Biofizica in ansamblul stiintelor biologice

Biofizica in ansamblul stiintelor biologice

In ultimele decenii s-au dezvoltat pregnant o serie de discipline de granita printre care si biofizica, drept rezultat al amplelor eforturi orientate spre descifrarea intimitatii mecanismelor vietii.

Definita succint, biofizica reprezinta studiul fenomenelor implicate in functionarea sistemelor biologice utilizand tehnici si concepte fizico-chimice precum si aparatul matematic asociat acestora.

Principalele tipuri de probleme pe care le abordeaza aceasta stiinta sunt:

studierea aspectelor fizice ale fenomenelor biologice, pentru cunoasterea acestora;

cunoasterea efectelor biologice ale factorilor fizici ambianti;

folosirea tehnicilor fizice in abordarea unor probleme de biologie.

Biofizica, in sens de fizica aplicata, utilizeaza mai toate capitolele clasice si moderne ale fizicii. Biomecanica studiaza un domeniu larg, pornind de la diferitele tipuri de locomotie animala, pana la mobilitatea celulara si proprietatile mecanice ale componentilor celulari. Bioenergetica studiaza utilizarea multiplelor conversii de energie la nivel celular si de organism. Studiul diferitelor manifestari bioelectrice celulare, tisulare si de organ, constituie baza unui grup important de investigatii clinice.

Din punctul de vedere al nivelului de organizare a sistemului biologic studiat, se disting:

Ø      biofizica moleculara: studiaza fenomenele ce se produc in agregatele supramoleculare

Ø      biofizica celulara: studiaza ansamblul de probleme biofizice (electrice, mecanice, termice) ce se petrec la nivel celular

Ø      biofizica sistemelor complexe: studiaza comportarea fenomenelor, de la nivel tisular si de organ, pana la sistemele biologice supraindividuale.

Biologia dateaza de cateva secole. Aceasta situatie este fireasca deoarece abordarii materialiste a oricarui aspect al naturii ii este proprie cautarea si explicarea mecanismelor fizice specifice domeniului respectiv. Pentru o intelegere mai buna a esentei biofizicii este indicata o privire istorica asupra dezvoltarii stiintelor naturii.

Inclinarea omeneasca de a explica functionarea organismului prin factori ai ambiantei s-a conturat inca din epocile timpurii ale istoriei:

in Grecia antica erau cautate corespondente intre sanatate si manifestarile atmosferice, incercandu-se folosirea fenomenelor si factorilor fizici in vederea prevenirii si vindecarii unor maladii; in secolul V i.e.n. Alcmaeon facea diferenta dintre artere si vene;

popoarele bazinului mediteranean foloseau 'arenoria' si 'heliosul', adica plaja si soarele;

in Egipt, papirusurile vorbesc despre circulatia sanguina sau contin informatii despre difuzia oxigenului prin plamani.

La dezvoltarea stiintelor biologice si-au adus o contributie foarte importanta reprezentantii lumii arabe, descoperirile lor fiind insa de multe ori uitate sau necunoscute si 'redescoperite' ulterior de reprezentanti ai culturilor occidentale. Astfel, in 980 e.n. Abu Al-Quasim Al-Zahravi (Abucasis) realizeaza o sistematizare a tehnicilor chirurgicale, incluzand si disectia; in 1020 Abu Ali Al-Hussain Ibn Abdallah Ibn Sina (Avicenna) descrie anatomia ochiului si a valvelor inimii; in 1240 Ibn Al-Nafis Damishqui descrie sistemul circulator.

Ulterior, Evul Mediu avea sa imbogateasca acest fond de notiuni gratie dezvoltarii empirice a practicii medicale si a progreselor pe care le-a facut anatomia.

Primele cercetari de biofizica trebuiesc considerate studiile lui Leonardo da Vinci asupra zborului pasarilor, in care a incercat sa explice miscarea vertebratelor in termenii fizicii pre-newtoniene; in 1490 el face observatii asupra actiunii capilarelor. Secolele XVI - XVII aduc si ele noutati in domeniu: in 1540 Servetus descopera circulatia pulmonara a sangelui; in 1619 Harvey descopera circulatia sangelui; in 1680 Borelli descrie natura mecanica a sistemului scheleto - muscular.

In secolul al XVIII-lea apar cele dintai studii asupra electricitatii animale, prilejuite de primele descoperiri legate de sursele de curent electric. Luigi Galvani (1737-1798) arata in lucrarea 'De viribus electricitatis in motu musculari' ca tesuturile produc electricitate. In 1771 descopera si natura electrica a impulsurilor nervoase. El intra intr-o lunga disputa cu Alessandro Volta (1745-1798), descoperitorul potentialelor de contact si inventatorul elementelor voltaice, care contesta ideea existentei unei electricitati de origine animala, considerand ca masuratorile lui Galvani reprezinta un rezultat al electricitatii de contact intre cele doua metale ale excitatorului. Alexander von Humbold (1760-1859) este cel care intr-o lucrare din tinerete, a transat aceasta disputa dovedind ca de fapt cele doua fenomene coexista: masuratorile pun in evidenta atat un curent electric generat de contactul metalic, cat si o producere reala de electricitate animala. In 1801, fizicianul si medicul englez Thomas Young a propus ipoteza tricromatica a vederii, aceasta stand la baza tuturor teoriilor moderne asupra vederii colorate.

