الفيزياء الحيوية
| جزء من سلسلة عن |
| الفيزياء |
|---|
 |
|
|
الفيزياء الحيوية هي علم متعدد التخصصات يطبق الأساليب والطرق المستخدمة تقليديًا في الفيزياء لدراسة الظواهر البيولوجية . [1] [2] [3] تغطي الفيزياء الحيوية جميع مقاييس التنظيم البيولوجي ، من الجزيئي إلى العضوي والسكاني . يتداخل البحث البيوفيزيائي بشكل كبير مع الكيمياء الحيوية وعلم الأحياء الجزيئي والكيمياء الفيزيائية وعلم وظائف الأعضاء وتكنولوجيا النانو والهندسة الحيوية وعلم الأحياء الحاسوبي والميكانيكا الحيوية وعلم الأحياء التنموي وعلم الأحياء النظمي .
تم تقديم مصطلح الفيزياء الحيوية في الأصل بواسطة كارل بيرسون في عام 1892. [4] [5] يُستخدم مصطلح الفيزياء الحيوية أيضًا بانتظام في الأوساط الأكاديمية للإشارة إلى دراسة الكميات الفيزيائية (مثل التيار الكهربائي ودرجة الحرارة والإجهاد والإنتروبيا ) في الأنظمة البيولوجية. كما تقوم العلوم البيولوجية الأخرى أيضًا بإجراء أبحاث حول الخصائص الفيزيائية الحيوية للكائنات الحية بما في ذلك علم الأحياء الجزيئي وعلم الأحياء الخلوي وعلم الأحياء الكيميائي والكيمياء الحيوية .
ملخص
تتناول الفيزياء الحيوية الجزيئية عادةً أسئلة بيولوجية مماثلة لتلك الموجودة في الكيمياء الحيوية وعلم الأحياء الجزيئي ، سعياً لإيجاد الأسس الفيزيائية للظواهر الجزيئية الحيوية. يجري العلماء في هذا المجال أبحاثًا تتعلق بفهم التفاعلات بين الأنظمة المختلفة للخلية، بما في ذلك التفاعلات بين الحمض النووي والحمض النووي الريبي وتخليق البروتين ، بالإضافة إلى كيفية تنظيم هذه التفاعلات. تُستخدم مجموعة كبيرة ومتنوعة من التقنيات للإجابة على هذه الأسئلة.
غالبًا ما تُستخدم تقنيات التصوير الفلوري ، بالإضافة إلى المجهر الإلكتروني ، وعلم البلورات بالأشعة السينية ، وطيف الرنين النووي المغناطيسي ، ومجهر القوة الذرية (AFM)، والتشتت بزاوية صغيرة (SAS) مع الأشعة السينية والنيوترونات (SAXS/SANS) لتصور الهياكل ذات الأهمية البيولوجية. يمكن ملاحظة ديناميكيات البروتين عن طريق مطيافية صدى الدوران النيوتروني . يمكن قياس التغير التكويني في البنية باستخدام تقنيات مثل التداخل ثنائي الاستقطاب ، والثنائي اللون الدائري ، و SAXS و SANS . يمكن أيضًا استخدام التلاعب المباشر بالجزيئات باستخدام الملقط البصري أو AFM ، لمراقبة الأحداث البيولوجية حيث تكون القوى والمسافات على نطاق النانو. غالبًا ما ينظر علماء الفيزياء الحيوية الجزيئية إلى الأحداث البيولوجية المعقدة على أنها أنظمة من الكيانات المتفاعلة والتي يمكن فهمها على سبيل المثال من خلال الميكانيكا الإحصائية والديناميكا الحرارية والحركية الكيميائية . من خلال استخلاص المعرفة والتقنيات التجريبية من مجموعة واسعة من التخصصات، غالبًا ما يتمكن علماء الفيزياء الحيوية من ملاحظة أو إنشاء نماذج أو حتى التلاعب بهياكل وتفاعلات الجزيئات الفردية أو مجمعات الجزيئات بشكل مباشر.
