జీవ భౌతిక శాస్త్రం

This article is about శాస్త్ర రంగం గురించి. For జర్నల్ గురించి, see Biophysics (journal).

జీవ భౌతిక శాస్త్రం (Biophysics) అనేది శాస్త్రంలోని ఒక ముఖ్యమైన శాఖ. ఇది జీవరాశుల గురించి తెలుసుకోవడానికి భౌతిక శాస్త్ర నియమాలను, పద్ధతులను ఉపయోగిస్తుంది. ఈ రంగంలో పనిచేసే శాస్త్రవేత్తలను జీవ భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు (Biophysicists) అని పిలుస్తారు. వీరు శక్తి, విద్యుత్, అయస్కాంతత్వం వంటి భౌతిక బలాలు కణాలు, జంతువులపై ఏ విధంగా ప్రభావం చూపుతాయో పరిశీలిస్తారు. కణంలోని వివిధ భాగాలు కలిసి ఎలా పనిచేస్తాయి, మానవ శరీరం ఆరోగ్యంగా ఎలా ఉంటుంది అనే విషయాలను అర్థం చేసుకోవడానికి జీవ భౌతిక శాస్త్రం ఎంతో సహాయపడుతుంది.

అవలోకనం

రైబోజోమ్ అనేది కణంలో ఉండే ఒక చిన్న భాగం. ఇది ఒక జీవ యంత్రంలా పనిచేస్తుంది.

జీవ భౌతిక శాస్త్రం జీవరాశులను రకరకాల పరిమాణాల్లో పరిశీలిస్తుంది. ఇది చాలా చిన్నవైన అణువుల (molecules) నుండి మొదలుకొని, పెద్ద సమూహాలైన జీవరాశుల జనాభా వరకు అన్నింటినీ అధ్యయనం చేస్తుంది. ఇది కేవలం ఒకే విషయం కాదు, అనేక సబ్జెక్టుల కలయిక. ఇందులో జీవ రసాయన శాస్త్రం, రసాయన శాస్త్రం, గణితం, ఇంజనీరింగ్ వంటి రంగాలు కలిసి ఉంటాయి.

అణు జీవ భౌతిక శాస్త్రం (Molecular biophysics) లో శాస్త్రవేత్తలు కణంలోని సూక్ష్మ భాగాలు ఏ విధంగా కదులుతాయి, అవి ఒకదానితో ఒకటి ఎలా సంబంధం కలిగి ఉంటాయో తెలుసుకోవడానికి ప్రయత్నిస్తారు. జీవ సమాచారాన్ని మోసుకెళ్లే DNA గురించి వీరు లోతుగా అధ్యయనం చేస్తారు. శరీర నిర్మాణానికి పునాదులైన ప్రోటీన్ల గురించి కూడా పరిశోధనలు చేస్తారు. భౌతిక శాస్త్ర సూత్రాలను వాడటం ద్వారా, ఈ ప్రోటీన్లు తమ పనులను చేయడానికి ఏ విధంగా తమ ఆకారాన్ని మార్చుకుంటాయో శాస్త్రవేత్తలు గుర్తిస్తారు.

జీవ భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు సాధారణ సూక్ష్మదర్శిని (microscope) కి కూడా కనపడని అతి చిన్న వస్తువులను చూడటానికి ప్రత్యేకమైన పరికరాలను ఉపయోగిస్తారు. వీటిలో కొన్ని ఎక్స్-రేలు లేదా న్యూట్రాన్లను ఉపయోగించి అణువుల చిత్రాలను తీస్తాయి. మరికొన్ని లేజర్ల సహాయంతో ఒకే ఒక అణువును కదిలిస్తాయి. మన కండరాలు ఎలా కదులుతున్నాయి, నరాలు సంకేతాలను మెదడుకు ఎలా పంపిస్తున్నాయి వంటి విషయాలను అర్థం చేసుకోవడానికి ఈ పద్ధతులు తోడ్పడతాయి.

