Physics in Biology and Medicine, fourth edition
Davidovits, Paul . 2013
لم يكن معروفاً حتى منتصف القرن التاسع عشر ميلادي إلى أي مدى تنطبق قوانين الفيزياء والكيمياء على المواد الحية إذ أن هذه القوانين صيغت للجوامد. وكان واضحا بالتأكيد أن هذه القوانين تُطبق على الأجسام الكبيرة. تتبع الحيوانات نفس قوانين الحركة التي تتبعها الأجسام غير العضوية بشكل واضح. وكان السؤال الذي طُرح، إلى أي مدى يعود الانطباق. فالخلية الحية معقدة جداً حتى أن الفيروس ولذي هو واحد من أبسط الخلايا الحية يتكون من ملايين الذرات التي تتفاعل سوياً. تحوي الخلية وسطياً والتي هي اللبنة الأساسية لتكوين الأنسجة على 1014 ذرة. أن الكائنات الحية لها خصائص غير خصائص الجوامد فهي؛ تكبر، وتتكاثر، وتضمحِّل. وهذه الظواهر مختلفة كثيرا عن الخصائص المتوقعة للجوامد. واعتقد علماء القرن التاسع عشر أن هناك قوانين أخرى تحكم هيكلية وتنظيم الجزيئات في المواد الحية، حتى طبيعة الجزيئات العضوية كان مصدر تساؤل. فالجزيئات العضوية بشكل عام أكبر بكثير واكثر تعقيداً من جزيئات المواد غير العضوية. كان يعتقد أن هذه الجزيئات الكبيرة تنتج فقط بواسطة الكائنات الحية من خلال "قوة حيوية" “vital force” والتي لم تستطع قوانين الفيزياء المكتشفة في ذلك الحين تفسيرها. في عام 1882 م تم دحض هذه الأفكار عندما ركَّب فريدريش فولر (Friedrich Wöhler) مادة عضوية، البولة urea، من كيماوياتٍ غير عضوية. توالى بعدها تركيب جزيئات عضوية كثيرة دون تدخل كائنات حيوية. لا يعتقد العلماء الآن بوجود قوة حيوية تكمن في المواد العضوية. فالكائنات الحية تتبع قوانين الفيزياء في جميع مستوياتها.
توجه مزيد من البحث البيولوجي خلال القرن الماضي لفهم النظم الحية بدلالة قوانين الفيزياء الاساسية. تكللت هذه الجهود بنجاح مؤثِّر. تم تحديد التركيب الذري لكثير من الجزيئات الحيوية المعقدة و وصِّف دورها في النظم الحية. وأضحى بالإمكان الآن تفسير دور هذه الخلايا و كثير من تفاعلاتها مع بعضها البعض.إلا أن العمل لايزال بعيداً عن الإكتمال. حتى بعد أن يكون تركيب هذه الجزيئات المعقدة معروفاً فإنه من غير الممكن في الوقت الحالي التنبؤ بوظائفها. فميكانيكية الخلايا في التغذية، و النمو، و التكاثر، و التواصل مفهومة وصفيا فقط. كثير من الأسئلة الأساسية في الأحياء ليس لها أجوبة. كما أنه إلى الآن لم تظهر الأبحاث الحيوية تعارض مع قوانين الفيزياء. فالخصائص المدهشة للحياة تبدو أنها نتيجة ترتيب شديد التعقيد في هذه النظم الحيوية.
الهدف من هذا الكتاب هو تحديد العلاقة بين النظم الحية و بعض المفاهيم في الفيزياء. يتبع هذا الكتاب في عمومه المواضيع التي تعالج في كتب الفيزياء الأساسية للمستوى الجامعي. و المواضيع المطروحة هي : ميكانيكا الأجسام، و ميكانيكا الموائع، و الديناميكا الحرارية، و الصوت، و الكهرباء، و البصريات، و الفيزياء الذرية و النووية.
يحتوي كل فصل على موجز للخلفية الفيزيائية، و لكن أغلب النص مخصص لتطبيقات الفيزياء في الأحياء و الطب. ولا يوجد توقع لمعرفةٍ مسبقة للأحياء. فالنظم الحيوية المطروحة للنقاش توصف بالتفاصيل الضرورية لفهم التحليل الفيزيائي. يكون التحليل عددي كلما كان ذلك ممكناً وتطلب استخدام معادلات الجبر و علم المثلثات الأساسية.
