แนวคิดดั้งเดิมเกี่ยวกับจุดกำเนิดของสัตว์เริ่มสั่นคลอนเมื่อพบว่าสัตว์บางชนิดต้องการออกซินเจนเพื่อการดำรงชีพในปริมาณที่ต่ำมาก

แนวคิดที่ว่าสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนได้ถือกำเนิดและมีวิวัฒนาการได้เมื่อครั้นระดับออกซิเจนในบรรยากาศเพิ่มสูงขึ้นใกล้เคียงกับในระดับปัจจุบันนั้น ถือเป็นหลักการหนึ่งที่ได้รับการยอมรับมากที่สุด แต่ผลการศึกษาล่าสุดเกี่ยวกับฟองน้ำทะเลที่จับได้ใกล้ฟยอร์ด(ลักษณะทางภูมิประเทศที่เกิดจากการกัดเซาะของธารน้ำแข็ง)ในเดนมาร์ก แสดงให้เห็นว่าสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนไม่จำเป็นต้องใช้ออกซิเจนในปริมาณสูงสำหรับการดำรงชีวิตและเจริญเติบโต

รูป 1: ฟองน้ำทะเล Halichondria Panicea

Credit: Daniel Mills/SDU

การกำเนิดขึ้นของสัตว์ที่มีความซับซ้อนนั้นบังเอิญอยู่ในช่วงไล่เลี่ยกับการเพิ่มขึ้นของปริมาณออกซิเจนในบรรยากาศ(630-635 ล้านปีที่ผ่านมา) ซึ่งดูเหมือนว่าเหตุการณ์ทั้งสองจะมีความเชื่อมโยงกัน ทำให้นักวิทยาศาสตร์สรุปว่าการเพิ่มขึ้นของปริมาณออกซิเจนนำไปสู่วิวัฒนาการของสัตว์ แต่การทดลองใหม่เกี่ยวกับฟองน้ำทะเลสปีชีส์ Halichondria Panicea ทำให้เราต้องทำการทบทวนแนวคิดนี้เสียใหม่ Daniel mills นักศึกษาปริญญาเอกจาก Nordic Center of Earth Evolution ที่ University of Southern Denmark ซึ่งเป็นหนึ่งในทีมวิจัยกล่าวว่า "เมื่อเราจับฟองน้ำมาทดลองในห้องปฏิบัติการ มันยังคงหายใจและเจริญเติบโตแม้ว่าแม้ว่าปริมาณของออกซิเจนจะมีแค่ 0.5% ของระดับออกซิเจนในบรรยากาศปัจจุบัน"

คำถามสำคัญที่ตามมาก็คือถ้าหากปริมาณออกซิเจนที่ต่ำไม่ได้ยับยั้งวิวัฒนาการของสัตว์ แต่ทำไมสิ่งมีชีวิตชั้นต่ำเซลล์เดียวจึงคงอยู่ได้เป็นพันๆล้านปีก่อนหน้านั้นโดยไม่มีวิวัฒนาการ? Daniel mills กล่าวว่า "มันอาจจะมีกลไกของวิวัฒนาการและนิเวศวิทยาแบบอื่นๆที่มีผล บางทีการที่สิ่งมีชีวิตดำรงในสภาพที่เป็นจุลชีพเป็นเวลานาน(โดยไม่มีวิวัฒนาการ)ก็เพราะมันต้องใช้เวลาระยะหนึ่งเพื่อที่จะพัฒนากลไกทางชีวภาพที่จำเป็นต้องใช้ในการกำเนิดสัตว์ที่มีความซับซ้อน โลกในยุคโบราณอาจจะไม่มีสัตว์เพียงเพราะความซับซ้อนในการวิวัฒนาการเป็นสัตว์หลายเซลล์"

เพื่อนร่วมงานของ Daniel mills จาก Nordic Center of Earth Evolution เพิ่งแสดงให้เห็นก่อนหน้านี้ว่าระดับของออกซิเจนเคยเพิ่มขึ้นอย่างเด่นชัดอย่างน้อยหนึ่งครั้งก่อนหน้าการเกิดวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตที่มีความซับซ้อน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าแม้จะมีปริมาณเพิ่มขึ้นมาแล้วก่อนหน้านี้แต่ก็ไม่ได้นำไปสู่วิวัฒนาการของสัตว์แต่อย่างใด

เอกสารอ้างอิง
1. University of Southern Denmark. "Theory on origin of animals challenged: Some animals need extremely little oxygen." ScienceDaily. ScienceDaily, 17 February 2014. <www.sciencedaily.com/releases/2014/02/140217161110.htm>.

