الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها
الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها، قدم كارل بيرسون مصطلح الفيزياء الحيوية في الأصل عام 1892م، وبشكل غامض، يستخدم مصطلح الفيزياء الحيوية، أيضًا بانتظام في الأوساط الأكاديمية، للإشارة إلى دراسة الكميات الفيزيائية.
(مثل التيار الكهربائي ودرجة الحرارة والإجهاد والنتروبيا) في النظم البيولوجية، تابعوا موقع مقال للتعرف على الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها.
الفيزياء الحيوية
الفيزياء الحيوية هي علم متعدد التخصصات يطبق الأساليب، والطرق المستخدمة تقليديًا في الفيزياء، لدراسة الظواهر البيولوجية.
تغطي الفيزياء الحيوية جميع مقاييس التنظيم البيولوجي، من الجزيئية إلى الكائنات الحية، والمجموعات السكانية.
وتشترك الأبحاث الفيزيائية الحيوية في تداخل كبير مع الكيمياء الحيوية، والبيولوجيا الجزيئية، والكيمياء الفيزيائية.
وعلم وظائف الأعضاء وتكنولوجيا النانو والهندسة الحيوية، والبيولوجيا الحاسوبية، والميكانيكا الحيوية، والبيولوجيا التطورية، وبيولوجيا الأنظمة.
شاهد أيضًا: موضوع تعبير عن علماء الفيزياء كامل
نبذة تاريخية عن الفيزياء الحيوية
أجريت بعض الدراسات السابقة في الفيزياء الحيوية في أربعينيات القرن التاسع عشر، من قبل مجموعة تعرف باسم مدرسة برلين لعلماء وظائف الأعضاء.
وكان من بين أعضائها رواد مثل هيرمان فون هيلمهولتز وإرنست هاينريش ويبر، وكارل إف دبليو لودفيج ويوهانس بيتر مولر.
ارتفعت شعبية هذا المجال عندما ارتفع كتاب ما هي الحياة؟ بواسطة إروين شرودنغر، والذي تم نشره منذ عام 1957م.
؛ ونظم 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، لا تأخذ في الاعتبار خصوصية الظواهر البيولوجية.
الفيزياء الحيوية الجزيئية
غالبًا ما تُستخدم تقنيات:
التصوير الفلوري، بالإضافة إلى المجهر الإلكتروني، وعلم البلورات بالأشعة السينية، والتحليل الطيفي للرنين المغناطيسي النووي.
والفحص المجهري للقوة الذرية (AFM)، والتشتت بزاوية صغيرة (SAS)، مع الأشعة السينية، والنيوترونات (SAXS / SANS)، لتصور الهياكل ذات أهمية بيولوجية.
ويمكن ملاحظة ديناميات البروتين بواسطة مطياف صدى الدوران النيوتروني، كما يمكن قياس التغيير التوافقي في الهيكل.
وذلك باستخدام تقنيات مثل قياس التداخل ثنائي الاستقطاب، وازدواج اللون الدائري، وSAXS وSANS.
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 لكيانات متفاعلة.
كما يمكن فهمها على سبيل المثال من خلال الميكانيكا الإحصائية، والديناميكا الحرارية، والحركية الكيميائية.
ومن خلال استخلاص المعرفة والتقنيات التجريبية من مجموعة متنوعة من التخصصات، غالبًا ما يكون علماء الفيزياء الحيوية قادرين على المراقبة المباشرة أو نموذجة أو حتى التلاعب بهياكل، وتفاعلات الجزيئات الفردية أو مجمعات الجزيئات.
تابع أيضًا: بحث عن قانون كيرشوف في الفيزياء
ما الذي تتعامل مع الفيزياء الحيوية الجزيئية؟
تتعامل الفيزياء الحيوية الجزيئية عادةً مع الأسئلة البيولوجية المشابهة، لتلك الموجودة في الكيمياء الحيوية، والبيولوجيا الجزيئية.
كما تسعى إلى إيجاد الأسس الفيزيائية لظواهر الجزيئات الحيوية، ويجري العلماء في هذا المجال بحثًا يهتم بفهم التفاعلات بين الأنظمة المختلفة للخلية، بما في ذلك التفاعلات بين الحمض النووي الريبي (DNA).
والحمض النووي الريبي (RNA) والتخليق الحيوي للبروتين، 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.
تشمل الفيزياء الحيوية الحديثة نطاقًا واسعًا للغاية من الأبحاث، من الإلكترونيات الحيوية إلى علم الأحياء الكمي، الذي يشمل الأدوات التجريبية والنظرية.
بل أصبح من الشائع بشكل متزايد لعلماء الفيزياء الحيوية تطبيق النماذج، والتقنيات التجريبية المشتقة من الفيزياء.
