BIOFYZIKA: HISTÓRIA, ČO ŠTUDUJE, APLIKÁCIE, KONCEPTY, METÓDY - BIOLÓGIE - 2025

Tieto biofyzika je štúdium fyzikálnych zákonov pôsobiacich v živých organizmoch. Je to interdisciplinárna veda, ktorá aplikuje fyzikálne prístupy a metódy na štúdium biologických javov.

Známy tiež ako fyzikálna biológia, časť myšlienky, že všetky javy pozorované v prírode majú predvídateľné vedecké vysvetlenie a že všetky živé systémy sú tvorené procesmi založenými na fyzikálnych zákonoch.

Dvojitá špirála reťazca DNA. Jeden z hlavných nálezov v biofyzike. Zdroj: Joseluissc3

Bežná je diskusia, v ktorej sa biofyzika považuje za odvetvie fyziky, biológie alebo oboje. V tomto prípade je dôležité poznamenať, že tendencia je považovať sa za odvetvie biológie.

Dôvodom je skutočnosť, že výmena poznatkov sa zvyčajne vytvára z fyziky do biológie, ktorá bola obohatená o fyzikálny pokrok a koncepty. Rovnaký príspevok však nemožno potvrdiť inverzným spôsobom, to znamená, že z hľadiska čistej fyziky sa nedá povedať, že biofyzika ponúka nové poznatky.

Biofyzika poskytuje experimentálny dôkaz fyzike, a teda jej umožňuje potvrdzovať teórie, ale výmena medzi fyzikou a biológiou je jednoznačne jednosmerná.

Biofyzici sú školení v kvantitatívnych vedách fyziky, matematiky a chémie, aby študovali všetko, čo sa týka fungovania, štruktúry, dynamiky a interakcie biologických systémov. Tieto systémy zahŕňajú komplexné molekuly, bunky, organizmy a ekosystémy.

histórie

Počiatky biofyziky siahajú do sedemnásteho storočia, keď sa prírodné vedy ešte nerozdelili ako samostatné disciplíny a v čase, keď sa uskutočnilo prvé skúmanie bioluminiscencie.

Prvou zistenou štúdiou bola štúdia nemeckého jezuita Athanasia Kirchera (1602 - 1680), ktorý publikoval svoju prácu Ars Magna Lucis et Umbrae a dve kapitoly venoval luminiscencii zvierat.

Vzťah medzi elektrinou a biológiou bol predmetom špekulácií nielen v sedemnástom storočí, ale v nasledujúcich dvoch storočiach. Počas jeho prístupu sa prejavila fascinácia človeka živočišnou a prírodnou elektrinou, ako sú svetlušky alebo výboje prírodného blesku.

V tejto línii výskumu boli v Taliansku a v polovici 18. storočia odhalené experimenty Giovanniho Beccaria s elektrickou stimuláciou svalov, ktoré priniesli poznatky v tejto oblasti.

V roku 1786 začal Luigi Galvani spor o elektrický potenciál u zvierat. Jeho oponentom nebol nikto iný ako Alessandro Volta, ktorý vývojom elektrickej batérie trochu obmedzil vedecký záujem o elektrický potenciál v živých bytostiach.

XIX storočia

Jedným z hlavných prínosov 19. storočia bol príspevok Du Bois-Reymonda, profesora fyziológie v Berlíne, ktorý postavil galvanometre a uskutočnil štúdie svalového prúdu a elektrického potenciálu nervov. Tento predmet štúdia sa stal jedným z východiskových bodov biofyziky.

Ďalším z nich boli sily zodpovedné za pasívny tok hmoty v živých organizmoch, konkrétne difúzne gradienty a osmotický tlak. V tomto zmysle vynikajú príspevky Abbé JA Nolleta a Adolfa Ficka.

Posledne menovaný publikoval prvý biofyzikálny text Die medizinische Physik alebo Medical Physics v španielčine. Vo Fickovej práci sa neuskutočnili žiadne experimenty, ale vyvolala sa skôr analógia so zákonmi toku tepla, čo umožnilo vyjasniť zákony upravujúce difúziu. Neskoršie laboratórne experimenty ukázali, že analógia bola presná.

