Biofísica para niños
La biofísica es una ciencia fascinante que combina la biología y la física. Su objetivo principal es entender cómo funcionan los seres vivos, desde las células más pequeñas hasta los organismos complejos, usando las leyes y herramientas de la física. Imagina que la biología nos dice qué hacen las cosas vivas, y la física nos explica cómo lo hacen, a nivel de fuerzas, energía y movimiento.
Por ejemplo, la biofísica estudia cómo se mueven nuestros músculos (eso es biomecánica), cómo las señales eléctricas viajan por nuestro cerebro (eso es bioelectromagnetismo), o cómo las células obtienen energía. También puede usar ideas de la mecánica cuántica para entender procesos muy pequeños dentro de las células.
Algunos se preguntan si la biofísica es parte de la física, de la biología, o de ambas. Lo cierto es que la biología se ha beneficiado mucho de los conceptos físicos. La biofísica ayuda a la biología a entender mejor sus fenómenos, y a veces, los descubrimientos en biofísica incluso dan nuevas ideas a la física.
El término biofísica fue usado por primera vez por Karl Pearson en 1892. También se usa para hablar de cómo se miden cosas físicas como la corriente eléctrica, la temperatura o la energía en los sistemas vivos. Otras ciencias como la biología molecular o la bioquímica también estudian estas propiedades.
Se espera que en el futuro, más físicos, biólogos y químicos trabajen juntos en los mismos laboratorios. Por ejemplo, el estudio del cerebro ha avanzado mucho desde que se empezaron a aplicar las leyes del electromagnetismo y la óptica para entender cómo funcionan las neuronas.
Algunos estudiosos creen que la física necesita desarrollar nuevas ideas para entender específicamente la materia viva. Por ejemplo, las proteínas son muy grandes para tratarlas como moléculas simples, pero muy pequeñas para verlas como máquinas grandes. Los cambios de energía en las reacciones químicas de las enzimas también necesitan un enfoque físico profundo.
Entre estos extremos, hay problemas como la forma en que se transmite una señal nerviosa. Para entenderlo, se necesita tanto el conocimiento biológico como el físico, y una nueva forma de ver el problema que los integre.
Una parte de la biofísica es la dinámica molecular, que busca explicar las propiedades de las biomoléculas (moléculas de la vida) a partir de su estructura y cómo se mueven.
Contenido
¿Qué áreas abarca la biofísica?
Biomecánica: el movimiento del cuerpo
La biomecánica estudia cómo se mueven y funcionan las partes de los seres vivos, especialmente el cuerpo humano, usando los principios de la mecánica. Esta área combina conocimientos de la ingeniería, la anatomía (el estudio de las partes del cuerpo) y la fisiología (el estudio de cómo funcionan esas partes) para entender cómo el cuerpo se comporta bajo diferentes condiciones.
Bioacústica: el sonido en la naturaleza
La bioacústica es una ciencia que une la biología y la acústica (el estudio del sonido). Se enfoca en cómo los animales (incluidos los humanos) producen sonidos, cómo esos sonidos viajan por el aire o el agua, y cómo los animales los escuchan. Esto incluye estudiar las partes del cuerpo que producen y detectan el sonido, y cómo las señales sonoras se relacionan con el ambiente. En el océano, también se usa para ver cómo las plantas y los animales afectan la propagación del sonido bajo el agua, por ejemplo, usando el sonar para estimar la cantidad de seres vivos.
Motores moleculares: máquinas diminutas
Los motores moleculares son como pequeñas máquinas donde el movimiento de unas pocas moléculas convierte un tipo de energía (casi siempre química) en movimiento útil. En la naturaleza, son la razón de todos los movimientos en los seres vivos. También podrían ser importantes para construir futuras nanomáquinas (máquinas muy, muy pequeñas). Los primeros estudios sobre estos procesos son recientes.
La principal diferencia con los motores grandes es la escala de las energías. Para mover masas moleculares a distancias muy pequeñas, la energía necesaria es similar a la energía de un termostato a temperatura ambiente. Los motores moleculares suelen estar muy influenciados por su entorno, y solo se pueden describir con teorías que usan estadísticas. Esto es lo que ocurre con todos los motores moleculares biológicos.
Dinámica proteica: el movimiento de las proteínas
Es el estudio de cómo se mueven las proteínas a nivel molecular, y cómo esos movimientos están relacionados con su forma, cómo se pliegan o cómo cumplen su función.
Comunicación molecular: mensajes entre moléculas
Es la forma en que la información se envía y se recibe usando moléculas como mensajeros.
¿Cómo piensa la biofísica?
La biofísica busca explicar los fenómenos biológicos usando las mismas leyes que se aplican a todo lo demás en el universo. Es como una continuación de la fisiología de principios del siglo XX. Los biofísicos intentan crear teorías que se adapten a los fenómenos únicos de los seres vivos. A menudo, estas teorías muestran puntos en común entre observaciones que parecen muy diferentes, abriendo nuevas formas de entender.
