الفيزياء الحيوية

الفيزياء الحيوية علم متعدد التخصصات يطبق المناهج والأساليب المستخدمة تقليديًا في الفيزياء لدراسة الظواهر البيولوجية . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

يتناول علم الفيزياء الحيوية الجزيئية عادةً مسائل بيولوجية مشابهة لتلك الموجودة في الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية ، ساعيًا إلى إيجاد الأسس الفيزيائية للظواهر الجزيئية الحيوية. يُجري العلماء في هذا المجال أبحاثًا تُعنى بفهم التفاعلات بين مختلف أنظمة الخلية، بما في ذلك التفاعلات بين الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبوزي RNA وتخليق البروتين ، فضلًا عن كيفية تنظيم هذه التفاعلات. وتُستخدم مجموعة واسعة من التقنيات للإجابة عن هذه الأسئلة.

يُغطي علم الفيزياء الحيوية جميع مستويات التنظيم البيولوجي ، من الجزيئي إلى الكائن الحي والمجموعات السكانية . ويتداخل البحث في الفيزياء الحيوية بشكل كبير مع الكيمياء الحيوية ، والبيولوجيا الجزيئية ، والكيمياء الفيزيائية ، وعلم وظائف الأعضاء ، وتقنية النانو ، والهندسة الحيوية ، والبيولوجيا الحاسوبية ، والميكانيكا الحيوية ، وبيولوجيا النمو ، وبيولوجيا الأنظمة . وتشمل تقنيات التصوير الفلوري ، بالإضافة إلى المجهر الإلكتروني ، وعلم البلورات بالأشعة السينية ، وقياس طيف الرنين النووي المغناطيسي ، ومجهر القوة الذرية ، وتشتت الزاوية الصغيرة .

تُستخدم تقنيات تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة وتشتت النيوترونات بزاوية صغيرة (SAXS/SANS) على نطاق واسع لتصوير البنى ذات الأهمية البيولوجية. ويمكن رصد ديناميكيات البروتينات باستخدام مطيافية صدى دوران النيوترونات . كما يمكن قياس التغيرات التركيبية في البنية باستخدام تقنيات مثل قياس التداخل ثنائي الاستقطاب ، وثنائية اللون الدائرية ، وSAXS، و SANS . ويمكن أيضًا استخدام التلاعب المباشر بالجزيئات باستخدام الملاقط الضوئية أو المجهر الذري الماسح (AFM ) لمراقبة الأحداث البيولوجية التي تكون فيها القوى والمسافات على المستوى النانوي. غالبًا ما ينظر علماء الفيزياء الحيوية الجزيئية إلى الأحداث البيولوجية المعقدة على أنها أنظمة من كيانات متفاعلة يمكن فهمها، على سبيل المثال، من خلال الميكانيكا الإحصائية ، والديناميكا الحرارية، والحركية الكيميائية . وبفضل الاستفادة من المعرفة والتقنيات التجريبية من مجموعة واسعة من التخصصات، يتمكن علماء الفيزياء الحيوية في كثير من الأحيان من الملاحظة المباشرة، أو نمذجة، أو حتى التلاعب ببنى وتفاعلات الجزيئات الفردية أو معقدات الجزيئات.

الفيزياء الطبية ، وهي فرع من الفيزياء الحيوية، تشمل أي تطبيق للفيزياء في الطب أو الرعاية الصحية ، بدءًا من الأشعة وصولًا إلى المجهر والطب النانوي . على سبيل المثال، وضع الفيزيائي ريتشارد فاينمان نظرية حول مستقبل الطب النانوي ، وكتب عن فكرة الاستخدام الطبي للآلات البيولوجية (انظر: الآلات النانوية ). اقترح فاينمان وألبرت هيبس أن بعض آلات الإصلاح قد تُصغّر يومًا ما إلى درجة تسمح (كما قال فاينمان) " بابتلاع الطبيب ". نُوقشت هذه الفكرة في مقال فاينمان عام 1959 بعنوان " هناك متسع كبير في القاع " . ^{[ 5 ]}

