biofysikk

Biofysikk er en tverrfaglig vitenskap som på den ene siden prøver å undersøke og beskrive prosesser i biologiske systemer ved hjelp av fysikkens lover og målemetoder, og på den annen side omhandler den målrettet ny og videreutvikling av fysiske metoder for undersøkelse av biologiske prosesser. Bionikk kan også tilordnes biofysikk. Kort sagt, biofysikk er anvendelsen av fysikk på det biologiske og omvendt. I det tyske universitetslandskapet er biofysikk et mindre emne . ^[1]

Spørsmål og problemer oppstår ikke bare fra biologi, men også fra medisinsk forskning og anvendelse. Biofysisk forskning krever derfor et nært samarbeid mellom forskere fra fysikk, biologi, kjemi , medisin og deres grensefag. Av denne grunn er biofysikk ved universiteter ikke nødvendigvis tildelt fysikkavdelingen. Selv om biofysikk opprinnelig utelukkende ble utført av forskere fra de ovennevnte fagområdene (spesielt fysikere), har det nå blitt opprettet uavhengige biofysikk-kurs ved flere tyske universiteter.

uttrykk

Ordet biofysikk består av det greske βίος, bios "life" og φυσική (θεωρία), physikē (theōria ) = "natural (research)". Historisk sett begynte fysikken med beskrivelsen av prosesser i livløs natur. Her blir det undersøkt i hvilken grad kunnskapen som er oppnådd kan brukes på levende natur. Begrepet biofysikk ble introdusert og myntet ^[2] av Boris Rajewsky da Kaiser Wilhelm Institute for Biophysics ble grunnlagt, det nåværende MPI for biofysikk.

Generelle prinsipper

Biologiske objekter (som starter med individuelle celler gjennom større cellenettverk, for eksempel vev eller organer , opp til høyere organismer ) er ekstremt komplekse i sin natur. Som regel kan biologiske prosesser bare undersøkes integrert ved hjelp av et stort antall påvirkningsfaktorer, som i mange tilfeller heller ikke er uavhengige av hverandre. Dette er en stor begrensning for klassisk biologi.

Essensen i fysikk er å redusere komplekse systemer til noen få påvirkningsfaktorer. I biofysikk blir det først forsøkt å redusere biologiske systemer til et nødvendig minimum. Ved hjelp av fysiske metoder blir det deretter gjort forsøk på disse forenklede modellsystemene for å undersøke prosessene i det biologiske systemet, ideelt sett på molekylært eller supramolekylært nivå, og å beskrive dem ved hjelp av fysiske lover. Ved å korrelere de biofysiske dataene med de tilsvarende biologiske dataene, kan det sikres at modellsystemet som brukes, er i stand til å beskrive det biologiske systemet tilstrekkelig. De viktigste grunnleggende for dette er lovene for termodynamikk og elektrodynamikk , men kvantemekanikk og klassisk mekanikk brukes også. Kunnskap om de fysiske lovene og teknikkene og en detaljert forståelse av biologiske systemer og de fysisk -kjemiske egenskapene til de involverte molekylene er av avgjørende betydning.

I tillegg har fysikken et stort antall metoder (f.eks. Fra spektroskopi eller mikroskopi ) som i sin opprinnelige form ikke er egnet for undersøkelse og behandling av biologiske objekter eller deres individuelle komponenter (f.eks. Lipider eller proteiner ) under fysiologiske forhold er passende. Et annet fokus for biofysikk er tilpasningen av disse metodene for å håndtere biologiske spørsmål. Videre brukes fysiske effekter også målrettet for å utvikle nye metoder basert på dem som gjør det mulig å undersøke biologiske prosesser. Bruksområdene for disse metodene spenner fra nesten alle områder av biologi til medisinsk diagnostikk og terapi.

Biofysikk er en kobling mellom biologi og, i tillegg til fysikk, et stort antall andre vitenskapelige disipliner, for eksempel medisin , medisinsk teknologi , kjemi , biokjemi , fysisk kjemi, datavitenskap, etc. Biofysisk forskning krever derfor et nært samarbeid mellom forskere fra forskjellige feltet drives derfor ofte ikke utelukkende i fysiske institutter. Ofte kan biofysisk orienterte arbeidsgrupper også finnes i biologiske, kjemiske, farmakologiske og medisinske avdelinger eller fakulteter .