చరిత్ర

జీవ భౌతిక శాస్త్ర చరిత్ర చాలా కాలం క్రితమే మొదలైంది. 1700వ సంవత్సరంలో Luigi Galvani అనే శాస్త్రవేత్త విద్యుత్ ప్రవాహం వల్ల కప్ప కాళ్లు కదలడాన్ని గమనించారు. భౌతిక శాస్త్రానికి, జీవశాస్త్రానికి మధ్య సంబంధం ఉందని నిరూపించిన మొదటి సంఘటనలలో ఇది ఒకటి.

1840వ కాలంలో బెర్లిన్ నగరంలోని కొందరు శాస్త్రవేత్తలు భౌతిక నియమాలను ఉపయోగించి శరీరం ఎలా పనిచేస్తుందో అధ్యయనం చేయడం మొదలుపెట్టారు. విశ్వంలోని పదార్థం, శక్తి ఏ నియమాలపై ఆధారపడి ఉంటాయో, ప్రాణం కూడా అవే నియమాలపై ఆధారపడి ఉంటుందని వారు బలంగా నమ్మారు. ఆ తర్వాత 1892లో Karl Pearson తన పుస్తకంలో మొదటిసారిగా "బయోఫిజిక్స్" (Biophysics) అనే పదాన్ని వాడారు.

20వ శతాబ్దం మధ్యలో ఈ రంగం బాగా ప్రసిద్ధి చెందింది. ప్రముఖ భౌతిక శాస్త్రవేత్త Erwin Schrödinger 1944లో What Is Life? అనే పుస్తకాన్ని రాశారు. ఈ పుస్తకం చదివిన చాలా మంది భౌతిక శాస్త్రవేత్తలకు జీవశాస్త్రంపై ఆసక్తి పెరిగింది. అప్పటి నుండి ఈ రంగం చాలా వేగంగా అభివృద్ధి చెందింది. 1957లో Biophysical Society (బయోఫిజికల్ సొసైటీ) ప్రారంభమైంది. ప్రస్తుతం ఇందులో ప్రపంచవ్యాప్తంగా వేల సంఖ్యలో సభ్యులు ఉన్నారు.

జీవ భౌతిక శాస్త్ర ఉపయోగం

కైనెసిన్ అనేది ఒక ప్రోటీన్. ఇది కణంలో వస్తువులను ఒక చోట నుండి మరో చోటికి చేరవేయడానికి "నడుస్తున్నట్లు" కదులుతుంది.

జీవ భౌతిక శాస్త్రం కేవలం ప్రయోగశాలలకే పరిమితం కాలేదు. ఇది మన నిత్య జీవితంలో, ముఖ్యంగా వైద్య రంగంలో ఎంతో ఉపయోగపడుతోంది.

వైద్య జీవ భౌతిక శాస్త్రం

వైద్య భౌతిక శాస్త్రం అనేది జీవ భౌతిక శాస్త్రంలో ఒక భాగం. ఇది వైద్యులకు రోగులను నయం చేయడంలో సహాయపడుతుంది. ఆసుపత్రులలో మనం చేయించుకునే ఎక్స్-రే లేదా MRI స్కాన్ వంటివి జీవ భౌతిక శాస్త్రం వల్లే సాధ్యమయ్యాయి. శరీరానికి గాయం చేయకుండానే, లోపల ఏముందో చూడటానికి ఈ యంత్రాలు అయస్కాంతాలను, కాంతి తరంగాలను ఉపయోగిస్తాయి.

మరో ముఖ్యమైన ఉదాహరణ నానో మెడిసిన్. చాలా చిన్న పరిమాణంలో ఉండే యంత్రాలను వాడి శరీరంలోని దెబ్బతిన్న భాగాలను బాగు చేయడం దీని ప్రధాన ఉద్దేశం. భౌతిక శాస్త్రవేత్త Richard Feynman ఒకసారి "డాక్టరును మింగడం" (swallow the doctor) అనే ఆలోచనను చెప్పారు. అంటే, ఒక చిన్న రోబోట్ మనిషి శరీరంలోకి వెళ్లి, జబ్బు ఎక్కడ ఉందో కనిపెట్టి దాన్ని నయం చేయగలదని ఆయన భావించారు. ఈ అద్భుతమైన ఆలోచనను ఆయన 1959లో రాసిన There's Plenty of Room at the Bottom అనే వ్యాసంలో వివరించారు.

