معلومات عن الفيزياء الحيوية

ما هي الفيزياء الحيوية؟

تُعرّف الفيزياء الحيوية (بالإنجليزية: Biophysics) على أنها مجال علمي يقوم بتطبيق أساليب الفيزياء ونظرياتها لفهم كيفية عمل الأنظمة الحيوية أو البيولوجية، حيث تبلغ أهمية الفيزياء الحيوية في فهم كيفية تكوين جزيئات المادة، وكيفية تحرك الأجزاء المختلفة من الخلية وعملها، كما تقدم تفسرًا لعمل الأنظمة المعقدة في أجسامنا مثل الدماغ والجهاز المناعي والدورة الدموية وغيرها من الأنظمة، وتعد الفيزياء الحيوية مجالًا علميًا نابضًا بالحياة حيث يستخدم العلماء فيه الكثير من المهارات بما في ذلك مهاراتهم في الرياضيات والكيمياء والفيزياء والهندسة وعلم الأدوية وعلوم المواد لاستكشاف وتطوير أدوات جديدة لفهم كيفية عمل الأنظمة الحيوية بجميع أشكالها.[١]

كان منتصف القرن التاسع الوقت الذيظهرت فيه الفيزياء الحيوية لأول مرة عشر كنموذج جديد للبحث الفسيولوجي؛ حيث يمكن تفسير الأنظمة الحيوية بنفس القوانين المطبقة في الكيمياء والفيزياء، إذ في ذلك الوقت، تم رفض الرأي السائد بأن الظواهر البيولوجية تخضع لقوانين بيولوجية خاص ة وذلك بهدف تطوير علم وظائف الأعضاء على أساس فيزيائي كيميائي،[٢] وفي عام (1856)م، نشر أدولف فيك (Adolf Fick)، ما يُرجّح أنه أول كتاب نظري في الفيزياء الحيوية.[٣]

ومع حلول القرن العشرين ازدهرت الفيزياء الحيوية وانتشرت انتشارًا واسعًا،[٣] حيث استخدمت في اكتشاف الحمض النووي وبنيته، وتطوير تقنيات التصوير مثل التصوير المقطعي المحوسب، والتصوير بالرنين المغناطيسي لمساعدة الأطباء على تشخيص الأمراض وإنشاء طرق علاجية جديدة مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب والعلاج الإشعاعي وغسيل الكلى، وفي الوقت الحالي، بدأت الفيزياء الحيوية أيضًا في التركيز على القضايا المتعلقة بتغير مناخ الأرض، على سبيل المثال، يعمل بعض علماء الفيزياء الحيوية على تطوير الوقود الحيوي من الكائنات الحية الدقيقة التي يمكن أن تحل محل البنزين كوقود.[١]

تُعرف الفيزياء الحيوية بأنها مجال علمي يقوم بتطبيق نظريات وأساليب الفيزياء لفهم كيفية عمل الأنظمة الحيوية، إذ ظهرت الفيزياء الحيوية لأول مرة في منتصف القرن التاسع عشر، ومع حلول القرن العشرين ازدهرت وانتشرت انتشارًا واسعًا، حيث استُخدمت في اكتشاف الحمض النووي وبنيته، وتطوير تقنيات التصوير، وإنشاء طرق علاجية جديدة.

ماذا أبرز مجالات علماء الفيزياء الحيوية؟

تتعد مجالات عمل علماء الفيزياء الحيوية، وذلك لأن النهج الفيزيائي الحيوي يتطلب تطبيق نظريات وأساليب الفيزياء لفهم كيفية عمل الأنظمة الحيوية، وبالتالي تكون الفيزياء الحيوية -بحكم الضرورة- متعددة التخصصات؛ تشمل الفيزياء وعلم وظائف الأعضاء وعلم الأحياء العام،[١] وفيما يلي بيان لأهم مجالات العمل لعلماء الفيزياء الحيوية:

تحليل البيانات

يعرّف تحليل البيانات بأنه عملية تطبيق منهجي لأساليب إحصائية أو منطقية لوصف البيانات وتوضيحها وتلخيصها وتقييمها،[٤] إذ يعمل محللو البيانات في الفيزياء الحيوية على استخراج أكبر قدر من المعلومات الكمية والنوعية من البيانات التي يتم جمعها في العمليات الحيوية،[٥] حيث تعتبر التقنيات الفيزيائية الحيوية ضرورية جدًا لتحليل هذه البيانات، ومن أهم إنجازات هذا المجال هو حل بنية الحمض النووي في عام (1953)م باستخدام الفيزياء الحيوية، إذ كان هذا الاكتشاف حاسمًا لإظهار أهمية الحمض النووي باعتباره مخططًا لحياة الكائنات الحية، وفي الوقت الحالي يستطيع علماء الفيزياء الحيوية قراءة تسلسل الحمض النووي للبشر وجميع أنواع الكائنات الحية.[١]

