المحتويات
يعمل علماء الفيزياء الحيوية على تطوير أساليب للتغلب على الأمراض، وإنتاج مصادر طاقة متجددة، وتصميم تقنيات رائدة. فما هي تطبيقات الفيزياء الحيوية، وما هي تقنياتها، لنتعرف في المقال التالي.
ما هي الفيزياء الحيوية
هو العلم الذي يعمل على تطبيق نظريات وقوانين علم الفيزياء من أجل حل المشكلات المتعلقة بعلم الأحياء.
يتداخل علم الفيزياء مع مواضيع عدة كتحليل المتتاليات إلى جانب الشبكات العصبونية، بالإضافة إلى تداخلها مع دراسات تصنيع الأطراف الميكانيكية للإنسان.
فالفيزياء الحيوية تعد الحقل العلمي المعني بدراسة أساليب ونظريات الفيزياء لفهم كيفية تحركك أجزاء الخلية المختلفة. كما أن للأجهزة الجسم المعقدة نصيبها من الدراسة كالدماغ، الدورة الدموية، والجهاز العصبي.
تطبيقات الفيزياء الحيوية
- التصوير الطبي:
طور العلماء تقنيات تصوير التشخيص الطبي المتطورة، بما في ذلك التصوير بالرنين المغناطيسي والتصوير المقطعي المحوسب ومسح بولي إيثيلين تيرفثالات، كما وأنها تستمر في تطوير تكنولوجيا أكثر أماناً وأسرع وأكثر دقة لتحسين التصوير الطبي وتعليمنا المزيد عن أعمال الجسم الداخلية.
- تحليل وفهم البنية البيولوجية للجزيئات الخلوية:
إن استخدام تقنياتها أتاح للعلماء فرصة تحليل ومعرفة بنية جزيئات الحمض النووي وتبسيطها بواسطة الأشعة السينية حيث تمكن العلماء من الحصول على تسلسل الحمض النووي DNA، وفهم آليات ارتباطه، كما تم استخدام تقنيات مماثلة لفهم بنية البروتينات داخل الخلية، وكذلك دراسة الفيروسات.
- تحليل البيانات:
اُستخدمت تقنياتها في تحليل البنية الجزيئية للحمض النووي DNA في عام 1953م، حيث يُمكننا الآن قراءة تسلسل الحمض النووي لآلاف البشر وجميع أنواع الكائنات الحية، إذ تعتبر تقنية الفيزياء الحيوية من التقنيات الضرورية لتحليل هذه الكميات الهائلة من البيانات الضخمة.
جائحة كوفيد19 (Corona virus)
ساعدت تقنياتها على تحليل وفهم على بنية الفيروس عن طريق الأشعة السينية وتقنيات علم البلورات، حيث تم إجراء تحليل مكثف لفهم بنية البروتين داخل الفيروس وتطوير اللقاحات والعديد من العلاجات الأخرى.
- التطبيقات البيئية:
تبحث الفيزياء الحيوية في المجموعات الميكروبية المتنوعة التي تعيش في كل مكان على الكوكب. ومن جانب آخر، تقيس جميع جوانب البيئة بدءاً من الستراتوسفير إلى الفتحات العميقة في المحيط.
ويلاحقون الملوثات عبر الغلاف الجوي، كما أنهم يسعون لابتكار طريقة لتحويل الطحالب إلى وقود حيوي يستخدم في شتى المجالات.
- 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 التي تحدث في الدماغ.
- هندسة الجينات وتقنية النانو:
تُعد الفيزياء الحيوية من المجالات المهمة لفهم الميكانيكا الحيوية، ومن ثم تطبيق هذه المعلومات على تصميم أطراف اصطناعية أفضل، ومواد نانوية دقيقة يستخدمها علماء الصيدلة لتوصيل الأدوية.
- دراسة حركة الجزيئات:
أتاحت الفيزياء الحيوية للعلماء التعرف على نظام النقل الداخلي المعقد داخل الخلية، ذلك عن طريق استخدام علامات الفلورسنت الذي يؤثر على الخلايا ويجعلها تتوهج تحت الميكروسكوب وبالتالي كشف أسرارها. كما تمت معرفة الطريقة التي تتواصل فيها الخلايا فيما بينها وكيف تتحرك الهرمونات حول الخلية.
- نموذج الحاسوب:
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 .
- 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.
مجالات الفيزياء الحيوية
تم دمج هذا العلم في العديد من مجالات علم الأحياء المتنوعة، ومن أبرز هذه المجالات ما يأتي:
- مجال دراسة الفيزياء الحيوية للأغشية
يعمل هذا المجال على دراسة بنية ووظيفة الغشاء الخلوي (البلازمي) بما في ذلك القنوات الأيونية والبروتينات والمستقبلات المدمجة داخلها.
- مجال الدراسات الفيزيائية الحيوية الحاسوبية / النظرية
يعمل هذا المجال عن طريق استخدام النمذجة الرياضية لدراسة النظم البيولوجية.
- مجال هندسة البروتين
يعمل العلماء في هذا المجال على إنشاء وتعديل البروتينات وأيضاً وعلى فهم آلية عمل الإنزيمات والبروتينات للنهوض بالبيولوجيا التركيبية، غالباً ما تستخدم للنهوض بصحة الإنسان في شكل علاجات مرضية جديدة.
- مجال الدراسات الحيوية الجزيئية
يعمل هذا المجال عن طريق دراسة الهياكل الجزيئية للجزيئات البيولوجية بما في ذلك البروتينات والأحماض النووية والدهون.
- مجال دراسة آليات العمل الحيوية
يستخدم هذا المجال الآليات الفيزيائية لشرح حدوث العمليات البيولوجية، تتضمن بعض الآليات الفيزيائية تحويل الطاقة في الأغشية، طي البروتين وهيكله مما يؤدي إلى وظائف محددة، وحركة الخلايا، والسلوك الكهربائي للخلايا كالخلايا العصبية.
- مجال دراسة آلية حدوث الانقباضات العضلية
يعمل هذا المجال عن طريق تحديد الجزيئات ووصف التفاعلات الكيميائية في الألياف العضلية.
- مجالات دراسة وفهم آليات التواصل الحسي بين الخلايا
يعمل هذا المجال عن طريق التحليل الكمي للاستجابة الحسية والذي يعتبر صعباً للغاية، لأنه يتضمن توليف عمل العديد من الخلايا.