మెదడుపై అధ్యయనం

జీవ భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు నాడీ విజ్ఞాన శాస్త్రాన్ని (neuroscience) కూడా అధ్యయనం చేస్తారు. న్యూరాన్లు (నరాల కణాలు) విద్యుత్ సంకేతాలను ఏ విధంగా పంపుతాయో వీరు పరిశీలిస్తారు. మెదడు ఎలా ఆలోచిస్తుందో తెలుసుకోవడానికి గణితం ద్వారా కంప్యూటర్ నమూనాలను (models) తయారు చేస్తారు. దీనివల్ల మనం ఎలా చూడగలుగుతున్నాం, ఎలా వింటున్నాం, విషయాలను ఎలా గుర్తుంచుకుంటున్నాం అనే విషయాలు మనకు అర్థమవుతాయి.

జీవ భౌతిక శాస్త్రంలోని వివిధ విభాగాలు

జీవ భౌతిక శాస్త్రం చాలా పెద్ద రంగం కాబట్టి, దీన్ని కొన్ని చిన్న విభాగాలుగా విభజించారు. ప్రతి విభాగం జీవనంలోని ఒక ప్రత్యేక అంశంపై దృష్టి పెడుతుంది:

నిర్మాణాత్మక జీవశాస్త్రం : ఇది ప్రోటీన్లు, DNA యొక్క ఆకారాన్ని అధ్యయనం చేస్తుంది. వాటి ఆకారం తెలిస్తే, శాస్త్రవేత్తలు కొత్త మందులను కనిపెట్టడం సులభమవుతుంది.

జీవ యంత్ర శాస్త్రం : శరీర భాగాలు ఏ విధంగా కదులుతాయో ఇది వివరిస్తుంది. ఎముకలు, కండరాలు, నరాలు ఒక యంత్రం లాగా ఎలా పనిచేస్తాయో ఇది చూస్తుంది.

బయో ఇన్ఫర్మేటిక్స్ : భారీ స్థాయిలో ఉండే జీవ సంబంధిత సమాచారాన్ని విశ్లేషించడానికి కంప్యూటర్లను ఉపయోగిస్తుంది. జన్యువులలో (genes) దాగి ఉన్న రహస్యాలను కనుగొనడానికి ఇది తోడ్పడుతుంది.

క్వాంటం జీవశాస్త్రం : ఇది ఒక కొత్త రంగం. కణాల లోపల ఎలక్ట్రాన్ల వంటి అతి చిన్న కణాలు ఎలా ప్రవర్తిస్తాయో ఇది అధ్యయనం చేస్తుంది. భవిష్యత్తులో క్వాంటం కంప్యూటర్ల తయారీకి ఇది పునాది కావచ్చు.

పర్యావరణ జీవ భౌతిక శాస్త్రం (Environmental biophysics): జీవరాశులు వాటి చుట్టూ ఉన్న పర్యావరణంతో ఎలా సంబంధం కలిగి ఉంటాయో ఇది వివరిస్తుంది. ఉదాహరణకు, మొక్కలు సూర్యరశ్మిని ఎలా గ్రహిస్తాయి, అడవిలో ఉష్ణోగ్రత ఎలా మారుతుంది వంటి విషయాలను ఇది చెబుతుంది.

పరికరాలు-పద్ధతులు

జీవ భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు తమ పరిశోధనల కోసం అధునాతన పరికరాలను ఉపయోగిస్తారు. జీవ అణువులు చాలా చిన్నవి కాబట్టి, వాటిని మామూలు కాంతిలో చూడటం సాధ్యం కాదు. అందుకే ఈ క్రింది పద్ధతులను వాడతారు:

ఎక్స్-రే క్రిస్టలోగ్రఫీ: ప్రోటీన్లతో చేసిన స్పటికాలపై ఎక్స్-రేలను ప్రసరింపజేస్తారు. ఆ కిరణాలు పరావర్తనం చెందే విధానాన్ని బట్టి అణువుల అమరికను గుర్తిస్తారు.

