BIOFIZIKA: POVIJEST, ONO ŠTO PROUČAVA, APLIKACIJE, KONCEPTI, METODE - BIOLOGIJA - 2026

U biofizika je proučavanje fizikalnih zakona koji djeluju u živim organizmima. Interdisciplinarna je znanost koja primjenjuje pristupe i metode fizike za proučavanje bioloških pojava.

Poznata i kao fizička biologija, dio ideje da svi fenomeni promatrani u prirodi imaju predvidljivo znanstveno objašnjenje i da su svi živi sustavi sačinjeni od procesa utemeljenih na fizičkim zakonima.

Dvostruka spirala DNA lanca. Jedno od glavnih otkrića biofizike. Izvor: Joseluissc3

Česta je rasprava u kojoj se biofizika smatra granom fizike, biologije ili oboje. U ovom je slučaju važno napomenuti da je tendencija smatrati je granom biologije.

To je zato što se razmjena znanja obično generira od fizike do biologije, što je obogaćeno fizičkim napretkom i konceptima. No, isti se doprinos ne može potvrditi na obrnuti način, to jest, s gledišta čiste fizike, ne može se reći da biofizika nudi nova znanja.

Biofizika pruža eksperimentalne dokaze za fiziku i na taj način omogućava joj potvrđivanje teorija, ali razmjena između fizike i biologije očito je jednosmjerna.

Biofizičari se obučavaju u kvantitativnim znanjima fizike, matematike i kemije kako bi proučavali sve što se odnosi na funkcioniranje, strukturu, dinamiku i interakciju bioloških sustava. Ti sustavi uključuju složene molekule, stanice, organizme i ekosustave.

Povijest

Podrijetlo biofizike datira iz sedamnaestog stoljeća kada prirodne znanosti još nisu bile podijeljene kao zasebne discipline i u vrijeme kada je locirano prvo istraživanje bioluminescencije.

Prva studija koja je otkrivena bila je ona koju je proveo njemački isusovac Athanasius Kircher (1602-1680), koji je objavio svoje djelo Ars Magna Lucis et Umbrae i posvetio dva poglavlja luminiscenciji životinja.

Povezanost električne energije i biologije bila je predmet nagađanja ne samo u sedamnaestom stoljeću, već u sljedeća dva stoljeća. Tijekom njegovog pristupa postala je očita fascinacija čovjeka životinjskim i prirodnim elektricitetom, poput krijesnica ili prirodnih munje.

U ovoj liniji istraživanja, pokusi Giovannija Beccaria na električnoj stimulaciji mišića otkriveni su u Italiji, a sredinom 18. stoljeća, koji su generirali znanje o ovom području.

Godine 1786. Luigi Galvani pokrenuo je polemiku oko električnog potencijala u životinjama. Njegov protivnik bio je nitko drugi do Alessandro Volta koji je razvijanjem električne baterije donekle suzbio znanstveni interes za električni potencijal živih bića.

XIX stoljeće

Jedan od glavnih priloga u 19. stoljeću bio je profesor fiziologije Du Bois-Reymond u Berlinu, koji je izgradio galvanometre i proveo studije o mišićnoj struji i električnom potencijalu živaca. Ovaj je predmet proučavanja postao jedna od polazišta biofizike.

Druga od njih bile su sile odgovorne za pasivni tok materije u živim organizmima, posebno difuzioni gradijent i osmotski tlak. U skladu s tim, ističu se doprinosi Abbé JA Nollet i Adolfa Ficka.

Potonji je bio taj koji je na španjolskom objavio prvi biofizički tekst Die medizinische Physik ili Medical Physics. U Fickovom djelu nisu izvedeni eksperimenti, već je postavljena analogija sa zakonima protoka topline koja je omogućila navođenje zakona koji reguliraju difuziju. Kasniji laboratorijski eksperimenti pokazali su da je analogija bila točna.

Dvadeseto stoljeće

Dvadeseto stoljeće karakteriziralo je s određenim majstorstvom njemačkih znanstvenika, koji su se koncentrirali na proučavanje učinaka zračenja.

Važna prekretnica toga razdoblja bila je objavljivanje knjige ¿Qué es la vida?, napisao Erwin Schrödinger 1944. U ovome je predloženo postojanje molekule živih bića koja je sadržavala genetsku informaciju u kovalentnim vezama.

Ova knjiga i ta ideja nadahnuli su druge znanstvenike i naveli ih da otkriju dvostruku spiralnu strukturu DNA 1953. Otkrivanje su učinili James Watson, Rosalind Franklin i Francis Crick.

U drugoj polovici 20. stoljeća vidljiva je zrelost biofizike. U one dane već su se prezentirali sveučilišni programi koji su bili popularni i u drugim zemljama izvan Njemačke. Osim toga, istraga je dobivala sve više ritma.

Što se proučava (predmet proučavanja)

Biomehanika je jedna od grana biofizike. Izvor: Mutuauniverzal

Područje proučavanja biofizike prostire se na sve ljestvice biološke organizacije, od molekularnih do organskih i drugih složenijih sustava. Ovisno o fokusu pažnje, biofizika se može podijeliti u sljedeće grane:

- Biomehanika: proučava mehaničke strukture koje postoje u živim bićima i koje dopuštaju njihovo kretanje.

- Bioelektričnost: proučava elektromagnetske i elektrokemijske procese koji se događaju u organizmima ili koji na njih stvaraju učinke.

- Bioenergetika: njegov je cilj proučavanja transformacija energije koja se događa u biosustavima.

- Bioakustika: to je znanost koja istražuje proizvodnju zvučnih valova, njihov prijenos nekim sredstvima i hvatanje od strane drugih životinja ili živih sustava.

