بیوفیزیک ، پلی بین جهان جاندار و بی‌جان

در واقع هر کدام از اینها به نحوی به علم گسترده فیزیک مربوط است. می‌دانیم که «فیزیک» در لغت به معنی «طبیعت» است و بیشتر در مورد آنچه که با حواس خود از جهان طبیعت در می‌یابیم، مربوط می‌شود.

به بیان دیگر، علم فیزیک قوانین موجود در جهان طبیعت را شناسایی و کشف کرده و از آنها در جهت بهبود وضعیت زندگی انسان بهره می‌گیرد.

اما بهره گرفتن از قوانین موجود و کشف شده، در شاخه‌های مختلف و به روش‌های گوناگون صورت می‌گیرد. به عنوان مثال، در فیزیک هوا فضا با استفاده از این قوانین می‌توان در هدایت بهتر هواپیماها، سفینه‌ها و دیگر مصنوعات ساخت بشر که در هوانوردی مورد استفاده قرار می‌گیرند، استفاده کرد و یا در فیزیک انرژی‌های بالا ‌ می‌توان در پی منابع جدید انرژی برای تامین زندگی آینده بشر بود بنابراین می‌توان گفت که علم فیزیک به نوعی با زندگی و حیات انسان عجین و آمیخته شده است. نکته تکامل این بحث علم بیوفیزیک است. علم بیوفیزیک از علم فیزیک در جهات حیات بشر بهره می‌برد.

استفاده و کاربردهای فراوان و روزافزون علوم و فنون هسته‌ای در رشته‌های مختلف زیست‌شناسی، پزشکی، علوم پایه پزشکی و... جهت پژوهش‌های علمی و درمانی همراه با سایر کاربردهای انرژی اتمی در کشاورزی، صنایع و غیره، ایجاب می‌کند که باید شاخه‌ای از علم فیزیک تحت عنوان بیوفیزیک وجود داشته باشد تا این‌که بتوانیم از این علوم و فنون در جهت بهتر کردن زندگی بشر و موجودات زنده دیگر بهره گیریم.

به طور کلی ماده چگال نرم به شکلی از ماده گفته می‌شود که در فازهای ایده‌آل جامد کریستالی، مایع نیوتنی و گاز قرار نمی‌گیرد. این مواد که در ابتدا به مایعات پیچیده شناخته می‌شد و در سال‌های اخیر نام ماده نرم را به خود گرفته‌اند در زندگی روزمره دامنه وسیعی از مواد را دربرمی‌گیرند.

به طور مثال تمام محلول‌های پلیمری،‌ کلوییدی، کریستال‌های مایع، ژله‌ها و شیشه‌ها در این مجموعه قرار می‌گیرند حتی سیستم‌های دانه‌ای در ابعاد مختلف از ابعاد میکرونی تا ابعاد ماکروسکوپی مانند ترافیک در حوزه مطالعه این شاخه از فیزیک قرار می‌گیرند.

با توجه به این ‌که دنیای زنده تماما از ماده نرم ساخته شده است،‌ یکی از مهم‌ترین موضوعات این شاخه از علم فیزیک درک خواص فیزیکی مواد بیولوژیک و ساختار‌های زیستی است. فیزیک و زیست‌شناسی دوشاخه بسیار قدیمی و جذاب از علوم طبیعی را تشکیل می‌دهند.

در تقسیم‌بندی‌های تاریخی وظیفه شناخت جهان جاندار به‌عهده زیست‌شناسان قرار گرفته و فیزیک سعی در تبیین جهان بی‌جان دارد. اما اکنون ما می‌دانیم که جهان جاندار از همان ماده‌ای ساخته شده که در جهان بی‌جان یافت می‌شود.

بیش از نیمی از جرم بدن ما را آب تشکیل می‌دهد. این همان آبی است که از مولکول‌های اکسیژن و هیدروژن تشکیل شده است. همان آبی که در دمای 100 درجه سلیسیوس می‌جوشد و در صفر درجه یخ می‌زند.

ما می‌دانیم که نیروهای وارد بر اتم‌ها و مولکول‌های تشکیل‌دهنده موجودات جاندار از همان جنس نیروهایی هستند که در فیزیک آنها را دسته‌بندی کرده‌ایم. بارهای مثبت و منفی با قانون کولن همدیگر را دفع و یا جذب می‌کنند.

