ביופיזיקה

בִּיּוֹפִיזִיקָה (Biophysics) או פיזיקה ביולוגית היא תחום בין-תחומי. היא חוקרת תופעות פיזיקליות ביצורים חיים. משתמשים בכלים מפיזיקה, מתמטיקה, כימיה ומדעי המחשב. בשנים האחרונות נוספו גם ננוטכנולוגיה (עבודה עם חומרים זעירים) ושיטות לבחינת מולקולות בודדות.

העיסוק בביו־פיזיקה החל מוקדם במדע. הניסוי של גלווני ב הראה שמערכת העצבים פועלת בעקרונות חשמליים. שימוש בכלים פיזיקליים, כמו מיקרוסקופים אופטיים ואלקטרוניים, הוביל לתגליות גדולות. רוברט הוק השתמש במיקרוסקופ מוקדם וגילה שהתאים הם יחידות החיים. עם הזמן התחומים התמקצעו: ביולוגיה הפכה לתיאורית יותר, פיזיקה למתמטית וכמותית.
במאה ה-20 הבינו שאפשר להרוויח מהשילוב. פיזיקאים החלו ליישם שיטות מתמטיות וניסווניות בביולוגיה כדי לבנות מודלים פשוטים שמסבירים עקרונות יסוד.

גילוי מבנה ה-DNA הוא דוגמה לשילוב שיטות פיזיקליות וביולוגיות. ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק פירשו את המבנה בעזרת "צילום 51" של רוזלינד פרנקלין. הצילום נעשה בשיטת קריסטלוגרפיה בקרני רנטגן (שיטה שמשתמשת בקרני רנטגן כדי לראות מבנה מולקולות).

מודל הודג'קין-הקסלי מסביר את התגובה החשמלית של תאי עצב. המודל מראה כיצד נוצרים אותות עצביים, כלומר איך חושבים ומעבירים מידע עצבים. הודג'קין והקסלי פיתחו את המודל בעקבות מחקר על סיבי דיונונים. העבודה פורסמה ב-1952 וזיכתה אותם בפרס נובל ב-1963.

כיום רבים חוקרים ביופיזיקה באוניברסיטאות. בדרך כלל החוקרים משולבים במחלקות שונות. בישראל יש מסלולי לימוד, בין היתר באוניברסיטת בר-אילן, באוניברסיטת חיפה, במסלול משולב בתל אביב ובמכון ויצמן שמציע תארים בפיזיקה ביולוגית.

מערכות ביולוגיות פועלות במים. הן מורכבות ממספר גדול של חלקיקים. לכן משתמשים בשיקולים סטטיסטיים (כלים שחוקרים התנהגות ממוצעת של מערכות). טווחי האנרגיה בתאים דומים לאנרגיה התרמית בטמפרטורת החדר, ולכן בדרך כלל לא צריך שיקולים קוונטיים.
נושאים מרכזיים: תנועה אקראית ודיפוזיה, משוואות לנז'בן שתורחב לחלקיקים בתמיסה (משוואה שמתארת כוח ותנועה בזרימה), מכניקה סטטיסטית ותורת התרמודינמיקה, הידרודינמיקה ומשוואות נאוויה-סטוקס שמתארות תנועת נוזלים, ומשוואת פואסון-בולצמן לתיאור אינטראקציות חשמליות בתמיסות יוניות.

שיטות פיזיקליות רבות שימשו והשתכללו לחקר ביולוגיה. בין השיטות החשובות: מיקרוסקופיה אופטית (כולל מיקרוסקופיה פלואורסצנטית וטכניקות מתקדמות כמו שני-פוטונים ו-FLIM), מיקרוסקופיה אלקטרונית, ומיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) שמודד פני שטח בכוח.
יש שיטות למדידת מולקולה בודדת, למשל תנועת חלקיק קשור (TPM), מלקחיים מגנטיות ואופטיות (כלי שממש מאפשר "לתפוס" ולמתוח מולקולות). תחומים נוספים כוללים מיקרו-וננו-זרימה, שיטות מיקרוסקופיות למדידת תאים חיים (FCS ו-FRAP), אלקטרופיזיולוגיה למדידת אותות חשמליים, והעברת אנרגיה רזונטיבית פלואורסצנטית (FRET) ללימוד מרחקים ואינטראקציות בין מולקולות.

בִּיּוֹפִיזִיקָה היא פיזיקה שעוסקת בחיים. חוקרים איך חוקים פיזיקליים עובדים בתאים ובחיות.

מאוד מוקדם גילו ניסויים שערכת העצבים פועלת עם חשמל. רוברט הוק הסתכל על רקמות במיקרוסקופ וראה תאים. מיקרוסקופים עזרו להבין חיים קטנים.

ווטסון וקריק גילו את צורת ה-DNA. רוזלינד פרנקלין לקחה צילום חשוב בשם "צילום 51". הם השתמשו בקרני רנטגן כדי לראות את צורת המולקולה.

מודל הודג'קין-הקסלי מסביר איך תאי עצב שולחים אותות חשמליים. החוקרים עשו ניסויים על דיונונים. על העבודה קיבלו פרס נובל.

ביופיזיקה היא תחום שקשור להרבה אוניברסיטאות. בישראל יש קורסים, למשל בתל אביב ובמכון ויצמן.

מיקרוסקופים רואים דברים קטנים. יש גם כלי שמודד כוחות על מולקולות, ומלקחיים מיוחדות שמושכות מולקולות זעירות. יש שיטות שמודדות אותות חשמל בתאים. יש גם שיטות שמראות מתי שתי מולקולות קרובות אחת לשנייה (FRET).

רבים משתמשים בכלים אלה כדי להבין טוב יותר איך חיים עובדים, מהקורסים ועד למחקרים על מולקולות בודדות.