Biofizyka

W biofizyka to dyscyplina na styku fizyczny i biologiczny gdzie koncepcje fizyczne i obserwacyjnych i modelowanie narzędzi fizyki są stosowane do zjawisk biologicznych.

Z postępów biofizyki skorzystało kilka dziedzin biologii w jej najszerszym znaczeniu. Ekologia, ewolucja gatunków, rozwój , medycyna , biologia komórki czy nawet biologia molekularna to tylko niektóre przykłady zastosowania zrozumienia biofizycznego.

Zastosowano tam podejście odziedziczone z fizyki, aby:

Współczesną biofizykę można podzielić na kilka kategorii: biofizykę medyczną (obrazowanie, promieniowanie, detekcja, optyka), biofizykę molekularną (struktura białek, oddziaływania białko-białko, struktura 3D DNA), biofizykę komórkową (mechanika komórki i jej składników). , modelowanie genetycznych sieci sygnałowych), biofizyka tkanek (proces wzrostu narządów, biomechanika , zjawiska migracji zbiorowych) oraz biofizyka środowiska i populacji (elementy środowiska biosfery , teoria ewolucji).

Krótka historia

Fizjolodzy, którzy byli pierwszymi biofizykami, wykazali później, że prawa fizyki są konieczne i wystarczające do wyjaśnienia istot żywych. Pod środku XIX e  wieku, Międzywydziałowa Szkoła jest skonstruowany w Berlinie, wokół postaci jak Johannes Müller i Hermann von Helmholtz i bada w szczególności rolę prądów elektrycznych w procesach nerwowych lub perspektywicznych fizjologiczny . Na początku XX th  wieku , Darcy Thompson opublikował swoje opus magnum, na wzrost i forma , gdzie pokazuje jak złożonym procesem rozwoju formę zarodka można wytłumaczyć zasad fizycznych i prostych matematyki, inspirowane przez przykład fizyki pianek . Podczas XX -go  wieku , teoria witalizmem spadła do użycia i biofizyki charakteryzacji trwa ogólny cel życia za pomocą technik fizycznych i chemicznych. Po II wojnie światowej kilku badaczy, zwłaszcza z Uniwersytetu w Cambridge, zrewolucjonizowało biofizykę, na przykład wykorzystując krystalografię rentgenowską do odkrywania struktury DNA ( James Watson , Francis Crick , Maurice Wilkins i Rosalind Franklin , pierwsi trzej uzyskali Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 1962 za to odkrycie), elektrofizjologia w odkryciu propagacji potencjału czynnościowego w nerwach ( Alan Lloyd Hodgkin i Andrew Huxley , otrzymanie Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 1963), czy rola chemikaliów procesy tworzenia wzorców w zarodku ( Alan Turing w 1952 r.).

Aspekt teoretyczny

Biofizyka zamierza wyjaśniać zjawiska biologiczne tymi samymi prawami, które obowiązują w reszcie świata. To dlaczego bezpośrednim spadkobiercą fizjologii z początku XX -go  wieku . Podobnie jak w przypadku wielu innych złożonych systemów ( plazmy , nadprzewodniki ...), biofizycy dążą do opracowania teorii dostosowanych do typowych zjawisk świata żywego. W wielu przypadkach takie teorie podkreślają pewne punkty wspólne między a priori bardzo różnymi obserwacjami i otwierają nowe perspektywy. Okazuje się, że żywe organizmy należą do najbardziej złożonych i różnorodnych systemów fizycznych dostępnych dla naszej obserwacji. Jednak istnieje niezwykła jedność na poziomie komórkowym, wykazana już przez pierwsze obserwacje komórek pod mikroskopem (Schleiden 1838, Schwanna 1840, Virchow 1855). Jednym z głównych przykładów uniwersalności w fizycznym i matematycznym opisie procesów biologicznych jest teoria reakcji-dyfuzji opracowana przez Turinga w 1952 roku w celu wyjaśnienia powstawania ex nihilo wzorów, takich jak paski lub kropki w sierści zwierząt podczas ich rozwoju. Teoria ta, będąca wciąż przedmiotem intensywnych badań w biologii rozwojowej, może być również stosowana do opisu procesów chemicznych, ekologicznych czy geologicznych.

