Biophysik

Die Biophysik (engl. biophysics) ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die zum einen versucht, Prozesse in biologischen Systemen mit Hilfe der Gesetze der Physik und ihrer Messmethoden zu untersuchen und zu beschreiben, zum anderen sich aber auch mit der gezielten Neu- und Weiterentwicklung physikalischer Methoden zur Untersuchung biologischer Prozesse beschäftigt.

Fragestellungen und Probleme ergeben sich neben der Biologie auch aus der medizinischen Forschung und Anwendung. Biophysikalische Forschung erfordert somit die enge Zusammenarbeit von Wissenschaftlern der Disziplinen Physik, Biologie, Chemie, Medizin und deren Grenzwissenschaften. Aus diesem Grund ist die Biophysik an den Universitäten nicht zwangsläufig dem Fachbereich Physik zugeordnet. Wurde die Biophysik zunächst ausschließlich von Wissenschaftlern der o. g. Disziplinen (insbesondere Physikern) betrieben, wurden mittlerweile an mehreren deutschen Universitäten eigenständige Biophysikstudiengänge eingerichtet.

Inhaltsverzeichnis

Begriff

Der Begriff Biophysik setzt sich zusammen aus den griechischen Begriffen ὁ βίος (ho bios) = „das Leben“ und ἡ φυσική (he physike) = „die Natürliche“. Klassisch versteht man unter Physik die „Lehre von der unbelebten Materie“, d.h. der Begriff Biophysik stellt in diesem Sinne zunächst einen Widerspruch in sich dar. Allerdings muss beachtet werden, dass die Grundbausteine sämtlichen Lebens (die Zellen) aus unbelebter Materie (den Molekülen und supramolekularen Verbänden) aufgebaut sind. Zumindest die Grundprozesse der Biologie müssen also den Gesetzen der Physik gehorchen. Begreift man die Physik jedoch im modernen Sinne als Wissenschaft von den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie (somit allem Stofflichen) und Feldern in Raum und Zeit, so wird klar, dass alle biologischen Prozesse letztlich durch physikalische Gesetze beschrieben werden könnten.

Generelle Prinzipien

Biologische Objekte (angefangen bei einzelnen Zellen über größere Zellverbünde, wie Gewebe oder Organe, bis hin zu höheren Organismen) sind von ihrem Wesen her äußerst komplex. In der Regel können biologische Prozesse nur integral über eine Vielzahl von Einflussfaktoren, die zudem in vielen Fällen nicht unabhängig voneinander sind, untersucht werden. Dies stellt für die klassische Biologie eine wesentliche Beschränkung dar.

Das Wesen der Physik ist es, komplexe Systeme auf wenige Einflussfaktoren zu reduzieren. In der Biophysik wird zunächst versucht, biologische Systeme auf ein notwendiges Minimum zu reduzieren. An diesen vereinfachten Modellsystemen wird dann mit Hilfe physikalischer Methoden versucht, die Prozesse innerhalb des biologischen Systems im Idealfall auf molekularer bzw. supramolekularer Ebene zu untersuchen und mit Hilfe physikalischer Gesetze zu beschreiben. Über die Korrelation der biophysikalischen Daten mit den entsprechenden biologischen Daten lässt sich sicherstellen, dass das verwendete Modellsystem in der Lage ist, das biologische System ausreichend zu beschreiben. Die wichtigsten Grundlagen bilden hierfür die Gesetze der Thermodynamik und der Elektrodynamik, aber auch Quantenmechanik und klassische Mechanik finden Anwendung. Von entscheidender Bedeutung ist dabei die Kenntnis der physikalischen Gesetze und Techniken und ein detailliertes Verständnis für biologische Systeme und die physikochemischen Eigenschaften der beteiligten Moleküle.

Zudem hält die Physik eine Vielzahl von Methoden (z. B. aus der Spektroskopie oder der Mikroskopie) bereit, die in ihrer ursprünglichen Form nicht für die Untersuchung und Behandlung biologischer Objekte oder deren Einzelkomponenten (z. B. Lipide oder Proteine) unter physiologischen Bedingungen geeignet sind. Ein weiterer Schwerpunkt der Biophysik ist die Anpassung dieser Methoden für die Bearbeitung biologischer Fragestellungen. Des Weiteren werden aber auch gezielt physikalische Effekte ausgenutzt, um auf deren Basis neue Methoden zu entwickeln, die die Untersuchung biologischer Prozesse erlauben. Die Einsatzgebiete dieser Methoden reichen dabei von nahezu allen Bereichen der Biologie bis in die medizinische Diagnostik und Therapie.

Die Biophysik stellt ein Bindeglied zwischen der Biologie und neben der Physik einer Vielzahl weiterer wissenschaftlicher Disziplinen, wie beispielsweise Medizin, Medizintechnik, Chemie, Biochemie, physikalischer Chemie, Informatik, etc., dar. Biophysikalische Forschung erfordert deshalb eine enge Zusammenarbeit von Wissenschaftlern unterschiedlicher Fachgebiete, sie wird deshalb häufig nicht ausschließlich in physikalischen Instituten betrieben. Häufig sind biophysikalisch orientierte Arbeitsgruppen auch in biologischen, chemischen, pharmakologischen und medizinischen Fachbereichen bzw. Fakultäten zu finden.

Teilgebiete

Wie die meisten anderen Naturwissenschaften ist auch die Biophysik in unterschiedliche Teilgebiete untergliedert. Eine konkrete biologische Fragestellung lässt sich jedoch selten eindeutig einem Teilbereich zuordnen.

