Fizikai Szemle 2005/8. 276.o.
BEMUTATKOZIK AZ ELTE BIOLÓGIAI FIZIKA TANSZÉKE
A Biológiai Fizika Tanszék viszonylag új oktatási és kutatási
egység, ezért ismertetésének elején röviden áttekintjük,
hogy miért és milyen körülmények között alakult
meg. Ebből a célból először is azt tisztázzuk, hogy milyen
célkitűzéseket tükröz a tanszék elnevezése.
Mi is az a biológiai fizika, és miben más, mint a biofizika?
A választ azzal kell kezdenünk, hogy a biológia
terén napjainkban születő és rendkívüli távlatokat sejtető
felfedezések egyre nagyobb érdeklődést váltanak ki az
élő rendszerek viselkedésének kutatása iránt. Ezzel egyidejűleg
a biológustársadalomban egyre inkább fellépett
az igény tudományterületük kvantitatívabbá tételére, azaz
arra, hogy az élő rendszerek tulajdonságait lehetőség
szerint egzakt, számokban is jól kifejezhető módon írják
le, vizsgálják. Erre jó lehetőséget nyújtanak a fizikusok
által kifejlesztett mérési technikák, berendezések, számítógépes
programok.
A biofizika hagyományos témái és módszerei mellett
megjelentek frissebb fizikai eszköztárú megközelítések. A
biológiai jelenségeket ilyen új fizikai módszerek segítségével
vizsgáló tudományterület a biológiai fizika. Témáiból
- a teljesség igénye nélkül - felsorolunk néhányat az
általunk legfontosabbnak tekintettekből. Néhány alkalmazást
is megemlítünk zárójelben: káosz, önszervező
kritikusság, 1/f -zaj (szívritmusban, tüdő működésében,
általában kváziperiodikus jelenségekben stb.); komplex
mintázatok képződése (fraktálnövekedés, sejtautomaták);
ideghálózatok (tanulás, memória); DNS-szekvenciák analízise;
fehérjék felcsavarodása; az evolúció új modelljei
(molekuláris szintű, globális); kollektív jelenségek (mozgás,
önszervezés, szinkronizáció), molekuláris motorok,
biológiai membránok dinamikája.
A Biológiai Fizika Tanszék története
Az Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi
Karán a társ-tudományterületek felé nyitás szellemében,
az akkori dékán, Kiss Ádám professzor kezdeményezését
követően született meg 1997-ben a Fizikus
Tanszékcsoport döntése, hogy Biológiai Fizika Tanszéket
hozzanak létre, és ezáltal a biológia és a fizika határterületén
folyó kutatásoknak és a hozzájuk kapcsolódó
oktatásnak önálló profilú egységet teremtsenek. A
döntést támogatta Marx György professzor is, annak az
Atomfizikai Tanszéknek több évtizeden átívelő sikeres,
nagyhatású vezetője, amely az alakuló tanszék tagjait
adta. A Tanszék alapítója és mindmáig vezetője Vicsek
Tamás akadémikus. Az új tanszék szakmai feltételeit az
ELTE Atomfizikai Tanszék keretei között a biológiához
csatlakozó területeken hosszú évek óta folytatott színvonalas,
sokrétű oktatás és kutatás biztosította. A tudományos
világban akkortájt többek között az USA-ban (a
Rockefeller Intézetben), és Németországban (Drezdában,
Jülichben) alakult hasonló csoport, és több amerikai
egyetemen is tervezték ilyen jellegű egységek létrehozását.
Az új tanszéken egymást kiegészítve találhatók
meg a hagyományosabb biofizikai és az újabb irányzatokhoz
tartozó témák.
A biofizikával kapcsolatos tevékenység a Marx
György akadémikus által vezetett Atomfizikai Tanszéken
kezdődött a hetvenes évek végén. A Fizikus Tanszékcsoport
akkoriban több speciális oktatás bevezetését
határozta el. Ezek közül elsőként a biofizika szakirányt
sikerült létrehozni, amely azóta is folyamatosan
része a fizikusképzésnek, néhány éve az új specializációs
képzés keretében. A nyolcvanas évek elején a tanszék
keretein belül önállóan működő Biofizikai Kutatócsoport
is létrejött Papp Elemér vezetésével. Bár ezen a
területen semmilyen múlttal, tapasztalattal, hagyománynyal
nem rendelkeztek, mégis hamarosan sikerült érdekes
eredményeket elérniük először a fotoszintézis, majd
a bakteriorodopszin kutatásában.
