BIOFISICA: STORIA, COSA STUDIA, APPLICAZIONI, CONCETTI, METODI - BIOLOGIA - 2025

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

La cosiddetta biologia fisica, parte dall'idea che tutti i fenomeni osservati in natura hanno 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 della biofisica. Fonte: Joseluissc3

La discussione in cui la biofisica è considerata come una branca della fisica, della biologia o di entrambe è comune. In questo caso, è importante notare che la tendenza è quella di considerarlo una branca della biologia.

Questo perché lo scambio di conoscenze è solitamente generato dalla fisica alla biologia, che è stata arricchita da progressi e concetti fisici. Ma lo stesso contributo non può essere affermato in modo inverso, cioè dal punto di vista della fisica pura non si può dire che la biofisica offra nuove conoscenze.

La biofisica fornisce prove sperimentali alla fisica e quindi le consente di corroborare teorie, ma lo scambio tra fisica e biologia è chiaramente unidirezionale.

I biofisici sono addestrati nelle scienze quantitative della fisica, della matematica e della chimica per studiare tutto ciò che riguarda il funzionamento, la struttura, la dinamica e l'interazione dei sistemi biologici. Questi sistemi includono molecole complesse, cellule, organismi ed ecosistemi.

Storia

Le origini della biofisica risalgono al XVII secolo quando le scienze naturali non erano ancora state divise in discipline separate e all'epoca in cui si trovava la prima indagine sulla bioluminescenza.

Il primo studio rilevato fu quello del gesuita tedesco Athanasius Kircher (1602-1680), che pubblicò la sua opera Ars Magna Lucis et Umbrae e dedicò due capitoli alla luminescenza animale.

Il legame tra elettricità e biologia fu oggetto di speculazioni non solo nel XVII secolo, ma nei due secoli successivi. Durante il suo avvicinamento, divenne evidente il fascino dell'uomo per l'elettricità animale e naturale, come le lucciole o le scariche naturali dei fulmini.

In questa linea di ricerca, furono rilevati in Italia e verso la metà del XVIII secolo gli esperimenti di Giovanni Beccaria sulla stimolazione elettrica dei muscoli, che generarono conoscenza in questo settore.

Nel 1786 Luigi Galvani iniziò una polemica sul potenziale elettrico negli animali. Il suo avversario nientemeno che Alessandro Volta che, sviluppando la batteria elettrica, ha in qualche modo frenato l'interesse scientifico per il potenziale elettrico negli esseri viventi.

XIX secolo

Uno dei principali contributi nell'Ottocento fu quello del professore di fisiologia Du Bois-Reymond a Berlino, che costruì i galvanometri e realizzò 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 questi erano le forze responsabili del flusso passivo di materia negli organismi viventi, in particolare i gradienti di diffusione e la pressione osmotica. In questo senso spiccano i contributi dell'abate JA Nollet e di Adolf Fick.

Quest'ultimo è stato colui che ha pubblicato il primo testo biofisico Die medizinische Physik o Fisica medica in spagnolo. Nell'opera di Fick non sono stati effettuati esperimenti, ma piuttosto è stata sollevata un'analogia con le leggi del flusso di calore, che ha permesso di enunciare le leggi che regolano la diffusione. Successivi esperimenti di laboratorio hanno dimostrato che l'analogia era esatta.

XX secolo

Il ventesimo secolo è stato caratterizzato dall'inizio con una certa padronanza degli scienziati tedeschi, che si sono concentrati sullo studio degli effetti delle radiazioni.

Una tappa importante di questo periodo è stata la pubblicazione del libro ¿Qué es la vida? , di Erwin Schrödinger nel 1944. In questo è stata proposta l'esistenza di una molecola negli esseri viventi che conteneva informazioni genetiche in legami covalenti.

Questo libro e quell'idea ispirarono altri scienziati e li portarono a scoprire la struttura a doppia elica del DNA nel 1953. Furono James Watson, Rosalind Franklin e Francis Crick a fare la scoperta.

Nella seconda metà del XX secolo c'è un'evidente maturità della biofisica. In quei giorni i programmi universitari erano già stati presentati ed era popolare in altri paesi oltre alla Germania. Inoltre, l'indagine stava acquisendo sempre più ritmo.

Cosa sta studiando (oggetto di studio)

La biomeccanica è uno dei rami della biofisica. Fonte: Mutuauniversal

Il campo di studio della biofisica si estende a tutte le scale dell'organizzazione biologica, da quella molecolare a quella organica e ad altri sistemi più complessi. A seconda del centro dell'attenzione, la biofisica può essere suddivisa nei seguenti rami:

- Biomeccanica: studia le strutture meccaniche che esistono negli esseri viventi e che ne consentono il movimento.

