الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها قدم كارل بيرسون مصطلح الفيزياء الحيوية في الأصل عام 1892. وغالبًا ما يستخدم مصطلح الفيزياء الحيوية في الدوائر الأكاديمية للإشارة إلى دراسة الكميات الفيزيائية.
(على سبيل المثال، التيار الكهربائي ودرجة الحرارة والإجهاد والنتروبيا) في الأنظمة البيولوجية، اتبع موقع محمود حسونةة للتعرف على 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 الجزيئات إلى الكائنات الحية والمجموعات السكانية.
تتداخل الأبحاث الفيزيائية الحيوية بشكل كبير 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 كامل لتعبير لعلماء الفيزياء
تاريخ موجز للفيزياء الحيوية
أجريت بعض الدراسات الأولى في الفيزياء الحيوية في أربعينيات القرن التاسع عشر، من قبل مجموعة تُعرف 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 شهرة هذا المجال عندما زاد كتاب ما 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 مؤلفون آخرون مثل روبرت روزين الفيزياء الحيوية، لأن الطريقة الفيزيائية الحيوية لا تأخذ في الاعتبار خصوصية الظواهر البيولوجية.
الفيزياء الحيوية الجزيئية
التقنيات المستخدمة بشكل شائع هي:
التصوير الفلوري، بالإضافة إلى الفحص المجهري الإلكتروني، وتصوير البلورات بالأشعة السينية، والتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي.
والفحص المجهري للقوة الذرية (AFM)، ومجهر تشتت الزاوية الصغيرة (SAS)، مع الأشعة السينية، والنيوترونات (SAXS / SANS)، لتصور الهياكل ذات الأهمية البيولوجية.
يمكن ملاحظة ديناميات البروتين بواسطة مطيافية صدى الدوران النيوتروني، ويمكن قياس التغيرات الهيكلية التوافقية.
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، لرصد الأحداث البيولوجية، حيث تكون القوى والمسافات على المقياس النانوي.
غالبًا ما ينظر علماء الفيزياء الحيوية الجزيئية إلى الظواهر البيولوجية المعقدة كنظم من الكيانات المتفاعلة.
يمكن فهمه أيضًا، على سبيل المثال، من خلال الميكانيكا الإحصائية والديناميكا الحرارية والحركية الكيميائية.
من خلال الاعتماد على المعرفة والتقنيات التجريبية من مختلف التخصصات، غالبًا ما يكون علماء الفيزياء الحيوية قادرين على المراقبة المباشرة أو نمذجة أو حتى التلاعب بهياكل وتفاعلات الجزيئات الفردية أو معقدات الجزيئات.
اقرأ أيضًا: البحث عن قانون كيرشوف في الفيزياء
ما الذي تتعامل معه في الفيزياء الحيوية الجزيئية؟
تتعامل الفيزياء الحيوية الجزيئية بشكل عام مع الأسئلة البيولوجية المشابهة لتلك الموجودة في الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية.
كما يسعى إلى إيجاد الأساس المادي لظواهر الجزيئات الحيوية، ويقوم العلماء في هذا المجال بإجراء بحث يهتم بفهم التفاعلات بين الأنظمة الخلوية المختلفة، بما في ذلك التفاعلات بين الحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA).
التخليق الحيوي للحمض النووي الريبي والبروتين، وكذلك كيفية تنظيم هذه التفاعلات، ويتم استخدام عدد كبير ومتنوع من التقنيات للإجابة على هذه الأسئلة.
الفيزياء الحيوية الحديثة
بالإضافة إلى الموضوعات الفيزيائية 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 أن يستخدم علماء الفيزياء الحيوية النماذج والتقنيات التجريبية المشتقة من الفيزياء.
بالإضافة إلى الرياضيات والإحصاء، في أنظمة أكبر مثل الأنسجة والأعضاء والمجموعات السكانية والنظم البيئية.
تُستخدم النماذج الفيزيائية الحيوية الحديثة على نطاق واسع لدراسة التوصيل الكهربائي للخلايا العصبية المفردة.