1990-ben először mint egyetemi tanár, majd 1992-től
mint tanszékvezető, Vicsek Tamás bekapcsolódott az
Atomfizikai Tanszék munkájába. Akkoriban fraktálnövekedési
jelenségekkel foglalkozott, majd tanítványaival az
évek során a fraktálképződési morfológiai kutatásokból
kiindulva a statisztikus fizika eszközeivel kezdték el vizsgálni
az élő rendszerek viselkedését a baktériumoktól az
emberig. Az ezeken a területeken folytatott kísérletek,
elméleti számítások, illetve számítógépes szimulációs
megközelítések jól kiegészítették a korábbi biofizikai
témákat, és tekintettel a fenti kutatások jelentős nemzetközi
visszhangjára, együttesen megalapozták az önálló
Biológiai Fizika Tanszék (továbbiakban Tanszék) 1997-es
létrejöttét. Az új oktatási és kutatási profil kialakításában
tevékeny szerepet játszott Rozlosnik Noémi egyetemi
docens, aki időközben egy nagy külföldi kutatócentrum
gárdájához csatlakozott.
A Tanszék 1998 őszén az ELTE többi fizikai tanszékéhez
hasonlóan az Eötvös korabeli, belvárosi Puskin utcai
épületből az egyetem új, lágymányosi tömbjébe költözött
át, ahol modern laboratóriumok (a biooptika, a számítógép-
vezérelt videomikroszkópia, biotechnológia, fotoszintézis)
segítik munkájukat.
A Biológiai Fizika Tanszék ma
A Tanszék dolgozóinak száma változó, jelenleg, doktoranduszokkal
együtt 28 fő. A tanszékvezető-helyettes feladatkörét
Kürti Jenő látja el. Az MTA kutatóhálózatának
részeként, a Tanszéken 2003 óta négy főből álló ELTE-MTA
Biológiai Fizika Kutatócsoport is működik Vicsek
Tamás vezetésével.
A Tanszék oktatói a következők: Czirók András, PhD,
egyetemi adjunktus; Derényi Imre, PhD, egyetemi adjunktus;
Fricsovszky György, CSc, ny. egyetemi docens; Fogl
László, tanszéki mérnök; Haiman Ottó, tudományos tanácsadó;
Horváth Gábor, CSc, habilitált egyetemi docens;
Horváth Viktor, CSc, egyetemi docens; Koltai János, egyetemi
tanársegéd; Kürti Jenő, DSc, tanszékvezető-helyettes,
egyetemi tanár; Meszéna Géza, CSc, egyetemi docens;
Ormos Pál, az MTA rendes tagja, részfoglalkozású egyetemi
tanár; Papp Elemér, CSc, ny. egyetemi docens; Szabó
Bálint, PhD, egyetemi adjunktus;
Vicsek Tamás, az MTA rendes
tagja, tanszékvezető egyetemi tanár,
az ELTE Fizikus Doktori Iskola
"Statisztikus fizika, biológiai
fizika és kvantumrendszerek fizikája"
programjának vezetője; Závodszky
Péter, az MTA levelező
tagja, részfoglalkozású egyetemi
tanár.
A Kutatócsoport tagjai: Farkas
Illés, PhD, tudományos munkatárs,
Palla Gergely, PhD, tudományos
munkatárs, Botos Krisztina,
részfoglalkozású asszisztens.
Büszkék vagyunk arra, hogy a
tanszékünkön végzett fizikusgeneráció
nemzetközileg elismert
képviselői közül többen is tanszékünk
munkatársai (Cz. A., D.
I, Sz. B.), illetve kutatócsoportjának
tagjai lettek (F. I.).
Oktatási tevékenység.
A Tanszék elsősorban a szakirányú (Atomok és molekulák
fizikája/héjfizika és a Biofizika), valamint a doktori
képzésben vesz részt, és jelentős munkát végez a modern
fizikai laboratórium működtetésében.
