الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها

الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها تم تقديم مصطلح الفيزياء الحيوية في الأصل في عام 1892 بواسطة كارل بيرسون. بشكل غامض، يستخدم مصطلح الفيزياء الحيوية أيضًا بانتظام في الدوائر الأكاديمية للإشارة إلى دراسة الكميات الفيزيائية.

(على سبيل المثال، التيار الكهربائي ودرجة الحرارة والجهد والنتروبيا) في الأنظمة البيولوجية، اتبع صفحة المقالة لمعرفة المزيد عن الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها.

الفيزياء الحيوية

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

تشمل الفيزياء الحيوية جميع مستويات التنظيم البيولوجي، من الجزيئات إلى الكائنات الحية والسكان.

البحوث الفيزيائية الحيوية لها تداخلات كبيرة مع الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية والكيمياء الفيزيائية.

علم وظائف الأعضاء، وتكنولوجيا النانو، والهندسة الحيوية، وعلم الأحياء الحسابي، والميكانيكا الحيوية، وعلم الأحياء التطوري وبيولوجيا النظم.

أنظر أيضا: موضوع تعبير للفيزيائيين كاملا

تاريخ موجز للفيزياء الحيوية

أجريت بعض الدراسات السابقة في الفيزياء الحيوية في أربعينيات القرن التاسع عشر بواسطة مجموعة تعرف باسم مدرسة برلين لعلماء الفسيولوجيا.

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

وازدادت شعبية هذا المجال مع ظهور كتاب ما هي الحياة؟ بقلم إروين شرودنغر، نُشر 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 على أساس أن الطريقة الفيزيائية الحيوية تفشل في مراعاة خصوصية الظواهر البيولوجية.

الفيزياء الحيوية الجزيئية

غالبًا ما تستخدم الأساليب:

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

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

يمكن ملاحظة ديناميات البروتينات بواسطة مطياف صدى الدوران النيوتروني ويمكن قياس التغيير التوافقي في الهيكل.

استخدام تقنيات مثل قياس التداخل ثنائي القطب، وازدواج اللون الدائري، و SAXS و SANS.

يمكن أيضًا استخدام المعالجة المباشرة للجزيئات باستخدام ملاقط بصرية أو AFM لمراقبة الأحداث البيولوجية حيث تكون القوى والمسافات على المقياس النانوي.

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.

من خلال اكتساب المعرفة والتقنيات التجريبية من مجموعة متنوعة من التخصصات، غالبًا ما يكون علماء الفيزياء الحيوية قادرين على المراقبة المباشرة، أو نمذجة، أو حتى التلاعب بهياكل وتفاعلات الجزيئات الفردية أو المجمعات الجزيئية.

اقرأ أيضًا: بحث حول قانون كيرشوف في الفيزياء

ماذا تتعامل مع الفيزياء الحيوية الجزيئية؟

تتعامل الفيزياء الحيوية الجزيئية عادةً مع المشكلات البيولوجية المشابهة لتلك الخاصة بالكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية.

يحاول أيضًا العثور على الأساس المادي لظواهر الجزيئات الحيوية، ويقوم العلماء في هذا المجال بإجراء أبحاث مكرسة لفهم التفاعلات بين أنظمة الخلية المختلفة، بما في ذلك التفاعلات بين الحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA).

التخليق الحيوي للحمض النووي الريبي والبروتين وكيفية تنظيم هذه التفاعلات، ويستخدم 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.

تغطي الفيزياء الحيوية الحديثة مجموعة واسعة جدًا من الأبحاث، من الإلكترونيات الحيوية إلى علم الأحياء الكمي، والتي تشمل الأدوات التجريبية والنظرية.

أصبح من الشائع بشكل متزايد لعلماء الفيزياء الحيوية استخدام النماذج المشتقة من الفيزياء والتقنيات التجريبية.

بالإضافة إلى الرياضيات والإحصاء، على أنظمة أكبر مثل الأنسجة والأعضاء والسكان والنظم البيئية.