بالإضافة إلى الموضوعات البيوفيزيائية التقليدية (أي الجزيئية والخلوية) مثل علم الأحياء البنيوي أو حركية الإنزيم ، فإن الفيزياء الحيوية الحديثة تشمل مجموعة واسعة بشكل غير عادي من الأبحاث، من الإلكترونيات الحيوية إلى علم الأحياء الكمومي الذي ينطوي على أدوات تجريبية ونظرية. أصبح من الشائع بشكل متزايد أن يطبق علماء الفيزياء الحيوية النماذج والتقنيات التجريبية المستمدة من الفيزياء ، وكذلك الرياضيات والإحصاء ، على أنظمة أكبر مثل الأنسجة والأعضاء [6] والسكان [ 7] والنظم البيئية . تُستخدم النماذج البيوفيزيائية على نطاق واسع في دراسة التوصيل الكهربائي في الخلايا العصبية الفردية ، وكذلك تحليل الدوائر العصبية في كل من الأنسجة والدماغ بالكامل .
الفيزياء الطبية ، فرع من الفيزياء الحيوية، هي أي تطبيق للفيزياء على الطب أو الرعاية الصحية ، بدءًا من الأشعة 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 يتم تقليص حجمها يومًا ما إلى الحد الذي قد يصبح من الممكن (كما قال فاينمان) " ابتلاع الطبيب ". تمت مناقشة الفكرة في مقال فاينمان عام 1959 بعنوان " هناك مساحة كبيرة في القاع " . [8]
تاريخ
أرست دراسات لويجي جالفاني (1737-1798) الأساس لمجال الفيزياء الحيوية اللاحق. أجريت بعض الدراسات المبكرة في الفيزياء الحيوية في أربعينيات القرن التاسع عشر من قبل مجموعة تُعرف باسم مدرسة برلين لعلماء وظائف الأعضاء. وكان من بين أعضائها رواد مثل هيرمان فون هيلمهولتز وإرنست هاينريش فيبر وكارل ف . و . لودفيج ويوهانس بيتر مولر . [9]
يُنسب الفضل إلى ويليام تي. بوفي (1882-1958) باعتباره رائدًا في تطوير هذا المجال في منتصف القرن العشرين. وكان رائدًا في تطوير الجراحة الكهربائية .
ارتفعت شعبية هذا المجال عندما نُشر كتاب " ما هي الحياة؟" لإروين شرودنجر . ومنذ عام 1957، نظم علماء الفيزياء الحيوية أنفسهم في الجمعية البيوفيزيائية التي تضم الآن حوالي 9000 عضو في جميع أنحاء العالم. [10]
ينتقد بعض المؤلفين مثل روبرت روزن الفيزياء الحيوية على أساس أن الطريقة البيوفيزيائية لا تأخذ في الاعتبار خصوصية الظواهر البيولوجية. [11]
التركيز كحقل فرعي
في حين أن بعض الكليات والجامعات لديها أقسام مخصصة للفيزياء الحيوية، وعادة ما تكون على مستوى الدراسات العليا، فإن العديد منها لا تحتوي على أقسام فيزياء حيوية على مستوى الجامعة، وبدلاً من ذلك لديها مجموعات في أقسام ذات صلة مثل الكيمياء الحيوية ، وعلم الأحياء الخلوية ، والكيمياء ، وعلوم الكمبيوتر ، والهندسة ، والرياضيات ، والطب ، وعلم الأحياء الجزيئي ، وعلم الأعصاب ، وعلم الأدوية ، والفيزياء ، وعلم وظائف الأعضاء. اعتمادًا على نقاط القوة في القسم في الجامعة، سيتم إعطاء تركيز مختلف لمجالات الفيزياء الحيوية. فيما يلي قائمة بأمثلة لكيفية تطبيق كل قسم لجهوده نحو دراسة الفيزياء الحيوية. هذه القائمة ليست شاملة. ولا ينتمي كل موضوع دراسي حصريًا إلى أي قسم معين. تضع كل مؤسسة أكاديمية قواعدها الخاصة وهناك الكثير من التداخل بين الأقسام. [ بحاجة لمصدر ]
- علم الأحياء وعلم الأحياء الجزيئي - تنظيم الجينات ، ديناميكيات البروتين الفردي ، الطاقة الحيوية ، تثبيت الرقعة ، الميكانيكا الحيوية ، الفيزياء الفيروسية .
- علم الأحياء البنيوي - هياكل البروتينات والأحماض النووية والدهون والكربوهيدرات ومجمعاتها بدقة أنجستروم.
- الكيمياء الحيوية والكيمياء - البنية الجزيئية الحيوية ، siRNA، بنية الأحماض النووية، العلاقات بين البنية والنشاط.
