Biofizyka - Biophysics
Biofizyka jest nauką interdyscyplinarną, która stosuje podejścia i metody tradycyjnie stosowane w fizyce do badania zjawisk biologicznych . Biofizyka obejmuje wszystkie skale organizacji biologicznej , od molekularnej po organizmy i populacje . Badania biofizyczne w znacznym stopniu pokrywają się z biochemią , biologią molekularną , chemią fizyczną , fizjologią , nanotechnologią , bioinżynierią , biologią obliczeniową , biomechaniką , biologią rozwoju i biologią systemów .
Termin biofizyka został po raz pierwszy wprowadzony przez Karla Pearsona w 1892 roku. Termin biofizyka jest również regularnie używany w środowisku akademickim do określenia badań wielkości fizycznych (np. prąd elektryczny , temperatura , naprężenie , entropia ) w układach biologicznych. Inne nauki biologiczne wykonać również badania na biofizycznych właściwości organizmów żywych, w tym biologii molekularnej , biologii komórki , biologii chemicznej i biochemii .
Przegląd
Biofizyka molekularna zazwyczaj zajmuje się kwestiami biologicznymi podobnymi do tych w biochemii i biologii molekularnej , starając się znaleźć fizyczne podstawy zjawisk biomolekularnych. Naukowcy z tej dziedziny prowadzą badania dotyczące poznania interakcji między różnymi systemami komórki, w tym interakcji między biosyntezą DNA , RNA i białek , a także sposobu regulacji tych interakcji. Aby odpowiedzieć na te pytania, stosuje się wiele różnych technik.
Techniki obrazowania fluorescencyjnego , a także mikroskopia elektronowa , krystalografia rentgenowska , spektroskopia NMR , mikroskopia sił atomowych (AFM) i rozpraszanie pod małymi kątami (SAS) zarówno za pomocą promieni rentgenowskich, jak i neutronów (SAXS/SANS) są często wykorzystywane do wizualizacji struktur o znaczeniu biologicznym. Dynamikę białka można zaobserwować za pomocą spektroskopii echa spinowego neutronów . Zmiany konformacyjne w strukturze mogą być mierzone przy użyciu technik takich jak interferometria z podwójną polaryzacją , dichroizm kołowy , SAXS i SANS . Bezpośrednia manipulacja cząsteczkami za pomocą pęsety optycznej lub AFM może być również wykorzystywana do monitorowania zdarzeń biologicznych, w których siły i odległości są w nanoskali. Biofizycy molekularni często rozważają złożone zdarzenia biologiczne jako układy oddziałujących ze sobą jednostek, które można zrozumieć np. poprzez mechanikę statystyczną , termodynamikę i kinetykę chemiczną . Czerpiąc wiedzę i techniki eksperymentalne z wielu różnych dyscyplin, biofizycy często są w stanie bezpośrednio obserwować, modelować, a nawet manipulować strukturami i interakcjami poszczególnych molekuł lub kompleksów molekuł.
Oprócz tradycyjnych (tj. molekularnych i komórkowych) zagadnień biofizycznych, takich jak biologia strukturalna czy kinetyka enzymów , współczesna biofizyka obejmuje niezwykle szeroki zakres badań, od bioelektroniki po biologię kwantową, obejmujący zarówno narzędzia eksperymentalne, jak i teoretyczne. Biofizycy coraz częściej stosują modele i techniki eksperymentalne wywodzące się z fizyki , a także matematyki i statystyki w większych systemach, takich jak tkanki , narządy , populacje i ekosystemy . Modele biofizyczne są szeroko stosowane w badaniach przewodnictwa elektrycznego w pojedynczych neuronach , a także w analizie obwodów neuronalnych zarówno w tkankach, jak i całym mózgu.
Fizyka medyczna , gałąź biofizyki, to każde zastosowanie fizyki w medycynie lub opiece zdrowotnej , od radiologii po mikroskopię i nanomedycynę . Na przykład fizyk Richard Feynman snuł teorię o przyszłości nanomedycyny . Pisał o pomyśle medycznego zastosowania maszyn biologicznych (patrz nanomaszyny ). Feynman i Albert Hibbs zasugerowali, że pewnego dnia niektóre maszyny naprawcze mogą zostać zmniejszone do tego stopnia, że będzie można (jak ujął to Feynman) „ połknąć lekarza ”. Pomysł został omówiony w eseju Feynmana z 1959 r. Jest mnóstwo miejsca na dole .
