BIOFÍSICA: HISTÒRIA, QUÈ ESTUDIA, APLICACIONS, CONCEPTES, MÈTODES - BIOLOGIA - 2025

La biofísica és l'estudi de les lleis físiques que operen en els organismes vius. Es tracta d'una ciència interdisciplinària que aplica els enfocaments i els mètodes de la física per estudiar els fenòmens biològics.

La també coneguda biologia física, parteix de la idea que tots els fenòmens observats en la naturalesa tenen una explicació científica predictible i que tots els sistemes vius es conformen de processos basats en lleis físiques.

Doble hèlix de la cadena d'ADN. Un dels principals troballes en biofísica. Font: Joseluissc3

És comú la discussió en la qual es planteja a la biofísica com a branca de la física, de la biologia o de totes dues. En aquest cas, és important destacar que la tendència és a considerar-la branca de la biologia.

Això perquè l'intercanvi de coneixements sol generar-se de la física a la biologia, que s'ha vist enriquida pels avenços i conceptes físics. Però no es pot afirmar la mateixa aportació de manera inversa, és a dir des del punt de la física pura no pot dir-se que la biofísica li ofereixi nous coneixements.

La biofísica facilita evidència experimental a la física i amb això li permet corroborar teories però l'intercanvi entre física i biologia és netament unidireccional.

Els biofísics estan entrenats en les ciències quantitatives d'física, matemàtiques i química per estudiar tot el relacionat a l'funcionament, estructura, dinàmica i interacció dels sistemes biològics. Aquests sistemes inclouen molècules, cèl·lules, organismes i ecosistemes complexos.

història

Els orígens de la biofísica es remunten a el segle XVII quan encara no s'havien dividit les ciències naturals com a disciplines separades i en el moment en què se situa la primera investigació de la bioluminescència.

El primer estudi que es va detectar va ser el realitzat pel jesuïta alemany, Athanasius Kircher (1602-1680), qui va publicar la seva obra Ars Magna Lucis et Umbrae i va dedicar dos capítols a la luminiscència animal.

La vinculació entre electricitat i biologia va ser tema d'especulació no només al segle XVII, sinó en el els següents dos segles. Durant la seva abordatge es va fer evident la fascinació de l'home per l'electricitat animal i natural com a cuques de llum o en les descàrregues naturals dels llamps.

En aquesta línia d'investigació es detecta a Itàlia, ia mitjan el segle XVIII, els experiments de Giovanni Beccaria al voltant de l'estimulació elèctrica dels músculs que van anar generant coneixements en aquest àmbit.

En 1786, Luigi Galvani va iniciar una controvèrsia al voltant de l'potencial elèctric en animals. El seu oponent va ser ni més ni menys que Alessandro Volta qui a l'desenvolupar la bateria elèctrica va frenar una mica l'interès científic de l'potencial elèctric en éssers vius.

segles XIX

Un dels principals aportacions al segle XIX va ser el de Du Bois-Reymond professor de fisiologia a Berlín, qui va construir els galvanòmetres i va realitzar estudis sobre el corrent muscular i el potencial elèctric dels nervis. Aquest objecte d'estudi es va convertir en un dels llocs d'origen de la biofísica.

Un altre d'ells va ser el de les forces responsables de l'flux passiu de matèria en organismes vius, específicament els gradients de difusió i pressió osmòtica. En aquesta línia es destaquen les aportacions d'Abbé JA Nollet i Adolf Fick.

Aquest últim va ser qui va publicar el primer text de biofísica Die medizinische Physik o en espanyol Física mèdica. En el treball de Fick no es van realitzar experiments, sinó que es va plantejar una analogia amb les lleis de el flux de calor, el que va permetre enunciar les lleis que regeixen la difusió. Els experiments posteriors en laboratori van evidenciar que l'analogia era exacta.

segle XX

El segle XX es va caracteritzar per iniciar-se amb cert domini dels científics alemanys, els qui es van concentrar a estudiar els efectes de la radiació.

Una fita important d'aquest període va ser la publicació de el llibre Què és la vida?, D'Erwin Schrödinger el 1944. En aquest es proposava l'existència d'una molècula en els éssers vius que contenia informació genètica en enllaços covalents.

Aquest llibre i aquesta idea van inspirar a altres científics i els va conduir a descobrir l'estructura de doble hèlix de l'ADN en 1953. Van ser James Watson, Rosalind Franklin i Francis Crick qui van fer la troballa.

A la segona meitat de segle XX hi ha una evident maduresa de la biofísica. En aquests dies ja es presentaven programes universitaris i tenia popularitat en altres països més enllà d'Alemanya. A més, la investigació anava adquirint cada vegada més gran ritme.

Què estudia (objecte d'estudi)

La biomecànica és una de les branques de la biofísica. Font: Mutuauniversal

El camp d'estudi de la biofísica s'estén a totes les escales d'organització biològica, des de les moleculars fins a les orgàniques i altres sistemes més complexos. Depenent de el focus d'atenció la biofísica pot dividir-se en les següents branques:

- Biomecànica: estudia les estructures de caràcter mecànic que existeixen en els éssers vius i que permeten el moviment d'aquests.

- Bioelectricitat: estudia els processos electromagnètics i electroquímics que tenen lloc en els organismes o que generen efectes sobre ells.

- Bioenergètica: el seu objecte d'estudi és la transformació d'energia que passa en els biosistemes.