- Bioelettricità: studia i processi elettromagnetici ed elettrochimici che avvengono negli organismi o che generano effetti su di essi.

- Bioenergetica: il suo oggetto di studio è la trasformazione dell'energia che avviene nei biosistemi.

- Bioacustica: è la scienza che indaga la produzione di onde sonore, la loro trasmissione con qualche mezzo e la cattura da parte di altri animali o sistemi viventi.

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

- Radiobiologia : studia gli effetti biologici delle radiazioni (ionizzanti e non ionizzanti) e le sue applicazioni in campo e in laboratorio.

- Dinamica delle proteine: studia i movimenti molecolari delle proteine ​​e considera la loro struttura, funzione e ripiegamento.

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

applicazioni

Gli argomenti indagati dalla biofisica possono sovrapporsi a quelli di biochimica, biologia molecolare, fisiologia, nanotecnologia, bioingegneria, biologia dei sistemi, biologia computazionale o chimica fisica, tra gli altri. Tuttavia, proveremo a 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 imaging che consentono di diagnosticare malattie e alla generazione di nuovi metodi farmacologici per trattare determinate patologie.

Con la comprensione della biomeccanica, questa branca della biologia ha reso possibile progettare protesi migliori e nanomateriali migliori con cui i farmaci possono essere somministrati.

Oggi la biofisica ha iniziato a concentrarsi su questioni legate al cambiamento climatico e ad altri fattori ambientali. Ad esempio, si sta lavorando allo sviluppo di biocarburanti attraverso microrganismi viventi per sostituire la benzina.

Anche le comunità microbiche vengono studiate e gli inquinanti nell'atmosfera vengono monitorati con le conoscenze acquisite.

Concetti principali

- Sistemi : è un aggregato ordinato di elementi compresi tra limiti reali o immaginari, che sono interconnessi e interagiscono tra loro.

- Proteine : grandi molecole presenti in tutte le cellule viventi. Sono costituiti da una o più lunghe catene di aminoacidi che si comportano come macchine che svolgono un'ampia varietà di funzioni, come quella strutturale (citoscheletro), meccanica (muscolare), biochimica (enzimi) e di segnalazione cellulare (ormoni).

- Biomembrane : sistema di fluidi che assolvono a 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 immagazzinate innumerevoli piccole molecole e funge da ancoraggio per le proteine.

- Conduzione : è il flusso di calore attraverso un mezzo solido dovuto alla vibrazione interna delle molecole, nonché agli elettroni liberi e alle collisioni tra di loro.

- 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 tramite onde elettromagnetiche.

- Acido desossiribonucleico (DNA) : nome chimico della molecola che contiene l'informazione genetica in tutti gli esseri viventi. La loro funzione principale è quella di memorizzare informazioni a lungo termine per costruire con altri componenti delle cellule, hanno anche istruzioni utilizzate per lo sviluppo e il funzionamento di tutti gli organismi viventi.

- Impulso nervoso : è un impulso elettrochimico che ha origine nel sistema nervoso centrale o negli organi di senso in presenza di uno stimolo. Questa onda elettrica che attraversa l'intero neurone viene sempre trasmessa in modo unidirezionale, entrando attraverso i dendriti delle cellule ed uscendo dall'assone.

- Contrazione muscolare: processo fisiologico in cui i muscoli si irrigidiscono, facendoli accorciare, rimanere o allungarsi per lo scorrimento delle strutture che lo compongono. Questo ciclo è legato alla struttura della fibra muscolare e alla trasmissione del potenziale elettrico attraverso i nervi.

metodi

Il biofisico AV Hill ritiene che l'atteggiamento mentale sarebbe lo strumento principale del biofisico. Con questo come fondamento, sostiene che i biofisici sono quegli individui che possono esprimere un problema in termini fisici, e che non sono differenziati dalle particolari tecniche utilizzate ma dal modo in cui formulano e attaccano i problemi.

A ciò si aggiunge la capacità di utilizzare una teoria fisica complessa e altri strumenti fisici per studiare gli oggetti naturali. Inoltre, non dipendono da strumenti costruiti commercialmente, poiché di solito hanno l'esperienza di assemblare attrezzature speciali per risolvere problemi biologici.

L'automazione delle analisi chimiche e di altri processi diagnostici mediante computer sono aspetti da considerare negli attuali metodi biofisici.

Inoltre, i biofisici sviluppano e utilizzano metodi di modellazione al computer, con i quali possono manipolare e osservare forme e strutture di molecole complesse, nonché virus e proteine.

Riferimenti

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