Биофизика: Рабочая программа

Министерство образования и науки Российской Федерации __________________________________________________________ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Северо-Западный государственный заочный технический университет Кафедра МЕДИКОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Биофизика

Рабочая программа Факультет информатики и систем управления Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста 653900 биомедицинская техника, 190600 - инженерное дело в медико-биологической практике. Направление подготовки бакалавра 553400 биомедицинская инженерия

Санкт-Петербург 2004

3

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 577.3 (075.8) Биофизика: Рабочая программа. – СПб.: СЗТУ, 2004, - 15 с. Программа составлена в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 653900 - «Биомедицинская техника» (специальность 190600 «Инженерное дело в медикобиологической практике») и направлению подготовки бакалавра 553400 «Биомедицинская инженерия» Рассмотрены основные физические и физико-химические законы, лежащие в основе функционирования живых систем, динамики жизненных процессов, механизмов их регулирования, термодинамики жизненных процессов, основы молекулярной биофизики, биоэлектрических явлений, биофизики сенсорных систем, биофизики кровообращения, дыхания, основ взаимодействия физических полей и биологических объектов. Приведены программа дисциплины, контрольные вопросы, перечень тем рефератов, список основной и дополнительной литературы. Рассмотрено на заседании кафедры медико-технических систем и безопасности жизнедеятельности 22 сентября 2003 г. Одобрено методической комиссией факультета Информатики и систем управления 22 сентября 2003 г. Рецензенты: Кафедра медико-технических систем и безопасности жизнедеятельности СЗТУ, В.Л. Филиппов, д-р мед. наук, проф., руководитель лаборатории комплексной оценки состояния здоровья и профилактики НИИ гигиены, профпатологии и экологии человека. Составитель В.И. Гуткин, засл. деят. науки и техники Р.Ф., д-р биол. наук, проф.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004 © Гуткин В.И., 2004

4

Предисловие Цель преподавания дисциплины Целью данной дисциплины является рассмотрение основных физических и физико-химических закономерностей, лежащих в основе функционирования биологических объектов, функций живого организма, механизмов получения информации о состоянии внутренней и внешней среды, характеристик медикобиологических параметров, определяющих состояние организма и его адаптацию к меняющимся условиям внешней и внутренней среды. Данная дисциплина относится к циклу специальных дисциплин медикотехнической подготовки инженеров. Программа учитывает колоссальную сложность биологических объектов, физических и химических процессов, лежащих в основе функционирования биологических систем, механизмов нормального функционирования и регулирования деятельности морфофизиологических систем. Знания эти необходимы для осмысленного применения физических и биофизических методов исследования состояния биологических объектов, диагностики состояния и управления им при использовании энергетических, вещественных и информационных воздействий. Задачи изучения дисциплины В результате изучения дисциплины студент должен приобрести следующие знания, умения и навыки. Студент должен ЗНАТЬ: термины и определения, используемые в биофизике; физические принципы строения и биофизические основы функционирования клеточных структур, клеток, органов и систем организма; основные физические и физико-химические законы, лежащие в основе функционирования биологических систем; молекулярные механизмы транспорта веществ, дыхания, обмена веществ и энергии; ионные механизмы генерации биопотенциалов; физические основы дыхания, кровообращения, пищеварения и выделения; механизмы преобразования и кодирования информации в биологических системах.

5

Студент должен УМЕТЬ: вскрывать физические и главным образом физико-химические механизмы жизнедеятельности и закономерности функционирования биологических объектов и систем; применять законы механики, оптики, акустики, термодинамики, гидродинамики для описания происходящих в биологических системах процессов; осуществлять кинетический и аналитический подход к изучению сложных систем и предсказание их поведения; применять методические приемы проведения биофизических исследований. Студент должен ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ: об основных проблемах, современном состоянии и перспективах развития биофизики Место дисциплины в учебном процессе Для освоения дисциплины «Биофизика» необходимы знания биологии человека и животных, математики, химии, биохимии. Знание биофизики, в свою очередь, необходимо для освоения таких дисциплин как «Моделирование биологических процессов и систем», «Технические методы диагностических и лечебных воздействий», «Управление в биологических и медицинских системах» и др. 1. Содержание дисциплины 1.1. Содержание дисциплины по ГОС Биофизические процессы в организме; молекулярная биофизика: белковые молекулы; структура белка; нуклеиновые кислоты; биосинтез белка; физические свойства клеток: функции клеток и клеточных структур; клеточные мембраны; мембранный транспорт веществ; пассивные электрические свойства биотканей: электрическое сопротивление клеток, нервного волокна, явление поляризации; активные биоэлектрические явления: механизмы возникновения биоэлектрических потенциалов; распространение нервного импульса; термодинамика процессов жизнедеятельности; теплообразования и механизмы регуляции температуры в живых системах; биофизика мышечного сокращения; биофизика органов чувств: зрительный и слуховой анализаторы; рецепция запаха и вкуса; тактильный анализатор; электрорецепторы; кодирование

