BIOFIZYKA: HISTORIA, CZYM SIĘ BADA, ZASTOSOWANIA, KONCEPCJE, METODY - BIOLOGIA - 2026

W biofizyki jest badanie praw fizycznych działających w organizmach żywych. Jest to nauka interdyscyplinarna, która wykorzystuje podejścia i metody fizyki do badania zjawisk biologicznych.

Znana również jako biologia fizyczna, jest częścią idei, że wszystkie zjawiska obserwowane w przyrodzie mają przewidywalne naukowe wyjaśnienie i że wszystkie żywe systemy składają się z procesów opartych na prawach fizyki.

Podwójna helisa łańcucha DNA. Jedno z głównych odkryć w biofizyce. Źródło: Joseluissc3

Dyskusja, w której biofizyka jest uważana za gałąź fizyki, biologii lub obie, jest powszechna. W tym przypadku należy zauważyć, że istnieje tendencja do uważania go za gałąź biologii.

Dzieje się tak, ponieważ wymiana wiedzy jest zwykle generowana z fizyki do biologii, która została wzbogacona postępami fizycznymi i koncepcjami. Ale tego samego wkładu nie można potwierdzić w sposób odwrotny, to znaczy z punktu widzenia czystej fizyki nie można powiedzieć, że biofizyka oferuje nową wiedzę.

Biofizyka dostarcza fizyce dowodów eksperymentalnych, a tym samym pozwala jej potwierdzać teorie, ale wymiana między fizyką a biologią jest wyraźnie jednokierunkowa.

Biofizycy są przeszkoleni w naukach ilościowych z zakresu fizyki, matematyki i chemii, aby badać wszystko, co dotyczy funkcjonowania, struktury, dynamiki i interakcji systemów biologicznych. Systemy te obejmują złożone cząsteczki, komórki, organizmy i ekosystemy.

Historia

Początki biofizyki sięgają XVII wieku, kiedy nauki przyrodnicze nie były jeszcze podzielone na odrębne dyscypliny i kiedy zlokalizowano pierwsze badanie bioluminescencji.

Pierwszym wykrytym badaniem był niemiecki jezuita Athanasius Kircher (1602-1680), który opublikował swoją pracę Ars Magna Lucis et Umbrae i poświęcił dwa rozdziały luminescencji zwierząt.

Związek między elektrycznością a biologią był przedmiotem spekulacji nie tylko w XVII wieku, ale przez następne dwa stulecia. W jego trakcie uwidoczniła się fascynacja człowieka zwierzęcą i naturalną elektrycznością, taką jak świetliki czy naturalne wyładowania atmosferyczne.

W tej linii badań we Włoszech iw połowie XVIII wieku wykryto eksperymenty Giovanniego Beccarii dotyczące elektrycznej stymulacji mięśni, które wygenerowały wiedzę w tej dziedzinie.

W 1786 roku Luigi Galvani rozpoczął kontrowersje wokół potencjału elektrycznego zwierząt. Jego przeciwnikiem był nikt inny jak Alessandro Volta, który opracowując baterię elektryczną, nieco ograniczył naukowe zainteresowanie potencjałem elektrycznym istot żywych.

XIX wiek

Jednym z głównych osiągnięć XIX wieku był Berliński profesor fizjologii Du Bois-Reymond, który zbudował galwanometry i przeprowadził badania prądu mięśniowego i potencjału elektrycznego nerwów. Ten przedmiot badań stał się jednym z punktów początkowych biofizyki.

Kolejną z nich były siły odpowiedzialne za bierny przepływ materii w organizmach żywych, a konkretnie gradienty dyfuzji i ciśnienie osmotyczne. W tym kontekście wyróżnia się wkład Abbé JA Nolleta i Adolfa Ficka.

Ten ostatni opublikował pierwszy biofizyczny tekst Die medizinische Physik lub Medical Physics w języku hiszpańskim. W pracy Ficka nie przeprowadzono żadnych eksperymentów, a raczej postawiono analogię z prawami przepływu ciepła, co pozwoliło na wygłoszenie praw rządzących dyfuzją. Późniejsze eksperymenty laboratoryjne wykazały, że analogia była dokładna.

