معرفی رشته های جدید میان رشته ای

  بیوفیزیک

  بیوفیزیک یا زیست‌فیزیک

زیست‌فیزیک یا بیوفیزیک یک زمینه مطالعاتی میان‌رشته‌ای است که از شگردهای دانسته‌های فیزیکی برای درک بهتر ساختارها و کارکردهای زیست‌شناختی بهره می‌گیرد.

بسیار شنیده‌ایم که واژه‌های مختلفی همراه واژه فیزیک آمده و به سری مطالعات خاص اطلاق شده است. از آن جمله می‌توان به علوم فیزیک محیط زیست ، متافیزیک ، فیزیک هوا فضا ، فیزیک انرژی‌های بالا و ... اشاره کرد. در واقع هر کدام از این ها 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 نموده و از آن ها در جهت بهبود وضعیت زندگی انسان بهره می‌گیرد.

اما بهره گرفتن از قوانین موجود و کشف شده ، در شاخه‌های مختلف و به روش های 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 نمود و یا در فیزیک انرژی‌های بالا با استفاده از فیزیک 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 جهت حیات بشر بهره می‌برد.

گستره کار زیست‌فیزیک

زیست‌فیزیک گستره پهناوری از مسائل مربوط به سازوکارهای فیزیکی اصلی که در فرایندهای سامانه‌های زیستی رخ می‌دهند را پوشش می‌دهد. از آن جمله است ساختار و پویایی‌شناسی مولکول ها، یاخته‌ها و بافت ها، دگرگونی و ترابرد کارمایه (انرژی)، گرماپویایی (ترمودینامیک)، پویایی جمعیتی و الگوبندی تقسیم یاخته ها، زیست‌مکانیک و رئولوژی بافت ها، پدیده‌های غیرخطی، الگوبندی سایبرنتیک ریاضی سامانه‌های پیچیده و سرانجام بیوانفورماتیک یا زیست‌شناسی رایانشی. در واقع بیوفیزیک پلی بین فیزیک و زیست شناسی می باشد. یکی از اهداف در این زمینه،ساختن موتورهایی است که مانند موتور های بدن بازده بالا داشته باشند.برای همین باید فهمید موتورهای درون بدن با چه ساز و کاری این بازده بالا را دارند.


تجهیزات یک آزمایشگاه بیوفیزیک

بیوفیزیک سلولی

بیوفیزیک سلولی شاخه‌ای از بیوفیزیک است که در آن مباحثی نظیر غشاهای سلولی ، پدیده انتشار ، انتشار تسهیل شده ، انتقال فعال ، اسمز و پدیده دونان مورد بررسی قرار می‌گیرد. امروزه الگوها و طرح های مختلفی از غشا به منظورهای پزشکی و صنعتی در مراکز تحقیقاتی مختلف دنیا ساخته می‌شود.

ترکیبات عمده تشکیل دهنده غشاهای زیستی ، لیپیدها و پروتئین ها هستند. غشای سلول های پستانداران شامل مقدار کمی کربوهیدرات به صورت اتصال یافته با پروتئین (گلیکوپروتئین) و یا لیپید (گلیکولیپید) است. غشای سلول ها بیشتر از فسفولیپیدها ساخته شده‌اند. پروتئین های غشایی را به دو گروه تقسیم می‌کنند. پروتئین های سراسری و پروتئین های پیرامونی. روش هایی نظیر طیف سنجی فلورسانس و NMR قابلیت حرکت دو لایه لیپیدی را تایید می‌کنند. لیپیدهای غشایی همانند کریستال مایع رفتار می‌کنند و دارای سیالیت و تغییر پذیری هستند. این حالت برای غشای سلول توانایی انجام اعمال مهم غشایی را فراهم می‌کند. کانال های متعددی در غشا وجود دارد که مولکول ها و یون های کوچک از آن ها می‌گذرند.

غشای سلول به عنوان خازن الکتریکی

به استثنای قسمت مجاور سطوح غشای سلول ، بارهای منفی و مثبت دقیقا با یکدیگر برابر هستند. این موضوع موسوم به اصل خنثی بودن الکتریکی است. به این معنی که به ازای هر یون مثبت یک یون منفی در همان حوالی برای خنثی کردن آن وجود دارد. در غیر این صورت اختلاف پتانسیل هایی به میزان بیلیون ها ولت در خارج مایعات ظاهر می‌گشت.

هنگامی که یون های مثبت به خارج از غشا تلمبه زده می‌شوند این بارهای مثبت در طول سطح خارجی غشا صف می‌کشند و آنیون هایی که در داخل غشا باقی مانده بودند در طول سطح داخلی غشا صف می‌کشند. این امر یک لایه دیپولی از بارهای مثبت و منفی بین داخل و خارج غشا ایجاد می‌کند، این همان اثری است که هنگامی که سلاح های یک خازن الکتریکی دارای بار الکتریکی می‌شود، بوجود می‌آید. لایه دو طبقه چربی به عنوان یک عایق برای خازن غشای سلول عمل می‌کند.

