BIOFIZICA: ISTORIE, CE STUDIAZĂ, APLICAȚII, CONCEPTE, METODE - BIOLOGIE - 2025

The biofizica este studiul legilor fizice care operează în organismele vii. Este o știință interdisciplinară care aplică abordările și metodele fizicii pentru a studia fenomenele biologice.

Cunoscută și sub denumirea de biologie fizică, o parte din ideea că toate fenomenele observate în natură au o explicație științifică previzibilă și că toate sistemele vii sunt formate din procese bazate pe legi fizice.

Dubla helix a lanțului ADN. Una dintre principalele descoperiri în biofizică. Sursa: Joseluissc3

Este comună discuția în care biofizica este considerată ca o ramură a fizicii, a biologiei sau a ambelor. În acest caz, este important de menționat că tendința este de a considera o ramură a biologiei.

Acest lucru se datorează faptului că schimbul de cunoștințe este de obicei generat de la fizică la biologie, care a fost îmbogățit prin avansuri și concepte fizice. Dar aceeași contribuție nu poate fi afirmată într-un mod invers, adică din punct de vedere al fizicii pure nu se poate spune că biofizica oferă cunoștințe noi.

Biofizica oferă dovezi experimentale fizicii și astfel îi permite să coroboreze teoriile, dar schimbul dintre fizică și biologie este clar unidirecțional.

Biofizicienii sunt instruiți în științele cantitative ale fizicii, matematicii și chimiei pentru a studia tot ceea ce ține de funcționarea, structura, dinamica și interacțiunea sistemelor biologice. Aceste sisteme includ molecule complexe, celule, organisme și ecosisteme.

Istorie

Originile biofizicii datează din secolul al XVII-lea, când științele naturale încă nu au fost împărțite ca discipline separate și în momentul în care a fost localizată prima investigare a bioluminiscenței.

Primul studiu care a fost depistat a fost cel realizat de iezuitul german Athanasius Kircher (1602-1680), care și-a publicat lucrarea Ars Magna Lucis et Umbrae și a dedicat două capitole luminescenței animale.

Legătura dintre electricitate și biologie a făcut obiectul speculațiilor nu numai în secolul al XVII-lea, ci și în următoarele două secole. În timpul abordării sale, a devenit evidentă fascinația omului pentru electricitatea animală și naturală, cum ar fi licuricii sau descărcările de fulgere naturale.

În această linie de cercetare, în Italia și la mijlocul secolului al XVIII-lea, au fost detectate experimentele lui Giovanni Beccaria privind stimularea electrică a mușchilor, ceea ce a generat cunoștințe în acest domeniu.

În 1786, Luigi Galvani a început o controversă în legătură cu potențialul electric al animalelor. Adversarul său nu a fost nimeni altul decât Alessandro Volta care, dezvoltând bateria electrică, a atenuat oarecum interesul științific pentru potențialul electric din ființele vii.

Secolul XIX

Una dintre contribuțiile principale din secolul al XIX-lea a fost cea a profesorului de fiziologie din Du Bois-Reymond din Berlin, care a construit galvanometrele și a efectuat studii asupra curentului muscular și a potențialului electric al nervilor. Acest obiect de studiu a devenit unul dintre punctele de origine ale biofizicii.

O alta dintre ele au fost forțele responsabile de fluxul pasiv al materiei în organismele vii, în special gradienții de difuzie și presiunea osmotică. Pe această linie, ies în evidență contribuțiile Abbé JA Nollet și Adolf Fick.

Acesta din urmă a fost cel care a publicat primul text biofizic Die medizinische Physik sau Medical Physics în spaniolă. În lucrarea lui Fick nu s-au efectuat experimente, ci mai degrabă s-a ridicat o analogie cu legile fluxului de căldură, ceea ce a făcut posibilă enunțarea legilor care reglementează difuzarea. Experiențele de laborator ulterioare au arătat că analogia era exactă.

Secolul douăzeci

Secolul XX a fost caracterizat prin începerea cu o anumită măiestrie a oamenilor de știință germani, care s-au concentrat pe studierea efectelor radiațiilor.

O etapă importantă a acestei perioade a fost publicarea cărții ¿Qué es la vida? , de Erwin Schrödinger în 1944. În aceasta, a fost propusă existența unei molecule în ființe vii care conținea informații genetice în legături covalente.

Această carte și această idee i-au inspirat pe alți oameni de știință și i-au determinat să descopere structura dublei helice a ADN-ului în 1953. James Watson, Rosalind Franklin și Francis Crick au făcut descoperirea.

În a doua jumătate a secolului XX există o maturitate evidentă a biofizicii. În acele zile, programele universitare erau deja prezentate și era popular în alte țări din afara Germaniei. În plus, ancheta dobândea un ritm tot mai mare.

Ce studiază (obiect de studiu)

Biomecanica este una dintre ramurile biofizicii. Sursa: Mutuauniversal

Domeniul de studiu al biofizicii se extinde la toate scările de organizare biologică, de la moleculare la organice și alte sisteme mai complexe. În funcție de atenția, biofizica poate fi împărțită în următoarele ramuri:

- Biomecanica: studiază structurile mecanice care există la ființele vii și care permit mișcarea acestora.

- Bioelectricitate: studiază procesele electromagnetice și electrochimice care apar în organisme sau care generează efecte asupra lor.

- Bioenergetica: obiectul său de studiu este transformarea energiei care are loc în biosisteme.

- Bioacustica: este știința care investighează producerea undelor sonore, transmiterea lor prin unele mijloace și captarea de către alte animale sau sisteme vii.