Historia
Niektóre z wcześniejszych badań biofizyki zostały przeprowadzone w latach 40. XIX wieku przez grupę znaną jako berlińska szkoła fizjologów. Wśród jej członków byli pionierzy, tacy jak Hermann von Helmholtz , Ernst Heinrich Weber , Carl FW Ludwig i Johannes Peter Müller . Można nawet uznać, że biofizyka sięga czasów badań Luigiego Galvaniego .
Popularność tej dziedziny wzrosła, gdy ukazała się książka Czym jest życie? autorstwa Erwina Schrödingera . Od 1957 biofizycy zorganizowali się w Towarzystwo Biofizyczne, które ma obecnie około 9000 członków na całym świecie.
Niektórzy autorzy, tacy jak Robert Rosen, krytykują biofizykę na tej podstawie, że metoda biofizyczna nie uwzględnia specyfiki zjawisk biologicznych.
Skup się jako podpole
Podczas gdy niektóre kolegia i uniwersytety mają dedykowane wydziały biofizyki, zwykle na poziomie magisterskim, wiele z nich nie ma wydziałów biofizyki na poziomie uniwersyteckim, zamiast tego ma grupy na powiązanych wydziałach, takich jak biochemia , biologia komórki , chemia , informatyka , inżynieria , matematyka , medycyna , biologia molekularna , neurobiologia , farmakologii , fizyki i fizjologii . W zależności od mocnych stron wydziału na uniwersytecie różny nacisk zostanie położony na dziedziny biofizyki. Poniżej znajduje się lista przykładów, w jaki sposób każdy wydział stosuje swoje wysiłki w kierunku studiowania biofizyki. Ta lista nie jest kompletna. Nie każdy przedmiot studiów należy też wyłącznie do konkretnego wydziału. Każda instytucja akademicka ustala własne zasady, a wydziały w dużym stopniu się pokrywają.
- Biologia i biologia molekularna – Regulacja genów , dynamika pojedynczych białek , bioenergetyka , patch clamping , biomechanika , wirofizyka .
- Biologia strukturalna – struktury białek, kwasów nukleinowych, lipidów, węglowodanów i ich kompleksów o rozdzielczości angstremowej.
- Biochemia i chemia – budowa biomolekularna, siRNA, budowa kwasu nukleinowego, zależności struktura-aktywność.
- Informatyka – Sieci neuronowe , bazy danych biomolekularnych i leków.
- Chemia obliczeniowa – symulacja dynamiki molekularnej, dokowanie molekularne , chemia kwantowa
- Bioinformatyki - przyrównanie sekwencji , dopasowanie strukturalne , przewidywanie struktury białka
- Matematyka – teoria grafów/sieci, modelowanie populacji, układy dynamiczne, filogenetyka .
- Medycyna – badania biofizyczne, które kładą nacisk na medycynę. Biofizyka medyczna to dziedzina ściśle związana z fizjologią. Wyjaśnia różne aspekty i układy ciała z perspektywy fizycznej i matematycznej. Przykładami są dynamika płynów przepływu krwi, fizyka gazów oddychania, promieniowanie w diagnostyce/leczeniu i wiele innych. Biofizyka jest wykładana jako przedmiot przedkliniczny w wielu uczelniach medycznych , głównie w Europie.
- Neuroscience – badanie sieci neuronowych eksperymentalnie (przecinanie mózgu) jak i teoretycznie (modele komputerowe), przenikalność błonowa, terapia genowa, rozumienie nowotworów.
- Farmakologia i fizjologia – kanałomika , oddziaływania biomolekularne, błony komórkowe, poliketydy .
- Fizyka – negentropia , procesy stochastyczne oraz rozwój nowych technik fizycznych i oprzyrządowania oraz ich zastosowanie.
