Biofísica: historia, qué estudia, aplicaciones, conceptos, métodos
La biofísica es el estudio de las leyes físicas que operan en los organismos vivos. Se trata de una ciencia interdisciplinaria que aplica los enfoques y los métodos de la física para estudiar los fenómenos biológicos.
La también conocida biología física, parte de la idea de que todos los fenómenos observados en la naturaleza tienen una explicación científica predecible y que todos los sistemas vivos se conforman de procesos basados en leyes físicas.
Es común la discusión en la que se plantea a la biofísica como rama de la física, de la biología o de ambas. En este caso, es importante destacar que la tendencia es a considerarla rama de la biología.
Esto porque el intercambio de conocimientos suele generarse de la física a la biología, que se ha visto enriquecida por los avances y conceptos físicos. Pero no puede afirmarse el mismo aporte de manera inversa, es decir desde el punto de la física pura no puede decirse que la biofísica le ofrezca nuevos conocimientos.
La biofísica facilita evidencia experimental a la física y con ello le permite corroborar teorías pero el intercambio entre física y biología es netamente unidireccional.
Los biofísicos están entrenados en las ciencias cuantitativas de física, matemáticas y química para estudiar todo lo relacionado al funcionamiento, estructura, dinámica e interacción de los sistemas biológicos. Estos sistemas incluyen moléculas, células, organismos y ecosistemas complejos.
Índice del artículo
- 1 Historia
- 2 Qué estudia (objeto de estudio)
- 3 Aplicaciones
- 4 Conceptos principales
- 5 Métodos
- 6 Referencias
Los orígenes de la biofísica se remontan al siglo XVII cuando aún no se habían dividido las ciencias naturales como disciplinas separadas y en el momento en que se ubica la primera investigación de la bioluminiscencia.
El primer estudio que se detectó fue el realizado por el jesuita alemán, Athanasius Kircher (1602-1680), quien publicó su obra Ars Magna Lucis et Umbrae y dedicó dos capítulos a la luminiscencia animal.
La vinculación entre electricidad y biología fue tema de especulación no solo en el siglo XVII, sino en el los siguientes dos siglos. Durante su abordaje se hizo evidente la fascinación del hombre por la electricidad animal y natural como en luciérnagas o en las descargas naturales de los rayos.
En esta línea de investigación se detecta en Italia, y a mediados del siglo XVIII, los experimentos de Giovanni Beccaria en torno a la estimulación eléctrica de los músculos que fueron generando conocimientos en ese ámbito.
En 1786, Luigi Galvani inició una controversia en torno al potencial eléctrico en animales. Su oponente fue nada menos que Alessandro Volta quien al desarrollar la batería eléctrica frenó un tanto el interés científico del potencial eléctrico en seres vivos.
Uno de los principales aportes en el siglo XIX fue el de Du Bois-Reymond profesor de fisiología en Berlín, quien construyó los galvanómetros y realizó estudios sobre la corriente muscular y el potencial eléctrico de los nervios. Este objeto de estudio se convirtió en uno de los puntos de origen de la biofísica.
Otro de ellos fue el de las fuerzas responsables del flujo pasivo de materia en organismos vivos, específicamente los gradientes de difusión y presión osmótica. En esta línea se destacan las aportaciones de Abbé J.A. Nollet y Adolf Fick.
Este último fue quien publicó el primer texto de biofísica Die medizinische Physik o en español Física médica. En el trabajo de Fick no se realizaron experimentos, sino que se planteó una analogía con las leyes del flujo de calor, lo que permitió enunciar las leyes que rigen la difusión. Los experimentos posteriores en laboratorio evidenciaron que la analogía era exacta.
El siglo XX se caracterizó por iniciarse con cierto dominio de los científicos alemanes, quienes se concentraron en estudiar los efectos de la radiación.
Un hito importante de este periodo fue la publicación del libro ¿Qué es la vida?, de Erwin Schrödinger en 1944. En este se proponía la existencia de una molécula en los seres vivos que contenía información genética en enlaces covalentes.
Este libro y esa idea inspiraron a otros científicos y los condujo a descubrir la estructura de doble hélice del ADN en 1953. Fueron James Watson, Rosalind Franklin y Francis Crick quienes hicieron el hallazgo.
En la segunda mitad del siglo XX hay una evidente madurez de la biofísica. En esos días ya se presentaban programas universitarios y tenía popularidad en otros países más allá de Alemania. Además, la investigación iba adquiriendo cada vez mayor ritmo.
El campo de estudio de la biofísica se extiende a todas las escalas de organización biológica, desde las moleculares hasta las orgánicas y otros sistemas más complejos. Dependiendo del foco de atención la biofísica puede dividirse en las siguientes ramas:
– Biomecánica: estudia las estructuras de carácter mecánico que existen en los seres vivos y que permiten el movimiento de estos.
