(011) 78-38-111 (065) 39-73-798

Biofizika je fizika žive prirode, na svim nivoima: molekularnom, ćelijskom i nad­ćelijskom, uključujući biosferu u celini.

Cilj biofizike je zasnivanje teorijske biologije, korišćenjem zakona fizike i meto­dologije prirodnih nauka.

Pri tome je važno istaći da, saglasno metodologiji prirodnih nauka, teorijski mo­del bilo koje pojave mora zadovoljavati tri uslova: (1) postojanje samo jedne hipoteze u modelu; (2) ostatak modela je analiza bazirana na postojećim prirodnim za­konima; (3) postojanje eksperimentalnih testova teorijskih predvidjanja modela – koji u osnovi testiraju jedinu hipotezu u teorijskom modelu pojave. Uspešnost testiranog modela dovodi zatim do inkorporiranja polazne hipoteze u postojeću naučnu paradigmu odgovarajuće prirodne nauke, ili čak do redefinisanja postojeće i formiranja nove paradigme, u slučaju revolucionarnih posledica testirane hipoteze, kako je to lepo prikazao Kun (1962) u svojoj analizi istorije razvoja nauke.

Na osnovu pomenutih metodoloških opaski, jasno je da biofizičarima stoje na raspolaganju znanja iz mnogobrojnih oblasti teorijske i eksperimentalne fizike, koja uz fenomenološko poznavanje izučavanih bioloških pojava, formiranje njihovih razli­čitih teorijskih modela, i uz sukcesivna eksperimentalna testiranja – dovode do ne­prekidnog širenja granica biofizike.

Iako neka biofizička otkrića datiraju pre početka XX veka (Voltino otkriće biolo­škog elektriciteta, Helmholcovo merenje brzine prostiranja nervnog impulsa, Maks­velova teorija kolornog viđenja), najveća biofizička otkrića odigrala su se tek u XX veku (struktura i karakteristike bioloških funkcionalnih molekula, karakteristike i mehanizmi funkcionisanja ćelijskih struktura, termodinamika otvorenih sistema, modeliranje biološkog razvoja, modeliranje psiholoških funkcija), ukazujući da je bi­ofizika veoma mlada oblast fizike, koja se još uvek nalazi u burnoj razvojnoj fazi.

Svakako da je najveći prodor ostvaren u molekularnoj biofizici, na planu stru­kture i funkcionalnosti biopolimera (proteina, DNK i RNK), i njihovoj povezanosti sa genetskim kodom. Pri tome je korišćen teorijski aparat različitih fizičkih disciplina: ravnotežna termodinamika, statistička fizika i kvantna mehanika. Eksperimentalne meto­de su obuhvatale sedimentaciju biopolimera u ultracentrifugi, i njihovu dalju karakte - riza­ciju rentgenskom difrakcijom, skenirajućom tunelskom mikroskopijom (STM), raseja­njem svetlosti i γ-zračenja, optičkom i vibracionom kao i γ-rezonantnom spektro­skopijom, fotoluminiscencijom, nuklearnom magnetnom (NMR) i elektronskom para­magnetnom rezonancom (EPR), diferencijalnom kalorimetrijom, ...); naravno, biofizi­čke eksperimentalne metode se ovde široko kombinuju i sa raspoloživim biohemij­skim metodama.

Najstarija oblast je biofizika ćelije, koja proučava strukturu i funkcionalnost će­li­ja i njenih organela (membrane, citoskeleti, mitohondrije, mehanohemijski sistemi, ...). Osim gore pomenutih teorijskih metoda, korišćenih u molekularnoj biofizici, ovde se široko koriste i metode neravnotežne termodinamike otvorenih sistema, kao i elektromagnetike. Eksperimentalne metode obuhvataju, pre svega, optičku i elektronsku mikroskopiju, zatim optičku i γ-rezonantnu spektroskopiju, elektronsku paramagnet­nu rezonancu (EPR), diferencijalnu kalorimetriju, kao i elektrofiziološke mikrometo­de karakterizacije polariteta ćelijskih membrana i prostiranja električnih impulsa; i ovde se pomenute biofizičke metode široko kombinuju sa biohemijskim metodama karakterizacije metaboličkih produkata ćelijskih i neurosinaptičkih aktivnosti.