ปริศนาก้อนหินลึกลับบนดาวอังคารถูกไขแล้ว

เป็นปริศนามาพักใหญ่ๆแล้วสำหรับที่มาของก้อนหินที่โผล่ขึ้นมาอย่างลึกลับใกล้ๆกับยาน Mars Exploration Rover Opportunity บนดาวอังคารที่ได้รับการขนานนามว่า Pinnacle Island จากรูปที่ 1 ภาพทางซ้ายถูกถ่ายในวัน sol 3528 ตามเวลาดาวอังคาร(ตรงกับวันที่ 26 ธันวาคม 2013 ตามเวลาโลก) ในขณะที่ภาพทางขวาถูกถ่ายในวัน sol 3540(ตรงกับวันที่ 8 มกราคม 2014) ซึ่งจุดต่างของทั้งสองภาพคือก้อนหินขอบสีขาวบริเวณตรงกลางมีสีแดงเข้มที่มีขนาดประมาณ 4 เซนติเมตรและมีลักษณะคล้ายเยลลี่โดนัทที่ถูกกัดจนเห็นใส้เยลลี่ภายใน

รูป 1: ภาพเปรียบเทียบบริเวณใกล้เคียงยาน Opportunity ในช่วงเวลาที่ต่างกัน
Credit: NASA/JPL-Caltech/Cornell Univ./Arizona State Univ.

ตั้งแต่มีการเผยแพร่ภาพดังกล่าวจนถึงปลายสัปดาห์ที่ผ่านมา  นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกต่างแสดงความเห็นต่างๆเกี่ยวกับที่มาของก้อนหินลึกลับดังกล่าว ซึ่งมีข้อสันนิษฐานที่แตกต่างกันมากมายเช่นอาจเกิดจากเศษหินที่กระเด็นมาจากล้อของยาน Opportunity ในขณะที่มันบดไปตามพื้นผิวที่เต็มไปด้วยหินของดาวอังคาร บางรายแสดงความเห็นถึงความเป็นไปได้ถึงการมีสิ่งมีชีวิตบนดาวอังคารโดยอธิบายว่ามันมีลักษณะคล้ายกลุ่มของเชื้อราที่เจริญเติบโตบนพื้นที่ดังกล่าว

รูป 2: ภาพถ่ายมุมกว้างจากกล้อง Pancam ของยาน Opportunity แสดงบริเวณเดิมของก้อนหินที่มีชื่อว่า Pinnacle Island
Credit: NASA/JPL-Caltech/Cornell Univ./Arizona State Univ.

แต่ล่าสุด NASA ได้แถลงหลักฐานภาพถ่ายเพื่อทำความกระจ่างในกรณีนี้แล้วเมื่อวันวาเลนไทน์ที่ผ่านมา โดยยาน Opportunity ได้ถ่ายภาพมุมกว้างบริเวณใกล้เคียง ดังแสดงในรูป 2 ซึ่งจะเห็นได้ว่าก้อนหินที่เป็นที่ถกเถียงกัน(ลูกศรล่าง)นั้นแตกมาจากก้อนหินบริเวณเนินด้านบนซึ่งมีลักษณะขอบสีขาวคล้ายกัน เนื่องจากล้อของยาน Opportunity ได้เหยียบบดทับทำให้แตกกระเด็นออกไป(จะเห็นรอยล้อของ Opportunity ได้อย่างชัดเจน)

ก่อนหน้านี้ยาน Opportunity ได้ทำการตรวจสอบ Pinnacle Island และเผยให้เห็นถึงแมงกานีสและกำมะถันในปริมาณสูง ซึ่งสันนิษฐานได้ว่าการที่องค์ประกอบที่ละลายน้ำได้เหล่านี้มีความเข้มข้นสูงอาจจะเกิดจากการมีอยู่ของน้ำบนดาวอังคาร(ในอดีต)ก็เป็นได้

เอกสารอ้างอิง(Reference)
1. http://www.nasa.gov/jpl/mer/rock-pinnacle-island-pia17761/
2. http://www.nasa.gov/jpl/mer/mer20140214/

