БИОФИЗИКА: ИСТОРИЯ, КАКВО ИЗУЧАВА, ПРИЛОЖЕНИЯ, КОНЦЕПЦИИ, МЕТОДИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На биофизика е изучаването на физическите закони, действащи в живите организми. Това е интердисциплинарна наука, която прилага подходите и методите на физиката за изучаване на биологични явления.

Известна още като физическа биология, част от идеята, че всички наблюдавани в природата явления имат предсказуемо научно обяснение и че всички живи системи са изградени от процеси, основани на физически закони.

Двойна спирала на ДНК верига. Едно от основните открития в биофизиката. Източник: Joseluissc3

Дискусията, в която биофизиката се разглежда като клон на физиката, биологията или и двете, е често срещана. В този случай е важно да се отбележи, че тенденцията е да се смята за клон на биологията.

Това е така, защото обменът на знания обикновено се генерира от физика към биология, която е обогатена с физически напредък и концепции. Но същият принос не може да бъде потвърден по обратен начин, тоест от гледна точка на чистата физика не може да се каже, че биофизиката предлага нови знания.

Биофизиката предоставя експериментални доказателства за физиката и по този начин позволява да потвърди теориите, но обменът между физика и биология е очевидно еднопосочен.

Биофизиците се обучават в количествените науки по физика, математика и химия, за да изучават всичко, свързано с функционирането, структурата, динамиката и взаимодействието на биологичните системи. Тези системи включват сложни молекули, клетки, организми и екосистеми.

история

Произходът на биофизиката датира от седемнадесети век, когато естествените науки все още не са били разделени като отделни дисциплини и по времето, когато се е намирало първото изследване на биолюминесценцията.

Първото изследване, което беше открито, беше проведено от германския йезуит Атанасий Кирхер (1602-1680), който публикува своето произведение Ars Magna Lucis et Umbrae и посвети две глави на светенето на животните.

Връзката между електричеството и биологията беше обект на спекулации не само през XVII век, но и през следващите два века. По време на неговия подход очарованието на човека към животинското и естественото електричество, като светулки или изхвърляне на естествени мълнии, стана очевидно.

В тази линия на изследване в Италия и в средата на 18 век бяха открити експериментите на Джовани Бекария по електрическа стимулация на мускулите, които генерираха знания в тази област.

През 1786 г. Луиджи Галвани започва спор около електрическия потенциал при животните. Неговият опонент не беше никой друг, освен Алесандро Волта, който, развивайки електрическата батерия, донякъде ограничи научния интерес към електрическия потенциал на живите същества.

XIX век

Един от основните приноси през 19 век е този на професора по физиология Du Bois-Reymond в Берлин, който изгражда галванометри и извършва изследвания върху мускулния ток и електрическия потенциал на нервите. Този обект на изследване се превърна в една от точките на биофизика.

Друга от тях бяха силите, отговорни за пасивния поток на материята в живите организми, по-специално дифузионните градиенти и осмотичното налягане. В този смисъл се открояват приносите на Abbe JA Nollet и Adolf Fick.

Последният беше този, който публикува първия на биофизичен текст Die medizinische Physik или Medical Physics на испански език. В работата на Фик не са провеждани експерименти, а по-скоро е повдигната аналогия със законите на топлинния поток, което дава възможност да се изброят законите, регулиращи дифузията. По-късните лабораторни експерименти показаха, че аналогията е точна.

Двадесети век

Двадесети век се характеризира с това, че започва с известно майсторство на немски учени, които се концентрират върху изучаването на ефектите на радиацията.

Важен етап от този период беше публикуването на книгата ¿Qué es la vida?, от Ервин Шрьодингер през 1944 г. В това се предлага съществуването на молекула в живи същества, съдържаща генетична информация в ковалентни връзки.

Тази книга и тази идея вдъхновиха други учени и ги накараха да открият двойната спирална структура на ДНК през 1953 г. Именно Джеймс Уотсън, Розалинд Франклин и Франсис Крик направиха откритието.

През втората половина на 20 век има очевидна зрялост на биофизиката. В онези дни университетските програми вече се представяха и бяха популярни в други страни извън Германия. Освен това разследването придобиваше все повече ритъм.

Какво се изучава (обект на изследване)

Биомеханиката е един от отраслите на биофизиката. Източник: Mutuauniversal

Областта на изучаване на биофизиката се простира до всички скали на биологичната организация, от молекулярни до органични и други по-сложни системи. В зависимост от фокуса на вниманието, биофизиката може да бъде разделена на следните клонове:

- Биомеханика: изучава механичните структури, които съществуват в живите същества и които позволяват тяхното движение.

- Биоелектричност: изучава електромагнитните и електрохимичните процеси, които протичат в организмите или които пораждат ефекти върху тях.

- Биоенергетика: нейният обект на изследване е трансформацията на енергията, която се случва в биосистемите.

- Биоакустика: науката е тази, която изследва производството на звукови вълни, тяхното предаване по някакъв начин и улавяне от други животни или живи системи.

