|
ФІЗИКА ЖИВОГО
1. Зміст дисципліни.
1.1.Загальні уявлення про фізику живих систем як науку, історичні та філософські аспекти. Філософська думка на Україні про живі організми та механізми їх функціонування. Математичне моделювання в біофізиці та біоматематиці. Наукові конфлікти в біофізиці. Проблеми прикладної біофізики.
1.2. Термодинаміка біологічних процесів. Залежність стаціонарних станів від параметру. Основні уявлення якісної теорії динамічних систем. Розподільні системи. Закони класичної термодинаміки та їх застосування до біохімічних процесів. Хімічна рівновага. Характеристичні функції. Ентропія та флуктуації. Інформація в біології. Загальна зміна ентропії в відкритих системах. Зростання ентропії як наслідок незворотних процесів у відкритих системах. Хімічна спорідненість та швидкість зростання ентропії. Співвідношення Онзагера. Походження співвідношень взаємності. Взаємодія незворотних процесів. спряження в стаціонарному стані.
1.3. Теорема Пригожина про мінімум виробництва ентропії в стаціонарному стані. Термодинамічна стійкість рівноважних станів. Релаксація до рівноважного стану. Стійкість стаціонарних станів. Зміна величини приросту ентропії. Елементи нелінійної термодинаміки. Загальні критерії еволюції системи. Термодинаміка нелінійних хімічних та біохімічних процесів. Застосування термодинаміки. Термодинаміка росту та розвитку живих об’єктів. Термодинаміка екологічних систем.
2.Колоідно-хімічні основи біологічних знань про живі системи.
2.1. Біологія, фізика і хімія. Поняття про колоідно-хімічні уявлення для біологічних об’єктів. Елементи фізики полімерів та білків. Фрактальні уявлення для структури білків. Гідрофобні та гідрофільні взаємодії. Структура води та її значення для вияву біофізичних ефектів та механізмів впливу зовнішніх фізичних полів на біоструктури. Гомеопатія, можливі її механізми. Уявлення О.Л.Чижевського про значення іонізованої води на регуляцію біологічних процесів.
3.Поділ клітин.
3.1. Митотичний та життєвий цикл клітин. Підготовка до мітозу. Фізико-хімічні основи поділу клітин. Кінець поділу клітини - ключ до механізму детермінації життя та вирішення проблеми канцерогенезу. Об’ємний та поверхневий ріст тканин; морфогенез. основні математичні моделі морфогенезу. вплив механічних та хімічних регуляторів. Принципи будування моделей зростаючих тканин та органів. Моделі типа Тьюринг. Кінетика поділу клітин. Масоперенос та ріст в пухлинних тканинах. Математичні моделі утворення та росту пухлин. Загальні уявлення про ріст рослин.
4. Час життя біологічних систем як фізична проблема.
Кінцеві розподіли часу життя біологічних систем. Моделі багатократно резервованої біосистеми, насиченої дефектами. Модель резервованої системи з довільним числом дефектів. Суттєві відмінності між технічними пристроями та біологічними системами. Модель гетерогенної популяції. Модель накопичення дефектів з постійною інтенсивністю потоку пошкоджень. Біофізичні принципи вивчення проблеми тривалості життя людини та тварин.
5. Електрокінетичні явища в біосистемах.
5.1. Класифікація електрокінетичних явищ. Походження електрокінетичного потенціалу. Поняття про подвійний електричний шар. Моделі та розрахунки електричних характеристик подвійного шару. Метод електроосмоса та його застосування в біології та медицині. Методи електрофореза. Мікроскопічний клітковий електрофорез та його застосування в клініці різних патології Прилади для визначення електрокінетичних характеристик біооб’єктів. Біофізичне значення поверхневого електричного заряду для клітин та серцево-судинної системи.
5.2. Механізми взаємодії та злиття клітин. Сили молекулярного притягнення. Гідратаційні сили. Електростатичні сили. Енергетичні діаграми взаємодії клітин. Агрегація клітин крові. Тромбоутворення та моделі його розвитку.
6. Іонізуючі випромінювання.