Kaliko Science

http://kalikoscience.blogspot.com/

https://www.facebook.com/KalikoScience/

เครื่องกรองน้ำจากกราฟีน

เป็นที่ทราบกันดีว่ากราฟีนซึ่งเป็นวัสดุที่มีโครงสร้างในระดับนาโนเมตรและกำลังได้รับความสนใจในวงการวิจัยในปัจจุบันเป็นอย่างมากนั้นมีคุณสมบัติที่เรียกว่า hydrophobic นั่นคือมันไม่ชอบน้ำ เจอกันเมื่อไหร่ผลักไสกันลูกเดียว ไม่ถูกกันเอามากๆ แต่ถ้าปริมาณน้ำมีความหนาในระดับเดียวกับความหนาของชั้นกราฟีน(ความหนา 1 ชั้นอะตอม) น้ำจะถูกดูดผ่านรูเล็กๆ(เล็กในระดับไม่กี่อะตอม)ของโครงสร้างกราฟีนอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดการส่งผ่านน้ำผ่านชั้นกราฟีนได้ ซึ่งคุณสมบัติที่ดูประหลาดและขัดแย้งนี้ได้ทำให้นักวิจัยและวงการอุตสาหกรรมเกิดความสนใจที่จะพัฒนาเทคโนโลยีกรองน้ำและการแยกน้ำออกจากสารละลายเกลือ(desalination)ชนิดใหม่จากกราฟีน โดยในปัจจุบันรูเล็กๆของกราฟีนที่มีความกว้างในระดับอะตอมดังที่กล่าวไปนั้นสามารถผลิตขึ้นได้โดยการซ้อนทับชั้นกราฟีนออกไซด์(อนุพันธ์หนึ่งของกราฟีน)จนมีความหนาระดับหนึ่งซึ่งมีชื่อเรียกว่า graphene oxide laminate โดย laminate ที่เตรียมขึ้นนั้นจะมีโครงสร้างคล้ายคลึงกับผนังชั้นในของหอยมุกที่เรียกว่า nacre หรือ mother of pearl ทำให้มันมีความแข็งแรงสูงมากๆ

รูป 1 น้ำสามารถระเหยผ่านชั้นกราฟีนออกไซด์ได้แต่โมเลกุลอื่นๆไม่สามารถเคลื่อนผ่านไปได้

Credit: Dr Rahul R.Nair

เมื่อสองปีที่แล้วทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์พบว่าเยื่อเลือกผ่านบางๆที่ทำมาจาก laminate ที่กล่าวข้างต้นนั้นมีคุณสมบัติป้องกันการซึมผ่านของแก๊สและไอของสารทุกชนิด แม้แต่ฮีเลียมซึ่งเป็นแก๊สที่ป้องกันได้ยากที่สุดเนื่องจากมันมีขนาดเล็กมากนั้นก็ยังไม่สามารถผ่านชั้น laminate ได้ ในขณะที่”ไอน้ำ”สามารถเคลื่อนผ่านได้อย่างสบายๆ ล่าสุดทีมวิจัยเดียวกันนี้ซึ่งนำโดย Dr Rahul Nair และศาสตราจารย์ Andre Geim(ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2010 จากงานวิจัยเกี่ยวกับกราฟีน)ได้ทดสอบเพื่อหาว่าเยื่อเลือกผ่านจากกราฟีนนั้นสามารถแยก”น้ำในสถานะของเหลว”ได้ดีขนาดไหน โดยได้ตีพิมพ์รายงานวิจัยลงในวารสาร Science ซึ่งเป็นวารสารที่มีชื่อเสียงมาก โดยรายงานดังกล่าวระบุว่า เมื่อจุ่ม laminate ลงในน้ำ มันจะมีการพองตัวเล็กน้อยแต่ยังคงสามารถส่งผ่านน้ำที่มีความหนาถึงสองชั้นโมเลกุล(two monolayer of water)ได้อย่างรวดเร็ว เกลือที่มีขนาดเล็กกว่า 9 อังสตรอม(ประมาณหนึ่งในล้านเท่าของ 1 เมตร)สามารถเคลื่อนผ่านได้แต่ไอออนหรือโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่กว่านั้นจะถูกไม่สามารถผ่านไปได้ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าชั้นกรองจากกราฟีนสามารถกรองและแยกแยะไอออนที่มีขนาดแตกต่างกันเพียงเล็กน้อยได้อย่างแม่นยำ นอกจากนี้การแยกที่เกิดขึ้นยังเกิดได้อย่างรวดเร็ว โดยผลดังกล่าวมาจากคุณสมบัติของชั้นกราฟีนที่คณะนักวิจัยนี้เรียกว่า ion sponging (เสมือนเป็นฟองน้ำที่ดูดซับไอออนไว้) ซึ่งเจ้ารูเล็กๆในโครงสร้างกราฟีนประพฤติตัวเหมือนเครื่องดูดฝุ่นที่ดูดไอออนเข้ามาทำให้ความเข้มข้นของไอออนภายในโครงสร้างมีค่ามากกว่าความเข้มข้นในสารละลายเป็นร้อยๆเท่า

