Biofísica: história, o que estuda, aplicações, conceitos, métodos - Ciência - 2023

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o biofísica é o estudo das leis físicas que operam nos organismos vivos. É uma ciência interdisciplinar que aplica as abordagens e métodos da física para estudar fenômenos biológicos.

Também conhecida como biologia física, parte da ideia de que todos os fenômenos observados na natureza têm uma explicação científica previsível e que todos os sistemas vivos são constituídos por processos baseados em leis físicas.

É comum a discussão em que a biofísica é considerada um ramo da física, da biologia ou de ambas. Nesse caso, é importante observar que a tendência é considerá-lo um ramo da biologia.

Isso ocorre porque a troca de conhecimento geralmente é gerada da física para a biologia, que foi enriquecida por avanços físicos e conceitos. Mas a mesma contribuição não pode ser afirmada de forma inversa, ou seja, do ponto de vista da física pura não se pode dizer que a biofísica oferece novos conhecimentos.

A biofísica fornece evidências experimentais para a física e, portanto, permite corroborar teorias, mas a troca entre a física e a biologia é claramente unidirecional.

Os biofísicos são treinados nas ciências quantitativas da física, matemática e química para estudar tudo relacionado ao funcionamento, estrutura, dinâmica e interação dos sistemas biológicos. Esses sistemas incluem moléculas, células, organismos e ecossistemas complexos.

História

As origens da biofísica remontam ao século XVII, quando as ciências naturais ainda não haviam sido divididas em disciplinas separadas e na época em que foi localizada a primeira investigação da bioluminescência.

O primeiro estudo detectado foi o realizado pelo jesuíta alemão Athanasius Kircher (1602-1680), que publicou sua obra Ars Magna Lucis e Umbrae e ele dedicou dois capítulos à luminescência animal.

A ligação entre eletricidade e biologia foi objeto de especulação não apenas no século 17, mas nos dois séculos seguintes. Durante sua abordagem, o fascínio do homem pela eletricidade animal e natural, como vaga-lumes ou descargas elétricas naturais, tornou-se evidente.

Nessa linha de pesquisa, na Itália, e em meados do século 18, foram detectados os experimentos de Giovanni Beccaria com estimulação elétrica de músculos, que geraram conhecimento na área.

Em 1786, Luigi Galvani deu início a uma polêmica em torno do potencial elétrico dos animais. Seu oponente foi ninguém menos que Alessandro Volta que, ao desenvolver a bateria elétrica, freou de certa forma o interesse científico pelo potencial elétrico dos seres vivos.

século 19

Uma das principais contribuições do século 19 foi a de Du Bois-Reymond, professor de fisiologia em Berlim, que construiu os galvanômetros e realizou estudos sobre a corrente muscular e o potencial elétrico dos nervos. Esse objeto de estudo tornou-se um dos pontos de origem da biofísica.

Outra delas eram as forças responsáveis pelo fluxo passivo da matéria nos organismos vivos, especificamente os gradientes de difusão e a pressão osmótica. Nesse sentido, as contribuições de Abbé J.A. Nollet e Adolf Fick.

Este último foi quem publicou o primeiro texto de biofísica Die medizinische Physik ou em espanhol Física médica. No trabalho de Fick, não foram realizados experimentos, mas sim uma analogia com as leis do fluxo de calor, o que permitiu estabelecer as leis que regem a difusão. Experimentos de laboratório posteriores mostraram que a analogia era exata.

Século XX

O século XX foi caracterizado por começar com um certo domínio dos cientistas alemães, que se concentraram no estudo dos efeitos da radiação.

Um marco importante desse período foi a publicação do livro O que é a vida?por Erwin Schrödinger em 1944. Este propôs a existência de uma molécula em seres vivos que continha informações genéticas em ligações covalentes.

Este livro e aquela ideia inspiraram outros cientistas e os levaram a descobrir a estrutura de dupla hélice do DNA em 1953. Foram James Watson, Rosalind Franklin e Francis Crick que fizeram a descoberta.

Na segunda metade do século 20 ocorre um evidente amadurecimento da biofísica. Naquela época, programas universitários já eram apresentados e tinham popularidade em outros países além da Alemanha. Além disso, a investigação foi adquirindo cada vez mais ritmo.

O que está estudando (objeto de estudo)

O campo de estudo da biofísica se estende a todas as escalas da organização biológica, desde sistemas moleculares a orgânicos e outros sistemas mais complexos. Dependendo do foco de atenção, a biofísica pode ser dividida nos seguintes ramos:

- Biomecânica: estuda as estruturas mecânicas que existem nos seres vivos e que permitem seus movimentos.

- Bioeletricidade: estuda os processos eletromagnéticos e eletroquímicos que ocorrem nos organismos ou que geram efeitos sobre eles.

