ביופיזיקה היא לימוד הלכות פיזית הפועלות אורגניזמים חיים. זהו מדע בין-תחומי המיישם את הגישות והשיטות של הפיזיקה לחקר תופעות ביולוגיות.
הביולוגיה הפיזית הידועה גם היא, מתחילה מהרעיון שלכל התופעות הנצפות בטבע יש הסבר מדעי צפוי וכי כל המערכות החיים מורכבות מתהליכים המבוססים על חוקים פיזיקליים.
סליל כפול של שרשרת DNA. אחד הממצאים העיקריים בביו-פיזיקה. מקור: Joseluissc3
הדיון בו ביופיזיקה נחשבת לענף של פיזיקה, ביולוגיה או שניהם הוא נפוץ. במקרה זה, חשוב לציין כי הנטייה היא לראות בו ענף של ביולוגיה.
הסיבה לכך היא שהחלפת הידע נוצרת בדרך כלל מפיזיקה לביולוגיה, שהועשרה בהתקדמות ומושגים פיזיים. אך לא ניתן לאשר את אותה תרומה באופן הפוך, כלומר, מנקודת הפיזיקה הטהורה לא ניתן לומר כי הביופיזיקה מציעה ידע חדש.
הביופיזיקה מספקת עדויות ניסיוניות לפיזיקה ובכך מאפשרת לה לאשש תיאוריות, אך חילופי הדברים בין פיזיקה לביולוגיה אינם חד כיווניים.
ביו-פיזיקאים מאומנים במדעים הכמותיים של פיזיקה, מתמטיקה וכימיה כדי ללמוד את כל מה שקשור לתפקוד, מבנה, דינמיקה ואינטראקציה של מערכות ביולוגיות. מערכות אלה כוללות מולקולות מורכבות, תאים, אורגניזמים ומערכות אקולוגיות.
הִיסטוֹרִיָה
מקורותיה של הביופיזיקה מתוארכים למאה השבע-עשרה, כאשר עדיין לא התחלקו מדעי הטבע לתחומים נפרדים ובזמן בו נמצאה החקירה הראשונה של הביומינסקנס.
המחקר הראשון שהתגלה היה זה שבוצע על ידי הישוע הגרמני, אתנסיוס קירצ'ר (1602-1680), שפרסם את עבודתו Ars Magna Lucis et Umbrae והקדיש שני פרקים להארת בעלי חיים.
הקשר בין חשמל לביולוגיה היה נושא להשערות לא רק במאה השבע עשרה, אלא בשתי המאות הבאות. במהלך גישתו התגלה הקסם של האדם לחשמל מן החי והטבע, כמו גחליליות או פריקת ברקים טבעיים.
בשורה זו של מחקר, באיטליה ובאמצע המאה ה -18, התגלו ניסויים של ג'ובאני בקרריה לגירוי חשמלי של שרירים שיוצרים ידע בתחום זה.
בשנת 1786, לואיג'י גלווני החל במחלוקת סביב הפוטנציאל החשמלי אצל בעלי חיים. מתנגדו היה לא אחר מאשר אלסנדרו וולטה, שבאמצעות פיתוח הסוללה החשמלית, קצת בלם את העניין המדעי בפוטנציאל החשמלי ביצורים חיים.
המאה ה- XIX
אחת התרומות העיקריות במאה ה -19 הייתה זו של פרופסור לפיזיולוגיה של דו בויס-ריימונד בברלין, שבנה את הגלוונומטרים וביצע מחקרים על הזרם השרירי והפוטנציאל החשמלי של העצבים. מושא המחקר הזה הפך לאחת מנקודות המוצא של הביופיזיקה.
אחד אחר מהם היה הכוחות האחראיים לזרימה הפסיבית של החומר באורגניזמים חיים, ספציפית לדרגת דיפוזיה ולחץ אוסמוטי. לאורך הקווים הללו בולטות תרומותיהם של אבבה ג'ה נולט ואדולף פיק.
האחרון היה זה שפרסם את הטקסט הביופיזי הראשון Die medizinische Physik או Physics Medical בספרדית. בעבודתו של פיק לא נערכו ניסויים, אלא הועלתה אנלוגיה לחוקי זרימת החום, מה שאיפשר לחסל את החוקים הנוגעים לפיזור. ניסויים במעבדה מאוחרים הראו כי ההיקש היה מדויק.
