Önce "FİZİK Nedir?" kısaca ona bir bakalım:
Fizik
(Antik Yunanca: φύσις fisis “doğa”) maddeyi, maddenin uzay-zamanda hareketini
enerji ve kuvveti de kapsamak üzere bütün ilgili kavramlarla birlikte inceleyen
doğa bilimidir. Daha genel olarak, evren ile ilgili nasılları cevaplamak için
doğanın genel bir analizidir. Antik çağlardan bu yana insanlar doğanın nasıl
davrandığını anlamaya çalışmışlardır.
İnsanın
içinde yaşadığı evren ve doğa hakkındaki düşüncelerini olağan üstü güçlerden
bilgiye ve bilmeye çevirmesi ile birlikte ortaya “Philosophia/Felsefe”nin çıktığı
görülür. Felsefenin kelime anlamına bakıldığında ise bilgi arayışı, bilginin
peşinden koşmak anlamlarına geldiği görülmektedir. Bu bağlamda felsefenin/düşüncenin
ortaya çıkmasıyla birlikte fiziğinde bir bilim olarak ortaya çıkmış olduğu
varsayılabilmektedir. Zira “doğayı
anlayabilmenin” her iki alanında –fizik ve felsefe- ortak amacı olduğu
görülmektedir. Bu amaç doğrultusunda doğa olaylarının nedenlerini insan biçimli
Tanrılardan çok, doğanın içinde arayan ilk çağ düşünürlerinden Thales’in, mitolojik
açıklamalar ile ussal açıklamalar arasında bir köprü kurduğu görülmektedir.
Thales’in
öğrencilerinden Anaksimandros ise bilime önderlik yapan ve evreni daha
öncekilerden farklı bir gözle inceleyen ilk kişi olarak kabul edilmektedir. Anaksimandros’un
evrenin sırf gözleme ve rasyonel düşünmeye dayalı meydana geliş öyküsünü ilk
kez tasarlayan ve dünyamızın bir 'evren'
yani planlı bir şekilde düzenlenmiş bir bütün olduğunu ilk ifade eden kişi
olduğu varsayılır. Kayıtlarda astronominin icatçısı ve evrenin babası olarak adlandırılan
Anaksimandros’un; geometriden ve matematiksel
oranlardan yararlanarak meteorayı ve depremi fizik yönünden açıklayan ilk
kişi olduğu yer almaktadır. Yeryüzünün
boşlukta durduğunu iddia etmesi ve bunu matematiksel olarak açıklaması
yaşadığı dönem için duyulmamış bir varsayım olarak görülmekte ve bu ve benzeri
düşüncelerinden ötürü Anaksimandros
tarihte ilk fizikçi olarak da kabul edilmektedir.
Yine
antik çağ düşünürlerinden Anaksimenes’te, Anaksimandros gibi bir fizikçi, bir
doğa bilimcisidir. Gökkuşağını bir
tanrıça olarak değil, güneş ışınlarının yoğunlaşmış hava üzerindeki etkisi
biçiminde ele alan Anaksimenes, Ay’ın
ışığını Güneş’ten aldığını söyleyen ve ay tutulmasının ilk kez doğru açıklamasını
yapan kişi olarak kabul edilmiştir.
Sokrates
öncesi filozoflardan kabul edilen Heraklitosu’un ise evrende kozmik bir dengeye ulaşılamayacağı ve her şeyin bir akış, bir mücadele halinde
olduğu yönündeki söylemlerinin günümüzdeki
termodinamik yasalarının öngördüğü ilkelerle örtüştüğü görülmektedir.
Bununla
birlikte ilk çağlarda doğa yasaları ve evrenin mekaniği üzerine yapılan
tartışmalarla birlikte “Canlılık nedir?” sorusunun irdelendiği görülmekte ve bu
konuda ki kaynaklar Thales’in öğrencilerinden Anaksimandros’un, kaba haliylede
olsa canlıların evrilmesi fikrini
ortaya attığını göstermektedir.
Biyoloji
dünyasına en büyük katkının ise ilk defa Aristotales ile yapıldığı kabul
edilir. Kaynaklar Aristotales’in sadece
biyoloji değil, felsefe, fizik, mantık, metafizik ve piskoloji gibi pek çok
alanda çalışan ve tüm bu alanlara büyük katkılar sağlayan bir düşünür
olduğunu göstermektedir. Aynı kaynaklar tarih boyunca Aristotales gibi adı
günümüze kadar gelen düşünürlerin pekçoğunun yalnızca bir alanda değil; doğa, yaşam, canlılık, fizik, metafizik,
astronomi ve matematik gibi pek çok alanda çalışmış oldukları göstermektedir.