انتشار

اجسام به حالت حل شده مایل هستند تمام حجم حلال خود را بطور یکنواختی اشغال کنند. انتشار پدیده‌ای عمومی است و بر همه اجسام و همه حلال ها مجری است. هر چه غلظت ماده منتشر شونده بیشتر بوده و وزن مولکولی آن ها کمتر و چسبندگی محیط نیز کمتر باشد، انتشار سریعتر است. انتشار یک پدیده فیزیکی است و جهت حرکت و جابجایی مواد ضمن انتشار از محیط پر غلظت به طرف محیط کم غلظت است. برای سازگاری برخی سلول ها با پدیده انتشار ، ویژگی های آن ها به شکل خاصی تغییر می‌کند، مثلا سلول های ماهیچه‌ای طولی تا 10 سانتیمتر و ضخامتی حدود 100 - 10 میکرومتر دارند. بعد مسافت و سرعت انتشار در سلول ها مهم است.

اسمز

عبور مولکول های آب از پرده‌های دارای تراوایی نسبی را اسمز می‌گویند. عبور آب از غشای سلولی و ورود آن به سلول یا خروجش از سلول می‌تواند به صورت پدیده اسمز باشد. فشار اسمزی را می‌توان از رابطه زیر بدست آورد: p = mRT/V ، که P فشار اسمزی ، m  تعداد ذرات ، Rضریب ثابت گازها ،T  درجه حرارت مطلق و V حجم ، می‌باشد. فشار اسمزی مانند فشار گازها به درجه حرارت و حجم بستگی دارد. غلظت اسمزی پلاسما را تونیسیته می‌نامند. نقطه انجماد پلاسمای خون حدود 0.54 درجه سانتیگراد است و با غلظت اسمزی 290 میلی اسمول در لیتر مطابقت دارد.

انتشار تسهیل شده

سد بین دو فاز در غشای سلول ها اغلب یک لایه سلول می‌باشد که این سدها عبور مواد را به طریقه انتشار آزاد به تاخیر می‌اندازند. مواد غذایی باید اجازه ورود به درون سلول را داشته باشند و همچنین مواد زاید باید از سلول خارج شوند. در بسیاری از موارد اندازه ذرات بزرگ است و به طریقه انتشار نمی‌توانند از غشای سلول عبور کنند و برای عبور از غشا نیاز به حامل ها و کانال هایی دارند. در انتشار تسهیل شده ، اجزای ویژه‌ای از غشاهای زیستی با حل شونده‌های خاص برهم کنش دارند که باعث تسریع عبور ذرات از غشاهای زیستی می‌شوند.

مکانیزم کانال ها و حامل ها

حامل ها و کانال ها ، دو رده مهم از حد واسط های انتقال هستند. جنس اینها از پروتئین است. حامل ها به مولکول های حل شونده پیوند یافته و آنها را از غشا عبور می‌دهند. کانال ها که از عرض غشا می‌گذرند، دارای دریچه‌هایی هستند و باز و بسته شدن آن ها عبور مواد را سبب می‌شود. انتشار تسهیل شده یک فرآیند غیر فعال است که توسط پتانسیل شیمیایی یا پتانسیل الکتروشیمیایی حل شونده هدایت می‌شود.

انتقال فعال

انتقال مواد از غشای سلولی را که با مصرف انرژی زیستی ، انرژی حاصل از مولکول های پرانرژی آدنوزین تری فسفات (ATP) و دخالت آنزیم ها انجام شود را انتقال فعال می‌گویند. تعیین کننده نهایی نوع و جهت انتقال در حقیقت انتقال فعال است که بنابه نیاز سلول صورت می‌گیرد. این نوع انتقال می‌تواند در زمان انجام با پدیده‌هایی مثل شیب غلظت ، شیب الکتریکی همسو یا در خلاف جهت آن ها انجام شود. برای مثال چنانچه سلول به گلوکز ، اسید آمینه یا یونی نیازمند باشد، با خروج ATP آن را حتی در خلاف جهت شیب غلظت یا شیب الکتریکی جذب خواهد کرد.

غشای سلول از دیدگاه فیزیک

به منظور مطالعه غشای سلول از دیدگاه فیزیک و شبیه سازی غشای سلول با استفاده از روابط فیزیکی ، ابتدا به روابط مقاومت و خازن اشاره می‌کنیم. در قانون جریان کیرشهف ، مجموع جریان های وارد شده به یک نقطه برابر با مجموع جریان های خروجی از آن نقطه خواهد بود و قانون ولتاژ کیرشهف عنوان می‌کند که اجزای ارتباط یافته به صورت موازی با یکدیگر دارای ولتاژ یکسانی در هر جز هستند.

برای مواد هادی ، جریان عبور یافته متناسب با اختلاف پتانسیل در عرض آن است. خازن ها از دو صفحه موازی باردار تشکیل شده‌اند که بر روی یک صفحه بار منفی و بر روی دیگری بار مثبت وجود دارد. فضای میان دو صفحه سبب جدایی بار خواهد شد. خازن ها ذخیره کننده بار هستند. شدت جریان عبور یافته از خازن متناسب با اختلاف پتانسیل است. اگر اختلاف پتانسیل صفر باشد، هیچ جریانی از خازن عبور نمی‌کند.

بنابراین هنگامی که پتانسیل غشا تغییر می‌کند، ظرفیت بار روی غشا نیز تغییر می‌یابد. این تغییر بار به مفهوم جریان یافتن یون ها از میان غشا می‌باشد. این جریان متناسب با میزان تغییر پتانسیل غشا خواهد بود. پتانسیل غشای سلول را در حالت طبیعی پتانسیل آرامش و در شرایط دپولاریزه ، پتانسیل فعالیت گویند.

 

منابع :

1- دانشنامه رشد (http://daneshnameh.roshd.ir)

2- دانشنامه آزاد ویکی پدیا ( http://fa.wikipedia.org/wiki/)