كثير من النظم الحيوية نستطيع معالجتها عددياً، و بعض الأمثلة سوف توضِّح ذلك النهج. ففي موضوع الميكانيكا نحسب القوة التي تؤثر بها العضلات. كما نختبر أقصى صدمة على الجسم دون حدوث إصابة. ثم نحسب أعلى ارتفاع يصل إليه الإنسان عندما يقفز و نناقش تأثير حجم الحيوان على مقدار سرعته. و ندرس في الموائع دوران الدم في الجسم عددياً. كما تسمح لنا نظرية الموائع بعمل حسابات على دور الإنتشار في وظائف الخلايا، و تأثير التوتر السطحي على نمو النباتات في التربة. نستخدم مبادئ الكهرباء لتحليل الإشارات التي تمر في النظام العصبي عددياً. تحوي جميع فقرات الكتاب مسائل تفحص و تُعمِّق فهم هذه المبادئ.
بالطبع هناك معوّقات كبيرة لتطبيق التحليل الفيزيائي العددي للنُظم الحيوية و هذه سوف يتم مناقشتها.
كثير من التطورات التي حدثت في العلوم الحيوية استعانت بآليات عمل من الفيزياء و الهندسة لدراسة هذه النظم الحية. بعض هذه الآليات سوف تناقش في الفقرات المناسبة لها في هذا الكتاب.
في هذه الطبعة المنقحة تم تحديث و إضافة مناقشة على مجهر القوة الذرية، و استخدام الليزر في التشخيص الطبي، وتطبيق تقنية عمل النانو في الأحياء و الطب.
لم يكن معروفاً حتى منتصف القرن التاسع عشر ميلادي إلى أي مدى تنطبق قوانين الفيزياء والكيمياء على المواد الحية إذ أن هذه القوانين صيغت للجوامد. وكان واضحا بالتأكيد أن هذه القوانين تُطبق على الأجسام الكبيرة. تتبع الحيوانات نفس قوانين الحركة التي تتبعها الأجسام غير العضوية بشكل واضح. وكان السؤال الذي طُرح، إلى أي مدى يعود الانطباق. فالخلية الحية معقدة جداً حتى أن الفيروس ولذي هو واحد من أبسط الخلايا الحية يتكون من ملايين الذرات التي تتفاعل سوياً. تحوي الخلية وسطياً والتي هي اللبنة الأساسية لتكوين الأنسجة على 1014 ذرة. أن الكائنات الحية لها خصائص غير خصائص الجوامد فهي؛ تكبر، وتتكاثر، وتضمحِّل. وهذه الظواهر مختلفة كثيرا عن الخصائص المتوقعة للجوامد. واعتقد علماء القرن التاسع عشر أن هناك قوانين أخرى تحكم هيكلية وتنظيم الجزيئات في المواد الحية، حتى طبيعة الجزيئات العضوية كان مصدر تساؤل. فالجزيئات العضوية بشكل عام أكبر بكثير واكثر تعقيداً من جزيئات المواد غير العضوية. كان يعتقد أن هذه الجزيئات الكبيرة تنتج فقط بواسطة الكائنات الحية من خلال "قوة حيوية" “vital force” والتي لم تستطع قوانين الفيزياء المكتشفة في ذلك الحين تفسيرها. في عام 1882 م تم دحض هذه الأفكار عندما ركَّب فريدريش فولر (Friedrich Wöhler) مادة عضوية، البولة urea، من كيماوياتٍ غير عضوية. توالى بعدها تركيب جزيئات عضوية كثيرة دون تدخل كائنات حيوية. لا يعتقد العلماء الآن بوجود قوة حيوية تكمن في المواد العضوية. فالكائنات الحية تتبع قوانين الفيزياء في جميع مستوياتها.