Tanszékünk munkatársai fizikus, biofizikus, biológus,
meteorológus, geológus, vegyész, fizikatanár, kiegészítő
fizika tanár szakos hallgatóknak tartanak elméleti és kísérleti
előadásokat, szemináriumokat és laboratóriumi
gyakorlatokat. Az előadásokból és laboratóriumokból
néhány a teljesség igénye nélkül. Előadások: biofizika,
biológiai rendszerek statisztikus fizikája, fejezetek a biológiai
fizikából, makromolekulák, optika, termodinamika,
növekedési jelenségek, bevezető előadások fizika
területén (nem fizikusoknak), laboratóriumi gyakorlatok:
atomok és molekulák fizikája (emelt szintű), modern
fizika, molekula- és biofizika.
A fentiek mellett speciális előadásokat és szemináriumokat
tartunk főként biológiai fizika témakörben. A tananyagaink
nagy része a hallgatók számára elérhető az
Interneten is.
Fontos szerepet játszik a Tanszék a tudományos elitképzésben
is. Átlagosan 6-8 állami ösztöndíjas doktorandusz
végzi tanulmányait oktatóink vezetésével, és az
ELTE Fizikus Doktori Iskola "Statisztikus fizika, biológiai
fizika és kvantumrendszerek fizikája" programjának
működtetése (adminisztráció, vezetés) is tanszéki feladat.
A Tanszéken az elmúlt évek során számos sikeres
(országos szinten nyertes) TDK-dolgozat is készült. Kivételes
elismerésben részesült Czirók András és Farkas
Illés, mert az országos szinten kétszer is elért első helyezésükért
elnyerték a nagy presztizsű (az MTA elnöke
által ünnepélyesen átadott) Pro
Scientia díjat. Irányításunkkal
közel 40 diplomamunka és 13
PhD doktori értekezés született
csak az elmúlt 5 évben.
Tudományos kutatások
a Biológiai Fizika Tanszéken
A Tanszék kutatási tevékenysége
központi jelentőségű egyfelől
a doktoranduszok képzése,
másfelől az elnyerhető pályázati
források szempontjából. Kutatásokat
folytatunk a klasszikus
biofizika és a biológiai fizika területén
egyaránt, munkánkban
ötvözve a kísérleti és elméleti
megközelítést, valamint a számítógépes
modellezést. A Tanszéken
rendszeresen tartunk kutatószemináriumokat,
amelyeken
külső előadók és tanszéki munkatársak
számolnak be legfrissebb
témáikról. A főbb, közelmúltban
elért kutatási eredmények
összefoglalása:
Bioenergetika
Klasszikus biofizikai kutatásokat tanszékünkön a bioenergetika
- fényenergiát átalakító biológiai rendszerek
vizsgálata - témában folytat Meszéna Géza és Papp Elemér.
Többek között új modellt alkottak a bakteriorodopszin
fotociklusának kinetikájára a maximum entrópia módszer
(MEM) speciális alkalmazása segítségével. A bakteriorodopszin
egy érdekes fehérje, amely fény hatására protont
tud pumpálni a sejt belsejéből a sejt külső felületére.
Biooptika és biomechanika
1. ábra. Ahogyan egy rozmár lát a partról egy vízbeli delfint, illetve ahogyan őt látja a delfin a vízfelszíni
fénytörés következtében. (A) A víz alatti tárgytér egy delfint ábrázoló függőleges kép, míg a levegőbeli
tárgytér egy rozmárt mutató függőleges kép. (B) A rozmár, illetve delfin S2 szemének az egységgömbön
elfoglalt helye. A delfin, illetve rozmár víz alatt, illetve fölött az egységgömb középpontjában
rögzített S1 szemének koordinátái X = 0, Y = 0, Z = -2, illetve Z = +2. (C) Az A ábrán látható rozmár
és delfin binokuláris képe, mikor a rozmár és a delfin S2 szemének egységgömbön elfoglalt helye
= 90°, 
= 60°
A Horváth Gábor vezette csoport fő kutatási területe az
állatok szemének, látásának és optikai környezetének, valamint
a természet polarizációs mintázatainak vizsgálatát,
továbbá a képalkotó polarimetria légköri optikai és
biológiai alkalmazásait, valamint a mechanika különféle
biológiai alkalmazásait foglalja magába. Legfontosabb kutatási
eredményeik: 1) Fényt derítettek a kuvaiti kőolajtavak
és a budapesti pakurató (valamint más természetes, illetve
mesterséges olajkiömlések) azon optikai (fénypolarizációs)
sajátságaira, amelyek magyarázatot adnak arra a
furcsa biológiai jelenségre, hogy ezen olajfelületek mágnesként
vonzzák magukhoz és pusztítják el a vízirovarokat.
