BIOFIZIKA: ZGODOVINA, KAJ ŠTUDIRA, APLIKACIJE, KONCEPTI, METODE - BIOLOGIJA - 2026

V biofizika je študija fizikalnih zakonov, ki delujejo v živih organizmih. Gre za interdisciplinarno znanost, ki uporablja pristope in metode fizike za preučevanje bioloških pojavov.

Znana tudi kot fizična biologija, del ideje, da imajo vsi pojavi v naravi predvidljivo znanstveno razlago in da so vsi živi sistemi sestavljeni iz procesov, ki temeljijo na fizičnih zakonih.

Dvojna vijačnica verige DNA. Ena glavnih ugotovitev biofizike. Vir: Joseluissc3

Razprava, v kateri biofizika velja za vejo fizike, biologije ali obojega, je pogosta. V tem primeru je pomembno opozoriti, da je težnja, da jo štejemo za vejo biologije.

To je zato, ker izmenjava znanj običajno nastaja od fizike do biologije, ki je bila obogatena s fizičnim napredkom in koncepti. Toda istega prispevka ni mogoče pritrditi obratno, torej s stališča čiste fizike ni mogoče reči, da biofizika ponuja novo znanje.

Biofizika fiziki daje eksperimentalne dokaze in ji tako omogoča, da potrdi teorije, vendar je izmenjava med fiziko in biologijo očitno enosmerna.

Biofiziki so usposobljeni za kvantitativne fizike, matematiko in kemijo, da preučijo vse, kar je povezano z delovanjem, zgradbo, dinamiko in medsebojnim vplivom bioloških sistemov. Ti sistemi vključujejo zapletene molekule, celice, organizme in ekosisteme.

Zgodovina

Začetki biofizike segajo v sedemnajsto stoletje, ko naravoslovne znanosti še niso bile razdeljene na ločene vede, in v času, ko je bila locirana prva raziskava bioluminescence.

Prva odkrita študija je bila tista, ki jo je izvedel nemški jezuit Athanasius Kircher (1602-1680), ki je objavil svoje delo Ars Magna Lucis et Umbrae in dve poglavji posvetil luminiscenci živali.

Povezava med elektriko in biologijo je bila predmet špekulacij ne le v sedemnajstem stoletju, ampak v naslednjih dveh stoletjih. Med njegovim pristopom je postalo očitno privlačnost človeka za živalsko in naravno elektriko, kot so kresnice ali naravni streli.

V tej vrsti raziskav so v Italiji in v sredini 18. stoletja zaznali poskuse Giovannija Beccaria na električni stimulaciji mišic, ki so na tem področju generirali znanje.

Leta 1786 je Luigi Galvani sprožil polemiko o električnem potencialu pri živalih. Njegov nasprotnik ni bil nihče drug kot Alessandro Volta, ki je z razvojem električne baterije nekoliko zajezil znanstveni interes električnega potenciala v živih bitjih.

XIX stoletje

Eden glavnih prispevkov v 19. stoletju je bil Du Bois-Reymond, profesor fiziologije v Berlinu, ki je zgradil galvanometre in izvajal študije o mišičnem toku in električnem potencialu živcev. Ta predmet preučevanja je postal ena izmed izhodišč biofizike.

Druga izmed njih so bile sile, ki so odgovorne za pasivni tok snovi v živih organizmih, zlasti za difuzijske gradiente in osmotski tlak. V tej smeri izstopata prispevka Abbé JA Nollet in Adolfa Ficka.

Slednji je bil tisti, ki je v španščini objavil prvo biofizično besedilo Die medizinische Physik ali Medical Physics. V Fickovem delu niso bili izvedeni poskusi, temveč je bila postavljena analogija z zakoni toplotnega pretoka, zaradi česar je bilo mogoče navesti zakone, ki urejajo difuzijo. Kasnejši laboratorijski poskusi so pokazali, da je bila analogija natančna.

Dvajseto stoletje

Za dvajseto stoletje je bilo značilno, da se je začelo določeno mojstrstvo nemških znanstvenikov, ki so se osredotočili na preučevanje učinkov sevanja.

Pomemben mejnik tega obdobja je bila izdaja knjige ¿Qué es la vida? , Erwin Schrödinger leta 1944. Pri tem je bil predlagan obstoj molekule v živih bitjih, ki je vsebovala genetsko informacijo v kovalentnih vezi.

Ta knjiga in ta ideja sta navdihnila druge znanstvenike in jih vodila k odkrivanju dvojne vijačne strukture DNK leta 1953. Odkritje so naredili James Watson, Rosalind Franklin in Francis Crick.

V drugi polovici 20. stoletja je vidna zrelost biofizike. V tistih dneh so se že predstavljali univerzitetni programi, priljubljen pa je bil tudi v drugih državah zunaj Nemčije. Poleg tega je preiskava pridobivala vse več ritma.

Kaj študira (predmet študija)

Biomehanika je ena od vej biofizike. Vir: Mutuauniversal

Področje preučevanja biofizike sega na vse lestvice biološke organizacije, od molekularnih do organskih in drugih bolj zapletenih sistemov. Biofiziko lahko glede na žarišče pozornosti razdelimo na naslednje veje:

- Biomehanika: preučuje mehanske strukture, ki obstajajo v živih bitjih in ki omogočajo njihovo gibanje.

- Bioelektričnost: preučuje elektromagnetne in elektrokemijske procese, ki se dogajajo v organizmih ali ustvarjajo učinke nanje.

- Bioenergetika: njen predmet proučevanja je preoblikovanje energije, ki se dogaja v biosistemih.

- Bioakustika: to je znanost, ki raziskuje proizvodnjo zvočnih valov, njihov prenos na nek način in zajemanje drugih živali ali živih sistemov.