Dwudziesty wiek

XX wiek charakteryzował się pewnym mistrzostwem niemieckich naukowców, którzy koncentrowali się na badaniu skutków promieniowania.

Ważnym kamieniem milowym tego okresu była publikacja książki ¿Qué es la vida? , Erwin Schrödinger w 1944 r. W tym artykule zaproponowano istnienie w istotach żywych cząsteczki zawierającej informację genetyczną w wiązaniach kowalencyjnych.

Ta książka i ten pomysł zainspirowały innych naukowców i doprowadziły ich do odkrycia struktury podwójnej helisy DNA w 1953 r. To James Watson, Rosalind Franklin i Francis Crick dokonali odkrycia.

W drugiej połowie XX wieku widać wyraźną dojrzałość biofizyki. W tamtych czasach były już prezentowane programy uniwersyteckie i były popularne w innych krajach poza Niemcami. W dodatku śledztwo nabierało coraz większego rytmu.

Co się uczy (przedmiot studiów)

Biomechanika to jedna z gałęzi biofizyki. Źródło: Mutuauniversal

Dziedzina biofizyki rozciąga się na wszystkie skale organizacji biologicznej, od molekularnych po organiczne i inne bardziej złożone systemy. W zależności od przedmiotu zainteresowania biofizykę można podzielić na następujące gałęzie:

- Biomechanika: bada struktury mechaniczne, które istnieją w żywych istotach i umożliwiają ich ruch.

- Bioelektryczność: bada procesy elektromagnetyczne i elektrochemiczne zachodzące w organizmach lub które na nie wpływają.

- Bioenergetyka: przedmiotem badań jest przemiana energii zachodząca w biosystemach.

- Bioakustyka: to nauka bada wytwarzanie fal dźwiękowych, ich przenoszenie w jakiś sposób i wychwytywanie przez inne zwierzęta lub żywe systemy.

- Biofotonika: koncentruje się na interakcjach żywych istot z fotonami.

- Radiobiologia : bada biologiczne skutki promieniowania (jonizującego i niejonizującego) oraz jego zastosowania w terenie i laboratorium.

- Dynamika białek: badanie ruchów molekularnych białek i rozważanie ich struktury, funkcji i fałdowania.

- Komunikacja molekularna : koncentruje się na badaniu wytwarzania, transmisji i odbioru informacji między cząsteczkami.

Aplikacje

Zagadnienia badane przez biofizykę mogą pokrywać się między innymi z biochemią, biologią molekularną, fizjologią, nanotechnologią, bioinżynierią, biologią systemów, biologią obliczeniową czy chemią-fizyką. Spróbujemy jednak wytyczyć główne zastosowania biofizyki.

Wraz z odkryciem DNA i jego struktury biofizyka przyczyniła się do stworzenia szczepionek, rozwoju technik obrazowania, które pozwalają na diagnozowanie chorób i wygenerowania nowych metod farmakologicznych do leczenia niektórych patologii.

Dzięki zrozumieniu biomechaniki ta gałąź biologii umożliwiła projektowanie lepszych protez i lepszych nanomateriałów, za pomocą których można dostarczać leki.

Dzisiaj biofizyka zaczęła skupiać się na kwestiach związanych ze zmianami klimatu i innymi czynnikami środowiskowymi. Na przykład trwają prace nad rozwojem biopaliw za pomocą żywych mikroorganizmów, które mają zastąpić benzynę.

Badane są również społeczności drobnoustrojów, a dzięki zdobytej wiedzy śledzone są zanieczyszczenia w atmosferze.

Główne koncepcje

- Systemy : jest to uporządkowany zbiór elementów zawartych między rzeczywistymi lub urojonymi granicami, które są ze sobą powiązane i oddziałują na siebie.