2) Az 1999. augusztus 11-i teljes napfogyatkozáskor az
egész égbolt polarizációs mintázatának időbeli változását
sikerült mérniük több színtartományban. Ezáltal elsőnek
tudtak bepillantást nyerni abba, hogy miként alakul az égboltfény
polarizációfokának és polarizációs irányának eloszlása
térben és időben a teljes napfogyatkozás néhány
perce alatt uralkodó szokatlan megvilágítási viszonyok
eredményeként. A napfogyatkozás egén több új, polarizálatlan
(neutrális) pontot is megfigyeltek, amellyel egyben
igazoltak egy korábbi elméleti jóslatot is. 3) Hőlégballonról
4000 m maximális magasságból napkeltekor végzett 180°
látószögű képalkotó polarimetriai mérésekkel elsőnek sikerült
megfigyelniük a légkör negyedik polarizálatlan (neutrális)
pontját a spektrum vörös, zöld és kék tartományában.
4) Rekonstruálták a több száz millió évvel ezelőtt kihalt
háromkaréjos ősrákok (trilobiták) szemének optikáját,
és az egyik trilobitafaj szemében az állatvilágban egyedülállónak
számító kétfókuszú (bifokális) lencsét fedeztek föl.
5) Kísérletileg vizsgálták a vadon élő állatok és az ember
csöves végtagcsontjai szerkezetének a biomechanikai optimumtól
való eltérését. 6) Feloldották az állatok polarizációlátásának
ultraibolya (UV) paradoxonát, vagyis megmagyarázták,
hogy miért az UV-tartományban detektálható leghatékonyabban
az égbolt polarizációs mintázata, amivel egyben
lezártak egy régóta húzódó vitát.
Biotechnológia
Különféle biotechnológiai megoldások adaptációja,
illetve fejlesztése terén is vannak eredményeink. Ezt a
tevékenységet Szabó Bálint koordinálja, valamint ide tartozik
Ormos Pál és Vicsek Tamás egy nagy NKFP (Nemzeti
Kutatási Fejlesztési Pályázat) projektje a nano-biotechnológia
témakörében. Sikerült a sejtmagok mozgásának
monitorozására alkalmas biochip megvalósítása. A
pályázat keretében egy mini-inkubátorcsalád előállítása is
sikeresen halad. Kifejlesztett a csoport egy élő sejtek
hosszú távú megfigyelését lehetővé tévő fluoreszcens
mikroszkópot is, melynek segítségével, sejtbiológusokkal
és biokémikusokkal együttműködve sejtszintű kutatásokat
végzünk a neurobiológia területén.
Elméleti evolúcióbiológia
Meszéna Géza és csoportja az adaptív dinamika segítségével
a genetikai és ökológiai viszonyok szerepét tanulmányozza
a fajképződés menetében. Ezen a területen
alapvető eredményeket értek el. Az elmélet lényege a
biológiai evolúció és az általa okozott környezeti változás
együttes dinamikájának fixpont-analízissel való kézben
tartása. Legfontosabb biológiai alkalmazása a fajkeletkezés
elmélete. Munkájuk alapvető iránya a térben, heterogén
környezetben zajló evolúciós folyamatok modellezése
és a többdimenziós evolúciós állapottér hatásának
vizsgálata. Legfrissebb eredményük az ökológiai niche
fogalmának általános matematikai megalapozásához
kapcsolódik, amelyet Mats Gyllenberggel és Hans Metz -
cel együttműködve értek el. A téma fundamentális jellege,
valamint a kvantitatív tárgyalásmód lehetősége miatt
sikerrel motiválja az ELTE biológus- és fizikushallgatóit
doktori tanulmányok végzése irányába.