6

информации в органах чувств; биофизика сложных систем: кровообращение, дыхание и др. 1.2.

Рабочая программа (Объем дисциплины 185 часов)

Тема 1. Предмет дисциплины и ее задачи [1, 3] Структура, содержание дисциплины, ее связь с другими дисциплинами учебного плана. Методы биофизических исследований. Задачи биофизики. История и методология биофизики. Вопросы для самопроверки 1. Предмет и задачи биофизики. 2. Этапы становления биофизики. 3. Роль физики в становлении биофизики. 4. Разделы современной биофизики. 5. Место биофизики в ряду биологических наук. 6. Понятийный аппарат биофизики. 7. Связь биофизики с биологическими науками. 8. Роль биофизики в становлении теоретической биологии. Тема 2. Единство принципов структуры и функционирования живых организмов [1] Единство элементарного состава. Единство типов химических связей. Единство мембранного типа строения субклеточных образований. Единство клеточного строения. Единство строения многоклеточных организмов. Единство биохимических реакций и циклов. Единство дыхания. Вопросы для самопроверки 1. Общий план строения и функционирования субклеточных структур. 2. Клеточный принцип строения живых систем. 3. Единство биосинтетических процессов у всех живых существ. 4. Сущность процесса дыхания. 5. Сущность процесса пищеварения. 6. Молекулярные механизмы движения живых организмов.

Тема 3. Основы термодинамики

7

процессов жизнедеятельности

[1, 2, 4, 6, 7] Термодинамические системы. Функции состояния систем. Первый закон термодинамики, энтальпия, закон Гесса. Второе начало термодинамики и живые организмы. Баланс энтропии при росте и развитии организмов. Стационарное состояние. Основные закономерности термодинамики открытых систем. Теорема Пригожина. Теплообразование в организме теплокровных животных. Основной обмен. Условия теплообмена организма с окружающей средой. Регуляция температуры в живых организмах. Вопросы для самопроверки 1. Термодинамические системы. 2. Термодинамические процессы. 3. Закон сохранения энергии. 4. Закон Гесса. 5. Энтальпия. 6. Уравнение Клаузиуса. 7. Уравнение Больцмана. 8. Второе начало термодинамики и биологические процессы. 9. Термодинамика открытых систем. 10. Уравнение Пригожина. 11. Стационарное состояние. 12. Баланс энтропии при росте и развитии организма. 13. Работоспособность биологических систем. 14. Экспериментальное определение термодинамических параметров биологических систем. 15. Калориметрические методы в термодинамике биологических процессов. 16. Факторы, определяющие величину основного обмена. 17. Физические и химические механизмы теплорегуляции. Тема 4. Кинетика биологических процессов [2, 5, 8] Кинетика биологических процессов. Влияние температуры на скорость биохимической реакции. Влияние катализаторов на скорость реакции. Физикохимические механизмы ферментативного катализа. Кинетика ферментативных реакций. Влияние активаторов и других факторов микроокружения на ферментативные реакции.