- Biofotonika: fokusira se na interakcije živih bića s fotonima.

- Radiobiologija: proučava biološke učinke zračenja (ionizirajuća i neionizirajuća) i njegove primjene u polju i laboratoriju.

- Dinamika proteina: proučite molekularna kretanja proteina i razmotrite njihovu strukturu, funkciju i sklopivost.

- Molekularna komunikacija: usredotočena je na proučavanje stvaranja, prijenosa i prijema informacija između molekula.

Prijave

Teme koje istražuje biofizika mogu se preklapati s temama biokemije, molekularne biologije, fiziologije, nanotehnologije, bioinžinjeringa, biologije sustava, računalne biologije ili kemije-fizike. Međutim, pokušat ćemo razgraničiti glavne primjene biofizike.

Otkrivanjem DNK i njegove strukture, biofizika je doprinijela stvaranju cjepiva, razvoju tehnika slikanja koje omogućuju dijagnosticiranje bolesti i stvaranju novih farmakoloških metoda za liječenje određenih patologija.

Uz razumijevanje biomehanike, ova grana biologije omogućila je dizajniranje boljih proteza i boljih nanomaterijala s kojima se lijekovi mogu isporučiti.

Danas se biofizika počela fokusirati na pitanja povezana s klimatskim promjenama i drugim čimbenicima okoliša. Na primjer, radi se na razvoju biogoriva putem živih mikroorganizama koji će zamijeniti benzin.

Istraživaju se i mikrobne zajednice, a zagađivači u atmosferi prate se stečenim znanjem.

Glavni pojmovi

- Sustavi: to je uređeni agregat elemenata uključenih između stvarnih ili imaginarnih granica, koji su međusobno povezani i međusobno djeluju.

- Proteini: velike molekule koje se nalaze u svim živim stanicama. Sastavljeni su od jednog ili više dugih lanaca aminokiselina koji se ponašaju poput strojeva koji obavljaju široku paletu funkcija, poput strukturnih (citoskelet), mehaničkih (mišićni), biokemijskih (enzimi) i stanične signalizacije (hormona).

- Biomembrane: sustav tekućina koji ispunjavaju brojne biološke funkcije zbog kojih moraju prilagoditi svoj sastav i raznolikost. Oni su dio stanica svih živih bića i to je mjesto na kojem se pohranjuju bezbrojne male molekule i služi kao sidro za proteine.

- Provođenje: to je protok topline kroz čvrste medije zbog unutarnje vibracije molekula, kao i slobodnih elektrona i sudara među njima.

- Konvekcija: odnosi se na protok energije strujom tekućine (tekućine ili plina), to je kretanje volumena tekućine ili plina.

- Zračenje: prijenos topline kroz elektromagnetske valove.

- Deoksiribonukleinska kiselina (DNK): kemijski naziv molekule koji sadrži genetske informacije u svim živim bićima. Njihova glavna funkcija je pohranjivanje dugoročnih informacija koje se grade s drugim komponentama stanica, oni također imaju upute koje se koriste za razvoj i rad svih živih organizama.

- Nervozni impuls: to je elektrokemijski impuls koji nastaje u središnjem živčanom sustavu ili u osjetilnim organima u prisutnosti podražaja. Ovaj električni val koji prolazi kroz čitav neuron, uvijek se prenosi jednosmjerno, ulazeći kroz dendrite ćelije i izlazeći preko aksona.

- Kontrakcija mišića: fiziološki proces u kojem se mišići zatežu, uzrokujući da se oni skraćuju, ostanu ili istežu zbog klizanja struktura koje ga čine. Ovaj je ciklus povezan sa strukturom mišićnog vlakna i prijenosom električnog potencijala kroz živce.

metode

Biofizičar AV Hill smatra da bi mentalni stav bio glavno sredstvo biofizičara. S tim temeljem, on tvrdi da su biofizičari oni pojedinci koji mogu iskazati problem u fizičkom smislu i koji se ne razlikuju po određenim tehnikama koje se koriste, već prema načinu formuliranja i napadaju problema.

Tomu se dodaje i mogućnost korištenja složene fizičke teorije i drugih fizičkih alata za proučavanje prirodnih objekata. Osim toga, oni ne ovise o komercijalno ugrađenim instrumentima, jer obično imaju iskustvo sastavljanja posebne opreme za rješavanje bioloških problema.

Automatizacija kemijskih analiza i drugi dijagnostički procesi pomoću računala aspekti su koje treba uzeti u obzir u trenutnim biofizičkim metodama.

Pored toga, biofizičari razvijaju i koriste metode računalnog modeliranja, pomoću kojih mogu manipulirati i promatrati oblike i strukture složenih molekula, kao i viruse i proteine.

Reference

1. Solomon, A. (2018, 30. ožujka). Biofizika. Encyclopædia Britannica. Oporavak na britannica.com
2. Biofizika. (2019., 18. rujna). Wikipedija, Enciklopedija. Oporavak s wikipedia.org
3. Suradnici na Wikipediji. (2019., 23. rujna). Biofizika. Na Wikipediji, Slobodnoj enciklopediji. Oporavak s wikipedia.org
4. Što je biofizika? Znajte njegove grane proučavanja i njegovu povijest. (2018., 30. studenog). Oporavak od podružnicedelabiologia.net
5. Byophysical Society. (2019) Što je biofizika. Oporavilo s biophysics.org
6. Nahle, Nasif. (2007) Didaktički članak: Biofizika. Organizacija kabineta za biologiju. Oporavilo s biocab.org