Biophysik

Biophysik, fachübergreifendes Forschungsgebiet, in dem biologische Fragestellungen mit den Prinzipien und Methoden der Physik untersucht werden. Die Biophysik entstand nach dem 2. Weltkrieg, angeregt u. a. durch die Anwendung der Kernphysik auf biologische Systeme. So untersuchte man z. B. die Auswirkungen von Strahlung auf Lebewesen. Durch diese Forschungen kamen Physiker mit Biologen und biologischen Problemen in Berührung, und daraus ging die neue Disziplin der Biophysik hervor.

Heute ist die Biophysik mit einer ganzen Reihe von Teilgebieten der Biologie verknüpft, so mit Biochemie, Genetik, Molekularbiologie, Mikrobiologie, Physiologie, Neurobiologie, Histologie und Virologie. Die Biophysik, die eine Erweiterung von Physik und physikalischer Chemie darstellt, bedient sich der Methoden der physikalischen Wissenschaft und wendet sie auf biologische Fragen an.

Ein wichtiges Teilgebiet der Biophysik ist die eingehende Strukturanalyse der Moleküle in lebenden Systemen. Die bekannteste Errungenschaft in diesem Bereich ist die Aufklärung des Aufbaus der Erbsubstanz Desoxyribonucleinsäure (DNA, siehe Nucleinsäuren). Sie war die Voraussetzung für die großen Fortschritte der Molekularbiologie und Genetik in den letzten Jahren und wurde mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse ermöglicht. Ähnliche kristallographische Verfahren waren ein unschätzbares Hilfsmittel zur Aufklärung der Struktur von Myoglobin und Hämoglobin, der sauerstoffbindenden Pigmente von Muskeln bzw. roten Blutzellen, sowie von Enzymen wie Lysozym und Ribonuclease.

Ein weiteres wichtiges Thema der Biophysik ist die Übertragung der elektrischen Impulse, die in den Nervenzellen der Lebewesen Informationen übermitteln. Die Signale werden als getrennte Einheiten (Aktionspotentiale) weitergeleitet und erhalten ihren Inhalt durch die Häufigkeit dieser Aktionspotentiale sowie durch die Verbindungen, die eine Nervenzelle mit ihren Nachbarzellen eingeht. Der britische Biophysiker Alan Lloyd Hodgkin und der Physiker Andrew Fielding Huxley untersuchten beispielsweise Nervenzellen des Tintenfisches: Diese Zellen sind so groß, dass man mehrere Elektroden unmittelbar in das Zellinnere einführen kann. Mit einer wohlüberlegten Kombination aus Elektrochemie, moderner Elektronik und mathematischen Modellen konnten sie zeigen, dass ein Aktionspotential durch eine gezielt veränderte Durchlässigkeit der Zellmembran für Natrium- und Kaliumionen entsteht. Diese Methode wird seither mit geringfügigen Abwandlungen auch auf andere erregbare Gewebe angewandt und bildet die Grundlage für alle weiteren Versuche, die Funktion des Zentralnervensystems aufzuklären.

Heute beschäftigt sich die Biophysik u. a. mit so kleinen biologischen Systemen, dass man zur Untersuchung am besten die Methoden der Quantenmechanik benutzt. Man kann Biophysik aber auch auf größere biologische Systeme und ihre Wechselwirkungen anwenden, z. B. auf die Beziehungen zwischen mehreren Organen, die sich nach Verfahren der Steuerungstheorie analysieren lassen.