БІОФІЗИКА: ІСТОРІЯ, ТЕ, ЩО ВОНА ВИВЧАЄ, ПРОГРАМИ, КОНЦЕПЦІЇ, МЕТОДИ - БІОЛОГІЯ - 2025

У біофізики є вивчення фізичних законів , що діють в живих організмах. Це міждисциплінарна наука, яка застосовує підходи та методи фізики до вивчення біологічних явищ.

Також відома як фізична біологія, частина ідеї про те, що всі явища, які спостерігаються в природі, мають передбачуване наукове пояснення і що всі живі системи складаються з процесів, заснованих на фізичних законах.

Подвійна спіраль ланцюга ДНК. Одне з головних висновків у біофізиці. Джерело: Joseluissc3

Дискусія, в якій біофізика розглядається як галузь фізики, біології чи обох, є загальною. У цьому випадку важливо зазначити, що тенденція полягає в тому, щоб вважати це галуззю біології.

Це тому, що обмін знаннями зазвичай породжується від фізики до біології, яка збагатилася фізичними досягненнями та концепціями. Але той самий внесок не можна стверджувати зворотним шляхом, тобто з точки зору чистої фізики не можна сказати, що біофізика пропонує нові знання.

Біофізика дає експериментальні докази фізиці і тим самим дозволяє їй підтвердити теорії, але обмін між фізикою та біологією явно односпрямований.

Біофізики проходять підготовку з кількісних наук з фізики, математики та хімії для вивчення всього, що стосується функціонування, структури, динаміки та взаємодії біологічних систем. Ці системи включають складні молекули, клітини, організми та екосистеми.

Історія

Витоки біофізики сягають XVII століття, коли природничі науки ще не були поділені на окремі дисципліни, і в той час, коли було проведено перше дослідження біолюмінесценції.

Перше дослідження, яке було виявлено, було проведене німецьким єзуїтом Афанасієм Кірхером (1602-1680), який опублікував свою працю Ars Magna Lucis et Umbrae і присвятив дві глави люмінесценції тварин.

Зв'язок між електрикою та біологією був предметом міркувань не лише у XVII столітті, а й у наступні два століття. Під час його наближення стало очевидним захоплення людини твариною та природною електрикою, такими як світлячки чи розряди природних блискавок.

У цьому напрямі досліджень в Італії та в середині 18 століття були виявлені експерименти Джованні Беккарії з електричної стимуляції м’язів, які генерували знання в цій галузі.

У 1786 році Луїджі Гальвані розпочав суперечку щодо електричного потенціалу тварин. Його опонентом був не хто інший, як Алессандро Вольта, який, розвиваючи електричну батарею, дещо приборкав науковий інтерес до електричного потенціалу у живих істот.

XIX століття

Одним з головних внесків у 19 столітті був професор фізіології Дю Буа-Реймонд у Берліні, який побудував гальванометри та провів дослідження м’язового струму та електричного потенціалу нервів. Цей об’єкт дослідження став одним із пунктів зародження біофізики.

Ще однією з них були сили, відповідальні за пасивний потік речовини в живих організмах, зокрема градієнти дифузії та осмотичний тиск. У цьому напрямку виділяються внески Abbe JA Nollet та Адольфа Фіка.

Останній був тим, хто опублікував перший біофізичний текст Die medizinische Physik або Medical Physics іспанською мовою. У роботі Фіка жодних експериментів не проводилося, а навпаки, було піднято аналогію із законами теплового потоку, що дало змогу прорахувати закони, що регулюють дифузію. Пізніші лабораторні експерименти показали, що аналогія була точною.

Двадцяте століття

Двадцяте століття характеризувалося початком певного оволодіння німецькими вченими, які зосередилися на вивченні впливу радіації.

Важливою віхою цього періоду стало видання книги ¿Qué es la vida? , Ервін Шредінгер в 1944 р. У цьому було запропоновано існування молекули в живих істотах, яка містила генетичну інформацію в ковалентних зв'язках.

Ця книга та ця ідея надихнули інших вчених і спонукали їх відкрити подвійну спіральну структуру ДНК у 1953 році. Саме Джеймс Уотсон, Розалінд Франклін та Френсіс Крик зробили це відкриття.

У другій половині XX століття спостерігається очевидна зрілість біофізики. У ті часи університетські програми вже презентувались, і вона була популярна в інших країнах за межами Німеччини. Крім того, слідство набувало все більшого ритму.

Що вивчається (об’єкт дослідження)

Біомеханіка - одна з галузей біофізики. Джерело: Мутуауніверсал

Область вивчення біофізики поширюється на всі масштаби біологічної організації, від молекулярної до органічної та інших більш складних систем. Залежно від фокусу уваги біофізику можна розділити на такі галузі:

- Біомеханіка: вивчає механічні структури, які існують у живих істот і які дозволяють їх рух.

- Біоелектричність: вивчає електромагнітні та електрохімічні процеси, що відбуваються в організмах або що створюють на них вплив.

- Біоенергетика: її об'єктом дослідження є перетворення енергії, що відбувається в біосистемах.

- Біоакустика: це наука, яка досліджує виробництво звукових хвиль, їх передачу якимись засобами та захоплення іншими тваринами чи живими системами.