يُستخدم مصطلح الفيزياء الحيوية بشكل منتظم في الأوساط الأكاديمية للإشارة إلى دراسة الكميات الفيزيائية (مثل التيار الكهربائي ، ودرجة الحرارة ، والإجهاد ، والإنتروبيا ) في الأنظمة البيولوجية. كما تُجري علوم بيولوجية أخرى أبحاثًا حول الخصائص الفيزيائية الحيوية للكائنات الحية، بما في ذلك البيولوجيا الجزيئية ، وبيولوجيا الخلية ، والبيولوجيا الكيميائية ، والكيمياء الحيوية . بالإضافة إلى المواضيع الفيزيائية الحيوية التقليدية (أي الجزيئية والخلوية) مثل البيولوجيا التركيبية أو حركية الإنزيمات ، تشمل الفيزياء الحيوية الحديثة نطاقًا واسعًا للغاية من الأبحاث، من الإلكترونيات الحيوية إلى البيولوجيا الكمية، باستخدام أدوات تجريبية ونظرية. وقد أصبح من الشائع بشكل متزايد ^{[ 4 ]} أن يُطبّق علماء الفيزياء الحيوية النماذج والتقنيات التجريبية المُستمدة من الفيزياء ، بالإضافة إلى الرياضيات والإحصاء ، على أنظمة أكبر مثل الأنسجة ، والأعضاء ^{[ 6 ]} ، والمجموعات السكانية ^{[ 7 ]} ، والنظم البيئية . تُستخدم النماذج الفيزيائية الحيوية على نطاق واسع في دراسة التوصيل الكهربائي في الخلايا العصبية المفردة ، وكذلك تحليل الدوائر العصبية في كل من الأنسجة والدماغ بأكمله.

أرست دراسات لويجي غالفاني (1737-1798) الأساس لمجال الفيزياء الحيوية اللاحق. وقد أُجريت بعض الدراسات المبكرة في الفيزياء الحيوية في أربعينيات القرن التاسع عشر من قِبل مجموعة تُعرف باسم مدرسة برلين لعلماء وظائف الأعضاء. وكان من بين أعضائها روادٌ مثل هيرمان فون هيلمهولتز ، وإرنست هاينريش ويبر ، وكارل إف دبليو لودفيغ ، ويوهانس بيتر مولر . ^{[ 8 ]}

صاغ كارل بيرسون مصطلح الفيزياء الحيوية لأول مرة عام 1892. ^{[ 9 ] [ 10 ]} ويُنسب إلى ويليام تي. بوفي (1882-1958) الفضل في قيادة تطوير هذا المجال في منتصف القرن العشرين، حيث كان رائداً في تطوير الجراحة الكهربائية .

ازدادت شعبية هذا المجال مع نشر كتاب "ما هي الحياة؟" لإرفين شرودنغر . ومنذ عام 1957، نظم علماء الفيزياء الحيوية أنفسهم في الجمعية الفيزيائية الحيوية التي تضم الآن حوالي 9000 عضو حول العالم. ^{[ 11 ]}

ينتقد بعض المؤلفين، مثل روبرت روزن، علم الفيزياء الحيوية على أساس أن المنهج الفيزيائي الحيوي لا يأخذ في الاعتبار خصوصية الظواهر البيولوجية. ^{[ 12 ]}

بينما تمتلك بعض الكليات والجامعات أقسامًا متخصصة في الفيزياء الحيوية، عادةً على مستوى الدراسات العليا، فإن العديد منها لا يمتلك أقسامًا جامعية متخصصة في الفيزياء الحيوية، بل يضم مجموعات في أقسام ذات صلة مثل الكيمياء الحيوية ، وبيولوجيا الخلية ، والكيمياء ، وعلوم الحاسوب ، والهندسة ، والرياضيات ، والطب ، والبيولوجيا الجزيئية ، وعلم الأعصاب ، وعلم الأدوية ، والفيزياء ، وعلم وظائف الأعضاء . ويختلف التركيز المُعطى لمجالات الفيزياء الحيوية باختلاف نقاط قوة القسم في الجامعة. فيما يلي قائمة بأمثلة توضح كيفية تطبيق كل قسم لجهوده في دراسة الفيزياء الحيوية. هذه القائمة ليست شاملة، كما أن كل موضوع دراسي لا يقتصر على قسم معين. تضع كل مؤسسة أكاديمية قواعدها الخاصة، وهناك تداخل كبير بين الأقسام.

