Биофизика — междисциплинарная наука, применяющая традиционно используемые в физике подходы и методы для изучения биологических явлений. [1] [2] [3] Биофизика охватывает все уровни биологической организации , от молекулярной до организменной и популяционной . Биофизические исследования в значительной степени 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 научных кругах для обозначения изучения физических величин (например, электрического тока , температуры , стресса , энтропии ) в биологических системах. Другие биологические науки также проводят исследования биофизических свойств живых организмов, включая молекулярную биологию , клеточную биологию , химическую биологию и биохимию .
Молекулярная биофизика обычно решает биологические вопросы, аналогичные вопросам биохимии и молекулярной биологии , стремясь найти физическую основу биомолекулярных явлений. Ученые в этой области проводят исследования, направленные на понимание взаимодействий между различными системами клетки, включая взаимодействие между ДНК , РНК и биосинтезом белка , а также то, как эти взаимодействия регулируются. Для ответа на эти вопросы используются самые разнообразные методы.
Методы флуоресцентной визуализации, а также электронная микроскопия , рентгеновская кристаллография , ЯМР-спектроскопия , атомно-силовая микроскопия (АСМ) и малоугловое рассеяние (SAS) как с рентгеновскими лучами , так и с нейтронами (SAXS/SANS) часто используются для визуализации структур. биологического значения. Динамику белка можно наблюдать с помощью спектроскопии нейтронного спинового эха . Конформационные изменения в структуре можно измерить с помощью таких методов, как интерферометрия двойной поляризации , круговой дихроизм , SAXS и SANS . Прямое манипулирование молекулами с помощью оптического пинцета или АСМ также можно использовать для мониторинга биологических событий, когда силы и расстояния находятся на наноуровне. Молекулярные биофизики часто рассматривают сложные биологические события как системы взаимодействующих объектов, которые можно понять, например, с помощью статистической механики , термодинамики и химической кинетики . Черпая знания и экспериментальные методы из самых разных дисциплин, биофизики часто могут 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 чрезвычайно широкий диапазон исследований, от биоэлектроники до квантовой биологии , включающей как экспериментальные, так и теоретические инструменты. Биофизики все чаще применяют 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 высказал теорию о будущем наномедицины . Он писал об идее медицинского использования биологических машин (см. наномашины ). Фейнман и Альберт Хиббс предположили, что некоторые ремонтные машины однажды уменьшатся в размерах до такой степени, что можно будет (по выражению Фейнмана) « проглотить доктора ». Эта идея обсуждалась в эссе Фейнмана 1959 года « Там внизу много места» . [8]
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 его членов были такие пионеры, как Герман фон Гельмгольц , Эрнст Генрих Вебер , Карл Ф.В. Людвиг и Йоханнес Петер Мюллер . [9]
Уильям Т. Бови (1882–1958) считается лидером дальнейшего развития этой области в середине 20 века. Он был лидером в развитии электрохирургии .
Популярность этой области возросла после выхода книги «Что такое жизнь?» Эрвина Шредингера была опубликована. С 1957 года биофизики объединились 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]
В то время как в некоторых колледжах и университетах есть специальные кафедры биофизики, обычно на уровне аспирантов, во многих нет кафедр биофизики университетского уровня, вместо этого есть группы на смежных факультетах, таких как биохимия , клеточная биология , химия , информатика , инженерное дело , математика , медицина. , молекулярная биология , нейронауки , фармакология , физика и физиология . В зависимости от сильных сторон кафедры университета различное внимание будет уделяться областям биофизики. Ниже приводится список примеров того, как каждое кафедра прилагает свои усилия к изучению биофизики. Этот список вряд ли является полным. При этом каждый предмет исследования не принадлежит исключительно какой-либо конкретной кафедре. Каждое академическое учреждение устанавливает свои собственные правила, и между факультетами во многом совпадают. [ нужна цитата ]
Многие биофизические методы уникальны для этой области. Исследовательские усилия в области биофизики часто инициируются учеными, которые по образованию были биологами, химиками или физиками.
На русском языке, аннотация на английском языке. Доступны переводы на итальянский, испанский, английский, французский языки.