Kollektív viselkedés
A tanszéken Vicsek Tamás vezetésével kutatások folynak
kollektív mozgások modellezése és elméleti vizsgálata
terén. Ez a tevékenység határozza meg a tanszéki MTA
Kutatócsoport témáit is. A munka doktoranduszok és
egyetemi hallgatók bevonásával, valamint számos nemzetközi
együttműködés keretében folyik. A kutatások
célja olyan jelenségek megértése, amelyek sok, közel
hasonló egyed kölcsönhatása során figyelhetők meg. Az
egyedek lehetnek élőlények egy ökológiai rendszerben,
járművek a közlekedésben, illetve emberek tömegben.
Társadalmi és műszaki fejlesztési vonatkozásai következtében
ez utóbbi területnek kiemelt hangsúlyt szentelnek.
Sikerült számítógépes modellezés útján megmagyarázni
néhány ismert jelenséget (sorba rendeződés, örvénylés,
torlódások és hullámok kialakulása). Céljaik közé tartozik
ezen jelenségek részletesebb megértése és az eredmények
gyakorlatba való átültetésének elősegítése (például
épületek, stadionok, úthálózatok tervezésében).
Többek között vizsgálták a vastaps keletkezését, a futballstadionokban
jellemző mexikói hullám kialakulását, a
tömeg pánik esetén történő viselkedését. Eddigi eredményeik
a legrangosabb nemzetközi folyóiratokban (többek
között a Nature-ben) jelentek meg, és nagy visszhangot
kaptak a magyar és nemzetközi médiákban (CNN, BBC,
MTV, lásd az alábbi weblapokon). A nagyobb nyilvánosság
érdekében interaktív szimulációkat lehetővé tevő
weboldalakat hoztak létre a Tanszék szerverén
(http://angel.elte.hu/wave/,
http://angel.elte.hu/panic/).
Nanocsövek
Kürti Jenő és Zólyomi Viktor nemzetközileg elismert
eredményeket értek el a szén nanocsövek elméleti vizsgálata
terén. A kutatás a Georgetown Egyetem (Washington
DC) és a Bécsi Tudományegyetem munkatársaival együttműködésben
történik. Sűrűségfunkcionál módszerrel tanulmányozták,
hogy a görbületi hatások mennyiben módosítják
a kis átmérőjű nanocsövek tulajdonságait a szokásos,
1-1,5 nm átmérőjű csövekkel összehasonlítva. A spektroszkópusok
számára fontos eredményeket értek el a szén
nanocsövek Raman-spektrumában megfigyelhető, rendezetlenség
által indukált, úgynevezett D-sáv pozíciójának a
gerjesztő lézer hullámhosszától való függésére, valamint a
D-sáv finomszerkezetére vonatkozó számításaikkal. Talán
legfontosabb eredményeiket a C60-nal töltött egyfalú szén
nanocsövek ("borsók") megfelelő hőkezelésével előállított,
kettősfalú nanocsöveken végzett Raman-mérések értelmezését
segítő számításaikkal érték el. A kombinált kísérleti/
elméleti munka eredményeképpen megállapították, hogy a
szén nanocső belseje nagymértékben hibamentes, perturbálatlan
"reakciótérnek" tekinthető. Az úgynevezett lélegző
módus (RBM) gondos kísérleti és elméleti analízisével lehetővé
vált a szén nanocsövek úgynevezett kiralitási vektorának
a meghatározása, ami jelentős lépés lehet a nanocsövek
jövőbeli, tudatosan célzott előállítása és az alkalmazások
szempontjából. Kürti Jenő ezenkívül sűrűségfunkcionál
módszerrel végzett számításokkal vizsgálta a szén nanocsövek
geometriájában a töltésátvitel miatt bekövetkező
változásokat. A munka kapcsolódik az amerikai kollégák
"mesterséges izom" programjához.