Основні закономірності розвитку променевого ураження живого організму. Вплив зовнішніх факторів. Гіпотези, що роз’яснюють дії іонізуючих випромінювань. Теорія ланцюгових процесів. Вільно радикальні процеси.
7.Механізми зору та слуху.
7.1. Очі людини. Кольоровий зір. Вимірювання сприйняття кольору. Діаграма кольорності. Механізми кольорового зору. Фізико-хімічні властивості кольорового зору. Відчуття кольору. Біофізика зору. Палочки. Складні очі комах. Інші типи очей. Нервові механізми зору. Органи слуху. Біофізика слуху.
7.2. Очі та мозок як елементи системи візуалізації. відтворення рухомих відображень в діагностичних пристроях.
8. Біофізичні механізми фотосинтезу.
Основні стадії фотобіологічного процесу. Механізм та моделі фотосинтезу. Дія ультрафіолету на нуклеїнові кислоти та білки. Бактеріородопсин та проблеми безсрібної фотографії.
9. Нелінійні динамічні процеси.
9.1. Фізико-математичні основи кінетики нелінійних процесів. Нелінійні просторові, часові, просторово-часові хіміко-фізичні процеси в біосистемах. Періодичні хімічні реакції. Періодичні явища в мембранах. Нелінійність та регуляція.
9.2.Біологічні ритми. Динамічні хвороби, їх моделі. Принципові основи розробки технічних пристроїв в клініці динамічних хвороб. Уявлення про лінійну та нелінійну фармакокінетику.
9.3. Поняття про хвилі та структури в активному середовищі. Синергетика та ієрархія нестійкостей в системах та пристроях, що самоорганізуються. Стаціонарні динамічні структури.
9.4. Типові сценарії переходу до хаосу. Мозок та комп'ютер. Кліткові автомати. Проблеми синергетики та розпізнавання образів.
10. Проблеми розвитку.
10.1. Походження життя. Принципи теорії добіологічної еволюції. Термодинаміка та еволюція. Фізико-хімічні основи біологічної еволюції та цінність інформації. Праці М.Ейгена. Гіперцикли. Цінність інформації і генетичний код. Проблема імунітету. Математичні моделі імунної системи організму та керування нею. Ріст та зниження імунітету під впливом зовнішніх фізичних полів.
11. Загальні уявлення про біомеханіку.
11.1. Біомеханіка як наука, її цілі, задачі, об'єкти вивчення, філософські та історичні аспекти. Методи досліджень в біомеханіці. Взаємозв'язок біомеханіки з фізичними, біологічними та технічними науками.
11.2. Механічні властивості м'яких біологічних тканин.
Структура та склад м'яких біологічних тканин. Структура та механічні властивості м'яких біологічних тканин при різних типах напруження. Мікроструктура. Будова та реологічні властивості м'язів; поперечно-смугасті та гладкі м'язи. Керування м'язовим скороченням. Основні рівняння моделі м'язової тканини. Поняття про кінетичну теорію м'язового скорочення.
11.3. Механічні властивості м'яких біологічних тканин та суглобного хряща. Структура та склад компактної кісткової тканини. Динамічні характеристики компактної кісткової тканини. Електромеханічні та адапційні властивості кісткової тканини. Структура та механічні властивості спонгіозної кісткової тканини та суглобного хряща.
11.4. Проблеми міцності в медицині. Функціонально-анатомічні особливості опорно-руховий апарату людини. Умови нагруження елементів опорно-рухового апарату. особливості захисних механізмів біологічних матеріалів та конструкцій. Проблеми міцності штучних конструкцій в травматології та ортопедії. Протезування. Сенсорне протезування.
11.5. Загальна характеристика механічних явищ в органах дихання людини і тварин. Найпростіші математичні моделі в механіці дихання. Прилади для діагностики органів дихання людини. Фоніатрія. Формування звуку.
11.6.Перистальтичний механізм транспорту та змішування. Постановка задач. Розв’язання в довгохвильовому наближенні. Ефекти рефлексу та захвату. Механіка сечовипускної та статевої функцій людини. Механіка формування каменів в нирках та сечоводах.