Bunun da tüm bu bilimlerin birbiriyle olan ilişkisini ilk çağlardan itibaren
ortaya koyduğu kabul edilmektedir. İlk çağlardan günümüze bilim üzerine yapılan
düşünmeler ve çalışmalar; bilim
dallarının birbiriyle kesin sınırlarla ayrılamayacak bir ilişki içerisinde
olduğunu daha o zamanlardan ortaya koymuştur. Bunun bir sonucu olarakta
bugün karşımıza biyofizik, biyokimya, fizikokimyo gibi disiplinlerarası bilim
dalları çıkmaktadır.
Geçmişten
günümüze Fiziğin bir bilim dalı olarak; atomik fizik, moleküler fizik, nükleer
fizik, optik fizik, katıhal fiziği, manyetizma ve elektrik fiziği, yoğun madde
fiziği, yüksek enerji ve parçacık fiziği, astrofizik gibi pek çok alt çalışma
alanı ile birlikte kimya, biyoloji, tıp, mühendislik gibi birçok disipline
katkı sağladığı görülmektedir.
BİYOFİZİK
Biyofiziğin
bir terim olarak kullanılmadığı ve yaptıkları çalışmalarla bilimin her alanında
yetkili (polymath) kabul edilen bilim insanlarının çok olduğu dönemlerde; bu bilim
insanlarının pek çoğunun bugünkü tanımıyla aynı zamanda birer biyofizikçi de oldukları
görülür. Bunlar arasında Sanctorius (1561-1636), Galileo Galilei (1564-1642),
William Harvey (1578-1657), Thomas Young (1773-1829), Luigi Galvani
(1737-1798), Jean Leonard Poiseuille (1797-1869), Herman Helmholtz (1821-1894)
gibi isimler sayılabilir.
·
Sanctorius
(1561-1636) - Hassas ölçü araçlarını ilk kez kullanmış, bazal metabolizma
alanındaki çalışmalarıyla niceliksel deneye dayalı araştırmalara öncülük etmiş,
nabız ölçen bir aletle bir termometre geliştirmiştir.
·
Galileo
Galilei (1564-1642) - 1600’lerin başında ilkel bir termometre yapmış ve
insan kalp atışlarını ölçen bir sarkaç geliştirmiştir
·
William
Harvey (1578-1657) - Biyolojik araştırmalarda matematiksel teknikleri ilk
olarak kullanan, kalpten başlayan kan dolaşımını doğru olarak tanımlayan ilk
kişi olarak bilinmektedir.
·
Thomas
Young (1737-1829) - Işığın dalga teorisini kandaki hücre çaplarını ölçülmede
kullanmıştır.
·
Luigi
Galvani (1737-1798) - Kurbağa bacağının belirli bazı metallere temas etmesi
sonucu refleks olarak hızla harekete geçmesinin bu hayvandaki iç elektrik
sonucunda ortaya çıktığını ortaya koymuştur.
·
Jean
Leonard Poiseuille (1797-1869) - Damarlarda viskoz akış yasasını bulmuştur.
Yasa kapiler veya damarlarda akan kanın, alveollerdeki havanın akışını
tanımlamada kullanılır.
·
Hermann
Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894) - Kas kasılması, sinir iletim hızı,
renkli görme/işitmeyi açıklayan teorileri vardır.
Temel
Biyofizik konularının ilk kez 18. yy’ da İngiliz Fizyoloji Okulunda, 19. yy’da
ise Berlin Fizyoloji Okulunda tartışıldığı görülmektedir. Bu dönemde Biyofizik teriminin ilk kez 1982’de Karl
Pearson tarafından “The Grammar of Science” kitabında kullanıldığı
görülmektedir. Yirminci yüzyılın ortalarında fizik, kimya ve biyoloji ayrımının
yapay olduğu, aynı bir karmaşık olayın içinde fiziksel, kimyasal ve biyolojik
olarak adlandırdığımız olayların birlikte sürdüğü anlaşılmış, fizikokimya,
biyokimya yanında bir köprü disiplin olarak biyofiziğin de önemi giderek
artmaya başlamıştır. Bu girişimler arasında en önemlileri olarak biyofizikçi,
filozof Ludwig von Bertalanffy (1901- 1972)'nin çalışmaları ve Ervin
Schrodinger’in 1944 yılında yazdığı “What is Life/Yaşam Nedir?” kitabı kabul
edilmektedir. 1933 Nobel Fizik Ödülü sahibi Ervin Schrodinger’in bu kitabıyla Biyofiziğin popülerliğinin
artmasını sağladığı ve bunun 2. Dünya
Savaşından sonra fizikçilerin biyoloji konularına yönelmesine neden olduğu
belirtilmektedir.