- Bioenergética: seu objeto de estudo é a transformação de energia que ocorre nos biossistemas.

- Bioacústica: É a ciência que investiga a produção de ondas sonoras, sua transmissão por algum meio e captura por outros animais ou sistemas vivos.

- Biofotônica: concentra-se nas interações de seres vivos com fótons.

- Radiobiologia: estuda os efeitos biológicos da radiação (ionizante e não ionizante) e suas aplicações em campo e laboratório.

- Dinâmica de proteínas: estuda os movimentos moleculares das proteínas e considera sua estrutura, função e dobramento.

- Comunicação molecular: centra-se no estudo da geração, transmissão e recepção de informação entre moléculas.

Formulários

Os tópicos investigados pela biofísica podem se sobrepor aos da bioquímica, biologia molecular, fisiologia, nanotecnologia, bioengenharia, biologia de sistemas, biologia computacional ou físico-química, entre outros. No entanto, tentaremos delimitar as principais aplicações da biofísica.

Com a descoberta do DNA e de sua estrutura, a biofísica tem contribuído para a criação de vacinas, o desenvolvimento de técnicas de imagem que permitem o diagnóstico de doenças e a geração de novos métodos farmacológicos para o tratamento de determinadas patologias.

Com a compreensão da biomecânica, este ramo da biologia tornou possível projetar melhores próteses e melhores nanomateriais com os quais os medicamentos podem ser administrados.

Hoje, a biofísica começou a se concentrar em questões relacionadas às mudanças climáticas e outros fatores ambientais. Por exemplo, está sendo feito um trabalho no desenvolvimento de biocombustíveis por meio de microorganismos vivos para substituir a gasolina.

Comunidades microbianas também estão sendo investigadas e os poluentes na atmosfera são rastreados com o conhecimento adquirido.

Conceitos principais

- Sistemas: é um agregado ordenado de elementos incluídos entre limites reais ou imaginários, que se inter-relacionam e interagem entre si.

- Proteínas: grandes moléculas encontradas em todas as células vivas. São constituídos por uma ou mais longas cadeias de aminoácidos que se comportam como máquinas que realizam uma ampla variedade de funções, como estruturais (citoesqueleto), mecânicas (musculares), bioquímicas (enzimas) e de sinalização celular (hormônios).

- Biomembranas: sistema de fluidos que cumprem numerosas funções biológicas às quais devem adaptar sua composição e diversidade. Eles fazem parte das células de todos os seres vivos e é o local onde inúmeras pequenas moléculas são armazenadas e servem como âncoras para proteínas.

- Dirigindo: é o fluxo de calor através de meios sólidos devido à vibração interna das moléculas, bem como elétrons livres e colisões entre elas.

- Convecção: refere-se ao fluxo de energia através de correntes de um fluido (líquido ou gás), é um movimento de volumes de líquido ou gás.

- Radiação: transferência de calor por ondas eletromagnéticas.

- Ácido desoxirribonucléico (DNA): nome químico da molécula que contém a informação genética em todos os seres vivos. Sua principal função é armazenar informações de longo prazo para construir com outros componentes das células, eles também têm instruções usadas para o desenvolvimento e operação de todos os organismos vivos.

- Impulso nervoso: é um impulso eletroquímico que se origina no sistema nervoso central ou nos órgãos dos sentidos na presença de um estímulo. Essa onda elétrica que percorre todo o neurônio é sempre transmitida de forma unidirecional, entrando pelos dendritos das células e saindo pelo axônio.

- Contração muscular: Processo fisiológico em que os músculos se contraem, fazendo com que se encurtem, permaneçam ou se estiquem devido ao deslizamento das estruturas que os compõem. Este ciclo está ligado à estrutura da fibra muscular e à transmissão do potencial elétrico pelos nervos.

Métodos

O biofísico A.V. Hill considera que a atitude mental seria a principal ferramenta do biofísico. Com isso como base, ele argumenta que os biofísicos são aqueles indivíduos que podem expressar um problema em termos físicos, e que não se diferenciam pelas técnicas particulares usadas, mas pela maneira como formulam e atacam os problemas.

Somado a isso, está a capacidade de usar teoria física complexa e outras ferramentas físicas para estudar objetos naturais. Além disso, não dependem de instrumentos fabricados comercialmente, pois costumam ter experiência na montagem de equipamentos especiais para solucionar problemas biológicos.

A automação de análises químicas e outros processos diagnósticos por meio de computadores são aspectos a serem considerados nos métodos biofísicos atuais.

Além disso, os biofísicos desenvolvem e usam métodos de modelagem computacional, com os quais podem manipular e observar formas e estruturas de moléculas complexas, bem como vírus e proteínas.

Referências

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