11.7. Механіка кровообігу. Рух рідин у трубках та при обтіканні тіл. Пуазейлева течія. Число Рейнольдса. Турбулентність. Механіка твердого тіла та властивості кровоносних судин. Серце. Тиск та кровотеча по артеріях великого кругу. Вплив нелінійності. Проходження біологічних рідин у місцях галуження судин. Змішування та перенос речовини в артеріях. Імпеданс. Вимірювання артеріального тиску методом Короткова. Механізми звуків Короткова. Мікросудини великого кругу. Статистичні механічні властивості мікросудин. Рух рідини в моделях мікросудин і в відносно крупних мікросудинах. Рух крові в капілярах. Ефекти мікроциркуляції як проблема біомеханіки. Вени великого кругу. Динаміка руху крові в крупних венах. Пульсові хвилі. Рух у трубках, які спадаються. Механіка венозного русла.Малий круг кровообігу. Статичні пружні властивості судин. Динаміка течії крові в крупних судинах малого кругу.
11.8. Реологія біологічних рідин.
Основи реології та її застосування до дослідження крові. Деякі механічні властивості формених елементів. Реологічні експерименти з кров’ю. Віскозиметрія крові. Механізми, що обумовлюють неньютонові властивості крові. Рух та деформація еритроцитів у зсувної течії. Розподіл еритроцитів в потоці. Реологія та нереологічні властивості крові. Оптичні властивості крові. Електропровідність крові. Діелектричні властивості крові та формених елементів. Дифузія та теплоперенос крові. Швидкість осідання еритроцитів. Акустичні властивості крові. Принципи існуючих та розробки нових медичних приладів для діагностики, що базуються на реологічних та нереологічних властивостях крові.
11.9. Реологія крові та фізіологія кровообігу.
Реологічні аспекти скипання крові. Клінічні застосування ідей та методів реології крові. Біореологія лімфи, ліквора, сечі, слини, слизу, суглобистої рідини.
12. Біомеханіка штучних органів людини та тих, які імплантують.
12.1. Структурно-функціональна організація захисних та детоксицируючих систем організму та шляхи їх штучного моделювання. Реологічні аспекти розробки екстракорпоральних пристроїв та тих, що імплантують. Проблема створення штучних органів. Конкретні технічні приклади та математичні моделі функціонування штучних органів людини. Екологічні хвороби та ефектна медицина.
12.2. Біотеплоперенос в тканинах.Процеси терморегуляції. Математичні моделі фізіологічної терморегуляції. Теплоперенос та теплообмін з середою. Класичне біотеплове рівняння. Модифікація біотеплових рівнянь. Перенос тепла у складних біологічних структурах. Теплові методи вимірювання кровотечії біологічних тканин. Аналіз розподілу температур по шкірі. Тепловізори та перспективи їх застосування в клінічній діагностиці. Лікувальна дія тепла. Методи дослідження живих систем. Огляд методів досліджень. Структурні та функціональні дослідження. Дослідження ізотопного, атомарного та молекулярного складу живих систем. Мас-спектрометрія. Гама-спектроскопія. Оптична спектроскопія різних діапазонів. Радіоспектроскопія. Спектроскопія ЕПР та ЯМР. Біохімічні методи досліджень. Дослідження генетичного коду. Ідентифікація білків. Отримання зображень елементів живих систем.
13. Растрова тунельна мікроскопія. Електронна мікроскопія. Оптична мікроскопія. Лазерна скануюча мікроскопія.
Рентгенівські системи. Фізичні основи взаємодії рентгенівського випромінювання з біологічними тканинами. Проективні рентгенівські системи. Радіаційне навантаження на живі системи та граничні можливості рентгенівських систем. Комп’ютерна рентгенівська томографія.
Застосування радіонуклідів для дослідження живих систем. Радіаційна біохімія. Радіофармпрепарати. Розповсюдження радіофармпрепаратів в живих організмах. Динамічні зображення розподілу радіофармпрепаратів та функціональна діагностика. Виявлення злоякісних пухлин. Однофотонна та двухфотонна томографія.