- Bioacústica: és la ciència que investiga la producció d'ones sonores, la seva transmissió per algun mitjà i captació per altres animals o sistemes vivents.

- Biofotònica: s'enfoca en les interaccions dels éssers vius amb els fotons.

- Radiobiología: estudia els efectes biològics de les radiacions (ionitzants i no ionitzants) i les seves aplicacions en camp i laboratori.

- Dinàmica proteica: estudia els moviments moleculars de proteïnes i considera la seva estructura, funció i plegament.

- Comunicació molecular: se centra a estudiar la generació, transmissió i recepció d'informació entre les molècules.

aplicacions

Els temes investigats per la biofísica poden tenir un solapament amb els de la bioquímica, biologia molecular, fisiologia, nanotecnologia, bioenginyeria, biologia de sistemes, biologia computacional o química-física, entre d'altres. No obstant això, intentarem delimitar les principals aplicacions de la biofísica.

Amb la troballa de l'ADN i la seva estructura, la biofísica ha contribuït a la creació de vacunes, a el desenvolupament de tècniques d'imatges que permetin diagnosticar malalties ia la generació de nous mètodes farmacològics per tractar determinades patologies.

Amb la comprensió de la biomecànica, aquesta branca de la biologia ha permès dissenyar millors pròtesis i millors nanomaterials amb els quals es puguin subministrar medicaments.

Avui dia, la biofísica ha començat a centrar-se en temes relacionats a el canvi climàtic i altres factors ambientals. Per exemple s'està treballant en el desenvolupament de biocombustibles a través de microorganismes vius per substituir la gasolina.

També s'estan investigant les comunitats microbianes i es rastregen contaminants a l'atmosfera amb els coneixements obtinguts.

conceptes principals

- Sistemes: és un agregat ordenat d'elements inclosos entre límits reals o imaginaris, que es troben interrelacionats i interactuen entre si.

- Proteïnes: grans molècules que es troben en totes les cèl·lules vives. Es componen d'una o més cadenes llargues d'aminoàcids que es comporten com màquines que duen a terme gran varietat de funcions, com estructurals (citoesquelet), mecàniques (múscul), bioquímiques (enzims) i de senyalització cel·lular (hormones).

- Biomembranes: sistema de fluids que compleixen amb nombroses funcions biològiques per al que han d'adaptar la seva composició i diversitat. Formen part de les cèl·lules de tots els éssers vius i és el lloc on s'emmagatzemen infinitat de molècules petites i serveix d'ancoratge de proteïnes.

- Conducció: és el flux de calor a través de mitjans sòlids per la vibració interna de les molècules, així com dels electrons lliures i per xocs entre ells.

- Convecció: es refereix a el flux d'energia a través de corrents d'un fluid (líquid o gas), és un moviment de volums de líquid o de gas.

- Radiació: transferència de calor mitjançant ones electromagnètiques.

- Àcid desoxiribonucleic (ADN): nom químic de la molècula que conté la informació genètica en tots els éssers vius. La seva funció principal és emmagatzemar informació a llarg termini per a construir amb altres components de les cèl·lules, a més tenen instruccions usades per al desenvolupament i funcionaments de tots els organismes vius.

- Impuls nerviós: és un impuls electroquímic que s'origina en el sistema nerviós central o en els òrgans dels sentits davant la presència d'un estímul. Aquesta ona elèctrica que recorre tota la neurona sempre es transmet de manera unidireccional, ingressant per les dendrites de les cèl·lules i sortint per l'axó.

- Contracció muscular: procés fisiològic en el qual els músculs es tensen, generant que s'escurcen, romanen o s'estirin pel lliscament de les estructures que el componen. Aquest cicle es troba vinculat a l'estructura de la fibra muscular i la transmissió de l'potencial elèctric pels nervis.

mètodes

El biofísic AV Hill considera que l'actitud mental seria la principal eina de l'biofísic. Amb aquesta com a fonament, planteja que els biofísics són aquells individus que poden expressar un problema en termes físics, i que no es diferencien per les tècniques particulars emprades sinó per la forma en que formulen i ataquen els problemes.

A això s'uneix la capacitat d'utilitzar la teoria física complexa i altres eines físiques per a estudiar els objectes naturals. A més no tenen dependència d'instruments construïts comercialment, ja que solen comptar amb l'experiència d'armar equips especials per resoldre problemes biològics.

L'automatització de les anàlisis químiques i altres processos de diagnòstic mitjançant ordinadors són aspectes a considerar en els mètodes de la biofísica actual.

A més els biofísics desenvolupen i usen mètodes de modelatge d'ordinador, amb els quals poden manipular i observar formes i estructures de molècules complexes, així com de virus i de proteïnes.

referències

1. Solomon, A. (2018, 30 de març). Biophysics. Encyclopædia Britannica. Recuperat en britannica.com
2. Biofísica. (2019, 18 de setembre). Viquipèdia L'enciclopèdia. Recuperat de wikipedia.org
3. Wikipedia contributors. (2019, 23 de setembre). Biophysics. En Wikipedia, The Free Encyclopedia. Recuperat de wikipedia.org
4. Què és la biofísica? Coneix les seves branques d'estudi i la seva història. (2018, 30 de novembre). Recuperat de ramasdelabiologia.net
5. Byophysical Society. (2019) What Is Biophysics. Recuperat de biophysics.org
6. Nahle, Nasif. (2007) Article Didàctic: Biofísica. Biology Cabinet Organization. Recuperat de biocab.org