Dr Nair กล่าวว่า “การกรองน้ำในการทดลองนี้มีความรวดเร็วและแม่นยำเท่าที่เราพอจะคาดหวังได้จากเจ้ารูเล็กๆเหล่านี้ ตอนนี้เราต้องการที่จะควบคุมขนาดของรูกรองและลดมันลงให้ต่ำกว่า 9 อังสตรอมเพื่อที่จะกรองเกลือที่อยู่ในสารละลายของเกลือเช่นน้ำทะเลซึ่งมีขนาดเล็กๆออกไป โดยงานวิจัยชิ้นนี้ของเราได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ดังกล่าว” Dr Irina Grigorieva ซึ่งเป็นหนึ่งในทีมวิจัยกล่าวเพิ่มเติมว่า “เป้าหมายสูงสุดของเราคือการสร้างอุปกรณ์กรองน้ำที่สามารถผลิตน้ำดื่มจากน้ำทะเลโดยใช้แรงปั๊มจากมือในช่วงเวลาสั้นๆ แม้ว่าเราจะยังไปไม่ถึงจุดนั้นแต่เราก็ได้รู้ว่ามันไม่ใช่เรื่องเพ้อฝันอีกต่อไป”

รูป 2 ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเคลื่อนผ่านชั้น laminate กับรัศมีของโมเลกุลและรัศมีของไอออนซึ่งมีโมเลกุลน้ำล้อมรอบ ซึ่งเรียกว่า hydrated radius (เนื่องจากไอออนที่อยู่ในสารละลายที่มีน้ำเป็นตัวทำละลายมักจะอยู่ในรูปแบบนี้แม้ในขณะที่มันผ่านชั้นกราฟีน ทำให้เราต้องวัดขนาดจริงที่มันมีชั้นของน้ำล้อมรอบอยู่ด้วย) พื้นที่สีเทาแสดงบริเวณที่ไม่มีการตรวจพบไอออนหรือโมเลกุลหลังชั้นกรอง ลูกศรสีม่วงแสดงขีดจำกัดของการวัดความเข้มข้นของแต่ละสาร

Credit:DOI:10.1126/science.1245711

จากรูปที่ 2 จะเห็นได้ว่า glycerol ซึ่งมีรัศมีมากกว่า 4.5 อังสตรอม(เส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 9 อังสตรอมดังที่กล่าวไว้ข้างต้น)ไม่สามารถตรวจพบได้หลังชั้นกรองแม้ว่าจะตั้งทิ้งไว้ถึง 10 วัน นั่นหมายความว่ามันไม่สามารถผ่านชั้น laminate ไปได้ ในขณะที่ propanol ซึ่งมีรัศมีน้อยกว่า 4.5 อังสตรอมเพียงเล็กน้อยนั้นสามารถตรวจพบการเคลื่นผ่านชั้น laminate ไปได้ ซึ่งสนับสนุนข้อสรุปที่ว่าชั้น laminate มีความแม่นยำและเลือกผ่านเฉพาะไอออนหรือโมเลกุลที่มีขนาด(เส้นผ่านศูนย์กลาง)น้อยกว่า 9 อังสตรอมเท่านั้น แต่ก็ยังต้องพัฒนาให้มีความจำเพาะในการป้องกันไอออนที่มีขนาดเล็กไม่ให้ผ่านไปได้ดังที่ทีมวิจัยได้กล่าวไว้ ในขณะที่อัตราการเคลื่อนผ่านสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 2 โมลต่อชั่วโมงต่อตารางเมตรซึ่ง สำหรับน้ำ 2 โมลจะมีค่าประมาณ 36 มิลลิลิตร แม้ว่าอัตราการกรองที่ 36 มิลลิลิตรต่อชั่วโมงต่อตารางเมตรจะยังดูน้อยมากแต่ก็ได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการพัฒนางานวิจัยดังกล่าวให้ดียิ่งขึ้นและขยายไปสู่ระดับอุตสาหกรรมได้

เอกสารอ้างอิง(References)

1. University of Manchester. "Graphene's love affair with water: Water filters allow precise and fast sieving of salts and organic molecules." ScienceDaily. ScienceDaily, 13 February 2014. <www.sciencedaily.com/releases/2014/02/140213142229.htm>.

