U1. BIOFIZICA: definiţie, descrierea caracterului inter-disciplinar, legăturile cu disciplinele înrudite

Obiective: - definiţia şi obiectul biofizicii - scurt istoric- ramurile biofizicii- nivelele de organizare a materiei vii- caracteristicile sistemelor vii- mijloace de investigare în biofizică

Competenţele unităţii de învăţare:După parcurgerea acestei unităţi de învăţare: Studenţii:

- se vor familiariza cu termenii specifici;- îşi vor însuşi noţiunile referitoare la ramurile biofizicii ;- vor conştientiza caracterul interdisciplinar al biofizicii.

Definiție: biofizica - de la gr. bios=viaţă şi fizică) - știința care studiază:

- viaţa cu ajutorul modului de gândire şi a metodelor fizicii,- structura, proprietăţile generale ,legile de mişcare, formele de existenţă materiei

- transformările reciproce ale acestor forme.

Obiect de studiu: îl constituie materia vie, precum şi fenomenele şi mecanismele fizice prin care aceasta îşi manifestă funcţionalitatea.

obiectului de studiu completează definiţia de mai sus → caracterul ei interdisciplinar. Biologii consideră că materia vie:

- este alcătuită din aceleaşi feluri de atomi şi molecule ca şi materia anorganică, - ascultă de legi ale fizicii şi chimiei, şi- viaţa este rezultatul unui ansamblu extrem de variat de reacţii chimice

capabile să capteze, stocheze, transforme şi să utilizeze energia cu eficacitate diferită, datorită unei organizări particulare a componentelor sale în structuri complexe.

1

Scurt istoric. Legătura biofizicii cu alte ştiinţe

Originile biofizicii trebuiesc căutate în istoria dezvoltării ştiinţelor naturii. Repere istorice:

Leonardo da Vinci (1452-1519)- realizează printre primele cercetări de biofizică asupra mecanismului mersului

și studii de hemodinamică- explică funcţionarea ochiului pe principiul camerei obscure

William Harvey (1578 – 1657), medic şi fiziolog englez,- studiază circulaţia sângelui şi rolul inimii.

Giovanni Alfonso Borelli( în 1680), medic, fiziolog şi fizician italian, - consideră procesele fiziologice ca rezultat al principiilor fizice şi- descrie natura mecanică a sistemului scheleto – muscular.

Issac Newton (1642 – 1727),- consideră că excitaţia se propagă de-a lungul nervilor ca şi unda luminoasă în

eterLuigi Galvani (1737-1798) arată că

- ţesuturile produc electricitate şi - descoperă natura electrică a impulsurilor nervoase

Thomas Young ( în 1801), fizician și medic englez, a propus- ipoteza tricromatică a vederii, aceasta stă la baza teoriilor moderne asupra

vederii colorateHerman von Helmholtz (1821-1873) fiziolog, fizician şi matematician

- măsoară viteza de propagare a impulsului nervos şi efectul termic al activităţii musculare,

- perfecţionează teoria tricromatică a vederii, - elaborează teoria auzului şi  a acomodării cristalinului- explică timbrul sunetelor prin suprapunerea diferitelor armonice

Wilhelm Roentgen( în 1895) - descoperă razele X ( folosite în diagnosticul medical şi în cercetarea

biologică)Henri Bequerel , fizician francez, (în 1896)

- descoperă radioactivitateaSoţii Joliot-Curie,

- descoperă radioactivitatea artificială cu deosebite aplicaţii în cercetare şi practică. Ex.:cartarea metabolismului (1940-1950) și utilizarea radioizotopilor în medicină (1952)Lars Onsager,

- dezvoltă termodinamica proceselor ireversibile (care poate fi aplicată la sistemele deschise cum sunt cele biologice)Erlanger şi Gosse (Premiul Nobel 1944)