- Biofotonica: se concentrează asupra interacțiunilor dintre vieți cu fotoni.

- Radiobiologie : studiază efectele biologice ale radiațiilor (ionizante și neionizante) și aplicațiile sale în teren și laborator.

- Dinamica proteinelor: studiați mișcările moleculare ale proteinelor și luați în considerare structura, funcția și plierea acestora.

- Comunicarea moleculară : se concentrează pe studierea generarii, transmiterii și recepției informațiilor între molecule.

Aplicații

Subiectele cercetate de biofizică se pot suprapune cu cele ale biochimiei, biologiei moleculare, fiziologiei, nanotehnologiei, bioingineriei, biologiei sistemelor, biologiei computaționale sau chimiei fizice, printre altele. Cu toate acestea, vom încerca să delimităm principalele aplicații ale biofizicii.

Odată cu descoperirea ADN-ului și a structurii sale, biofizica a contribuit la crearea de vaccinuri, la dezvoltarea tehnicilor imagistice care permit diagnosticarea bolilor și la generarea de noi metode farmacologice pentru tratarea anumitor patologii.

Odată cu înțelegerea biomecanicii, această ramură a biologiei a făcut posibilă proiectarea de proteze mai bune și nanomateriale mai bune cu ajutorul cărora se pot livra medicamente.

Astăzi, biofizica a început să se concentreze pe probleme legate de schimbările climatice și de alți factori de mediu. De exemplu, se lucrează la dezvoltarea biocombustibililor prin microorganisme vii pentru înlocuirea benzinei.

Comunitățile microbiene sunt de asemenea cercetate și poluanții din atmosferă sunt urmăriți cu cunoștințele acumulate.

Concepte principale

- Sisteme : este un agregat ordonat de elemente incluse între limitele reale sau imaginare, care sunt interrelaționate și interacționează între ele.

- Proteine : molecule mari găsite în toate celulele vii. Sunt alcătuite dintr-unul sau mai multe lanțuri lungi de aminoacizi care se comportă ca mașini care îndeplinesc o mare varietate de funcții, cum ar fi structurale (citoschelet), mecanice (mușchi), biochimice (enzime) și semnalizare celulară (hormoni).

- Biomembrane : sistem de lichide care îndeplinesc numeroase funcții biologice pentru care trebuie să-și adapteze compoziția și diversitatea. Ele fac parte din celulele tuturor ființelor vii și este locul în care sunt depozitate nenumărate molecule mici și servește drept ancoră pentru proteine.

- Conducție : este fluxul de căldură prin medii solide datorită vibrației interne a moleculelor, precum și a electronilor liberi și a coliziunilor dintre ele.

- Convecție : se referă la fluxul de energie prin curenții unui fluid (lichid sau gaz), este o mișcare de volume de lichid sau gaz.

- Radiație : transfer de căldură prin unde electromagnetice.

- Acid dezoxiribonucleic (ADN) : denumirea chimică a moleculei care conține informațiile genetice la toate ființele vii. Funcția lor principală este de a stoca informații pe termen lung pentru a construi cu alte componente ale celulelor, acestea au, de asemenea, instrucțiuni utilizate pentru dezvoltarea și funcționarea tuturor organismelor vii.

- Impuls nervos : este un impuls electrochimic care își are originea în sistemul nervos central sau în organele de simț în prezența unui stimul. Această undă electrică care călătorește în întregul neuron este transmisă întotdeauna într-un mod unidirecțional, intrând prin dendritele celulelor și ieșind prin axon.

- contracția musculară: proces fiziologic în care mușchii se strâng, determinându-i să se scurteze, să rămână sau să se întindă datorită alunecării structurilor care o compun. Acest ciclu este legat de structura fibrei musculare și de transmiterea potențialului electric prin nervi.

metode

Biofizicianul AV Hill consideră că atitudinea mentală ar fi principalul instrument al biofizicistului. Cu această bază, el susține că biofizicienii sunt acei indivizi care pot exprima o problemă în termeni fizici și care nu sunt diferențiați de tehnicile particulare utilizate, ci de modul în care formulează și atacă problemele.

La aceasta se adaugă capacitatea de a folosi teoria fizică complexă și alte instrumente fizice pentru a studia obiectele naturale. În plus, acestea nu depind de instrumente construite comercial, deoarece au adesea experiența de a monta echipamente speciale pentru rezolvarea problemelor biologice.

Automatizarea analizelor chimice și a altor procese de diagnostic cu ajutorul calculatoarelor sunt aspecte de luat în considerare în metodele biofizice actuale.

În plus, biofizicienii dezvoltă și folosesc metode de modelare a computerului, cu ajutorul cărora pot manipula și observa forme și structuri ale moleculelor complexe, precum și viruși și proteine.

Referințe

1. Solomon, A. (2018, 30 martie). Biofizică. Encyclopædia Britannica. Recuperat la britannica.com
2. Biofizică. (2019, 18 septembrie). Wikipedia, Enciclopedia. Recuperat de la wikipedia.org
3. Colaboratorii Wikipedia. (2019, 23 septembrie). Biofizică. În Wikipedia, enciclopedia liberă. Recuperat de la wikipedia.org
4. Ce este biofizica? Cunoaște-i ramurile de studiu și istoria sa. (2018, 30 noiembrie). Recuperat din branchdelabiologia.net
5. Societatea byofizică. (2019) Ce este Biofizica. Recuperat de la biophysics.org
6. Nahle, Nasif. (2007) Articolul didactic: biofizică. Organizarea cabinetului de biologie. Recuperat de pe biocab.org