Biofísica

La biofísica es la ciencia que estudia la biología con los principios y métodos de la física para describir los fenómenos físicos del actuar de las células y organismos vivos.^[1]​^[2]​^[3]​ Incluye la biomecánica, el bioelectromagnetismo, así como la aplicación de la termodinámica y otras disciplinas a la comprensión del funcionamiento de los sistemas biológicos. Un intento reciente incluye la aplicación de mecánica cuántica y su carácter probabilístico de los sistemas biológicos, lo que permite obtener métodos puramente físicos para la explicación de propiedades biológicas.

La Kinesina utiliza a nanoescalas para "caminar" a lo largo de un microtúbulo.

La biofísica podría describir físicamente lo que ocurre en nuestro cerebro.

Se discute si la biofísica es una rama de la física, de la biología o de ambas.^[4]​ Se puede decir que el intercambio de conocimientos es únicamente en dirección a la biología, ya que esta se ha ido enriqueciendo de los conceptos físicos y no viceversa.^[4]​ Desde un punto de vista se puede concebir que los conocimientos y enfoques acumulados en la física «pura» se pueden aplicar al estudio de sistemas biológicos.^[4]​ En ese caso la biofísica le aporta conocimientos a la biología, pero no a la física.^[4]​ Sin embargo, la biofísica ofrece a la física evidencia experimental que permite corroborar teorías. Ejemplos en ese sentido son la física de la audición, la biomecánica, los motores moleculares, , entre otros campos de la biología abordada por la física. La biomecánica, por ejemplo, consiste en la aplicación de conceptos de la dinámica clásica y la mecánica de sólidos deformables al comportamiento cinemático, dinámico y estructural de las diferentes partes del cuerpo.

El término biofísica fue introducido originalmente por Karl Pearson en 1892.^[5]​^[6]​ El término biofísica también se utiliza regularmente en el ámbito académico para indicar el estudio de las cantidades físicas (por ejemplo, corriente eléctrica, temperatura, estrés, entropía) en los sistemas biológicos. Otras ciencias biológicas también investigan las propiedades biofísicas de los organismos vivos, como la biología molecular, la biología celular, la biología química y la bioquímica.

Se estima que durante los inicios del siglo XXI, la confluencia de físicos, biólogos y químicos a los mismos laboratorios aumentará. Los estudios en neurociencia, por ejemplo, han aumentado y cada vez han tenido mayores frutos desde que se comenzó a implementar las leyes del electromagnetismo, la óptica y la física molecular al estudio de las neuronas.

Otros estudios consideran que existen ramas de la física que se deben desarrollar a profundidad como problemas físicos específicamente relacionados con la materia viviente.^[4]​ Así, por ejemplo, los polímeros biológicos (como las proteínas) no son lo suficientemente grandes como para poderlos tratar como un sistema mecánico, a la vez que no son lo suficientemente pequeños como para tratarlos como moléculas simples en solución. Los cambios energéticos que ocurren durante una reacción química catalizada por una enzima, o fenómenos como el acoplamiento químico-osmótico parecen requerir más de un enfoque físico teórico profundo que de una evaluación biológica.

Entre esos dos extremos aparecen problemas como la generación y propagación del impulso nervioso donde se requiere un pensamiento biológico, más un pensamiento físico así como algo cualitativamente nuevo que aparece con la visión integradora del problema.^[4]​

Una subdisciplina de la biofísica es la dinámica molecular, que intenta explicar las propiedades químicas de las biomoléculas a través de su estructura y sus propiedades dinámicas y de equilibrio.

Áreas de la biofísica

Biomecánica

Artículo principal: Biomecánica

La biomecánica es el estudio de la estructura, función, movimiento y comportamiento mecánico de los sistemas biológicos, utilizando los métodos de la mecánica. Más concretamente, esta disciplina tiene por objeto el estudio de las estructuras de carácter mecánico que existen en los seres vivos, fundamentalmente del cuerpo humano. Esta área de conocimiento se apoya en diversas ciencias biomédicas, utilizando los conocimientos de la mecánica, la ingeniería, la anatomía, la fisiología y otras disciplinas, para estudiar el comportamiento del cuerpo humano y resolver los problemas derivados de las diversas condiciones a las que puede verse sometido.

