ביופיזיקה

בִּיּוֹפִיזִיקָה (באנגלית: Biophysics) או פיזיקה ביולוגית היא ענף של מדע בין תחומי העוסק בחקר תופעות פיזיקליות ביצורים חיים ובהפעלת כלים מתחום הפיזיקה, המתמטיקה, הכימיה ומדעי המחשב לחקר מערכות ביולוגיות. לאחרונה^{[דרושה הבהרה]}, פותחו שיטות ביופיזיקליות המשלבות גם ננוטכנולוגיה, כמו גם שיטות המאפשרות לחקור מולקולות בודדות.

מנוע מולקולרי שניתן למדוד בשיטות הנהוגות בביופיזיקה

התפתחות הביופיזיקה

מבנה ה-DNA

העיסוק בביופיזיקה החל כבר בתקופה מוקדמת בהתפתחות המדע. דוגמה לכך היא הניסוי המפורסם של גלווני במאה ה-18, בו הראה שמערכת העצבים פועלת על בסיס תופעות חשמליות. באותה תקופה לא הייתה הבחנה ברורה בין תחומי המדע השונים. למעשה, כמעט כל התפתחות משמעותית בביולוגיה קשורה בטכנולוגיות פיזיקליות, כמו השימוש הנרחב במיקרוסקופים אופטיים ואלקטרוניים. רוברט הוק, מגדולי המדענים במאה ה-17, פיתח אחד מהמיקרוסקופים האופטיים הראשונים ובעזרתו גילה שהרקמה הביולוגית מורכבת מתאים. הוא גם היה הראשון שטבע את המונח "תא חי" בספרו "מיקרוגרפיה".

עם התפתחות המדע והתמקצעות המדענים, הפכו התחומים מובחנים יותר. הביולוגיה, העוסקת במערכות מורכבות ומסובכות, התפתחה לכיוון תיאורי, תוך מתן דגש לפרטים, ואילו הפיזיקה התפתחה לכיוון כמותי, תוך שימוש במודלים פשוטים שנועדו להבין את עקרונות היסוד של הטבע, ללא התמקדות תמיד בפרטים.

באמצע המאה ה-20 התחזקה ההבנה כי הביולוגיה יכולה להפיק תועלת רבה גם מיישום שיטות פיזיקליות. פיזיקאים ומדענים נוספים סברו כי אחת הבעיות העיקריות בגישה המחקרית בביולוגיה היא התמקדות עודפת בפרטים, תוך היעדר שימוש במודלים מתמטיים ושיטות מחקר כמותניות. בשל כך, החלו פיזיקאים לעסוק גם במחקר ביולוגי, בניסויים ובתאוריה, תוך יישום הכלים המוכרים להם מתחום עיסוקם.

גילוי מבנה ה-DNA

גילוי מבנה ה-DNA הוא דוגמה בולטת ליישום שיטות פיזיקליות בחקר מערכות ביולוגיות. המבנה פוענח על ידי ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק, שנעזרו בצילום 51 שביצעה רוזלינד פרנקלין באמצעות קריסטלוגרפיה בקרני רנטגן, טכנולוגיה המשמשת גם כיום לפענוח המבנה האטומי של חומרים ביולוגיים.

מודל הודג'קין-הקסלי

מבנה תא עצב

מודל הודג'קין-האקסלי נחשב להישג מרכזי של הביופיזיקה הקלאסית. המודל מתאר את התגובה החשמלית של תאי עצב ומסביר כיצד נוצרים אותות עצביים, שהם הבסיס לתקשורת במערכת העצבים. המודל פורסם בשנת 1952 על ידי אלן הודג'קין ואנדרו הקסלי, בעקבות מחקריהם על סיבים עצביים של דיונונים. מחקר זה זיכה אותם בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה בשנת 1963.

ביופיזיקה כיום

המעבר של פיזיקאים למחקר ביולוגי התחזק בסוף המאה ה-20, ובמאה ה-21 ישנם חוקרים רבים העוסקים בביופיזיקה באוניברסיטאות רבות. בדרך כלל אין מחלקות נפרדות לביופיזיקה, אלא חוקרים המשולבים במחלקות אחרות בהתאם לתחום ההתמחות שלהם.

בישראל קיימים מסלולי לימוד בביופיזיקה באוניברסיטת בר-אילן ובאוניברסיטת חיפה, ובאוניברסיטת תל אביב קיים מסלול משולב של פיזיקה ומדעי החיים. בנוסף, במכון ויצמן מוענק תואר מוסמך בפיזיקה ביולוגית.

