В биофизики является изучение физических законов , действующих в живых организмах. Это междисциплинарная наука, которая применяет подходы и методы физики для изучения биологических явлений.
Также известная как физическая биология, часть идеи о том, что все явления, наблюдаемые в природе, имеют предсказуемое научное объяснение и что все живые системы состоят из процессов, основанных на физических законах.
Двойная спираль цепи ДНК. Одна из главных находок биофизики. Источник: Joseluissc3
Дискуссия о том, что биофизика рассматривается как раздел физики, биологии или того и другого, является обычным явлением. В этом случае важно отметить, что существует тенденция считать это разделом биологии.
Это связано с тем, что обмен знаниями обычно происходит от физики к биологии, которая была обогащена физическими достижениями и концепциями. Но тот же самый вклад нельзя подтвердить обратным образом, то есть с точки зрения чистой физики нельзя сказать, что биофизика предлагает новые знания.
Биофизика предоставляет физике экспериментальные данные и, таким образом, позволяет ей подтверждать теории, но обмен между физикой и биологией явно однонаправлен.
Биофизики обучены количественным наукам физики, математики и химии, чтобы изучать все, что связано с функционированием, структурой, динамикой и взаимодействием биологических систем. Эти системы включают сложные молекулы, клетки, организмы и экосистемы.
история
Истоки биофизики восходят к семнадцатому веку, когда естественные науки еще не были разделены как отдельные дисциплины, и в то время, когда было проведено первое исследование биолюминесценции.
Первое исследование, которое было обнаружено, было проведено немецким иезуитом Афанасиусом Кирхером (1602-1680), который опубликовал свою работу Ars Magna Lucis et Umbrae и посвятил две главы люминесценции животных.
Связь между электричеством и биологией была предметом спекуляций не только в семнадцатом веке, но и в следующие два века. Во время его приближения стало очевидным увлечение человека животным и естественным электричеством, таким как светлячки или естественные разряды молний.
В этом направлении исследований, проведенных в Италии в середине 18 века, были обнаружены эксперименты Джованни Беккариа по электростимуляции мышц, которые генерировали знания в этой области.
В 1786 году Луиджи Гальвани начал полемику по поводу электрического потенциала у животных. Его противником был не кто иной, как Алессандро Вольта, который, разработав электрическую батарею, несколько обуздал научный интерес к электрическому потенциалу живых существ.
XIX век
Одним из основных вкладов в XIX веке был вклад Дюбуа-Реймона, профессора физиологии из Берлина, который построил гальванометры и провел исследования мышечного тока и электрического потенциала нервов. Этот объект исследования стал одной из точек зарождения биофизики.
Другой из них были силы, ответственные за пассивный поток вещества в живых организмах, в частности градиенты диффузии и осмотическое давление. В этом отношении выделяются вклады аббата Дж. А. Нолле и Адольфа Фика.
Последний был тем, кто опубликовал первый биофизический текст «Die medizinische Physik» или «Медицинская физика» на испанском языке. В работе Фика не проводилось никаких экспериментов, а проводилась аналогия с законами теплового потока, что позволяло сформулировать законы, управляющие диффузией. Более поздние лабораторные эксперименты показали, что аналогия верна.
Двадцатый век
Двадцатый век начался с определенного мастерства немецких ученых, которые сосредоточились на изучении воздействия радиации.
Важной вехой этого периода стало издание книги ¿Qué es la vida? , Эрвин Шредингер в 1944 году. В нем было высказано предположение о существовании в живых существах молекулы, содержащей генетическую информацию в ковалентных связях.
Эта книга и эта идея вдохновили других ученых и привели их к открытию структуры двойной спирали ДНК в 1953 году. Это открытие сделали Джеймс Уотсон, Розалинд Франклин и Фрэнсис Крик.
Во второй половине ХХ века биофизика становится все более зрелой. В то время уже были представлены университетские программы, которые были популярны не только в Германии, но и в других странах. К тому же расследование приобретало все больший ритм.
Что изучается (объект изучения)
Биомеханика - одно из разделов биофизики. Источник: Mutuauniversal
Область изучения биофизики распространяется на все масштабы биологической организации, от молекулярных до органических и других более сложных систем. В зависимости от направленности внимания биофизику можно разделить на следующие направления:
- Биомеханика: изучает механические структуры, существующие в живых существах и позволяющие им двигаться.
- Биоэлектричество: изучает электромагнитные и электрохимические процессы, происходящие в организмах или оказывающие на них воздействие.
- Биоэнергетика: объект исследования - трансформация энергии, происходящая в биосистемах.
- Биоакустика: это наука, изучающая производство звуковых волн, их передачу некоторыми способами и захват другими животными или живыми системами.
- Биофотоника: фокусируется на взаимодействии живых существ с фотонами.