– Bioelectricidad: estudia los procesos electromagnéticos y electroquímicos que ocurren en los organismos o que generan efectos sobre ellos.
– Bioenergética: su objeto de estudio es la transformación de energía que ocurre en los biosistemas.
– Bioacústica: es la ciencia que investiga la producción de ondas sonoras, su transmisión por algún medio y captación por otros animales o sistemas vivientes.
– Biofotónica: se enfoca en las interacciones de los seres vivos con los fotones.
– Radiobiología: estudia los efectos biológicos de las radiaciones (ionizantes y no ionizantes) y sus aplicaciones en campo y laboratorio.
– Dinámica proteica: estudia los movimientos moleculares de proteínas y considera su estructura, función y plegamiento.
– Comunicación molecular: se centra en estudiar la generación, transmisión y recepción de información entre las moléculas.
Los temas investigados por la biofísica pueden tener un solapamiento con los de la bioquímica, biología molecular, fisiología, nanotecnología, bioingeniería, biología de sistemas, biología computacional o química-física, entre otros. Sin embargo, intentaremos delimitar las principales aplicaciones de la biofísica.
Con el hallazgo del ADN y su estructura, la biofísica ha contribuido a la creación de vacunas, al desarrollo de técnicas de imágenes que permitan diagnosticar enfermedades y a la generación de nuevos métodos farmacológicos para tratar determinadas patologías.
Con la comprensión de la biomecánica, esta rama de la biología ha permitido diseñar mejores prótesis y mejores nanomateriales con los cuales se puedan suministrar medicamentos.
Hoy en día, la biofísica ha comenzado a centrarse en temas relacionados al cambio climático y otros factores ambientales. Por ejemplo se está trabajando en el desarrollo de biocombustibles a través de microorganismos vivos para sustituir a la gasolina.
También se están investigando las comunidades microbianas y se rastrean contaminantes en la atmósfera con los conocimientos obtenidos.
– Sistemas: es un agregado ordenado de elementos incluidos entre límites reales o imaginarios, que se encuentran interrelacionados e interactúan entre sí.
– Proteínas: grandes moléculas que se encuentran en todas las células vivas. Se componen de una o más cadenas largas de aminoácidos que se comportan como máquinas que llevan a cabo gran variedad de funciones, como estructurales (citoesqueleto), mecánicas (músculo), bioquímicas (enzimas) y de señalización celular (hormonas).
– Biomembranas: sistema de fluidos que cumplen con numerosas funciones biológicas para lo que deben adaptar su composición y diversidad. Forman parte de las células de todos los seres vivos y es el lugar donde se almacenan infinidad de moléculas pequeñas y sirve de anclaje de proteínas.
– Conducción: es el flujo de calor a través de medios sólidos por la vibración interna de las moléculas, así como de los electrones libres y por choques entre ellos.
– Convección: se refiere al flujo de energía a través de corrientes de un fluido (líquido o gas), es un movimiento de volúmenes de líquido o de gas.
– Radiación: transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas.
– Ácido desoxirribonucleico (ADN): nombre químico de la molécula que contiene la información genética en todos los seres vivos. Su función principal es almacenar información a largo plazo para construir con otros componentes de las células, además tienen instrucciones usadas para el desarrollo y funcionamientos de todos los organismos vivos.
– Impulso nervioso: es un impulso electroquímico que se origina en el sistema nervioso central o en los órganos de los sentidos ante la presencia de un estímulo. Esta onda eléctrica que recorre toda la neurona siempre se transmite de modo unidireccional, ingresando por las dendritas de las células y saliendo por el axón.
– Contracción muscular: proceso fisiológico en el que los músculos se tensan, generando que se acortan, permanecen o se estiren por el deslizamiento de las estructuras que lo componen. Este ciclo se encuentra vinculado a la estructura de la fibra muscular y la transmisión del potencial eléctrico por los nervios.
El biofísico A.V. Hill considera que la actitud mental sería la principal herramienta del biofísico. Con esta como fundamento, plantea que los biofísicos son aquellos individuos que pueden expresar un problema en términos físicos, y que no se diferencian por las técnicas particulares empleadas sino por la forma en que formulan y atacan los problemas.
A ello se une la capacidad de utilizar la teoría física compleja y otras herramientas físicas para estudiar los objetos naturales. Además no tienen dependencia de instrumentos construidos comercialmente, pues suelen contar con la experiencia de armar equipos especiales para resolver problemas biológicos.
La automatización de los análisis químicos y otros procesos de diagnóstico mediante computadoras son aspectos a considerar en los métodos de la biofísica actual.
Además los biofísicos desarrollan y usan métodos de modelado de computadora, con los que pueden manipular y observar formas y estructuras de moléculas complejas, así como de virus y de proteínas.
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