Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Кинезин использует динамику белкового домена на наноуровне, чтобы пройти по микротрубочке .

Биофизика - это 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 и т. Д.биомеханика , биология развития и системная биология .

Термин биофизика был первоначально введен Карлом Пирсоном в 1892 году. [4] [5] Неоднозначно, термин биофизика также регулярно используется в академических кругах для обозначения изучения физических величин (например, электрического тока , температуры , стресса , энтропии ) в биологических условиях. системы, что, по определению, осуществляется физиологией . Тем не менее, другие биологические науки также проводят исследования биофизических свойств живых организмов, включая молекулярную биологию , клеточную биологию , биофизику и т. Д.биохимия .

Обзор [ править ]

Молекулярная биофизика обычно обращается к биологическим вопросам, аналогичным вопросам 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 того, как эти взаимодействия регулируются. Чтобы ответить на эти вопросы, используются самые разные методы.

Рибосомой является биологической машиной , которая использует динамики белков

Для визуализации структур часто используются методы флуоресцентной визуализации, а также электронная микроскопия , рентгеновская кристаллография , ЯМР-спектроскопия , атомно-силовая микроскопия (AFM) и малоугловое рассеяние (SAS) как с рентгеновскими лучами, так и с нейтронами (SAXS / SANS). биологического значения. Динамику белков можно наблюдать с помощью спектроскопии нейтронного спинового эха . Конформационные изменения в структуре можно измерить с использованием таких методов, как интерферометрия с двойной поляризацией , круговой дихроизм , SAXS иSANS . Прямые манипуляции с молекулами с помощью оптического пинцета или АСМ также можно использовать для отслеживания биологических событий, когда силы и расстояния находятся на наномасштабе. Молекулярные биофизики часто рассматривают сложные биологические события как системы взаимодействующих объектов, которые можно понять, например, с помощью статистической механики , термодинамики и химической кинетики . Используя знания и экспериментальные методы из самых разных дисциплин, биофизики часто могут непосредственно наблюдать, моделировать или даже манипулировать структурами и взаимодействиями отдельных молекул или комплексов молекул.

В дополнение к традиционным (то есть молекулярным и клеточным) биофизическим темам, таким как структурная биология или кинетика ферментов , современная биофизика охватывает чрезвычайно широкий спектр исследований, от биоэлектроники до квантовой биологии, включая экспериментальные и теоретические инструменты. Она становится все более распространенным явлением для биофизиков применять модели и экспериментальные методы , полученные из физики , а также математиков и статистики , для более крупных систем , таких как ткани , органы , [6] популяции [7] и экосистем. Биофизические модели широко используются при изучении электропроводности отдельных нейронов , а также при анализе нейронных цепей как в тканях, так и в мозге в целом.

Медицинская физика , раздел биофизики, - это любое приложение физики к медицине или здравоохранению , от радиологии до микроскопии и наномедицины . Например, физик Ричард Фейнман теоретизировал о будущем наномедицины . Он написал об идее медицинского использования биологических машин (см. Наномашины ). Фейнман и Альберт Хиббс предположили, что некоторые ремонтные машины однажды могут быть уменьшены в размерах до такой степени, что можно будет (как выразился Фейнман) « проглотить доктора»Эта идея обсуждалась в эссе Фейнмана 1959 года . Внизу много места . [8]

История [ править ]

Некоторые из более ранних исследований в области биофизики проводились 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] Биофизику можно даже рассматривать как восходящую к исследованиям Луиджи Гальвани .

