Storia biofisica, quali studi, applicazioni, concetti, metodi

IL biofisica È lo studio delle leggi fisiche che operano negli organismi viventi. È una scienza interdisciplinare che applica gli approcci e i metodi di fisica per studiare i fenomeni biologici.

Anche la biologia fisica nota, parte dell'idea che tutti i fenomeni osservati in natura abbiano una spiegazione scientifica prevedibile e che tutti i sistemi viventi sono costituiti da processi basati su leggi fisiche.

Doppia elica della catena del DNA. Uno dei principali risultati in biofisica. Fonte: Joseluissc3 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/4.0)]

È comune la discussione in cui la biofisica viene sollevata come un ramo di fisica, biologia o entrambi. In questo caso, è importante notare che la tendenza è considerare il ramo della biologia.

Questo perché lo scambio di conoscenza è generalmente generato dalla fisica alla biologia, che è stato arricchito da progressi e concetti fisici. Ma lo stesso contributo non può essere affermato al contrario, cioè dal punto della fisica pura non si può dire che la biofisica offra nuove conoscenze.

La biofisica facilita le prove sperimentali alla fisica e con essa gli consente di confermare le teorie, ma lo scambio tra fisica e biologia è puramente unidirezionale.

La biofisica è addestrata nelle scienze quantitative di fisica, matematica e chimica per studiare tutto ciò che riguarda il funzionamento, la struttura, la dinamica e l'interazione dei sistemi biologici. Questi sistemi includono molecole cellulari complesse, organismi ed ecosistemi.

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Storia

Le origini della biofisica risalgono al diciassettesimo secolo quando le scienze naturali non erano ancora state divise come discipline separate e al momento si trova la prima indagine sulla bioluminescenza.

Il primo studio che è stato rilevato è stato quello condotto dal gesuita tedesco, Atanasius Kircher (1602-1680), che ha pubblicato il suo lavoro Ars Magna Lucis et ombrae E ha dedicato due capitoli alla luminescenza degli animali.

Il legame tra elettricità e biologia era oggetto di speculazione non solo nel diciassettesimo secolo, ma nei prossimi due secoli. Durante il suo approccio il fascino dell'uomo per l'elettricità animale e naturale era evidente come in lucciola o nei download naturali dei raggi.

In questa linea di ricerca, è rilevato in Italia e, a metà del 18 ° secolo, gli esperimenti di Giovanni Beccaria attorno alla stimolazione elettrica dei muscoli che stavano generando conoscenze in quella zona.

Nel 1786, Luigi Galvani iniziò una controversia sul potenziale elettrico negli animali. Il suo avversario non era altro che Alessandro Volta che, durante lo sviluppo della batteria elettrica, ha fermato un po 'l'interesse scientifico del potenziale elettrico negli esseri viventi.

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XIX secolo

Uno dei principali contributi nel diciannovesimo secolo fu quello del professore di fisiologia di Du Bois-Reymond a Berlino, che costruì i galvanometri e conduceva studi sulla corrente muscolare e sul potenziale elettrico dei nervi. Questo oggetto di studio è diventato uno dei punti di origine della biofisica.

Un altro di loro era quello delle forze responsabili del flusso passivo della materia negli organismi viventi, in particolare i gradienti di pressione o osmotica. In questa linea, i contributi di Abbé J si distinguono.A. Nollet e Adolf Fick.

Quest'ultimo è stato quello che ha pubblicato il primo testo di biofisica Muore medizinesche fisik o in spagnolo Fisica medica. Nel lavoro di Fick, non sono stati condotti esperimenti, ma è stata sollevata un'analogia con le leggi del flusso di calore, che hanno permesso di dichiarare le leggi che governano la diffusione. Gli esperimenti di laboratorio successivi hanno mostrato che l'analogia era esatta.

XX secolo

Il ventesimo secolo era caratterizzato a partire da alcuni domini di scienziati tedeschi, che si concentrarono sullo studio degli effetti delle radiazioni.

Una pietra miliare importante di questo periodo è stata la pubblicazione del libro Cos'è la vita?, di Erwin Schrödinger nel 1944. Ciò ha proposto l'esistenza di una molecola negli esseri viventi che contenevano informazioni genetiche in collegamenti covalenti.

Questo libro e quell'idea hanno ispirato altri scienziati e li hanno portati a scoprire la doppia struttura del DNA nel 1953. Fu James Watson, Rosalind Franklin e Francis Crick a fare la scoperta.

Nella seconda metà del ventesimo secolo c'è un'ovvia maturità della biofisica. A quei tempi c'erano già programmi universitari e avevano popolarità in altri paesi oltre la Germania. Inoltre, l'indagine stava acquisendo il ritmo.

What Studies (Object of Study)

La biomeccanica è uno dei rami della biofisica. Fonte: Mutuauniversal [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/4.0)]

Il campo dello studio della biofisica si estende a tutte le scale dell'organizzazione biologica, dalle molecolari a sistemi organici e altri più complessi. A seconda del focus dell'attenzione, la biofisica può essere divisa nei seguenti rami:

- Biomeccanica: studiare le strutture meccaniche che esistono negli esseri viventi e che consentono il movimento di questi.

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- Bioelettricità: Studia processi elettromagnetici ed elettrochimici che si verificano negli organismi o che generano effetti su di essi.

- Bioenergetica: Il suo oggetto di studio è la trasformazione dell'energia che si verifica nei biosistemi.