Postępujące odkrywanie jedności procesów fizycznych zachodzących we wszystkich żywych komórkach było ważną siłą napędową rozwoju biofizyki. Fizycy rzeczywiście starają się wyjaśnić istotę obserwacji, proponując teorie syntetyczne. Największe sukcesy osiąga się, gdy kilka obserwacji w różnych kontekstach, w różnych organizmach , łączy się z tym samym fizycznym wyjaśnieniem.

Artykuły specjalistyczne:

Dziedziny fizyki teoretycznej szczególnie ważne w biofizyce:

Aspekt eksperymentalny

Techniki obserwacyjne rozwinięte głównie dzięki postępowi w fizyce:

Wszystko to wymaga manipulacji i oczyszczania tych cząsteczek za pomocą wysokociśnieniowej chromatografii cieczowej ( HPLC ), elektroforezy , krystalogenezy , cytometrii przepływowej , inżynierii genetycznej oraz technik pozwalających na uzyskanie w wystarczającej ilości identycznych cząsteczek, jak np. reakcja łańcuchowa polimerazy .

Sprzęt nie jest jeszcze w stanie „widzieć” cząsteczki, ale dzięki „oświetleniu” dużej liczby identycznych cząsteczek kontrolowanym promieniowaniem, od promieni rentgenowskich po fale radiowe (NMR, RPE), można wydedukować ich strukturę. analiza promieniowania reemisji. Niezbędne jest wykorzystanie fundamentalnego modelu teoretycznego opartego na fizyce kwantowej , a zatem wykorzystanie narzędzi komputerowych.

Reemitowane promieniowanie jest również wykorzystywane do lokalizowania tych cząsteczek w przestrzeni; to jest to, co jest używane w obrazowaniu. Często wiąże się to ze sprzęganiem cząsteczki będącej przedmiotem zainteresowania z biofotonicznym fluoroforem .

Istnieje niezliczona ilość przykładów zastosowania tych technik w medycynie. Możemy zachować na przykład zdekodowany genom , AIDS i białko TAT ( AIDS i tat (HIV)  (en) ), stosując RPE .

Jedna dyscyplina wykorzystuje te różne narzędzia i techniki w celu zastosowania ich w medycynie: genomika strukturalna .

Uwagi i referencje

  1. „  Elementy biofizyki  ” , na stronie cdn.uclouvain.be (dostęp 15 grudnia 2018 )
  2. (w) Daniel A. Fletcher , Orion D. Weiner i Alba Diz-Muñoz , „  W pogoni za mechaniką, która kształtuje powierzchnie komórek  ” , Nature Physics , tom.  14 N O  7,lipiec 2018, s.  648-652 ( ISSN  1745-2481 , DOI  10.1038 / s41567-018-0187-8 , czytanie online , dostęp 15 grudnia 2018 )
  3. (w) Erik Sahai i Xavier Trepat , "  Mezoskalowe zasady fizyczne kolektywnego organizmu komórkowego  " , Nature Physics , tom.  14 N O  7,lipiec 2018, s.  671-682 ( ISSN  1745-2481 , DOI  10.1038 / s41567-018-0194-9 , czytanie online , dostęp 15 grudnia 2018 )
  4. (w) Ewa K. Paluch , „  Biofizyka w czasie i przestrzeni  ” , Fizyka Natury , t.  14 N O  7,lipiec 2018, s.  646-647 ( ISSN  1745-2481 , DOI  10.1038 / s41567-018-0206-9 , czytanie online , dostęp 15 grudnia 2018 )
  5. „  Chemiczne podstawy morfogenezy  ” , na dna.caltech.edu (dostęp 15 grudnia 2018 )
  6. „  Morfogeneza: struktury Turinga istnieją  ” , na futura-sciences.com (dostęp 15 grudnia 2018 r. )

Wiedzieć więcej

Bibliografia

Powiązane artykuły

Linki zewnętrzne