BIOFYSIIKKA: HISTORIA, SEN OPINNOT, SOVELLUKSET, KÄSITTEET, MENETELMÄT - BIOLOGIA - 2026

Biofysiikka on tutkimuksen fysiikan lakien toimivien eläviin organismeihin. Se on monitieteinen tiede, joka soveltaa fysiikan lähestymistapoja ja menetelmiä biologisten ilmiöiden tutkimiseen.

Tunnetaan myös nimellä fysikaalinen biologia, osa ajatusta, että kaikilla luonnossa havaituilla ilmiöillä on ennustettavissa oleva tieteellinen selitys ja että kaikki elävät järjestelmät koostuvat fyysisiin lakiin perustuvista prosesseista.

DNA-ketjun kaksoiskierre. Yksi tärkeimmistä havainnoista biofysiikassa. Lähde: Joseluissc3

Keskustelu, jossa biofysiikkaa pidetään fysiikan, biologian tai molempina aloina, on yleinen. Tässä tapauksessa on tärkeätä huomata, että taipumus on pitää sitä biologian haarana.

Tämä johtuu siitä, että tiedonvaihto syntyy yleensä fysiikasta biologiaan, jota on rikastuttanut fyysinen kehitys ja käsitteet. Mutta samaa panosta ei voida vahvistaa käänteisellä tavalla, toisin sanoen puhtaan fysiikan kannalta ei voida sanoa, että biofysiikka tarjoaa uutta tietoa.

Biofysiikka tarjoaa kokeellista näyttöä fysiikalle ja sallii siten vahvistaa teorioita, mutta fysiikan ja biologian välinen vaihto on selvästi yksisuuntaista.

Biofyysikot on koulutettu fysiikan, matematiikan ja kemian kvantitatiivisissa tieteissä tutkimaan kaikkea biologisten järjestelmien toimintaan, rakenteeseen, dynamiikkaan ja vuorovaikutukseen liittyvää. Nämä järjestelmät sisältävät monimutkaisia ​​molekyylejä, soluja, organismeja ja ekosysteemejä.

Historia

Biofysiikan alkuperä juontaa juurensa seitsemännentoista vuosisadan aikaan, jolloin luonnontieteitä ei ollut vielä jaoteltu erillisiksi tieteenaloiksi ja silloin, kun ensimmäinen bioluminesenssitutkimus sijaitsi.

Ensimmäisen havaitun tutkimuksen suoritti saksalainen jesuiitta, Athanasius Kircher (1602-1680), joka julkaisi teoksensa Ars Magna Lucis et Umbrae ja omisti kaksi lukua eläinten luminesenssiin.

Sähkön ja biologian välisestä yhteydestä spekuloitiin paitsi 1700-luvulla, myös seuraavien kahden vuosisadan aikana. Hänen lähestymistapansa aikana ilmeni ihmisen kiehtovuus eläin- ja luonnollisesta sähköstä, kuten tulipaloista tai luonnollisista salamanpurkauksista.

Tässä tutkimuslinjassa Italiassa ja 1800-luvun puolivälissä havaittiin Giovanni Beccarian lihaksen sähköstimulaatiota koskevat kokeet, jotka tuottivat tietoa tällä alueella.

Vuonna 1786 Luigi Galvani aloitti kiistan eläinten sähköpotentiaalista. Hänen vastustajansa ei ollut kukaan muu kuin Alessandro Volta, joka kehittämällä sähköakkua hillitsi jonkin verran tieteellistä kiinnostusta elävien olentojen sähköpotentiaalista.

XIX luvulla

Yksi tärkeimmistä panoksista 1800-luvulla oli Du Bois-Reymondin fysiologian professori Berliinissä, joka rakensi galvanometrit ja suoritti tutkimuksia hermojen lihasvirrasta ja sähköisestä potentiaalista. Tästä tutkimusobjektista tuli yksi biofysiikan lähtökohdista.

Toinen niistä oli voimat, jotka vastaavat aineen passiivisesta virtauksesta elävissä organismeissa, erityisesti diffuusiogradienteista ja osmoottisesta paineesta. Näiden linjojen mukaan Abbé JA Nolletin ja Adolf Fickin lausunnot erottuvat.

Jälkimmäinen julkaisi ensimmäisen espanjankielisen biofyysisen tekstin Die medizinische Physik tai Medical Physics. Fickin työssä ei tehty mitään kokeita, vaan pikemminkin esitettiin analogia lämpövirtauslakien kanssa, mikä mahdollisti diffuusiota säätelevien lakien julistamisen. Myöhemmät laboratoriokokeet osoittivat, että analogia oli tarkka.

