الفيزياء الحيوية هي المجال الذي يطبق النظريات والمنهجيات الفيزيائية لفهم كيفية عمل الأنظمة الحيوية. تعد الفيزياء الحيويّة عاملًا بالغ الأهمية لفهم آليات تشكل الجزيئات الحيوية ، وكيف تعمل وتتحرك الأجزاء المختلفة للخلية، وكيف تعمل الأنظمة المعقدة في أجسامنا مثل، الدماغ، والدورة الدموية، وجهاز المناعة، وغيرهم. الفيزياء الحيويّة مجال علمي نشط يقدم فيه علماء من العديد من المجالات من ضمنها، الرياضيات، والكيمياء، والفيزياء، والهندسة، والصيدلة، وعلوم المواد، خبراتهم لاكتشاف وتطوير وسائل جديدة لفهم كيف تعمل البيولوجيا لدى جميع الأحياء.
الفيزياء الحيوية: العلم الذي يصل بين العلوم
يستخدم علماء الفيزياء الرياضيات لشرح ما يحدث في الطبيعة. يريد علماء الأحياء أن يفهموا كيف تعمل الأنظمة الحيوية. تتضمن هذه الأنظمة الجزيئات، والخلايا، والكائنات العضوية، والأنظمة البيئية المعقدة جدًا. ينطوي البحث الحيوي في القرن الواحد والعشرين على تجارب تعطي بيانات ومعلومات بقدر هائل. كيف يمكن أن يبدأ علماء الأحياء حتى بفهم هذه البيانات والمعطيات أو التنبؤ بكيفية عمل هذه الأنظمة؟
هنا يأتي دور علماء الفيزياء الحيوية؛ علماء الفيزياء الحيوية مؤهلون بصورة فريدة في مجال علوم الكم الفيزيائية، والرياضية، والكيميائية، وقادرون على معالجة مجموعة واسعة من المسائل، بدءًا من كيفية تواصل الخلايا العصبية، إلى كيف تلتقط خلايا النبات الضوء وتحوله إلى طاقة، إلى كيف يمكن للتغيرات في الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين – DNA الخاص بالخلايا السليمة أن يتسبب في تحويل هذه الخلايا إلى خلايا سرطانية، إلى العديد من المسائل البيولوجية الأخرى.
ماذا يفعل علماء الفيزياء الحيوية؟
يعمل علماء الفيزياء الحيوية على تطوير أساليب للتغلب على الأمراض، والقضاء على الجوع العالمي، وإنتاج مصادر طاقة متجددة، وتصميم تقنيات رائدة، وإيجاد حلول للمسائل العلمية الغامضة التي لا تعد ولا تحصى. باختصار، علماء الفيزياء الحيويّة هم في الصدارة حين يتعلق الأمر في حل المشاكل الإنسانية الأزلية وكذلك مشاكل المستقبل.
تركيب وتحليل البيانات:
فُكت بنية الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين عام 1953 عن طريق الفيزياء الحيوية، كان هذا الاكتشاف جوهريًا لإظهار كيف أن الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين هو مثل خريطة (مخطط) للحياة. الآن يمكننا قراءة تسلسلات الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين عند آلاف البشر وكل تنويعات الكائنات الحية العضوية. تعد تقنيات الفيزياء الحيوية أساسيةً أيضًا في تحليل هذه الكمية الهائلة من المعلومات والمعطيات.
النمذجة الحاسوبية:
تطور وتستخدم الفيزياء الحيوية طرق النمذجة الحاسوبية لرؤية ومعالجة أشكال وبنيات البروتينات، والفيروسات، والجزيئات المعقدة الأخرى، نحتاج إلى معلومات أساسية لتطوير أدوية نوعية جديدة (وهي الأدوية التي تستهدف جزيئات البروتين عادةً والتي تكون مرتبطةً بطبيعتها بمرض معين يمكن معالجته من خلال الدواء لإعطاء التأثير العلاجي المطلوب)، أو فهم كيف تتحول البروتينات وتسبب نمو الأورام.
