- التاريخ
- القرن التاسع عشر
- القرن العشرين
- ما الذي يدرس (موضوع الدراسة)
- التطبيقات
- المفاهيم الأساسية
- طرق
- المراجع
في الفيزياء الحيوية هي دراسة القوانين الفيزيائية التي تعمل في الكائنات الحية. إنه علم متعدد التخصصات يطبق مناهج وأساليب الفيزياء لدراسة الظواهر البيولوجية.
يُعرف أيضًا باسم علم الأحياء الفيزيائي ، وهو جزء من فكرة أن جميع الظواهر التي لوحظت في الطبيعة لها تفسير علمي يمكن التنبؤ به وأن جميع الأنظمة الحية تتكون من عمليات تستند إلى القوانين الفيزيائية.
حلزون مزدوج من سلسلة DNA. واحدة من النتائج الرئيسية في الفيزياء الحيوية. المصدر: Joseluissc3
المناقشة التي تعتبر فيها الفيزياء الحيوية فرعًا من فروع الفيزياء أو الأحياء أو كليهما أمر شائع. في هذه الحالة ، من المهم ملاحظة أن الاتجاه هو اعتباره فرعًا من علم الأحياء.
هذا لأن تبادل المعرفة يتم إنشاؤه عادة من الفيزياء إلى علم الأحياء ، والتي تم إثرائها من خلال التقدم المادي والمفاهيم. لكن نفس المساهمة لا يمكن تأكيدها بطريقة عكسية ، أي من وجهة نظر الفيزياء البحتة لا يمكن القول أن الفيزياء الحيوية تقدم معرفة جديدة.
تقدم الفيزياء الحيوية أدلة تجريبية للفيزياء ، وبالتالي تسمح لها بتأييد النظريات ، ولكن من الواضح أن التبادل بين الفيزياء وعلم الأحياء أحادي الاتجاه.
يتم تدريب علماء الفيزياء الحيوية في العلوم الكمية للفيزياء والرياضيات والكيمياء لدراسة كل ما يتعلق بعمل النظم البيولوجية وهيكلها ودينامياتها وتفاعلها. تشتمل هذه الأنظمة على جزيئات وخلايا وكائنات وأنظمة إيكولوجية معقدة.
التاريخ
تعود أصول الفيزياء الحيوية إلى القرن السابع عشر عندما لم يتم تقسيم العلوم الطبيعية بعد على أنها تخصصات منفصلة وفي الوقت الذي تم فيه تحديد أول تحقيق في التلألؤ البيولوجي.
الدراسة الأولى التي تم الكشف عنها كانت تلك التي قام بها اليسوعي الألماني أثناسيوس كيرشر (1602-1680) ، الذي نشر عمله Ars Magna Lucis et Umbrae وخصص فصلين لتلألؤ الحيوانات.
كانت الصلة بين الكهرباء وعلم الأحياء موضع تكهنات ليس فقط في القرن السابع عشر ، ولكن في القرنين التاليين. خلال نهجه ، أصبح انبهار الإنسان بالحيوان والكهرباء الطبيعية ، مثل اليراعات أو تصريفات البرق الطبيعي ، واضحًا.
في هذا النوع من البحث ، في إيطاليا ، وفي منتصف القرن الثامن عشر ، تم اكتشاف تجارب جيوفاني بيكاريا على التحفيز الكهربائي للعضلات ، والتي ولدت المعرفة في هذا المجال.
في عام 1786 ، بدأ لويجي جالفاني جدلاً حول الإمكانات الكهربائية في الحيوانات. لم يكن خصمه سوى أليساندرو فولتا الذي ، من خلال تطوير البطارية الكهربائية ، حد إلى حد ما من الاهتمام العلمي بالإمكانيات الكهربائية في الكائنات الحية.
القرن التاسع عشر
إحدى المساهمات الرئيسية في القرن التاسع عشر كانت مساهمة Du Bois-Reymond أستاذ علم وظائف الأعضاء في برلين ، الذي بنى مقاييس الجلفانومتر وأجرى دراسات حول التيار العضلي والإمكانات الكهربائية للأعصاب. أصبح موضوع الدراسة هذا أحد نقاط نشأة الفيزياء الحيوية.
كانت القوى الأخرى مسؤولة عن التدفق السلبي للمادة في الكائنات الحية ، وتحديداً تدرجات الانتشار والضغط الاسموزي. على هذا المنوال ، تبرز مساهمات Abbé JA Nollet و Adolf Fick.
كان الأخير هو الذي نشر أول نص فيزيائي حيوي Die medizinische Physik أو Medical Physics باللغة الإسبانية. في عمل Fick ، لم يتم إجراء أي تجارب ، ولكن تم رفع تشابه مع قوانين تدفق الحرارة ، مما جعل من الممكن إعلان القوانين التي تحكم الانتشار. أظهرت التجارب المعملية اللاحقة أن القياس كان دقيقًا.
