Le champ d'application de la biophysique est extrêmement vaste. Il s'étend de l'échelle moléculaire, avec l'étude de la structure et de la dynamique des protéines, de l'ADN et des membranes lipidiques, jusqu'à l'échelle des organismes entiers, avec l'analyse de la vision, de l'audition ou de la locomotion. La biophysique s'intéresse à la mécanique des cytosquelettes qui donnent leur forme aux cellules, aux forces générées par les moteurs moléculaires comme la myosine ou la kinésine, et aux propriétés électriques des neurones qui permettent la propagation de l'influx nerveux.

Concepts et domaines de la biophysique.
Les molécules biologiques (protéines, acides nucléiques, lipides, glucides), sont au coeur de la biophysique. Leur structure tridimensionnelle détermine leurs propriétés et leur activité biologique. Les méthodes telles que la cristallographie aux rayons X, la résonance magnétique nucléaire et la cryo-microscopie électronique, permettent de déterminer ces structures avec une résolution atomique. Ces approches révèlent comment des interactions faibles, telles que les liaisons hydrogène, les forces de van der Waals et les interactions électrostatiques, gouvernent la stabilité et la reconnaissance moléculaire.

La biophysique s'intéresse également à la dynamique des biomolécules. Les protéines, par exemple, ne sont pas figées : elles adoptent des conformations multiples au cours de leur fonctionnement. Les techniques de fluorescence, de diffusion des neutrons ou de spectroscopie infrarouge permettent d'étudier ces changements de structure en temps réel. Ces mouvements sont souvent essentiels à la catalyse enzymatique, au transport de molécules à travers les membranes ou à la transmission des signaux cellulaires.

Les membranes biologiques constituent un autre domaine fondamental. Formées de bicouches lipidiques dans lesquelles s'insèrent des protéines, elles assurent la séparation et la communication entre compartiments cellulaires. Leur comportement est étudié à l'aide de modèles de membranes artificielles et de simulations moléculaires. Les phénomènes de diffusion, de perméabilité, de potentiel électrique et de transport ionique y sont analysés selon les lois de la physique statistique et de l'électrodynamique.

La biophysique cellulaire examine comment les cellules génèrent et exploitent des forces mécaniques et électriques. Le cytosquelette, formé de filaments d'actine et de microtubules, confère aux cellules leur forme et leur capacité de mouvement. Des outils comme les pinces optiques et les micropipettes permettent de mesurer des forces de l'ordre du piconewton et d'étudier la mécanique du vivant. De même, les potentiels d'action des neurones sont décrits par les équations d'Hodgkin et Huxley, qui traduisent les flux ioniques à travers les canaux membranaires en signaux électriques.

Les processus énergétiques du vivant sont également abordés sous l'angle biophysique. La thermodynamique et la cinétique chimique permettent de comprendre comment l'énergie libre est convertie et utilisée par les cellules. La photosynthèse, la respiration cellulaire et le fonctionnement des moteurs moléculaires tels que la myosine ou la kinésine sont analysés comme des cycles de conversion d'énergie, où les gradients chimiques ou électrochimiques produisent un travail mécanique ou électrique.

La biophysique moderne intègre aussi des approches computationnelles. Les simulations de dynamique moléculaire, la modélisation statistique et les méthodes de calcul quantique permettent de reproduire et de prédire le comportement de systèmes biologiques complexes. Ces outils offrent une vision intégrée des interactions entre des milliers d'atomes et éclairent les mécanismes à l'origine de la fonction biologique.

Au-delà des aspects moléculaires, la biophysique s'applique à des systèmes collectifs, tels que les réseaux neuronaux, les populations cellulaires ou les tissus. Elle y étudie les phénomènes d'auto-organisation, de signalisation et de transport collectif selon des lois analogues à celles observées en physique des systèmes complexes. Des concepts comme la diffusion, la percolation, la transition de phase ou l'entropie trouvent ici une interprétation biologique.