BIOPHYSIQUE: HISTOIRE, CE QU'ELLE ÉTUDIE, APPLICATIONS, CONCEPTS, MÉTHODES - LA BIOLOGIE - 2025

La biophysique est l'étude des lois physiques opérant dans les organismes vivants. C'est une science interdisciplinaire qui applique les approches et méthodes de la physique pour étudier les phénomènes biologiques.

Aussi connu sous le nom de biologie physique, cela fait partie de l'idée que tous les phénomènes observés dans la nature ont une explication scientifique prévisible et que tous les systèmes vivants sont constitués de processus basés sur des lois physiques.

Double hélice de la chaîne d'ADN. L'une des principales découvertes en biophysique. Source: Joseluissc3

La discussion dans laquelle la biophysique est considérée comme une branche de la physique, de la biologie ou des deux est courante. Dans ce cas, il est important de noter que la tendance est à la considérer comme une branche de la biologie.

En effet, l'échange de connaissances est généralement généré de la physique à la biologie, qui a été enrichie par les progrès et les concepts physiques. Mais la même contribution ne peut être affirmée de manière inverse, c'est-à-dire que du point de vue de la physique pure, on ne peut pas dire que la biophysique offre de nouvelles connaissances.

La biophysique fournit des preuves expérimentales à la physique et lui permet ainsi de corroborer les théories, mais l'échange entre physique et biologie est clairement unidirectionnel.

Les biophysiciens sont formés aux sciences quantitatives de la physique, des mathématiques et de la chimie pour étudier tout ce qui concerne le fonctionnement, la structure, la dynamique et l'interaction des systèmes biologiques. Ces systèmes comprennent des molécules complexes, des cellules, des organismes et des écosystèmes.

L'histoire

Les origines de la biophysique remontent au XVIIe siècle, lorsque les sciences naturelles n'étaient pas encore divisées en disciplines distinctes et au moment où la première enquête sur la bioluminescence a été localisée.

La première étude qui a été détectée est celle menée par le jésuite allemand Athanasius Kircher (1602-1680), qui publie son ouvrage Ars Magna Lucis et Umbrae et consacre deux chapitres à la luminescence animale.

Le lien entre électricité et biologie a fait l'objet de spéculations non seulement au XVIIe siècle, mais au cours des deux siècles suivants. Au cours de son approche, la fascination de l'homme pour l'électricité animale et naturelle, comme les lucioles ou les éclairs naturels, est devenue évidente.

Dans cette ligne de recherche, en Italie et au milieu du XVIIIe siècle, les expériences de Giovanni Beccaria sur la stimulation électrique des muscles générant des connaissances dans ce domaine ont été détectées.

En 1786, Luigi Galvani a lancé une controverse autour du potentiel électrique chez les animaux. Son adversaire n'était autre qu'Alessandro Volta qui, en développant la batterie électrique, a quelque peu freiné l'intérêt scientifique pour le potentiel électrique des êtres vivants.

XIXème siècle

L'une des principales contributions au XIXe siècle est celle de Du Bois-Reymond, professeur de physiologie à Berlin, qui construit les galvanomètres et fait des études sur le courant musculaire et le potentiel électrique des nerfs. Cet objet d'étude est devenu l'un des points d'origine de la biophysique.

Un autre d'entre eux était celui des forces responsables de l'écoulement passif de la matière dans les organismes vivants, en particulier les gradients de diffusion et la pression osmotique. Dans ce sens, les contributions de l'abbé JA Nollet et d'Adolf Fick se démarquent.

Ce dernier est celui qui a publié le premier texte biophysique Die medizinische Physik ou Physique médicale en espagnol. Dans les travaux de Fick, aucune expérience n'a été menée, mais plutôt une analogie avec les lois du flux thermique a été soulevée, ce qui a permis d'énoncer les lois régissant la diffusion. Des expériences de laboratoire ultérieures ont montré que l'analogie était exacte.

XXe siècle

Le XXe siècle a été caractérisé en commençant par une certaine maîtrise des scientifiques allemands, qui se sont concentrés sur l'étude des effets des radiations.

Une étape importante de cette période a été la publication du livre ¿Qué es la vida?, par Erwin Schrödinger en 1944. En cela, l'existence d'une molécule chez les êtres vivants qui contenait des informations génétiques dans des liaisons covalentes a été proposée.

Ce livre et cette idée ont inspiré d'autres scientifiques et les ont amenés à découvrir la structure en double hélice de l'ADN en 1953. Ce sont James Watson, Rosalind Franklin et Francis Crick qui ont fait la découverte.

Dans la seconde moitié du 20e siècle, il y a une maturité évidente de la biophysique. À cette époque, des programmes universitaires étaient déjà présentés et il était populaire dans d'autres pays au-delà de l'Allemagne. De plus, l'enquête prenait de plus en plus de rythme.

Qu'est-ce qui étudie (objet d'étude)

La biomécanique est l'une des branches de la biophysique. Source: Mutuauniversal

Le domaine d'étude de la biophysique s'étend à toutes les échelles de l'organisation biologique, du moléculaire au système organique et à d'autres systèmes plus complexes. Selon le centre d'attention, la biophysique peut être divisée dans les branches suivantes:

- Biomécanique: étudie les structures mécaniques qui existent chez les êtres vivants et qui permettent leur mouvement.

- Bioélectricité: étudie les processus électromagnétiques et électrochimiques qui se produisent dans les organismes ou qui génèrent des effets sur eux.

- Bioénergétique: son objet d'étude est la transformation de l'énergie qui se produit dans les biosystèmes.

- Bioacoustique: c'est la science qui étudie la production d'ondes sonores, leur transmission par certains moyens et leur capture par d'autres animaux ou systèmes vivants.