• علم الأحياء وعلم الأحياء الجزيئي - تنظيم الجينات ، وديناميكيات البروتين المفرد ، والطاقة الحيوية ، وتثبيت الرقعة ، والميكانيكا الحيوية ، وعلم الفيروسات .
• علم الأحياء الهيكلي – هياكل البروتينات والأحماض النووية والدهون والكربوهيدرات ومركباتها بدقة أنغستروم.
• الكيمياء الحيوية والكيمياء – التركيب الجزيئي الحيوي، الحمض النووي الريبوزي المتداخل الصغير (siRNA)، تركيب الأحماض النووية، علاقات التركيب والنشاط.
• علوم الحاسوب – الشبكات العصبية ، وقواعد بيانات الجزيئات الحيوية والأدوية.
• الكيمياء الحاسوبية – محاكاة الديناميكا الجزيئية ، والالتحام الجزيئي ، والكيمياء الكمومية
• المعلوماتية الحيوية – محاذاة التسلسل ، المحاذاة الهيكلية ، التنبؤ ببنية البروتين
• الرياضيات – نظرية الرسم البياني/الشبكة، نمذجة السكان، الأنظمة الديناميكية، علم الوراثة العرقي .
• الطب – أبحاث بيوفيزيائية تركز على الطب. الفيزياء الحيوية الطبية مجال وثيق الصلة بعلم وظائف الأعضاء، إذ تشرح جوانب وأجهزة الجسم المختلفة من منظور فيزيائي ورياضي. ومن الأمثلة على ذلك ديناميكيات تدفق الدم، وفيزياء الغازات في التنفس، والإشعاع في التشخيص والعلاج، وغير ذلك الكثير. تُدرَّس الفيزياء الحيوية كمادة تمهيدية في العديد من كليات الطب ، وخاصة في أوروبا.
• علم الأعصاب – دراسة الشبكات العصبية تجريبياً (تقطيع الدماغ) وكذلك نظرياً (نماذج الحاسوب)، سماحية الغشاء .
• علم الأدوية وعلم وظائف الأعضاء – علم القنوات ، علم وظائف الأعضاء الكهربائية ، التفاعلات الجزيئية الحيوية، الأغشية الخلوية، البوليكيتيدات .
• الفيزياء – الانتروبيا السالبة ، والعمليات العشوائية ، وتطوير التقنيات والأجهزة الفيزيائية الجديدة بالإضافة إلى تطبيقاتها.
• علم الأحياء الكمي – يطبق علم الأحياء الكمي ميكانيكا الكم على الكائنات والمشاكل البيولوجية. وتُستخدم فيه المتماكبات غير المترابطة لإنتاج استبدالات قواعد تعتمد على الزمن. وتشير هذه الدراسات إلى تطبيقات في الحوسبة الكمومية.
• علم الزراعة والزراعة

تتميز العديد من التقنيات الفيزيائية الحيوية بخصوصيتها في هذا المجال. وغالبًا ما يبدأ البحث في الفيزياء الحيوية من قبل علماء تلقوا تدريبًا في علم الأحياء أو الكيمياء أو الفيزياء.

• الجمعية الفيزيائية الحيوية
• مجلة علم وظائف الأعضاء: العدد الافتراضي لعام 2012: الفيزياء الحيوية وما وراءها
• ويكي الفيزياء الحيوية
• أرشيف روابط لموارد التعلم للطلاب: biophysika.de (60% باللغة الإنجليزية، 40% باللغة الألمانية)