- علوم الكمبيوتر – الشبكات العصبية وقواعد البيانات الجزيئية الحيوية والأدوية.
- الكيمياء الحاسوبية – محاكاة الديناميكيات الجزيئية ، الالتحام الجزيئي ، الكيمياء الكمومية
- المعلوماتية الحيوية – محاذاة التسلسل ، المحاذاة البنيوية ، التنبؤ ببنية البروتين
- الرياضيات - نظرية الرسم البياني/الشبكة، النمذجة السكانية، الأنظمة الديناميكية، علم الوراثة العرقي .
- الطب – بحث فيزيائي حيوي يركز على الطب. الفيزياء الحيوية الطبية هي مجال وثيق الصلة بعلم وظائف الأعضاء. تشرح جوانب وأنظمة مختلفة للجسم من منظور فيزيائي ورياضي. ومن الأمثلة على ذلك ديناميكيات السوائل لتدفق الدم، وفيزياء الغاز للتنفس، والإشعاع في التشخيص/العلاج وغير ذلك الكثير. يتم تدريس الفيزياء الحيوية كمادة ما قبل السريرية في العديد من كليات الطب ، وخاصة في أوروبا.
- علم الأعصاب - دراسة الشبكات العصبية تجريبيا (تقطيع الدماغ) وكذلك نظريا (نماذج الكمبيوتر)، نفاذية الغشاء .
- علم الأدوية وعلم وظائف الأعضاء - علم القنوات ، علم وظائف الأعضاء الكهربائية ، التفاعلات الجزيئية الحيوية، الأغشية الخلوية، البوليكيتيدات .
- الفيزياء - الانتروبيا السلبية ، والعمليات العشوائية ، وتطوير التقنيات والأجهزة الفيزيائية الجديدة ، فضلاً عن تطبيقها.
- علم الأحياء الكمومي – يطبق مجال علم الأحياء الكمومي ميكانيكا الكم على الأشياء والمشكلات البيولوجية. يتم استخدام متزامرات غير متماسكة لإنتاج استبدالات قاعدية تعتمد على الوقت. تتضمن هذه الدراسات تطبيقات في الحوسبة الكمومية.
- الزراعة وعلوم الزراعة
هناك العديد من التقنيات البيوفيزيائية الفريدة في هذا المجال. غالبًا ما يبدأ العلماء الذين تلقوا تدريبًا في مجال البيولوجيا أو الكيمياء أو الفيزياء جهود البحث في مجال الفيزياء الحيوية.
انظر أيضا
- الجمعية البيوفيزيائية
- فهرس مقالات الفيزياء الحيوية
- قائمة المنشورات في علم الأحياء – الفيزياء الحيوية
- قائمة المنشورات في الفيزياء – الفيزياء الحيوية
- قائمة علماء الفيزياء الحيوية
- مخطط الفيزياء الحيوية
- الكيمياء الحيوية الفيزيائية
- رابطة الجمعيات البيوفيزيائية الأوروبية
- علم الأحياء الرياضي والنظري
- الفيزياء الحيوية الطبية
- الفيزياء الحيوية للغشاء
- الفيزياء الحيوية الجزيئية
- الفيزياء العصبية
- الفيزيوميكس
- فيزياء الفيروسات
- مسار الجسيم الواحد
مراجع
- ^ "الفيزياء الحيوية | العلوم". موسوعة بريتانيكا . تم استرجاعه في 2018-07-26 .
- ^ Zhou HX (مارس 2011). "سؤال وجواب: ما هي الفيزياء الحيوية؟". BMC Biology . 9 : 13. doi : 10.1186/1741-7007-9-13 . PMC 3055214. PMID 21371342 .
- ^ "تعريف الفيزياء الحيوية". www.dictionary.com . تم الاسترجاع في 2018-07-26 .
- ^ بيرسون، كارل (1892). قواعد العلوم. ص 470.
- ^ رولان جلاسر . الفيزياء الحيوية: مقدمة . سبرينغر؛ 23 أبريل 2012. ISBN 978-3-642-25212-9 .
- ^ Sahai, Erik; Trepat, Xavier (يوليو 2018). "المبادئ الفيزيائية المتوسطة الحجم لتنظيم الخلايا الجماعية". 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.
