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Labiophysique est unediscipline à l'interface de laphysique et labiologie où les concepts physiques et les outils d'observation et de modélisation de la physique sont appliqués aux phénomènes biologiques[1].
Plusieurs domaines de la biologie dans son sens le plus large ont bénéficié des avancées réalisées par la biophysique. L'écologie, l'évolution des espèces, ledéveloppement, lamédecine, labiologie cellulaire ou encore labiologie moléculaire sont quelques exemples de l'application de la compréhension biophysique.
Une approche héritée de la physique y est utilisée pour[1] :
mettre en évidence la structure d'éléments constitutifs du vivant : l'ADN ou lesprotéines ;
mesurer et manipuler de plus en plus précisément les éléments constitutifs du vivant. À titre d'exemple, il est possible d'utiliser despinces optiques pour déplacer desorganites ou bien dérouler la double hélice de l'ADN en mesurant la force appliquée.
La biophysique moderne peut être divisée en quelques catégories : la biophysique médicale[2] (imagerie, rayonnement, détection, optique), la biophysique moléculaire (structure des protéines, interactions protéine-protéines, structure en 3D de l'ADN), la biophysique cellulaire[3] (mécanique de la cellule et de ses composants, modélisation de réseaux de signalisation génétiques), la biophysique des tissus[4] (processus de croissances des organes,biomécanique, phénomènes de migration collective) et la biophysique environnementale et des populations (composants de l'environnement, de labiosphère, théorie de l'évolution).
La biophysique entend expliquer les phénomènes biologiques par les mêmes lois qui s'appliquent au reste du monde. Elle est en cela l'héritière directe de laphysiologie du début duXXe siècle. Comme pour beaucoup d'autres systèmes complexes (plasmas,supraconducteurs...), les biophysiciens cherchent à développer des théories adaptées aux phénomènes typiques du monde vivant. Dans bien des cas, de telles théories mettent en évidence certains points communs entre observationsa priori très différentes, et ouvrent de nouvelles perspectives. Il se trouve que les organismes vivants font partie des systèmes physiques les plus complexes et les plus variés qui soient accessibles à notre observation. Pourtant, il existe une unité remarquable au niveau cellulaire, déjà mise en évidence par les premières observations decellules au microscope (Schleiden 1838, Schwann 1840, Virchow 1855). Un des principaux exemples d'universalité dans la description physique et mathématique de processus biologique est la théorie deréaction-diffusion développée parTuring en 1952 pour expliquer la formation ex nihilo de motifs tels que les rayures ou pois dans le pelage des animaux lors de leur développement. Cette théorie, qui fait toujours l'objet d'intenses recherches en biologie du développement[7], s'applique aussi pour décrire des processus chimiques, écologiques ou géologiques.
La découverte progressive de l'unité des processus physiques intervenant dans toutes les cellules vivantes a été un moteur important pour le développement de la biophysique. Les physiciens cherchent en effet à expliquer l'essentiel des observations en proposant des théories synthétiques. Les succès les plus importants sont obtenus lorsque plusieurs observations dans des contextes différents, chez desorganismes différents, sont rattachées à une même explication physique.
l'électrophysiologie, qui mesure l'activité électrique des cellules, potentiellement d'une seule cellule à la fois grâce à la technique duPatch-clamp ;
lamicrocalorimétrie, qui mesure les changements de chaleur au cours d'une réaction, par exemple la liaison de molécules d'eau à une protéine ;
la microtensométrie, qui permet de mesurer les forces d'interaction au sein d'une bicouche lipidique ;
laréaction en chaîne par polymérase (polymerase chain reaction ou PCR), dont les applications dans le domaine de la manipulation de l'ADN sont nombreuses.
Les appareillages ne sont pas encore capables de « voir » une molécule mais en « éclairant » un grand nombre de molécules identiques avec un rayonnement contrôlé, des rayons X aux ondes radio (RMN, RPE), il est possible d'en déduire leur structure commune par l'analyse du rayonnement réémis. L'utilisation d'un modèle théorique fondamental à base dephysique quantique, et donc l'emploi de l'outil informatique, est indispensable.
Le rayonnement réémis est aussi utilisé pour localiser cesmolécules dans l'espace ; c'est ce qui est utilisé en imagerie. Cela implique souvent le couplage de la molécule d'intérêt à un fluorophorebiophotonique.