Dünyada
Biyofiziğin bir disiplin olarak tanınmasında kasların etkinliğine ilişkin
yaptığı biyofizik araştırmaları ile Nobel Fizyoloji Ödülü alan Archibald Vivian
Hill’ın 1956 yılında yayınlanan “Why Biophysics?/Neden Biyofizik?” adlı
makalesinin önemli bir rol oynadığı görülür. Hill öncelikle biyofiziğin ne
olmadığını tartıştığı bu makalesinde: “Biyofizik
tıp öğrencilerine fizik öğretmekten ibaret değildir. Ayrıca biyofizik anatomistler,
biyokimyacılar, fizyologlar veya klinisyenler tarafından kullanılmak üzere
fiziksel ekipman yapmaktan veya onları onarmaktan ibarette değildir. Biyolojik
laboratuvarda fiziksel aletlerin kullanılmasını da bir biyofizikçi yapmaz”
demekte, biyolojik sistemlerin nicel ve fiziksel açıklanması ihtiyacından
bahsederek Biyofiziği “Biyolojik
fonksiyon, organizasyon ve yapıların fiziksel ve fiziko kimyasal fikirler ve
yöntemler ile incelenmesi” olarak tanımlamaktadır. Hill ayrıca bir
biyofizikçinin ortaya çıkan bir problemi fizik çerçevesinde tanıyabilmenin,
fiziksel bağlantılarını ortaya koyabilmenin ve sonuçları fiziksel olarak ifade
edebilmenin yanında bir biyologun sahip olması gereken niteliklere, sezgilere
ve deneyime de aynı derecede sahip olması gerektiğini belirtmektedir. Biyolojik
yaklaşımı geliştiremeyen, hayati süreçler ve işlevler hakkında merakları
olmayan, canlıların alışkanlıklarını öğrenmeye zaman harcamayan, biyolojiyi
basit bir bilim dalı olarak gören bir fizikçinin biyofizikte önemli bir
geleceğinin olamayacağını belirten Hill; biyolojiye de ilgi duyan, fiziksel
fikirleri olan, fiziksel problemleri görebilen, problem ortaya çıktığında
fiziksel araştırma fırsatını tanıyan, fiziksel teknikleri anlayan ve
kullanabilen fizikçilerin biyofizikte sınırsız fırsat bulabileceğine de
makalesinde ayrıca vurgu yapmaktadır.
Tüm
bunlardan yola çıkılarak Biophysic/Biyofizik için çeşitli kaynaklarda canlı
yaşamını doğanın yasalarına göre açıklamaya çalışan, yaşamsal faaliyetleri
doğa/fizik yasalarına göre yorumlayıp, bu faaliyetlerin ortaya çıkardığı
sorunları yine doğa/fizik yasalarına
göre irdeleyerek çözümler üretmeye çalışan bir bilim dalı olarak canlı
bilimi:Biyoloji ile doğa bilimi: Fizik arasında kurulan köprü tanımlamasının
yapıldığı görülmektedir.
Disiplinler
arası bir bilim dalı olarak Biyofiziğin;
fizik prensip ve tekniklerini biyolojiye uygulamanın yanında kimya, matematik,
elektrik mühendisliği, bilgisayar mühendisliği gibi pek çok farklı bilim dalı
ile birlikte temel biyolojik ve tıp problemlerini araştırdığı ve bu problemlere
fizik yasaları çerçevesinde açıklamalar getirmeye çalıştığı görülmektedir.
Bu
alanda yirminci yüzyılın ortalarında bir biyofizikçi olan Bekesy (1899-1972)
1961 de işitme ile ilgili deney ve teorileriyle,
Polmath
bilim adamı tipini yeniden yaşatan biyofizikçiler Alan Lloyd Hodgkin
(1914-1998) ve Andrew Fielding Huxley (1917-) ise 1963 yılında sinirin
uyarılması ve iletimindeki iyonik mekanizmalarla ilgili deney ve yorumları ile Nobel
Tıp ve Fizyoloji ödülünü almışlardır.
Bunları
sonraki yıllarda Erwin Neher ve Bert Sakman iyon kanalları ile ilgili
çalışmaları ile Nobel ödülünü alarak takip etmişlerdir (1991). Değişik fiziksel
enerji türleri kullanarak görüntüleme tekniklerini geliştiren biyofizikçiler
yine Nobel ile ödüllendirilmişlerdir. 2015 yılında ise Türk akademisyen, moleküler
biyologçu, biyokimyager ve biyofizikçi Aziz Sancar hücrelerin hasar gören
DNA'ları nasıl onardığını ve genetik bilgisinin nasıl koruduğunu haritalandıran
araştırmaları sayesinde Amerikalı Paul Modrich ve İsveçli Tomas Lindahl ile
birlikte 2015 Nobel Kimya Ödülü'nü kazanmıştır.
Bilim
alanında yapılan çalışmalardan yirminci yüzyılın sonlarına doğru biyolojinin
iki önemli motoru olarak biyofizik ve moleküler biyolojinin kabul edildiği
görülmektedir. Buna karşın ilerleyen dönemlerde moleküler biyolojinin artık rutinle uğraşır olmasına bağlı olarak kalan
tek motorun biyofizik olduğu belirtilmektedir. Bu bağlamda biyofiziğin yeni
yöntemler geliştiren ve yeni yorumlar getirebilen bir dal olmaya devam edeceği öngörülmektedir.
