biofizika (bio- + fizika), interdisciplinarna znanost, grana fizike i biologije koja proučava fizička svojstva bioloških sustava i fizikalnim zakonima objašnjava pojave u njima. Primjenjuje spoznaje fizike i biologije, te matematike, fizikalne kemije i biokemije u proučavanju bioloških funkcija, struktura i organizacije svih razina svega živoga, od bioloških makromolekula do organizama i ekosustava. S obzirom na objekt istraživanja i biofizičke metode, dijeli se na poddiscipline: biofizika stanice i organizma, biofizika složenih sustava, molekulska biofizika, medicinska biofizika, radiobiologija, bioenergetika, biomehanika, bioakustika, bioelektromagnetika, biofizika okoliša, računalna biofizika, astrobiologija, biomatematika i dr.
Metode u biofizici
Eksperimentalne metode u biofizici su: elektronska i svjetlosna mikroskopija (transmisijski i rasterski elektronski mikroskop, krioelektronski mikroskop, pretražni mikroskop s tuneliranjem, visokorazlučivi fluorescencijski mikroskop i dr.), rezonantne magnetske metode (elektronske i nuklearne), spektroskopija (prema spektralnom području: rotacijska, vibracijska i elektronska), spektrometrija masa, termičke metode (→ kalorimetrija), rendgenska strukturna analiza s pomoću difrakcije i dr.
Računalne metode u biofizici prema vrsti početnih podataka mogu se podijeliti na empirijske, u kojima se energija sustava računalno određuje polazeći od eksperimentalno dobivenih podataka, i na kvantnomehaničke, koje mogu biti teorijske tj. potpuno počivati na modelima na koje se primjenjuju kvantnomehanička načela, te poluempirijske u kojima se u jednadžbama parametri djelomično aproksimiraju podatcima dobivenim eksperimentom.
Prema istraživanim objektima, empirijske računalne metode dijele se na metode molekulske mehanike, koje proučavaju geometriju molekula i računaju energiju molekula u određenoj konformaciji, i metode molekulske dinamike, koje računalno simuliraju gibanje atoma u sustavu, kako bi se opisala njegova svojstva na molekulskoj razini pri zadanoj temperaturi i u zadanom vremenskom intervalu.
Povijest biofizike
U razdoblju renesanse Leonardo da Vinci anatomskim crtežima prikazuje djelovanje mišića pri izvođenju različitih pokreta. Iako jednostran, liječnički nauk ijatrofizika nastao u XVII. st. fiziološke pojave tumači s pomoću zakona mehanike, pa se ponekad smatra prethodnicom medicinske biofizike. Leonhard Euler opisuje strujanje krvi u žilama u djelu Određivanje načela gibanja krvi kroz arterije, 1755. Antoine Laurent de Lavoisier i Pierre Simon de Laplace proučavaju toplinske učinke disanja s pomoću kalorimetra (1780). Luigi Galvani (1786) promatra učinak statičkog elektriciteta na mišić žabe. Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1842) proučava kontrakcije mišića i brzinu širenja živčanih impulsa. Prve umjetne polupropusne membrane (1877) primijenio je njemački kemičar Moritz Traube (1826–96), a usavršio ih je njemački botaničar Wilhelm Pfeffer (1845–1920) proučavajući proces osmoze. Temeljne zakone difuzije formulirao je njemački liječnik Adolf Fick (1845–1920) u djelu Medicinska fizika (Die medizinische Physik, 1856).
Rusko-američki fizičar Nicolas Rashevsky (1899–1972) utemeljuje matematičku biologiju i biofiziku razvijajući fizičko-matematičku teoriju diobe stanice te uvodi kvantitativne dinamičke modele i metode u biologiju i medicinu (npr. model protoka fluida u biljkama). Erwin Schrödinger u djelu Što je život?: fizičke značajke žive stanice (1944) razvija teorijsko predviđanje molekule koja sadržava genetičke informacije u svojoj konfiguraciji kovalentnih kemijskih veza. Max Delbrück opisuje (1939) zakonitost povećavanja broja bakteriofaga s pomoću metode brojenja plakova (prozirnih područja na razmazima bakterija koja su dokaz prisutnosti bakteriofaga) te otkriva (1946) da kombiniranjem genetičkoga materijala različitih virusa mogu nastati nove varijante virusa. Max Ferdinand Perutz i John Cowdery Kendrew određuju trodimenzijsku strukturu proteina hemoglobina (1959) rješavajući (1953) tzv. fazni problem difraktiranog zračenja metodom izomorfne zamjene (→ kristalografija), tako što nakon umetanja žive u protein fazu određuju rendgenskom strukturnom analizom iz razlike u difrakcijskim spektrima proteina u kristalnom stanju bez žive i sa živom, za što su dobili Nobelovu nagradu za kemiju (1962). Na temelju istraživanja Rosalind Elsie Franklin (1952) i fotografije koju je snimila rendgenskom difrakcijom, James Dewey Watson, Maurice Hugh Frederick Wilkins i Francis Harry Compton Crick izradili su prvi model dvostruke zavojnice DNA (1953) i dobili Nobelovu nagradu za fiziologiju ili medicinu (1962). Na prijelazu iz XX. u XXI. st. krioelektronska mikroskopija postala je alternativa rendgenskoj kristalografiji u strukturnoj analizi bioloških makromolekula a za doprinos njezinu razvoju Joachim Frank, Jacques Dubochet i Richard Henderson dobili su 2017. Nobelovu nagradu za kemiju.