3. ábra. Élő sejtek vizsgálatára alkalmas videomikroszkópiai laboratórium
egy automatizált fluoreszcens és egy fáziskontraszt-mikroszkóppal.
A Tanszéken fejlesztett szoftver és hardver vezérli a mikroszkópok
asztalának nagypontosságú mozgatását, a látómezők élesre állítását, az
exponálást és a digitális képek letöltését. Az emlős sejteknek megfelelő
hőmérsékletet saját fejlesztésű mini inkubátorokban állítjuk elő, melyek
a mikroszkópok asztalára illeszthetők.
Sejtmembránok, molekuláris motorok
A molekuláris biológia gyors fejlődése egyre több olyan
kérdést vet fel, amelyek túlmutatnak a biológián, és amelyek
megválaszolásához a statisztikus fizikának és a lágy
anyagok fizikájának az eszköztárára van szükség. Számos
ilyen témával foglalkozik Derényi Imre. Ezek között érdemes
megemlíteni a molekuláris motorfehérjék modellezését
és kollektív viselkedésük tanulmányozását. A modellek
alapjául szolgáló "kilincskerék" mechanizmust átültetve
a gyakorlatba egy újfajta szeparációs eljárás kifejlesztésén
is dolgozik Vicsek Tamással és Ormos Pállal (SZBK)
közösen. Különböző fehérjék egymáshoz való adhéziójának
és szilárd felületeken történő adszorpciójának kinetikáját
modellezve próbálja a fehérjeszerkezet és dinamika
közötti összefüggéseket feltárni. Részletes leírását adta a
sejteken belüli, sőt úgy tűnik, hogy a sejtek közötti transzportfolyamatokban
is fontos szerepet játszó membrán nanocsövek
kialakulásának, és tanulmányozza ezek dinamikáját,
valamint a fehérjeszegregációban betöltött szerepét.
Turbulencia
Horváth Viktor az elmúlt 5 évben egy új kutatási területet
honosított meg Tanszékünkön, a kétdimenziós turbulencia
kísérleti vizsgálatát. A kétdimenziós turbulencia
több szempontból is jelentős), segítségével nemcsak alapvető
fontosságú információkhoz lehet jutni a turbulencia
régóta megoldatlan problémája kapcsán, hanem modellezni
is lehet olyan a fundamentális természeti jelenségeket,
mint például a nagyskálájú légköri turbulencia. A kísérletezés
eszközéül szappanfilmben keltett áramlási képek
vizualizálása és kvalitatív tanulmányozása szolgálnak.
Videomikroszkópia
A Tanszék 1996-ban alapított Számítógép-vezérelt mikroszkópia
laboratóriuma, amelyet Vicsek Tamás kezdeményezésére
és részvételével Czirók András hozott létre,
sejtkultúrák hosszú távú megfigyelését és a sejtmozgás
statisztikai elemzését teszi lehetővé. Ez az infrastruktúra
számos interdiszciplináris kutatási programot eredményezett,
többek között az idegsejtek differenciálódásának
nyomon követését vagy a sugárkezelés és kemoterápia
agytumorsejtekre gyakorolt hatásának elemzését (az MTA
KOKI-val együttműködve). A biológiai hatások értékelésénél
figyelembe kell vennünk, hogy a sejtek általában
szuperdiffúzív, egymással is kölcsönható, véletlenszerű
mozgást végeznek. Aktívan tanulmányozzuk, hogyan hat
a sejtek viselkedésére a környezetükben lévő fehérjék
összetétele vagy térbeli eloszlása. Érdekes módon például
geometriai kényszerek oszcilláló sejtmagmozgást eredményezhetnek.
Vizsgálatainkat nemrég kiterjesztettük az élő
embriókban történő folyamatok és egyszerűbb anatómiai
struktúrák, például az érhálózat kialakulásának vizsgálatára
is. Ezek önszervező mintázatok, amelyeket számos sejt
kölcsönhatása eredményez. Czirók András a kansasi Orvostudományi
Egyetem Charles Little professzor által vezetett
csoportjával együttműködésben egyedülálló háromdimenziós
filmfelvételeket készített fürj embriók genezisének
kulcsfontosságú óráiról. A videomikroszkópiai, képalkotó
polarimetriai és biotechnológiai fejlesztésekben nagyon
sok segítséget nyújtott Haiman Ottó.