Kahdeskymmenes vuosisata

1900-luvulle oli ominaista aloittaminen saksalaisten tutkijoiden tietyllä hallitsemisella, jotka keskittyivät säteilyn vaikutusten tutkimiseen.

Tärkeä virstanpylväs tälle ajanjaksolle oli kirjan ”Qué es la vida?” Julkaisu., kirjoittanut Erwin Schrödinger vuonna 1944. Tässä ehdotettiin elävien olentojen molekyylin olemassaoloa, joka sisälsi geenitiedot kovalenttisissa sidoksissa.

Tämä kirja ja tuo ajatus inspiroivat muita tutkijoita ja saivat heidät löytämään DNA: n kaksoishelix-rakenteen vuonna 1953. Löytöksen tekivät James Watson, Rosalind Franklin ja Francis Crick.

1900-luvun jälkipuoliskolla biofysiikan kypsyys on selvää. Noina aikoina yliopisto-ohjelmia esitettiin jo, ja se oli suosittu muissa maissa Saksan ulkopuolella. Lisäksi tutkinta kiihtyi entistä vauhdikkaammin.

Mitä opiskelee (tutkimuksen kohde)

Biomekaniikka on yksi biofysiikan haaroista. Lähde: Mutuauniversal

Biofysiikan tutkimuskenttä ulottuu kaikkiin biologisen organisaation asteikkoihin, molekyylistä orgaanisiin ja muihin monimutkaisempiin järjestelmiin. Huomion painopisteestä riippuen biofysiikka voidaan jakaa seuraaviin haaroihin:

- Biomekaniikka: tutkii mekaanisia rakenteita, joita on elävissä olennoissa ja jotka sallivat niiden liikkumisen.

- Bioelektrisyys: tutkii organismeissa tapahtuvia tai niihin vaikutuksia aiheuttavia sähkömagneettisia ja sähkökemiallisia prosesseja.

- Bioenergetiikka: Sen tutkimuksen kohteena on biosysteemeissä tapahtuva energian muutos.

- Bioakustika: tiede tutkii ääniaaltojen muodostumista, niiden siirtoa tietyllä tavalla ja muiden eläinten tai elävien järjestelmien vangitsemista.

- Biofotonika: keskittyy elävien asioiden vuorovaikutukseen fotonien kanssa.

- Radiobiologia: tutkitaan säteilyn (ionisoivan ja ionittumattoman) biologisia vaikutuksia ja sen sovelluksia kentällä ja laboratoriossa.

- Proteiinidynamiikka: tutkitaan proteiinien molekyylin liikkeitä ja tarkastellaan niiden rakennetta, toimintaa ja taittumista.

- Molekyyliviestintä: keskittyy molekyylien välisen tiedon tuottamisen, siirron ja vastaanoton tutkimiseen.

Sovellukset

Biofysiikan tutkimat aiheet voivat olla päällekkäisiä muun muassa biokemian, molekyylibiologian, fysiologian, nanoteknologian, biotekniikan, systeemibiologian, laskennallisen biologian tai kemia-fysiikan aiheiden kanssa. Yritämme kuitenkin rajata biofysiikan tärkeimmät sovellukset.

DNA: n ja sen rakenteen löytämisen myötä biofysiikka on myötävaikuttanut rokotteiden luomiseen, kuvantamistekniikoiden kehittämiseen, jotka mahdollistavat sairauksien diagnosoinnin, ja uusien farmakologisten menetelmien luomiseen tiettyjen patologioiden hoitamiseksi.

Biomekaniikan ymmärtämisen avulla tämä biologian ala on mahdollistanut suunnittelun parempien proteesien ja parempien nanomateriaalien valmistamiseksi, joiden avulla lääkkeitä voidaan toimittaa.

Nykyään biofysiikka on alkanut keskittyä ilmastonmuutokseen ja muihin ympäristötekijöihin liittyviin kysymyksiin. Esimerkiksi biopolttoaineiden kehittämiseksi tehdään työtä elävien mikro-organismien kautta bensiinin korvaamiseksi.

Mikrobiyhteisöjä tutkitaan myös ja ilmakehän pilaavia aineita seurataan saadun tiedon avulla.

Pääkäsitteet

- Järjestelmät: se on järjestetty kokonaisuus elementtejä, jotka sisältyvät todellisten tai kuvitteellisten rajojen väliin, jotka ovat yhteydessä toisiinsa ja ovat vuorovaikutuksessa keskenään.

