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 .
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.
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 «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 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]
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 в 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.
На русском языке, резюме на английском языке. Доступны переводы на итальянский, испанский, английский, французский языки