حركة الجزيئات الحيوية:
تدرس الفيزياء الحيوية كيف تتحرك الهرمونات حول الخلية، وكيف تتواصل الخلايا مع بعضها البعض. تمكن علماء الفيزياء الحيويّة في جعل الخلايا تشع مثل اليراعات تحت المجهر باستخدام وسوم مضيئة (وهي عبارة عن جزيئات يكون ارتباطها كيميائي للمساعدة في استكشاف الجزيئات الحيوية مثل البروتين، والأجسام المضادة، والأحماض الأمينية)، وعرفوا حول نظام النقل الداخلي المعقد للخلايا.
علم الأعصاب:
يصمم علماء الفيزياء الحيوية نماذج حاسوبيةً تدعى الشبكات العصبية لعرض كيف يعمل الجهاز العصبي والدماغ، يقودنا هذا إلى فهم جديد لكيفية معالجة المعلومات البصرية والسمعية.
الهندسة الحيوية، والتقنيات النانوية، والمواد الحيوية:
كانت الفيزياء الحيوية أساسيةً أيضًا لفهم الآليات الحيوية وتطبيق هذه المعلومات في تصميم أطراف صناعية أفضل، ومواد نانوية أفضل لتمكين التوصيل الدوائي الأمثل. (يشير التوصيل الدوائي إلى أساليب، وتقنيات، وأنظمة لنقل المكون الدوائي إلى داخل الجسد حتى يحقق غايته بأمان).
التصوير الشعاعي:
طور علماء الفيزياء الحيوية تقنيات متطورةً للتشخيص الشعاعي من ضمنها التصوير بالرنين المغناطيسي – MRI، التصوير المقطعي – CT scans، والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني – PET scans. تستمر الفيزياء الحيويّة بكونها أساسية لتطوير تقنيات آمنة أكثر وأسرع وأكثر دقةً لتحسين التصوير الطبي وتعليمنا المزيد عن عمل جسدنا الداخلي.
التطبيقات الطبية:
تعد الفيزياء الحيوية أساسيةً لتطوير الكثير من العلاجات والوسائل التي تنقذ الأرواح من ضمنها غسيل الكلى، والعلاج الشعاعي، وجهاز الإنعاش، وجهاز تنظيم ضربات القلب والصمامات القلبية الصناعية.
الأنظمة البيئية:
تقيّم الفيزياء الحيوية البيئية وتنمذج كل النواحي البيئية من الستراتوسفير (الطبقة العليا للغلاف الجوي) إلى المنافذ في أعماق المحيطات. تبحث الفيزياء الحيويّة البيئية في المجموعات الميكروبية المتنوعة التي تعيش في كل مكان على الكوكب. تتبع الملوثات في مختلف أنحاء الغلاف الجوي، وتجد طرقًا لتحويل الطحالب إلى وقود حيوي.
أين يعمل علماء الفيزياء الحيوية؟
علماء الفيزياء الحيوية هم أساتذة وباحثون في علم الأحياء، والفيزياء، والهندسة، والعديد من المجالات الأخرى. يعملون في الجامعات، والمستشفيات، والشركات التكنولوجية الناشئة، وشركات الهندسة، لتطوير فحوص تشخيصية جديدة، وأنظمة توصيل دوائية، أو يحاولون تطوير الوقود البيولوجي.
يطور علماء الفيزياء الحيويّة نماذج حاسوبيةً ليكتشفوا لماذا تستعصي سلالات الإنفلونزا الجديدة على الجهاز المناعي، أو يصنعون نماذج ثلاثية الأبعاد لبنيات بروتين جديدة لفهم آلية عملها بشكل أفضل.
يمارسون الحقوق (القانون) في مجالات متخصصة مثل الملكية الفكرية، أو يوجد القانون في أعمالهم مثل قوانين الملكية الفكرية، يكتبون عن العلم للصحافة الورقية والالكترونية، ويعملون مع الحكومات لنصح المجالس التشريعية. يملك من هو مؤهل في الفيزياء الحيوية فرصًا مهنيةً غير محدودة.
اقرأ أيضًا:
- تعلّم الفيزياء ينشط أجزاء جديدة من الدماغ لم تكن نشطة من قبل
- لغز الضربة الحرة الشهيرة لروبرتو كارلوس (فيزياء كرة القدم)
- العلاقة الغريبة بين الدماغ البشري وفيزياء الكم
ترجمة: رؤى بركات.
تدقيق: أحلام مرشد.