- Białka : duże cząsteczki występujące we wszystkich żywych komórkach. Składają się z jednego lub więcej długich łańcuchów aminokwasów, które zachowują się jak maszyny, które wykonują różnorodne funkcje, takie jak strukturalne (cytoszkielet), mechaniczne (mięśnie), biochemiczne (enzymy) i sygnalizacja komórkowa (hormony).

- Biomembrany : system płynów, które spełniają wiele funkcji biologicznych, do których muszą dostosować swój skład i różnorodność. Są częścią komórek wszystkich żywych istot i jest miejscem, w którym przechowywane są niezliczone małe cząsteczki i służą jako kotwica dla białek.

- Przewodnictwo : jest przepływ ciepła przez mediów stałych, z powodu wewnętrznej drgania cząsteczek, jak również w postaci wolnych elektronów i kolizji między nimi.

- Konwekcja : odnosi się do przepływu energii przez prądy płynu (cieczy lub gazu), jest to ruch objętości cieczy lub gazu.

- Promieniowanie : przenoszenie ciepła przez fale elektromagnetyczne.

- kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) : nazwie chemicznej cząsteczki, która zawiera informację genetyczną u istot żywych. Ich główną funkcją jest przechowywanie długoterminowych informacji do budowania z innymi składnikami komórek, posiadają również instrukcje używane do rozwoju i działania wszystkich żywych organizmów.

- Impuls nerwowy : jest to impuls elektrochemiczny, który powstaje w ośrodkowym układzie nerwowym lub w narządach zmysłów w obecności bodźca. Ta fala elektryczna, która przechodzi przez cały neuron, jest zawsze przekazywana w sposób jednokierunkowy, wchodząc przez dendryty komórek i wychodząc przez akson.

- Skurcz mięśni: fizjologiczny proces, w którym mięśnie napinają się, powodując ich skracanie, utrzymywanie się lub rozciąganie w wyniku przesuwania się tworzących je struktur. Cykl ten jest powiązany ze strukturą włókna mięśniowego i przenoszeniem potencjału elektrycznego przez nerwy.

Metody

Biophysicist AV Hill uważa, że ​​nastawienie psychiczne byłoby głównym narzędziem biofizyka. Na tej podstawie argumentuje, że biofizycy to osoby, które potrafią wyrazić problem w kategoriach fizycznych i których nie rozróżniają poszczególne stosowane techniki, ale sposób, w jaki formułują i atakują problemy.

Do tego dochodzi możliwość wykorzystania złożonej teorii fizycznej i innych fizycznych narzędzi do badania obiektów naturalnych. Ponadto nie są uzależnieni od instrumentów budowanych komercyjnie, ponieważ zwykle mają doświadczenie w montażu specjalnego sprzętu do rozwiązywania problemów biologicznych.

Automatyzacja analiz chemicznych i innych procesów diagnostycznych z wykorzystaniem komputerów to aspekty, które należy uwzględnić w obecnych metodach biofizycznych.

Ponadto biofizycy opracowują i wykorzystują metody modelowania komputerowego, za pomocą których mogą manipulować i obserwować kształty i struktury złożonych cząsteczek, a także wirusów i białek.

Bibliografia

1. Solomon, A. (30 marca 2018). Biofizyka. Encyclopædia Britannica. Odzyskany na britannica.com
2. Biofizyka. (18 września 2019). Wikipedia, encyklopedia. Odzyskany z wikipedia.org
3. Współtwórcy Wikipedii. (23 września 2019). Biofizyka. W Wikipedii, wolna encyklopedia. Odzyskany z wikipedia.org
4. Co to jest biofizyka? Poznaj jego kierunki studiów i historię. (30 listopada 2018). Odzyskany z branchesdelabiologia.net
5. Towarzystwo Byofizyczne. (2019) Co to jest biofizyka. Odzyskany z biophysics.org
6. Nahle, Nasif. (2007) Artykuł dydaktyczny: Biofizyka. Organizacja gabinetu biologicznego. Odzyskany z biocab.org