BIOFYSICA: GESCHIEDENIS, WAT HET BESTUDEERT, TOEPASSINGEN, CONCEPTEN, METHODEN - BIOLOGIE - 2025

De biofysica is de studie van fysische wetten die in levende organismen werken. Het is een interdisciplinaire wetenschap die de benaderingen en methoden van de fysica toepast om biologische verschijnselen te bestuderen.

Ook bekend als fysische biologie, onderdeel van het idee dat alle fenomenen die in de natuur worden waargenomen een voorspelbare wetenschappelijke verklaring hebben en dat alle levende systemen bestaan ​​uit processen die zijn gebaseerd op fysische wetten.

Dubbele helix van DNA-ketting. Een van de belangrijkste bevindingen in de biofysica. Bron: Joseluissc3

De discussie waarin biofysica wordt beschouwd als een tak van fysica, biologie of beide, komt veel voor. In dit geval is het belangrijk op te merken dat de neiging bestaat om het als een tak van de biologie te beschouwen.

Dit komt omdat de uitwisseling van kennis meestal wordt gegenereerd van natuurkunde naar biologie, die is verrijkt door fysieke vorderingen en concepten. Maar dezelfde bijdrage kan niet op een omgekeerde manier worden bevestigd, dat wil zeggen dat vanuit de zuivere fysica niet kan worden gezegd dat biofysica nieuwe kennis biedt.

Biofysica levert experimenteel bewijs voor de natuurkunde en maakt het dus mogelijk om theorieën te bevestigen, maar de uitwisseling tussen natuurkunde en biologie is duidelijk unidirectioneel.

Biofysici zijn opgeleid in de kwantitatieve wetenschappen van de natuurkunde, wiskunde en scheikunde om alles te bestuderen dat te maken heeft met het functioneren, de structuur, de dynamica en de interactie van biologische systemen. Deze systemen omvatten complexe moleculen, cellen, organismen en ecosystemen.

Geschiedenis

De oorsprong van de biofysica gaat terug tot de zeventiende eeuw, toen de natuurwetenschappen nog niet in aparte disciplines waren verdeeld en op het moment dat het eerste onderzoek naar bioluminescentie plaatsvond.

De eerste studie die werd ontdekt, was die van de Duitse jezuïet, Athanasius Kircher (1602-1680), die zijn werk Ars Magna Lucis et Umbrae publiceerde en twee hoofdstukken wijdde aan de luminescentie van dieren.

Over het verband tussen elektriciteit en biologie werd niet alleen in de zeventiende eeuw, maar ook in de volgende twee eeuwen gespeculeerd. Tijdens zijn aanpak werd de fascinatie van de mens voor dierlijke en natuurlijke elektriciteit, zoals vuurvliegjes of natuurlijke bliksemontladingen, duidelijk.

In deze onderzoekslijn werden in Italië en in het midden van de 18e eeuw de experimenten van Giovanni Beccaria met elektrische stimulatie van spieren gedetecteerd, die kennis op dit gebied opleverden.

In 1786 begon Luigi Galvani een controverse over het elektrische potentieel bij dieren. Zijn tegenstander was niemand minder dan Alessandro Volta die, door de elektrische batterij te ontwikkelen, de wetenschappelijke belangstelling voor het elektrisch potentieel van levende wezens enigszins aan banden legde.

XIX eeuw

Een van de belangrijkste bijdragen in de 19e eeuw was die van Du Bois-Reymond, professor fysiologie in Berlijn, die de galvanometers bouwde en onderzoek deed naar de spierstroom en het elektrische potentieel van de zenuwen. Dit studieobject werd een van de oorsprongspunten van de biofysica.

Een andere daarvan waren de krachten die verantwoordelijk zijn voor de passieve stroom van materie in levende organismen, met name de diffusiegradiënten en osmotische druk. Langs deze lijnen vallen de bijdragen van Abbé JA Nollet en Adolf Fick op.

