بیوفیزیک (Biophysics)

بیوفیزیک علمی بین‌رشته‌ای است که رهیافت‌ها و روش‌هایی را که به طور سنتی در فیزیک استفاده می‌شوند را برای مطالعه پدیده‌های زیست‌شناختی به کار می‌برد. بیوفیزیک، تمام‌مقیاس‌های سازمان‌دهی زیستی را از مولکول‌ها گرفته تا جانداران و جمعیت‌ها را در بر می‌گیرد. تحقیقات بیوفیزیکی با این شاخه‌ها به طور قابل‌توجهی هم‌پوشانی دارد: بیوشیمی، زیست‌شناسی مولکولی، شیمی‌فیزیک، فیزیولوژی، نانو فناوری، مهندسی زیستی، زیست‌شناسی محاسباتی، بیومکانیک، زیست‌شناسی تکوینی و زیست‌شناسی سامانه‌ها. در ادامه‌ی این مقاله با روش‌های آموزش بیوفیزیک بیشتر آشنا خواهید شد.

آشنایی با بیوفیزیک

عبارت بیوفیزیک را کارل پیرسون در ۱۸۹۲ معرفی کرد. یکی از ابهاماتی که راجع به عنوان بیوفیزیک وجود دارد، این است که این عبارت را در مجامع دانشگاهی برای اشاره به مطالعه کمیت‌های فیزیکی (همچون جریان الکتریکی، دما، تنش، آنتروپی) در دستگاه‌های زیستی نیز به کار می‌برند که بر اساس تعریف اصولاً در علم فیزیولوژی مطالعه می‌گردند. با این وجود، سایر علوم زیست‌شناختی نیز روی خواص بیوفیزیکی موجودات زنده تحقیق می‌کنند، علوم مذکور شامل موارد زیر هستند:

• زیست‌شناسی مولکولی
• زیست‌شناسی سلولی
• بیوشیمی

بیوفیزیک شاخه‌ای نسبتاً جوان از علم است. در اوایل تا اواسط قرن بیستم بیوفیزیک به عنوان یک زیرشاخه از علوم پایه ایجاد شد. با این حال، پایه‌‌های مطالعه بیوفیزیک خیلی قبل‌تر، در قرن نوزدهم، توسط گروهی از فیزیولوژیست‌‌ها در برلین گذاشته شد. فیزیولوژیست‌‌های دانشکده فیزیولوژی در برلین شامل افرادی مانند «هرمان فون هلمهولتز» (Hermann von Helmholtz)، «امیل دوبوسی-ریموند» (Emil DuBois-Reymond)، «ارنست فون براک» (Ernst von Brücke) و «کارل لودویگ» (Carl Ludwig) بودند که همگی بر روی علم بیوفیزیک مطالعه می‌کردند.

تاریخچه علم بیوفیزیک

در سال 1856، «آدولف فیک» Adolf Fick یکی از دانشجویان لودویگ، توانست اولین کتاب درسی با عنوان بیوفیزیک را منتشر کند؛ اما در آن زمان فناوری و سطح علم فیزیک به اندازه کافی پیشرفت نکرده بود تا بتواند سیستم‌های بیولوژیک را به شکلی گسترده، مانند سطح مولکولی مورد مطالعه قرار دهد.

در نیمه اول قرن بیستم، دانشمندان آلمانی در شناخت بیوفیزیک از سایر دانشمندان جهان پیشی گرفتند. آن‌‌ها زمینه‌‌های الکترومغناطیسی و نور را مورد مطالعه قراردادند و عمدتاً این تحقیقات را برای مطالعه تأثیر تشعشعات روی موجودات زنده انجام دادند.

محبوبیت بیوفیزیک زمانی افزایش یافت که فیزیکدان اتریشی «اروین شرودینگر» (Erwin Schrödinger) کتاب «زندگی چیست؟» را در سال 1944 به چاپ رساند. این کتاب بر اساس یک سری سخنرانی‌‌های عمومی ‌نوشته شده بود که شرودینگر در توضیح روند زندگی موجودات از طریق فیزیک و شیمی ‌‌ارائه کرده بود. در این کتاب، او این ایده را مطرح كرد كه در موجودات زنده یک مولكول وجود دارد كه دارای اطلاعات ژنتیکی در پیوند‌‌های كووالانسی خود است.

این ایده برای دانشمندانی همچون «جیمز واتسون» (James Watson) و «فرانسیس کریک» (Francis Crick) جهت جستجوی و توصیف مولکول ژنتیکی الهام‌بخش بود و با کمک تحقیقات کریستالوگرافی با اشعه ایکس «روزالین فرانکلین» (Rosalind Franklin)، ساختار مارپیچ مضاعف DNA را در سال 1953 کشف کردند.