Delområder

Som de fleste andre naturvitenskap er biofysikk også inndelt i forskjellige delområder. Delområdene overlapper imidlertid delvis, og et spesifikt biologisk spørsmål kan derfor sjelden tilordnes klart et delområde.

De forskjellige delområdene presenteres kort nedenfor:

• Cellulær eller molekylær biofysikk omhandler blant annet biopolymerer, proteinstrukturer og proteindynamikk, lysabsorpsjon og fysiske modeller av enzymer .
• Membranbiofysikk omhandler undersøkelse av de fysisk -kjemiske egenskapene til biomembraner og deres funksjonelle komponenter, f.eks. B. kanaler , reseptorer og transportører , og deres interaksjon med bioaktive stoffer, f.eks. B. peptider .
• Elektrofysiologi undersøker funksjon og interaksjon mellom elektrisk exciterbare celler i nervesystemet og i musklene .
• Neurofysikk omhandler anvendelse og videreutvikling av fysiske konsepter og målemetoder for forskning på nervesystemet.
• Biomekanikk omhandler funksjoner og strukturer i muskuloskeletale systemer og bevegelser av biologiske systemer.
• Fotobiofysikk og biofotonikk omhandler effekten av eksterne lyskilder på levende systemer og funksjonen til fotonemisjon i levende systemer.
• Bioenergetikk omhandler termodynamikken i metabolske prosesser.
• Strålingsbiofysikk omhandler effekten av ioniserende stråling på organismer og deres anvendelse, for eksempel i terapi.
• Aerosolforskning undersøker egenskapene til aerosolpartikler (f.eks. Fint støv) og deres risiko.
• Bioinformatikk er ikke en gren av biofysikk i streng forstand, men er nært knyttet til den på mange punkter, f.eks. B. i sekvensering av det menneskelige genomet .
• Spektroskopi omhandler de spektroskopiske metodene som er viktige i biologi (f.eks. Magnetisk resonansspektroskopi , UV / VIS -spektroskopi ).
• Supramolekylære forbindelser
• Systems Neuroscience
• Nevral koding - representasjon av informasjon av nervecellene i hjernen.
• Teoretisk biofysikk

Viktige biofysikere og forskere viktige for biofysikk

• Alfred Lotka , evolusjonstolk basert på fysiske prosesser.
• Luigi Galvani , oppdageren av bioelektrisitet
• Georg von Békésy , Research on the Human Ear, Nobel Prize 1961
• Friedrich Dessauer , strålingsforskning og radiologi , grunnlegger av biofysikk, direktør for "Institute for Physical Basics of Medicine", som MPI for biofysikk kom fra
• Walter Friedrich regnes som en av grunnleggerne av biofysikk
• Heinz von Foerster var professor i biofysikk og ledet Biological Computer Laboratory (BCL) i Illinois.
• Daniel Carleton Gajdusek oppdaget et tidligere ukjent smittsomt protein ( prion )
• Hermann von Helmholtz var den første som målte hastigheten på nerveimpulser
• Bernard Katz oppdaget hvordan synapser fungerer
• Max Perutz og John Kendrew , pionerene innen protein krystallografi
• Boris Rajewsky etterfølger av Friedrich Dessauer og grunnlegger av "Kaiser Wilhelm Institute for Biophysics". Han fant ut begrepet "biofysikk".
• Maurice Wilkins og Rosalind Franklin , DNA krystallografi pionerer, Nobelprisen 1962
• Erwin Neher og Bert Sakmann , utviklere av patch clamp -teknologien , Nobelprisen 1991
• Irving Langmuir og Katherine Blodgett utviklet konseptet med monolaget, Langmuir mottok Nobelprisen i kjemi i 1932
• Adolf Fick etablerte Ficks lov for å beskrive diffusjonsprosesser
• Gerd Binnig oppfinner av atomkraftmikroskopet , Nobelprisen 1986 for oppfinnelsen av skanningstunnelmikroskopet sammen med Heinrich Rohrer
• Ernst Ruska regnes som far til elektronmikroskopi , Nobelprisen 1986
• Erich Sackmann , banebrytende arbeid innen cellebiofysikk, spesielt forskning på lipidmembraner og mekanikken i cytoskjelettet.
• J. Andrew McCammon , Bruce A. Gellin og Martin Karplus utførte den første molekylære dynamikk -simuleringen av et protein.