De laatste was degene die de eerste biofysische tekst Die medizinische Physik of Medical Physics in het Spaans publiceerde. In het werk van Fick werden geen experimenten uitgevoerd, maar werd eerder een analogie met de wetten van de warmtestroom opgeworpen, waardoor het mogelijk werd de wetten voor diffusie uit te spreken. Latere laboratoriumexperimenten toonden aan dat de analogie exact was.

Twintigste eeuw

De twintigste eeuw werd gekenmerkt door het begin met een zekere beheersing van Duitse wetenschappers, die zich concentreerden op het bestuderen van de effecten van straling.

Een belangrijke mijlpaal in deze periode was de publicatie van het boek ¿Qué es la vida? , door Erwin Schrödinger in 1944. Hierin werd het bestaan ​​van een molecuul in levende wezens voorgesteld dat genetische informatie in covalente bindingen bevat.

Dit boek en dat idee inspireerde andere wetenschappers en leidde hen in 1953 om de dubbele helixstructuur van DNA te ontdekken. Het waren James Watson, Rosalind Franklin en Francis Crick die de ontdekking deden.

In de tweede helft van de 20e eeuw is er een duidelijke volwassenheid van de biofysica. In die tijd werden al universitaire programma's gepresenteerd en het was populair in andere landen buiten Duitsland. Bovendien kreeg het onderzoek steeds meer ritme.

Wat is studeren (object van studie)

Biomechanica is een van de takken van biofysica. Bron: Mutuauniversal

Het studiegebied van biofysica strekt zich uit tot alle schalen van biologische organisatie, van moleculaire tot organische en andere meer complexe systemen. Afhankelijk van de aandacht, kan biofysica worden onderverdeeld in de volgende takken:

- Biomechanica: bestudeert de mechanische structuren die in levende wezens bestaan ​​en die hun beweging mogelijk maken.

- Bio- elektriciteit : bestudeert de elektromagnetische en elektrochemische processen die plaatsvinden in organismen of die er effecten op hebben.

- Bio-energetica: het object van studie is de transformatie van energie die plaatsvindt in biosystemen.

- Bioakoestiek: het is de wetenschap die de productie van geluidsgolven onderzoekt, de overdracht ervan op de een of andere manier en het vangen door andere dieren of levende systemen.

- Biofotonica: richt zich op de interacties van levende wezens met fotonen.

- Radiobiologie : bestudeert de biologische effecten van straling (ioniserend en niet-ioniserend) en de toepassingen ervan in het veld en laboratorium.

- Eiwit dynamica: bestudeer de moleculaire bewegingen van eiwitten en houd rekening met hun structuur, functie en vouwing.

- Moleculaire communicatie : richt zich op het bestuderen van het genereren, verzenden en ontvangen van informatie tussen moleculen.

Toepassingen

De onderwerpen die door de biofysica worden onderzocht, kunnen onder andere overlappen met die van de biochemie, moleculaire biologie, fysiologie, nanotechnologie, bio-engineering, systeembiologie, computationele biologie of fysische chemie. We zullen echter proberen de belangrijkste toepassingen van biofysica af te bakenen.

Met de ontdekking van DNA en zijn structuur heeft biofysica bijgedragen tot de creatie van vaccins, de ontwikkeling van beeldvormingstechnieken waarmee ziekten kunnen worden gediagnosticeerd en het genereren van nieuwe farmacologische methoden om bepaalde pathologieën te behandelen.

Met kennis van de biomechanica heeft deze tak van de biologie het mogelijk gemaakt om betere prothesen en betere nanomaterialen te ontwerpen waarmee medicijnen kunnen worden afgeleverd.

Tegenwoordig begint biofysica zich te concentreren op kwesties die verband houden met klimaatverandering en andere omgevingsfactoren. Zo wordt er gewerkt aan de ontwikkeling van biobrandstoffen door levende micro-organismen ter vervanging van benzine.

Microbiële gemeenschappen worden ook onderzocht en verontreinigende stoffen in de atmosfeer worden gevolgd met de opgedane kennis.

