الفيزياء الحيوية، هو المجال الذي يطبق نظريات وأساليب الفيزياء، لفهم كيفية عمل الأنظمة البيولوجية، وكانت الفيزياء الحيوية حاسمة في فهم آليات كيفية صنع جزيئات الحياة ، وكيف تتحرك أجزاء مختلفة من الخلية ، وكيف تعمل الأنظمة المعقدة في أجسامنا، الدماغ ، الدورة الدموية ، جهاز المناعة ، وغيرها، فالفيزياء الحيوية حقل علمي نابض بالحياة، حيث يقوم علماء من مجالات عديدة بما في ذلك الرياضيات والكيمياء والفيزياء والهندسة والصيدلة وعلوم المواد ، باستخدام مهاراتهم لاستكشاف وتطوير أدوات جديدة لفهم كيفية عمل علم الأحياء .

الفيزياء الحيوية وعلوم التجسير

يستخدم علماء الفيزياء الرياضيات لشرح ما يحدث في الطبيعة، ويريد علماء الحياة فهم كيفية عمل الأنظمة البيولوجية، وتشمل هذه الأنظمة الجزيئات والخلايا والكائنات الحية والنظم الإيكولوجية المعقدة للغاية، وتتضمن البحوث البيولوجية في القرن الحادي والعشرين، تجارب تنتج كميات هائلة من البيانات، ولكن كيف يمكن لعلماء الأحياء البدء في فهم هذه البيانات أو التنبؤ بكيفية عمل هذه الأنظمة، وهنا يأتي دور الفيزيائيين البيولوجيين، ويتم تدريب الفيزيائيين البيولوجيين بشكل فريد في العلوم الكمية للفيزياء والرياضيات والكيمياء ، وهم قادرون على معالجة مجموعة واسعة من الموضوعات ، بدءًا من كيفية اتصال الخلايا العصبية ، بكيفية التقاط الخلايا النباتية للضوء وتحويله إلى الطاقة ، وكيف يمكن أن التغييرات في الحمض النووي، للخلايا الصحية التي تحفز تحولها إلى خلايا السرطان ، لكثير من المشاكل البيولوجية الأخرى .

ما هي مهمة علماء الفيزياء الحيوية

يعمل الفيزيائيون الحيويون على تطوير طرق للتغلب على المرض ، والقضاء على الجوع العالمي ، وإنتاج مصادر الطاقة المتجددة ، وتصميم التقنيات الحديثة ، وحل ألغاز علمية لا حصر لها، باختصار ، إن الفيزيائيين البيولوجيين هم في طليعة حل مشاكل الإنسان القديمة وكذلك مشاكل المستقبل مثل :

1- تحليل البيانات ، حيث تم حل بنية الحمض النووي في عام 1953 باستخدام الفيزياء الحيوية ، وكان هذا الاكتشاف بالغ الأهمية لإظهار كيف أن الحمض النووي يشبه مخططًا للحياة، والآن يمكننا قراءة تسلسل الحمض النووي من آلاف البشر وجميع أنواع الكائنات الحية، كذلك التقنيات البيوفيزيائية ضرورية أيضا لتحليل هذه الكميات الهائلة من البيانات .

2- نموذج الحاسوب، يقوم علماء الفيزياء الحيوية بتطوير واستخدام أساليب النمذجة الحاسوبية لرؤية ومعالجة أشكال وهياكل البروتينات ، والفيروسات ، والجزيئات المعقدة الأخرى ، والمعلومات الحيوية اللازمة لتطوير أهداف دوائية جديدة ، أو فهم كيفية تحور البروتينات وتسبب نمو الأورام .

3- جزيئات الحركة، يدرس المتخصصون في الفيزياء الحيوية كيف تتحرك الهرمونات حول الخلية وكيف تتواصل الخلايا مع بعضها البعض، وباستخدام علامات الفلورسنت ، تمكن علماء الفيزياء الحيوية من جعل الخلايا تتوهج مثل يراعة تحت الميكروسكوب والتعرف على نظام النقل الداخلي المتطور للخلية .

4- علم الأعصاب، يقوم علماء الفيزياء الحيوية ببناء نماذج حاسوبية، وتسمى الشبكات العصبية لتوضيح كيفية عمل الدماغ والجهاز العصبي ، مما يؤدي إلى فهم جديد لكيفية معالجة المعلومات البصرية والسمعية .

5- الهندسة الحيوية ، النانوتكنولوجي ، المواد الحيوية، كما كان للفيزياء الحيوية أهمية كبيرة في فهم الميكانيكا الحيوية وتطبيق هذه المعلومات على تصميم أطراف صناعية أفضل ، وأسماء تماثل أفضل لتوصيل الدواء .

