BIOFIZIKA: VĒSTURE, TĀS IZPĒTE, LIETOJUMI, JĒDZIENI, METODES - BIOLOĢIJA - 2025

Par biofizika ir pētījums par fizikas likumiem, kas darbojas dzīvajos organismos. Tā ir starpdisciplināra zinātne, kas izmanto fizikas pieejas un metodes bioloģisko parādību izpētei.

Arī zināmā fizikālā bioloģija sākas ar ideju, ka visām dabā novērotajām parādībām ir paredzams zinātnisks skaidrojums un ka visas dzīvās sistēmas veido procesi, kuru pamatā ir fiziski likumi.

DNS ķēdes dubultā spirāle. Viens no galvenajiem atradumiem biofizikā. Avots: Joseluissc3

Bieži notiek diskusija, kurā biofizika tiek uzskatīta par fizikas, bioloģijas nozari vai abām. Šajā gadījumā ir svarīgi atzīmēt, ka tendence to uzskatīt par bioloģijas nozari.

Tas notiek tāpēc, ka zināšanu apmaiņa parasti notiek no fizikas līdz bioloģijai, kuru ir bagātinājuši fiziskie sasniegumi un koncepcijas. Bet to pašu ieguldījumu nevar apstiprināt apgriezti, proti, no tīras fizikas viedokļa nevar teikt, ka biofizika piedāvā jaunas zināšanas.

Biofizika sniedz eksperimentālus pierādījumus fizikai un tādējādi ļauj tai apstiprināt teorijas, taču apmaiņa starp fiziku un bioloģiju nepārprotami ir vienvirziena.

Biofiziķi ir apmācīti fizikas, matemātikas un ķīmijas kvantitatīvajās zinātnēs, lai izpētītu visu, kas saistīts ar bioloģisko sistēmu darbību, struktūru, dinamiku un mijiedarbību. Šīs sistēmas ietver sarežģītas molekulas, šūnas, organismus un ekosistēmas.

Vēsture

Biofizikas pirmsākumi meklējami septiņpadsmitajā gadsimtā, kad dabas zinātnes vēl nebija sadalītas kā atsevišķas disciplīnas un laikā, kad notika pirmā bioluminiscences izpēte.

Pirmais atklātais pētījums bija vācu jezuītu Athanasius Kircher (1602-1680), kurš publicēja savu darbu Ars Magna Lucis et Umbrae un veltīja divas nodaļas dzīvnieku luminiscencei.

Saikne starp elektrību un bioloģiju tika spekulēta ne tikai septiņpadsmitajā gadsimtā, bet nākamajos divos gadsimtos. Viņa pieejas laikā kļuva acīmredzama cilvēka aizraušanās ar dzīvnieku un dabisko elektrību, piemēram, ugunsdzēsējiem vai dabiskām zibens izlādēm.

Šajā pētījumu līnijā Itālijā un 18. gadsimta vidū tika atklāti Džovanni Bekarija eksperimenti ar muskuļu elektrisko stimulāciju, kas rada zināšanas šajā jomā.

1786. gadā Luigi Galvani sāka domstarpības par dzīvnieku elektrisko potenciālu. Viņa pretinieks bija neviens cits kā Alessandro Volta, kurš, izstrādājot elektrisko akumulatoru, nedaudz ierobežoja zinātnisko interesi par dzīvo būtņu elektrisko potenciālu.

XIX gadsimts

Viens no galvenajiem ieguldījumiem 19. gadsimtā bija Du Bois-Reymond fizioloģijas profesors Berlīnē, kurš uzbūvēja galvanometrus un veica pētījumus par muskuļu strāvu un nervu elektrisko potenciālu. Šis pētījuma objekts kļuva par vienu no biofizikas pirmsākumiem.

Vēl viens no tiem bija spēki, kas atbildīgi par vielas pasīvo plūsmu dzīvos organismos, īpaši difūzijas gradientus un osmotisko spiedienu. Pa šīm līnijām izceļas Abbé JA Nollet un Ādolfa Fika ieguldījums.

Pēdējais bija tas, kurš spāņu valodā publicēja pirmo biofizisko tekstu Die medizinische Physik vai Medical Physics. Fika darbā eksperimenti netika veikti, drīzāk tika izvirzīta analoģija ar siltuma plūsmas likumiem, kas ļāva izskaidrot likumus, kas regulē difūziju. Vēlākie laboratorijas eksperimenti parādīja, ka analoģija bija precīza.

