الفيزياء الحيوية

الفيزياء الحيوية حقلٌ يقوم بتطبيق النظريات والطرق الفيزيائية في محاولةٍ لفهم طريقة عمل الأنظمة الحيوية، فهي تدرس الظواهر والعمليات الفيزيائية في الكائنات الحية على مستوى الجزيئات والخلايا والأنسجة والأعضاء، وتعدّ علمًا متعدد الاختصاصات مرتبطًا بشدةٍ بالبيولوجيا الكمية وبيولوجيا الأنظمة، أي هي علمٌ يجمع بين الفيزياء وعلم الأحياء ومرتبطٌ بمجالاتٍ أخرى كالرياضيات والكيمياء والفيزياء والكيمياء الحيوية.

استُخدم هذا المصطلح لأول مرة عام 1892 من قبل كارل بيرسون في كتابه قواعد العلوم The Grammar Of Science، وهكذا تعتبر الفيزياء الحيويّة علمًا شاملًا يتعلق بكل ما يخص وظائف الأنظمة الحية، وارتباطها بكلٍّ من علم الأحياء والفيزياء وإيجاد توازنٍ بين هذين العلمين أساسيّ لازدهارها، يجعلها أشبه بوعاء يجمع طرق الفيزياء وتطبيقاتها لإيجاد حلولٍ للمشاكل في علم الأحياء.

ظهر مفهوم الفيزياء الحيويّة في منتصف القرن التاسع عشر كنموذجٍ جديدٍ للبحث الفيزيولوجي الوظيفي حيث يمكن تفسير الوظائف الحيوية عبر قوانين الكيمياء والفيزياء، وكانت النظرة السائدة عن خضوع الظواهر البيولوجية لقوانين بيولوجية خاصة مرفوضة بهدف تطوير الفيزيولوجيا على أساسٍ فيزيائيٍّ كيميائيٍّ، وقد تم تقديم مصطلح الفيزياء الحيوية عام 1892 من قبل كارل بيرسون في كتابه قواعد العلوم لوصف العلم الذي يربط العلوم الفيزيائية والحيوية، فقد نوه إلى المستقبل الكبير الذي ينتظر هذا العلم رغم عدم تطوره الكبير آنذاك، وفي الواقع فقد تطورت الفيزياء الحيوية كثيرًا منذ ذلك الوقت بسبب تلاقي الطرق التجريبية الكمية المعقدة مع الدراسات المحوسبة كمحاكاة ديناميكية الجزيئات.

يعمل علماء الفيزياء الحيويّة على تطوير طرقٍ لمقاومة الأمراض، والتخلص من الجوع العالمي، وإنتاج مصادر طاقةٍ متجددة، وتصميم تقنياتٍ متقدمة، وإيجاد حلولٍ للغموض الذي يلف الكثير من المسائل العلمية، وهذه هي المجالات التي تبحث فيها الفيزياء الحيوية:

تم اكتشاف بنية DNA (الحمض النووي) عام 1953 باستخدام الفيزياء الحيوية، وقد يُظهر هذا الاكتشاف أهمية الحمض النووي كونه يمثل المخطط الأساسي للحياة، فقد أصبح بالإمكان قراءة سلاسل الحمض النووي لآلاف البشر والكائنات الحية على تنوعها، وتعد التقنيات الفيزيوحيوية أساسيةً جدًا في تحليل البيانات.

طور علماء الفيزياء الحيوية طرقًا لوضع نماذج حاسوبيةٍ لرؤية واستخدام الأشكال والبنى البروتينية والفيروسات والجزيئات المعقدة الأخرى، والمعلومات الأساسية المطلوبة لتطوير عقاراتٍ جديدةٍ أو لفهم طريقة تحوّر البروتينات وكيف تسبب زيادةً في نمو الأورام.

يدرس علماء الفيزياء الحيويّة حركة الهرمونات حول الخلية وكيف تتواصل الخلايا مع بعضها، وقد أصبحوا قادرين على جعل الخلايا متوهجةً تحت المجهر بفضل أصباغ الفلورسنت، كما تعرفوا على نظام النقل الداخلي المعقد للخلايا.

يصمم علماء الفيزياء الحيوية نماذجًا على الكمبيوتر تدعى بالشبكات العصبية لتمثيل عمل الدماغ والجهاز العصبي مما يقود إلى فهمٍ جديدٍ لطريقة معالجة المعلومات البصرية والسمعية.

سعى العلماء في هذا المجال إلى فهم الميكانيكا الحيوية وتطبيق هذه المعلومات لتصميم أطرافٍ صناعيةٍ أفضل وموادٍّ نانويةٍ أفضل لإعطاء العقاقير.

طور علماء الفيزياء الحيوية تقنيات تصويرٍ تشخيصية معقدة مثل الرنين المغناطيسي والأشعة المقطعية، وهم في سعيٍّ مستمرٍّ لتطوير تقنية أكثر دقةً وسرعةً وأمانًا لتحسين التصوير الشعاعي الطبي وإعطاء معلومات أكثر عن عمل الأجزاء الداخلية لجسم الانسان.

أصبحت الفيزياء الحيويّة علمًا أساسيًّا في مجال تطوير العلاجات والأجهزة المنقذة للحياة لغسيل الكلى، والعلاج الإشعاعي، وأجهزة وقف الرجفان، وضبط نبضات القلب، وصمامات القلب الاصطناعية.

تقوم الفيزياء الحيوية البيئية بقياس وتمثيل كل المظاهر البيئية بدءًا بالستراتوسفير (الجزء الأعلى من الغلاف الجوي) وصولًا إلى أعماق المحيط، حيث يبحث العلماء في هذا المجال في المجتمعات الميكروبية المختلفة التي تملأ الكوكب، ويتعقبون الملوثات في الغلاف الجوي، ويصنعون الوقود الحيوي من الطحالب.

أبرز خيارات العمل لعلماء الفيزياء الحيوية تتضمن التعليم أو الأبحاث أو كلاهما، وتتطلب مهنة التعليم في هذا المجال الحصول على درجة الماجستير، كما هي الحال بالنسبة لمهنتي مدير مخبر أو باحث مشارك، بينما يجب الحصول على درجة الدكتوراه للعمل كباحثٍ رئيسيٍّ في الأبحاث المخبرية. وتقوم وظيفة الباحث الرئيسي على تصميم التجارب والإشراف على جميع الأبحاث التي تم إجراؤها في المختبر، أما الحاصلين على درجة البكالوريوس فيحصلون على وظيفة تقنيي أبحاث حيث يقومون بتنفيذ الكثير من المعايير المرجعية للتجارب العلمية.