الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها

الفيزياء الحيوية

الفيزياء الحيوية هي علم متعدد التخصصات يطبق الأساليب والطرق المستخدمة تقليديا في الفيزياء لدراسة الظواهر البيولوجية.

تغطي الفيزياء الحيوية جميع مقاييس التنظيم البيولوجي ، من الجزيئية إلى تلك الخاصة بالكائنات الحية والسكان.

تشترك الأبحاث الفيزيائية الحيوية في تداخل كبير مع الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية والكيمياء الفيزيائية.

وعلم وظائف الأعضاء ، وتكنولوجيا النانو ، والهندسة الحيوية ، والبيولوجيا الحاسوبية ، والميكانيكا الحيوية ، وعلم الأحياء التطوري ، وبيولوجيا النظم.

تاريخ موجز للفيزياء الحيوية

وكان من بين أعضائها رواد مثل هيرمان فون هيلمهولتز وإرنست هاينريش ويبر وكارل إف دبليو لودفيج ويوهانس بيتر مولر.

ازدادت شعبية هذا المجال عندما زاد كتاب ¿Qué es la vida؟ بواسطة Erwin Schrödinger ، الذي تم نشره منذ عام 1957.

؛ نظم علماء الفيزياء الحيوية أنفسهم في جمعية الفيزياء الحيوية ، التي تضم الآن حوالي 9000 عضو في جميع أنحاء العالم.

ينتقد بعض المؤلفين ، مثل روبرت روزين ، الفيزياء الحيوية ، زاعمين أن الطريقة الفيزيائية الحيوية لا تأخذ في الاعتبار خصوصية الظواهر البيولوجية.

الفيزياء الحيوية الجزيئية

غالبًا ما تستخدم الأساليب:

التصوير الفلوري ، وكذلك الفحص المجهري الإلكتروني ، وتصوير البلورات بالأشعة السينية ، والتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي.

ومجهر القوة الذرية (AFM) ، تشتت الزاوية الصغيرة (SAS) ، بالأشعة السينية والنيوترونات (SAXS / SANS) ، لتصور الهياكل ذات الأهمية البيولوجية.

يمكن ملاحظة ديناميات البروتين عن طريق التحليل الطيفي للرنين المغزلي والنيوتروني ويمكن قياس التغيير التوافقي في الهيكل.

يتم ذلك باستخدام تقنيات مثل قياس التداخل ثنائي القطب ، وازدواج اللون الدائري ، و SAXS ، و SANS.

يمكن أيضًا استخدام المعالجة المباشرة للجسيمات ، باستخدام ملاقط بصرية أو AFM ، لمراقبة الأحداث البيولوجية ، حيث تكون القوى والمسافات على مقياس النانو.

غالبًا ما ينظر علماء الفيزياء الحيوية الجزيئية إلى الأحداث البيولوجية المعقدة على أنها أنظمة من الكيانات المتفاعلة.

يمكن فهمه أيضًا ، على سبيل المثال ، من خلال الميكانيكا الإحصائية والديناميكا الحرارية والحركية الكيميائية.

اتبع أيضًا:

ماذا تتعامل الفيزياء الحيوية الجزيئية؟

تُعنى الفيزياء الحيوية الجزيئية عمومًا بالأسئلة البيولوجية المشابهة لتلك الخاصة بالكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية.

كما يسعى إلى إيجاد الأساس المادي لظواهر الجزيئات الحيوية ، ويقوم العلماء في هذا المجال بإجراء بحث مهتم بفهم التفاعلات بين الأنظمة المختلفة للخلية ، بما في ذلك التفاعلات بين الحمض النووي.

و RNA والتخليق الحيوي للبروتين ، وكذلك كيفية تنظيم هذه التفاعلات ، يتم استخدام عدد كبير ومتنوع من التقنيات للإجابة على هذه الأسئلة.

الفيزياء الحيوية الحديثة

بالإضافة إلى موضوعات الفيزياء الحيوية التقليدية (أي الجزيئية والخلوية) ، مثل البيولوجيا الهيكلية أو حركية الإنزيم.

تشمل الفيزياء الحيوية الحديثة مجموعة واسعة للغاية من الأبحاث ، من الإلكترونيات الحيوية إلى علم الأحياء الكمومي ، بما في ذلك الأدوات التجريبية والنظرية.

من الشائع بشكل متزايد أن يقوم علماء الفيزياء الحيوية بتطبيق النماذج والتقنيات التجريبية المشتقة من الفيزياء.

وكذلك الرياضيات والإحصاء ، في أنظمة أكبر مثل الأنسجة والأعضاء والسكان والنظم البيئية.

