Biofísica

¿Qué es la biofísica?

La biofísica es el estudio de las leyes físicas que operan en los organismos vivos. Es 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 por procesos basados en leyes físicas.

Es común la discusión en la que se plantea 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 una 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 biología 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.

Historia de la biofísica

• Siglo XVII. Los orígenes de la biofísica se remontan al siglo XVII, cuando aún no se habían dividido las ciencias naturales en disciplinas separadas y al momento de la primera investigación de la bioluminiscencia. El primer estudio fue el realizado por el jesuita alemán, Athanasius Kircher (1602-1680), quien publicó 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 los siguientes dos siglos. Durante su abordaje se hizo evidente la fascinación humana por la electricidad animal y natural, como en luciérnagas o en las descargas naturales de los rayos. En esta línea de investigación se reconocieron en Italia, y a mediados del siglo XVIII, los experimentos de Giovanni Beccaria sobre la estimulación eléctrica de los músculos. En 1786, Luigi Galvani inició una controversia en torno al potencial eléctrico en animales. Su oponente fue Alessandro Volta, quien al desarrollar la batería eléctrica, frenó un tanto el interés científico del potencial eléctrico en seres vivos.
• Siglo XIX. 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 estudió la corriente muscular y el potencial eléctrico de los nervios. Este enfoque se convirtió en uno de los puntos de origen de la biofísica. Otro 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 destacaron las aportaciones de Abbé J.A. Nollet y Adolf Fick. Este último publicó el primer texto de biofísica, Die medizinische Physik (Física médica). En el trabajo de Fick no se realizaron experimentos, 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.
• Siglo XX. 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 de ¿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. Tal libro y tal idea inspiraron a otros científicos y los condujo a descubrir la estructura de doble hélice del ADN en 1953: James Watson, Rosalind Franklin y Francis Crick. En la segunda mitad del siglo XX hubo una evidente madurez de la biofísica.

Qué estudia la biofísica

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: analiza la transformación de energía que ocurre en los biosistemas.
• Bioacústica: 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 la generación, transmisión y recepción de información entre las moléculas.

Aplicaciones de la biofísica

Los temas investigados por la biofísica pueden solaparse con los de bioquímica, biología molecular, fisiología, nanotecnología, bioingeniería, biología de sistemas, biología computacional o química-física, entre otros. Sin embargo, se pueden 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 para diagnosticar enfermedades y la generación de nuevos métodos farmacológicos para tratar determinadas patologías.

Con la comprensión de la biomecánica, se ha podido diseñar mejores prótesis y mejores nanomateriales con los cuales se pueden suministrar medicamentos.

Hoy en día, la biofísica se ha centrado también en temas relacionados con el cambio climático y otros factores ambientales. Por ejemplo, se está trabajando en el desarrollo de biocombustibles a través de microorganismos vivos para sustituir la gasolina. También se investigan las comunidades microbianas y se rastrean contaminantes en la atmósfera.

Conceptos principales de la biofísica

• Sistemas: 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 ejecutan gran variedad de funciones 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 donde se almacenan infinidad de moléculas pequeñas y sirve de anclaje de proteínas.
• Conducción: 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: 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 para el desarrollo y funcionamientos de todos los organismos vivos.
• Impulso nervioso: 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 donde los músculos se tensan, generando que se acorten, permanezcan o se estiren por el deslizamiento de las estructuras que lo componen. Este ciclo está vinculado a la estructura de la fibra muscular y la transmisión del potencial eléctrico por los nervios.

Métodos de la biofísica

Se asume 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 abordan 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.

Asimismo, 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.

Referencias 

1. Biophysics. Recuperado de britannica.com.
2. Biofísica. Recuperado de es.wikipedia.org.
3. Biophysics. Recuperado de en.wikipedia.org.
4. ¿Qué es la biofísica? Conoce sus ramas de estudio y su historia. Recuperado de ramasdelabiologia.net.
5. What Is Biophysics. Recuperado de biophysics.org.