A fizikatanítás pedagógiája című felsőoktatási tankönyv(letölthető ...

1930-ban Volterra kidolgozta az egymással versengő populációk matematikai
modelljét, a közismert ragadozó-préda modellt. Ezzel példát mutatott arra, hogy miként
lehet egy lényegében leíró biológiai diszciplinát kvantitatív tudománnyá alakítani.
Onsager és Prigogine munkáiból fejlődött ki a biológiai folyamatok
termodinamikájának modern elmélete, miszerint az élet termodinamikai értelemben
nemegyensúlyi (nyílt) rendszerekben lejátszódó folyamatok összessége.
A modern biológia fordulópontját jelentette a fizikus Francis Cricknek, a biológus
James Watsonnal együtt megalkotott DNS kettős csavar modellje. A
röntgenkrisztalográfia és a molekuláris szerkezetkutatás egymásra találásával született
eredmények alapozták meg a fehérjék működésének megértését és tervezhető
átalakítását. (Watson 1970)
Némely fizikus szereti az evolúciót úgy szemlélni, mint a termodinamika második
főtételének következményét. A szaporodás során ugyanis a DNS állomány
megkettőződésekor mindig történik másolási hiba, aminek következtében mutáció
történik. A mutáns egyed tulajdonságai eltérőek lesznek. A legtöbb mutáció káros, és
ezek az egyedek kiszelektálódnak, mivel nem érik meg a szaporodáshoz szükséges kort,
így nem lesznek utódaik, eltűnnek a populációból. De előfordulhat az is, hogy a mutáns
jobban tud alkalmazkodni a környezetéhez, több utódja lesz. Végül átalakítja a fajt. Az
evolúció ilyen formában az adott környezethez legjobban illeszkedő egyedeket
„választja ki”, olyan mint egy „sikertörténet”. Minden kudarc eltűnik a létért folytatott
„harc” során, csak a sikeres egyedek maradnak életben, és szaporodnak tovább. De az új
tulajdonságokkal rendelkező egyedek a DNS másolási hibája következtében jönnek
létre. Természetesen mutáció más módon is létrejöhet, pl. különböző sugárzások, kémiai
anyagok hatására.
Sok fizikus tevékenykedett a biológiai és orvosi kutatásban, terápiában,
diagnosztizálásban új mérőmódszerek kifejlesztésében. Gondoljunk a különböző
képalkotó módszerekre, pl. pásztázó atomerő mikroszkópra, NMR spektroszkópiára,
számítógépes röntgen tomográfiára stb.
Érdekes kutatási terület napjainkban a statisztikus mechanikai kezelésmód
alkalmazása különböző biológiai esetekben. Az alapelv az, hogy a sok hasonló
objektumot tartalmazó rendszerek átlagos viselkedése általában csak kevéssé függ a
mikroszkopikus részletektől. Az ideális gázok esetében a statisztikus fizika az egyes
gázmolekulák helyének és sebességének ismerete nélkül, azok eloszlásfüggvényével
dolgozik, amelyből például kiszámítható a molekulák átlagos mozgási energiája. Ez a
mennyiség pedig éppen megfeleltethető a gáz hőmérsékletének, amely fontos
termodinamikai jellemző. Modelleznek ilyen formán baktériumtelepeket, halrajokat,
madárcsoportok vonulását, sőt még embercsoportok mozgását is, vagy az agy
működését, mint egy speciálisan kölcsönható sokrészecske rendszert. Az agy esetében
például nem tudjuk a neuronhálózat minden egyes sejtjének állapotát külön-külön
nyomon követni. E helyett a neuronok állapotának eloszlásfüggvényeivel dolgozik a
modell, és ezekből próbál az egész működésére jellemző átlagmennyiségeket definiálni,
abban bízva, hogy így az adott hálózat működésének lényeges momentumát sikerül
megragadni.
78