القرن العشرين
تميز القرن العشرون بالبدء بإتقان معين للعلماء الألمان ، الذين ركزوا على دراسة آثار الإشعاع.
من المعالم الهامة في هذه الفترة نشر كتاب mil Qué es la vida؟ بواسطة Erwin Schrödinger في عام 1944. في هذا تم اقتراح وجود جزيء في الكائنات الحية يحتوي على معلومات وراثية في روابط تساهمية.
ألهم هذا الكتاب وتلك الفكرة علماء آخرين وقادتهم إلى اكتشاف البنية الحلزونية المزدوجة للحمض النووي في عام 1953. وكان جيمس واتسون وروزاليند فرانكلين وفرانسيس كريك هم من توصلوا إلى هذا الاكتشاف.
في النصف الثاني من القرن العشرين ، هناك نضج واضح للفيزياء الحيوية. في تلك الأيام ، تم بالفعل تقديم برامج جامعية وكانت شائعة في بلدان أخرى خارج ألمانيا. بالإضافة إلى ذلك ، كان التحقيق يكتسب وتيرة أكبر من أي وقت مضى.
ما الذي يدرس (موضوع الدراسة)
الميكانيكا الحيوية هي أحد فروع الفيزياء الحيوية. المصدر: Mutuauniversal
يمتد مجال دراسة الفيزياء الحيوية إلى جميع مقاييس التنظيم البيولوجي ، من الأنظمة الجزيئية إلى العضوية والأنظمة الأخرى الأكثر تعقيدًا. اعتمادًا على محور الاهتمام ، يمكن تقسيم الفيزياء الحيوية إلى الفروع التالية:
- الميكانيكا الحيوية: تدرس الهياكل الميكانيكية الموجودة في الكائنات الحية والتي تسمح لها بالحركة.
- الكهرباء الحيوية: تدرس العمليات الكهرومغناطيسية والكهروكيميائية التي تحدث في الكائنات الحية أو التي تولد تأثيرات عليها.
- الطاقة الحيوية: موضوع دراستها هو تحويل الطاقة التي تحدث في النظم الحيوية.
- Bioacoustics: هو العلم الذي يبحث في إنتاج الموجات الصوتية ونقلها ببعض الوسائل والتقاطها بواسطة حيوانات أو أنظمة حية أخرى.
- البيوفوتونيك: يركز على تفاعلات الكائنات الحية مع الفوتونات.
- البيولوجيا الإشعاعية: دراسة التأثيرات البيولوجية للإشعاع (المؤين وغير المؤين) وتطبيقاته في المجال والمختبر.
- ديناميات البروتين: دراسة الحركات الجزيئية للبروتينات والنظر في تركيبها ووظيفتها وقابليتها للطي.
- الاتصال الجزيئي: يركز على دراسة توليد ونقل واستقبال المعلومات بين الجزيئات.
التطبيقات
قد تتداخل الموضوعات التي تم بحثها بواسطة الفيزياء الحيوية مع موضوعات الكيمياء الحيوية ، والبيولوجيا الجزيئية ، وعلم وظائف الأعضاء ، وتكنولوجيا النانو ، والهندسة الحيوية ، وبيولوجيا الأنظمة ، والبيولوجيا الحاسوبية أو الكيمياء الفيزيائية ، من بين أمور أخرى. ومع ذلك ، سنحاول تحديد التطبيقات الرئيسية للفيزياء الحيوية.
مع اكتشاف الحمض النووي وبنيته ، ساهمت الفيزياء الحيوية في إنشاء اللقاحات وتطوير تقنيات التصوير التي تسمح بتشخيص الأمراض وتوليد طرق دوائية جديدة لعلاج بعض الأمراض.
من خلال فهم الميكانيكا الحيوية ، أتاح هذا الفرع من علم الأحياء تصميم أطقم اصطناعية أفضل ومواد نانوية أفضل يمكن توصيل الأدوية بها.
اليوم ، بدأت الفيزياء الحيوية في التركيز على القضايا المتعلقة بتغير المناخ والعوامل البيئية الأخرى. على سبيل المثال ، يجري العمل على تطوير الوقود الحيوي من خلال الكائنات الحية الدقيقة لتحل محل البنزين.
كما يتم التحقيق في المجتمعات الميكروبية ويتم تتبع الملوثات في الغلاف الجوي بالمعرفة المكتسبة.
المفاهيم الأساسية
- الأنظمة: هي مجموعة مرتبة من العناصر المتضمنة بين حدود حقيقية أو خيالية مترابطة وتتفاعل مع بعضها البعض.
