מנוע מולקולרי שניתן למדוד בשיטות הנהוגות בביופיזיקה
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.
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.
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.
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:
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:
_cantilever_in_Scanning_Electron_Microscope,_magnification_1000x.JPG)