أنظمة المحاكاة

يعرّف النموذج الفيزيائي الحيوي على أنه محاكاة لنظام بيولوجي أو حيوي باستخدام الصيغ الرياضية للخصائص الفيزيائية لهذا النظام، إذ يمكن استخدام هذه النماذج للتنبؤ بتأثير العوامل البيولوجية والفيزيائية على الأنظمة المعقدة،[٦] وتساعد النمذجة الحاسوبية علماء الفيزياء الحيوية في تطوير أهداف دوائية جديدة، أو فهم كيفية تحول البروتينات التي تتسبب في نمو الأورام، وذلك عن طريق نمذجة أشكال وهياكل البروتينات والفيروسات والجزيئات المعقدة الأخرى لرؤيتها ودراستها والتلاعب بها.[١]

علم الأعصاب

يعد علم الأعصاب مجال بحث نشط لعلماء الفيزياء الحيوية، إذ يستخدمون في عملهم مجموعة من مناهج البحث العلمية للحصول على رؤى جديدة للجهاز العصبي في الحالات الطبيعية والمرضية، وتتضمن موضوعات البحث: فسيولوجيا الدماغ ووظيفته والأمراض العقلية والتعلم والذاكرة وغيرها من البحوث،[٧] كما يقوم علماء الفيزياء الحيوية في مجال الأعصاب ببناء نماذج حاسوبية تسمى الشبكات العصبية (neural networks)، وهي سلسلة من الخوارزميات التي تستخدم في إيجاد العلاقات الأساسية في مجموعة من البيانات من خلال عملية تحاكي الطريقة التي يعمل بها الدماغ البشري والجهاز العصبي.[١]

تطوير الأدوية

ساعد التطور السريع للأساليب الفيزيائية الحيوية على تطوير اكتشاف الأدوية من خلال توفير التحليل المبكر لخصائص المركبات وتوفير نظرة ثاقبة على آليات العمل، كما ساعدت التقنيات الناشئة حديثًا مثل المجهر الإلكتروني بالتبريد (cryo-EM) في اكتشاف وتطوير الأدوية، حيث تعمل هذه التقنية على تحديدٍ عالي الدقة للهياكل البيولوجية الضخمة وطرق أكثر سرعة لتوصيف حركيات الربط (binding kinetics) والديناميكا الحرارية.[٨]

الهندسة الحيوية

يتميز علماء الفيزياء الحيوية الذين يعملون في مجال الهندسة الحيوية بامتلاكهم مهارات في كل من علم الأحياء والهندسة التي قد تشمل الهندسة الكهربائية والميكانيكية، وعلوم الحاسوب وعلوم المواد والكيمياء،[٩] حيث يتيح لهم هذا التنوع في العلوم فهمًا أكبر للميكانيكا الحيوية وتطبيقها على تصميم وتطوير أطراف صناعية ومواد نانوية لتوصيل الأدوية،[١] كما يتيح لهم هذا التنوع التخصص في مجالات اهتمامهم والتعاون على نطاق واسع مع الباحثين في المجالات الشبيهة.[٩]

التصوير

يستخدم علماء الفيزياء الحيوية تقنيات تصوير تشخيصية حديثة بما في ذلك التصوير المقطعي (PET)، والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، والأشعة المقطعية (CT)، وما يزال البحث قائمًا لتطوير تقنيات أكثر سرعًة ودقًة وأمانًا لتطوير وتحسين تقنيات التصوير الطبي للكشف عن كيفية عمل أعضاء الجسم الداخلية، ويعتبر التصوير من أهم تطبيقات الفيزياء الحيوية في الطب.[١]

التطبيقات الطبية

تعد الفيزياء الحيوية حجر أساس في تطوير العديد من العلاجات والأجهزة التي انقذت حياة البشر من الكثير من الأمراض المسببة للوفاة قديمًا، بما في ذلك غسيل الكلى، وأجهزة تنظيم ضربات القلب، وصمامات القلب الاصطناعية والعلاج الإشعاعي.[١]

النظم البيئية

تعمل الفيزياء الحيوية البيئية على قياس ونمذجة جميع عناصر البيئة من أعلى طبقات الغلاف الجوي إلى أعماق المحيطات، ويتمحور دور علماء الفيزياء الحيوية البيئية في البحث عن المجتمعات الميكروبية المتنوعة التي تعيش على سطح الأرض، وتتبع الملوثات عبر الغلاف الجوي، وإيجاد الطرق اللازمة لتحويل الطحالب إلى وقود حيوي.[١]

تتعدد مجالات عمل علماء الفيزياء الحيوية، لامتلاكهم العديد من أساسيات العلوم الفيزيائية والحيوية والحاسوبية، فتجدهم يعملون في تحليل البيانات، والهندسة الحيوية، وتطوير الأدوية، وعلوم الأعصاب، والنظم البيئية وغيرها من المجالات.