Belangrijkste concepten

- Systemen : het is een geordend geheel van elementen tussen reële of denkbeeldige limieten, die met elkaar in verband staan ​​en met elkaar in wisselwerking staan.

- Eiwitten : grote moleculen die in alle levende cellen voorkomen. Ze bestaan ​​uit een of meer lange ketens van aminozuren die zich gedragen als machines die een breed scala aan functies vervullen, zoals structurele (cytoskelet), mechanische (spier), biochemische (enzymen) en celsignalering (hormonen).

- Biomembranen : systeem van vloeistoffen die tal van biologische functies vervullen waarvoor ze hun samenstelling en diversiteit moeten aanpassen. Ze maken deel uit van de cellen van alle levende wezens en het is de plek waar talloze kleine moleculen worden opgeslagen en dienen als anker voor eiwitten.

- Geleiding : het is de warmtestroom door vaste media als gevolg van de interne trilling van moleculen, evenals vrije elektronen en botsingen daartussen.

- Convectie : verwijst naar de stroom van energie door stromen van een vloeistof (vloeistof of gas), het is een beweging van volumes vloeistof of gas.

- Straling : warmteoverdracht door elektromagnetische golven.

- Deoxyribonucleïnezuur (DNA) : chemische naam van het molecuul dat de genetische informatie van alle levende wezens bevat. Hun belangrijkste functie is om langetermijninformatie op te slaan om met andere componenten van cellen te bouwen, ze hebben ook instructies die worden gebruikt voor de ontwikkeling en werking van alle levende organismen.

- Zenuwimpuls : het is een elektrochemische impuls die ontstaat in het centrale zenuwstelsel of in de zintuigen in aanwezigheid van een stimulus. Deze elektrische golf die door het neuron reist, wordt altijd op een unidirectionele manier overgedragen, gaat door de dendrieten van de cellen en verlaat door het axon.

- Spiercontractie: fysiologisch proces waarbij spieren zich aanspannen, waardoor ze verkorten, blijven of rekken door het glijden van de structuren waaruit ze bestaan. Deze cyclus is gekoppeld aan de structuur van de spiervezel en de overdracht van elektrisch potentieel door de zenuwen.

Methoden

Biofysicus AV Hill is van mening dat mentale houding het belangrijkste instrument van de biofysicus zou zijn. Met dit als basis stelt hij dat biofysici die individuen zijn die een probleem in fysieke termen kunnen uitdrukken, en die zich niet onderscheiden door de specifieke technieken die worden gebruikt, maar door de manier waarop ze problemen formuleren en aanpakken.

Hieraan toegevoegd is de mogelijkheid om complexe fysische theorie en andere fysieke hulpmiddelen te gebruiken om natuurlijke objecten te bestuderen. Bovendien zijn ze niet afhankelijk van commercieel geconstrueerde instrumenten, aangezien ze vaak ervaring hebben met het samenstellen van speciale apparatuur om biologische problemen op te lossen.

De automatisering van chemische analyses en andere diagnostische processen met behulp van computers zijn aspecten waarmee rekening moet worden gehouden bij de huidige biofysische methoden.

Daarnaast ontwikkelen en gebruiken biofysici computermodelleringmethoden waarmee ze vormen en structuren van complexe moleculen, maar ook virussen en eiwitten kunnen manipuleren en observeren.

Referenties

1. Solomon, A. (2018, 30 maart). Biofysica. Encyclopædia Britannica. Opgehaald op britannica.com
2. Biofysica. (2019, 18 september). Wikipedia, The Encyclopedia. Opgehaald van wikipedia.org
3. Wikipedia-bijdragers. (2019, 23 september). Biofysica. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Opgehaald van wikipedia.org
4. Wat is biofysica? Ken de studierichtingen en de geschiedenis ervan. (2018, 30 november). Opgehaald van branchesdelabiologia.net
5. Byophysical Society. (2019) Wat is biofysica. Opgehaald van biophysics.org
6. Nahle, Nasif. (2007) Didactisch artikel: Biophysics. Biology Cabinet Organization. Opgehaald van biocab.org