تُستخدم النماذج الفيزيائية الحيوية الحديثة على نطاق واسع لدراسة التوصيل الكهربائي في الخلايا العصبية الفردية.

بالإضافة إلى تحليل الدوائر العصبية في الأنسجة وفي جميع أنحاء الدماغ.

الفيزياء الحيوية الطبية

الفيزياء الطبية ، أحد فروع الفيزياء الحيوية ، هي أي تطبيق للفيزياء على الطب أو الرعاية الصحية.

من علم الأشعة إلى الفحص المجهري إلى طب النانو ، على سبيل المثال ، وضع الفيزيائي ريتشارد فاينمان نظرية حول مستقبل طب النانو.

كتب عن فكرة الاستخدام الطبي للآلات البيولوجية ، واقترح ألبرت هيبس وفينمان إصلاح بعض الآلات.

من الممكن أن يتقلص حجمه يومًا ما لدرجة أنه من الممكن (كما قال فاينمان) “ابتلاع الطبيب”.

تمت مناقشة الفكرة في مقال Feynman لعام 1959 “هناك مساحة كبيرة في الأسفل”.

التركيز كحقل فرعي

في حين أن بعض الكليات والجامعات لديها أقسام مخصصة للفيزياء الحيوية ، عادة على مستوى الدراسات العليا.

كثير منهم ليس لديهم أقسام للفيزياء الحيوية على المستوى الجامعي ، وبدلاً من ذلك لديهم مجموعات في الأقسام المقابلة.

مثل الكيمياء الحيوية وبيولوجيا الخلية والكيمياء وعلوم الكمبيوتر والهندسة والرياضيات والطب والبيولوجيا الجزيئية وعلم الأعصاب والصيدلة والفيزياء وعلم وظائف الأعضاء.

اعتمادًا على نقاط القوة في القسم في الجامعة ، سيكون التركيز في مجالات الفيزياء الحيوية ، وفيما يلي قائمة بأمثلة عن كيفية تطبيق كل قسم لجهوده نحو دراسة الفيزياء الحيوية.

هذه القائمة ليست شاملة ، ولا تنتمي جميع الموضوعات حصريًا إلى قسم معين ، حيث تضع كل مؤسسة أكاديمية قواعدها الخاصة.

هناك الكثير من التداخل بين الأقسام: [بحاجة لمصدر]

• علم الأحياء والبيولوجيا الجزيئية: تنظيم الجينات ، وديناميات البروتين الفردي ، والطاقة الحيوية ، وربط التصحيح ، والميكانيكا الحيوية ، والفيزياء الفيروسية.
• البيولوجيا الهيكلية – تحليل هياكل أنجستروم للبروتينات والأحماض النووية والدهون والكربوهيدرات ومركباتها.
• الكيمياء الحيوية والكيمياء – التركيب الجزيئي الحيوي ، سيرنا ، بنية الحمض النووي ، العلاقات بين التركيب والنشاط.
• المعلوماتية: الشبكات العصبية وقواعد البيانات الجزيئية الحيوية والمستحضرات الصيدلانية.
• الكيمياء الحاسوبية: محاكاة الديناميات الجزيئية ، الاندماج الجزيئي ، كيمياء الكم.
• المعلوماتية الحيوية: محاذاة التسلسل ، المحاذاة الهيكلية ، تنبؤ بنية البروتين.
• الرياضيات: نظرية الرسم البياني / الشبكة ، النمذجة السكانية ، النظم الديناميكية ، علم الوراثة.
• الطب: بحث فيزيائي حيوي يركز على الطب ، والفيزياء الحيوية الطبية هو مجال وثيق الصلة بعلم وظائف الأعضاء ، ويشرح مختلف جوانب وأنظمة الجسم من منظور فيزيائي ورياضي.
• علم الأعصاب: دراسة الشبكات العصبية تجريبياً (قطع الدماغ) وكذلك نظرياً (نماذج حاسوبية) ، سماحية الأغشية ، العلاج الجيني ، فهم الأورام.
• علم الأدوية وعلم وظائف الأعضاء – علم الأحياء ، التفاعلات الجزيئية الحيوية ، غشاء الخلية ، بوليكيتيدات.
• الفيزياء: علم الجينات الجديد ، والعمليات العشوائية ، وتطوير تقنيات جديدة وأجهزة فيزيائية ، بالإضافة إلى تطبيقها.
• بيولوجيا الكم – يطبق مجال علم الأحياء الكمومي ميكانيكا الكم على الأشياء والمشكلات البيولوجية ، والديزومرات للحصول على بدائل أساسية تعتمد على الوقت.

قد يثير اهتمامك: