stringtranslate.com

Биофизика

Кинезин использует динамику доменов белка в наномасштабах, чтобы «ходить» вдоль микротрубочки .

Биофизика — междисциплинарная наука, которая применяет подходы и методы, традиционно используемые в физике , для изучения биологических явлений. [1] [2] [3] Биофизика охватывает все масштабы биологической организации , от молекулярной до организменной и популяционной . Биофизические исследования во многом пересекаются с биохимией , молекулярной биологией , физической химией , физиологией , нанотехнологиями , биоинженерией , вычислительной биологией , биомеханикой , биологией развития и системной биологией .

Термин биофизика был первоначально введен Карлом Пирсоном в 1892 году. [4] [5] Термин биофизика также регулярно используется в академических кругах для обозначения изучения физических величин (например, электрического тока , температуры , напряжения , энтропии ) в биологических системах. Другие биологические науки также проводят исследования биофизических свойств живых организмов, включая молекулярную биологию , клеточную биологию , химическую биологию и биохимию .

Обзор

Молекулярная биофизика обычно занимается биологическими вопросами, аналогичными вопросам в биохимии и молекулярной биологии , стремясь найти физические основы биомолекулярных явлений. Ученые в этой области проводят исследования, связанные с пониманием взаимодействий между различными системами клетки, включая взаимодействия между ДНК , РНК и биосинтезом белка , а также тем, как эти взаимодействия регулируются. Для ответа на эти вопросы используется большое разнообразие методов.

Рибосома — это биологическая машина , использующая динамику белков .

Флуоресцентные методы визуализации, а также электронная микроскопия , рентгеновская кристаллография , ЯМР-спектроскопия , атомно-силовая микроскопия (АСМ) и малоугловое рассеяние (МУРР) как с рентгеновскими лучами , так и с нейтронами (SAXS/SANS) часто используются для визуализации структур биологического значения. Динамику белков можно наблюдать с помощью нейтронной спиновой эхо -спектроскопии. Конформационные изменения в структуре можно измерить с помощью таких методов, как двойная поляризационная интерферометрия , круговой дихроизм , SAXS и SANS . Прямая манипуляция молекулами с помощью оптического пинцета или АСМ также может использоваться для мониторинга биологических событий, где силы и расстояния находятся в наномасштабе. Молекулярные биофизики часто рассматривают сложные биологические события как системы взаимодействующих сущностей, которые можно понять, например, с помощью статистической механики , термодинамики и химической кинетики . Используя знания и экспериментальные методы из самых разных дисциплин, биофизики часто имеют возможность напрямую наблюдать, моделировать или даже манипулировать структурами и взаимодействиями отдельных молекул или комплексов молекул.

В дополнение к традиционным (т. е. молекулярным и клеточным) биофизическим темам, таким как структурная биология или кинетика ферментов , современная биофизика охватывает необычайно широкий спектр исследований, от биоэлектроники до квантовой биологии, включающих как экспериментальные, так и теоретические инструменты. Для биофизиков становится все более обычным применять модели и экспериментальные методы, полученные из физики , а также математики и статистики , к более крупным системам, таким как ткани , органы , [6] популяции [7] и экосистемы . Биофизические модели широко используются при изучении электрической проводимости в отдельных нейронах , а также при анализе нейронных цепей как в тканях, так и в целом мозге.

Медицинская физика , раздел биофизики, представляет собой любое применение физики в медицине или здравоохранении , от радиологии до микроскопии и наномедицины . Например, физик Ричард Фейнман теоретизировал о будущем наномедицины . Он писал об идее медицинского использования биологических машин (см. наномашины ). Фейнман и Альберт Хиббс предположили, что некоторые ремонтные машины могут быть однажды уменьшены в размерах до такой степени, что станет возможным (как выразился Фейнман) « проглотить доктора ». Эта идея обсуждалась в эссе Фейнмана 1959 года « На дне много места » . [8]

История

Исследования Луиджи Гальвани (1737–1798) заложили основу для более поздней области биофизики. Некоторые из ранних исследований в области биофизики были проведены в 1840-х годах группой, известной как Берлинская школа физиологов. Среди ее членов были такие пионеры, как Герман фон Гельмгольц , Эрнст Генрих Вебер , Карл Ф. В. Людвиг и Иоганнес Петер Мюллер . [9]

Уильям Т. Бови (1882–1958) считается лидером дальнейшего развития этой области в середине 20-го века. Он был лидером в развитии электрохирургии .

Популярность этой области возросла, когда была опубликована книга Эрвина Шредингера « Что такое жизнь?» . С 1957 года биофизики организовались в Биофизическое общество , которое сейчас насчитывает около 9000 членов по всему миру. [10]

Некоторые авторы, такие как Роберт Розен, критикуют биофизику на том основании, что биофизический метод не учитывает специфику биологических явлений. [11]

Фокус как подполе

В то время как в некоторых колледжах и университетах есть специальные кафедры биофизики, обычно на уровне аспирантуры, во многих нет кафедр биофизики университетского уровня, вместо этого есть группы на смежных кафедрах, таких как биохимия , клеточная биология , химия , информатика , инженерия , математика , медицина , молекулярная биология , нейронаука , фармакология , физика и физиология . В зависимости от сильных сторон кафедры в университете будет уделяться разное внимание областям биофизики. Ниже приведен список примеров того, как каждая кафедра прикладывает свои усилия к изучению биофизики. Этот список вряд ли является всеобъемлющим. И каждый предмет изучения не принадлежит исключительно какой-либо конкретной кафедре. Каждое учебное заведение устанавливает свои собственные правила, и между кафедрами существует много совпадений. [ необходима ссылка ]

Многие биофизические методы уникальны для этой области. Исследования в области биофизики часто инициируются учеными, которые по образованию были биологами, химиками или физиками.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Биофизика | наука". Encyclopedia Britannica . Получено 26.07.2018 .
  2. ^ Zhou HX (март 2011 г.). «Вопросы и ответы: Что такое биофизика?». BMC Biology . 9 : 13. doi : 10.1186/1741-7007-9-13 . PMC 3055214. PMID  21371342 . 
  3. ^ "определение биофизики". www.dictionary.com . Получено 2018-07-26 .
  4. ^ Пирсон, Карл (1892). Грамматика науки. стр. 470.
  5. ^ Роланд Глейзер . Биофизика: Введение . Springer; 23 апреля 2012 г. ISBN 978-3-642-25212-9
  6. ^ Sahai, Erik; Trepat, Xavier (июль 2018 г.). «Мезомасштабные физические принципы коллективной организации клеток». Nature Physics . 14 (7): 671–682. Bibcode :2018NatPh..14..671T. doi :10.1038/s41567-018-0194-9. hdl : 2445/180672 . ISSN  1745-2481. S2CID  125739111.
  7. ^ Попкин, Габриэль (2016-01-07). «Физика жизни». Nature News . 529 (7584): 16–18. Bibcode : 2016Natur.529...16P. doi : 10.1038/529016a . PMID  26738578.
  8. ^ Фейнман РП (декабрь 1959). «Внизу полно места». Архивировано из оригинала 2010-02-11 . Получено 2017-01-01 .
  9. ^ Франческетти DR (15 мая 2012 г.). Прикладная наука. Salem Press Inc. стр. 234. ISBN 978-1-58765-781-8.
  10. ^ Rosen J, Gothard LQ (2009). Энциклопедия физических наук. Infobase Publishing. стр. 4 9. ISBN 978-0-8160-7011-4.
  11. ^ Лонго Г, Монтевиль М (2012-01-01). "Инертное против живого состояния материи: расширенная критичность, геометрия времени, антиэнтропия - обзор". Frontiers in Physiology . 3 : 39. doi : 10.3389/fphys.2012.00039 . PMC 3286818. PMID  22375127 . 

Источники

Внешние ссылки