توجه مزيد من البحث البيولوجي خلال القرن الماضي لفهم النظم الحية بدلالة قوانين الفيزياء الاساسية. تكللت هذه الجهود بنجاح مؤثِّر. تم تحديد التركيب الذري لكثير من الجزيئات الحيوية المعقدة و وصِّف دورها في النظم الحية. وأضحى بالإمكان الآن تفسير دور هذه الخلايا و كثير من تفاعلاتها مع بعضها البعض.إلا أن العمل لايزال بعيداً عن الإكتمال. حتى بعد أن يكون تركيب هذه الجزيئات المعقدة معروفاً فإنه من غير الممكن في الوقت الحالي التنبؤ بوظائفها. فميكانيكية الخلايا في التغذية، و النمو، و التكاثر، و التواصل مفهومة وصفيا فقط. كثير من الأسئلة الأساسية في الأحياء ليس لها أجوبة. كما أنه إلى الآن لم تظهر الأبحاث الحيوية تعارض مع قوانين الفيزياء. فالخصائص المدهشة للحياة تبدو أنها نتيجة ترتيب شديد التعقيد في هذه النظم الحيوية.
الهدف من هذا الكتاب هو تحديد العلاقة بين النظم الحية و بعض المفاهيم في الفيزياء. يتبع هذا الكتاب في عمومه المواضيع التي تعالج في كتب الفيزياء الأساسية للمستوى الجامعي. و المواضيع المطروحة هي : ميكانيكا الأجسام، و ميكانيكا الموائع، و الديناميكا الحرارية، و الصوت، و الكهرباء، و البصريات، و الفيزياء الذرية و النووية.
يحتوي كل فصل على موجز للخلفية الفيزيائية، و لكن أغلب النص مخصص لتطبيقات الفيزياء في الأحياء و الطب. ولا يوجد توقع لمعرفةٍ مسبقة للأحياء. فالنظم الحيوية المطروحة للنقاش توصف بالتفاصيل الضرورية لفهم التحليل الفيزيائي. يكون التحليل عددي كلما كان ذلك ممكناً وتطلب استخدام معادلات الجبر و علم المثلثات الأساسية.
كثير من النظم الحيوية نستطيع معالجتها عددياً، و بعض الأمثلة سوف توضِّح ذلك النهج. ففي موضوع الميكانيكا نحسب القوة التي تؤثر بها العضلات. كما نختبر أقصى صدمة على الجسم دون حدوث إصابة. ثم نحسب أعلى ارتفاع يصل إليه الإنسان عندما يقفز و نناقش تأثير حجم الحيوان على مقدار سرعته. و ندرس في الموائع دوران الدم في الجسم عددياً. كما تسمح لنا نظرية الموائع بعمل حسابات على دور الإنتشار في وظائف الخلايا، و تأثير التوتر السطحي على نمو النباتات في التربة. نستخدم مبادئ الكهرباء لتحليل الإشارات التي تمر في النظام العصبي عددياً. تحوي جميع فقرات الكتاب مسائل تفحص و تُعمِّق فهم هذه المبادئ.
بالطبع هناك معوّقات كبيرة لتطبيق التحليل الفيزيائي العددي للنُظم الحيوية و هذه سوف يتم مناقشتها.
كثير من التطورات التي حدثت في العلوم الحيوية استعانت بآليات عمل من الفيزياء و الهندسة لدراسة هذه النظم الحية. بعض هذه الآليات سوف تناقش في الفقرات المناسبة لها في هذا الكتاب.
في هذه الطبعة المنقحة تم تحديث و إضافة مناقشة على مجهر القوة الذرية، و استخدام الليزر في التشخيص الطبي، وتطبيق تقنية عمل النانو في الأحياء و الطب.
The size of ZnO nanorods (NRs) plays an important role in tuning the external quantum efficiency (EQE) and quality of light generated by white light emitting diodes (LEDs).
لم يكن معروفاً حتى منتصف القرن التاسع عشر ميلادي إلى أي مدى تنطبق قوانين الفيزياء والكيمياء على المواد الحية إذ أن هذه القوانين صيغت للجوامد. وكان واضحا بالتأكيد أن هذه القوانين تُطبق على الأجسام…
In this study, the quantitative analysis of heavy elementals contents available in drinking water are studied using one step technique; laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) technique.