Bioacústica

La bioacústica es una ciencia multidisciplinaria que combina la biología y la acústica. Usualmente se refiere a la investigación de la producción del sonido, su dispersión a través de un medio y su recepción en animales (incluyendo los humanos). Esto envuelve el énfasis neurofisiológico y anatómico de la producción y detección del sonido y la relación de las señales acústicas con el medio en el que se transmiten. Estos hallazgos han dado evidencia acerca del diseño inteligente de los mecanismos acústicos y de alguna manera de los animales que los utilizan. En la acústica marina este término también es utilizado para nombrar el efecto de plantas y animales en la propagación del sonido bajo el agua, usualmente se refieren al uso del sonar para la estimación de biomasas^[7]​^[8]​

Motores moleculares

Esta sección es un extracto de Motor molecular.[editar]

Los motores moleculares son aquellos en los que los movimientos individuales de unas pocas moléculas son responsables de la conversión de una forma de energía (principalmente química) en trabajo. En la naturaleza, están en el origen de todos los movimientos de los seres vivos. También serían componentes importantes de eventuales nanomáquinas. Los primeros elementos de la descripción de estos procesos son recientes y debidos al equipo del profesor en el Instituto Curie. Estos movimientos implican a la física de las transiciones de fase y los sistemas dinámicos.

La principal diferencia con los motores macroscópicos se debe a la escala de las energías que entran en juego. En efecto para mover masas moleculares a distancias de unos pocos nanómetros, el trabajo necesario es del orden de la energía libre de un termostato a temperatura ambiente. Los motores moleculares están generalmente muy influenciados por su entorno, y no pueden ser descritos más que por teorías estadísticas. Este es el caso de todos los motores moleculares biológicos.

Dinámica proteica

Un ribosoma es una máquina biológica que utiliza la dinámica de las proteínas.

Estudio de movimientos moleculares de proteínas relacionados con su estructura, plegamiento o función.

Comunicación molecular

La transmisión y recepción de información por medio de las moléculas.

Aspectos teóricos

La biofísica pretende explicar los fenómenos biológicos mediante las mismas leyes que se aplican al resto del mundo. En este sentido, es la descendiente directa de la fisiología de principios del siglo XX. Como ocurre con muchos otros sistemas complejos (plasmas, superconductores...), los biofísicos tratan de desarrollar teorías adaptadas a los fenómenos típicos del mundo vivo. En muchos casos, esas teorías ponen de relieve ciertos puntos comunes entre observaciones "a priori" muy diferentes y abren nuevas perspectivas. Los organismos vivos figuran entre los sistemas físicos más complejos y variados de que disponemos. Sin embargo, existe una notable unidad a nivel celular, ya puesta de manifiesto por las primeras observaciones de células al microscopio (Schleiden 1838, Schwann 1840, Virchow 1855). Uno de los principales ejemplos de universalidad en la descripción física y matemática de los procesos biológicos es la teoría de la reacción-difusión desarrollada por Turing en 1952 para explicar la formación ex nihilo de patrones como rayas o lunares en el pelaje de los animales durante su desarrollo. Esta teoría, que sigue siendo objeto de intensas investigaciones en biología del desarrollo^[9]​, también puede aplicarse para describir procesos químicos, ecológicos o geológicos.

El descubrimiento paulatino de la unidad de los procesos físicos implicados en todas las células vivas ha sido uno de los principales motores del desarrollo de la biofísica. Los físicos tratan de explicar la esencia de las observaciones proponiendo teorías sintéticas. Los mayores éxitos se logran cuando varias observaciones en contextos diferentes, en organismos distintos, se vinculan a una misma explicación física.

Historia

Los estudios de Luigi Galvani (1737-1798) sentaron las bases del posterior campo de la biofísica. Algunos de los primeros estudios en biofísica fueron realizados en la década de 1840 por un grupo conocido como la escuela de fisiólogos de Berlín. Entre sus miembros se encontraban pioneros como Hermann von Helmholtz, Ernst Heinrich Weber, y Johannes Peter Müller.^[10]​

A (1882-1958) se le atribuye el liderazgo del desarrollo posterior del campo a mediados del siglo XX. Fue líder en el desarrollo de la electrocirugía.

