BIOPHYSIK: GESCHICHTE, WAS SIE STUDIERT, ANWENDUNGEN, KONZEPTE, METHODEN - BIOLOGIE - 2025

Die Biophysik ist das Studium physikalischer Gesetze in lebenden Organismen. Es ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die die Ansätze und Methoden der Physik anwendet, um biologische Phänomene zu untersuchen.

Auch als physikalische Biologie bekannt, Teil der Idee, dass alle in der Natur beobachteten Phänomene eine vorhersehbare wissenschaftliche Erklärung haben und dass alle lebenden Systeme aus Prozessen bestehen, die auf physikalischen Gesetzen basieren.

Doppelhelix der DNA-Kette. Eine der wichtigsten Erkenntnisse in der Biophysik. Quelle: Joseluissc3

Die Diskussion, in der die Biophysik als Zweig der Physik, Biologie oder beider betrachtet wird, ist weit verbreitet. In diesem Fall ist zu beachten, dass die Tendenz darin besteht, es als Zweig der Biologie zu betrachten.

Dies liegt daran, dass der Wissensaustausch normalerweise von der Physik zur Biologie erfolgt, was durch physikalische Fortschritte und Konzepte bereichert wurde. Derselbe Beitrag kann jedoch nicht umgekehrt bestätigt werden, dh aus rein physikalischer Sicht kann nicht gesagt werden, dass die Biophysik neues Wissen bietet.

Die Biophysik liefert der Physik experimentelle Beweise und ermöglicht es ihr, Theorien zu bestätigen, aber der Austausch zwischen Physik und Biologie ist eindeutig unidirektional.

Biophysiker sind in den quantitativen Wissenschaften der Physik, Mathematik und Chemie ausgebildet, um alles zu untersuchen, was mit der Funktionsweise, Struktur, Dynamik und Interaktion biologischer Systeme zusammenhängt. Diese Systeme umfassen komplexe Moleküle, Zellen, Organismen und Ökosysteme.

Geschichte

Die Ursprünge der Biophysik reichen bis ins 17. Jahrhundert zurück, als die Naturwissenschaften noch nicht in getrennte Disziplinen unterteilt waren und als die erste Untersuchung der Biolumineszenz durchgeführt wurde.

Die erste Studie, die entdeckt wurde, wurde vom deutschen Jesuiten Athanasius Kircher (1602-1680) durchgeführt, der seine Arbeit Ars Magna Lucis et Umbrae veröffentlichte und zwei Kapitel der Tierlumineszenz widmete.

Die Verbindung zwischen Elektrizität und Biologie war nicht nur im 17. Jahrhundert, sondern auch in den nächsten zwei Jahrhunderten Gegenstand von Spekulationen. Während seiner Annäherung wurde die Faszination des Menschen für tierische und natürliche Elektrizität wie Glühwürmchen oder natürliche Blitzentladungen deutlich.

In dieser Forschungsrichtung wurden Giovanni Beccarias Experimente zur elektrischen Stimulation von Muskeln in Italien und Mitte des 18. Jahrhunderts entdeckt, die Wissen auf diesem Gebiet hervorbrachten.

Im Jahr 1786 begann Luigi Galvani eine Kontroverse um das elektrische Potential bei Tieren. Sein Gegner war kein anderer als Alessandro Volta, der durch die Entwicklung der elektrischen Batterie das wissenschaftliche Interesse am elektrischen Potenzial von Lebewesen etwas bremste.

XIX Jahrhundert

Einer der Hauptbeiträge im 19. Jahrhundert war der des Du Bois-Reymond-Professors für Physiologie in Berlin, der die Galvanometer baute und Studien über den Muskelstrom und das elektrische Potential der Nerven durchführte. Dieses Untersuchungsobjekt wurde zu einem der Ursprungspunkte der Biophysik.

Ein weiterer Grund waren die Kräfte, die für den passiven Materiefluss in lebenden Organismen verantwortlich sind, insbesondere die Diffusionsgradienten und der osmotische Druck. In diesem Sinne fallen die Beiträge von Abbé JA Nollet und Adolf Fick auf.

Letzterer veröffentlichte den ersten biophysikalischen Text Die medizinische Physik auf Spanisch. In Ficks Arbeit wurden keine Experimente durchgeführt, sondern es wurde eine Analogie zu den Gesetzen des Wärmeflusses aufgestellt, die es ermöglichte, die Gesetze zur Diffusion auszusprechen. Spätere Laborexperimente zeigten, dass die Analogie genau war.