Tanszékünk másodállású egyetemi tanárai akadémikusként,
természetesen rendkívül kiterjedt és eredményes
kutatásokat végeznek, amelyeket itt nincs is lehetőség
ismertetni. Mindketten igen aktív kapcsolatban állnak a
Tanszékkel. Ormos Pál az MTA SZBK Biofizikai Intézetének
igazgatója, kutatási területe a biológiai energiaátalakulások
és fehérjedinamika. Legújabban a sejtléptékű
szerkezetek megvalósítása terén elért eredményei következtében
a hazai nanobiotechnológia legjelentősebb
hazai képviselőjévé vált. Závodszky Péter az MTA SZBK
Enzimológiai Kutatóintézetében vezet egy nagyon sikeres
csoportot, amely többek között az immunválaszok molekuláris
alapját kutatja. Ezen belül az egyik fontos terület,
ahol jelentős sikereket értek el, a flexibilitás hatása a fehérjék
stabilitására és működésére.
MTA Biológiai Fizika Kutatócsoport
A csoport főbb kutatási területei a kollektív viselkedés és
az ezzel kapcsolatos hálózatok valamint bioinformatikai
témák vizsgálata. A csoport kutatói minden témában
együttműködnek, de Palla Gergely elsősorban a hálózatok,
Farkas Illés elsősorban az embertömegek viselkedésének
kvantitatív leírására irányuló tevékenységet végzi.
Hálózatok
Komplex rendszerek kutatásának új és egyre népszerűbbé
váló módszere a rendszert meghatározó kölcsönhatások/
kapcsolatok hálózati struktúrájának elemzése. A
rendszer alkotórészeinek és a köztük lévő kapcsolatoknak
természetes modellje egy gráf: a részeket csúcspontok jelölik,
a kapcsolatokat élek. Jó példát nyújt ilyen rendszerre az
Internet, vagy az élő sejtekben lezajló biokémiai folyamatok
rendszere. Az idevágó kutatások célja a hálózatok elméletét
még szorosabban összekapcsolni a statisztikus fizikával
azáltal, hogy hálózatok átrendeződési folyamatait egy
statisztikus fizikai formalizmus keretein belül vizsgáljuk.
Megfelelő energiafüggvény mellett a hőmérsékletet változtatva
topologikus fázisátalakulások lépnek fel, melyek során
a hálózat struktúrája alapvető változáson megy keresztül.
A hálózatok dinamikájának és szerkezetének vizsgálatában
- az USA-beli Notre Dame-i egyetemen dolgozó Barabási
László professzorral (az MTA külső tagja) együttműködve
- szintén fontos eredmények születtek, amelyek
2004 tavaszán a Nature címlapjára is kerültek. A biológiai
hálózatok topológiáját, illetve a sejt-anyagcsere folyamán
az egyes biokémiai reakciók sebességének változását sikerült
a komplex hálózati megközelítés segítségével leírni.
Embertömegek dinamikája
Kutatásaink célja emberek csoportos mozgásának vizsgálata.
Közismert, hogy az orvostudomány, a természettudományok,
vagy akár a pszichológia szempontjából nézve
minden egyes ember igen bonyolult egység. Sok ember
együttes mozgása viszont jól vizsgálható a statisztikus fizika
eszközeivel. A vizsgált példák egyike gyalogosok szobából
való pánikszerű menekülése volt. Az ismert paramétereket
(emberek mérete, átlagos haladási sebessége, fulladás kritikus
nyomóereje) használva számítógépes szimulációk segítségével
meghatároztuk a pánikszerű menekülés során az
ajtó közelében megsérülő gyalogosok számát. A szimulációk
szerint a sérülések száma jelentősen csökkenthető egy,
a kijárat elé helyezett széles, kerek oszlop segítségével. Az
oszlop felfogja a szobában lévő hatalmas tömeg nyomását,
és szabad mozgást biztosít a mögötte lévő kijáratnál az
azon át menekülő embereknek. A statisztikus fizika ugyancsak
eredetinek számító alkalmazásaként kvantitatív modell
alkotható a stadionokban előforduló, úgynevezett mexikói
hullám jelenségének értelmezése céljából.
