Čarovný svet biofyziky – spojenie biológie s fyzikou darovalo nové poznanie lekárskym vedám

Biofyzika je interdisciplinárna veda, ktorá sa na jednej strane snaží skúmať a popisovať procesy v biologických systémoch pomocou zákonov fyziky a metód jej merania, no na druhej strane sa zaoberá aj cieleným novým a ďalším vývojom fyzikálnych metód slúžiacich ku skúmaniu biologických procesov.

Biológia a fyzika sú ako súrodenci – objavila to až moderná veda

Fyzika a biológia majú spoločné korene a často sa navzájom inšpirovali. Nové metódy fyzikálneho merania viedli k prudkému nárastu vývoja v biológii a pozorovania biológov slúžili ako podnet na zamyslenie vo fyzike.

Dokáže fyzika objasniť aj základné otázky biológie?

Niektorí odborníci mali o tom kedysi silné pochybnosti. Francúzsky genetik a nositeľ Nobelovej ceny za medicínu z roku 1965 Jacques Monod dlho vysvetľoval, že život je zlučiteľný s fyzikálnymi zákonmi, ale nie je riadený fyzikálnymi zákonmi.

Ernst Walter Mayr, veľký vývojový biológ, tvrdil, že fyzika nehrá v biológii vôbec žiadnu úlohu a nemá s ňou prakticky nič spoločné.

Obaja sa ale mýlili.

Objavenie bunky s fyzikou

Jedným z prvých zakladateľov modernej biológie bol delftský účtovník a obchodník a amatérsky bádateľ Antoni van Leeuwenhoek, ktorý okolo roku 1670 zostrojil jednoduché mikroskopy, s ktorými mohol dosiahnuť až 300-násobné zväčšenie. Mikroskopy pozostávali zo sklenenej guľôčky položenej na medenom prstenci a ako osvetlenie slúžila sviečka. Leeuwenhoek ako prvý pozoroval živé bunky – ako aj veľké baktérie.

Za druhého objaviteľa bunky možno považovať anglického fyzika Roberta Hooka. Experimentátor, ktorého meno je známe najmä vďaka zákonu pružnosti, pozoroval v 17. storočí štruktúru korku a vymyslel termín bunka. Jeho a Leeuwenhoekove pozorovania o existencii a pohybe buniek biológovia dlho odmietali ako trik, a tak trvalo dobrých 200 rokov, kým bola myšlienka bunky plne prijatá.

Fyzikálne princípy v biológii

Ďalšími skvelými priekopníkmi biofyziky boli Thomas Young a Hermann von Helmholtz, obaja sa k fyzike dostali cez medicínu. Začiatkom 19. storočia poskytol oftalmológ Thomas Young prvý experimentálny dôkaz o vlnovej povahe svetla svojim dvojštrbinovým difrakčným experimentom – napriek odporu vedeckého establišmentu.

V autoexperimentoch poskytol aj dôkazy, že adaptácia oka je založená na deformácii očnej šošovky a preukázal príčinu astigmatizmu, optickej aberácie, ktorá sa v oku prejavuje ako astigmatizmus. Predložil tiež trojfarebnú hypotézu farebného videnia, ktorú vyvinul Helmholtz a ktorá je dnes plne potvrdená. Pre biológiu je rovnako dôležitý Youngov objav zákona vzlínavosti, ktorý nesie jeho meno.

Helmholtz ako prvý zmeral rýchlosť transportu nervových signálov. Jeho formulácia zákona zachovania energie vo fyzike a objav ústredného významu cirkulačného prúdenia pre let boli inšpirované biológiou. Jeho vývoj z lekára na teoretického fyzika je mimoriadny:

Ako lekár založil modernú fyziológiu a ako fyzik položil základ obrovskému rozvoju fyziky v Nemecku, ktorý sa začal koncom 19. storočia.

Energia a pohyb

Najvýraznejšími príkladmi vplyvu biológie na fyziku je objav všeobecného zákona o zachovaní energie nemeckým lekárom a fyzikom Juliusom von Mayerom a fyziológom Hermannom von Helmholtzom, ako aj teória Brownovho pohybu od Alberta Einsteina.

Ako lodný lekár na Jáve Mayer pozoroval, že krv prúdiaca späť do srdca v žilách pracovníkov v dokoch bola v trópoch ľahšia ako v miernych pásmach. Už vedel, že čím viac kyslíka krv obsahuje, tým je jasnejšia. Z toho vyvodil záver, že pracovníci v trópoch spotrebovali menej kyslíka – a teda aj energie – na rovnaký pracovný výkon ako v miernych pásmach, pretože do okolia sa uvoľňuje menej tepla. To mu dalo myšlienku, že teplo a mechanická práca sú ekvivalentné formy energie a dokonca určil mechanický tepelný ekvivalent z fyziologických meraní.

Veľký význam pre medicínu

Biofyzika je nepostrádateľnou pomocnou vedou pre väčšinu oblastí medicíny. Je to najdôležitejšie vo „fyzicky náročných“ oblastiach, ako je fyziológia, rádiológia a nukleárna medicína.

Význam má aj v úrazovej chirurgii a traumatológii, ortopédii, protetike ako aj v neurológii a oftalmológii.