המאה העשרים
המאה העשרים התאפיינה בהתחלה בשליטה מסוימת של מדענים גרמנים, שהתרכזו בחקר השפעות הקרינה.
אבן דרך חשובה בתקופה זו הייתה פרסום הספר ¿Qué es la vida? מאת ארווין שרדינגר בשנת 1944. בכך הוצע קיומה של מולקולה ביצורים חיים שהכילה מידע גנטי בקשרים קוולנטיים.
ספר זה ורעיון זה היוו השראה למדענים אחרים והובילו אותם לגלות את מבנה הסליל הכפול של ה- DNA בשנת 1953. ג'יימס ווטסון, רוזלינד פרנקלין ופרנסיס קריק הם אלה שגרמו לתגלית.
במחצית השנייה של המאה העשרים יש בגרות ניכרת של הביופיזיקה. בימים ההם כבר הוצגו תוכניות אוניברסיטאיות וזה היה פופולרי במדינות אחרות מעבר לגרמניה. בנוסף, החקירה צברה יותר ויותר קצב.
מה לומד (מושא הלימוד)
ביומכניקה היא אחד מענפי הביופיזיקה. מקור: Mutuauniversal
תחום המחקר של הביופיזיקה משתרע על כל סולמות הארגון הביולוגי, ממולקולרית למערכות אורגניות ומורכבות אחרות. בהתאם למוקד הקשב, ניתן לחלק את הביופיזיקה לענפים הבאים:
- ביומכניקה: חקר המבנים המכאניים הקיימים ביצורים חיים המאפשרים תנועה שלהם.
- ביואלקטריות: חקר התהליכים האלקטרומגנטיים והאלקטרוכימיים המתרחשים באורגניזמים או שמייצרים השפעות עליהם.
- ביואנרגטיקה: מטרת המחקר שלה היא טרנספורמציה של אנרגיה המתרחשת במערכות ביולוגיות.
- ביואקוסטיקה: המדע הוא זה שחוקר את ייצור גלי הקול, העברתם באמצעים כלשהם וכיבוש על ידי בעלי חיים אחרים או מערכות חיות.
- ביו- פוטוניקה: מתמקד באינטראקציות של דברים חיים עם פוטונים.
- רדיוביולוגיה : בוחן את ההשפעות הביולוגיות של קרינה (מייננת ולא מייננת) ויישומיה בתחום ובמעבדה.
- דינמיקת חלבונים: חקר התנועות המולקולריות של חלבונים ושקול את מבנהן, תפקודן וקיפולו.
- תקשורת מולקולרית : מתמקדת בחקר יצירת, העברת וקבלת מידע בין מולקולות.
יישומים
הנושאים שנחקרו על ידי ביו-פיזיקה עשויים לחפוף לנושאים של ביוכימיה, ביולוגיה מולקולרית, פיזיולוגיה, ננו-טכנולוגיה, ביו-הנדסה, ביולוגיה של מערכות, ביולוגיה חישובית או כימיה פיזיקלית, בין היתר. עם זאת, ננסה לתחום את היישומים העיקריים של הביופיזיקה.
עם גילוי ה- DNA והמבנה שלו, הביופיזיקה תרמה ליצירת חיסונים, פיתוח טכניקות הדמיה המאפשרות אבחון מחלות ויצירת שיטות פרמקולוגיות חדשות לטיפול בפתולוגיות מסוימות.
מתוך הבנת הביומכניקה, ענף ביולוגיה זה איפשר לתכנן תותבות טובות יותר וננו חומרים טובים יותר איתם ניתן להעביר תרופות.
כיום, הביופיזיקה החלה להתמקד בסוגיות הקשורות לשינויי אקלים וגורמים סביבתיים אחרים. לדוגמא, עובדים על פיתוח דלקים ביולוגיים באמצעות מיקרואורגניזמים חיים כדי להחליף בנזין.
גם קהילות מיקרוביאליות נחקרות ומזהמים באווירה עוקבים אחר הידע שנצבר.
מושגים עיקריים
- מערכות : זהו מכלול מסודר של אלמנטים הכלולים בין גבולות אמיתיים או דמיוניים, הקשורים זה בזה וקיימים יחסי גומלין זה עם זה.
