الفيزياء الحيوية. قوانين الفيزياء تعمل داخل جسدك.

هل فكرت يومًا في الأسرار التي تدير العمليات الحيوية في أجسامنا؟ الفيزياء الحيوية هي السبيل لكشف هذه الأسرار! يجمع هذا المجال الفريد بين علوم الفيزياء والأحياء ليفتح لنا آفاقًا جديدة في فهم كيفية عمل الحياة على المستوى الجزيئي. انضم إلينا في استكشاف عالم الفيزياء الحيوية واكتشاف الإمكانيات الهائلة التي يمكن أن تغير نظرتنا للكون والحياة!

ما هي الفيزياء الحيوية؟

الفيزياء الحيوية هي المجال الذي يطبق نظريات وأساليب وقوانين الفيزياء؛ لفهم كيفية عمل الأنظمة البيولوجية.

كيف نشأ علم الفيزياء الحيوية؟

يسبق أصل الفيزياء الحيوية تقسيم العلوم الطبيعية إلى تخصصات منفصلة، وقد نشأ هذا العلم من خلال ملاحظة العلماء لبعض الظواهر والحالات الغريبة التي تحدث أو التي تُحدثها الكائنات الحية من أجسامها و لاقت تساؤلات كثيرة بين علماء الفيزياء.

اصل مفهوم الفيزياء الحيوية.

و ظهر مفهوم الفيزياء الحيويّة في منتصف القرن التاسع عشر كنموذجٍ جديدٍ للبحث الفيزيولوجي الوظيفي، حيث يمكن تفسير الوظائف الحيوية عبر قوانين الكيمياء والفيزياء، وكانت النظرة السائدة عن خضوع الظواهر البيولوجية لقوانين بيولوجية خاصة مرفوضة؛ بهدف تطوير الفيزيولوجيا على أساسٍ فيزيائيّ كيميائيّ.

مصطلح كارل بيرسون

تم تقديم مصطلح الفيزياء الحيوية عام 1892 من قبل كارل بيرسون في كتابه قواعد العلوم (The Grammar Of Science) لوصف العلم الذي يربط العلوم الفيزيائية والحيوية، فقد نوه إلى المستقبل الكبير الذي ينتظر هذا العلم رغم عدم تطوره الكبير آنذاك، وفي الواقع فقد تطورت الفيزياء الحيوية كثيرًا منذ ذلك الوقت؛ بسبب تلاقي الطرق التجريبية الكمية المعقدة مع الدراسات المحوسبة كمحاكاة ديناميكية الجزيئات.

ما هي الظواهر التي أدت إلى اكتشاف الفيزياء الحيوية؟

كما قلنا سابقاً أن نشأة علم الفيزياء الحيوية كانت من خلال ملاحظة العلماء لبعض الظواهر والحالات الغريبة التي تمت رؤيتها في الكائنات الحية والأنظمة البيولوجية البيئية بشكلٍ عام، وارتباط الكثير من تلك الظواهر بقوانين الفيزياء، جعلت علماء الفيزياء يقدمون على تفسيرها وتحليل بياناتها للوصول لنتائج تؤكد النظريات الفزيولوجية، ومن هذه الظواهر:

ظاهرة الضياء الحيوي

وتسمى التلألؤ البيولوجي(Bioluminescence). وهي ظاهرة يُرى فيها نور يشع من جسم كائن حي و تحدث بسبب التفاعلات الكيميائية في بعض أجسام الكائنات الحية أشهرها الكائنات البحرية.

ظاهِرتا الانتشار والضغط الأسموزي:

وهما قوتان مسؤولتان عن التدفق السلبي للمادة في الكائنات الحية. مثل عملية خروج ودخول المواد من و الى الخلية.

تأثير الإشعاع على الأنسجة الحية

كما ظهر لأول مرة على يد العالم الالماني وليم رونتجن عام 1895 عندما اكتشف الأشعة السينية وتأثيرها على طبقات الجلد والأنسجة، وقدرتها على إختراقها.