غالبًا ما تُستخدم النماذج الفيزيائية الحيوية الحديثة لدراسة التوصيل الكهربائي في الخلايا العصبية المفردة.

وكذلك تحليل الدوائر العصبية في كل من 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، طرح الفيزيائي ريتشارد فاينمان نظريات حول مستقبل طب النانو.

كتب ألبرت هيبس وفينمان عن فكرة استخدام الآلات البيولوجية للطب واقترحوا إصلاح بعض الآلات.

قد يتم تقليصه يومًا ما إلى النقطة التي (كما قال فاينمان) سيكون من الممكن “ابتلاع الطبيب”.

نوقشت الفكرة في مقال فاينمان عام 1959، “هناك متسع كبير في الأسفل.”

التركيز كحقل فرعي

يوجد في بعض الكليات والجامعات أقسام مخصصة للفيزياء الحيوية، وعادة ما تكون على مستوى الدراسات العليا.

لا يوجد لدى الكثير منها أقسام للفيزياء الحيوية على مستوى الجامعة، ولكن لديها مجموعات في الأقسام ذات الصلة.

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 على مجالات الفيزياء الحيوية وفيما يلي قائمة بأمثلة عن كيفية تطبيق كل قسم لجهوده في دراسة الفيزياء الحيوية.

هذه القائمة ليست شاملة وكل موضوع ليس حصريًا لقسم معين حيث تضع كل مؤسسة أكاديمية قواعدها الخاصة.

هناك الكثير من التداخل بين الأقسام: [بحاجة لمصدر]

• علم الأحياء والبيولوجيا الجزيئية – تنظيم الجينات، وديناميات البروتين الأحادي، والطاقة الحيوية، وربط التصحيح، والميكانيكا الحيوية، وفيزياء الفيروسات.
• البيولوجيا الهيكلية – تحليل هياكل البروتينات والأحماض النووية والدهون والكربوهيدرات ومركباتها.
• الكيمياء الحيوية والكيمياء – التركيب الجزيئي الحيوي، سيرنا، بنية الحمض النووي، علاقات التركيب والتأثير.
• المعلوماتية – الشبكات العصبية وقواعد البيانات الجزيئية الحيوية والمستحضرات الصيدلانية.
• الكيمياء الحاسوبية – محاكاة الديناميات الجزيئية، الالتحام الجزيئي، كيمياء الكم.
• المعلوماتية الحيوية – محاذاة التسلسل، المحاذاة الهيكلية، تنبؤ بنية البروتين.
• الرياضيات – الرسم البياني / نظرية الشبكة، النمذجة السكانية، الأنظمة الديناميكية، علم الوراثة.
• الطب – البحوث الفيزيائية الحيوية المتخصصة في الطب، والفيزياء الحيوية الطبية هو مجال يرتبط ارتباطًا وثيقًا بعلم وظائف الأعضاء الذي يشرح مختلف جوانب وأنظمة الجسم من وجهة نظر فيزيائية ورياضية.
• علوم الأعصاب – دراسة الشبكات العصبية تجريبياً (تقطيع الدماغ) ونظرياً (نماذج الكمبيوتر)، تحمل الأغشية، العلاج الجيني، علم الأورام.
• علم الأدوية وعلم وظائف الأعضاء – القنوات، التفاعلات الجزيئية الحيوية، أغشية الخلايا، البوليكيتيدات.
• الفيزياء – علم الأعصاب الجديد، والعمليات العشوائية، وتطوير وتطبيق تقنيات وأجهزة فيزيائية جديدة.
• بيولوجيا الكم – يطبق مجال بيولوجيا الكم ميكانيكا الكم على الأشياء والمشكلات البيولوجية، والأيزومرات الخالية من الكرفس للحصول على بدائل أساسية تعتمد على الوقت.

قد يثير هذا اهتمامك: معلومات عن الفوتون في الفيزياء

في نهاية المقالة الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها، العديد من التقنيات الفيزيائية الحيوية فريدة من نوعها في هذا المجال، وغالبًا ما يبدأ جهود البحث في الفيزياء الحيوية من قبل علماء أحياء أو كيميائيين أو فيزيائيين مدربين!