- ^ Popkin, Gabriel (2016-01-07). "فيزياء الحياة". Nature News . 529 (7584): 16–18. Bibcode :2016Natur.529...16P. doi : 10.1038/529016a . PMID 26738578.
- ^ Feynman RP (ديسمبر 1959). "هناك مساحة كبيرة في القاع". مؤرشف من الأصل في 2010-02-11 . تم الاسترجاع في 2017-01-01 .
- ^ Franceschetti DR (15 مايو 2012). Applied Science. Salem Press Inc. ص 234. ISBN 978-1-58765-781-8.
- ^ Rosen J, Gothard LQ (2009). موسوعة العلوم الفيزيائية. Infobase Publishing. ص. 4 9. ISBN 978-0-8160-7011-4.
- ^ لونجو جي، مونتيفيل إم (2012-01-01). "الحالة الخاملة للمادة مقابل الحالة الحية: الحرجة الممتدة، هندسة الزمن، مضاد الإنتروبيا - نظرة عامة". فرونتيرز في علم وظائف الأعضاء . 3 : 39. doi : 10.3389/fphys.2012.00039 . PMC 3286818. PMID 22375127 .
مصادر
- بيروتز إم إف (1962). البروتينات والأحماض النووية: البنية والوظيفة . أمستردام: إلسفير. ASIN B000TS8P4G.
- بيروتز إم إف (مايو 1969). "المحاضرة الكرونية، 1968. جزيء الهيموجلوبين". وقائع الجمعية الملكية بلندن. السلسلة ب، العلوم البيولوجية . 173 (1031): 113-40. رمز المكتبة : 1969RSPSB.173..113P. doi : 10.1098/rspb.1969.0043. PMID 4389425. S2CID 22104752.
- دوجونادزي ر.ر.، أوروشادزي ز.د. (1971). "الطريقة شبه الكلاسيكية لحساب معدلات التفاعلات الكيميائية الجارية في السوائل القطبية". مجلة الكيمياء الكهربائية . 32 (2): 235-245. doi :10.1016/S0022-0728(71)80189-4.
- Volkenshtein MV, Dogonadze R, Madumarov AK, Urushadze ZD, Kharkats YI (1972). "نظرية تحفيز الإنزيم". Molekuliarnaia Biologiia . 6 (3). موسكو: 431–439. PMID 4645409.
ملخص باللغة الروسية والإنجليزية. الترجمات المتاحة باللغات الإيطالية والإسبانية والإنجليزية والفرنسية
- رودني إم جيه كوتريل (2002). الفيزياء الحيوية: مقدمة. وايلي . رقم ISBN 978-0-471-48538-4.
- Sneppen K, Zocchi G (2005-10-17). الفيزياء في البيولوجيا الجزيئية (طبعة واحدة). مطبعة جامعة كامبريدج . ISBN 978-0-521-84419-2.
- جلاسر ر. (2004-11-23). الفيزياء الحيوية: مقدمة (طبعة منقحة). سبرينغر. رقم ISBN 978-3-540-67088-9.
- هوبي آر كيه، روث بي جيه (2006). الفيزياء المتوسطة للطب والأحياء (الطبعة الرابعة). سبرينغر. رقم ISBN 978-0-387-30942-2.
- كوبر دبليو جي (أغسطس 2009). "الدليل على المعالجة الكمومية للنسخ الجيني يشير إلى تشابك وتفكك حالات البروتون المتراكبة". بيو سيستمز . 97 (2): 73-89. doi :10.1016/j.biosystems.2009.04.010. PMID 19427355.
- كوبر دبليو جي (ديسمبر 2009). "ضرورة التماسك الكمي لتفسير طيف الطفرات المعتمدة على الوقت التي تظهرها البكتيريا العاثية T4". علم الوراثة الكيميائية الحيوية . 47 (11-12): 892-910. doi :10.1007/s10528-009-9293-8. PMID 19882244. S2CID 19325354.
- جولدفارب د (2010). الفيزياء الحيوية منزوعة الغموض . ماكجرو هيل. ISBN 978-0-07-163365-9.
روابط خارجية
- الجمعية البيوفيزيائية
- مجلة الفسيولوجيا: العدد الافتراضي 2012 الفيزياء الحيوية وما بعدها
- ويكي الفيزياء الحيوية
- أرشيف الروابط لموارد التعلم للطلاب: biophysika.de (60% إنجليزية، 40% ألمانية)