6- التصوير، طور علماء الفيزياء الحيوية تقنيات تصوير تشخيصية متطورة ، بما في ذلك التصوير بـ الرنين المغناطيسي والتصوير المقطعي المحوسب ومسح بولي إيثيلين تيرفثالات، وتستمر الفيزياء الحيوية في تطوير تكنولوجيا أكثر أمانًا وأسرع وأكثر دقة لتحسين التصوير الطبي وتعليمنا المزيد عن أعمال الجسم الداخلية .

7- التطبيقات الطبية، كانت الفيزياء الحيوية ضرورية لتطوير العديد من المعالجات والأجهزة المنقذة للحياة، بما في ذلك غسيل الكلى والعلاج الإشعاعي وأجهزة تنظيم ضربات القلب، وصمامات القلب الاصطناعية .

8- النظم البيئية، حيث تقيس الفيزياء الحيوية البيئية ونماذج جميع جوانب البيئة من الستراتوسفير، إلى الفتحات العميقة في المحيط، والباحثون الفيزيائيون البيئيون يبحثون في المجتمعات الميكروبية المتنوعة، التي تعيش في كل مكان من هذا الكوكب ، يتتبعون الملوثات عبر الغلاف الجوي ، ويجدون طرقًا لتحويل الطحالب إلى وقود حيوي .

كما إن المسائل البيولوجية التي تهم الفيزياء الحيوية متنوعة مثل دراسات كائنات البيولوجيا :

1- كيف تتدفق البوليمرات الخطية المكونة من 20 نوعًا من الأحماض الأمينية المختلفة إلى بروتينات ذات بنية دقيقة ثلاثية الأبعاد ووظائف بيولوجية محددة .

2- كيف يقوم جزيء DNA وحيد طويل جدًا بفك نفسه وتكرار نفسه أثناء انقسام الخلايا .

3- كيف يندمج الحمض النووي الريبي في تراكيب ثلاثية الأبعاد معقدة، وينفذ معاملات معقدة للغاية عندما يتكون من أربعة نيوكليوتيدات مشابهة كيميائياً .

4- كيف هي الموجات الصوتية ، أو الفوتونات ، أو الروائح ، أو النكهات ، أو اللمسات ، التي تم اكتشافها بواسطة عضو حسي وتحويلها إلى نبضات كهربائية، تزود الدماغ بمعلومات عن العالم الخارجي .

5- كيف تقوم خلية العضلات بتحويل الطاقة الكيميائية لتحلل مركب الطاقة العضوي، إلى قوة ميكانيكية وحركة .

6- كيف يقوم غشاء الخلية ، وهو حاجز دهني غير منفذ للجزيئات القابلة للذوبان في الماء ، بنقل هذه الجزيئات بشكل انتقائي من خلال الجزء الداخلي غير القطبي .

تسعى الفيزياء الحيوية للإجابة على هذه الأسئلة باستخدام نهج متعدد التخصصات للغاية، حيث يجمع بين التحليل الكيميائي والكيميائي الحيوي، لتحديد الجزيئات والتقنيات الطيفية والطرق الحسابية لفحص العلاقات بين خواصها الفيزيائية والوظيفة البيولوجية، ذلك من خلال القيام بذلك ، تشرح الفيزياء الحيوية الوظائف البيولوجية من حيث الآليات الجزيئية، وهي أوصاف مادية دقيقة لكيفية عمل الجزيئات الفردية معًا مثل روبوتات النانو، وهي صغيرة لإنتاج وظائف بيولوجية محددة .

ما وظيفة الفيزيائيون الحيويون

علماء الفيزياء الحيوية هم معلمون وباحثون في علم الأحياء والفيزياء والهندسة، والعديد من المجالات الأخرى، وهم يعملون في الجامعات والمستشفيات والشركات الناشئة التقنية، والشركات الهندسية التي تطور اختبارات تشخيصية جديدة، أو أنظمة توصيل الدواء أو الوقود الحيوي المحتمل، ويقوم الفيزيائيون الحيويون بتطوير نماذج حاسوبية لمعرفة السبب في أن سلالة جديدة من الأنفلونزا تفلت من الجهاز المناعي، أو أنها تصنع نماذج ثلاثية الأبعاد لهياكل بروتينية جديدة لفهم كيفية عملها بشكل أفضل، ويمارسون القانون في مجالات متخصصة مثل الملكية الفكرية ، ويكتبون عن العلوم من أجل المطبوعات والمطبوعات على الإنترنت ، ويعملون في الحكومة لتقديم المشورة إلى الهيئات التشريعية، وأولئك الذين تدربوا في الفيزياء الحيوية لديهم إمكانيات مهنية غير محدودة