Biofysikk i Tyskland

undersøkelser

I Tyskland er universitetets biofysiske institutter og avdelinger stort sett knyttet til matematikk og naturvitenskap, men også til de medisinske fakultetene. I tillegg til universitetene, utføres også biofysisk forskning ved institutter for Leibniz Association og Max Planck Society . Det er også noen bioteknologiske og farmasøytiske selskaper som har sine egne biofysiske avdelinger.

lære bort

Biofysikk undervises ved mange universiteter - delvis som et mindre emne, delvis som et spesialiseringsfag eller delvis som et selvstendig studium. Biofysikk kan nås fra biologisk eller fysisk retning. Mesteparten av tiden er imidlertid biofysikk bare et hoved- eller underfag for fysikkstudenter. Imidlertid tilbyr mange universiteter en doktorgrad i biofysikk. Antallet universiteter som også tilbyr biofysikk som vitnemål , mastergrad og bachelorgrad øker.

German Society for Biophysics

De tyske biofysikerne er organisert i German Society for Biophysics (DGfB). Dette er medlem av European Biophysical Societies 'Association (EBSA) og International Union for Pure and Applied Biophysics (IUPAB). Det største og viktigste biofysiske samfunnet er Biophysical Society , det amerikanske biofysiske samfunnet, der tyskere også kan bli medlemmer.

litteratur

Referanse bøker

• Erich Sackmann, Rudolf Merkel: Textbook of Biophysics. Wiley-VCH, Weinheim 2010, ISBN 978-3-527-40535-0 .
• Gerold Adam, Peter Läuger, Günther Stark: Fysisk kjemi og biofysikk. Springer, Heidelberg 2003, ISBN 3-540-00066-6 .
• Rodney Cotterill: Biofysikk. En introduksjon. Wiley-VCH, Weinheim 2008, ISBN 978-3-527-40686-9 .
• Glaser: biofysikk. 4. utgave. UTB, Stuttgart 1996, ISBN 3-8252-8116-7 .
• Hoppe, Lohmann, Markl, Ziegler (red.): Biofysikk. Springer, Berlin 1982, ISBN 3-540-11335-5 .
• Michel Daune: Molecular Biophysics. Springer, Berlin 1997, ISBN 3-540-67046-7 .
• Wolfgang Laskowski : Biofysikk, struktur, energi, informasjon og byggesteiner i levende systemer , bind 1, Thieme Verlag, Stuttgart 1974, ISBN 978-3-13-502401-1 .
• Wolfgang Laskowski og Wolfgang Pohlit : Biofysikk, en introduksjon for biologer, leger og fysikere , bind 2, Deutscher Taschenbuch-Verlag, München 1974, ISBN 3-423-04230-3 . [1]
• Philip Nelson: Biologisk fysikk. Freeman, New York 2004, ISBN 0-7167-4372-8 .
• Bengt Nölting: Metoder i moderne biofysikk. 2. utgave. Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-27703-X .
• Helmut Pfützner: Applied Biophysics. Springer, Wien 2003, ISBN 3-211-00876-4 .
• Volker Schünemann: Biofysikk . Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-21163-2 .
• Helmut A. Tritthart (red.): Medisinsk fysikk og biofysikk. Schattauer, Stuttgart 2001, ISBN 3-7945-2054-8 .
• Roland Winter, Frank Noll: Metoder for biofysisk kjemi. Teubner, Stuttgart 1998, ISBN 3-519-03518-9 .
• Nicolau Beckmann: In-Vivo MR-spektroskopi. Potensial og begrensninger. Springer, Berlin 1992, ISBN 3-540-55029-1 ( In Vivo Magnetic Resonance Spectroscopy. Volume 3).
• Philipp OJ Scherer, Sighart F. Fischer: Teoretisk molekylær biofysikk. Springer 2010, ISBN 978-3-540-85609-2
• Werner Mäntele: Biofysikk. Ulmer, Stuttgart 2012, ISBN 978-3-8252-3270-2

Fagblader

• Biophysical Journal Journal of the American Biophysical Society ISSN 0006-3495 (engelsk)
• European Biophysics Journal Journal of the European Biophysical Society EBSA ISSN 0175-7571 (engelsk)
• Biochimica et Biophysica Acta - BBA
• Biokjemisk og biofysisk forskningskommunikasjon - BBRC
• Journal of Biological and Biophysical Methods

weblenker

Individuelle bevis

1. ↑ Små fag: Biofysikk på portalen for små fag. Hentet 12. juni 2019 .  
2. ↑ Om Max Planck Institute for Biophysics .