Biyofiziğin biyoloji içindeki bu özel durumunu Amerikalı ünlü biyofizikçi K. S.
Cole “Biyofizik ilginç olan her şeyi
içerir, ilginç olmayan her şeyi de kapsamı dışında tutar” veciz ifadesi ile
anlatmıştır.
Bugün
Biyofizik; 1981 yılında yürürlüğe giren 2547 sayılı Yüksek Öğretim Kurumları
(YÖK) Yasasına göre Biyofizik Fizyoloji Ana Bilim Dalına bağlı bir bilim dalı
olmuş, 1987 yılında anılan kanunun 7. Maddesinde yapılan değişiklik ile Tıp
Fakültesi Temel Tıp Bilimleri içinde bir anabilim dalı olmuştur. Tıp eğitiminde
yer alan bir ana bilim dalı olarak;
●Biyolojik
yapıları, yaşamsal süreç ve işlevleri moleküler ve sistemsel düzeylerde
inceleyen,
●Biyolojik
problemlere fiziğin ilke ve yasalarını kullanarak mültidisipliner çözümler
arayan,
●Fizik
ve kimya ilkelerini matematiksel analiz ve bilgisayar modelleme yöntemlerini
kullanarak biyolojik sistemlerin nasıl çalıştığını araştıran bir bilim dalı
olarak tanımlanmaktadır.
Bu
kapsamda Biyofizik Tıp Fakültesi
öğrencilerine dolaşım dinamiği, biyoelektrik ölçü ve gözlem araçları, moleküler
biyofizik, iyonize olmayan ve iyonize radyasyon, spektroskopik yöntemler, ses
biyofiziği ve ultrasonun tıpta kullanımı, biyopotansiyeller, membranın ve
miyokardın elektriksel özellikleri, aksiyon potansiyeli, biyomekanik, esneklik
ve EMG, dolaşım, solunum, sindirim, metabolizma, sinir ve duyu sistemleri konularında eğitim sunmaktadır.
Biyofiziğin
temel alt alanlarının ise ya “yaşayan maddenin organizasyon seviyesi” ya da
“yöntem ve yaklaşımlarını kullandığı fiziğin alt alanlarının” ölçüt alınarak
sınıflandırıldığı görülmektedir. Buna göre dünyadaki biyofizik konularının;
·
Kuantum
Biyofiziği
·
Molekülsel
ve supromolekülsel biyofizik
·
Hücresel
biyofizik
·
Kompleks
sitemlerin biyofiziği
·
Biyoelektrik
·
Fotobiyofizik
·
Radyasyon
biyofiziği
·
Kuramsal
ve bilişsel biyofizik başlıkları altında daha çok fizik ağırlıklı olarak toplandığı
görülmektedir. Buna karşın Biyofiziğin ülkemizde temel biyofizik, canlı
sistemlerin molekül yapısı, hücre yapıtaşları, biyoenerjetik, molekülsel
biyofizik, enzimler ve fiziksel ilkeler, hücreden yüksek canlılara geçiş,
hücrenin çoğalması ve farklılaşmanın biyofiziği, immünobiyofizik, sistem
biyofiziği gibi daha çok biyoloji ağırlıklı olduğu görülmektedir.
BİYOLOJİ, TIP VE FİZİK
Biyofizik alanındaki uluslararası kaynaklara
bakıldığında
biyofiziksel araştırmaların çoğunun biyomoleküllerin yapısını, özelliklerini ve
biyolojik fonksiyonlarını araştırmak için yeni tekniklerin geliştirilmesi ya da
biyomoleküllerin yapısının ve dinamiklerinin spesifik biyolojik fonksiyonlara
nasıl olanak sağladığını izlemek için bu tekniklerin uygulanmasını içerdiği
görülmektedir ki burada da fizik yasaları devreye girmektedir. Biyofizikteki
bilimsel başarıların çoğunun, belirli biyolojik süreçleri açıklamak için
ayrıntılı fiziksel mekanizmalar geliştirme yeteneğine bağlı olduğu kabul
edilmektedir. Bu alanda;
·Hücrelerin
elektriksel davranışı,
·Membranlarda
enerji iletimi, biyolojik membranlarda enerji iletiminin termodinamiği, fotosentetik
reaksiyon merkezleri,
· Protein
işlevi, enzim katalizi, ligand geçitli kanalların aktivasyonunda allosterik mekanizmalar
·Membran
davranışı; difüzyon süreci olarak geçirgenlik, yüzey yükü gibi pekçok konuda
çalışmalar yapılmış ve yapılmaktadır.