تا اواسط قرن بیستم، برنامه‌‌های بیوفیزیک در سایر کشور‌‌ها نیز گسترش پیدا کرد و به محبوبیت زیادی رسیده بود و از سال 1950 تا ۱۹۷۰ تحقیقات بیوفیزیک با سرعتی بیشتر از گذشته انجام شد. علاوه بر کشف DNA و ساختار آن، از تکنیک‌‌های بیوفیزیک نیز برای ایجاد واکسن، توسعه تکنیک‌‌های تصویربرداری مانند اسکن MRI و CAT برای کمک به پزشکان در تشخیص بیماری‌‌ها و ایجاد روش‌‌های جدید درمانی مانند دیالیز، پرتودرمانی و ضربان ساز استفاده شده است.

در حال حاضر، مطالعات بیوفیزیک به سمت موضوعات مربوط به تغییر آب‌وهوای زمین متمرکز شده است. به عنوان مثال، برخی از دانشمندان بیوفیزیک در حال تولید سوخت‌‌های زیستی از میکروارگانیسم‌‌های زنده هستند که می‌توانند به عنوان سوخت جایگزین بنزین مورد استفاده قرار گیرند.

مباحث میان‌رشته‌ای در دهه‌های اخیر مورد توجه ویژه‌ قرار گرفته‌اند. بیوفیزیک یکی از شاخه‌های میان‌رشته‌ای است که شامل فیزیک و زیست‌شناسی می‌شود. در این شاخه با در نظر گرفتن اصل علیت، به دنبال فهمیدن رفتارهای زیستی هستند. این رفتارها از مقیاس اتمی و مولکولی شروع شده و به مقیاس‌های بزرگ‌تری درسطح اعضاي بدن مانند قلب و عروق ختم می‌گردد.

در این مقاله زیرشاخه‌هایی از بیوفیزیک ارائه می‌گردد. در ابتدا به صورت مختصر دربارهٔ زیست‌شناسی و شیمی حیات صحبت می‌شود. مثلاً درمورد این که اسید آمینه چیست یا پیوندهاي هیدروژنی و آب‌دوست و آب‌گریز چه اهمیتی دارند. بعد از این موضوع، به فیزیک مقیاس پایین پرداخته می‌شود. مکانیک آماری و پدیده‌هایی مانند پخش و هیدرودینامیک در ابعاد پایین معرفی می‌شوند. سپس با استفاده از فیزیک ریزمقیاس، به بررسی اجزای مختلف یک سلول پرداخته می‌شود. برای مثال خواص مکانیکی غشاء سلولی و کانال‌های یونی یا موتورهای مولکولی مورد مطالعه قرار می‌گیرند.

بیوفیزیک پلی بین دو رشته

دانشمندان فیزیک از ریاضیات برای توضیح آنچه در طبیعت اتفاق می‌افتد، استفاده می‌کنند. از طرفی دیگر دانشمندان زیست‌شناسی در پی کشف نحوه عملکرد سیستم‌‌های بیولوژیکی هستند. این سیستم‌‌ها شامل مولکول‌‌ها،‌ سلول‌‌ها،‌ ارگانیسم‌‌ها و اکوسیستم‌‌هایی هستند که بسیار پیچیده رفتار می‌کنند. تحقیقات بیولوژیکی در قرن بیست و یکم شامل آزمایش‌هایی است که داده‌‌های فیزیکی و محاسباتی زیادی تولید می‌کنند. زیست شناسان به‌تنهایی نمی‌توانند این داده‌‌ها را درک کنند و یا پیش‌بینی کنند که چگونه این سیستم‌‌های بیولوژیکی بر طبق قوانین فیزیک کار می‌کنند.

این جایی است که بیوفیزیکدان‌‌ها وارد می‌شوند. بیوفیزیکدان‌‌ها در علوم کمی ‌فیزیک، ریاضیات و شیمی ‌آموزش دیده‌اند و قادرند طیف گسترده‌ای از مباحث را بررسی کنند که این مباحث شامل بررسی چگونگی ارتباط سلول‌‌های عصبی،‌ چگونگی جذب نور توسط سلول‌‌های گیاهی و تبدیل آن به انرژی، چگونگی تغییر در DNA سلول‌های سالم و تبدیل آن‌ها به سلول‌های سرطانی و بسیاری از مشکلات بیولوژیکی دیگر هستند.

