตัวในเซลล์ลูกอย่างไร และเวลาลูกพิการหรือทุพพลภาพอะไรคือสาเหตุที่ทำให้ข้อมูลพันธุกรรมของลูกเปลี่ยนแปลง ในการตอบคำถามเหล่านี้ Delbruck มีจุดมุ่งหมายจะเข้าใจธรรมชาติของพันธุศาสตร์ว่ามีกฎเกณฑ์หรือมีสูตรอะไรบ้าง การศึกษาเรื่องนี้ในเวลาต่อมาก็ได้นำไปสู่การรู้โครงสร้างของ DNA โดย J. Watson และ F. Crick (Crick เป็นนักฟิสิกส์อีกท่านหนึ่งที่ได้รับรางวัลโนเบล สาขาแพทยศาสตร์ จากการพบโครงสร้างของ DNA) และทำให้นักวิทยาศาสตร์รู้องค์ประกอบของ DNA ด้วย           ส่วน T.H. Morgan และ H.J. Muller นั้นก็เป็นนักชีววิทยาที่สนใจศึกษาอิทธิพลของรังสีเอ็กซ์ต่อสิ่งมีชีวิต โดยได้ใช้รังสีเอ็กซ์ฉายอาบแมลงหวี่เป็นเวลานาน และ Morgan กับ Muller ก็ได้พบว่า แมลงหวี่กลายพันธุ์เช่นเดียวกับอะตอมของธาตุที่สลายตัว มนุษย์ระมัดระวังรังสีเอ็กซ์มากขึ้น ณ วันนี้ นักชีววิทยาเชิงโมเลกุลกำลังใช้เทคนิคของฟิสิกส์ในการศึกษาบทบาท ของ gene ribonucleic acid (RNA) และ protien ต่าง ๆ จนกระทั่งรู้หน้าที่และบทบาทของมันดีพอสมควร แต่ที่ยังไม่รู้ก็คือ ขณะที่ gene, RNA และ protien เหล่านี้อยู่ร่วมกันในเซลล์ มันมีบทบาทในการบังคับเซลล์ให้ทำงานอย่างไร ซึ่งนั่นก็คือปัญหาชีววิทยาที่ยังไม่มีคำตอบ           การศึกษา genome ของมนุษย์หรือของสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ เช่น ข้าวหรือเชื้อโรค ก็เป็นปัญหาชีววิทยาที่ต้องการความสามารถของนักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ในการแปลข้อมูลมาก เพราะถ้าเรารู้ข้อมูลยีน (gene expression) เราก็จะเข้าใจได้ว่า เหตุใดเซลล์บางเซลล์จึงเป็นเซลล์กล้ามเนื้อ เพราะเหตุใดเซลล์บางเซลล์จึงเป็นเซลล์สมอง เพราะเหตุว่าสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ มียีนจำนวนไม่เท่ากัน เช่น จุลินทรีย์มียีนตั้งแต่ ๑๐๐-๑,๐๐๐ ตัว ยีสต์มียีนประมาณ ๖,๒๐๐ ตัว หนอนมียีนประมาณ ๑๙,๑๐๐ ตัว สัตว์มีกระดูกสันหลังมียีนประมาณ ๘๐,๐๐๐ ตัว การศึกษาวิเคราะห์ข้อมูลยีนในเซลล์ของสัตว์เหล่านี้ จึงเป็นงานที่ต้องการความสามารถในการวิเคราะห์โดยนักคอมพิวเตอร์ด้วย           วิทยาการด้าน biophysics ก็เป็นวิทยาการใหม่ที่นำนักฟิสิกส์และหลักของฟิสิกส์มาศึกษาปัญหาชีววิทยา และนี่ก็เป็นการเชื่อมโยงระหว่างวิทยาการสองสาขาที่แตกต่างกัน โดยฟิสิกส์นั้นศึกษาระบบที่ไม่ซับซ้อน จึงสามารถใช้คณิตศาสตร์บรรยายได้ง่าย แต่ปัญหาชีววิทยานั้นมีโครงสร้างที่ซับซ้อน การบรรยายเชิงปริมาณจึงทำได้ยากกว่ามาก ถึงกระนั้น นี่ก็คือสนามความคิดที่นักฟิสิกส์ในอนาคตหลายคนจะบุกเข้าไปทำงานครับ ผู้เขียน : ศ. ดร.สุทัศน์ ยกส้าน ภาคีสมาชิก ประเภทวิทยาศาสตร์กายภาพ สาขาวิชาฟิสิกส์ สำนักวิทยาศาสตร์