وكذلك الرياضيات والإحصاء، على أنظمة أكبر مثل الأنسجة والأعضاء، والمجموعات السكانية والنظم البيئية.
وتُستخدم النماذج الفيزيائية الحيوية الحديثة على نطاق واسع في دراسة التوصيل الكهربائي في الخلايا العصبية المفردة.
فضلاً عن تحليل الدوائر العصبية في كل من الأنسجة والدماغ كله.
الفيزياء الحيوية الطبية
الفيزياء الطبية، وهي فرع من فروع الفيزياء الحيوية، وهي أي تطبيق للفيزياء على الطب أو الرعاية الصحية.
بدءًا من الأشعة إلى الفحص المجهري وطب النانو، على سبيل المثال، وضع الفيزيائي ريتشارد فاينمان نظرية حول مستقبل طب النانو.
وكتب عن فكرة الاستخدام الطبي للآلات البيولوجية، واقترح ألبرت هيبس وفاينمان أن بعض آلات الإصلاح.
قد يتم تقليص حجمها يومًا ما إلى درجة أنه سيكون من الممكن (كما قال فاينمان) “ابتلاع الطبيب”.
وتمت مناقشة الفكرة في مقال فاينمان عام 1959م بعنوان “هناك مساحة كبيرة في الأسفل”.
التركيز كحقل فرعي
في حين أن بعض الكليات والجامعات لديها أقسام مخصصة للفيزياء الحيوية، عادةً على مستوى الدراسات العليا.
فلا يوجد لدى الكثير منها أقسام الفيزياء الحيوية على مستوى الجامعة، وبدلاً من ذلك يكون لديهم مجموعات في الأقسام ذات الصلة.
مثل الكيمياء الحيوية، وبيولوجيا الخلية، والكيمياء، وعلوم الكمبيوتر، والهندسة، والرياضيات، والطب وعلم الأحياء الجزيئي وعلم الأعصاب وعلم العقاقير، والفيزياء، وعلم وظائف الأعضاء.
واعتمادًا على نقاط القوة في القسم في الجامعة، سيتم التركيز على مجالات الفيزياء الحيوية، وفيما يلي قائمة بأمثلة لكيفية تطبيق كل قسم لجهوده نحو دراسة الفيزياء الحيوية.
وهذه القائمة ليست شاملة، ولا ينتمي كل موضوع دراسي حصريًا إلى أي قسم معين، حيث تضع كل مؤسسة أكاديمية قواعدها الخاصة.
وهناك الكثير من التداخل بين الأقسام: [بحاجة لمصدر]
- علم الأحياء والبيولوجيا الجزيئية – تنظيم الجينات، وديناميكيات البروتين الأحادي، والطاقة الحيوية، وربط التصحيح، والميكانيكا الحيوية، والفيزياء الفيروسية.
- البيولوجيا الهيكلية – هياكل تحليل أنجستروم للبروتينات 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 والأدوية.
- الكيمياء الحاسوبية – محاكاة الديناميات الجزيئية، الالتحام الجزيئي، كيمياء الكم.
- المعلوماتية الحيوية – محاذاة التسلسل، المحاذاة الهيكلية، تنبؤ بنية البروتين.
- الرياضيات – نظرية الرسم البياني / الشبكة، النموذجة السكانية، النظم الديناميكية، علم الوراثة.
- الطب – بحث فيزيائي حيوي يركز على الطب، والفيزياء الحيوية الطبية هي مجال وثيق الصلة بعلم وظائف الأعضاء، والذي يشرح مختلف جوانب وأنظمة الجسم من منظور فيزيائي ورياضي.
- علم الأعصاب – دراسة الشبكات العصبية تجريبياً (تقطيع الدماغ)، وكذلك نظرياً (نماذج الكمبيوتر)، سماحية الأغشية، العلاج الجيني، فهم الأورام.
- علم الأدوية وعلم وظائف الأعضاء – علم القنوات، التفاعلات الجزيئية الحيوية، الأغشية الخلوية، البوليكيتيدات.
- الفيزياء – نيوجينتروبيا، والعمليات العشوائية، وتطوير تقنيات وأجهزة فيزيائية جديدة بالإضافة إلى تطبيقها.
- بيولوجيا الكم – يطبق مجال بيولوجيا الكم ميكانيكا الكم على الأشياء والمشكلات البيولوجية، ايزومرات منزوعة الكرفس للحصول على بدائل أساسية تعتمد على الوقت.
قد يهمك: معلومات عن الفوتون في الفيزياء
في نهاية مقال الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها، إن العديد من التقنيات الفيزيائية الحيوية فريدة من نوعها في هذا المجال، وغالبًا ما تبدأ جهود البحث في الفيزياء الحيوية من قبل العلماء الذين كانوا علماء أحياء أو كيميائيين أو فيزيائيين عن طريق التدريب!