می‌دانیم که عناصر تشکیل‌دهنده بدن موجودات زنده همان عناصری هستند که در جدول تناوبی، آنها را بر حسب خواص فیزیکی و شیمیایی‌شان مرتب کرده‌ایم. پس این انتظاری کاملا منطقی است که بخواهیم حداقل قسمتی از جهان جاندار را به کمک آنچه در فیزیک آموخته‌ایم تحلیل کنیم.

این حرکت در مطالعه رفتارهای سیستم‌های زیستی به کمک قوانین فیزیک اولین بار به وسیله فیزیکدانانی مانند شرودینگر آغاز گشت.

این تلاش از طرف زیست‌شناسان نیز با آغوش باز استقبال گشت. این همکاری باعث پایه‌گذاری شاخه جدید بیوفیزیک شد که یکی از شاخه‌های علمی بین‌رشته‌ای به حساب می‌آید. البته این ‌که این رشته عمر کوتاهی حدود نیم قرن را دارد به دلیل پیچیدگی فیزیک حاکم بر سیستم‌های زیستی و همچنین مقیاس‌های طولی و زمانی فرآیندها در این سیستم‌هاست.

فیزیکدانان برای آن که بتوانند فیزیک سیستم‌های زیستی را مطالعه کنند نیازمند ابزارهایی چون مکانیک آماری، مکانیک کوانتمی و همچنین توانایی بررسی سیستم‌های پیچیده، سیستم‌های خارج از تعادل و سیستم‌هایی در ابعاد نانومتر بودند.

چنین توانایی‌هایی هم در تئوری و هم در ابزارهای آزمایشگاهی در سال‌های اخیر این امکان را در اختیار زیست ـ فیزیکدانان قرار داده تا فیزیک حاکم بر محیط‌های زنده را مطالعه کنند البته این رابطه هیچ‌گاه یک رابطه یک‌سویه نبوده و از آن طرف نیز فیزیک سیستم‌های زنده پنجره‌های جدیدی را در برابر فیزیکدانان گشوده است.

امروزه بررسی سیستم‌های زیستی، به ما می‌آموزد که چگونه داشتن موتوری با بهره بسیار بالا و در ابعاد فقط چند نانومتر امکان‌پذیر است. همچنین می‌یابیم که تولید دریچه‌هایی در ابعاد نانومتر برای عبور انتخابی یون‌ها در دیواره غشاها کاری بسیار ساده است و یا آزمایش با تک مولکول عملی است.

از طرف دیگر بیوفیزیک مسائلی به جامعه فیزیک معرفی کرده است که اگرچه فیزیکدانان همچنان در حل آن ناموفق بوده‌اند، ولی به انجام آن امیدوارند. برای مثال، مسائلی از قبیل پیچش پروتئین‌ها، ساز و کار خواندن اطلاعات از روی DNA، عدم وجود تقارن چپگرد و راستگرد و بعضی مسائل دیگر.

به عنوان مثال می‌توان به تشعشعات یا پرتوهای هسته‌ای اشاره کرد که از شار ذراتی که بطور سریع در حال حرکت بوده و از طبیعت و انرژی‌های متفاوتی برخوردارند، تشکیل شده است. پرتوها از پدیده‌های طبیعی یا خودبه‌خودی تجزیه اتم‌های رادیواکتیو (طبیعی یا مصنوعی) یا از شتاب دادن مصنوعی ذرات پدید می‌آیند.

این پرتوها در پزشکی و بیولوژی کاربردهای متعدد دارند. کاربرد بسیار عمومی و عادی اشعه ایکس در تشخیص است. اختلاف درجه کاهش پرتو ایکسی که از محیط‌های با طبیعت مختلف، عبور می‌کند، اجازه می‌دهد که تصویری که روشنگر حقایقی درباره اعضای داخلی بدن است، بدست آید.

در این میان فیزیک پزشکی بیشتر کاربرد علم فیزیک در علوم پزشکی است و لذا در آنجا تاکید می‌شود که باید پزشکان از فیزیک مربوط به ابزارهای مختلف مورد استفاده در پزشکی نیز آگاهی داشته باشند. به عنوان مثال، جراحی که از چاقوی لیزری جهت جراحی استفاده می‌کند، باید دارای اطلاعات حداقل پایه در مورد فیزیک لیزر باشد، اما در بیوفیزیک، همانگونه که از نامش پیداست، فیزیک در معنی عام حیات مورد توجه است.