NMR స్పెక్ట్రోస్కోపీ: ఒక అణువులోని పరమాణువులు ఎలా తిరుగుతున్నాయో చూడటానికి పెద్ద పెద్ద అయస్కాంతాలను వాడతారు. ఇది దాదాపు MRI యంత్రం లాంటిదే.

ఫ్లోరోసెన్స్ మైక్రోస్కోపీ: కణంలోని భాగాలను చూడటానికి మెరిసే రంగులను (dyes) ఉపయోగిస్తారు. వీటిపై కాంతి పడినప్పుడు అవి ప్రకాశవంతంగా మెరుస్తాయి.

ఆప్టికల్ ట్వీజర్స్: ఇవి లేజర్ కాంతితో తయారైన "చింతపిక్కలు" వంటివి. ఇవి ఒకే ఒక DNA అణువును పట్టుకుని, దాని బలాన్ని పరీక్షించగలవు.

కంప్యూటర్ సిమ్యులేషన్: కొన్నిసార్లు అణువుల కదలికలు చాలా క్లిష్టంగా ఉంటాయి. అటువంటప్పుడు శక్తివంతమైన కంప్యూటర్లను ఉపయోగించి అవి ఎలా కదులుతాయో ఊహించి చూస్తారు. దీనివల్ల ప్రయోగాలు చేసే ముందే ఫలితాలను అంచనా వేయవచ్చు.

జీవ భౌతిక శాస్త్ర ప్రాముఖ్యత

ప్రపంచంలో ఎదురవుతున్న పెద్ద సమస్యలను పరిష్కరించడంలో జీవ భౌతిక శాస్త్రం కీలకంగా మారుతోంది. ఉదాహరణకు, వైరస్లు ఎలా పనిచేస్తాయో అర్థం చేసుకోవడానికి ఇది సహాయపడుతుంది. COVID-19 సమయంలో, వైరస్ పైన ఉండే "స్పైక్ ప్రోటీన్" ఆకారాన్ని జీవ భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు గుర్తించారు. ఆ ఆకారం తెలియడం వల్లే శాస్త్రవేత్తలు త్వరగా టీకాలను తయారు చేయగలిగారు.

ఇది పర్యావరణం విషయంలో కూడా ఎంతో మేలు చేస్తోంది. మొక్కలు సూర్యరశ్మిని శక్తిగా ఎలా మారుస్తాయో (దీన్నే కిరణజన్య సంయోగక్రియ అంటారు) అధ్యయనం చేయడం ద్వారా, సౌర శక్తిని (solar power) మరింత సమర్థవంతంగా పొందే మార్గాలను శాస్త్రవేత్తలు అన్వేషిస్తున్నారు.

వ్యవసాయ రంగంలో ఎక్కువ ఆహారాన్ని పండించడానికి జీవ భౌతిక శాస్త్రం ఉపయోగపడుతుంది. నీరు నేల నుండి మొక్క వేర్ల వరకు ఎలా వెళ్తుందో శాస్త్రవేత్తలు గమనిస్తారు. దీనివల్ల తక్కువ నీటితో ఎక్కువ పంటలు పండించే పద్ధతులను రైతులకు సూచించవచ్చు.

మొత్తంగా చెప్పాలంటే, జీవ భౌతిక శాస్త్రం అనేది ప్రాణానికి, భౌతిక నియమాలకు మధ్య ఉండే అద్భుతమైన వంతెన. ఇది మన ఆరోగ్యాన్ని మెరుగుపరచడమే కాకుండా, ప్రకృతిని మరింత మెరుగ్గా అర్థం చేసుకోవడానికి దారి చూపిస్తుంది.

బయటి లింకులు (External links)

Biophysical Society వెబ్‌సైట్

విద్యార్థుల కోసం బయోఫిజిక్స్ వికీ