Dvadsiate storočie

Dvadsiate storočie bolo charakteristické začatím istého ovládania nemeckých vedcov, ktorí sa sústredili na skúmanie účinkov žiarenia.

Dôležitým medzníkom tohto obdobia bolo vydanie knihy ¿Qué es la vida? , autor Erwin Schrödinger v roku 1944. V tejto súvislosti bola navrhnutá existencia molekuly v živých bytostiach, ktorá obsahovala genetické informácie v kovalentných väzbách.

Táto kniha a táto myšlienka inšpirovali ďalších vedcov a viedli ich k objaveniu štruktúry dvojitej špirály DNA v roku 1953. Objavom boli James Watson, Rosalind Franklin a Francis Crick.

V druhej polovici 20. storočia je zrejmá biofyzika. V tom čase už boli prezentované univerzitné programy a populárne aj v iných krajinách mimo Nemecka. Vyšetrovanie navyše získalo stále viac a viac rytmus.

Čo študuje (predmet štúdia)

Biomechanika je jedným z odvetví biofyziky. Zdroj: Mutuauniversal

Študijný odbor biofyzika sa rozširuje na všetky škály biologickej organizácie, od molekulárnych po organické a ďalšie zložitejšie systémy. V závislosti od zamerania pozornosti možno biofyziku rozdeliť do nasledujúcich odvetví:

- Biomechanika: študuje mechanické štruktúry, ktoré existujú v živých bytostiach a ktoré umožňujú ich pohyb.

- Bioelektrika: študuje elektromagnetické a elektrochemické procesy, ktoré sa vyskytujú v organizmoch alebo ktoré na ne majú účinky.

- Bioenergetika: jej predmetom je transformácia energie, ktorá sa vyskytuje v biosystémoch.

- Bioakustika: veda skúma produkciu zvukových vĺn, ich prenos nejakými prostriedkami a ich zachytenie inými zvieratami alebo živými systémami.

- Biofotonika: zameriava sa na interakcie živých vecí s fotónmi.

- Rádiobiológia : študuje biologické účinky žiarenia (ionizujúce a neionizujúce) a jeho aplikácie v teréne a laboratóriu.

- Dynamika proteínov: študujte molekulárne pohyby proteínov a zvážte ich štruktúru, funkciu a skladanie.

- Molekulárna komunikácia : zameriava sa na skúmanie vytvárania, prenosu a prijímania informácií medzi molekulami.

aplikácia

Témy skúmané biofyzikou sa môžu okrem iného prekrývať s témami biochémie, molekulárnej biológie, fyziológie, nanotechnológie, bioinžinierstva, systémovej biológie, výpočtovej biológie alebo chemicko-fyziky. Pokúsime sa však vymedziť hlavné aplikácie biofyziky.

Biofyzika objavom DNA a jej štruktúrou prispela k vytvoreniu očkovacích látok, k vývoju zobrazovacích techník, ktoré umožňujú diagnostikovanie chorôb a k vývoju nových farmakologických metód na liečenie určitých patológií.

S pochopením biomechaniky, toto odvetvie biológie umožnilo navrhnúť lepšie protézy a lepšie nanomateriály, pomocou ktorých sa môžu dodávať lieky.

Biofyzika sa dnes začala zameriavať na otázky súvisiace so zmenou podnebia a inými faktormi životného prostredia. Napríklad sa pracuje na vývoji biopalív prostredníctvom živých mikroorganizmov, ktoré nahradia benzín.

Skúmajú sa aj mikrobiálne spoločenstvá a znečisťujúce látky v atmosfére sa sledujú na základe získaných poznatkov.

Hlavné pojmy

- Systémy : je to usporiadaný súhrn prvkov zahrnutých medzi skutočnými alebo imaginárnymi limitmi, ktoré sú vzájomne prepojené a vzájomne pôsobia.