- Proteiinit: suuria molekyylejä, joita löytyy kaikista elävistä soluista. Ne koostuvat yhdestä tai useammasta pitkästä aminohappoketjusta, jotka käyttäytyvät kuin koneet, jotka suorittavat monenlaisia ​​toimintoja, kuten rakenne (sytoskeleton), mekaaniset (lihakset), biokemialliset (entsyymit) ja solujen signalointi (hormonit).

- Biomembraanit: nestejärjestelmä, joka suorittaa lukuisia biologisia toimintoja ja jota varten niiden on mukautettava koostumuksensa ja monimuotoisuutensa. Ne ovat osa kaikkien elävien olentojen soluja, ja se on paikka, jossa varastoidaan lukemattomia pieniä molekyylejä ja toimii proteiinien ankkurina.

- Johtavuus: se on lämmön virtausta kiinteiden väliaineiden läpi, johtuen molekyylien sisäisestä värähtelystä, samoin kuin vapaista elektroneista ja niiden välisistä törmäyksistä.

- Konvektio: viittaa energian virtaukseen nesteen (neste tai kaasu) virtojen kautta, se on nesteen tai kaasun tilavuuksien liikettä.

- säteily: lämmön siirto sähkömagneettisten aaltojen kautta.

- Deoksiribonukleiinihappo (DNA): molekyylin kemiallinen nimi, joka sisältää geneettisen tiedon kaikista elävistä olennoista. Niiden päätehtävänä on tallentaa pitkäaikaista tietoa rakentamiseksi muiden solukomponenttien kanssa. Heillä on myös ohjeet, joita käytetään kaikkien elävien organismien kehittämiseen ja toimintaan.

- Hermoimpulssi: se on sähkökemiallinen impulssi, joka alkaa keskushermostoon tai mielessä elimiin ärsykkeen ollessa läsnä. Tämä koko neuronin läpi kulkeva sähköaalto välittyy aina yksisuuntaisesti, kulkeutuen solujen dendriittien läpi ja poistuen aksonin läpi.

- Lihasten supistuminen: fysiologinen prosessi, jossa lihakset kiristyvät, aiheuttaen niiden lyhentymisen, pysymisen tai venytyksen sitä muodostavien rakenteiden liukumisen vuoksi. Tämä sykli liittyy lihaskuidun rakenteeseen ja sähköpotentiaalin siirtoon hermojen kautta.

menetelmät

Biofyysikko AV Hill arvioi, että henkinen asenne olisi biofyysikon tärkein työkalu. Tämän perusteella hän väittää, että biofyysikot ovat niitä yksilöitä, jotka voivat ilmaista ongelman fyysisessä mielessä ja joita ei erota käytetyillä tekniikoilla, vaan tapa, jolla he muotoilevat ja hyökkäävät ongelmiin.

Tämän lisäksi on kyky käyttää monimutkaista fysikaalista teoriaa ja muita fyysisiä työkaluja luonnonobjektien tutkimiseen. Lisäksi ne eivät ole riippuvaisia ​​kaupallisesti rakennetuista välineistä, koska heillä on yleensä kokemus erityislaitteiden kokoamisesta biologisten ongelmien ratkaisemiseksi.

Kemiallisten analyysien ja muiden diagnostisten prosessien automatisointi tietokoneiden avulla ovat näkökohtia, jotka on otettava huomioon nykyisissä biofysikaalisissa menetelmissä.

Lisäksi biofyysikot kehittävät ja käyttävät tietokonemallinnusmenetelmiä, joiden avulla he voivat manipuloida ja havaita monimutkaisten molekyylien muotoja ja rakenteita sekä viruksia ja proteiineja.

Viitteet

1. Solomon, A. (2018, 30. maaliskuuta). Biofysiikka. Encyclopædia Britannica. Palautettu osoitteessa britannica.com
2. Biofysiikka. (2019, 18. syyskuuta). Wikipedia, tietosanakirja. Palautettu osoitteesta wikipedia.org
3. Wikipedian avustajat. (2019, 23. syyskuuta). Biofysiikka. Wikipediassa, Vapaa tietosanakirja. Palautettu osoitteesta wikipedia.org
4. Mikä on biofysiikka? Tuntee sen opiskelualat ja historian. (2018, 30. marraskuuta). Palautettu oksista delabiologia.net
5. Byofysikaalinen yhdistys. (2019) Mikä on biofysiikka. Palautettu biophysics.org-sivustosta
6. Nahle, Nasif. (2007) Didaktinen artikkeli: Biofysiikka. Biologisen kabinetin organisaatio. Palautettu osoitteesta biocab.org