- Biofotonika: osredotoča se na interakcije živih bitij s fotoni.

- Radiobiologija : preučuje biološke učinke sevanja (ionizirajočih in neionizirajočih) in njegove uporabe na terenu in v laboratoriju.

- Dinamika beljakovin: preučite molekularna gibanja beljakovin in upoštevajte njihovo strukturo, delovanje in zlaganje.

- Molekularna komunikacija : osredotoča se na proučevanje nastajanja, prenosa in sprejema informacij med molekulami.

Prijave

Teme, ki jih raziskuje biofizika, se lahko med seboj prekrivajo z biokemijo, molekularno biologijo, fiziologijo, nanotehnologijo, bioinženirstvom, sistemsko biologijo, računalniško biologijo ali fizikalno kemijo. Vendar bomo poskušali razmejiti glavne aplikacije biofizike.

Z odkritjem DNK in njegovo strukturo je biofizika prispevala k ustvarjanju cepiv, razvoju tehnik slikanja, ki omogočajo diagnosticiranje bolezni in oblikovanju novih farmakoloških metod za zdravljenje določenih patologij.

Ta veja biologije je z razumevanjem biomehanike omogočila oblikovanje boljših protez in boljših nanomaterialov, s katerimi se lahko dostavijo zdravila.

Danes se je biofizika začela osredotočati na vprašanja, povezana s podnebnimi spremembami in drugimi okoljskimi dejavniki. Na primer, delamo na razvoju biogoriv prek živih mikroorganizmov, da bi nadomestili bencin.

Raziskujejo se tudi mikrobne skupnosti, onesnaževala v atmosferi pa spremljajo pridobljeno znanje.

Glavni pojmi

- Sistemi : je urejen agregat elementov, vključenih med realnimi ali namišljenimi mejami, ki so med seboj povezani in medsebojno delujejo.

- Beljakovine : velike molekule, ki jih najdemo v vseh živih celicah. Sestavljene so iz ene ali več dolgih verig aminokislin, ki se obnašajo kot stroji, ki opravljajo najrazličnejše funkcije, kot so strukturna (citoskelet), mehanska (mišična), biokemična (encimi) in celična signalizacija (hormoni).

- Biomembrane : sistem tekočin, ki izpolnjujejo številne biološke funkcije, za katere morajo prilagoditi svojo sestavo in raznolikost. So del celic vseh živih bitij in je kraj, kjer so shranjene nešteto majhnih molekul in služi kot sidro za beljakovine.

- prevodnost : gre za pretok toplote skozi trdne medije zaradi notranje vibracije molekul, pa tudi prostih elektronov in trkov med njimi.

- Konvekcija : se nanaša na pretok energije skozi tokove tekočine (tekočine ali plina), je gibanje volumna tekočine ali plina.

- sevanje : prenos toplote skozi elektromagnetne valove.

- Deoksiribonukleinska kislina (DNK) : kemijsko ime molekule, ki vsebuje genetske informacije vseh živih bitij. Njihova glavna funkcija je shranjevanje dolgoročnih informacij, ki jih je mogoče graditi z drugimi sestavnimi deli celic, imajo tudi navodila za razvoj in delovanje vseh živih organizmov.

- Živčni impulz : je elektrokemični impulz, ki v prisotnosti dražljaja izvira iz centralnega živčnega sistema ali v čutnih organih. Ta električni val, ki teče skozi celoten nevron, se vedno prenaša enosmerno, vstopa skozi dendrite celic in odhaja skozi aksone.

- Krčenje mišic: fiziološki proces, pri katerem se mišice zategnejo, zaradi česar se zaradi drsanja struktur, ki jih sestavljajo, skrajšajo, ostanejo ali se raztegnejo. Ta cikel je povezan s strukturo mišičnega vlakna in prenosom električnega potenciala skozi živce.

Metode

Biofizik AV Hill meni, da bi bil duševni odnos glavno orodje biofizika. S tem kot fundacijo trdi, da so biofiziki tisti posamezniki, ki lahko izrazijo težavo v fizičnem smislu in ki se ne razlikujejo po uporabljenih tehnikah, temveč po načinu, kako oblikujejo in napadajo težave.

Temu je dodana tudi sposobnost uporabe kompleksne fizikalne teorije in drugih fizičnih orodij za preučevanje naravnih predmetov. Poleg tega niso odvisni od komercialno zgrajenih instrumentov, saj imajo običajno izkušnje z sestavljanjem posebne opreme za reševanje bioloških težav.

V trenutnih biofizikalnih metodah je treba upoštevati avtomatizacijo kemijskih analiz in druge diagnostične procese z uporabo računalnikov.

Poleg tega biofiziki razvijajo in uporabljajo metode računalniškega modeliranja, s katerimi lahko manipulirajo in opazujejo oblike in strukture zapletenih molekul, pa tudi virusov in beljakovin.

Reference

1. Salomon, A. (2018, 30. marec). Biofizika. Encyclopædia Britannica. Pridobljeno na britannica.com
2. Biofizika. (2019, 18. septembra). Wikipedija, Enciklopedija. Pridobljeno iz wikipedia.org
3. Sodelavci Wikipedije. (2019, 23. septembra). Biofizika. V Wikipediji, The Free Encyclopedia. Pridobljeno iz wikipedia.org
4. Kaj je biofizika? Poznajte njene veje in zgodovino. (2018, 30. novembra). Pridobljeno iz podružnicdelabiologia.net
5. Byophysical Society. (2019) Kaj je biofizika. Pridobljeno z biophysics.org
6. Nahle, Nasif. (2007) Didaktični članek: Biofizika. Organizacija kabineta za biologijo. Pridobljeno z biocab.org