תחומי משנה בביופיזיקה

מבנה החלבון מיוגלובין (Myoglobin) שהיה החלבון הראשון שמבנהו פוענח על ידי שימוש בפיזור קרני-X

הביופיזיקה עוסקת בנושאים רבים ומגוונים, ביניהם ניתן למנות את הנושאים הבאים:

• אלקטרופיזיולוגיה.
• חקר קרום התא, תעלות קרומיות ותהליכי הולכה דרכם.
• חקר שלד התא.
• מנועים מולקולריים.
• מבנה חלבונים, אופן קיפולם והדינמיקה שלהם.
• פעילות של אנזימים.
• מבנה ופעילות של תעלות יוניות.
• רשתות עצביות וחישוביות עצבית.
• רשתות גנטיות.
• תנועת בעלי חיים (תנועה מקרוסקופית); למשל, מודלים של תנועת טורפים (ים, יבשה ובאוויר).
• תנועה של תאים ואובייקטים מזוסקופים; למשל תנועה של ווירוסים וגידול מושבות של חיידקים.
• תנועה של מולקולות ביולוגיות בתוך התא; למשל, תנועת אנזימים, מולקולות של RNA + DNA וכו'.
• תרמודינמיקה של מערכות ביולוגיות.
• פולימרים
• שרירים ודרכי פעולתם.
• גרביטציה ביולוגית – חקר השפעת הגרביטציה על צמחים ובעלי חיים.

היסודות התאורטיים של הביופיזיקה

דוגמה להשוואת ריכוזים עקב דיפוזיה הנובעת מתנועה אקראית

המערכות הביולוגיות מאופיינות בהיותן מבוססות על תמיסות בסביבה מימית. כל מערכת מורכבות בדרך כלל ממספר רב של חלקיקים, ולכן הטיפול הפיזיקלי במערכות אלו דורש בדרך כלל שימוש בשיקולים סטטיסטיים. בנוסף, המערכות מאופיינות בכך שתחומי האנרגיה המעניינים תואמים לאנרגיה התרמית בטמפרטורת החדר. בטמפרטורות וברמות אנרגיה אלו, השיקולים הקוונטים בדרך כלל אינם משמעותיים. בין הנושאים העיקריים המהווים את הבסיס לפיזיקה של מערכות ביולוגיות ניתן למנות:

1. תנועה אקראית ומשוואות הדיפוזיה
2. משוואת לנז'בן המהווה הרחבה לחוק שני של ניוטון לתנועת חלקיק בתמיסה
3. מכניקה סטטיסטית וחוקי התרמודינמיקה
4. הידרודינמיקה ומשוואות נאוויה-סטוקס המתארות את תנועתו של נוזל בעל צמיגות
5. משוואת פואסון-בולצמן המתארת את האינטראקציה החשמלית בין מולקולות הנמצאות בתמיסה יונית

שיטות נסיוניות בביופיזיקה

חוד המחט המשמשת לסריקת הדגם במיקרוסקופ הכוח האטומי (AFM)

דגם של המנוע המולקולרי הסיבובי המניע את השוטון

כפי שתואר למעלה, שיטות המחקר המשלבות ידע פיזיקלי ומשמשות למחקר של מערכות ביולוגיות התפתחו מאז ומתמיד ותרמו רבות להבנה הביולוגית. שיטות רבות מתפתחות גם היום, ולמעשה, כל שיטה פיזיקלית חדשנית מוצאת במהרה יישום גם לחקר מערכות ביולוגיות. הרשימה הבאה מפרטת את השיטות השימושיות ביותר:

1. מיקרוסקופיה אופטית
   1. מיקרוסקופיה פלואורסצנטית
   2. דימות זמן החיים של הפלואורסצנציה (Fluorescence lifetime imaging, FLIM)
   3. מיקרוסקופיה של שני פוטונים (Two photon microscopy)
2. מיקרוסקופיה אלקטרונית
3. מיקרוסקופ כוח אטומי (Atomic force microscope, AFM)
4. שיטות מדידה ברמת המולקולה הבודדת
   1. תנועת חלקיק קשור (Tethered particle motion, TPM)
   2. מלקחיים מגנטיות (Magnetic tweezers)
   3. מלקחיים אופטיות (Optical tweezers)
5. מיקרו וננו-זרימה
6. שיטות מיקרוסקופיות למדידת תאים חיים
   1. ספקטרוסקופיה של קורלציה פלואורסצנטית (Fluorescence correlation spectroscopy, FCS)
   2. חזרת הפלואורסצנציה לאחר הלבנתה (Fluorescence recovery after photobleaching, FRAP)
7. אלקטרופיזיולוגיה (Electrophysiology)
8. העברת אנרגיה רזונטיבית פלואורסצנטית (Förster resonance energy transfer, FRET)

ראו גם

• ביולוגיה מערכתית
• תנועת בעלי חיים ביבשה
• תנועת חלקיק קשור
• ביוננומכניקה
• משוואת מסטר
• משוואת לנז'בן

לקריאה נוספת

1. Philip C. Nelson (2007). Biological Physics, Energy, Information, Life. W.H. Freeman
2. Howard C. Berg, Random walks in Biology. Princeton University Press
3. Rob Phillips, Jane Kondev, Julie Theriot, Physical Biology of the Cell. Gerland Science
4. Ken A. Dill, S. Bromberg, Molecular Driving Forces: Statistical Thermodynamics in Chemistry & Biology. Gerland Science

קישורים חיצוניים

• Biophysical Society (באנגלית)
• Biophysical Journal (באנגלית)
• האגודה הישראלית לביופיזיקה
• ביופיזיקה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• ביופיזיקה, דף שער בספרייה הלאומית