8

Вопросы для самопроверки 1.Зависимость концентрации продуктов реакции и исходных реагентов от времени. 2. Фундаментальные понятия химической кинетики. 3. Порядок реакции по веществу. 4. Зависимость скорости химических реакций от температуры. 5. Катализ, каталитические реакции. 6. Физический смысл энергии активации. 7. Учение о скоростях и механизмах ферментативных реакций. 8. Скорость ферментативных реакций при различных рН. Тема 5. Основы молекулярной биофизики [2, 3, 7, 8] Физические свойства клеток. Макромолекулы, их физические свойства. Состав и структуры белковых молекул, сильные и слабые взаимодействия, связь между первичной и пространственной структурами белка. Нуклеиновые кислоты, генетический код, биосинтез белка. Мутации. Проблемы молекулярной биофизики. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Вопросы для самопроверки Состав и структура клеточных образований. Состав и структура белков. Состав и структура углеводов. Состав и структура жиров. Состав и структура нуклеиновых кислот. Первичная и вторичная структуры белков. Биосинтез белка. Генетический код. Тема 6. Мембранология [1, 3]

Клетка как структурная и функциональная единица живого организма. Единые принципы строения клеток. Клеточные мембраны, их структура. Виды биологических мембран. Биофизические методы выделения и изучения биологических мембран. Искусственные мембраны и их роль в изучении свойств биологических мембран. Мембранный транспорт веществ. Диффузия и уравнения диффузии. Электрохимический градиент. Фильтрация и осмос, осмотическое и онко-

9

тическое давления, водный обмен. Активный транспорт веществ, его роль в поддержании ионных градиентов. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Вопросы для самопроверки Структура клеточных мембран. Виды биологических мембран. Роль белков в структуре клеточных мембран. Роль фосфолипидов в структуре клеточных мембран. Методы выделения и изучения мембран. Пути проникновения веществ через клеточные мембраны. Движущие силы мембранного транспорта. Фазовые состояния и фазовые переходы в мембране Тема 7. Биоэлектрические явления [2, 3, 4, 5]

Электрические свойства и электрическая активность биологических объектов. Электрическое сопротивление клеток, сопротивление нервного волокна. Экспериментальное определение проводимости клеточных мембран. Механизм возникновения биоэлектрических потенциалов. Донановский равновесный потенциал. Расчет мембранной разности потенциалов. Потенциал покоя клеток, его физиологические функции. Особенности регистрации биопотенциалов. Микроэлектроды и микроэлектродная техника. Ионные механизмы возникновения мембранного потенциала. Потенциал действия. Ионные механизмы генерации тока действия. Моделирование процессов нервного возбуждения. Синаптическая передача возбуждения. Химический и электрический механизмы передачи возбуждения в синапсах. Постсинаптический потенциал. Особенности проведения возбуждения в синаптических структурах. Возбуждающие и тормозящие синапсы. Вопросы для самопроверки: 1. Закономерности, установленные при прохождении электрического тока через биологические объекты. 2. Суммарное сопротивление живых клеток и тканей. 3. Донановское равновесие. 4. Методы изучения электрической активности клеток.

10

5. Уравнение Нернста. 6. Роль калия в возникновении мембранного потенциала. 7. Механизм поддержания постоянства внутриклеточного содержания ио-

нов. 8. Ионные механизмы генерации потенциалов действия. 9. Роль натрия, калия и кальция в генерации токов действия. 10. Изменение возбудимости в течение одиночного акта возбуждения. 11. Распространение нервного импульса в безмякотных волокнах. 12. Распространение нервного импульса в мякотных волокнах. 13. Механизм синаптической передачи возбуждения. 14. Особенности передачи возбуждения в синаптических структурах. 15. Возбуждающие синапсы. 16. Тормозящие синапсы.

Тема 8. Биофизика зрения [2, 4, 6, 8] Строение глаза, оптической системы. Ход лучей в оптической системе глаза. Свет и его восприятие. Строение сетчатки, фоторецепторная система глаза. Формирование изображения на сетчатке. Фотохимические реакции в рецепторных клетках сетчатки Восприятие и обработка сигналов сетчаткой. Рецептивные поля сетчатки. Биофизика, нейрофизиология и психофизика восприятия света и темноты. Разрешающая способность глаза. Спектральная чувствительность. Субъективные и физические характеристики цвета. Субъективные эффекты при цветовых ощущениях. Трехкомпонентная теория цветового зрения, векторное представление цвета. Понятие о колориметрических системах. Кодирование информации в органе зрения. Роль движения глаз в зрительном восприятии. Вопросы для самопроверки 1. Ход лучей в оптической системе глаза. 2. Формирование изображения на сетчатке. 3. Фоторецепторная система сетчатки. 4. Фотохимические реакции в сетчатке. 5. Роль биполярных клеток в формировании восприятия. 6. Роль ганглиозных клеток в формировании восприятия. 7. Рецептивные поля сетчатки. 8. Биофизика восприятия света.

