تقديم كارل بيرسون لمصطلح الفيزياء الحيوية في عام 1892م، والمصطلح يستخدم بانتظام في الأوساط الأكاديمية لدراسة 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 يستخدم الأساليب والطرق المعتادة في الفيزياء لدراسة الظواهر البيولوجية.
تشمل الفيزياء الحيوية جميع مستويات التنظيم البيولوجي، من المستوى الجزيئي إلى الكائنات الحية والمجتمعات البيولوجية.
الأبحاث الفيزيائية الحيوية تتداخل بشكل كبير مع الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية والكيمياء الفيزيائية.
وعلم وظائف الأعضاء وتكنولوجيا النانو والهندسة الحيوية، وعلم الحاسوب الحيوي، والميكانيكا الحيوية، وعلم التطور البيولوجي، وعلم أنظمة الحياة.
شاهد أيضًا: موضوع تعبير عن علماء الفيزياء كامل
نبذة تاريخية عن الفيزياء الحيوية
تم إجراء بعض الدراسات السابقة في مجال الفيزياء الحيوية خلال أربعينيات القرن التاسع عشر، من قبل مجموعة من العلماء المعروفة بـ `مدرسة برلين لعلماء وظائف الأعضاء`.
ومن بين أعضائها كان هناك رواد مثل هيرمان فون هيلمهولتز وإرنست هاينريش ويبر، وكارل إف دبليو لودفيج ويوهانس بيتر مولر.
زادت شهرة هذا المجال عندما ارتفعت شهرة كتاب `ما هي الحياة؟` لإروين شرودنغر، والذي تم نشره في عام 1957م.
تم تنظيم علماء الفيزياء الحيوية أنفسهم في جمعية الفيزياء الحيوية، التي تضم حاليا حوالي 9000 عضو من مختلف أنحاء العالم.
ينتقد بعض المؤلفين مثل روبرت روزين فيزياء الحياة، بناء على أن النهج الفيزيائي في الحياة لا يأخذ في الاعتبار خصوصية الظواهر البيولوجية.
الفيزياء الحيوية الجزيئية
غالبًا ما تُستخدم تقنيات:
تشمل التقنيات المستخدمة في التصوير الطبي الفلوري والمجهر الإلكتروني وعلم البلورات باستخدام الأشعة السينية وتحليل الرنين المغناطيسي النووي.
تستخدم تقنيات مثل الفحص المجهري للقوة الذرية (AFM)، والتشتت بزاوية صغيرة (SAS)، إضافة إلى الأشعة السينية والنيوترونات (SAXS / SANS) لتصوير الهياكل ذات الأهمية البيولوجية.
يمكن ملاحظة ديناميكية البروتين باستخدام مطياف صدى الدوران النيوتروني، ويمكن أيضا قياس التغير التوافقي في الهيكل.
وذلك بالاستفادة من تقنيات مثل تقنية التداخل ثنائي الاستقطاب، والتصوير اللوني المزدوج، وتقنية SAXS و SANS.
يمكن أيضا استخدام التعامل المباشر مع الجزيئات، باستخدام ملاقط بصرية أو AFM، لرصد الأحداث الحيوية، حيث يكون القوى والمسافات على نطاق النانومتر.
عادة، ينظر علماء الفيزياء الحيوية الجزيئية إلى الأحداث البيولوجية المعقدة كأنظمة من التفاعلات.
يمكن أيضا فهمها من خلال الميكانيكا الإحصائية، والديناميكا الحرارية، والحركية الكيميائية.
ومن خلال استخدام المعرفة والتقنيات التجريبية من مجموعة متنوعة من التخصصات، يكون علماء الفيزياء الحيوية قادرين في كثير من الأحيان على رصد أو نمذجة أو حتى التحكم في الهياكل وتفاعلات الجزيئات الفردية أو تجمعات الجزيئات.
تابع أيضًا: بحث عن قانون كيرشوف في الفيزياء
ما الذي يتعامل معه علم الفيزياء الحيوية الجزيئية؟
تتعامل الفيزياء الحيوية الجزيئية عادةً مع الأسئلة البيولوجية المشابهة، كتلك الموجودة في الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية.
وفي سعيها لتحديد الأسس الفيزيائية لظواهر الجزيئات الحيوية، يقوم العلماء في هذا المجال بالبحث عن فهم التفاعلات بين الأنظمة المختلفة في الخلية، بما في ذلك التفاعلات بين الحمض النووي الريبي (DNA).
ويتم استخدام عدد كبير ومتنوع من التقنيات للإجابة على هذه الأسئلة حول الحمض النووي الريبي (RNA) وتخليق البروتين وتنظيم هذه التفاعلات.
الفيزياء الحيوية الحديثة
بالإضافة إلى المواضيع الفيزيائية الحيوية التقليدية (المتعلقة بالجزيئات والخلايا)، مثل البيولوجيا الهيكلية أو حركة الإنزيمات.
تتضمن الفيزياء الحيوية الحديثة مجموعة واسعة جدا من الأبحاث، بدءا من الإلكترونيات الحيوية إلى علم الأحياء الكمي، والذي يشمل الأدوات التجريبية والنظرية.