Los organismos vivos son algunos de los sistemas físicos más complejos y variados que existen. Sin embargo, hay una unidad sorprendente a nivel de las células, algo que ya notaron los primeros científicos que las observaron. Un gran ejemplo de cómo la física y las matemáticas pueden describir procesos biológicos es la teoría de la reacción-difusión de Alan Turing (1952). Esta teoría explica cómo se forman patrones como rayas o manchas en la piel de los animales durante su desarrollo, y también se puede aplicar a procesos químicos o ecológicos.
El descubrimiento de que los procesos físicos en todas las células vivas son similares ha impulsado mucho el desarrollo de la biofísica. Los físicos intentan explicar la esencia de lo que observan con teorías que lo unan todo. Los mayores éxitos ocurren cuando varias observaciones en diferentes situaciones y organismos se conectan con una misma explicación física.
Un poco de historia
Los estudios de Luigi Galvani (1737-1798) fueron muy importantes para el inicio de la biofísica. Algunos de los primeros trabajos en biofísica se hicieron en la década de 1840 por un grupo de científicos en Berlín, como Hermann von Helmholtz y Johannes Peter Müller.
A William T. Bovie (1882-1958) se le considera un líder en el desarrollo de este campo a mediados del siglo XX. Él fue clave en la creación de la electrocirugía.
A principios del siglo XX, Darcy Thompson escribió un libro muy importante llamado On Growth and Form (Sobre la forma y el Crecimiento). En él, mostró cómo procesos complejos en el desarrollo de la forma de los seres vivos podían explicarse con principios físicos y matemáticos sencillos.
Después de la Segunda Guerra Mundial, muchos investigadores, especialmente en la Universidad de Cambridge, revolucionaron la biofísica. Por ejemplo, usaron la cristalografía de rayos X para descubrir la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN). Por este descubrimiento, James Dewey Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins y Rosalind Franklin fueron muy importantes. También se usó la electrofisiología para entender cómo se propagan las señales en los nervios, gracias a Alan Lloyd Hodgkin y Andrew Huxley.
La popularidad de la biofísica creció mucho cuando se publicó el libro ¿Qué es la vida? de Erwin Schrödinger. Desde 1957, los biofísicos se han organizado en la Sociedad de Biofísica, que hoy tiene unos 9.000 miembros en todo el mundo.
¿Dónde se estudia la biofísica?
Aunque algunas universidades tienen departamentos dedicados a la biofísica, especialmente para estudios avanzados, muchas veces la biofísica se estudia dentro de otros departamentos relacionados. Por ejemplo, puedes encontrar grupos de biofísica en departamentos de bioquímica, biología celular, química, informática, ingeniería, matemáticas, medicina, biología molecular, neurociencia, farmacología, física y fisiología.
Cada departamento puede enfocarse en diferentes aspectos de la biofísica, dependiendo de sus puntos fuertes. Aquí hay algunos ejemplos de cómo diferentes áreas contribuyen al estudio de la biofísica:
- Biología y biología molecular: Estudian cómo se controlan los genes, cómo se mueven las proteínas, cómo las células obtienen energía, y la biomecánica.
- Biología estructural: Se enfocan en la forma de las proteínas, los ácidos nucleicos y otras moléculas biológicas.
- Bioquímica y química: Investigan la estructura de las biomoléculas y cómo se relacionan con su actividad.
- Informática: Usan redes neuronales y bases de datos de biomoléculas.
- Química computacional: Realizan simulaciones de dinámica molecular y cómo las moléculas se unen.
- Bioinformática: Comparan secuencias y estructuras de proteínas.
- Matemáticas: Crean modelos para entender poblaciones, sistemas dinámicos y la evolución.
- Medicina: La biofísica médica explica cómo funcionan diferentes sistemas del cuerpo desde una perspectiva física y matemática. Por ejemplo, cómo fluye la sangre o la física de la respiración.
- Neurociencia: Estudian las redes de neuronas y cómo funcionan las membranas celulares.
- Farmacología y fisiología: Investigan cómo interactúan las moléculas en las células y cómo funcionan las membranas celulares.
- Física: Desarrollan nuevas técnicas e instrumentos físicos para aplicarlos a la biología.
- Biología cuántica: Aplica la mecánica cuántica a problemas biológicos.
- Agronomía y agricultura: También usan principios biofísicos.
Muchas técnicas biofísicas son únicas de este campo. Los proyectos de investigación en biofísica suelen ser iniciados por científicos que se formaron como biólogos, químicos o físicos.
Galería de imágenes
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La Kinesina es una proteína que "camina" a lo largo de un microtúbulo usando movimientos a escala muy pequeña.
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La biofísica puede describir físicamente lo que ocurre en nuestro cerebro.