11

9. Психофизика восприятия света. 10. Разрешающая способность глаза. 11. Спектральная чувствительность глаза. 12. Цветоощущение. 13. Современная теория цветоощущения. 14. Роль движения глаз в зрительном восприятии.

Тема 9. Биофизика слуха [2, 4, 6, 8] Акустические явления и биофизика. Ухо как акустическая система. Восприятие звука. Этапы преобразования сигнала в органе слуха. Роль среднего уха в восприятии акустических раздражений. Слуховой процесс во внутреннем ухе. Процесс преобразования в волосковых клетках. Кодирование слуха в волокнах слухового нерва. Современные теории восприятия звука. Вестибулярный аппарат, его строение и функции. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Вопросы для самопроверки Акустическая система. Роль наружного уха в восприятии звука. Роль среднего уха в восприятии звука. Роль внутреннего уха в восприятии звука. Слуховой процесс во внутреннем ухе. Теория локализации. Гидродинамическая теория слухового восприятия. Кодирование информации в слуховом анализаторе. Психофизика слухового восприятия.

Тема 10. Рецепция запаха и вкуса. Кожный анализатор [2, 4, 6, 8] Рецепция запаха и молекулярное узнавание. Квантовая и стереохимическая теории восприятия запаха. Экспериментальные исследования рецепции запаха. Вкусовой анализатор, рецепторы вкусовых сосочков. Вкусовая адаптация. Химическое строение вещества и его вкус. Тактильная, болевая и температурная рецепции. Кожные рецепторы. Дифференцированная возбудимость кожного анализатора. Вопросы для самопроверки:

12

1. Классификация запахов. 2. Современная теория восприятия запахов. 3. Строение вкусовых рецепторов. 4. Современная теория вкусового восприятия. 5. Современная теория восприятия боли. 6. Современная теория восприятия прикосновения. 7. Современная теория температурной рецепции. Тема 11. Биофизика мышечного сокращения [2, 8] Структура мышц и мышечных белков. Механизм мышечного сокращения, роль кальция. Энергетика сокращения. Связь между силой сокращения и удлинением саркомера. Теплота активации и теплота укорочения мышечного волокна. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Вопросы для самопроверки: Структура и ультраструктура мышечного волокна. Экспериментальные методы исследования мышц. Физические свойства мышц. Молекулярный механизм сокращения мышц. Роль ионов в развитии мышечного сокращения. Тепловые процессы при мышечном сокращении. Зависимость между напряжением и удлинением. Тема 12. Биофизика кровообращения [2, 3, 5, 6]

Общие принципы гидродинамики. Гемодинамика. Особенности кровообращения в различных участках сосудистого русла. Сердце как насос. Ударный и минутный объемы сердца. Должные величины гемодинамики. Энергетика кровообращения. Структурный анализ движущейся крови. Динамика кровотока и энергетика эритроцитов. Геометрия кровотока. 1. 2. 3. 4. 5.

Вопросы для самопроверки Основные уравнения гидродинамики. Факторы, определяющие величину гидростатического давления. Факторы, определяющие величину гидростатического сопротивления. Законы гемодинамики. Особенности движения крови в сердце.

13

Особенности движения крови в венах. Насосная функция сердца. Работа сердца. Ориентировочные скорости и режимы кровотока в сосудах разного диаметра. 10. Ориентировочное распределение скоростей кровотока по поперечному сечению сосудов. 11. Ориентация эритроцитов по ортогональному сечению кровеносного сосуда. 12. Гидродинамические силы, действующие на эритроциты в потоке движущейся крови. 13. Геометрия ламинарного движения. 14. Геометрия турбулентного движения. 6. 7. 8. 9.