Популярность этого направления возросла после выхода книги « Что такое жизнь?». по Эрвин Шрёдингер был опубликован. С 1957 года биофизики объединились в Биофизическое общество, которое сейчас насчитывает около 9000 членов во всем мире. [10]

Некоторые авторы, такие как Роберт Розен, критикуют биофизику на том основании, что биофизический метод не принимает во внимание специфику биологических явлений. [11]

Фокус как подполе [ править ]

В то время как в некоторых колледжах и университетах есть специальные отделы биофизики, обычно на уровне выпускников, во многих нет отделений биофизики университетского уровня, вместо этого есть группы в смежных отделах, таких как биохимия , клеточная биология , химия , информатика , инженерия , математика , медицина. , молекулярная биология , нейробиология , фармакология , физика и физиология. В зависимости от сильных сторон кафедры в университете разное внимание будет уделяться областям биофизики. Ниже приводится список примеров того, как каждый отдел прилагает свои усилия к изучению биофизики. Этот список не исчерпывающий. Также не каждый предмет обучения принадлежит исключительно какому-либо определенному отделу. Каждое учебное заведение устанавливает свои собственные правила, и между факультетами существует много общего. [ необходима цитата ]

  • Биологии и молекулярная биология - регуляция генов , одиночные динамики белков , биоэнергетика , патч зажим , биомеханика , virophysics .
  • Структурная биология - структуры с разрешением Ангстрема белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов и их комплексов.
  • Биохимия и химия - биомолекулярная структура, миРНК, структура нуклеиновой кислоты, взаимосвязь структура-активность.
  • Информатика - нейронные сети , биомолекулярные и лекарственные базы данных.
  • Вычислительная химия - моделирование молекулярной динамики , молекулярный док , квантовая химия
  • Биоинформатика - выравнивание последовательностей , структурное выравнивание , предсказание структуры белка
  • Математика - теория графов / сетей, популяционное моделирование, динамические системы, филогенетика .
  • Медицина - биофизические исследования, в которых особое внимание уделяется медицине. Медицинская биофизика - это область, тесно связанная с физиологией. Он объясняет различные аспекты и системы организма с физической и математической точки зрения. Примерами являются гидродинамика кровотока, газовая физика дыхания, радиация в диагностике / лечении и многое другое. Биофизика преподается как доклинический предмет во многих медицинских школах , в основном в Европе.
  • Неврология - изучение нейронных сетей экспериментально (срез мозга), а также теоретически (компьютерные модели), диэлектрическая проницаемость мембран, генная терапия, понимание опухолей.
  • Фармакология и физиология - каналомика , биомолекулярные взаимодействия, клеточные мембраны, поликетиды .
  • Физика - негэнтропия , случайные процессы и разработка новых физических методов и приборов, а также их применение.
  • Квантовая биология - область квантовой биологии применяет квантовую механику к биологическим объектам и проблемам. Декогерированные изомеры с образованием зависимых от времени оснований. Эти исследования предполагают приложения в квантовых вычислениях.
  • Агрономия и сельское хозяйство

Многие биофизические методы уникальны для этой области. Исследования в области биофизики часто инициируются учеными, которые по образованию были биологами, химиками или физиками.

См. Также [ править ]

  • Биофизическое общество
  • Указатель статей по биофизике
  • Список публикаций по биологии - Биофизика
  • Список публикаций по физике - Биофизика
  • Список биофизиков
  • Очерк биофизики
  • Биофизическая химия
  • Ассоциация европейских биофизических обществ
  • Медицинская биофизика
  • Мембранная биофизика
  • Молекулярная биофизика
  • Нейрофизика
  • Физиомика
  • Вирофизика

