Biyofizik, biyolojik sürelerin aydınlatılmasında ve biyolojiye ilişkin sorunların çözümünde fiziksel bilimlerin ilke ve kavramlarından yararlanan bilim dalı. Temek kalıtım maddesi olan dezoksiribonükleik asidin (DNA) ve hemoglobin gibi proteinlerin molekül yapısının en ince ayrıntılarına kadar belirlenmesinde biyofizik araçlarının umulmadık derecede başarılı olması, yakın dönemde biyofiziğin ayrı bir bilim dalı olarak ön plana geçmesinde etkili olmuştur.
Tarihçe, biyofiziğin başlangıcı, doğa bilimlerinin bağımsız bilim dallarına ayrıldığı döneme dayanır. Canlıların ışık saçması çok eski çağlardan beri doğabilimcilerin ilgisini çektiğinden, biyofiziğin el attığı ilk konulardan biri biyolojik ışıldama oldu. Elektrik ile biyoloji arasındaki ilişki ise 17. yüzyılda büyük tartışmalara, bunu izleyen iki yüzyıl boyunca da ayrıntılı araştırmalara yol açtı. Başta Sir Isaac Newton ve Albrecht von Haller olmak üzere pek çok bilim adamını uğraştırarı bu konuya kesin bir çözüm getiren en büyük katkı, 1786’da Bolognalı hekim Luigi Galvani’den geldi. Galvani, bir rastlantı sonucu, bir elektrik üretecinin yakınında bulunan bir kurbağanın oyluk sinirine bıçağı yaklaştırdığında hayvanın kaslarının kasıldığını, bu arada üreteçte bir kıvılcım oluştuğunu gözlemledi. Kas hareketinin elektrik akımından ileri geldiğini düşünerek elektrik üreteci ve Leiden şişesiyle çeşitli deneyler yaptı ve kas kasılmasında bazı metallerin daha etkili olduğunu buldu. ltalyan bilim adamı Alessandro Yolta da aynı konuya eğilerek, kurbağa bacağının, dış ortamdaki elektrik geriliminin küçük değişikliklerini algıladığı nı savundu. Bu tartışmalar sonucunda, canlı dokuların elektrik akımı ürettiği konusunda düşünce birliğine varıldı ve kaslarda oluşan çok küçük akımları ve sinir zarları boyunca ortaya çıkan çok küçük gerilim farklarını ölçebilen galvanometreler geliştirildi.
Biyofiziğin gelişmesini etkileyen önemli araştırmalardan biri de, canlılarda maddenin edilgen akışını belirleyen yayınım gradyanları ile geçişme (osmoz) basıncına ilişkindi. Fransa’daki College de Navarre’da deneysel fizik profesörlüğü yapan Jean Antoine Nollet, bir çözücü ile bir çözeltiyi, yalnızca çözücüleri geçiren bir zarla ayırarak çözeltide oluşan geçişme basıncını açığa çıkardı. Alman botanikçi Wilhelm Pfeffer’ in bitkiler üzerinde gerçekleştirdiği ilk yayınım ölçümlerinin ardından, 1856’da Adolf Fick, ısı akımı yasalarından yararlanarak canlılardaki yayınım olgusunun kurallarını belirledi. Daha sonra Jacobus varı’t Hoff, Wilhelm üstwald, François Raoult ve Svante Arrhenius gibi ünlü fiziksel kimyacılar, sulu çözeltilerdeki tepkimeleri araştırmaya koyuldular. Canlı hücrenin iç ortamı sulu olduğundan ve yaşamın sürüp gitmesini sağlayan kimyasal tepkimeler bu ortamda gerçekleştiğinden, fiziksel kimyanın bu konusu biyoloji açısından da büyük önem taşıyordu.
20. yüzyıla gelindiğinde, artık biyolojik olguların çoğu fiziksel terimlerle dile getirilebiliyor , biyoloj ik olaylar arasındaki ilişkiler ve problemlerin sonuçları fizik bilimlerinin olanaklarıyla açıklanabiliyordu. Bu kuramsal çalışmalar, biyofizikçiler için gerekli olan fizik aletlerinin ve yöntemlerinin geliştirilmesine yol açtı. Biyolojiye ilgi duyan birçok fizikçinin biyofizik araştırmalarına yönelmesiyle, fizik, fiziksel kimya ve biyoloji dallarının özgün bir bireşimini yapan biyofizik öğretimine başlandı. üte yandan, biyolojiye yönelik fizik aletlerinin yapımı da uygulamalı biyofiziğin gelişmesini hızlandırdı. Bugün özellikle radyoloji alanında çok gelişmiş biyomedikal aletlerden, tedavide bilgisayarlardan, başta kimyasalolmak üzere her tür çözümlemede fiziksel ilkelere dayalı bilimsel aygıtlardan yararlanılmaktadır.