Bu çalışmalarda moleküler yapının karakterizasyonu,
moleküler özelliklerin ölçülmesi ve moleküler davranışların gözlemlenmesi
biyologlar için büyük bir zorluk oluşturmaktadır. Bu nedenle kristallerde,
çözeltide, hücrelerde ve organizmalarda molekülleri incelemek için çok çeşitli
biyofiziksel teknikler geliştirilmiştir. Bu biyofiziksel teknikler, biyolojik
moleküllerin elektronik yapısı, boyutu, şekli, dinamiği, polaritesi ve
etkileşim şekilleri hakkında bilgi sağlar.
·Elektrofizyoloji: Vücuttaki
merkezi sinir sistemi ve beyindeki sinir hücrelerinin elektrik hareketlerini
inceler.
·Hidrodinamik: Fiziğin hareket
halindeki sıvılarla ilgilenen bölümüdür. Sıvıya batırılmış katı cisimler
üzerinde, onların hareketleriyle ilgili olarak sıvıların gösterdiği direnci ve
genel olarak sıvıların hareketini inceler.
·Mikroskopi ve
Görüntüleme:
Belki de biyofizikteki en erişilebilir gelişmeler, mikrondan nanometreye kadar
çok küçük boyutlara sahip hücresel ve moleküler yapıların görüntülerini üretme
yeteneğimizdeki gelişmelerle mümkün olmuştur.. Artık atomik kuvvet, elektron
veya konfokal floresan mikroskopisi kullanılarak tek tek molekülleri veya
hücresel yapıları “görmek” mümkündür. 1953'te DNA'nın yapısını keşfetmek için
bir biyofizikçi tarafından geliştirilen özel bir X-ışını tekniği
kullanılmıştır.
·Tek Molekül
Teknikleri:
Basınç kuvvetleri, optik ve kuvvet ölçüm teknikleri gibi fiziğin çeşitli
çalışma alanlarını kullanmaktadır. Örneğin optik cımbızlar.
·Spektroskopi: Spektroskopi
fizik/fotonik/optik bazlı teknikler bütünüdür. Moleküler biyolojide maddelerin
ışık aracılığı ile tanımlanmaları amacıyla kullanılmaktadır.
·Manyetik
Rezonans: Fiziğin
alt alanlarından elektromanyetizmanın kullanım alanlarına iyi bir örnektir.
·Termodinamik: Hücrelerin, yapıların, organizmaların
arasında veya içinde gerçekleşen enerji dönüşümlerini ve bu dönüşümlerin
temelini oluşturan süreçlerin işleyişi termodinamik yasaları çerçevesinde ele
alınmaktadır.
Biyoloji -
Termodinamik:
1.
Termodinamiğin birinci yasası enerjinin korunduğunu söyler: enerji
biçim değiştirsede ne yoktan var olur ne de vardan yok olur. Bu doğrultuda Hess
Yasası, belirli bir reaksiyonda emilen veya açığa çıkan ısının her zaman sabit
olduğunu ve reaksiyonun izlediği yoldan
bağımsız olması gerektiğini belirtmektedir. Bazı orta dereceden
reaksiyonlar endotermik,i bazıları ekzotermik olsada toplam ısı değişimi
doğrudan meydana gelen ısı değişimine eşittir. Bu prensip bir kimyasal
tepkimedeki ısı miktarını ölçmede kullanılan kalorimetre adındaki alette
kullanılmıştır. Bütün enerji vücuda besin olarak girdiğinden ve bu besinler
nihayetinde okside olduğundan üretilen toplam ısı miktarı besinin
oksidasyonundan çıkan ısının kalorimetrede ölçümüyle elde edilebilir. Bu ısının
birimi besin maddelerinin üzerindeki etiketlerde bulunan kilokaloridir.
2. Termodinamiğin ikinci
yasasının birincil ilgi alanı verilen bir etkileşimin gerçekleşmesinin
olası olup olmadığıdır. İkinci Yasa; evrenin entropisinde bir yükseliş olmadan
hiçbir doğal sürecin meydana gelemeyeceğini söylemektedir. Buna izole bir
sistem her zaman düzensizliğe gider de denilmektedir. Canlı organizmalar
organize olma yetilerini sürekli geliştirdiklerinden İkinci Yasaya uymadıkları
gibi bir yanılsama vardır. Bu yanlış anlaşılmayı düzeltmek adına sistem ve
sınırların tanımına bakmak yeterli olacaktır. Canlı bir organizma açık bir
sistemdir: çevresiyle ve başka canlılarla enerji ve madde değişimi yapabilir.