20. Jahrhundert

Das 20. Jahrhundert war geprägt von einer gewissen Beherrschung deutscher Wissenschaftler, die sich auf die Untersuchung der Auswirkungen von Strahlung konzentrierten.

Ein wichtiger Meilenstein dieser Zeit war die Veröffentlichung des Buches ¿Qué es la vida? , von Erwin Schrödinger im Jahr 1944. Dabei wurde die Existenz eines Moleküls in Lebewesen vorgeschlagen, das genetische Informationen in kovalenten Bindungen enthielt.

Dieses Buch und diese Idee inspirierten andere Wissenschaftler und führten sie 1953 zur Entdeckung der Doppelhelixstruktur der DNA. Es waren James Watson, Rosalind Franklin und Francis Crick, die die Entdeckung machten.

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts zeigt sich eine offensichtliche Reife der Biophysik. Zu dieser Zeit wurden bereits Universitätsprogramme vorgestellt, die in anderen Ländern außerhalb Deutschlands beliebt waren. Darüber hinaus erhielt die Untersuchung immer mehr Rhythmus.

Was studiert (Studienobjekt)

Die Biomechanik ist einer der Zweige der Biophysik. Quelle: Mutuauniversal

Das Forschungsgebiet der Biophysik erstreckt sich auf alle Ebenen der biologischen Organisation, von molekularen über organische bis hin zu anderen komplexeren Systemen. Je nach Schwerpunkt kann die Biophysik in folgende Bereiche unterteilt werden:

- Biomechanik: Untersucht die mechanischen Strukturen, die in Lebewesen existieren und deren Bewegung ermöglichen.

- Bioelektrizität: Untersucht die elektromagnetischen und elektrochemischen Prozesse, die in Organismen auftreten oder Auswirkungen auf sie haben.

- Bioenergetik: Gegenstand der Untersuchung ist die Umwandlung von Energie in Biosystemen.

- Bioakustik: Es ist die Wissenschaft, die die Erzeugung von Schallwellen, ihre Übertragung auf irgendeine Weise und die Erfassung durch andere Tiere oder lebende Systeme untersucht.

- Biophotonik: Konzentriert sich auf die Wechselwirkungen von Lebewesen mit Photonen.

- Radiobiologie : Untersucht die biologischen Auswirkungen von Strahlung (ionisierend und nichtionisierend) und ihre Anwendung im Feld und im Labor.

- Proteindynamik: Untersuchen Sie die molekularen Bewegungen von Proteinen und berücksichtigen Sie deren Struktur, Funktion und Faltung.

- Molekulare Kommunikation : konzentriert sich auf die Untersuchung der Erzeugung, Übertragung und des Empfangs von Informationen zwischen Molekülen.

Anwendungen

Die von der Biophysik untersuchten Themen können sich unter anderem mit denen der Biochemie, Molekularbiologie, Physiologie, Nanotechnologie, Bioingenieurwesen, Systembiologie, Computerbiologie oder physikalischen Chemie überschneiden. Wir werden jedoch versuchen, die Hauptanwendungen der Biophysik abzugrenzen.

Mit der Entdeckung der DNA und ihrer Struktur hat die Biophysik zur Entwicklung von Impfstoffen, zur Entwicklung bildgebender Verfahren zur Diagnose von Krankheiten und zur Entwicklung neuer pharmakologischer Methoden zur Behandlung bestimmter Pathologien beigetragen.

Mit dem Verständnis der Biomechanik hat dieser Zweig der Biologie es ermöglicht, bessere Prothesen und bessere Nanomaterialien zu entwerfen, mit denen Medikamente abgegeben werden können.

Heute konzentriert sich die Biophysik auf Fragen des Klimawandels und anderer Umweltfaktoren. Beispielsweise wird an der Entwicklung von Biokraftstoffen durch lebende Mikroorganismen als Ersatz für Benzin gearbeitet.

Es werden auch mikrobielle Gemeinschaften untersucht und Schadstoffe in der Atmosphäre mit den gewonnenen Erkenntnissen verfolgt.

Hauptkonzepte

- Systeme : Es ist ein geordnetes Aggregat von Elementen, die zwischen realen oder imaginären Grenzen liegen, die miteinander zusammenhängen und miteinander interagieren.