Konačno, biofizika složenih sistema proučava matematičko-fizičko modeliranje biomehaničkih i bioelektričnih aktivnosti nadćelijskih struktura (tkiva i organa), uklju­čujući veoma složene kognitivne psihološke funkcije, interakcije organizma i okoli­ne, kao i biološki razvoj vrsta (filogeneza) i jedinki (ontogeneza). Teorijski aparat uključuje neravnotežnu termodinamiku i fizičku kinetiku, dinamiku nelinearnih proce­sa (fraktali, oscilacije, fazni prelazi, neuronske mreže), elektromagnetiku, kvantnu mehaniku i teoriju relativnosti (neophodnih za modeliranje najkompleksnijih psiholo­ških fenomena – stanja svesti i suptilnih interakcija organizma i okoline). Eksperimental­ne metode uključuju različite dijagnostičke metode: elektrokardiografiju (EKG), elektroencefalografiju (EEG), magnetoencefalografiju (MEG), elektromiografiju (EMG), nuklearnu magnetnu rezonan­cu (NMR), rentgenografiju, ultrazvučnu i infracrvenu dijagnostiku, elektrodermalnu dijagnostiku, metabolički ultrasenzitivnu funkcionalnu nuklearnu magnetnu rezonan­cu (FNMR) i pozitronsku emisio­nu tomografiju (PET); pomenute biofizičke metode široko se kombinuju sa biohemijskim metodama dijagnostike metaboličkih produkata tkiva i organa.

Izazovima biofizičkih problema nisu odoleli mnogi slavni fizičari XX veka. Neki od njih su svoju reputaciju stekli prethodno u drugim oblastima fizike (Šredinger, Bor, Pauli, Vigner, Kuper, Džozefson, Penrouz, Frelih, Davidov, Voljkenštejn, ...), dok su je drugi sticali u samoj biofizici (Votson, Krik, Pauling, Peruc, Sent Đerđi, Prigožin, Hodžkin, Haksli, Ejgen, Hopfild, ...).

Na ovom mestu treba posebno istaći doprinos Šredingera (1944), čije su knjige "Šta je život s tačke gledišta fizike" i "Um i materija" imale veoma značajan inicija­lni uticaj na razvoj biofizike, pošto su definisale neke osnovne biofizičke probleme: (1) otvo­renost bioloških sistema omogućava njihovo uređenje, odnosno smanjenje entropije (nasuprot neorganskih zatvorenih sistema koji teže maksimumu entropije, odnosno neuređenosti); (2) informacioni biopolimeri imaju strukturu aperiodičnih kristala (na­suprot periodičnim kristalima koji sadrže minimum informacije, odnosno maksimum entropije); (3) biopolimeri moraju imati makromolekularnu strukturu, radi za­štite uređeno­sti biološkog sistema od mikročestičnih fluktuacija; (4) završni akt sve­snog opaža­nja igra suštinsku ulogu ne samo u kvantnomehaničkim mikroče­stičnim merenjima, već i u makroskopskim opservacijama.

Kasnije su ovi problemi delovali stimulativno na druge biofizičare, koji su razvijali detaljnije biofizičke modele ne samo ovih već i mnogih drugih pojava, o kojima će u nastavku biti reči.

Na kraju, istaknimo da biofizička istraživanja nisu bila samo od fundamentalnog značaja, već su doživela i značajnu praktičnu implementaciju, od genetskog inže­njeringa do biokibernetike. Genetski inženjering je omogućio značajne prodore u farmaceutskoj i prehrambenoj industriji, kao i u medicinskoj terapiji. Biokibernetika, koja teži imple mentaciji rešenja žive prirode u tehnici, dovela je do razvoja sistema automatske regulacije (princip povratne sprege), robotike (dinamika kinematičkih lanaca, veštačka inteligencija, senzori pritiska i optički senzori, povratna sprega), ve­štačkih organa (modeliranje funkcija organa, biokompatibilni materijali), biosenzora (biopolimerni fermenti) i neuronskih mreža (modeliranje viših moždanih funkcija), sa čak nesagledivim perspektivama u budućnosti.

Istovremeno, pitanje morala postaje značajnije nego ikada, jer čovek danas otkriva tehnike manipulacije od mikroskopskog do makroskopskog nivoa. Granice interakcija između jedinki su verovatno mnogo provizornije nego što je to do juče izgledalo. Zato ne treba zaboraviti da "naša sloboda prestaje tamo gde počinje tu­đa".