Учебное пособие по биофизике

ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемые к рассмотрению контрольные вопросы, примеры решения задач и задачи для самостоятельного решения относятся к следующим разделам, изучаемым в рамках курса биофизики, либо самостоятельно по приведенным в конце пособия литературным источникам:

— термодинамика биологических процессов [1-5];

— молекулярная биофизика [1-4, 6, 7];

— строение и свойства биологических мембран [1-4, 6];

— свойства электролитов [3, 8];

— механизмы транспорта веществ через биологические мембраны [1, 2, 4, 9-12];

— механизмы электрогенеза в клетках [1, 2, 4, 9-13];

— биофизические принципы формирования сигнала ЭКГ [1, 2, 4, 10-12];

— биофизика мышечного сокращения [1, 2, 4, 7, 9, 10, 12, 14];

— автоволновые процессы в активных средах [10].

Предлагаемые в учебном пособии задания соответствуют программе курса «Биофизика» по специальностям 200401 “Биотехнические и медицинские аппараты и системы” и 200402 “Инженерное дело в медико-биологической практике” (по направлению подготовки бакалавров 553400 – «Биомедицинская инженерия» и по направлению подготовки дипломированного специалиста 653900 –«Биомедицинская техника»).

Контрольные вопросы и задачи подготовлены с использованием учебника В. А. Тиманюка и Е. Н. Животовой [1], учебника под редакцией В. Ф. Антонова [10], учебного пособия В. Н. Казакова, В. А. Лекаха и Н. И. Тарпаты [15], тестовых заданий под редакцией В. П. Омельченко [16], книги Р. Плонси и Р. Бара [12], книги Г. Рафф [17], выходные данные для которых приведены в списке литературы.

Данное учебное пособие предназначено для закрепления материалов учебников и учебных пособий, а также материалов лекций и семинаров по биофизике. В начале каждого раздела учебного пособия указано, какие знания студентов контролируются с помощью приведенных качественных вопросов и задач закрытого типа.

При ответе на контрольные вопросы необходимо выбрать правильный вариант или несколько правильных вариантов ответа, сделать необходимые дополнения, либо дать развернутый ответ на поставленный вопрос. Задачам для самостоятельного решения предшествуют примеры решения задач. Для большинства вопросов и задач в конце учебного пособия приведены ответы.

Решение задач требует от студентов правильного применения биофизических законов, полученных эмпирически или на основе общих физических законов и математического моделирования. Решение задач формирует у студента умение мыслить точными количественными категориями, что необходимо при формировании навыков моделирования процессов в живых системах и механизмов взаимодействия внешних физических полей с биологическими объектами, что является обязательным и одним из наиболее важных этапов процесса разработки приборов, аппаратов, комплексов и систем биомедицинской инженерии.

Вопросы и задачи сборника могут использоваться при проведении семинаров и контрольных мероприятий, в том числе в компьютеризированной форме, а также в системе дистанционного обучения.

1. Термодинамика биологических процессов

В данном разделе учебного пособия контролируется знание студентами следующих теоретических разделов биофизики и основных понятий: законы классической термодинамики для изолированных и закрытых систем; основы термодинамики открытых систем и биологических процессов; основные положения линейной неравновесной термодинамики для оценки направленности процессов, возможности их самопроизвольного протекания, стационарности и сопряженности процессов, соотношение взаимности Онзагера и теорему Пригожина; основные термодинамические потенциалы и связывающие их соотношения; понятия энтропии, диссипативной функции, равновесного и стационарного состояний [1, 5].

Контрольные вопросы

1. Перечислите и охарактеризуйте общие свойства живых систем.

2. Система находится в стационарном состоянии. При этом:

а) термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех частях системы, система является открытой или закрытой;

б) термодинамические параметры не изменяются во времени, но могут отличаться в различных частях системы, система изолирована;

в) система не изменяется во времени, в ней поддерживаются постоянные градиенты параметров, система является открытой или закрытой;

г) термодинамические параметры постоянны во времени одинаковы во всех частях системы, система изолирована;

д) термодинамические параметры изменяются во времени, система является открытой.

3. Степень упорядоченности открытой системы увеличивается (dS/dt < 0), если выполняется следующее:

а) deS/dt < 0 и | deS/dt | > diS/dt ;

б) deS/dt > 0;

в) deS/dt < 0 и | deS/dt | < diS/dt;

г) deS/dt =0;

д) deS/dt < 0 и | deS/dt | = diS/dt.

4. Сформулируйте второй закон термодинамики для открытых систем.

5. Перечислите и охарактеризуйте термодинамические потенциалы, используемые для описания термодинамических систем и процессов в них.

6. Осмотическая работа, совершаемая системой при изменении концентрации от c1 до c2, составляет:

а) zF(c2 — c1); б) PV(c2 — c1); в) RT(c2 — c1);

г) pV(c2/c1); д) RTln(c2/c1).

7. Электрическая работа, совершаемая системой при переносе вещества из области с электрическим потенциалом φ1 в область с потенциалом φ2, составляет:

а) zF(φ2 — φ1); б) RTln(φ2/φ1); в) PV(φ2 — φ1);

г) RTln(φ2 — φ1); д) PV(φ2/φ1);

8. Электрохимический потенциал i-ой компоненты системы равен:

а) ; г) ;

б) ; д) .

в) ;

9. Дайте определение диссипативной функции. Сформулируйте теорему Пригожина.

10. В системе происходит n сопряженных линейных процессов, характеризуемых потоками Ji и движущими силами Xi. Диссипативная функция результирующего процесса равна:

а) ; б) ; в) ;

г) ; д) .

11. Согласно теореме Пригожина, в стационарном состоянии при фиксированных внешних параметрах скорость продукции энтропии открытой системы:

а) неограниченно возрастает;

б) неограниченно убывает;

в) принимает постоянное, отличное от нуля положительное значение;

г) принимает отрицательное значение;

д) равна нулю.

12. Стационарное состояние является устойчивым, если отклонение от него приводит:

а) к возрастанию внутренней энергии системы;

б) снижению внутренней энергии системы;

в) увеличению диссипативной функции;

г) снижению диссипативной функции;

д) в приведенных пунктах правильного ответа нет.

Примеры решения задач

1. Внутриклеточная концентрация ионов Na+ составляет сi=0,015 моль/л, а внеклеточная – сo=0,15 моль/л, внутриклеточный потенциал равен φi=-60мВ относительно наружного, равного нулю. Температура клетки t=37oC. Рассчитайте осмотическую Аосм, электрическую работу Аэл, а также изменение электрохимического потенциала при переносе ионов натрия через мембрану нервной клетки наружу.