Alternatywa dla fizyki

Katarzyna Wyborska, Grzegorz Karwasz

(…)W szkole średniowiecznej uczono gramatyki, dialektyki i retoryki. Były to w zasadzie łacina, filozofia i literatura. Ale dziś żaden z tych przedmiotów, w tej formie, w szkole podstawowej się nie ostał. Aby więc obronić znaczenie (czy nawet istnienie) fizyki jako przedmiotu szkolnego, należy zmienić treści i sposoby nauczania: odejść od aksjomatycznego wykładu „praw” i „zasad”, na rzecz nauczania interdyscyplinarnego, pokazującego użyteczność fizyki we współczesnym świecie.

Fizyka opisuje całą złożoność i różnorodność zjawisk, które nas otaczają. Dlatego też nauczyciel musi otworzyć się na inne niż własna dziedziny wiedzy, by móc w jak najlepszy sposób odpowiedzieć na potrzeby uczniów i zaspokoić ich ciekawość poznawczą. Rzadko się zdarza, że w życiu codziennym rozwiązuje się problem ściśle związany z jednym przedmiotem, bardzo często wymaga się tutaj zastosowania wiedzy interdyscyplinarnej.

W procesie nauczania fizyki (nauk przyrodniczych) leży przede wszystkim ułatwianie młodzieży rozumienia zjawisk zachodzących w przyrodzie, odwoływanie się do przykładów         i praktycznego ich wykorzystywania. Ważnym elementem staje się konstrukcja zajęć edukacyjnych, zastosowanie odpowiednich metod, technik i wzbogacenie treści z fizyki o treści z dziedziny chemii, biologii, geografii czy techniki. Ważnym zadaniem jest również przygotowanie uczniów do korzystania z różnorodnych źródeł wiedzy.

Internet staje się źródłem wiedzy ogólnie dostępnej. Niestety, lawinowo rosnące zasoby czynią coraz trudniejszym wybór odpowiedniej ścieżki poznawczej. Pokazujemy, jak korzystając jedynie ze źródeł internetowych (ale dość zaawansowanych) można wzbogacić lekcje fizyki o aspekty interdyscyplinarne, a wiedzę przedstawić według skali rosnącej trudności – zaczynając od treści podręcznikowych, aż do zaawansowanych technologii naukowych. Tematem przewodnim jest „Jak fizyka pomaga w walce z COVID-19”. Artykuł o tym tytule pojawił się w „Physics World” już 19 marca 2020 roku.    

Rozszyfrować zabójcę

Sekwencję genetyczną wirusa-zabójcy rozszyfrowali, już w lutym 2020 roku, naukowcy chińscy. Korona-wirusy, szczególnie te ptasie, były przedmiotem studiów od co najmniej dwudziestu lat. Wiadomo było, że wstążka RNA tych wirusów jest szczególnie długa, a małe różnice w sekwencji „liter” zasadniczo zmieniają cechy wirusa. Stąd znaczenie dokładnego odczytu tej sekwencji, mimo że tak do końca jej nie rozumiemy (nie tylko autorzy tego artykułu, ale również fizycy-genetycy).

Do rozszyfrowania genomu COVID użyto wysokiej jakości promieniowania rentgenowskiego, emitowanego z gigantycznej „lampy” – akceleratora elektronów zwanego synchrotronem. Lampa ta to komora próżniowa w postaci torusa, o długości kilkuset metrów(…)

Synchrotron nie ma jednak kształtu dokładnego, tzn. kolistego torusa. Elektrony poruszające się po okręgu poddane byłyby stałemu przyspieszeniu dośrodkowemu, a jak wiemy, przyspieszane ładunki elektryczne emitują fale elektromagnetyczne. Synchrotron składa się więc z odcinków prostych i zagięć. Na odcinkach prostych elektrony są przyspieszane do wymaganej prędkości, na odcinkach zagiętych, gdzie podlegają przyspieszeniu dośrodkowemu, emitują promieniowanie elektromagnetyczne. Z elektrodynamiki relatywistycznej wynika, że promieniowanie to tworzy wiązkę w kierunku ruchu elektronów. Energia promieniowania może być zmieniana, od dziesiątków eV do kilkudziesięciu keV (przypominamy, że energia światła widzialnego leży w zakresie 1,8-3,6 eV). Innymi słowy, promieniowanie synchrotronowe ma energię regulowaną od nadfioletu do „twardego” promieniowania X (czyli rentgenowskiego). Nadaje się zarówno do badania delikatnych struktur biologicznych jak hełmów greckich hoplitów.

Od obrazu otrzymywanego z mikroskopu synchrotronowego do znanej z TV złowrogiej „miny podwodnej” wirusa COVID droga jednak daleka. Promieniowanie rentgenowskie pozwala na badanie struktury kryształów: białko wirusa musi mieć postać krystaliczną, a otrzymany obraz to bardzo skomplikowany „dyfraktogram”.

Znamy zjawisko dyfrakcji w postaci tęczy kolorów na płycie CD: ale układ rys na CD jest jednowymiarowy, a kryształ białka ma skomplikowaną strukturę trójwymiarową. Bez pomocy komputerów (i dziesięcioleci prac fizyków, matematyków i informatyków) „kaszanka” punktów dyfraktogramu byłaby jedynie ciekawym obrazkiem. To specjalistyczne komputerowe programy analizy pozwalają z mnogości punktów uzyskać trójwymiarową strukturę badanego białka.

Struktura białek COVIDa jest bardzo złożona: to wyspecjalizowany zabójca, z całym mnóstwem różnych funkcji – rozpoznania komórki do zaatakowania, podłączenia się do błony komórkowej, jej perforacji, iniekcji własnych białek, sukcesywnej replikacji itd., a przy tym te funkcje muszą być odcyfrowane z archiwum wirusa, jak program komputerowy z twardego dysku. Zainteresowanych strukturą geometryczną najważniejszego enzymu w „arsenale” COVIDa odsyłamy do artykułu z marca 2020 z  „Science”. Enzym ten umożliwia wirusowi „przepisanie” informacji z RNA na białka atakujące komórki.

Na rysunku u góry pokazujemy znacznie prostszą strukturę 3D innego zabójcy – toksyny jadu kiełbasianego, czyli botuliny (nawiasem mówiąc składnika botoxu). W naturze istnieją dwie najbardziej śmiercionośne trucizny – tężca i jadu kiełbasianego. Obie powodują straszną śmierć: tężec paraliżuje (kurczy) mięśnie, w tym mięśnie płuc. Chory ginie wskutek braku tlenu. Podobnie działa jad kiełbasiany: mięśnie wiotczeją. Przy tym są to najbardziej toksyczne związki chemiczne: według angielsko-języcznej wikipedii 450 g jadu kiełbasianego wystarczyłoby do zatrucia całej ludzkości.

Skąd się bierze ta nadzwyczajna zjadliwość obu białek? Czy mają one coś wspólnego? Odpowiedzi udzielają wspólnie – biologia i fizyka. Są to enzymy, niszczące inne białka, tzw. neuro-transmisyjne.

Cały artykuł Katarzyny Wyborskiej i Grzegorza Karwasza „Alternatywa – fizyka interdyscyplinarna” przeczytacie w najnowszym wydaniu (5/2022) „Fizyki w Szkole”