- Bielkoviny : veľké molekuly nachádzajúce sa vo všetkých živých bunkách. Skladajú sa z jedného alebo viacerých dlhých reťazcov aminokyselín, ktoré sa správajú ako stroje, ktoré vykonávajú širokú škálu funkcií, ako sú štruktúrna (cytoskelet), mechanická (svalová), biochemická (enzýmy) a bunková signalizácia (hormóny).

- Biomembrány : systém tekutín, ktoré plnia početné biologické funkcie, pre ktoré musia prispôsobiť svoje zloženie a rozmanitosť. Sú súčasťou buniek všetkých živých bytostí a je to miesto, kde sa ukladá nespočet malých molekúl a slúži ako kotva pre proteíny.

- Vedenie : je to tok tepla cez pevné médium v ​​dôsledku vnútornej vibrácie molekúl, ako aj voľných elektrónov a zrážok medzi nimi.

- Konvekcia : vzťahuje sa na tok energie prúdom tekutiny (kvapaliny alebo plynu), jedná sa o pohyb objemov kvapaliny alebo plynu.

- Žiarenie : prenos tepla prostredníctvom elektromagnetických vĺn.

- Kyselina deoxyribonukleová (DNA) : chemický názov molekuly, ktorá obsahuje genetické informácie o všetkých živých bytostiach. Ich hlavnou funkciou je ukladať dlhodobé informácie, ktoré sa dajú stavať s ostatnými zložkami buniek, majú tiež pokyny, ktoré sa používajú na vývoj a fungovanie všetkých živých organizmov.

- Nervový impulz : je to elektrochemický impulz, ktorý vzniká v centrálnom nervovom systéme alebo v zmyslových orgánoch v prítomnosti stimulu. Táto elektrická vlna, ktorá prechádza celým neurónom, je vždy prenášaná jednosmerne, vstupuje cez dendrity buniek a opúšťa axón.

- Svalová kontrakcia: fyziologický proces, pri ktorom sa svaly napínajú a spôsobujú ich skracovanie, zotrvanie alebo napínanie v dôsledku posúvania štruktúr, ktoré ju tvoria. Tento cyklus je spojený so štruktúrou svalového vlákna a prenosom elektrického potenciálu cez nervy.

metódy

Biofyzik AV Hill sa domnieva, že mentálny prístup by bol hlavným nástrojom biofyzika. Na základe tohto tvrdenia tvrdí, že biofyzici sú jednotlivci, ktorí dokážu fyzicky vyjadriť problém a nie sú rozlíšení konkrétnymi použitými technikami, ale spôsobom, akým formulujú a napádajú problémy.

K tomu sa pridáva schopnosť používať zložitú fyzikálnu teóriu a ďalšie fyzikálne nástroje na štúdium prírodných objektov. Okrem toho nie sú závislé od komerčne vyrábaných nástrojov, pretože majú často skúsenosti so zostavením špeciálneho vybavenia na riešenie biologických problémov.

V súčasných biofyzikálnych metódach je potrebné brať do úvahy automatizáciu chemických analýz a iné diagnostické procesy pomocou počítačov.

Okrem toho biofyzici vyvíjajú a používajú metódy počítačového modelovania, s ktorými môžu manipulovať a pozorovať tvary a štruktúry komplexných molekúl, ako aj vírusov a proteínov.

Referencie

1. Solomon, A. (2018, 30. marca). Biofyzika. Encyclopædia Britannica. Obnovené na stránke britannica.com
2. Biofyzika. (2019, 18. september). Wikipedia, Encyklopédia. Obnovené z wikipedia.org
3. Prispievatelia Wikipedia. (2019, 23. septembra). Biofyzika. Na Wikipédii, Encyklopédia zadarmo. Obnovené z wikipedia.org
4. Čo je to biofyzika? Poznať jeho študijné odbory a históriu. (2018, 30. novembra). Získané z pobočieklabiologia.net
5. Byofyzická spoločnosť. (2019) Čo je to biofyzika. Získané z biophysics.org
6. Nahle, Nasif. (2007) Didaktický článok: Biofyzika. Organizácia kabinetu biologie. Získané z biocab.org