Ультразвукові методи дослідження. Фізичні основи взаємодії акустичних хвиль з біологічними тканинами. Ультразвукова локація. Допплерівські системи. Ультразвукове сканування та ультразвукова томографія. Ультразвукова мікроскопія.
Магніторезонансні методи та системи. Особливості ЕПР та ЯМР в біологічних тканинах. Релаксаційні характеристики. Хімічний зсув. ЕПР та ЯМР спектроскопія in vivo. Імпульсні послідовності. Методи побудови зображень. ЯМР томографія для різних ядер. ЯМР томографія на протонах. Фосфорна ЯМР томографія ідентифікація фосфоромістких сполук. ЯМР мікроскопія. Формування зображень ЕПР.
Біоелектричні та біомагнітні дослідження. Джерела біопотенціалів та зовнішніх магнітних полів. Дипольні та квадрупольні струмові моменти. Теорія відведень. Джерела дипольних моментів пірамідальних нейронів, таламічних ядер, клітин міокарду. Моделі електричної активності серці та головного мозку. Електрокардіографія та магнітокардіографія. Електричне каптування серця. Дослідження відкритого серця. Стимуляція електричної активності серця. Електроенцефалографія та магнітоенцефалографія. Картування електричної активності головного мозку. Вплив на електричну активність. Визвані потенціали. Електроенцефалографія визваних потенціалів. Електричне збудження нейронів та нервових аксонів. Біоелектричні дослідження окремих клітин.
14. Мікро і нанотехнології.
Сенсорні системи. Біологічні сенсори. Біологічні чіпи. Штучні елементи живих систем. Біотехнології.
ЛІТЕРАТУРА:
1.П.Г.Костюк Биофизика:К.Вища школа:1989.
2.Л.А.Блюменфельд Проблемы биологической физики: М.,Знание: 1982.
3.Г.Р.Иваницкий Борьба идей в биофизике, М., Знание, 1982.
4.М.В.Волькенштейн. Общая биофизика. М.,Наука, 1978.
5.А.Ю.Лоскутов, А.С.Михайлов Введение в синергетику.М., Наука,1990
6.А.Б.Рубин. Термодинамика биологических процессов.М., Из-во МГУ, 1984.
7.Д.Марри.Нелинейные дифференциальные уравнения в биологии. М.,Мир, 1982.
8.В.А.Левтов,С.А.Регирер, Н.Х.Шадрина.Реология крови,М.,Медицина, 1982.
9. К.Каро,Т.Педли, Р.Шротер, У.Сид. Механика кровообращения.М.,Мир, 1981.
10.Э.Лайтфут.Явления переноса в живых системах.М.,Мир, 1977.
11.Г.Бранков. Основы биомеханики. М.,Мир,1981.
12.Современные проблемы биомеханики.Вып.1-8. Рига-Москва, 1983-1993.
13.Г.Хакен.Синенергетика.М.,Мир,1980.
14.Ю.М.Романовский, Н.В.Степанова, Д.С.Чернавский. Математическая биофизика.М.,Наука, 1984.
15.Ю.М.Романовский, Н.В.Степанова, Д.С.Чернавский. Математическое моделирование в биофизике.М.,Наука, 1975.
16.Г.Хакен.Иерархия неустойчивости в самоорганизующихся системах и устройствах. М.,Мир,1985.
17.С.А.Гельдфанд. Слух: Введение в психологическую и физиологическую акустику.М.,Медицина, 1984.
18.П.Линдсей,Д.Норман.Переработка информации у человека. М.,Медицина, 1974.
19.В.И.Корогодин.Информация и феномен жизни. Пущино,1991.
20.П.П.Гладышев. Термодинамика и макокинетика прриродных иерархических процессов.М.,Наука, 1988.
21.Дж.Николис.Динамика иерархических систем. Эволюционное представление.М.,Наука, 1989.
22.Наукові статті та огляди, що друкуються в часописах "Биофизика", "Доповіді НАН України", "доклади РАН", "Акустический журнал", "Радиотехника и электроника","Медицинская техника","Український журнал медичної техніки та технології" та інші, включаючи публікації англійських спеціалізованих журналів, які надходять до бібліотек України.
|