Тема 13. Биофизика дыхания [2, 3, 5, 6] Физика внешнего дыхания. Схематическая модель дыхательной системы. Физика газообмена. Легочные объемы и дебеты. Биомеханика дыхания. Работа дыхания. Легочная вентиляция. Вопросы для самопроверки 1. Физико-химическая сущность процесса дыхания. 2. Физика газообмена в легких. 3. Физика равновесного состояния альвеолярных газов. 4. Диффузия газов через легочные мембраны. 5. Перенос газов кровью. 6. Жизненная емкость легких. 7. Биомеханика дыхания. Тема 14. Биофизические основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами [1, 2, 8] Виды физических полей и их основные характеристики. Электромагнитные поля естественного и искусственного происхождения. Механизмы действия электромагнитного поля на биологические объекты. Ультразвук и его биологическое действие. Явления кавитации. Взаимодействие ионизирующих излучений с биологическими объектами. Тепловые поля и их влияние на биологические объекты. Физические поля при исследовании биологических объектов и управле-

14

нии их состоянием. Вопросы для самопроверки: 1. Виды физических полей. 2. Основные характеристики физических полей. 3. Рентгеновские лучи и их действие на организм. 4. Радиоактивность и живые организмы. 5. Ультразвук и его действие на организм. 6. Электромагнитные поля и их действие на организм. 7. Тепловые поля и их влияние на организм. 8. Использование физических полей при исследовании биологических объектов. 9. Использование физических полей при управлении состоянием биологических объектов. 1.3. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения (40 часов) 1. Предмет курса и его задачи .....................….....…......…....…..... 2 часа 2. Единство принципов структуры и функционирования живых организмов ........................................................…….........….....….............4 -"3. Основы термодинамики процессов жизнедеятельности …........ 4 -"4. Кинетика биологических процессов .............…...….......…..........2 -"5. Основы молекулярной биофизики ......…......…..........…..............2 -"6. Мембранология .........................................…............…...............4 -"7. Биоэлектрические явления .........................…...........….…........... 4 -"8. Биофизика зрения ....................................…..........…….................2 -"9. Биофизика слуха .. ....................................….....…...…..................2 -"10. Рецепция запаха и вкуса. Кожный анализатор ..........…............... 2 -"11. Биофизика мышечного сокращения ..........….......…..…................4 -"12. Биофизика кровообращения ....................….........…......................4 -"13. Биофизика дыхания ................................….........……................. 2 -"14. Биофизические основы взаимодействия физических полей с биообъектами …………………..............................…….....................2 -"1.4. ТЕМЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (8 часов) 1 семестр

15

1. Исследования электронной модели нейрона ………………… 4 часа 2 семетр 5. Исследование тактильной чувствительности кожного анализатора ………………………………………………………… 4 -"9. Определение времени реакции на предъявление светового и звукового стимулов …………………………………. 4 -"2. Библиографический список Основной: 1. Артюхов В.Г., Ковалева Т.А., Шмелев В.П. Биофизика. - Воронеж: Изд-во Воронежского университета, 1994. 2. Рубин А.Б. Биофизика: Учебник для вузов. - М.: Книжный дом Университет, 1999. Дополнительный: 3. Байер В. Биофизика. - М.: ИЛ, 1962. 4. Биофизика //Под ред. Б.Н.Тарусова и О.Р.Кольс. - М.: Высшая школа, 1968. 5. Биофизика: Учебник для медицинских институтов / Под ред. Ю.А.Владимирова - М.: Медицина, 1983. 6. Губанов Н.И. Медицинская биофизика. - М.: Медицина, 1978. 7. Ефимов В.В. Биофизика для врача. –М.: Медгиз 1962. 8. Рубин А.Б. Биофизика: Учебник для биологических вузов. - М.: Высшая школа, 1987. 9. Стейси Р., Уильямс Д., Уорден Р. Основы биологической и медицинской физики. –М.: ИЛ, 1959.

Содержание Предисловие .…………………………………………………………….4 1. Содержание дисциплины ………………………………………………4

16

1.1. Содержание дисциплины по ГОС ……………………………………...4 1.2. Рабочая программа ….…………………………………………………..5 1.3. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения ……………………………..……………………………..13 1.4. Темы практических занятий …………..……………………………….13 2. Библиографический список ……………………………………………13

Редактор Т.В.Шабанова Сводный тематический план 2004 г. ЛР №020308 от 14.02.97. Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07953.П.005641.11.03 от 21.11.2003 ____________________________________________________________________________

Подписано к печати . . 2004. Б. кн.-журн. П.л. 1,0 Б.л. 0,5 Тираж 70

ФОРМАТ 60Х84 1/16. РТП РИО СЗТУ Заказ

Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная 5

17