4. ábra. Hálózatokkal kapcsolatos kutatásaink során arra a kérdésre is
választ keresünk, hogy a megfelelő gráfokon belül milyen, egymással
szorosabban összekötött csoportosulások találhatók. Az ábrán egy
kognitív hálózaton belül, a „bright" angol szóhoz kapcsolódó csoportosulások
egy része látható. Az eredeti gráfban két szó akkor van egy
éllel összekötve, ha a megkérdezettek az egyiket a másikkal szabad
asszociáció formájában kapcsolatba hozták.
Publikációk, pályázatok, külföldi együttműködések
A Tanszék oktatóinak aktív kutatási-oktatási tevékenységét
jól mutatja az a nagyszámú könyv, jegyzet és folyóiratcikk,
amelyet oktatóink publikáltak. Az elmúlt 5 évre vetítve:
Könyvek, jegyzetek
H. KUZMANY, M. HULMAN, J. KÜRTI: Solid State Spectroscopy,
Problems and Problem Solutions, (angol nyelvű
példatár) - Eötvös University, Budapest, 161 o., 1999
ROZLOSNIK NOÉMI: Modern fizikai mérések a biológiában
- laboratóriumi jegyzet és CD, interneten, 1999
HORVÁTH GÁBOR: A mechanika biológiai alkalmazása:
biomechanika - Egyetemi tankönyv, ELTE Eötvös Kiadó,
Budapest, 262 o., 2001
T. VICSEK, szerk.: Fluctuations and Scaling in Biology -
Oxford Univ. Press, Oxford, 2001
T. SKJELTORP, T. VICSEK, ed.: Complexity from Microscopic
to Macroscopic Scales: Coherence and Large Deviations
- NATO Science Series, Kluwer, Dordrecht, 2002
HORVÁTH G., VARJÚ D.: Polarized Light in Animal Vision
- Polarization Patterns in Nature - Springer-Verlag,
Heidelberg-Berlin-New York, 2003
HORVÁTH G.: Geometriai optika biológiai alkalmazása:
biooptika - Egyetemi tankönyv, ELTE Eötvös Kiadó,
Budapest, 2004
Nemzetközi folyóiratokban több, mint 150 cikket publikáltak
a tanszék dolgozói az elmúlt 5 évben.
Pályázatok, külföldi együttműködések
Egy tanszék fontos paramétere, hogy milyen pályázatokban
vesznek részt a tagjai. Kutatómunkánk elősegítésére
számos hazai és nemzetközi pályázati forrást nyertek
el oktatóink. A pályázatok terén mutatott akivitásunkat
jellemzi, hogy például 2000 után 8 OTKA és 4 OM bázisú
pályázati forrást nyertek el munkatársaink. Nemzetközi
szinten is sikerrel pályáztak a tanszék dolgozói, két USA
vonatkozású, és 3 EU által finanszírozott pályázaton
nyertek. A világ számos kutatási centrumával sikerült
rendszeres kapcsolatot létesítenünk. Ezen közös kutatások
és együttműködő partnerek felsorolása helyhiány
miatt nem lehetséges. Számokban összefoglalva: 23 európai,
6 USA-beli, és 3 távol-keleti kutatócsoporttal van a
tanszéknek együttműködése.
*
Összefoglalva, a Biológiai Fizika Tanszék, a megalakulása
óta eltelt 6 évben olyan oktatási és kutatási profilt
alakított ki, amellyel sikeresen vesz részt a hazai felsőoktatásban
és tudományos elitképzésben, valamint a
témakörében folyó nemzetközi kutatások terén is jelentős
eredményeket ért el. Tevékenységünkről sok
további részlet található a tanszéki honlapon:
http://angel.elte.hu.
A Tanszék a napjainkban zajló biológiai forradalomhoz
csatlakozva, komoly perspektívát nyújt azon fiatalok
számára, akik az élő anyag megismerésében a jelenségek
egzaktabb, számszerű leírását tűzik ki célul. Ebben a
Tanszék baráti közössége nekik mindig maximális segítséget
fog nyújtani.