Im Folgenden werden die unterschiedlichen Teilgebiete kurz vorgestellt:

Wichtige Biophysiker und für die Biophysik wichtige Forscher

Biophysik in Deutschland

Forschung

Universitäre biophysikalische Institute und Abteilungen sind in Deutschland meist an die mathematisch-naturwissenschaftlichen, aber auch an die medizinischen Fakultäten angegliedert. Außer an den Universitäten finden biophysikalische Forschungen ebenso an Instituten der Leibniz-Gemeinschaft und der Max-Planck-Gesellschaft statt. Daneben gibt es auch einige Biotechnologie- und Pharmafirmen, die eigene Biophysikabteilungen unterhalten.

Lehre

Biophysik wird an vielen Universitäten gelehrt - teils als Nebenfach, teils als Vertiefungsfach oder teils als eigenständiger Studiengang. Dabei kann Biophysik eher aus der biologischen oder eher aus der physikalischen Richtung angegangen werden. An der Humboldt-Universität wird ein Studiengang „Biophysik“ an der biologischen Fakultät schon seit mehr als 20 Jahren angeboten. Zum Wintersemester 2008/2009 wird erstmalig auch ein Master-Studiengang angeboten. Die TU München war eine der ersten Universitäten, die den eigenständigen Studiengang Biophysik[1] in die Physik integriert hat, und bietet nunmehr einen MSc Studiengang der Biophysik an. Seit dem Wintersemester 2002/2003 ist ein eigenständiger Studiengang Biophysik[2] an der Technischen Universität Kaiserslautern möglich, gehört auch hier zur physikalischen Fakultät. Auch die Universität Frankfurt [3] bietet seit dem Wintersemester 2008/09 und die Universität des Saarlandes seit dem Wintersemester 2009/10 einen Studiengang Biophysik an. An der Fakultät für Physik der Universität Bielefeld wird Biophysik seit dem Jahr 2006 im Rahmen eines Bachelor- und Masterstudiengangs mit anschliessender Promotionsmöglichkeit angeboten [4]. Meist ist Biophysik jedoch nur Haupt- oder Nebenfach für Studenten der Physik. Viele Universitäten ermöglichen jedoch eine Promotion im Fach Biophysik. Die Zahl der Universitäten, die Biophysik auch als Diplom-, Master- und Bachelorstudiengang anbieten, nimmt dabei zu.

Deutsche Gesellschaft für Biophysik

Organisiert sind die deutschen Biophysiker in der Deutsche Gesellschaft für Biophysik (DGfB). Diese ist Mitglied der European Biophysical Societies' Association (EBSA) und der International Union for Pure and Applied Biophysics (IUPAB). Die größte und wichtigste biophysikalische Gesellschaft ist die Biophysical Society, die US-amerikanische biophysikalische Gesellschaft, in der auch Deutsche Mitglied werden können.

Literatur

Fachbücher

  • Erich Sackmann, Rudolf Merkel: Lehrbuch der Biophysik. Wiley-VCH, Weinheim 2010, ISBN 978-3-527-40535-0.
  • Gerold Adam, Peter Läuger, Günther Stark: Physikalische Chemie und Biophysik. Springer, Heidelberg 2003, ISBN 3-540-00066-6.
  • Rodney Cotterill: Biophysik. Eine Einführung. Wiley-VCH, Weinheim 2008, ISBN 978-3-527-40686-9.
  • Glaser: Biophysik. 4. Auflage. UTB, Stuttgart 1996, ISBN 3-8252-8116-7.
  • Hoppe, Lohmann, Markl, Ziegler (Hrsg.): Biophysik. Springer, Berlin 1982, ISBN 3-540-11335-5.
  • Michel Daune: Molekulare Biophysik. Springer, Berlin 1997, ISBN 3-540-67046-7.
  • Philip Nelson: Biological Physics. Freeman, New York 2004, ISBN 0-7167-4372-8.
  • Bengt Nölting: Methods in Modern Biophysics. 2. Auflage. Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-27703-X.
  • Helmut Pfützner: Angewandte Biophysik. Springer, Wien 2003, ISBN 3-211-00876-4.
  • Volker Schünemann: Biophysik. Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-21163-2.
  • Helmut A. Tritthart (Hrsg.): Medizinische Physik und Biophysik. Schattauer, Stuttgart 2001, ISBN 3-7945-2054-8.
  • Roland Winter, Frank Noll: Methoden der biophysikalischen Chemie. Teubner, Stuttgart 1998, ISBN 3-519-03518-9.
  • Siegfried Kiontke: Physik biologischer Systeme. UnderConstruction, München 2006, ISBN 3-00-019701-X.
  • Nicolau Beckmann: In-Vivo MR Spectroscopy. Potential and Limitations. Springer, Berlin 1992, ISBN 3-540-55029-1 (In Vivo Magnetic Resonance Spectroscopy. Band 3).
  • Philipp O.J. Scherer, Sighart F. Fischer: Theoretical Molecular Biophysics. Springer 2010, ISBN 978-3-540-85609-2

Fachzeitschriften

Weblinks

Einzelnachweise

  1. | Master Biophysik an der TU München
  2. Studiengang Biophysik an der TU Kaiserslautern
  3. Studiengang Biophysik an der Goethe Uni Frankfurt
  4. | BSc und MSc in Biophysik an der Universität Bielefeld

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