Biofyzika

Biofyzika je mezioborová disciplína (hraniční obor) zkoumající biologické objekty a problémy fyzikálními metodami. Termín biofyzika se začal objevovat počátkem 20. století, ale už dávno předtím byla provedena řada studií na pomezí biologie a fyziky, které z dnešního pohledu pod toto označení spadají.

Z historie

Výzkum elektřiny v živých organismech započal v 18. století Ital Luigi Galvani. Německý lékař a fyzik Hermann von Helmholtz změřil v 19. století rychlost šíření nervového vzruchu. Významné pro rozvoj biofyziky jsou i jeho studie fyziologie vidění a vnímání zvuků. Při výzkumu mechanismu fungování svalů přispěl k moderní formulaci zákona zachování energie.

Na tyto a řadu dalších prací navázaly výzkumy ve 20. století:

Švédský oftalmolog Allvar Gullstrand popsal na fyzikálních principech fungování oka. Položil tak základ modernímu očnímu lékařství. V roce 1911 obdržel za svoji práci Nobelovu cenu.

Za objasnění fyziologie vnitřního ucha byly vědcům maďarského původu Robertu Báránymu a Georg von Békésymu rovněž uděleny Nobelovy ceny - v letech 1914 a 1961.

Do období okolo roku 1920 spadá vývoj diagnostických metod elektrokardiografie a elektroencefalografie, vycházejících z empirického pozorování souvislostí měřitelných elektrických veličin a stavu fungování srdce a mozku jakožto životně významných orgánů.

Britové Alan Lloyd Hodgkin a Andrew Huxley se zabývali měřením a vysvětlením mechanismu šíření elektrických potenciálů na neuronech, John Carew Eccles prozkoumal a vysvětlil fungování nervových spojů - synapsí. Tyto studie jsou dodnes platným základem pro chápání fungování nervového systému. Jejich autorům byla v roce 1963 udělena Nobelova cena.

Fyzikální zkoumání biologických molekul

Ve fyzice přinesl popis látek na molekulární úrovni - ať již v pevném, kapalném či plynném skupenství - podstatný posun v pochopení jejich vlastností a chování. Předpokládalo se, že stejnou měrou přispěje studium složitých biologických molekul, zejména nukleových kyselin a bílkovin, i k pochopení dosud neodkrytých zákonitostí určujících chování živých systémů.

Rentgenografická difrakční analýza DNA, provedená na britských univerzitách souběžně na dvou pracovištích v Cambridge a v Londýně, vedla k objevení její šroubovicové struktury. James D. Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins a Rosalind Franklinová popsali strukturu molekuly DNA v dubnu 1953 v časopise Nature. Tento objev je jedním z nejvýznamnějších objevů 20. století, jako naprosto klíčový vedl ke vzniku molekulární genetiky jako nového oboru, pro moderní biologii naprosto nepostradatelného. V roce 1962 byla prvním třem jmenovaným autorům udělena Nobelova cena za fyziologii a medicínu.

V téže době, v 50. letech 20. století, byly zakládány vědecké ústavy a společnosti, nesoucí ve svém jménu označení biofyzikální. Za všechny uveďme Biophysical Society v USA nebo brněnský Biofyzikální ústav ČSAV. Jeho zakladatel a první ředitel prof. MUDr. RNDr. Ferdinand Herčík je považován za zakladatele biofyziky v Československu.^[zdroj?] Vesměs svým zaměřením vycházely a dodnes vycházejí z vymezení pojmu biofyziky jako vědeckého oboru, který zkoumá fyzikálními metodami biologicky významné molekuly a tak vede k vysvětlení a pochopení hlubších zákonitostí biologických jevů. Druhým základním oborem biofyziky je zkoumání účinků fyzikálních faktorů na živé systémy.

Další přístupy

Pojem biofyzika bývá často chápán v podstatně širším smyslu. Uvedeme zde alespoň několik příkladů, co do něj bývá zahrnováno nebo s ním spojováno:

Výzkum reakce živých organismů na široké spektrum elektromagnetického záření. Kromě klasické radiologie sem spadá i léčba světlem - fototerapie.