Örneğin bir insan besini vücuduna alır, onu bileşenlerine ayırır ve bunları
hücreler, dokular, bağlar vb. de kullanır. Bu süreç vücuttaki düzenliliği
artırarak vücut içi entropiyi düşürür. Bunun yanında insanlar 1) temasa geçtiği
kıyafetler ve diğer eşyalara ısı verir, 2) vücut ve çevre arasındaki sıcaklık
farkından ötürü ısı yayar, 3) uzaya ısı yayar, 4) enerji içeren şeyler
tüketir(örn.yiyecek) ve 5) atıkları uzaklaştırır (örn. su,karbondioksit ve
nefes alış-verişin diğer bileşenleri, idrar, dışkı, ter vb.) Bütün bu süreçler
ele alındığında insanın ve çevresinin entropisi artar. Eğer insan yaşamayı
durdurursa sayılan bu 5 işlemden hiçbiri meydana gelmez, eğer canlı yaşyorsa bu
işlemlerden herhangi birinin meydana gelmemesi onu çabucak ölüme sürükler.
Genelde
biyolojik sistemlerde enerji ve entropi birlikte değişir. Bu yüzden bu
değişimlerin aynı anda ele alınabileceği bir durum fonksiyonu gereklidir. Bu
durum fonksiyonu da Gibbs Serbest Enerjisi (G)'dir. Gibbs Serbest
Enerjisi'ndeki değişimi değiştirme prensibi olan birleştirme prensibi,
biyolojik organizmalardaki tüm enzimatik reaksiyonların temelini oluşturur.
G = H – TS [H : Entalpi (SI birimi:
joule), T : Sıcaklık (SI birimi: kelvin), S : Entropi (SI birimi: joule bölü
kelvin)]
Biyoloji
– Optik Fizik:
Oftalmoloji
(gözün yapısı, çalışması, göz hastalıkları tedavisi ve cerrahisiyle ilgilenir.)
ve Optometri (göz ve görsel sistemlerin tıbbi bozuklukları ya da
anormalliklerinin teşhisi ve tedavisiyle ilgilenir.) Fiziğin alt dallarından
ışık hareketlerini, ışığın özelliklerini ve diğer maddelerle olan etkileşimini
inceleyen, ışığın ölçümü ve sınıflandırması ile uğraşan “Optik” ile doğrudan bağlantılıdır. Dolayısıyla bu iki alanın
ikiside Fizik ile birlikte çalışır.
Ayrıca
moleküler biyoloji ve hücre biyolojisine büyük katkılar sağlayan optik
cımbızlarda kuantum optiğini (ışığın kuantası yani fotonların atomlar ve
moleküller ile dolayısıyla madde ile
nasıl etkileştiğini inceler.) temel almaktadır. Optik cımbızlar dielektrik
küreleri biyoloji ve tıpta; virüsleri, bakterileri, canlı hücreleri,
organelleri, küçük metal parçacıklarını ve hatta DNA ipliklerini tutmak için
kullanılmıştır. Bu alandaki uygulamalar, hapsetme ve organizasyon (örneğin
hücre ayrımı için), hareketin izlenmesi (örneğin bakterilerin), küçük
kuvvetlerin uygulanması ve ölçülmesi ve daha büyük yapıların (hücre zarları
gibi) değiştirilmesidir. Optik cımbızlar Arthur Ashkin’e 2018 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırmıştır.
Biyoloji – Kuantum
Fiziği:
Moleküller
arası Vander Waals kuvvetlerini, proteinleri, DNA’nın dinamiğini tarif eden
kuralların fizik yasalarına ve kuantum mekaniğine dayandığı bilinmektedir.
Canlı organizmalardaki kimyasal tepkimelerde katalizör vazifesi gören
enzimlerde kuantum tünellemesinin olduğuna dair çalışmalar bulunmaktadır.
Kuantum tünellemenin çalışıldığı bir diğer biyolojik alan ise mutasyonlar
olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu konuda DNA replikasyonunda Hidrojen
çekirdeğindeki protonun, kuantum tünelleme sonucu potansiyel engelini aşarak,
üçlü hidrojen bağını ikili bağa dönüştürdüğü, bununsa baz çiftlerinin yanlış
eşlemesine neden olduğu düşünülmektedir. Mutasyonlardaki rastgelelik ve kuantum
fiziğinin ayrılmaz bir parçacı olarak olasılık hesapları bu iki konuyu birbirine
yakınlaştıran temel bir etken olarak görülmektedir.
Ayrıca
moleküler biyoloji çalışmalarında belirlenen bazı kuantum tünelleme örnekleride
elektronlara ait olup; elektron tünellemesinin fotosentezde, hücre solunumunda
ve DNA boyunca elektron taşınımında rol
oynadığı belirtilmektedir.