- Proteine : große Moleküle in allen lebenden Zellen. Sie bestehen aus einer oder mehreren langen Ketten von Aminosäuren, die sich wie Maschinen verhalten, die eine Vielzahl von Funktionen ausführen, wie z. B. strukturelle (Zytoskelett), mechanische (Muskel), biochemische (Enzyme) und Zellsignale (Hormone).

- Biomembranen : System von Flüssigkeiten, die zahlreiche biologische Funktionen erfüllen, für die sie ihre Zusammensetzung und Vielfalt anpassen müssen. Sie sind Teil der Zellen aller Lebewesen und es ist der Ort, an dem unzählige kleine Moleküle gespeichert werden und als Anker für Proteine ​​dienen.

- Wärmeleitung : Dies ist der Wärmefluss durch feste Medien aufgrund der inneren Schwingung von Molekülen sowie freier Elektronen und Kollisionen zwischen ihnen.

- Konvektion : bezieht sich auf den Energiefluss durch Ströme einer Flüssigkeit (Flüssigkeit oder Gas), es ist eine Bewegung von Flüssigkeits- oder Gasvolumina.

- Strahlung : Wärmeübertragung durch elektromagnetische Wellen.

- Desoxyribonukleinsäure (DNA) : chemischer Name des Moleküls, das die genetische Information aller Lebewesen enthält. Ihre Hauptfunktion besteht darin, Langzeitinformationen zu speichern, um sie mit anderen Komponenten von Zellen aufzubauen. Sie haben auch Anweisungen für die Entwicklung und den Betrieb aller lebenden Organismen.

- Nervenimpuls : Es handelt sich um einen elektrochemischen Impuls, der in Gegenwart eines Reizes vom Zentralnervensystem oder von den Sinnesorganen ausgeht. Diese elektrische Welle, die durch das gesamte Neuron läuft, wird immer unidirektional übertragen, tritt durch die Dendriten der Zellen ein und verlässt das Axon.

- Muskelkontraktion: physiologischer Prozess, bei dem sich die Muskeln straffen und aufgrund des Gleitens der Strukturen, aus denen sie bestehen, verkürzen, bleiben oder sich dehnen. Dieser Zyklus hängt mit der Struktur der Muskelfaser und der Übertragung des elektrischen Potentials durch die Nerven zusammen.

Methoden

Der Biophysiker AV Hill ist der Ansicht, dass die mentale Einstellung das Hauptinstrument des Biophysikers ist. Auf dieser Grundlage argumentiert er, dass Biophysiker diejenigen Personen sind, die ein Problem physikalisch ausdrücken können und die sich nicht durch die verwendeten Techniken unterscheiden, sondern durch die Art und Weise, wie sie Probleme formulieren und angreifen.

Hinzu kommt die Fähigkeit, komplexe physikalische Theorie und andere physikalische Werkzeuge zur Untersuchung natürlicher Objekte zu verwenden. Darüber hinaus sind sie nicht auf kommerziell hergestellte Instrumente angewiesen, da sie normalerweise die Erfahrung haben, spezielle Geräte zur Lösung biologischer Probleme zusammenzubauen.

Die Automatisierung chemischer Analysen und anderer diagnostischer Prozesse mithilfe von Computern ist ein Aspekt, der bei aktuellen biophysikalischen Methoden berücksichtigt werden muss.

Darüber hinaus entwickeln und verwenden Biophysiker Computermodellierungsmethoden, mit denen sie Formen und Strukturen komplexer Moleküle sowie Viren und Proteine ​​manipulieren und beobachten können.

Verweise

1. Solomon, A. (2018, 30. März). Biophysik. Encyclopædia Britannica. Bei britannica.com wiederhergestellt
2. Biophysik. (2019, 18. September). Wikipedia, die Enzyklopädie. Von wikipedia.org wiederhergestellt
3. Wikipedia-Mitwirkende. (2019, 23. September). Biophysik. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Von wikipedia.org wiederhergestellt
4. Was ist Biophysik? Kennen Sie seine Studienzweige und seine Geschichte. (2018, 30. November). Von branchsdelabiologia.net wiederhergestellt
5. Byophysical Society. (2019) Was ist Biophysik? Von biophysics.org wiederhergestellt
6. Nahle, Nasif. (2007) Didaktischer Artikel: Biophysik. Organisation des Biologiekabinetts. Von biocab.org wiederhergestellt