PRINCIPIOS DE LA BIOFISICA
Bueno antes de dar inicio debemos de conocer y saber que es la biofísica a biofísica es la ciencia que estudia la biología con los principios y métodos de la física. Se discute si la biofísica es una rama de la física o de la biología. Desde un punto de vista puede concebirse que los conocimientos y enfoques acumulados en la física "pura" pueden aplicarse al estudio de los sistemas biológicos. En ese caso la biofísica le aporta conocimientos a la biología, pero no a la física, sin embargo, le ofrece a la física evidencia experimental que permite corroborar teorías. Ejemplos en ese sentido son la física de la audición, la biomecánica, los motores moleculares, comunicación molecular, entre otros campos de la biología abordada por la física.
La biofísica es una ciencia reduccionista porque establece que todos los fenómenos observados en la naturaleza tienen una explicación científica predecible. Si nosotros no podemos explicar algunos fenómenos en la actualidad no se debe a que estos no tengan una explicación científica, sino que nosotros aún no tenemos los implementos necesarios para estudiar las causas subyacentes a esos fenómenos aún inexplicables. La vida es una función de estado que depende de procesos estocásticos a nivel microscópico (principios microfísicos) y determinísticos a nivel macroscópico (principios macrofísicos). (Mosquera, 2017) .
Un sistema estocástico es aquel cuyos estados microscópicos tienen causas subyacentes al azar. Un sistema determinístico es aquel cuyos estados microscópicos tienen causas subyacentes reconocibles. Ambos tipos de procesos son los sujetos de estudio de la biofísica. La biofísica no es una rama de la física, sino de la biología. Hago esta aclaración porque en muchos libros de biofísica se dice que la biofísica estudia los fenómenos físicos que determinan los procesos vivientes o que la biofísica es el estudio de los fenómenos biológicos desde el punto de vista de la física, lo cual es erróneo. La biofísica explica los fenómenos biológicos aplicando los principios fundamentales de la naturaleza. (Contreras, 2016) .
Por ejemplo, la biofísica estudia los cambios de polaridad en los microtúbulos de un Paramecio, o la transferencia de energía de una partícula a otra dentro del complejo motor molecular conocido como ATP sintetiza, o la mecánica del esqueleto humano, o la dinámica de fluidos en un saltamontes, etc. Por supuesto, la biofísica se fundamenta en los estudios proporcionados de la física; por ello, decimos que la biofísica es una ciencia interdisciplinaria, que se aplica a la teoría y los métodos de la física para resolver los problemas de la biología. La búsqueda biofísica para ver el ser viviente con un cuerpo que ocupa un espacio, y la transformación de la energía, en un ambiente que interactúa con este ser es su fin.
La biofísica es una ciencia molecular e intenta explicar las funciones biológicas en términos de estructuras moleculares y de las propiedades de moléculas específicas. El tamaño de estas moléculas varía dramáticamente, desde pequeños ácidos grasos y azúcares (~1 nm = 10-9 m), hasta moléculas como proteínas (5-10 nm), almidones (>1000 nm) y las enormemente alargadas moléculas de ADN (cuya longitud es mayor que10, 000,000 nm = 1 cm, pero cuyo ancho es de sólo 20 nm, ¡proporciones semejantes a las de un resorte de 72 kilómetros de longitud!). (Contreras, 2016)
Estas moléculas son las unidades con las que se construyen los organismos vivos y se ensamblan para formar las células, los tejidos y organismos enteros; así, forman estructuras complejas de dimensiones del orden de 10, 100, 1000, 10,000 nm e incluso más grandes. Por ejemplo, las proteínas de la leche se ensamblan para formar micelas de caseína, las cuales a su vez se agregan para formar el suero del queso; proteínas y ácidos ribonucleicos se ensamblan para formar los ribosomas, los organelos que fabrican proteínas en el interior de las células; lípidos y proteínas se ensamblan para formar las membranas celulares, que constituyen las barreras externas y las superficies internas de las células; proteínas y ADN se enrollan para formar cromosomas, los portadores del código genético; y así sucesivamente.
Por estas razones, muchos esfuerzos en biofísica se dirigen a determinar la estructura de moléculas biológicas específicas, así como la de los agregados más grandes que ellas forman. Parte de estos esfuerzos requieren inventar nuevos métodos o construir nuevos instrumentos para visualizar estas estructuras. Muchos de los nuevos desarrollos de la microscopía biológica forman parte de estos esfuerzos. Los problemas biológicos que interesan a la Biofísica son tan diversos como los organismos vivos:
- ¿Cómo polímeros lineales formados por solamente 20 aminoácidos diferentes se pliegan para formar proteínas con estructuras tridimensionales precisas y con funciones biológicas específicas?
- ¿Cómo una gigantesca molécula de ADN se desenrolla y se replica exactamente a sí misma durante la división celular y cómo dirige la producción de proteínas?
- ¿Cómo el sonido, la luz, los aromas, los sabores, los contactos son detectados por órganos sensoriales y convertidos en impulsos eléctricos que proveen al cerebro de información sobre el mundo exterior?
- ¿Cómo una célula muscular convierte la energía química de la hidrólisis del ATP en fuerza mecánica y movimiento?
- ¿Cómo hace la membrana celular, una barrera de lípido impermeable a moléculas solubles en agua, para transportar selectivamente tales moléculas a través de su interior hidrofóbico?
La Biofísica intenta responder estas preguntas usando un enfoque multidisciplinario. Las moléculas específicas que participan en los procesos biológicos se identifican usando las técnicas del análisis químico y bioquímico. Las interacciones y estructuras moleculares se determinan usando técnicas espectroscópicas de la física y la química. Por último, la relación entre la función biológica y la estructura molecular se investiga usando instrumentos físicos altamente precisos y sensibles, así como utilizando técnicas que son capaces de monitorear las propiedades o el movimiento de grupos específicos de moléculas o, en lo que constituyen adelantos novedosos excitantes, utilizando técnicas capaces de visualizar y manipular moléculas individuales, así como de estudiar su comportamiento.
La Biofísica explica funciones biológicas en términos de mecanismos moleculares: descripciones físicas precisas de cómo moléculas individuales trabajan juntas como pequeñas máquinas para producir funciones biológicas específicas.
Pero la Biofísica es más que simplemente un campo del conocimiento científico; es también una carrera excitante para miles de hombres y mujeres de todo el mundo. Los biofísicos trabajan en bachilleratos y universidades, en centros médicos e institutos de investigación, en compañías farmacéuticas y biotecnológicas, así como en agencias gubernamentales y en fundaciones independientes. Su trabajo incluye desde investigación fundamental sobre el mecanismo de acción de medicamentos contra el cáncer, hasta investigación aplicada para buscar métodos novedosos para medir la concentración de glucosa en diabéticos.