2. R. K. Joshi, P. Carbone, F. C. Wang, V. G. Kravets, Y. Su, I. V. Grigorieva, H. A. Wu, A. K. Geim, R. R. Nair. Precise and Ultrafast Molecular Sieving Through Graphene Oxide Membranes. Science, February 14, 2014 DOI:10.1126/science.1245711

Kaliko Science

http://kalikoscience.blogspot.com/

https://www.facebook.com/KalikoScience/

รางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2013

เมื่อเวลาประมาณ 16.45 น. วันที่ 9 ตุลาคม 2556 ตามเวลาประเทศไทย ราชบัณฑิตยสภาวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดนในฐานะคณะกรรมการตัดสินรางวัลโนเบลได้จัดงานแถลงผลการคัดเลือกผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2013 โดยผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปีนี้ได้แก่ Martin Karplus, Michael Levitt และ Arieh Warshel จากผลงานการพัฒนาแบบจำลองมัลติสเกลของระบบทางเคมีที่มีความซับซ้อน 

ก่อนหน้าการค้นพบของผู้ได้รับรางวัลโนเบลทั้งสามท่าน นักวิทยาศาสตร์ใช้ระเบียบวิธีทางทฤษฎีฟิสิกส์คลาสสิกของนิวตันหรือไม่ก็ทฤษฎีฟิสิกส์ควอนตัมในการสร้างแบบจำลองโมเลกุลซึ่งทั้งสองวิธีต่างก็มีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันไป โดยวิธีคลาสสิกนั้นสามารถใช้คำนวณและจัดการโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่ได้ แต่จะแสดงให้เห็นเฉพาะโมเลกุลในสถานะพื้น (ground state) เท่านั้นซึ่งดีพอที่จะทำให้นักวิทยาศาสตร์ทราบถึงการจัดเรียงตัวของอะตอมต่างๆในโมเลกุล อย่างไรก็ตามเราไม่สามารถใช้ระเบียบวิธีดังกล่าวในการจำลองการเกิดปฏิกิริยาเคมีได้ เพราะในระหว่างการเกิดปฏิกิริยาแต่ละโมเลกุลจะได้รับพลังงานซึ่งทำให้โมเลกุลอยู่ในสถานะเร้าหรือสถานะถูกกระตุ้น (exited state) โดยทฤษฎีคลาสสิกไม่สามารถใช้ตอบคำถามต่อสิ่งที่เกิดขึ้นดังกล่าวได้ ซึ่งเป็นข้อจำกัดสำคัญในการใช้ทฤษฎีนี้ 

หากต้องการจำลองปฏิกิริยาเคมีเราต้องใช้ฟิสิกส์ควอนตัมซึ่งมีข้อดีที่ว่าแบบจำลองจะปราศจากอคติของนักวิทยาศาสตร์ที่สร้างแบบจำลองนั้น ทำให้การจำลองอยู่บนฐานของความเป็นจริงมากกว่า อย่างไรก็ตามข้อเสียของวิธีนี้ก้อคือการคำนวณโดยใช้ทฤษฎีควอนตัมนั้นจำเป็นต้องใช้ระบบคอมพวเตอร์ที่มีสมรรถนะสูงมาก ซึ่งหมายความว่านักวิทยาศาสตร์จะสามารถใช้การคำนวณจากทฤษฎีนี้กับโมเลกุลที่มีขนาดเล็กๆเท่านั้น ทำให้พวกเขาไม่สามารถนำการเกิดอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลที่สนใจกับโมเลกุลแวดล้อมเช่นโมเลกุลของตัวทำละลายมารวมในการคำนวณได้เพราะหากทำการคำนวณระบบดังกล่าวอาจต้องใช้เวลานานนับทศวรรษ(เนื่องจากข้อจำกัดของทฤษฎีและสมรรถนะของคอมพิวเตอร์ในยุคนั้น) จะเห็นได้ว่าทั้งสองระเบียบวิธีมีต่างมีข้อดีและข้อเสียของตัวเอง ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2013 ได้เปิดประตูระหว่างโลกของสองทฤษฎีนี้เพื่อนำข้อดีของทั้งสองทฤษฎีมาประยุกต์ใช้ในการสร้างแบบจำลองของปฏิกิริยาเคมีด้วยคอมพิวเตอร์

