Biophysik

Gegenstand und Bedeutung der Biophysik

Biophysik ist eine interdisziplinäre Wissenschaft. Sie untersucht und beschreibt Prozesse in biologischen Systemen mithilfe der Gesetze und Messmethoden der Physik. Zugleich entwickelt sie physikalische Methoden gezielt weiter oder neu, damit biologische Vorgänge untersucht werden können. Kurz gesagt: Biophysik ist die Anwendung der Physik auf Biologisches und umgekehrt; auch die Bionik kann ihr zugerechnet werden.

Biophysikalische Fragen entstehen nicht nur in der Biologie, sondern auch in medizinischer Forschung und Anwendung. Deshalb arbeiten Fachleute aus Physik, Biologie, Chemie, Medizin und angrenzenden Gebieten zusammen. Biophysik ist an Universitäten nicht unbedingt dem Fachbereich Physik zugeordnet. In Deutschland gilt sie als Kleines Fach; inzwischen gibt es an mehreren Universitäten eigenständige Biophysikstudiengänge.

Prinzipien, Modelle und Methoden

Biologische Objekte reichen von einzelnen Zellen über Gewebe und Organe bis zu höheren Organismen. Sie sind komplex, weil viele Einflussfaktoren gleichzeitig wirken und häufig voneinander abhängen. Die Biophysik versucht deshalb, ein biologisches System zunächst auf ein notwendiges Minimum zu reduzieren. Solche vereinfachten Modellsysteme ermöglichen es, Vorgänge möglichst auf molekularer oder supramolekularer Ebene zu untersuchen. Supramolekular bedeutet dabei: mehrere Moleküle wirken als größere Einheit zusammen.

Die gewonnenen Daten werden mit biologischen Daten verglichen. Diese Korrelation soll zeigen, ob das Modellsystem das ursprüngliche biologische System ausreichend beschreibt. Wichtige Grundlagen sind die Gesetze der Thermodynamik, also die Lehre von Energie, Wärme und Umwandlungen, sowie der Elektrodynamik, die elektrische und magnetische Vorgänge behandelt. Auch Quantenmechanik und klassische Mechanik werden eingesetzt. Entscheidend sind sowohl Kenntnisse physikalischer Gesetze und Techniken als auch ein genaues Verständnis biologischer Systeme und der physikochemischen Eigenschaften beteiligter Moleküle.

Viele Verfahren aus Spektroskopie und Mikroskopie waren ursprünglich nicht dafür ausgelegt, biologische Objekte wie Lipide oder Proteine unter physiologischen Bedingungen zu untersuchen. Physiologische Bedingungen sind Bedingungen, die den normalen Bedingungen in einem lebenden Organismus entsprechen. Die Biophysik passt solche Methoden an biologische Fragestellungen an und entwickelt auf Grundlage physikalischer Effekte neue Verfahren. Ihre Anwendungen reichen von fast allen Bereichen der Biologie bis zur medizinischen Diagnostik und Therapie. Dadurch verbindet sie Biologie mit Physik, Medizin, Medizintechnik, Chemie, Biochemie, physikalischer Chemie und Informatik.

Wichtige Teilgebiete

Die Teilgebiete der Biophysik überschneiden sich. Eine biologische Frage lässt sich daher oft nicht eindeutig nur einem Bereich zuordnen.

• Die zelluläre oder molekulare Biophysik untersucht unter anderem Biopolymere, Proteinstrukturen, Proteindynamik, Lichtabsorption und physikalische Modelle von Enzymen.
• Membranbiophysik erforscht die physikochemischen Eigenschaften von Biomembranen sowie Bestandteile wie Kanäle, Rezeptoren und Transporter. Sie betrachtet auch deren Wechselwirkung mit bioaktiven Stoffen, etwa Peptiden.
• Elektrophysiologie untersucht elektrisch erregbare Zellen im Nervensystem und in der Muskulatur. Neurophysik nutzt und entwickelt physikalische Konzepte sowie Messmethoden zur Erforschung des Nervensystems weiter.
• Biomechanik befasst sich mit Strukturen und Funktionen von Bewegungsapparaten sowie mit Bewegungen biologischer Systeme.
• Photobiophysik untersucht Wirkungen äußerer Lichtquellen auf lebende Systeme. Biophotonik untersucht die Funktion von Photonenemission in lebenden Systemen.
• Bioenergetik behandelt die Thermodynamik von Stoffwechselvorgängen. Strahlenbiophysik untersucht Wirkungen ionisierender Strahlung auf Organismen und ihre Anwendung, beispielsweise in der Therapie.
• Aerosolforschung untersucht Eigenschaften von Aerosolpartikeln wie Feinstäuben und deren Risiken.
• Wichtige methodische oder theoretische Bereiche sind Spektroskopie, theoretische Biophysik, System-Neurowissenschaften, supramolekulare Verbindungen und neurales Encoding, also die Repräsentation von Information durch Nervenzellen des Gehirns.
• Bioinformatik ist kein Teilgebiet der Biophysik im eigentlichen Sinn, aber eng mit ihr verbunden, beispielsweise bei der Sequenzierung des menschlichen Genoms.

Forschung, Studium und Organisation in Deutschland

In Deutschland sind universitäre Institute und Abteilungen der Biophysik meist an mathematisch-naturwissenschaftliche oder medizinische Fakultäten angeschlossen. Forschung findet außerdem an Instituten der Leibniz-Gemeinschaft und der Max-Planck-Gesellschaft statt. Auch einige Biotechnologie- und Pharmafirmen haben eigene Biophysikabteilungen.

An vielen Universitäten wird Biophysik als Nebenfach, Vertiefungsfach oder eigenständiger Studiengang gelehrt. Der Zugang kann stärker biologisch oder stärker physikalisch ausgerichtet sein. Häufig ist Biophysik Haupt- oder Nebenfach für Studierende der Physik; viele Universitäten ermöglichen eine Promotion im Fach. Die Zahl der Angebote als Diplom-, Master- und Bachelorstudiengang nimmt zu.

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