- البروتينات: جزيئات كبيرة توجد في جميع الخلايا الحية. تتكون من سلسلة طويلة أو أكثر من الأحماض الأمينية التي تتصرف مثل الآلات التي تؤدي مجموعة متنوعة من الوظائف ، مثل الهيكلية (الهيكل الخلوي) والميكانيكي (العضلي) والكيمياء الحيوية (الإنزيمات) وإشارات الخلايا (الهرمونات).
- الأغشية الحيوية: نظام السوائل الذي يؤدي وظائف بيولوجية عديدة والتي يجب أن تتكيف من أجلها مع تكوينها وتنوعها. إنها جزء من خلايا جميع الكائنات الحية وهي المكان الذي يتم فيه تخزين جزيئات صغيرة لا حصر لها وتعمل بمثابة مرساة للبروتين.
- التوصيل: هو تدفق الحرارة عبر الأوساط الصلبة بسبب الاهتزاز الداخلي للجزيئات ، وكذلك الإلكترونات الحرة والتصادم فيما بينها.
- الحمل الحراري: يشير إلى تدفق الطاقة من خلال تيارات مائع (سائل أو غاز) ، وهو حركة لأحجام من السائل أو الغاز.
- الإشعاع: انتقال الحرارة عبر الموجات الكهرومغناطيسية.
- حمض الديوكسي ريبونوكليك (DNA): الاسم الكيميائي للجزيء الذي يحتوي على المعلومات الوراثية في جميع الكائنات الحية. وتتمثل مهمتهم الرئيسية في تخزين المعلومات طويلة المدى للبناء مع المكونات الأخرى للخلايا ، كما أن لديهم تعليمات تستخدم لتطوير وتشغيل جميع الكائنات الحية.
- النبضات العصبية: هي نبضة كهروكيميائية تنشأ في الجهاز العصبي المركزي أو في أعضاء الحس بوجود منبه. تنتقل هذه الموجة الكهربائية التي تمر عبر الخلية العصبية بأكملها دائمًا بطريقة أحادية الاتجاه ، حيث تدخل من خلال تشعبات الخلايا وتخرج من خلال المحور العصبي.
- انقباض العضلات: عملية فسيولوجية يتم فيها شد العضلات مما يؤدي إلى تقصيرها أو بقائها أو تمددها بسبب انزلاق الهياكل المكونة لها. ترتبط هذه الدورة ببنية الألياف العضلية ونقل الجهد الكهربائي عبر الأعصاب.
طرق
يرى عالم الفيزياء الحيوية أ.ف. هيل أن الموقف العقلي سيكون الأداة الرئيسية لعالم الفيزياء الحيوية. مع هذا كأساس ، يجادل بأن علماء الفيزياء الحيوية هم أولئك الأفراد الذين يمكنهم التعبير عن مشكلة من الناحية المادية ، والذين لا يتم تمييزهم من خلال التقنيات الخاصة المستخدمة ولكن بالطريقة التي يصوغون بها المشكلات ويهاجمونها.
يضاف إلى ذلك القدرة على استخدام نظرية فيزيائية معقدة وأدوات فيزيائية أخرى لدراسة الأشياء الطبيعية. بالإضافة إلى ذلك ، فإنها لا تعتمد على الأدوات التجارية ، حيث أنها عادة ما تكون لديها خبرة في تجميع المعدات الخاصة لحل المشاكل البيولوجية.
تعد أتمتة التحليلات الكيميائية وعمليات التشخيص الأخرى باستخدام أجهزة الكمبيوتر جوانب يجب مراعاتها في الأساليب الفيزيائية الحيوية الحالية.
بالإضافة إلى ذلك ، يقوم علماء الفيزياء الحيوية بتطوير واستخدام أساليب النمذجة الحاسوبية ، والتي يمكنهم من خلالها معالجة ومراقبة أشكال وهياكل الجزيئات المعقدة ، وكذلك الفيروسات والبروتينات.
المراجع
- سولومون ، أ. (2018 ، 30 مارس). الفيزياء الحيوية. Encyclopædia Britannica. تعافى في britannica.com
- الفيزياء الحيوية. (2019 ، 18 سبتمبر). ويكيبيديا ، الموسوعة. تعافى من wikipedia.org
- المساهمين في ويكيبيديا. (2019 ، 23 سبتمبر). الفيزياء الحيوية. في ويكيبيديا ، الموسوعة الحرة. تعافى من wikipedia.org
- ما هي الفيزياء الحيوية؟ تعرف على فروعها الدراسية وتاريخها. (2018 ، 30 نوفمبر). تعافى من الفروع delabiologia.net
- جمعية بيوفيزيكال. (2019) ما هي الفيزياء الحيوية. تعافى من biophysics.org
- نحلة ، ناصيف. (2007) مقال تعليمي: الفيزياء الحيوية. منظمة مجلس الوزراء البيولوجيا. تعافى من biocab.org