- Biologia kwantowa – Dziedzina biologii kwantowej stosuje mechanikę kwantową do obiektów i problemów biologicznych. Izomery zdekoherowane dające zależne od czasu podstawienia zasad. Badania te implikują zastosowania w obliczeniach kwantowych.
- Agronomia i rolnictwo
Wiele technik biofizycznych jest unikalnych w tej dziedzinie. Wysiłki badawcze w dziedzinie biofizyki są często inicjowane przez naukowców, którzy z wykształcenia byli biologami, chemikami lub fizykami.
Zobacz też
- Towarzystwo Biofizyczne
- Indeks artykułów biofizycznych
- Lista publikacji z biologii – Biofizyka
- Lista publikacji z fizyki – Biofizyka
- Lista biofizyków
- Zarys biofizyki
- Chemia biofizyczna
- Europejskie Stowarzyszenie Towarzystw Biofizycznych
- Biofizyka medyczna
- Biofizyka błon
- Biofizyka molekularna
- Neurofizyka
- Fizjomika
- Wirofizyka
- Trajektoria pojedynczej cząstki
Bibliografia
Źródła
Zasoby biblioteczne o Biofizyce |
- Perutz MF (1962). Białka i kwasy nukleinowe: struktura i funkcja . Amsterdam: Elsevier. ASIN B000TS8P4G .
- Perutz MF (maj 1969). „The Croonian Wykład, 1968. Cząsteczka hemoglobiny”. Postępowanie Royal Society of London. Seria B, Nauki biologiczne . 173 (1031): 113-40. Kod bib : 1969RSPSB.173..113P . doi : 10.1098/rspb.1969.0043 . PMID 4389425 . S2CID 22104752 .
- Dogonadze RR, Uruszadze ZD (1971). „Półklasyczna metoda obliczania szybkości reakcji chemicznych zachodzących w cieczach polarnych”. J Elektroanal Chem . 32 (2): 235–245. doi : 10.1016/S0022-0728(71)80189-4 .
-
Volkenshtein MV, Dogonadze R, Madumarov AK, Uruszadze ZD, Charkats YI (1972). „Teoria katalizy enzymatycznej”. Molekuliarnaia Biologii . Moskwa. 6 : 431–439.
Streszczenie w języku rosyjskim, angielskim. Dostępne tłumaczenia w języku włoskim, hiszpańskim, angielskim, francuskim
- Rodney MJ Cotterill (2002). Biofizyka: wprowadzenie . Wiley . Numer ISBN 978-0-471-48538-4.
- Sneppen K, Zocchi G (2005-10-17). Fizyka w biologii molekularnej (1 wyd.). Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge . Numer ISBN 978-0-521-84419-2.
- Glaser R (2004-11-23). Biofizyka: Wprowadzenie (poprawiona red.). Skoczek. Numer ISBN 978-3-540-67088-9.
- Hobbie RK, Roth BJ (2006). Fizyka średniozaawansowana dla medycyny i biologii (wyd. 4). Skoczek. Numer ISBN 978-0-387-30942-2.
- Cooper WG (sierpień 2009). „Dowody na przetwarzanie kwantowe transkryptazy implikują splątanie i dekoherencję superpozycji stanów protonowych”. Systemy biologiczne . 97 (2): 73–89. doi : 10.1016/j.biosystems.2009.04.010 . PMID 19427355 .
- Cooper WG (grudzień 2009). „Konieczność spójności kwantowej w celu uwzględnienia spektrum zależnych od czasu mutacji wykazywanych przez bakteriofaga T4”. Genetyka biochemiczna . 47 (11–12): 892–910. doi : 10.1007/s10528-009-9293-8 . PMID 19882244 . S2CID 19325354 .
- Goldfarb D (2010). Biofizyka zdemistyfikowana . McGraw-Hill. Numer ISBN 978-0-07-163365-9.
Zewnętrzne linki
- Towarzystwo Biofizyczne
- Journal of Physiology: 2012 wirtualny numer Biophysics and Beyond
- bio-fizyka-wiki
- Archiwum linków do zasobów edukacyjnych dla studentów: biophysika.de (60% angielski, 40% niemiecki)