חלבונים : מולקולות גדולות שנמצאות בכל התאים החיים. הם מורכבים משרשרת ארוכה או יותר של חומצות אמינו שמתנהגות כמו מכונות המבצעות מגוון רחב של פונקציות, כמו מבניים (ציטוס-שלד), מכניים (שרירים), ביוכימיים (אנזימים) ותאים לתאים (הורמונים).
- ביוממברנות : מערכת נוזלים הממלאים פונקציות ביולוגיות רבות שלגביהם עליהם להתאים את הרכבן ואת המגוון שלהם. הם חלק מהתאים של כל היצורים החיים וזה המקום בו מאוחסנים אינספור מולקולות קטנות ומשמש כעוגן לחלבונים.
- הולכה : זוהי זרימת החום דרך מדיה מוצקה בגלל הרטט הפנימי של מולקולות, כמו גם אלקטרונים חופשיים והתנגשויות ביניהם.
- הסעה : מתייחס לזרימת האנרגיה דרך זרמים של נוזל (נוזל או גז), זו תנועה של נפחי נוזל או גז.
- קרינה : העברת חום דרך גלים אלקטרומגנטיים.
- חומצה דיאוקסיריבונוקלאית (DNA) : שם כימי של המולקולה המכילה את המידע הגנטי בכל היצורים החיים. תפקידם העיקרי הוא לאגור מידע לטווח ארוך לבנות עם רכיבים אחרים בתאים, יש להם גם הוראות המשמשות להתפתחות ותפעול של כל האורגניזמים החיים.
- דחף עצבי : זהו דחף אלקטרוכימי שמקורו במערכת העצבים המרכזית או באיברי החוש בנוכחות גירוי. הגל החשמלי הזה שעובר בכל הנוירון מועבר תמיד בצורה חד כיוונית, נכנס דרך הדנדריטים של התאים ויוצא דרך האקסון.
- כיווץ שרירים: תהליך פיזיולוגי בו השרירים מתהדקים, וגורמים להם להתקצר, להישאר או למתוח עקב החלקה של המבנים המרכיבים אותו. מחזור זה קשור למבנה סיבי השריר והעברת פוטנציאל חשמלי דרך העצבים.
שיטות
הביופיזיקאי AV Hill חושב שיחס נפשי יהיה הכלי העיקרי של הביופיזיקאי. עם זה כבסיס, הוא טוען כי הביופיזיקאים הם אותם אנשים שיכולים לבטא בעיה במונחים גופניים, ואינם נבדלים על ידי הטכניקות המסוימות המשמשות אלא על ידי האופן שבו הם מנסחים ותוקפים בעיות.
לכך מתווספת היכולת להשתמש בתיאוריה פיזיקלית מורכבת ובכלים גופניים אחרים ללימוד חפצים טבעיים. בנוסף, הם אינם תלויים במכשירים שנבנו מסחרית, מכיוון שלרוב יש להם ניסיון בהרכבת ציוד מיוחד לפיתרון בעיות ביולוגיות.
אוטומציה של ניתוחים כימיים ותהליכי אבחון אחרים באמצעות מחשבים הם היבטים שיש לקחת בחשבון בשיטות ביו-פיזיות עכשוויות.
בנוסף, ביו-פיזיקאים מפתחים ומשתמשים בשיטות דוגמנות מחשבים, בעזרתן הם יכולים לתפעל ולצפות צורות ומבנים של מולקולות מורכבות, כמו גם נגיפים וחלבונים.
הפניות
- סולומון, א '(2018, 30 במרץ). בִּיוֹפִיסִיקָה. אנציקלופדיה בריטניקה. התאושש ב- britannica.com
- בִּיוֹפִיסִיקָה. (2019, 18 בספטמבר). ויקיפדיה, האנציקלופדיה. התאושש מ- wikipedia.org
- תורמים בוויקיפדיה. (2019, 23 בספטמבר). בִּיוֹפִיסִיקָה. בויקיפדיה, האינציקלופדיה החופשית. התאושש מ- wikipedia.org
- מהי ביופיזיקה? הכיר את ענפי הלימוד שלו ואת ההיסטוריה שלה. (2018, 30 בנובמבר). התאושש ב- branchdelabiologia.net
- החברה הביופיזית. (2019) מהי ביופיסיקה. התאושש מ- biophysics.org
- נחל, נסיף. (2007) מאמר דידקטי: ביופיסיקה. ארגון הקבינט הביולוגי. התאושש מ- biocab.org