รูป 1 นิวตันและแอปเปิ้ลของเขาซึ่งเป็นตัวแทนของทฤษฎีฟิสิกส์คลาสสิกและแมวของชโรดิเจอร์ซึ่งเป็นตัวแทนของทฤษฎีฟิสิกส์ควอนตัม ในรูปซ้ายเป็นตัวแทนของยุคก่อนการค้นพบของผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2013 ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความไม่ลงรอยและการเข้ากันไม่ได้ของทั้งสองทฤษฎี ภายหลังการพัฒนาแนวคิดของทั้งสามท่าน ทฤษฎีทั้งสองทำงานร่วมกันได้อย่างราบรื่นดังแสดงในรูปขวามือ

จุดเริ่มต้นของความร่วมมือของผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2013 ทั้งสามคนเริ่มขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1970 ในห้องปฏิบัติการของ Martin Karplus ที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด เมืองเคมบริดจ์ ประเทศสหรัฐอเมริกา กลุ่มวิจัยของ Karplus พัฒนาโปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่สามารถสร้างแบบจำลองการเกิดปฏิกิริยาเคมีโดยใช้ทฤษฎีฟิสิกส์ควอนตัม เขายังเป็นผู้คิดค้นสมการของKarplus ซึ่งใช้ในเทคนิค Nuclear magnetic resonance(NMR) ซึ่งเป็นเทคนิคที่รู้จักกันดีในหมู่นักเคมีโดยมีพื้นฐานอยู่บนสมบัติทางเคมีควอนตัมของโมเลกุล  Arieh Warshel เข้าร่วมงานกับห้องปฏิบัติการของ Karplus หลังจากที่เขาจบปริญญาเอกในปี 1970 โดยเขาทำงานวิจัยปริญญาเอกที่สถาบันวิทยาศาสตร์ไวส์แมน ประเทศอิสราเอล ซึ่งสถาบันนี้มีคอมพิวเตอร์สมรรถนะสูงที่มีชื่อว่า Golem (มีที่มาจากชื่ออสูรกายในนิทานปรัมปราของชาวยิว) ทั้ง Arieh Warshel และ Michael Levitt ใช้ Golem ในการพัฒนาโปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่อยู่บนพื้นฐานของทฤษฎีคลาสสิกซึ่งสามารถใช้ในการจำลองโมเลกุลได้ทุกชนิดไม่เว้นแม้แต่โมเลกุลที่มีขนาดใหญ่มากๆ (จะเห็นได้ว่าก่อนการร่วมงานกันระหว่าง Karplus กับ Warshel ในปี 1970 ฝั่งของ Karplus ใช้ทฤษฎีฟิสิกส์ควอนตัมเป็นพื้นฐานในงานวิจัย แต่ทางฝั่งของ Warshel และ Levitt ใช้ทฤษฎีคลาสสิกเป็นหลัก) 

เมื่อ Warshel มาร่วมงานกับ Karplus ที่ฮาร์วาร์ด ทั้งสองได้ร่วมกันพัฒนาโปรแกรมชนิดใหม่ที่สามารถทำการคำนวณด้วยวิธีที่แตกต่างบนอะตอมที่แตกต่างกัน โดยโปรแกรมที่พวกเขาพัฒนาจะใช้ทฤษฎีฟิสิกส์ควอนตัมในการคำนวณที่เกี่ยวกับอิเล็กตรอนอิสระ และใช้ทฤษฎีคลาสสิกในการคำนวณกับอิเล็กตรอนและนิวคลีไอที่เหลือทั้งหมด และพวกเขาได้ตีพิมพ์ผลการทดลองในปี 1972 ซึ่งนับเป็นครั้งแรกที่โลกได้เห็นถึงการทำงานร่วมกันของทั้งทฤษฎีควอนตัมและทฤษฎีคลาสสิก อย่างไรก็ตามแนวคิดดังกล่างก็มีข้อจำกัด โดยโปรแกรมของพวกเขาสามารถใช้ได้กับโมเลกุลที่มีสมมาตรแบบสะท้อน (mirror or reflection symmetry) เท่านั้น