- Биофотоника: се фокусира върху взаимодействията на живите същества с фотоните.

- Радиобиология: изучава биологичните ефекти на радиацията (йонизиращи и нейонизиращи) и нейните приложения в областта и лабораторията.

- Динамика на протеините: изучете молекулярните движения на протеините и разгледайте тяхната структура, функция и сгъване.

- Молекулярна комуникация: фокусира се върху изучаването на генерирането, предаването и приемането на информация между молекулите.

Приложения

Темите, изследвани от биофизиката, могат да се припокриват с тези на биохимията, молекулярната биология, физиологията, нанотехнологиите, биоинженерството, системната биология, изчислителната биология или физическата химия. Ще се опитаме обаче да разграничим основните приложения на биофизиката.

С откриването на ДНК и нейната структура биофизиката допринесе за създаването на ваксини, за развитието на техники за изобразяване, които позволяват диагностициране на заболявания и генерирането на нови фармакологични методи за лечение на определени патологии.

С разбирането на биомеханиката този клон на биологията даде възможност да се проектират по-добри протези и по-добри наноматериали, с които могат да се доставят лекарства.

Днес биофизиката започна да се фокусира върху въпроси, свързани с изменението на климата и други фактори на околната среда. Например, се работи за разработването на биогорива чрез живи микроорганизми, които да заменят бензина.

Микробните общности също се изследват и замърсителите в атмосферата се проследяват с получените знания.

Основни понятия

- Системи: това е подреден съвкупност от елементи, включени между реални или въображаеми граници, които са взаимосвързани и взаимодействат помежду си.

- Протеини: големи молекули, които се намират във всички живи клетки. Те са съставени от една или повече дълги вериги от аминокиселини, които се държат като машини, които изпълняват голямо разнообразие от функции, като структурни (цитоскелет), механични (мускулни), биохимични (ензими) и клетъчна сигнализация (хормони).

- Биомембрани: система от течности, които изпълняват множество биологични функции, за които трябва да адаптират своя състав и разнообразие. Те са част от клетките на всички живи същества и това е мястото, където се съхраняват безброй малки молекули и служи като котва за протеини.

- Провеждане: това е потокът топлина през твърди среди поради вътрешната вибрация на молекулите, както и свободните електрони и сблъсъците между тях.

- Конвекция: се отнася до потока на енергия през течения на течност (течност или газ), това е движение на обеми течност или газ.

- Радиация: пренос на топлина чрез електромагнитни вълни.

- Деоксирибонуклеинова киселина (ДНК): химично наименование на молекулата, което съдържа генетичната информация във всички живи същества. Основната им функция е да съхраняват дългосрочна информация за изграждане с други компоненти на клетките, те също имат инструкции, използвани за развитието и функционирането на всички живи организми.

- Нервен импулс: това е електрохимичен импулс, който възниква в централната нервна система или в сетивните органи при наличие на стимул. Тази електрическа вълна, която протича през целия неврон, винаги се предава по еднопосочен начин, влизайки през дендритите на клетките и излизащи през аксона.

- Мускулна контракция: физиологичен процес, при който мускулите се стягат, което ги кара да се съкращават, да остават или да се разтягат поради плъзгането на структурите, които го съставят. Този цикъл е свързан със структурата на мускулното влакно и предаването на електрически потенциал през нервите.

методи

Биофизикът А. В. Хил счита, че психичното отношение би било основното средство на биофизика. С това като основание той твърди, че биофизиците са онези индивиди, които могат да изразят проблем във физическо отношение и които не се разграничават от конкретните използвани техники, а от начина, по който формулират и атакуват проблемите.

Към това се добавя способността да се използва сложна физическа теория и други физически инструменти за изучаване на природни обекти. Освен това те не зависят от търговски изградените инструменти, тъй като обикновено имат опит да сглобяват специално оборудване за решаване на биологични проблеми.

Автоматизирането на химичните анализи и други диагностични процеси с помощта на компютри са аспекти, които трябва да се вземат предвид при съвременните биофизични методи.

В допълнение, биофизиците разработват и използват методи за компютърно моделиране, с които могат да манипулират и наблюдават форми и структури на сложни молекули, както и вируси и протеини.

Препратки

1. Соломон, А. (2018, 30 март). Биофизика. Encyclopædia Britannica. Възстановено в britannica.com
2. Биофизика. (2019 г., 18 септември). Уикипедия, енциклопедия. Възстановено от wikipedia.org
3. Сътрудници на Уикипедия (2019 г., 23 септември). Биофизика. В Wikipedia, The Free Encyclopedia. Възстановено от wikipedia.org
4. Какво е биофизика? Познайте нейните клонове на изучаване и неговата история. (2018 г., 30 ноември). Възстановени от клоновеdelabiologia.net
5. Byophysical Society. (2019) Какво е биофизика Възстановено от biophysics.org
6. Нале, Насиф. (2007) Дидактическа статия: Биофизика. Организация на кабинета по биология. Възстановено от biocab.org