- Радиобиология : изучает биологические эффекты излучения (ионизирующего и неионизирующего) и его применения в полевых и лабораторных условиях.
- Динамика белков: изучите молекулярные движения белков и рассмотрите их структуру, функцию и укладку.
- Молекулярная коммуникация : основное внимание уделяется изучению генерации, передачи и приема информации между молекулами.
Приложения
Темы, изучаемые биофизикой, могут пересекаться с темами биохимии, молекулярной биологии, физиологии, нанотехнологии, биоинженерии, системной биологии, вычислительной биологии или химии-физики, среди других. Однако мы попытаемся разграничить основные области применения биофизики.
С открытием ДНК и ее структуры биофизика внесла свой вклад в создание вакцин, развитие методов визуализации, позволяющих диагностировать заболевания, и создание новых фармакологических методов лечения определенных патологий.
Благодаря пониманию биомеханики, эта отрасль биологии позволила разработать лучшие протезы и лучшие наноматериалы, с помощью которых можно доставлять лекарства.
Сегодня биофизика сосредоточилась на вопросах, связанных с изменением климата и другими факторами окружающей среды. Например, ведется работа по разработке биотоплива с помощью живых микроорганизмов для замены бензина.
Сообщества микробов также исследуются, а загрязняющие вещества в атмосфере отслеживаются на основе полученных знаний.
Основные концепции
- Системы : это упорядоченная совокупность элементов, заключенных между реальными или мнимыми пределами, которые взаимосвязаны и взаимодействуют друг с другом.
- Белки : большие молекулы, обнаруженные во всех живых клетках. Они состоят из одной или нескольких длинных цепочек аминокислот, которые ведут себя как машины, выполняющие широкий спектр функций, таких как структурные (цитоскелет), механические (мышцы), биохимические (ферменты) и клеточные сигналы (гормоны).
- Биомембраны : система жидкостей, выполняющих многочисленные биологические функции, для которых они должны адаптировать свой состав и разнообразие. Они являются частью клеток всех живых существ, и это место, где хранятся бесчисленные маленькие молекулы, и служит якорем для белков.
- Проводимость : это поток тепла через твердые среды за счет внутренней вибрации молекул, а также свободных электронов и столкновений между ними.
- Конвекция : относится к потоку энергии через потоки жидкости (жидкости или газа), это движение объемов жидкости или газа.
- Излучение : передача тепла посредством электромагнитных волн.
- Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) : химическое название молекулы, которая содержит генетическую информацию обо всех живых существах. Их основная функция - хранить долгосрочную информацию для построения с другими компонентами клеток, они также имеют инструкции, используемые для развития и функционирования всех живых организмов.
- Нервный импульс : это электрохимический импульс, который возникает в центральной нервной системе или в органах чувств при наличии раздражителя. Эта электрическая волна, которая распространяется по нейрону, всегда передается в одном направлении, проникая через дендриты клеток и уходя через аксон.
- Сокращение мышц: физиологический процесс, при котором мышцы напрягаются, заставляя их укорачиваться, оставаться или растягиваться из-за скольжения структур, составляющих их. Этот цикл связан со структурой мышечного волокна и передачей электрического потенциала по нервам.
методы
Биофизик А.В. Хилл считает, что умственное отношение было бы главным инструментом биофизика. Опираясь на это, он утверждает, что биофизики - это те люди, которые могут выразить проблему в физических терминах, и которые отличаются не конкретными используемыми методами, а тем, как они формулируют и атакуют проблемы.
К этому добавляется возможность использовать сложную физическую теорию и другие физические инструменты для изучения природных объектов. Кроме того, они не зависят от инструментов промышленного производства, поскольку обычно имеют опыт сборки специального оборудования для решения биологических проблем.
Автоматизация химического анализа и других диагностических процессов с использованием компьютеров - это аспекты, которые необходимо учитывать в современных биофизических методах.
Кроме того, биофизики разрабатывают и используют методы компьютерного моделирования, с помощью которых они могут манипулировать и наблюдать формы и структуры сложных молекул, а также вирусов и белков.
Ссылки
- Соломон, А. (30 марта 2018 г.). Биофизика. Encyclopdia Britannica. Восстановлено на britannica.com
- Биофизика. (2019, 18 сентября). Википедия, Энциклопедия. Восстановлено с wikipedia.org
- Авторы Википедии. (2019, 23 сентября). Биофизика. В Википедии, Свободной энциклопедии. Восстановлено с wikipedia.org
- Что такое биофизика? Знайте его области обучения и его историю. (2018, 30 ноября). Восстановлено с ветокdelabiologia.net
- Биофизическое общество. (2019) Что такое биофизика. Получено с biophysics.org
- Нале, Насиф. (2007) Дидактическая статья: Биофизика. Организация Кабинета Биологии. Получено с biocab.org