2

- au identificat diferite tipuri de fibre nervoase,după vitezele de conducere şi- au reuşit să reconstituie prin calcul potenţialul de acţiune al unui nerv

Allan Lloyd Hodgkin şi Andrew Fielding Huxley, fiziologi englezi, (Premiul Nobel 1963)

- au descris matematic potenţialul de acţiune în funcţie de fluxurile de ioni ce trec prin membrana axionalăPauling ( Premiul Nobel 1954)

- arată că lanţurile de proteine fibrilare pot avea structuri spiralateWatson, Crick şi Wilkins (Premiul Nobel l962)

- descifrează structura spaţială de dublă elice a macromoleculelor de AND permițând astfel înţelegerea mecanismelor de transmisie a informaţiei ereditareGeorge Wald (Premiul Nobel 1967), biolog american,

- stabileşte principalele etape ale ciclului fotochimic al vederiiG. Nicolson şi S. Singer (1972 – 1974)

- propun modelul de mozaic fluid pentrumembrana celulară George Emil Palade (Premiul Nobel 1974)

- a iniţiat aplicarea microscopiei electronice în cercetarea biologică Rezultă faptul că biofizica este o ştiinţă aflată la graniţa dintre fizică şi biologie şi care, în plus, este strâns legată de chimie, biochimie, fiziologie.

Ramurile biofizicii:

1) - în funcţie de nivelul de organizare a sistemului biologic studiat se disting:• biofizica moleculară: care studiază proprietăţile moleculelor componente ale materiei vii

şi fenomenele care se produc în agregatele supramoleculare, • biofizica celulară care cuprinde ansamblul de probleme biofizice (electrice,

mecanice,termice, etc.) la nivel celular şi

• biofizica sistemelor complexe, cuprinde cercetările din biofizică începând de la nivel tisular, la nivel de organ, de organism şi până la sistemele biologice de nivel supraindividual.

2) - în ceea ce priveşte tipul de problematică abordată:• biofizica moleculară este în primul rând structurală, iar • biofizica sistemelor complexe, mai cu seamă funcţională.

Cele două aspecte se găsesc indisolubil legate într-un număr mare de direcţii de cercetare, cum ar fi de exemplu fotosinteza, gestiunea informaţiei genetice, motilitatea şi multe altele.

3) - privită în sens de fizică aplicată, biofizica utilizează aproape toate ramurile fizicii:

3

• biomecanica: are ca obiect de studiu de la proprietăţile mecanice ale componenţilor celulari, la motilitatea celulară şi până la locomoţia animală;

• bioenergetica şi biotermodinamica se ocupă de :- utilizarea şi multiplele conversii de energie la nivel celular şi de

organism, - problemele energetice ale marilor sisteme biologice de nivel

supraindividual• bioelectricitatea se ocupă de:

- manifestările electrice ce însoţesc activitatea celulelor şi organelor excitabile.

4) - d.p.d.v. al utilizării în biofizică a unor capitole moderne din fizica cuantică, fizica stării solide sau din domeniul fizicii stării lichide determină clasificarea biofizicii în:

• biocibernetica (biofizica cibernetică) care se ocupă cu:- interpretările cibernetice ale structurilor şi fenomenelor biologice, - analiza valorii informaţionale a energiei în lumea vie (teoria

bioinformaţiei), - aportul energiei la procesele de reglare şi mecanismele biofizice ale

comunicaţiei şireglării (teoria sistemelor cu reglare automată).

• radiobilologia se dezvoltă odată cu utilizarea energiei nucleare. Se ocupă cu - studierea acţiunii radiaţiilor ionizante (radiaţii nucleare şi Roentgen)

asupra organismelor vegetale şi animale (efectul radiobiologic).• cosmobiologia studiază:

- comportarea organismelor în condiţii extreme de viaţă;• bionica aplică modelele naturale în tehnică;• bioingineria aplică procedee inginereşti pentru obţinerea modificărilor dorite

de om la organismele vii.

4

5