- Biophotonique: se concentre sur les interactions du vivant avec les photons.

- Radiobiologie: étudie les effets biologiques des rayonnements (ionisants et non ionisants) et ses applications sur le terrain et en laboratoire.

- Dynamique des protéines: étudier les mouvements moléculaires des protéines et considérer leur structure, leur fonction et leur repliement.

- Communication moléculaire: se concentre sur l'étude de la génération, de la transmission et de la réception d'informations entre molécules.

Applications

Les sujets étudiés par la biophysique peuvent chevaucher ceux de la biochimie, de la biologie moléculaire, de la physiologie, de la nanotechnologie, de la bio-ingénierie, de la biologie des systèmes, de la biologie computationnelle ou de la chimie physique, entre autres. Cependant, nous tenterons de délimiter les principales applications de la biophysique.

Avec la découverte de l'ADN et de sa structure, la biophysique a contribué à la création de vaccins, au développement de techniques d'imagerie pour diagnostiquer des maladies et à la génération de nouvelles méthodes pharmacologiques pour traiter certaines pathologies.

Avec la compréhension de la biomécanique, cette branche de la biologie a permis de concevoir de meilleures prothèses et de meilleurs nanomatériaux avec lesquels les médicaments peuvent être délivrés.

Aujourd'hui, la biophysique a commencé à se concentrer sur les questions liées au changement climatique et à d'autres facteurs environnementaux. Par exemple, des travaux sont en cours sur le développement de biocarburants grâce à des microorganismes vivants pour remplacer l'essence.

Les communautés microbiennes sont également étudiées et les polluants dans l'atmosphère sont suivis grâce aux connaissances acquises.

Principaux concepts

- Systèmes: il s'agit d'un agrégat ordonné d'éléments compris entre des limites réelles ou imaginaires, qui sont interdépendants et interagissent les uns avec les autres.

- Protéines: grosses molécules présentes dans toutes les cellules vivantes. Ils sont composés d'une ou plusieurs longues chaînes d'acides aminés qui se comportent comme des machines qui remplissent une grande variété de fonctions, telles que la signalisation structurelle (cytosquelette), mécanique (muscle), biochimique (enzymes) et cellulaire (hormones).

- Biomembranes: système de fluides qui remplissent de nombreuses fonctions biologiques pour lesquelles ils doivent adapter leur composition et leur diversité. Ils font partie des cellules de tous les êtres vivants et c'est le lieu où d'innombrables petites molécules sont stockées et servent d'ancre aux protéines.

- Conduction: c'est le flux de chaleur à travers les milieux solides dû à la vibration interne des molécules, ainsi qu'aux électrons libres et aux collisions entre elles.

- La convection: désigne le flux d'énergie à travers les courants d'un fluide (liquide ou gazeux), c'est un mouvement de volumes de liquide ou de gaz.

- Rayonnement: transfert de chaleur par ondes électromagnétiques.

- Acide désoxyribonucléique (ADN): nom chimique de la molécule qui contient l'information génétique chez tous les êtres vivants. Leur fonction principale est de stocker des informations à long terme à construire avec d'autres composants des cellules, ils ont également des instructions utilisées pour le développement et le fonctionnement de tous les organismes vivants.

- Pulsion nerveuse: c'est une impulsion électrochimique qui prend naissance dans le système nerveux central ou dans les organes sensoriels en présence d'un stimulus. Cette onde électrique qui traverse tout le neurone est toujours transmise de manière unidirectionnelle, entrant par les dendrites des cellules et sortant par l'axone.

- Contraction musculaire: processus physiologique dans lequel les muscles se resserrent, les faisant raccourcir, rester ou s'étirer en raison du glissement des structures qui les composent. Ce cycle est lié à la structure de la fibre musculaire et à la transmission du potentiel électrique à travers les nerfs.

Méthodes

Le biophysicien AV Hill considère que l'attitude mentale serait le principal outil du biophysicien. Sur cette base, il soutient que les biophysiciens sont ces individus qui peuvent exprimer un problème en termes physiques, et qui ne sont pas différenciés par les techniques particulières utilisées mais par la manière dont ils formulent et attaquent les problèmes.

À cela s'ajoute la possibilité d'utiliser une théorie physique complexe et d'autres outils physiques pour étudier les objets naturels. En outre, ils ne dépendent pas d'instruments de fabrication commerciale, car ils ont généralement l'expérience de l'assemblage d'équipements spéciaux pour résoudre des problèmes biologiques.

L'automatisation des analyses chimiques et d'autres processus de diagnostic utilisant des ordinateurs sont des aspects à considérer dans les méthodes biophysiques actuelles.

En outre, les biophysiciens développent et utilisent des méthodes de modélisation informatique, avec lesquelles ils peuvent manipuler et observer les formes et les structures de molécules complexes, ainsi que des virus et des protéines.

Références

1. Solomon, A. (30 mars 2018). Biophysique. Encyclopædia Britannica. Récupéré sur britannica.com
2. Biophysique. (2019, 18 septembre). Wikipédia, l'Encyclopédie. Récupéré de wikipedia.org
3. Contributeurs Wikipedia. (2019, 23 septembre). Biophysique. Dans Wikipedia, The Free Encyclopedia. Récupéré de wikipedia.org
4. Qu'est-ce que la biophysique? Connaissez ses branches d'études et son histoire. (2018, 30 novembre). Récupéré de branchesdelabiologia.net
5. Société Byophysique. (2019) Qu'est-ce que la biophysique. Récupéré de biophysics.org
6. Nahle, Nasif. (2007) Article didactique: Biophysique. Organisation du cabinet de biologie. Récupéré de biocab.org