- Біофотоніка: фокусується на взаємодії живих істот з фотонами.

- Радіобіологія : вивчає біологічні ефекти випромінювання (іонізуючого та неіонізуючого) та його застосування в польових та лабораторних умовах.

- Динаміка білка: вивчайте молекулярні рухи білків і враховуйте їх структуру, функціонування та складчастість.

- Молекулярна комунікація : фокусується на вивченні генерації, передачі та прийому інформації між молекулами.

Програми

Теми, які досліджуються біофізикою, можуть перетинатися з темами біохімії, молекулярної біології, фізіології, нанотехнологій, біоінженерії, системної біології, обчислювальної біології або хімії-фізики. Однак ми спробуємо розмежувати основні сфери застосування біофізики.

З відкриттям ДНК та її структури біофізика сприяла створенню вакцин, розробці методів візуалізації, що дозволяють діагностувати захворювання та створювати нові фармакологічні методи лікування певних патологій.

З розумінням біомеханіки, ця галузь біології дозволила створити кращі протези та кращі наноматеріали, за допомогою яких можна доставити ліки.

Сьогодні біофізика почала зосереджуватися на питаннях, пов'язаних зі змінами клімату та іншими чинниками навколишнього середовища. Наприклад, ведеться робота з розробки біопалива через живі мікроорганізми для заміни бензину.

Мікробні спільноти також досліджуються, а забруднювачі в атмосфері відслідковуються отриманими знаннями.

Основні поняття

- Системи : це впорядкована сукупність елементів, що входять між реальними або уявними межами, які взаємопов'язані і взаємодіють між собою.

- Білки : великі молекули, які містяться у всіх живих клітинах. Вони складаються з одного або декількох довгих ланцюгів амінокислот, які ведуть себе як машини, що виконують найрізноманітніші функції, такі як структурна (цитоскелет), механічна (м'язова), біохімічна (ферменти) та сигналізація клітин (гормони).

- Біомембрани : система рідин, яка виконує численні біологічні функції, до яких вони повинні адаптувати свій склад та різноманітність. Вони є частиною клітин усіх живих істот, і це місце, де зберігається незліченна кількість маленьких молекул і служить якорем для білків.

- Провідність : це потік тепла через тверді середовища через внутрішню вібрацію молекул, а також вільних електронів і зіткнення між ними.

- Конвекція : відноситься до потоку енергії через струми рідини (рідини або газу), це рух об’ємів рідини або газу.

- Випромінювання : передача тепла через електромагнітні хвилі.

- Деоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) : хімічна назва молекули, яка містить генетичну інформацію у всіх живих істот. Їх основна функція - це зберігання довгострокової інформації, яка збирається з іншими компонентами клітин, вони також мають інструкції, що використовуються для розвитку та експлуатації всіх живих організмів.

- Нервовий імпульс : це електрохімічний імпульс, який виникає в центральній нервовій системі або в органах почуттів за наявності подразника. Ця електрична хвиля, яка проходить через весь нейрон, завжди передається односпрямовано, проникаючи через дендрити клітин і виходячи через аксон.

- Скорочення м’язів: фізіологічний процес, при якому м’язи напружуються, внаслідок чого вони скорочуються, залишаються або розтягуються через ковзання структур, що їх складають. Цей цикл пов’язаний зі структурою м’язового волокна і передачею електричного потенціалу через нерви.

Методи

Біофізик А. В. Гілл вважає, що психічне ставлення було б головним інструментом біофізика. В якості основи він стверджує, що біофізики - це ті люди, які можуть висловити проблему у фізичному плані, і не розмежовані конкретними методами, які використовуються, а способом їх формулювання та нападу на проблеми.

До цього додається можливість використовувати складну фізичну теорію та інші фізичні інструменти для вивчення природних об’єктів. Крім того, вони не залежать від комерційно побудованих інструментів, оскільки зазвичай мають досвід збирання спеціального обладнання для вирішення біологічних проблем.

Автоматизація хімічних аналізів та інших діагностичних процесів за допомогою комп'ютерів - це аспекти, які слід враховувати в сучасних біофізичних методах.

Крім того, біофізики розробляють та використовують методи комп’ютерного моделювання, за допомогою яких вони можуть маніпулювати та спостерігати за формами та структурами складних молекул, а також вірусами та білками.

Список літератури

1. Соломон, А. (2018, 30 березня). Біофізика. Encyclopædia Britannica. Відновлено на britannica.com
2. Біофізика. (2019 р., 18 вересня). Вікіпедія, Енциклопедія. Відновлено з wikipedia.org
3. Автори Вікіпедії (2019, 23 вересня). Біофізика. У Вікіпедії, The Free Encyclopedia. Відновлено з wikipedia.org
4. Що таке біофізика? Знайте свої галузі навчання та його історію. (2018 р., 30 листопада). Відновлено з гілокdelabiologia.net
5. Біофізичне товариство. (2019) Що таке біофізика. Відновлено з biophysics.org
6. Нале, Насіф. (2007) Дидактична стаття: Біофізика. Організація кабінету біології. Відновлено з biocab.org