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Биофизика | наука" . Британская энциклопедия . Проверено 26 июля 2018 .
  2. ↑ Zhou HX (март 2011 г.). «Q&A: Что такое биофизика?» . BMC Biology . 9 : 13. DOI : 10.1186 / 1741-7007-9-13 . PMC 3055214 . PMID 21371342 .  
  3. ^ «Определение биофизики» . www.dictionary.com . Проверено 26 июля 2018 .
  4. ^ Пирсон, Карл (1892). Грамматика науки . п. 470.
  5. ^ Роланд Глейзер . Биофизика: Введение . Springer; 23 апреля 2012 г. ISBN 978-3-642-25212-9 . 
  6. ^ Сахай, Эрик; Трепат, Ксавьер (июль 2018 г.). «Мезомасштабные физические принципы коллективной клеточной организации». Физика природы . 14 (7): 671–682. Bibcode : 2018NatPh..14..671T . DOI : 10.1038 / s41567-018-0194-9 . ISSN 1745-2481 . S2CID 125739111 .  
  7. ^ Popkin, Габриэль (2016-01-07). «Физика жизни» . Новости природы . 529 (7584): 16–18. Bibcode : 2016Natur.529 ... 16P . DOI : 10.1038 / 529016a . PMID 26738578 . 
  8. ^ Фейнман RP (декабрь 1959). «Внизу много места» . Архивировано из оригинала на 2010-02-11 . Проверено 1 января 2017 .
  9. ↑ Franceschetti DR (15 мая 2012 г.). Прикладная наука . Салем Пресс Инк. Стр. 234. ISBN 978-1-58765-781-8.
  10. ^ Розен J, Gothard LQ (2009). Энциклопедия физических наук . Издание информационной базы. п. 4 9. ISBN 978-0-8160-7011-4.
  11. ^ Лонго G, Montévil M (2012-01-01). «Инертное против живого состояния материи: расширенная критичность, временная геометрия, антиэнтропия - обзор» . Границы физиологии . 3 : 39. DOI : 10,3389 / fphys.2012.00039 . PMC 3286818 . PMID 22375127 .  

Источники [ править ]

Библиотечные ресурсы по
биофизике
  • Ресурсы в вашей библиотеке
  • Ресурсы в других библиотеках
  • Перуц М.Ф. (1962). Белки и нуклеиновые кислоты: структура и функции . Амстердам: Эльзевир. ASIN  B000TS8P4G .
  • Перуц М.Ф. (май 1969 г.). «Крооновская лекция, 1968. Молекула гемоглобина». Труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки . 173 (1031): 113–40. Bibcode : 1969RSPSB.173..113P . DOI : 10,1098 / rspb.1969.0043 . PMID  4389425 . S2CID  22104752 .
  • Догонадзе Р.Р., Урушадзе З.Д. (1971). «Полуклассический метод расчета скорости химических реакций, протекающих в полярных жидкостях». J. Electroanal Chem . 32 (2): 235–245. DOI : 10.1016 / S0022-0728 (71) 80189-4 .
  • Волькенштейн М.В., Догонадзе Р., Мадумаров А.К., Урушадзе З.Д., Харкац Ю.И. (1972). «Теория ферментного катализа». Молекулярная биология . Москва. 6 : 431–439. На русском, аннотация на английском. Доступны переводы на итальянский, испанский, английский, французский
  • Родни М.Дж. Коттерилл (2002). Биофизика: Введение . Вайли . ISBN 978-0-471-48538-4.
  • Снеппен К., Зоччи Г. (17 октября 2005 г.). Физика в молекулярной биологии (1-е изд.). Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-84419-2.
  • Glaser R (23 ноября 2004 г.). Биофизика: Введение (Скорректированная ред.). Springer. ISBN 978-3-540-67088-9.
  • Хобби РК, Рот Би Джей (2006). Физика среднего уровня для медицины и биологии (4-е изд.). Springer. ISBN 978-0-387-30942-2.
  • Cooper WG (август 2009 г.). «Доказательства квантовой обработки транскриптазы подразумевают запутанность и декогеренцию суперпозиционных состояний протонов». Биосистемы . 97 (2): 73–89. DOI : 10.1016 / j.biosystems.2009.04.010 . PMID  19427355 .
  • Cooper WG (декабрь 2009 г.). «Необходимость квантовой когерентности для учета спектра зависимых от времени мутаций, проявляемых бактериофагом Т4». Биохимическая генетика . 47 (11–12): 892–910. DOI : 10.1007 / s10528-009-9293-8 . PMID  19882244 . S2CID  19325354 .
  • Гольдфарб Д (2010). Демистификация биофизики . Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-163365-9.

Внешние ссылки [ править ]

  • Биофизическое общество
  • Journal of Physiology: виртуальный выпуск 2012 г., Biophysics and Beyond
  • био-физика-вики
  • Архив ссылок на учебные ресурсы для студентов: biophysika.de (60% английский, 40% немецкий)