Divdesmitais gadsimts

Divdesmitajam gadsimtam bija raksturīgs sākums ar zināmu vācu zinātnieku meistarību, kuri koncentrējās uz radiācijas ietekmes izpēti.

Svarīgs šī perioda pavērsiens bija grāmatas “Qué es la vida?” Publicēšana. , Ervins Šrēdingers 1944. gadā. Tajā tika ierosināta molekulu esamība dzīvās būtnēs, kas ģenētisko informāciju saturēja kovalentās saitēs.

Šī grāmata un šī ideja iedvesmoja citus zinātniekus un lika viņiem atklāt DNS dubultās spirāles struktūru 1953. gadā. Atklājumu izdarīja Džeimss Vatsons, Rosalinda Franklina un Fransiss Kriks.

20. gadsimta otrajā pusē ir acīmredzams biofizikas briedums. Tajās dienās jau tika prezentētas universitāšu programmas, un tā bija populāra citās valstīs ārpus Vācijas. Turklāt izmeklēšana arvien pieaug.

Kas studē (studiju objekts)

Biomehānika ir viena no biofizikas nozarēm. Avots: Mutuauniversal

Biofizikas izpētes lauks attiecas uz visiem bioloģiskās organizācijas līmeņiem, sākot no molekulārajām līdz organiskajām un citām sarežģītākām sistēmām. Atkarībā no uzmanības fokusa, biofiziku var iedalīt šādās nozarēs:

- Biomehānika: pēta mehāniskās struktūras, kas pastāv dzīvās būtnēs un ļauj tām kustēties.

- Bioelektriskums: pēta elektromagnētiskos un elektroķīmiskos procesus, kas notiek organismos vai kas tos ietekmē.

- Bioenerģētika: tās izpētes objekts ir enerģijas pārveidošana, kas notiek biosistēmās.

- Bioakustika: tā ir zinātne, kas pēta skaņas viļņu radīšanu , to izplatīšanu ar dažiem līdzekļiem un uztveršanu citiem dzīvniekiem vai dzīvām sistēmām.

- Biofotonika: koncentrējas uz dzīvo lietu mijiedarbību ar fotoniem.

- Radiobioloģija : pēta starojuma (jonizējošā un nejonizējošā) bioloģisko iedarbību un tā pielietojumu uz lauka un laboratorijā.

- Olbaltumvielu dinamika: izpētiet olbaltumvielu molekulārās kustības un apsveriet to struktūru, funkcijas un salocīšanu.

- Molekulārā komunikācija : koncentrējas uz informācijas ģenerēšanas, pārraides un uztveršanas izpēti starp molekulām.

Lietojumprogrammas

Biofizikas izpētītās tēmas cita starpā var pārklāties ar bioķīmijas, molekulārās bioloģijas, fizioloģijas, nanotehnoloģijas, bioinženierijas, sistēmu bioloģijas, skaitļošanas bioloģijas vai ķīmijas-fizikas tēmām. Tomēr mēs centīsimies norobežot galvenos biofizikas pielietojumus.

Līdz ar DNS un tās struktūras atklāšanu biofizika ir veicinājusi vakcīnu izveidi, attēlveidošanas metožu attīstību, kas ļauj diagnosticēt slimības, un jaunu farmakoloģisko metožu ģenerēšanu noteiktu patoloģiju ārstēšanai.

Ar izpratni par biomehāniku šī bioloģijas nozare ļāva izveidot labākas protēzes un labākus nanomateriālus, ar kuriem var piegādāt zāles.

Mūsdienās biofizika ir sākusi pievērsties jautājumiem, kas saistīti ar klimata izmaiņām un citiem vides faktoriem. Piemēram, tiek strādāts pie biodegvielas attīstības, izmantojot dzīvos mikroorganismus, lai aizstātu benzīnu.

Tiek pētītas arī mikrobu kopienas, un piesārņojošās vielas atmosfērā tiek izsekotas, ņemot vērā iegūtās zināšanas.

Galvenie jēdzieni

- Sistēmas : tas ir sakārtots elementu kopums, kas iekļauts starp reālām vai iedomātām robežām, kas ir savstarpēji saistītas un mijiedarbojas.