وكذلك تحليل الدوائر العصبية في كل من الأنسجة والدماغ كله.
الفيزياء الحيوية الطبية
الفيزياء الطبية، أحد فروع الفيزياء الحيوية، هي أي تطبيق للفيزياء على الطب أو الرعاية الصحية.
من علم الأشعة إلى الفحص المجهري وطب النانو، على سبيل المثال، وضع الفيزيائي ريتشارد فاينمان نظرية حول مستقبل طب النانو.
في كتابتهما عن فكرة الاستخدام الطبي للآلات البيولوجية، اقترح ألبرت هيبس وفينمان أن بعض آلات الشفاء.
قد يتقلص يومًا ما إلى النقطة التي يمكن فيها (كما قال فاينمان) “ابتلاع الطبيب”.
نوقشت الفكرة في مقال فاينمان عام 1959، “هناك متسع كبير في الأسفل.”
التركيز كحقل فرعي
في حين أن بعض الكليات والجامعات لديها أقسام مخصصة للفيزياء الحيوية، عادة على مستوى الدراسات العليا.
لا يوجد لدى الكثير منها أقسام للفيزياء الحيوية على مستوى الجامعة، وبدلاً من ذلك لديها مجموعات من 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 قوة قسم الجامعة، سيكون التركيز على مجالات الفيزياء الحيوية، وفيما يلي قائمة بأمثلة عن كيفية تطبيق كل قسم لجهوده في دراسة الفيزياء الحيوية.
هذه القائمة ليست كاملة، ولا يقتصر كل موضوع على قسم معين، لأن كل مؤسسة أكاديمية تضع 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، والفيزياء الفيروسية.
- البيولوجيا الهيكلية – تحليل هياكل البروتينات والأحماض النووية والدهون والكربوهيدرات ومركباتها.
- الكيمياء الحيوية والكيمياء – التركيب الجزيئي الحيوي، سيرنا، بنية الحمض النووي، علاقات التركيب والنشاط.
- علوم الكمبيوتر – الشبكات العصبية وقواعد البيانات الجزيئية الحيوية والصيدلة.
- الكيمياء الحاسوبية – محاكاة الديناميات الجزيئية، الالتحام الجزيئي، كيمياء الكم.
- المعلوماتية الحيوية – محاذاة التسلسل، محاذاة الهيكل، تنبؤ بنية البروتين.
- الرياضيات – الرسم البياني / نظرية الشبكة، النمذجة السكانية، الأنظمة الديناميكية، علم الوراثة.
- الطب – البحوث الفيزيائية الحيوية التي تركز على الطب، والفيزياء الحيوية الطبية هي مجال يرتبط ارتباطًا وثيقًا بعلم وظائف الأعضاء، والذي يشرح مختلف جوانب وأنظمة الجسم من منظور فيزيائي ورياضي.
- علم الأعصاب – دراسة الشبكات العصبية تجريبياً (قطع الدماغ)، وكذلك نظرياً (نماذج الكمبيوتر)، تحمل الأغشية، العلاج الجيني، علم الأورام.
- علم الأدوية وعلم وظائف الأعضاء – القنوات، التفاعلات الجزيئية الحيوية، أغشية الخلايا، البوليكيتيدات.
- الفيزياء – Neogentropia والعمليات العشوائية وتطوير واستخدام التقنيات والأدوات الفيزيائية الجديدة.
- بيولوجيا الكم – يطبق مجال بيولوجيا الكم ميكانيكا الكم على الأشياء والمشكلات البيولوجية، أيزومرات بدون كرفس للحصول على بدائل أساسية تعتمد على الوقت.
قد تكون مهتمًا بـ: معلومات حول الفوتون في الفيزياء
في نهاية المقالة الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها، العديد من التقنيات الفيزيائية الحيوية فريدة من نوعها في هذا المجال، وغالبًا ما تبدأ جهود أبحاث الفيزياء الحيوية من قبل علماء أحياء أو كيميائيين أو فيزيائيين عن طريق التدريب!