Biyoloji – Mekanik
Fizik:
Cisimlerin
kuvvet altındaki davranışlarını (hareket ve deformasyonlarını) inceleyen
mekanik fizik; insan vücudunun ve hareketlerinin anatomik ve fizyolojik
bilgiler içerisinde açıklanmasına büyük katkılar sağlamaktadır. Tüm
organizmalardan organlara, hücrelere ve hücre organellerine kadar herhangi bir
seviyedeki biyolojik sistemlerin mekanik yönlerinin yapılarını, fonksiyonlarını
ve hareketlerini inceleyen Biyomekanik; mekanik fiziğin temel prensiplerini ve
metotlarını kullanmaktadır. Biyoakışkanlar Mekaniği, Kardiyovasküler Biyomekanik,
Ergonomi ve Mesleki Biyomekanik, Adli Biyomekanik, Ortez-Protez ve İmplantlar, Kinezyoloji
(kinetik + fizyoloji), Kas-İskelet Sistemi ve Ortopedik Biyomekanik, Rehabilitasyon,
Yumuşak Doku Dinamikleri ve Spor Biyomekaniği gibi pekçok alanda yararlanılan
mekaniğin uygulama alanlarına yapay kalpler ve küçük kan damarları gibi
implante edilebilir yapay protezlerin tasarımı örnek verilebilir.
Biyoloji - Elektromanyetizma:
Maddenin
yapısındaki elektron ve protonun sahip olduğu elektrik yükünün ve bu yüklerin
neden olduğu kuvvet, elektrik alan ve patansiyel gibi elektriksel büyüklükleri
inceleyen fiziğin bir alt bilim dalı olarak elektromanyetizmanın tüm elektrikli
cihazlar, elektrikli otomobiller, manyetik rezonans (MR) cihazı, elektrik santralleri
gibi pekçok alanda karşımıza çıktığı görülmektedir. Canlı organizmalar üzerinde
olumsuz birçok etkisi bilinen elektrik ve manyetik alanların tıpta tedavi
amacıyla da kullanıldığı görülür. Kalp krizi, bağışıklık sisteminin zayıflaması,
beyin kanamaları ve kanser olgularında görülen artışlarda manyetik alanların
etkisi gösterilmektedir. Bu açıdan Fizik; biyolojik dokularda
elektrik, manyetik ve elektromanyetik dalgaların davranışlarını inceleyen
Biyoelektromanyetik ile Medikal
Elektronik alanlarına da önemli katkılar sağlamaktadır.
Ayrıca
canlı maddelerin zayıf ya da güçlü manyetik özelliklerinin olduğu
bilinmektedir. Böylece tüm canlıların iç ve dış manyetik alanlara sahip
oldukları ve insan vücudundaki bu manyetik alanların biyoelektrik yüklerinin
hareketinden kaynaklandığı belirtilmektedir. Biyoelektriğin oluştuğu herhangi
bir bölgede, mutlaka manyetik alanında olduğu, dolayısıyla da kalp, adale,
sinir ve beyin gibi organlarının belli bir manyetik alana sahip olduğu
bilinmektedir. Burada insanı oluşturan dokuların birbiriyle haberleşmek için
kullandıkları manyetik alanın sinyallerinin birbiriyle uyum içinde olduğu
görülür. Bu açıdan insan vücudunun dünyanın manyetik alanı ile olan dengesi çok
önemlidir. İnsanın kendi iç manyetik alanı ile dünyanın oluşturduğu manyetik
alan arasındaki uyumluluk Elektrosmog adı verilen ve teknolojinin beraberinde
getirdiği elektromanyetik kirlenme gibi nedenlerden dolayı bozulmakta ve insan
sağlığını tehdit edici bir unsur haline gelmektedir. Bu alanda da canlı bilimi
fizikten uzakta bir çalışma alanına sahip olamamaktadır.
1. Elektrik alanı, bir elektrik
yükünün başka bir elektrik yükü üzerinde yarattığı çekme veya itme kuvveti
etkisini ifade eder. Her elektrik yükü bir elektrik alanı üretir. Elektrik
alanını meydana getiren şey, elektrik yüklerinin varlığıdır.
2. Manyetik alan, elektrik yükleri
yer değiştirdiğinde, yani bir elektrik akımı sirkülâsyonu olduğunda ortaya
çıkar. Örneğin lamba yandığında, elektrik alanının yanı sıra, akımın besleme
kablosundan lambaya geçişinden kaynaklanan bir manyetik alan da söz konusudur.
Biyoloji – Nükleer Fizik:
Nükleer tıp,
manyetik rezonans görüntüleme, malzeme mühendisliğinde iyon implantasyonu gibi
alanlar; Fiziğin bir alt dalı olarak atom çekirdeklerinin etkileşimlerini ve parçalarını
inceleyen Nükleer Fiziğin uygulama alanlarındandır. Nörolojik, onkolojik,
ortopedik uygulamalar gibi tıpta pekçok uygulama alanı olan nükleer fizik tıbbi
görüntüleme ve tetkik alanına da büyük katkılar sağlamaktadır.