La popularidad del campo aumentó cuando se publicó el libro (¿Qué es la vida?) de Erwin Schrödinger. Desde 1957, los biofísicos se han organizado en la que ahora cuenta con unos 9.000 miembros en todo el mundo.^[11]​

Algunos autores, como Robert Rosen, critican la biofísica por considerar que el método biofísico no tiene en cuenta la especificidad de los fenómenos biológicos.^[12]​

Véase también

• Biofisicoquímica
• Biología de membranas
• Biología matemática y teórica
• Biomecánica
• Biomimesis
• Dinámica molecular
• Fisiómica
• Escuela de Biofísica Molecular
• Bioinformática
• Predicción de la estructura de las proteínas
• Química computacional
• Biología cuántica
• Canal iónico
• Sistema complejo
• Vesícula (biología celular)
• Sistemas de reacción-difusión

Referencias

1. «Biophysics | science». Encyclopedia Britannica (en inglés). Consultado el 26 de julio de 2018. 
2. Zhou HX (March 2011). «Q&A: What is biophysics?». BMC Biology 9: 13. PMC 3055214. PMID 21371342. doi:10.1186/1741-7007-9-13. 
3. «the definition of biophysics». www.dictionary.com (en inglés). Consultado el 26 de julio de 2018. 
4. «Biofísica». Enciclopedia Libre Universal en Español. Consultado el 25 de marzo de 2019. 
5. Pearson, Karl (1892). The Grammar of Science. p. 470. 
6. . Biophysics: An Introduction]. Springer; 23 de abril de 2012. ISBN 978-3-642-25212-9.
7. Medwin H. & Clay C.S. (1998). Fundamentals of Acoustical Oceanography, Academic Press
8. Simmonds J. & MacLennan D. (2005). Fisheries Acoustics: Theory and Practice, second edition. Blackwell
9. «Morphogenèse : les structures de Turing existent bien». Consultado el 15 de diciembre de 2018. 
10. Franceschetti, Donald R. (15 de mayo de 2012). Applied Science. Salem Press Inc. p. 234. ISBN 978-1-58765-781-8. 
11. Rosen, Joe; Gothard, Lisa Quinn (2009). google.com/books?id=avyQ64LIJa0C Enciclopedia de la ciencia física. Infobase Publishing. p. 4 9. ISBN 978-0-8160-7011-4. 
12. Longo G, Montévil M (1 de enero de 2012). «The Inert vs. the Living State of Matter: Extended Criticality, Time Geometry, Anti-Entropy - An Overview». Frontiers in Physiology 3: 39. PMC 3286818. PMID 22375127. doi:10.3389/fphys.2012.00039. 

Bibliografía

• Perutz MF (1962). Proteins and Nucleic Acids: Structure and Function. Amsterdam: Elsevier. 
• Perutz MF (May 1969). «The Croonian Lecture, 1968. The haemoglobin molecule». Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences 173 (1031): 113-40. Bibcode:1969RSPSB.173..113P. PMID 4389425. S2CID 22104752. doi:10.1098/rspb.1969.0043. 
• Dogonadze RR, Urushadze ZD (1971). «Semi-Classical Method of Calculation of Rates of Chemical Reactions Proceeding in Polar Liquids». 32 (2): 235-245. doi:10.1016/S0022-0728(71)80189-4. 
• Volkenshtein MV, Dogonadze R, Madumarov AK, Urushadze ZD, Kharkats YI (1972). «Theory of Enzyme Catalysis». Molekuliarnaia Biologiia (Moscow) 6 (3): 431-439. PMID 4645409. 
• (2002). Biophysics : An Introduction. Wiley. ISBN 978-0-471-48538-4. 

Enlaces externos

• Biofísica y Medicina
• Portal español de Biofísica
• Wikiversidad alberga proyectos de aprendizaje sobre Biofísica.
• Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre biofísica.

• Datos: Q7100
• Multimedia: Biophysics / Q7100
• Recursos didácticos: Área de biofísica