- Bioacustica: È la scienza che indaga sulla produzione di onde sonore, la sua trasmissione con alcuni mezzi e raccolta da parte di altri animali o sistemi viventi.

- Biofotonico: si concentra sulle interazioni degli esseri viventi con i fotoni.

- Radiobiologia: Studia gli effetti biologici delle radiazioni (ionizzanti e non -ionizzanti) e le loro applicazioni sul campo e di laboratorio.

- Dinamica delle proteine: Studia movimenti delle proteine ​​molecolari e considera la sua struttura, funzione e piegatura.

- Comunicazione molecolare: Si concentra sullo studio della generazione, della trasmissione e della ricezione delle informazioni tra molecole.

Applicazioni

I temi studiati dalla biofisica possono avere una sovrapposizione con quelli di biochimica, biologia molecolare, fisiologia, nanotecnologia, bioingegneria, biologia dei sistemi, biologia computazionale o chimica-fisica. Tuttavia, cercheremo di delimitare le principali applicazioni della biofisica.

Con la scoperta del DNA e della sua struttura, la biofisica ha contribuito alla creazione di vaccini, allo sviluppo di tecniche di immagine che consentono la diagnosi e la generazione di nuovi metodi farmacologici per trattare alcune patologie.

Con la comprensione della biomeccanica, questo ramo della biologia ha permesso di progettare protesi migliori e nanomateriali migliori con cui i farmaci possono essere forniti.

Oggi, la biofisica ha iniziato a concentrarsi su questioni relative ai cambiamenti climatici e ad altri fattori ambientali. Ad esempio, il lavoro viene svolto sullo sviluppo di biocarburanti attraverso microrganismi viventi per sostituire la benzina.

Anche le comunità microbiche vengono studiate e i contaminanti sono rintracciati nell'atmosfera con le conoscenze ottenute.

Concetti principali

- Sistemi: È un aggregato ordinato di elementi inclusi tra limiti reali o immaginari, che sono correlati e interagiscono tra loro.

- Proteine: Grandi molecole trovate in tutte le cellule viventi. Sono composti da una o più lunghe catene di aminoacidi che si comportano come macchine che svolgono una varietà di funzioni, come strutturale (citoscheletro), meccaniche (muscoli), biochimica (enzimi) e segnalazione cellulare (ormoni).

- Biomembrane: Sistema fluido che svolgono numerose funzioni biologiche per le quali devono adattare la loro composizione e diversità. Fanno parte delle cellule di tutti gli esseri viventi ed è il luogo in cui vengono conservate innumerevoli piccole molecole e funge da ancoraggio proteico.

- Guida: È il flusso di calore attraverso mezzi solidi a causa della vibrazione interna delle molecole, nonché degli elettroni liberi e degli scontri tra loro.

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- Convezione: Si riferisce al flusso di energia attraverso le correnti di un fluido (liquido o gas), è un movimento di volumi di liquido o gas.

- Radiazione: trasferimento di calore da onde elettromagnetiche.

- Acido desyribonucleico (DNA): Nome chimico della molecola che contiene informazioni genetiche in tutti gli esseri viventi. La sua funzione principale è quella di archiviare informazioni a lungo termine per costruire con altri componenti cellulari, hanno anche istruzioni utilizzate per lo sviluppo e le operazioni di tutti gli organismi viventi.

- Impulso nervoso: È un impulso elettrochimico che ha origine nel sistema nervoso centrale o negli organi dei sensi in presenza di uno stimolo. Questa onda elettrica viaggia tutto il neurone viene sempre trasmesso in modo unidirezionale, entrando nei dendriti delle cellule e uscendo dall'assone.

- Contrazione muscolare: Processo fisiologico in cui i muscoli sono tesi, generando che sono abbreviati, rimangono o allungati dallo scorrimento delle strutture che lo compongono. Questo ciclo è collegato alla struttura della fibra muscolare e alla trasmissione del potenziale elettrico dai nervi.

Metodi

Il biofisico a.V. Hill considera che l'atteggiamento mentale sarebbe lo strumento principale del biofisico. Con questo come una fondazione, afferma che la biofisica sono quegli individui che possono esprimere un problema in termini fisici e che non differiscono per le tecniche particolari utilizzate ma dal modo in cui formulano e attaccano i problemi.

A ciò è unito dalla capacità di utilizzare una teoria fisica complessa e altri strumenti fisici per studiare oggetti naturali. Inoltre non hanno strumenti costruiti commercialmente, poiché di solito hanno l'esperienza di mettere attrezzature speciali per risolvere i problemi biologici.

L'automazione dell'analisi chimica e altri processi diagnostici attraverso i computer sono aspetti da considerare nei metodi di biofisica attuale.

Inoltre, la biofisica sviluppa e usa metodi di modellazione informatica, con cui possono manipolare e osservare forme e strutture di molecole complesse, nonché virus e proteine.

Riferimenti

1. Salomone, a. (2018, 30 marzo). Biofisica. Encyclopædia Britannica. Estratto in Britannica.com
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4. Cos'è la biofisica? Conosci i tuoi rami di studio e la tua storia. (2018, 30 novembre). Estratto da Branchesdelabiologia.netto
5. Società byofisica. (2019) Cos'è la biofisica. Estratto dalla biofisica.org
6. Nahle, Nasif. (2007) Articolo didattico: Biofisica. Organizzazione del gabinetto di biologia. Biocab recuperato.org