Tüm bunlardan
yola çıkılarak Fiziğin; Mekanik, Termodinamik, Elektromanyetizma, Optik,
Nükleer Fizik gibi tüm alt dallarıyla birlikte, tüm biyolojik sistemlerin
anlaşılması ve işleyiş mekanizmalarının
açıklanması, bu mekanizmalarda oluşacak
hasarların ve ortaya çıkacak hataların tetkik ve tedavisi ve bu tetkik
ve tedavilerde kullanılan cihazların çalışma prensipleri gibi pekçok nedenden
ötürü Biyoloji ve Tıp Alanında oldukça geniş bir uygulama alanına sahip olduğu
görülmektedir.
MATEMATİK
VE FİZİK
Matematik
Temeller üzerine kurulmuş bir bilim dalı olarak Fiziğin; Kimya ve Biyolojiye
temel oluşturduğu görülmektedir. Teorik Fizikçi Peter Voilt bu konuda ”Yeterince
geriye gittiğinizde, kimin fizikçi kimin matematikçi olduğunu gerçekten
söyleyemezsin.” demektedir. Matematiksel Fizik, Matematik ile Fizik arasındaki
bu ilişkiyle ilgilenmektedir. Journal of Mathematical Physics bu ilişki için “Matematiğin
fiziksel sorunlara uygulanması ve fiziksel kuramlar için matematiksel
yöntemlerin uygunluğunun geliştirilmesi” tanımlamasını yapmaktadır.
Matematiksel fiziğin birkaç dalı bulunmaktadır:
1. Klasik Mekaniğin Geometrik Olarak Gelişmiş Formülasyonları:
Lagrange
mekaniği ve Hamilton mekaniği kısıtlamaların varlığında bile Newton mekaniğinin
soyut ve ileri bir açıklamasıdır. Her iki formülasyonda analitik mekanikte
somutlaştırılmıştır. Bu yaklaşımlar istatistiksel mekanik, sürekli ortam
mekaniği, klasik alan teorisi ve kuantum alan teorisi gibi fiziğin diğer
alanlarınada genişletilmiştir.
2. Kısmi Diferansiyel Denklemler: Kısmi
diferansiyel denklemler teorisi (ve varyasyonel analizin ilgili alanları,
Fourier analizi, potansiyel teorisi ve vektör analizi) belki de matematik fizik
ile en çok ilişkili olduğu alandır. Bu denklemler 18. yüzyılın ikinci
yarısından (D'Alembert, Euler ve Lagrange) 1930'lara kadar yoğun bir şekilde
geliştirilmiştir. Bu gelişmelerin fiziksel uygulamaları arasında hidrodinamik,
gök mekaniği, sürekli ortam mekaniği, elastikiyet teorisi, akustik,
termodinamik, elektrik, manyetizma ve aerodinamik bulunmaktadır.
3. Kuantum Teorisi: Atomik spektrumlar
teorisinin (ve daha sonra kuantum mekaniği), lineer cebirin matematiksel
alanları, operatörlerin spektral teorisi, operatör cebirleri ve daha geniş
kapsamlı fonksiyonel analiz ile neredeyse eşzamanlı olarak geliştiği
görülmektedir. Reaktif olmayan kuantum mekaniğinin Schrödinger operatörlerini
içerdiği ve atomik ve moleküler fizikle bağlantıları olduğu görülür.
4. Görelilik ve Kuantum Görecelik Teorileri: Özel ve genel
görelilik kuramlarının oldukça farklı bir matematik türü gerektirdiği
belirtilir. Bunun hem kuantum alan teorisinde hem de diferansiyel geometride
önemli bir rol oynayan grup teorisi olduğu belirtilmektedir. Bununla birlikte
bu kozmolojik ve kuantum alan teorisi fenomenlerinin matematiksel
tanımlamasında topoloji ve fonksiyonel analiz ile yavaş yavaş desteklenmiştir.
Bu alanda günümüzde hem homolojik cebir hem de kategori teorisi oldukça önemli
kabul edilmektedir.
5. İstatistiksel Mekanik: İstatistik
mekaniği faz geçişleri teorisini içeren ayrı bir alan oluşturmaktadır. Hamilton
mekaniğine (veya onun kuantum versiyonuna) dayandığı ve daha matematiksel
ergodik teori (deterministik dinamik sistemlerin istatistiksel özelliklerini
inceleyen bir matematik dalı) ve olasılık teorisinin bazı bölümleriyle yakından
ilişkili olduğu belirtilir. Kombinatorik (teorik fiziğe, özellikle de Kuantum
Teorisine uygulanan kombinatoryal ve ayrık matematiksel teknikleri birleştiren
alan) ve fiziğin, özellikle de istatistiksel fiziğin arasında artan etkileşimlerin
olduğu belirtilmektedir.
______________________
https://www.biophysics.org/
TÜBİTAK
Bilim ve Teknik Dergisi
https://www.journals.elsevier.com/archives-of-biochemistry-and-biophysics
https://www.springer.com/journal/411
https://www.britannica.com/science/biophysics
Journal
of Biochemistry, Molecular Biology and Biophysics
Görseller: https://tr.wikipedia.org/