Studie spadající do biomechaniky představují další velmi rozsáhlou oblast, která zahrnuje např. výzkum letu ptáků nebo hmyzu, plování ryb a vodních savců, nebo popis fungování krevního oběhového systému - hemodynamika.

Nejrůznější diagnostické a terapeutické postupy, využívající fyzikálních metod, např. ultrazvuková tomografie, počítačová tomografie, využití laseru v chirurgii nebo neinvazivní rozbíjení ledvinových a žlučových kamenů akustickými rázovými vlnami - litotripse.

Experimentální metody

Z experimentálních metod lze jmenovat např.:

Mikroskopie atomárních sil (AFM)
Elektronová mikroskopie
Optická mikroskopie
Spektroskopie nukleární magnetické rezonance (NMR spektroskopie)
Elektronová paramagnetická rezonance (EPR)
Konfokální mikroskopie
Cytometrie
Skenovací tunelová mikroskopie (STM)
SNOM
Difrakční metody: difrakce rentgenového záření, elektronu a neutronu
Opticka spektroskopie: studium rotačních, vibračních, elektronových stavů molekul a optických přechodů mezi nimi
Absorpční, emisní a Ramanova spektroskopie
Optická spektroskopie vysokého časového rozlišení
Mikrokalorimetrie
Elastický a kvazielastický optický rozptyl

Podobně pojmenované obory

Lékařská biofyzika

Lékařská biofyzika je náplní studia na lékařských a veterinárních fakultách v některých zemích, např. v ČR. Navazuje na tradici výuky fyziky pro studenty lékařské fakulty, přičemž tato výuka je uzpůsobena potřebám budoucích lékařů. Vedle rekapitulace a mírného rozšíření některých partií fyziky, zejm. kvantové fyziky, jaderné fyziky a termodynamiky jsou studenti seznamováni podrobněji s radiobiologií a především s principy lékařských přístrojů. Do výuky biofyziky bývají na některých fakultách zahrnuta i témata týkající se např. biostatistiky, biokybernetiky, nanotechnologií nebo informačních technologií.

Řada lékařských fakult má akreditovaný i doktorský studijní program lékařská biofyzika. V zásadě lze říci, že pod hlavičkou tohoto studijního programu končí taková témata, která nelze přiřadit do jiných programů, takže se v rámci jednoho programu vyskytují studenti zabývající se např. návrhem vhodného značkovacího jazyka pro zpracování biosignálů, návrhem databázového systému pro udržování informací o kalibraci diagnostických přístrojů, studiem mechanismů fotodynamické nebo sonodynamické terapie, nanotechnologiemi, analýzou obrazů nebo třeba konstrukcí zcela nových diagnostických přístrojů.

Lékařská fyzika

Pod pojem lékařská fyzika (medical physics) je obvykle míněn aplikovaný obor zabývající se aplikací poznatků především jaderné a kvantové fyziky v medicíně. Lékařský fyzik je hlavním odborníkem na práci se zdroji ionizujícího záření v medicíně, provádí plánování radioterapie a stará se o jadernou bezpečnost. Zákon č. 96/2004 Sb. tuto profesi pojmenovává "radiologická fyzika", podmínkou výkonu profese je absolvování magisterského oboru radiologická fyzika akreditovaného i jako zdravotnický obor (t.č. je takový obor akreditovaný pouze na FJFI ČVUT) nebo magisterského oboru matematicko-fyzikálního zaměření a akreditovaného kurzu radiologická fyzika.

Do názvosloví vnáší v ČR zmatek bakalářský obor Lékařská fyzika vyučovaný na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity v Brně, který neposkytuje vzdělání pro práci lékařského fyzika podle platné legislativy.^[zdroj?]

Literatura

Prosser V. a kol.: Experimentální metody biofyziky. Academia,Praha 1989.
Skála L.: Kvantová teorie molekul (skripta). Karolinum, Praha 1995.
Hrazdira I. a kol." Biofyzika. Avicenum, Praha 1990.
Hrazdira I., Mornstein V.: Lékařská biofyzika a přístrojová technika. Neptun, Brno 2004.