- Olbaltumvielas : lielas molekulas, kas atrodamas visās dzīvajās šūnās. Tos veido viena vai vairākas garas aminoskābju ķēdes, kas uzvedas kā mašīnas, kas veic ļoti dažādas funkcijas, piemēram, strukturālās (citoskelets), mehāniskās (muskuļu), bioķīmiskās (enzīmi) un šūnu signālierīces (hormoni).

- Biomembrānas : šķidrumu sistēma, kas pilda daudzas bioloģiskās funkcijas un kurām jāpielāgo to sastāvs un daudzveidība. Tās ir visu dzīvo būtņu šūnu daļa, un tā ir vieta, kur tiek glabātas neskaitāmas mazas molekulas un kalpo kā olbaltumvielu enkurs.

- Vadītspēja : tā ir siltuma plūsma caur cietiem līdzekļiem molekulu iekšējās vibrācijas, kā arī brīvo elektronu un to sadursmju dēļ.

- Konvekcija : attiecas uz enerģijas plūsmu caur šķidruma (šķidruma vai gāzes) straumēm, tā ir šķidruma vai gāzes tilpumu kustība.

- Radiācija : siltuma pārnese caur elektromagnētiskiem viļņiem.

- Dezoksiribonukleīnskābe (DNS) : molekulas ķīmiskais nosaukums, kas satur ģenētisko informāciju par visām dzīvajām būtnēm. Viņu galvenā funkcija ir ilgtermiņa informācijas uzkrāšana, lai veidotu kopā ar citiem šūnu komponentiem, viņiem ir arī instrukcijas, kuras izmanto visu dzīvo organismu izstrādei un darbībai.

- Nervu impulss : tas ir elektroķīmiskais impulss, kas rodas centrālajā nervu sistēmā vai jutekļu orgānos stimula klātbūtnē. Šis elektriskais vilnis, kas iet cauri visam neironam, vienmēr tiek pārraidīts vienvirziena veidā, iekļūstot caur šūnu dendritiem un izejot caur aksonu.

- Muskuļu kontrakcija: fizioloģisks process, kurā muskuļi savelkas, liekot tiem saīsināties, palikt vai izstiepties to veidojošo struktūru slīdēšanas dēļ. Šis cikls ir saistīts ar muskuļu šķiedras struktūru un elektriskā potenciāla pārnešanu caur nerviem.

Metodes

Biofiziķis AV Hils uzskata, ka garīgā attieksme būtu galvenais biofiziķa līdzeklis. Ņemot to par pamatu, viņš apgalvo, ka biofiziķi ir tie indivīdi, kuri var izteikt problēmu fiziskā izteiksmē un kurus atšķir nevis konkrētie izmantotie paņēmieni, bet gan veids, kā viņi formulē un uzbrūk problēmām.

Tam pievienota spēja izmantot sarežģītas fizikālās teorijas un citus fiziskus instrumentus dabas objektu izpētei. Turklāt tie nav atkarīgi no komerciāli izgatavotiem instrumentiem, jo ​​parasti viņiem ir pieredze speciālu iekārtu montāžā bioloģisko problēmu risināšanai.

Ķīmisko analīžu un citu diagnostikas procesu automatizācija, izmantojot datorus, ir aspekti, kas jāņem vērā pašreizējās biofizikālajās metodēs.

Turklāt biofiziķi izstrādā un izmanto datormodelēšanas metodes, ar kuru palīdzību viņi var manipulēt un novērot sarežģītu molekulu, kā arī vīrusu un olbaltumvielu formas un struktūras.

Atsauces

1. Zālamans, A. (2018, 30. marts). Biofizika. Encyclopædia Britannica. Atgūts vietnē britannica.com
2. Biofizika. (2019. gads, 18. septembris). Vikipēdija, enciklopēdija. Atgūts no wikipedia.org
3. Wikipedia līdzautori. (2019. gads, 23. septembris). Biofizika. Vikipēdijā Brīvā enciklopēdija. Atgūts no wikipedia.org
4. Kas ir biofizika? Zināt tās studiju nozares un vēsturi. (2018. gads, 30. novembris). Atgūts no branchdelabiologia.net
5. Byophysical Society. (2019) Kas ir biofizika. Atgūts no biophysics.org
6. Nahle, Nasif. (2007) Didaktiskais raksts: Biofizika. Bioloģijas kabineta organizācija. Atgūts no biocab.org