انواع بیوفیزک

بیوفیزیک در بسیاری از شاخه‌‌های متنوع زیست‌شناسی گنجانده شده است. برخی از مباحث تحقیقاتی در زمینه بیوفیزیک یا زیست‌شناسی شامل موارد زیر هستند:

1. بیوفیزیک غشا (Membrane biophysics’): مطالعه ساختار و عملکرد غشاهای سلولی، از جمله کانال‌های یونی، پروتئین‌ها و گیرنده‌های تعبیه شده در آن‌ها در حوزه بیوفیزیک غشا جای می‌گیرند.

2. بیوفیزیک محاسباتی / نظری (Computational/theoretical biophysics’): استفاده از مدل‌سازی ریاضی برای مطالعه سیستم‌‌های بیولوژیکی در حوزه بیوفیزیک محاسباتی و نظری قرار می‌گیرد. در این شاخه فیزیک و عملکرد پروتئین‌‌ها، کمپلکس‌‌های مولکولی و ساختار‌های بیومولکولی در سطح اتمی‌ مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

3. مهندسی پروتئین (Protein engineering): به منظور ایجاد و اصلاح پروتئین‌‌ها برای توسعه زیست‌شناسی مصنوعی، از مهندسی پروتئین استفاده می‌شود. مهندسی پروتئین اغلب برای پیشبرد سلامت انسان در قالب درمان‌‌های جدید بیماری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

4. ساختار‌‌های مولکولی (Molecular Structures): بیوفیزیک ساختار‌‌های مولکولی، بر روی ساختمان مولکول‌‌های بیولوژیکی شامل پروتئین‌‌ها، اسید‌‌های نوکلئیک و لیپید‌‌ها مطالعه می‌کند.

5. مکانیسم‌‌ها: استفاده از مکانیسم‌‌های فیزیکی برای توضیح وقایع فرآیند‌‌های بیولوژیکی در شاخه بیوفیزیک مکانیسم‌‌ها جای می‌گیرد. برخی از مکانیسم‌‌های فیزیکی شامل انتقال انرژی در غشا‌‌ها تا خوردگی یا فولدینگ پروتئین (که موجب تشکیل ساختار منجر به عملکرد‌‌های خاص می‌شود)، حرکت سلولی و رفتار‌های الکتریکی سلول‌‌ها هستند.

شاخه‌های مختلف بیوفیزیک

بیوفیزیک به دلیل این که تلفیقی از دو رشته فیزیک و علوم زیستی است در شاخه‌های مختلفی طبقه‌بندی می‌شود:

1. بیوفیزیک مولکولی (Molecular Biophysics): این شاخه از بیوفیزیک مانند رشته‌های بیوشیمی و زیست‌شناسی مولکولی به دنبال یافتن ساختارهای فیزیکی، برهمکنش‌ها، تنظیمات بیومولکول‌های سلولی و پدیده‌های مولکولی است.

2. بیوفیزیک سلولی (Cellular Biophysics): بیوفیزیک سلولی یکی از شاخه‌های رشته بیوفیزیک است که بر اصول فیزیکی عملکرد سلول متمرکز است.

3. بیوفیزیک فیزیولوژیک (Physiological Biophysics): این شاخه به بررسی مکانیسم‌ها و عملکردهای اندام‌های مختلف بدن مانند مغز می‌پردازد.

4. بیوفیزیک پرتوها (Radiation Biophysics): این شاخه از بیوفیزیک به اثرات ناشی از پرتوها بر سیستم‌های زنده می‌پردازد.

5. بیوفیزیک نظری (theoretical Biophysics): به مطالعه و بررسی مدل‌سازی سامانه‌های زیستی بیوفیزیک نظری می‌گویند.

6. بیوفیزیک جمعیت‌های سلولی (Biophysics of Cell Populations): این بخش از بیوفیزیک به بررسی تقسیم و رشد سلول‌ها و مطالعه سلول‌های سرطانی می‌پردازد.

سخن آخر

در این مطلب به عنوان مکمل دوره آموزش بیوفیزیک به نکاتی درباره آموزش بیوفیزیک و توضیحی درباره این رشته پرداختیم. بیوفیزیک شاخه‌های مختلفی دارد که می‌توان بامطالعه‌ی این مطلب، انتخاب راحت‌تری در این رشته داشت.

اگر به فکر یادگیری مفاهیم بیوفیزیک هستید و دوست دارید پایه خود را در این علم قوی کنید، هم‌اکنون با ثبت‌نام در دوره آموزش بیوفیزیک دانشگاه صنعتی شریف، اولین و مهم‌ترین قدم خود را در این راستا بردارید.