In secolul al XIX-lea fizica s-a dezvoltat ca o disciplina teoretica, formuland principii de mare generalitate care explica regularitati aparent fara nici o legatura intre ele. Astfel, mecanica lui Newton explica miscarea planetelor, caderea corpurilor si mareele. Pe de alta parte, disciplinele biologice din secolul trecut erau fie descriptive (sistematice), fie experimentale (fiziologice), acestea din urma incercand sa stabileasca corelatii intre fenomene.

Un cercetator de referinta din perioada respectiva a fost Herman von Helmholtz (1821-1873) fiziolog, fizician si matematician. Printre cele mai importante realizari ale sale trebuie trecuta, in 1850, masurarea vitezei de propagare a impulsului nervos, utilizand un galvanometru balistic. Rezultatul obtinut, de 25-30 m/s a fost confirmat mai tarziu, cand a fost posibila utilizarea unor instrumente mai performante. Alte contributii la dezvoltarea biofizicii sunt: masurarea efectului termic al activitatii musculare, perfectionarea teoriei tricromatice a vederii, elaborarea teoriei auzului si a acomodarii cristalinului. El a fost cel dintai care a explicat timbrul sunetelor prin suprapunerea diferitelor armonice, eliminand ideea ca perceperea muzicii se datoreaza unor factori psihologici.

Colaborarea intre fizicieni si biologi a fost impusa de descoperirea razelor X de catre W. Roentgen (1895), raze care au folosite in diagnosticul medical si a caror actiune asupra organismului trebuia cunoscuta. Putin mai tarziu, descoperirea radioactivitatii naturale (1896) de catre H. Bequerel si sotii Curie si a radioactivitatii artificiale de catre sotii Joliot-Curie, au pus la indemana cercetatorilor atomii marcati, care reprezinta un urias progres metodologic. Acestia pot fi urmariti in organism si au permis cartarea metabolismului in anii 1940-1950. Un alt eveniment important are loc in 1931 cand apar lucrarile lui Lars Onsager, care dezvolta termodinamica proceselor ireversibile, care putea fi aplicata la sistemele deschise cum sunt cele biologice. In 1948 apare lucrarea lui Norbert Wiener 'Cibernetica sau control si comunicatie la animal si masina', care prezinta o teorie foarte generala cu mare putere unificatoare si s-a dezvoltat ca un capitol actual al biofizicii.

Despre adevarata constituire si dezvoltare a biofizicii se poate vorbi insa numai din secolul al XX-lea.

O problema des intalnita este aceea a explicarii mecanismului de functionare a sistemelor excitabile in organismele vii.

Erlanger, Gosse (Nobel, 1944) au identificat diferite tipuri de fibre nervoase, dupa vitezele de conducere si au reusit sa reconstituie prin calcul potentialul de actiune al unui nerv.

Cole (1930-1950) determina parametrul e^- (R, C) ai axonilor gigant de cefalopode si variatia lor in cursul propagarii impulsurilor.

In 1952 incepe utilizarea radioizotopilor in medicina.

Hodgsein, Huxley (Nobel, 1963) descriu matematic potentialul de actiune (influxul nervos) in functie de fluxurile de ioni ce trec prin membrana axonala.

Rezultate importante s-au obtinut si in studiul ultrastructurii celulare si organismelor celulare. Mentionam lucrarile lui J. Danielli asupra structurii membranelor biologice si pe cele ale lui G. Palade care a initiat aplicarea microscopiei electronice in cercetarea biologica (Nobel, 1974).

O alta preocupare majora o constituie descifrarea structurii spatiale a moleculelor biologice mari.

Pauling (Nobel, 1954) arata ca lanturile de proteine fibrilare pot avea structuri spiralate, iar Watson, Crick si Wilkins (Nobel l962) descifreaza structura spatiala de dubla elice a macromoleculelor de AND. Aceasta descoperire permite intelegerea mecanismelor de transmisie a informatiei ereditare.

Revenind la problema pusa initial: 'Cum definim biofizica in ansamblul stiintelor biologice?' putem accepta raspunsul ca este o disciplina care studiaza viata cu ajutorul modului de gandire si a metodelor fizicii, la diferite nivele de organizare: molecular, celular sau la nivelul sistemelor complexe. Studiul acestor nivele diferite de organizare utilizeaza un aparat teoretic si experimental diferit. Totodata acest studiu se poate face printr-o abordare de tip analitic, atunci cand se intra in detaliul de desfasurare al proceselor sau printr-o abordare de tip sistemic cand se formuleaza legi si teorii generale.

Prin insasi natura sa de multidisciplinaritate, biofizica are in mod necesar, legaturi stranse cu alte stiinte sau ramuri stiintifice dintre care amintim: biologia, fizica, chimia, matematica.