معرفی برخی مسائل مطرح در بیوفیزیک
به دلیل کثرت و پیچیدگی مسائل موجود در شناخت موجودات جاندار، بیوفیزیک نیز گستره فراوان و رو به گسترشی را در بر می گیرد. بنده در این گفتار به چند مثال از مسائلی که فیزیک دان ها به دنبال حل آن هستند اشاره می کنم:
- پیچش پروتئین: تقریبا تمامی ماشین های سلول از پروتئین تشکیل شده اند. پروتئین ها پلیمرهائی هستند که برای انجام کارکردشان در سلول نیاز به پیچش به شکلی کاملا خاص دارند. یکی از مسائل جالبی که تا کنون بدون حل مانده این است که پروتئین ها چگونه کمینه انرژیشان را پیدا می کنند. به دلیل طول بزرگ پروتئین ها و شیوه های بیشماری که برای پیچش آن ها وجود دارد، در عمل به صورت معمول در زمانی در حدود میلی ثانیه در کمینه انرژیشان قرار می گیرند، درحالیکه اگر بخواهند تمامی حالات ممکن را امتحان کنند باید بیشتر از عمر جهان صبر کنیم تا کمینه انرژیشان پیدا شود!
- فشرده شدن DNA در درون ویروس: یکی از مسائل جذاب در مورد ویروس ها که بویژه در مورد ویروس فاژ مطرح است، چگونگی فشرده شدن مولکول زیستی DNA در درون حجم بسیار کوچک دیواره آن ها است. برای حل این مساله خمش DNA، چگونگی پیچش آن و چگونگی توزیع بار برای کمینه شدن انرژی خمش دارای اهمیت است.
- فرایند شکل گیری الگوهای شبکه عصبی: بحث شبکه ها و بوِیژه شبکه های عصبی که از میلیاردها نورون و ارتباطات بیشمارشان پدید آمده اند یکی از مسائل جذابی است که برخی فیزیک پیشیگان را درگیر خود کرده است. البته این گونه مباحث در رشته های جدیدی مانند فیزیک اقتصاد، و شناخت شبکه های اجتماعی و یا شبکه های بیماری و همچنین در زیست شناسی دستگاه ها1 نیز به کار گرفته می شود.
- تشدید کاتوره ای2: این پدیده که به دلیل حرکت براونی بین چاه های پتانسیل نزدیک به هم ایجاد می شود، توانسته دلیل وجود بسیاری از نویزها را در طبیعت و چگونگی استفاده از آن ها را برای بالا بردن دقت حسگری برخی جانداران توضیح دهد. تاکنون مقالات زیادی در این زمینه در مجلات معتبر علمی مانند Nature چاپ شده اند.
- موتورهای مولکولی: مکانیسم عمل این مولکول ها که حرکت براونی، پخش، مکانیک آماری و ترمودینامیک غیر تعادلی برای شناخت آن ها مورد نیاز است، یکی از کارهایی است که برخی گروه های بیوفیزیک در سراسر دنیا را مشغول خود کرده است.
- فرایندهای عبور: از فرایندهای مهم و ضروری برای ادامه حیات سلول ساخته شدن پروتئین ها در درون هسته و ورود آن ها به اندامک مورد نظرشان است تا بتوانند کارویژه شان به صورت بهینه انجام دهند. این فرایند عبور که همراه با حرکت بروانی است و بررسی آن با کمک مکانیک آماری و ترمودینامیک غیر تعادلی و شبه تعادلی برخی فیزیک دان ها را در سراسر دنیا به دنبال خود کشانده است3.
- بیان ژن: هر ژن کلید تولید یک پروتئین خاص است. بیان این ژن ها به عوامل متعددی بستگی دارد. این عوامل پیچیدگی فراوانی دارد. با توجه به این که ماشین های بدن در ابعاد پائین کار می کنند حرکت براونی و دما تاثیر قابل توجهی در کارکردشان دارد. این که با این همه فرایند کاتوره ای چگونه ژن ها با این دقت بدن را اداره می کنند یکی از مسائلی است که ذهن برخی فیزیک دان ها را به خود مشغول کرده است.
- توالی یابی DNA: توالی DNA امروزه با شناخت کارکرد ژن ها در اداره بدن اهمیت فراوانی یافته است. روش هایی که امروزه برای این امر مورد استفاده قرار می گیرد بسیار گران و زمان بر هستند. بسیاری از فیزیک دان ها به دنبال یافتن روش هایی جهت ارزان تر و سریعتر نمودن این فرایندند. کارهایی از قبیل عبور پلیمر از حفره باز کردن دو رشته DNA از هم با استفاده از انبرک نوری و … بسیاری از مغز ها را مشغول خود کرده است.
- و … .
به دوستان علاقه مند پیشنهاد می کنم نگاهی به لینک های انتهائی بیاندازند!
برخی توانائی های مورد نیاز برای کار در این حوزه:
- اولین چیزی که مانند باقی کارها به آن نیاز داریم علاقه است. این علاقه به ما در طی مسیر بعضا پیچیده و سنگلاخ این حوزه ها بسیار کمکمان خواهد نمود.
- ترمودینامیک و مکانیک آماری تعادلی و بویژه غیر تعادلی بسیار به کمک ما می آید.
- آشنائی با فرایندهای کاتوره ای و معادلات آن در بسیاری از زمینه های کاری بیوفیزیکی لازم است.
- آشنایی با دانش زیست شناسی بویژه زیست شناسی مولکولی برای کار در زمینه بیوفیزیک بسیار راهگشاست.
- به دلیل پیچیدگی فراوان زیستی توانائی شبیه سازی با کامپیوتر بسیار می توان کمک کننده باشد.
- آشنائی با فیزیک پلیمرها یکی از ضرورت های کار کردن با پروتئین ها در بیوفیزیک است.
- توانائی حل مسائل الکتروستاتیکی بویژه ترکیب آن با مکانیک آماری مورد نیاز است.
چند منبع در باب بیوفیزیک:
http://www.physics.upenn.edu/~pcn/
http://www.biophysics.org/ProfessionalDevelopment/Careers/CareersinBiophysics/tabid/112/Default.aspx
http://www.biophysics.org/ProfessionalDevelopment/WhatisBiophysics/tabid/2287/Default.aspx
1 Systems biology
2 Stochastic resonance
3 کار بنده در این زمینه است.
