Angewandte Biophysik

In diesem Kapitel wird zunächst auf den Aufbau und auf die morphologische Vielfalt biologischer Zellen eingegangen. Die Darstellung erfolgt in knapper Weise als einleitende Vorbereitung auf spätere, nähere Betrachtungen. Danach folgt eine Beschreibung der physikalischen Eigenschaften von Biomolekülen. Es wird gezeigt, daß es vor allem die elektrischen Eigenschaften sind, welche die Ausbildung molekularer und zellulärer Strukturen begründen. Eine besondere Rolle kommt der räumlichen Verteilung elektrisch aktiver Positionen zu. Sie ist der Träger molekularer Information. Bezüglich der Verarbeitung solcher Information wird die Rolle physikalischer Mechanismen u.a. am Beispiel des Hormonsystems erläutert. In ausführlicherer Weise wird die genetische Informationsverarbeitung behandelt, wobei auch Grundprinzipien gentechnologischer Verfahren dargestellt werden.

Das vorliegende Kapitel behandelt die sehr vielfältigen Verfahren der biophysikalischen Analyse. Zunächst wird auf die Mikroskopie eingegangen, einer Standardmethode der Biologie. Ihre modernen Varianten bieten atomare Auflösung, wenngleich zunächst nur im Rahmen der Festkörperphysik, so wir von der ebenfalls diskutierten Röntgenstrukturanalyse absehen. Im zweiten Abschnitt wird als sehr spezifisches Verfahren die Elektrophorese dargestellt, ein unentbehrliches Hilfsmittel zum raschen Fortschritt der Genetik. Danach erfolgt eine Diskussion der Spektroskopie. Sie nutzt unterschiedlichste physikalische Mechanismen und erzielt damit spezifische Befunde, die in vielen Fällen mit keinem anderen Verfahren erarbeitbar sind. Als Beispiel sei das Studium dynamischer Bewegungen zellulärer Membranen unter Anwendung der Elektronenspinresonanz erwähnt.

In diesem Kapitel wird auf die Funktion des Nerv/MuskelSystems eingegangen. Es erfolgt eine Darstellung der neuronalen Signalverarbeitung, für die bereits ein in zunehmendem Maße vollständiges Verständnis erzielt werden konnte. Für die Medizintechnik sind die entsprechenden Phänomene in mehrfacher Hinsicht von unmittelbarem praktischen Interesse. So bieten sie eine Grundlage zur Herstellung von Schnittstellen zwischen elektronischen und neuronalen Systemen. Erinnert sei an die künstliche Stimulation, die mit Cochlearimplantaten ihren Ausgang nahm. Mittlerweile wird sie schrittweise auf beliebige Sinnesorgane erweitert und letztlich sogar dahin, Unterbrechungen neuronaler Verbindungen durch rein elektronische Komponenten zu überbrücken. Das vorliegende Kapitel behandelt auch Grundmuster neuronaler Netzwerke bis hin zur Informationsabspeicherung im Gehirn. Im physiologischen System finden sich dabei Verarbeitungsmuster, die zu solchen der Technik in weitgehender Analogie stehen, beziehungsweise die Entwicklung analoger technischer Systeme anregen. Von besonderem Interesse sind hier am Computer abgelegte Neuronennetze (Artificial Neural Networks), die bereits zu einem Routinewerkzeug moderner Datenverarbeitung geworden sind. Abschließend erfolgt eine Diskussion des Zustandekommens von neuronal bedingten Biosignalen, wie beispielsweise der elektrischen und magnetischen Enzephalographie.

Das vorliegende Kapitel behandelt die vielfältigen Mechanismen der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischen Feldern bzw. Strahlen auf der einen Seite und biologischen Systemen auf der anderen Seite. Die Diskussion beginnt mit biologischen Effekten niederfrequenter elektrischer und magnetischer Felder und setzt sich fort mit der Behandlung von zunehmend hohen Werten der Frequenz bzw. Quantenenergie. Nach einer Beschreibung der Wirkung von Mikrowellen erfolgt ein Überblick zur Bedeutung der Photonenstrahlung. Der Spektralbereich des Lichtes interessiert hier vor allem mit Hinblick auf biologisch bedeutsame photochemische Effekte. Schließlich wird auf den weiten Bereich ionisierender Strahlung eingegangen, wobei die Schädigung von Proteinen und Nucleinsäuren im Vordergrund des Interesses steht. In allen Fällen wird — über biophysikalische Mechanismen hinausgehend — in kurzer Übersicht auch die medizintechnische Bedeutung der Wechselwirkung angegeben.