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, פותחו שיטות ביופיזיקליות המשלבות גם ננוטכנולוגיה, כמו גם שיטות המאפשרות לחקור מולקולות בודדות.

התפתחות הביופיזיקה

העיסוק בביופיזיקה החל כבר בתקופה מוקדמת בהתפתחות המדע. ניתן לציין כדוגמה את הניסוי המפורסם של גלווני (במאה ה-18) בו הראה שאופן פעולת מערכת העצבים מבוסס על תופעות חשמליות. באותה תקופה לא הייתה הבחנה כה מוגדרת בין תחומי המדע השונים. עם התפתחות המדע והתמקצעות המדענים, גברה ההתבדלות בין התחומים. הביולוגיה, החוקרת מערכות מורכבות ומסובכות ביותר, התפתחה לכיוון של מדע תיאורי עם חשיבות רבה לפרטים. הפיזיקה, לעומת זאת, התפתחה לכיוון כמותי יותר, תוך שימוש במודלים פשוטים שנועדו לחקור את העקרונות הבסיסיים של הטבע ומבלי להיכנס תמיד לפרטים.

בסביבות אמצע המאה ה-20 גברה ההכרה כי נתק זה בין תחומי המדע אינו בריא, וכי הביולוגיה יכולה להרוויח רבות מיישום שיטות פיזיקליות בתחום הביולוגיה. פיזיקאים רבים (וגם מדענים אחרים) סברו שהחסרונות העיקריים בשיטת המחקר הביולוגית הם עיסוק מופרז בפרטים (מרוב עצים לא רואים את היער) וחוסר שימוש במודלים מתמטיים ובשיטות מחקר כמותניות. אי לכך החלו פיזיקאים (וגם מדענים אחרים) לעסוק במחקר ביולוגי, הן בניסוי והן בתאוריה, תוך שימוש בכלים שהכירו מתחומם המקורי.

גילוי מבנה ה-DNA מהווה דוגמה מובהקת לשימוש בשיטות פיזיקליות להבנת המערכות הביולוגיות. מבנה ה-DNA פוענח על ידי ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק שנעזרו גם בצילום 51 שביצעה רוזלינד פרנקלין בעזרת קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן. טכנולוגיה זה שימשה, ומשמשת גם כיום, לפענוח המבנה האטומי של חומרים ביולוגיים. למעשה, אין כמעט התפתחות ביולוגית שאינה קשורה בפיתוח פיזיקלי. דוגמה נוספת לכך היא השימוש הרב שנעשה במיקרוסקופ אופטי ומיקרוסקופ אלקטרוני. רוברט הוק שהיה מגדולי המדענים פיתח את אחד מהמיקרוסקופים האופטיים הראשונים ובעזרתו גילה כי הרקמה הביולוגית מורכבת מתאים, והוא היה זה שלמעשה טבע את השם תא חי בספרו מיקרוגרפיה.

מודל הודג'קין-הקסלי נחשב לגולת הכותרת של תקופת הביופיזיקה הקלאסית. המודל מתאר את התגובה החשמלית של תאי עצב ומסביר את אופן היווצרותם של דחפים עצביים, עליהם מתבססת התקשורת העצבית. המודל פורסם בשנת 1952 על ידי אלן הודג'קין ואנדרו הקסלי, על יסוד מחקר שביצעו על תכונותיהם החשמליות של סיבים עצביים בדיונונים. עבודה זו זיכתה את השניים בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה לשנת 1963.

מעבר הפיזיקאים לליבת המחקר הביולוגי גברה בסוף המאה ה-20 וכיום ברוב האוניברסיטאות ישנם חוקרים העוסקים בביופיזיקה. לרוב לא קיימת מחלקה מיוחדת לביופיזיקה, אלא החוקרים משולבים במחלקות אחרות בהתאם לתחום התמחותם. בישראל יש מסלול ללמודי ביופיזיקה באוניברסיטת בר-אילן ובאוניברסיטת חיפה. באוניברסיטת תל אביב קיים מסלול משולב בפיזיקה ובמדעי החיים. כמו כן, הפקולטה לפיזיקה של מכון ויצמן מעניקה תואר מוסמך בפיזיקה ביולוגית.

תחומי משנה בביופיזיקה

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

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

שיטות נסיוניות בביופיזיקה

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:
 מיקרוסקופיה אופטית
 מיקרוסקופיה פלואורסצנטית
 דימות זמן החיים של הפלואורסצנציה (Fluorescence lifetime imaging, FLIM)
 מיקרוסקופיה של שני פוטונים (Two photon microscopy)
 מיקרוסקופיה אלקטרונית
 מיקרוסקופ כוח אטומי (Atomic force microscope, AFM)
 שיטות מדידה ברמת המולקולה הבודדת
 תנועת חלקיק קשור (Tethered particle motion, TPM)
 מלקחיים מגנטיות (Magnetic tweezers)
 מלקחיים אופטיות (Optical tweezers)
 מיקרו- וננו-זרימה
 שיטות מיקרוסקופיות למדידת תאים חיים
 ספקטרוסקופיה של קורלציה פלואורסצנטית (Fluorescence correlation spectroscopy, FCS)
 חזרת הפלואורסצנציה לאחר הלבנתה (Fluorescence recovery after photobleaching, FRAP)
 אלקטרופיזיולוגיה (Electrophysiology)
 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
 Philip C. Nelson (2007). Biological Physics, Energy, Information, Life. W.H. Freeman
 Howard C. Berg, Random walks in Biology. Princeton University Press
 Rob Phillips, Jane Kondev, Julie Theriot, Physical Biology of the Cell. Gerland Science
 Ken A. Dill, S. Bromberg, Molecular Driving Forces: Statistical Thermodynamics in Chemistry & Biology. Gerland Science

קישורים חיצוניים

 Biophysical Society 
 Biophysical Journal 
 האגודה הישראלית לביופיזיקה
 
 

תחומים בביולוגיה
תחומים בפיזיקה