كهربية الاعضاء الحيوية:

حيث أن هناك علاقة بين الكهرباء والنظام البيولوجي في فهم كيفية تحرك الأعضاء الحيوية داخل الجسم، مثل القلب الذي له كهربية خاصة تُحافظ على حركاته الانقباضية والانبساطية حتى وإن استئُصل. أجد الأمر مرعباً في بعض الأحيان.

تطبيقات الفيزياء الحيوية

يعمل علماء الفيزياء الحيوية على تطوير طرق للتغلب على الامراض، والقضاء على الجوع العالمي، وإنتاج مصادر الطاقة المتجددة، وتصميم التقنيات المتطورة، وحل الألغاز العلمية التي لا حصر لها، أي أن الفيزيائيون الحيويون هم في طليعة حل المشكلات البشرية القديمة بالإضافة إلى مشاكل المستقبل، ومن المجالات التي يعمل عليها علماء الفيزياء الحيوية :

تحليل البيانات وهيكلها:

بإمكاننا قراءة تسلسل الحمض النووي لآلاف البشر وجميع أنواع الكائنات الحية، وتعتبر التقنيات الفيزيائية الحيوية ضرورية أيضًا لتحليل هذه الكميات الهائلة من البيانات.

نمذجة الكمبيوتر:

يطور علماء الفيزياء الحيوية ويستخدمون أساليب النمذجة الحاسوبية؛ لرؤية أشكال وهياكل البروتينات والفيروسات والجزيئات المعقدة الأخرى ومعالجتها، والمعلومات الحاسمة اللازمة لتطوير أهداف دوائية جديدة ، أو فهم كيفية تحور البروتينات وتسبب نمو الأورام.

التصوير الطبي:

طور علماء الفيزياء الحيوية تقنيات تصوير تشخيصية متطورة بما في ذلك التصوير بالرنين المغناطيسي، والأشعة المقطعية، والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني. ولا تزال الفيزياء الحيوية ضرورية، لتطوير تقنية أكثر أمانًا وأسرع وأكثر دقة؛ لتحسين التصوير الطبي.

علم الأعصاب:

حيث يقوم علماء الفيزياء الحيوية ببناء نماذج حاسوبية تسمى الشبكات العصبية؛ لنمذجة كيفية عمل الدماغ والجهاز العصبي؛ مما يؤدي إلى فهم جديد لكيفية معالجة المعلومات المرئية والسمعية.

الهندسة الحيوية:

تقنيات النانو، المواد الحيوية، كانت الفيزياء الحيوية أيضًا حاسمة؛ لفهم الميكانيكا الحيوية وتطبيق هذه المعلومات على تصميم أطراف صناعية أفضل، و مواد نانوية أفضل لتوصيل الأدوية.

التطبيقات الطبية:

كان علم الفيزياء الحيوية ضروري؛ لتطوير العديد من انواع العلاجات والأجهزة المنقذة للحياة بما في ذلك غسيل الكلى، العلاج الإشعاعي، أجهزة تنظيم ضربات القلب، وصمامات القلب الاصطناعية.

النظم البيئية:

حيث تقيس الفيزياء الحيوية البيئية ونمذجة جميع جوانب البيئة بداً من طبقة الستراتوسفير في أعالي السماء، إلى الخنادق المائية في أعماق المحيطات.

كانت الفيزياء الحيوية ولا زالت بالغة الأهمية لفهم آليات تكوين جزيئات الحياة، وكيفية تحرك الأعضاء المختلفة من الخلية وعملها، وكيفية عمل الأنظمة المعقدة في اجسِامنا (الدماغ، والدورة الدموية، والجهاز المناعي وغيرها). الفيزياء الحيوية هي مجال علمي مفعم ونابض بالحياة، حيث لا يستخدمها علماء الفيزياء فقط بل العديد من المجالات بما في ذلك الرياضيات، والكيمياء، والهندسة، وعلم العقاقير، واستخدام مهاراتهم؛ لاستكشاف وتطوير أدوات جديدة لفهم كيفية عمل علم النظام البيولوجي على هذا الكوكب.