หลังจากร่วมงานกับ Karplus ได้สองปี Warshel กลับมาร่วมงานอีกครั้งกับ Levitt ซึ่งเพิ่งจบปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ สหราชอาณาจักร โดยในครั้งนี้ทั้ง Warshel และ Levitt ตั้งเป้าหมายไว้ว่าพวกเขาต้องการที่จะพัฒนาโปรแกรมที่ใช้ในการศึกษาเอนไซม์ซึ่งเป็นโปรตีนที่ควบคุมการเกิดปฏิกิริยาเคมีในสิ่งมีชีวิต หากต้องการเข้าใจสิ่งมีชีวิต พวกเขาจำเป็นต้องเข้าใจเอนไซม์เสียก่อน ในการสร้างแบบจำลองการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ Levitt และ Warshel จำเป็นต้องทำให้การทำงานร่วมกันของทั้งทฤษฎีควอนตัมและทฤษฎีคลาสสิกเป็นไปอย่างราบรื่นและมีประสิทธิภาพ ซึ่งทำให้พวกเขาต้องใช้เวลาหลายปีในการก้าวผ่านอุปสรรคต่างๆ ในที่สุดพวกเขาก็ประสบความสำเร็จในปี 1976 โดยทั้งคู่ร่วมกันตีพิมพ์ผลงานวิจัยที่เกี่ยวกับแบบจำลองปฏิกิรยาของเอนไซม์ ซึ่งนับเป็นการปฏิวัติวงการเนื่องจากโปรแกรมของพวกเขาสามารถจำลองการเกิดปฏิกิริยาได้อย่างดีเยี่ยมและสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับโมเลกุลได้ทุกประเภทโดยขนาดไม่ได้เป็นปัญหาในการสร้างแบบจำลองการเกิดปฏิกิริยาเคมีอีกต่อไป

นักเคมีในยุคถัดมาได้ใช้แนวคิดดังกล่าวในการพัฒนาการจำลองการเกิดกระบวนการทางเคมีโดยใช้ทฤษฎีฟิสิกส์ควอนตัมคำนวณในส่วนของอิเล็กตรอนหรือนิวคลีไอที่ส่งผลต่อปฏิกิริยาเคมี และใช้ทฤษฎีฟิสิกส์คลาสสิกกับบริเวณอื่นๆของโมเลกุล นอกจากนี้ในการคำนวณสมัยใหม่ได้มีการเพิ่มแนวคิดเพื่อลดการใช้ทรัพยากรคอมพิวเตอร์โดยรวมอะตอมที่อยู่ห่างไกลออกไปจากจุดที่เกิดปฏิกิริยาเคมีให้เป็นเสมือนมวลก้อนเดี่ยวที่มีความเป็นเนื้อเดียวกันซึ่งมีชื่อเรียกว่า dielectric medium ดังแสดงในรูปที่ 2

รูป 2 นักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันใช้แนวคิดในการจำลองการเกิดปฏิกิริยาที่พัฒนาโดยผู้ได้รับรางวัลโนเบลปีนี้ โดยแบ่งระบบออกเป็นสามส่วนสำหรับสามวิธีการคำนวณที่แตกต่างกัน

ปัจจุบันนี้นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้คอมพิวเตอร์ในการทำการทดลองเพื่อที่จะเข้าใจว่ากระบวนการทางเคมีต่างๆนั้นเกิดอย่างไร ความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ของวิธีการที่พัฒนาโดย Martin Karplus, Michael Levitt และ Arieh Warshel ก็คือวิธีดังกล่าวสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลาย ตั้งแต่โมเลกุลในสิ่งมีชีวิตไปจนถึงกระบวนการทางอุตสาหกรรมและอื่นๆอีกมากมาย

Credit : ผมแปลและเรียบเรียงงานชิ้นนี้จากเอกสารเผยแพร่บนเว็บไซต์ของมูลนิธิรางวัลโนเบล เอกสารตัวจริงอยู่ในลิ๊งค์ด้านล่าง
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2013/popular-chemistryprize2013.pdf

ผมเพิ่งเคยแปลเป็นงานแรกครับ ติติงได้เต็มที่ ผมยินดีรับฟังไว้เพื่อแก้ไขและพัฒนาครับ

KalikoScience