الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها صاغ كارل بيرسون مصطلح الفيزياء الحيوية في الأصل عام 1892. بشكل غامض، يستخدم مصطلح الفيزياء الحيوية أيضًا بانتظام في الدوائر الأكاديمية للإشارة إلى دراسة الكميات الفيزيائية.
(على سبيل المثال، التيار الكهربائي ودرجة الحرارة والإجهاد والنتروبيا) في الأنظمة البيولوجية، اتبع موقع الويب الخاص بالمقالة للتعرف على الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها.
الفيزياء الحيوية
الفيزياء الحيوية هي علم متعدد التخصصات يطبق الأساليب والتقنيات المستخدمة تقليديا في الفيزياء لدراسة الظواهر البيولوجية.
تغطي الفيزياء الحيوية جميع مقاييس التنظيم البيولوجي، من الجزيئية إلى الكائنات الحية والسكان.
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.
اقرأ أيضًا: موضوع التعبير للفيزيائيين مكتمل
تاريخ موجز للفيزياء الحيوية
تم إجراء بعض الأبحاث المبكرة في الفيزياء الحيوية في أربعينيات القرن التاسع عشر من قبل مجموعة تُعرف باسم مدرسة برلين لعلماء الفسيولوجيا.
ضم أعضاؤها رواد مثل هيرمان فون هيلمهولتز وإرنست هاينريش ويبر وكارل إف دبليو لودفيج ويوهانس بيتر مولر.
وازدادت شعبية هذا المجال مع نشر كتاب “ما الحياة؟”. إروين شرودنغر، نُشر منذ عام 1957.
؛ انضم علماء الفيزياء الحيوية معًا في جمعية الفيزياء الحيوية، التي تضم حوالي 9000 عضو في جميع أنحاء العالم.
ينتقد بعض المؤلفين، مثل روبرت روزين، الفيزياء الحيوية على أساس أن الطريقة الفيزيائية الحيوية لا تأخذ بعين الاعتبار خصوصيات الظواهر البيولوجية.
الفيزياء الحيوية الجزيئية
التقنيات المستخدمة بكثرة:
التصوير الفلوري، بالإضافة إلى 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 باستخدام مطيافية صدى الدوران النيوتروني، ويمكن قياس التغيير الهيكلي التوافقي.
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 في المقياس النانوي.
غالبًا ما ينظر علماء الفيزياء الحيوية الجزيئية إلى الأحداث البيولوجية المعقدة كنظم للوحدات المتفاعلة.
يمكن فهمه أيضًا من خلال، على سبيل المثال، الميكانيكا الإحصائية والديناميكا الحرارية والحركية الكيميائية.
من خلال رسم المعرفة والتقنيات التجريبية من مختلف التخصصات، يمكن لعلماء الفيزياء الحيوية في كثير من الأحيان مراقبة الهياكل والتفاعلات للجزيئات الفردية أو معقدات الجزيئات أو نمذجتها أو حتى معالجتها بشكل مباشر.
إقرأ أيضاً: دراسة قانون كيرشوف في الفيزياء
ماذا تفعل بالفيزياء الحيوية الجزيئية؟
تتعامل الفيزياء الحيوية الجزيئية بشكل عام مع الأسئلة البيولوجية المشابهة لتلك الموجودة في الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية.
كما يسعى إلى إيجاد أساس مادي لظواهر الجزيئات الحيوية، ويقوم العلماء في هذا المجال بإجراء بحث يتعامل مع فهم التفاعلات بين أنظمة الخلية المختلفة، بما في ذلك التفاعل بين DNA و RNA.
يتم استخدام التخليق الحيوي للـ RNA والبروتينات، وكيفية تنظيم هذه التفاعلات، وعدد كبير من الطرق المتنوعة للإجابة على هذه الأسئلة.
البيوفيز الحديثة
بالإضافة إلى الموضوعات الفيزيائية الحيوية التقليدية (مثل 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 أن يقوم علماء الفيزياء الحيوية بتطبيق النماذج والأساليب التجريبية المشتقة من الفيزياء.
بالإضافة إلى الرياضيات والإحصاءات المتعلقة بأنظمة أكبر مثل الأنسجة والأعضاء والمجموعات السكانية والنظم البيئية.
تُستخدم النماذج الفيزيائية الحيوية الحديثة على نطاق واسع لدراسة التوصيل الكهربائي في الخلايا العصبية الفردية.
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.
على سبيل المثال، من علم الأشعة إلى الفحص المجهري إلى طب النانو، وضع الفيزيائي ريتشارد فاينمان نظرية حول مستقبل طب النانو.
الكتابة عن فكرة الاستخدام الطبي للآلات البيولوجية، اقترح ألبرت هيبس وفينمان إصلاح بعض الآلات.
في يوم من الأيام، قد يتقلص إلى درجة أنه سيكون من الممكن (كما قال فاينمان) “ابتلاع الطبيب”.
تمت مناقشة الفكرة في ورقة Feynman لعام 1959، “الكثير من الفضاء أدناه”.
التركيز كحقل فرعي
في حين أن بعض الكليات والجامعات لديها أقسام مخصصة للفيزياء الحيوية، عادة على مستوى الدراسات العليا.
العديد من هؤلاء ليس لديهم أقسام الفيزياء الحيوية على مستوى الجامعة، ولكن بدلاً من ذلك لديهم 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 مساهمة كل قسم في دراسة الفيزياء الحيوية.
هذه القائمة ليست شاملة، ولا ينتمي كل موضوع حصريًا إلى أي كلية معينة، حيث تضع كل مؤسسة تعليمية 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 تراكيب البروتينات والأحماض النووية والدهون والكربوهيدرات ومركباتها.
- الكيمياء الحيوية والكيمياء – التركيب الجزيئي الحيوي، ميرنا، بنية الحمض النووي، علاقات التركيب والنشاط.
- علوم الكمبيوتر – 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 – نظرية الرسم البياني / 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 الذي يشرح مختلف جوانب وأنظمة الجسم من منظور فيزيائي ورياضي.
- علم الأعصاب – دراسة الشبكات العصبية تجريبياً (شرائح المخ) ونظرياً (نماذج الكمبيوتر)، تحمّل 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 طرق وأجهزة فيزيائية جديدة.
- بيولوجيا الكم – يطبق مجال علم الأحياء الكمومي ميكانيكا الكم على الأشياء والمشكلات البيولوجية، بدون كرفس أيزومرات للحصول على بدائل أساسية تعتمد على الوقت.
قد تكون مهتمًا بـ: معلومات حول الفوتون في الفيزياء
في نهاية المقال، الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها، تقول أن العديد من التقنيات الفيزيائية الحيوية فريدة من نوعها في هذا المجال، وغالبًا ما يبدأ البحث في الفيزياء الحيوية من قبل علماء تم تدريبهم كعلماء أحياء أو كيميائيين أو فيزيائيين!