Biofizika u Hrvatskoj
Početci biofizike u Hrvatskoj vezani su uz djelatnost Siniše Maričića koji je u Institutu Ruđer Bošković vodio izradbu prvog uređaja za nuklearnu magnetsku rezonanciju (NMR) u Hrvatskoj (1957–59), a u Institutu za biologiju Sveučilišta u Zagrebu ustanovio Laboratorij za strukturnu biofiziku, koji je raspolagao prvim pulsnim NMR spektrometrom u Hrvatskoj, spektrometrom za kružni dikroizam (CD) i optičku rotacijsku disperziju (ORD), tj. mjerenje kuta zakretanja polarizacijske ravnine svjetlosti ovisno o valnoj duljini nakon prolaska svjetlosti kroz uzorak, UV/VIS spektrometrom za mjerenje vidljive ili ultraljubičaste svjetlosti koja prolazi kroz uzorak ili se od njega reflektira i osnovnom opremom za pročišćavanje bioloških makromolekula. Radiobiologija se razvija 1950-ih i 1960-ih u Institutu za medicinska istraživanja JAZU-a, Institutu Ruđer Bošković u Zagrebu i u Rovinju, na Veterinarskom fakultetu i Prirodoslovno-matematičkom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu i dr.
Istraživao se osobito odnos strukture i funkcije proteina i nukleinskih kiselina. Greta Pifat-Mrzljak unapređuje strukturna istraživanja molekula proteina u vodenim otopinama. Biserka Kojić-Prodić u Hrvatsku 1970-ih uvodi direktne metode u određivanje kristalnih struktura, a 1990-ih istraživanje strukture bioloških makromolekula metodama rendgenske strukturne analize s pomoću difrakcije u monokristalu. Ivana Weygand-Đurašević u Hrvatskoj uvodi istraživanje međudjelovanja bioloških makromolekula metodom mikrotermoforeze (engl. microscale thermophoresis; MST) koja se temelji na praćenju usmjerenog kretanja fluorescentnih molekula u temperaturnom gradijentu (2014).
Suvremena istraživanja u biofizici izvode se u Institutu Ruđer Bošković, Institutu za fiziku u Zagrebu, Institutu za medicinska istraživanja u Zagrebu, na Sveučilištu u Zagrebu (Farmaceutsko-biokemijski fakultet, Prirodoslovno-matematički fakultet, Medicinski fakultet), Sveučilištu u Splitu, Sveučilištu u Rijeci, u Mediteranskom institutu za istraživanje života (MedILS) u Splitu, farmaceutskim poduzećima i dr.
Poslijediplomski studij iz biofizike započinje 1971. u Zagrebu na Prirodoslovno-matematičkom fakultetu, kao jedno od usmjerenja studija fizike, a 2008. na Prirodoslovno-matematičkom fakultetu u Splitu. Jugoslavensko biofizičko društvo osnovano je 1970. a prvi predsjednik bio je Siniša Maričić. Hrvatsko biofizičko društvo (HBD) djeluje samostalno od 1980., a od 1993. član je Međunarodne unije za čistu i primijenjenu biofiziku (engl. International Union for Pure and Applied Biophysic, IUPAB). Društvo organizira godišnje znanstvene sastanke na kojima se prikazuju radovi što se poslije objavljuju u časopisu Periodicum Biologorum. Međunarodna ljetna škola biofizike Greta Pifat-Mrzljak u organizaciji Hrvatskoga biofizičkog društva djeluje od 1981., a od 2012. nosi ime osnivačice.