في الواقع، أصبح منتشرا بشكل متزايد استخدام العلماء في مجال الفيزياء الحيوية للنماذج والتقنيات التجريبية المستمدة من الفيزياء.
وكذلك الرياضيات والإحصاء، مع التركيز على أنظمة أكبر مثل الأنسجة والأعضاء، والمجموعات السكانية والنظم البيئية.
تستخدم النماذج الفيزيائية الحيوية الحديثة على نطاق واسع في دراسة توصيل الكهرباء في الخلايا العصبية الفردية.
بالإضافة إلى تحليل الدوائر العصبية في الأنسجة والدماغ بأكمله.
الفيزياء الحيوية الطبية
الفيزياء الطبية، وهي إحدى فروع الفيزياء الحيوية، تطبق على الطب والرعاية الصحية.
من خلال الأشعة والفحص المجهري وطب النانو، على سبيل المثال، قدم الفيزيائي ريتشارد فاينمان نظرية حول مستقبل طب النانو.
وكتب عن فكرة استخدام الآلات البيولوجية في المجال الطبي، واقترح ألبرت هيبس وفاينمان بعض آلات الإصلاح.
قد يتم تصغير حجمها في يوم ما لدرجة يصبح من الممكن (كما قال فاينمان) `ابتلاع الطبيب`.
تمت مناقشة هذه الفكرة في مقالة فاينمان عام ١٩٥٩ بعنوان `هناك مساحة كبيرة في الأسفل`.
التركيز كحقل فرعي
على الرغم من أن بعض الكليات والجامعات تحتوي على أقسام متخصصة في الفيزياء الحيوية، عادة في مستوى الدراسات العليا.
في العديد من الجامعات، لا تتوفر أقسام فيزياء الحياة، وبدلا من ذلك يوجد مجموعات تعنى بالمجالات ذات الصلة.
مثل التخصصات الحيوية الكيميائية وعلم الخلايا والكيمياء وعلوم الكمبيوتر والهندسة والرياضيات والطب وعلم الأحياء الجزيئي وعلم الأعصاب وعلم العقاقير والفيزياء وعلم وظائف الأعضاء.
وبناء على نقاط القوة في قسم الفيزياء الحيوية في الجامعة، سيتم التركيز على المجالات التطبيقية للفيزياء الحيوية، وفيما يلي قائمة ببعض الأمثلة على كيفية تطبيق كل قسم في جهوده نحو دراسة الفيزياء الحيوية.
هذه القائمة غير شاملة، وليست كل موضوع دراسي مرتبطا حصريا بأي قسم محدد، حيث تضع كل مؤسسة أكاديمية قواعدها الخاصة.
وهناك الكثير من التداخل بين الأقسام: [بحاجة لمصدر]
- علم الأحياء والبيولوجيا الجزيئية يتعامل مع تنظيم الجينات، وديناميكيات البروتينات الفردية، والطاقة الحيوية، وربط التصحيح، والميكانيكا الحيوية، والفيزياء الفيروسية.
- البيولوجيا الهيكلية – تحليل هياكل أنجستروم للبروتينات والأحماض النووية والدهون والكربوهيدرات ومركباتها.
- الكيمياء الحيوية والكيمياء الجزيئية الحيوية وسير الحمض النووي والعلاقات الهيكلية والنشاط الوظيفي.
- علوم الكمبيوتر – الشبكات العصبية وقواعد البيانات الجزيئية الحيوية والأدوية.
- الكيمياء الحاسوبية – محاكاة الديناميكا الجزيئية، التلاصق الجزيئي، كيمياء الكم.
- بيولوجيا المعلومات – مطابقة التسلسل الجيني، مطابقة الهيكل، وتوقعات بنية البروتين.
- الرياضيات – نظرية الرسم البياني / الشبكة، النمذجة السكانية، النظم الديناميكية، علم الوراثة.
- الطب – بحث فيزيائي حيوي يركز على الطب والفيزياء الحيوية الطبية، وهو مجال وثيق الصلة بعلم وظائف الأعضاء، يشرح مختلف جوانب وأنظمة الجسم من منظور فيزيائي ورياضي.
- علم الأعصاب – دراسة الشبكات العصبية تتم تجريبيا (من خلال تقطيع الدماغ)، وأيضا نظريا (باستخدام نماذج الكمبيوتر)، وتشمل المواضيع السماحية للأغشية والعلاج الجيني وفهم 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.
- تطبق بيولوجيا الكم ميكانيكا الكم على الكائنات الحية والمشاكل البيولوجية، وتستخدم الأيزوميرات المستخلصة من الكرفس للحصول على بدائل أساسية تعتمد على الزمن.
قد يهمك: معلومات عن الفوتون في الفيزياء
في نهاية مقال الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها، هناك العديد من التقنيات الفيزيائية الحيوية الفريدة في هذا المجال، وعادة ما يبدأ العلماء جهود البحث في الفيزياء الحيوية بعد تلقيهم تدريبا كعلماء أحياء أو كيميائيين أو فيزيائيين!