Başlıca ilgi alanları; Biyofizik temel olarak, sinir iletisini sağlayan elektrik ya da kas kasılmasını sağlayan mekanik kuvvet gibi fiziksel etkenlere bağlı olan biyolojik işlevleri, canlıların ışık, ses ya da iyonlaştıncı ışırumlar (örn. X ışınları) gibi fiziksel etkenlerle etkileşimini ve yüzme, uçma, yürüme gibi yer değiştirme ya da iletişim yoluyla çevreleriyle kurdukları ilişkileri inceler. Bu çalışmalarda çok gelişmiş. yöntemlerden ve araçlardan yararlanılır. Örneğin X ışınları kırınımı ve ultrasantrifüjle çökeltme, moleküler biyofizikte kullanılan en yaygın yöntemlerdir. Hayvan ve bitki makromoleküllerinin yapısı ve özellikleri bu yöntemlerle kesin bir biçimde tanımlanabilmiştir. üte yandan, elektron mikroskopu ve nükleer magnetik rezonans yardımıyla, hücre zarlarının ve kromozomların molekül yapıları ve temel öğelerinin bağlanına biçimleri saptanabilmiştir.
Genlerin temel maddesi ve hücrenin kalıtımdan sorumlu öğesi olan DNA’nın molekül yapısının biyofizik aracılığıyla çözümlenmesi, 20. yüzyılın en önemli ve çığır açıcı buluşlarından biri kabul edilir. ABD’li biyokimyacı J. Watson ile İngiliz biyofizikçi F. H. C. Crick, DNA molekülünün ikili sarmal yapıda olduğunu saptayarak temel bileşerılerin bu sarmal üzerindeki yerlerini belirlemişlerdi. İngiliz biyofizikçi M. Wilkins ise, DNA’yı kristalleştirmeyi başarıp, X ışınlarının bu kristallerde kırınıma uğramasıyla elde edilen kırınım desenlerini çözümleyerek, moleküldeki nükleotitlerin boyutlarını ve yerlerini saptadı.
İngiliz biyofizikçiler A. L. Hodgkin ile A. Huxley, 1950’lerin başlarında, bir sinir hücresinden kaynaklanan ve hücrenin yapısal uzantısı olan akson (sinir lifi) aracılığıyla iletilen uyarının (impuls) zaman içindeki değişimini ayrıntılı bir biçimde gözlemlediler. Bir uyarının iletilmediği zamanlarda sinir lifinin içinde oluşan negatif gerilimin (yaklaşık -70 mV), uyarı başlar başlamaz, saniyenin binde biriyle ölçülebilecek kadar kısa bir süre için artı bir değer kazandıktan sonra yeniden negatif düzeye dönmesini, yarıgeçirgen akson zarının iki yanı arasındaki iyon iletimiyle açıkladılar. Böylece, uyarının sinir lifi boyunca şiddetinden hiçbir şey yitirmeksizin iletildiğini açıklayan fizikokimyasal bir model geliştirdiler.
Radyoaktif izotopların elde edilmesi ise, hücre zarının bir yanından öbür yanına moleküllerin nasıl iletildiğinin anlaşılmasını olanaklı kıldı. Hollandalı fizyoloji bilgini H. Ussing, iyonların ve suyun canlı hücrenin içine ve dışına doğru pompalandığını, böylece hücrelerde, organlarda ve organizmalardaki iyon bileşiminin ve su dengesinin ayarlandığını ortaya koydu. İletim işlevinin böylece aydınlatılmasına karşın, olayın moleküler mekanizması henüz bulunamamıştır.
Kas kasılması sırasında oluşan ısıyı ölçmek için ilk duyarlı ölçüm aletini geliştiren A. Y. Hill, kasılma sırasında ortaya çıkan ısıyı, ısının oluşumuna neden olan termodinamik parametrelere bağlayarak açıklamaya çalıştı. II. Dünya Savaşı’nı izleyen yıllarda elektron mikroskopunun geliştirilmesiyle, kas kasılmasını yapısal düzeyde tanımlama olanağı bulundu. 1960’larda ise kas kasılmasının, kas liflerinin yay gibi kıvrılmasıyla değil, bir lifin öbür lif üzerinde kaymasıyla gerçekleştiği belirlendi. Ayrıca, X ışını kırınımı teknikleri ve elektron mikroskopunun yardımıyla kasılma olayına katılan moleküllerin belirlenmesi yolunda önemli adımlar atıldı.
Bugün biyofiziğin el attığı en güç sorunlarda biri duyular yoluyla iletişim kurma mekanizmasıdır. Özellikle görsel ve işitsel uyarılar kesin fiziksel terimlerle dile getirilebildiğinden, bu tür uyarılar daha 1850’lerden başlayarak fizikçilerin ilgisini çekmiştir. Modern elektronik aygıtlar aracılığıyla gerçek sinyalleri gürültüden ayırabilme olanağı bulunmuştur; ayrıca bilgisayar yardımıyla, uyarı ile hareket arasındaki karmaşık ilişkileri belirlemeye yönelik önemli deneyler yapılabilmektedir. Gene de, birçok hücrenin hareketlerinin bir bileşkesi olarak ortaya çıkan duyusal yanıt olayının niceliksel çözümlemesi henüz çok güç bir sorun olarak çözüm beklemektedir.