أين يعمل علماء الفيزياء الحيوية؟

يعمل علماء الفيزياء الحيوية في مجالات عديدة كالطب والتعليم والهندسة وعلوم الحاسوب، وبالتالي تجدهم في أماكن كثيرة كالجامعات والمستشفيات والشركات التقنية والشركات الهندسية، فبعضهم يعمل على تطوير فحوصات تشخيصية جديدة أو تطوير طرق جديدة في الوقود الحيوي أو في تطوير أنظمة توصيل الأدوية.[١]

ويمكن لعلماء الفيزياء الحيوية العمل في مجالات متخصصة في القانون مثل الملكية الفكرية، كما يمكنهم العمل ككتاب في العلوم للمطبوعات والمنشورات عبر الإنترنت، [١] وستجدهم أيضًا في الجهات الحكومة لتقديم المشورة، مثلًا في إدارة الغذاء والدواء، يدرس علماء الفيزياء الحيوية تأثير المركبات الكيميائية على الأنسجة والخلايا الحية؛ وبالمثل، فإن علماء الفيزياء الحيوية البيئية سيعملون في وكالة حماية البيئة للنظر في التأثيرات البيئية.[١٠]

وبسبب طبيعة البحث التطبيقي لهذه الوظيفة، ارتفع الطلب على علماء الفيزياء الحيوية، لذلك كانت الفيزياء الحيوية خيارًا وظيفيًا جيدًا للغاية، حيث بلغ متوسط راتب أخصائي الفيزياء الطبية في عام (2015)م في الولايات المتحدة الأمريكية (82,150) دولارًا، بمتوسط سعر (39.50) دولارًا للساعة.[١٠]

يعمل علماء الفيزياء الحيوية في عدة أماكن مثل الجامعات والمستشفيات والشركات التقنية والشركات الهندسية والقانون والكتابة العلمية والجهات الحكومية.

من أشهر روّاد الفيزياء الحيوية؟

توافدت كوكبة من كبار العلماء لدراسة هذا العلم عن كثب، إذ تمكّنوا من إثبات وجودهم بما حققوه من إنجازاتٍ عظيمة في هذا السياق وتطبيقات متعددة، ومن أهمّ روّاده:

• الطبيبان الإنجليزيان ريتشارد دول وبرافورد هل: توصّلا إلى مدى العلاقة الوثيقة بين مرض السرطان والتدخين، وبَرْهَنا نظريّتهما.
• الطبيب الأمريكي روبرت ولكنس: تمكّن من ابتكار الريزربين واستحداثه للمساعدة في علاج مرض ضغط الدم.
• عالم الوراثة الأمريكي هرمان جي مولر: تمكن من اكتشاف أشعة إكس التي تسبّب الطفرات.
• عالمة الجينات الأمريكية باربارا ماكلنتوك: تمكنت من ابتكار ما يعرف بالجين النطاط أو الترانسبوسون، إذ يؤدي دورًا في الانتقال على طول امتداد الكروموسوم الواحد، كما يمكنه القفز من كوموسوم إى آخر.

ساهم عدة علماء في تطوير علم الفيزياء الحيوية، إذ تمكّنوا من تحقيق إنجازات عظيمة لتطبيقات متعددة، منهم: ريتشارد دول وبرافورد هل، وروبرت ولكنس، وهرمان جي مولر، وباربارا ماكلنتوك.

المراجع[+]

1. ^ أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س “what is biophysics”، biophysics society . Edited.
2. ↑ ” introduction to biophysics”, cell press. Edited.
3. ^ أ ب “biophysics”, britannica. Edited.
4. ↑ “Data Analysis”, ori. Edited.
5. ↑ “data analysis in biochemistry and biophysics”, sciencedirect. Edited.
6. ↑ “Biophysical models”, Nature. Edited.
7. ↑ “Neuroscience”, University of Toronto. Edited.
8. ↑ “Biophysics in drug discovery: impact, challenges and opportunities”, Nature. Edited.
9. ^ أ ب “What is Bioengineering?”, University of California Berkeley. Edited.
10. ^ أ ب “What Is a Biophysicist?”, environmental science. Edited.