Министерство образования и науки российской федерации

сургутский государственный университет

В. М. Еськов,

О.В. Климов,

М.А. Филатов

БИОФИЗИКА

Учебное пособие для студентов биологического факультета СурГУ (курс лабораторно-практических работ)

Часть II

Сургут-2007

УДК 167/168-005; 517.997; 519.25; 57.081; 57.084/.085; 616-092.4(57+61)

ББК 3208Е75

Данное издание является 2-й частью лабораторно – практических работ по биофизике. Учебное пособие направлено на практическое изучение студентами вопросов электрогенеза и биофизики сложных систем (нейросети, анализаторы, работа мышц и синергетика биосистем). Издание рассчитано на студентов биологических факультетов, а также учащихся профильных старших классов (элективные курсы по естествознанию) и для учителей (в качестве учебного пособия).

Под редакцией ЗДН РФ, д.б.н., д.ф.-м.н., профессора В.М. Еськова

Рецензенты:

академик РАМН,

доктор медицинских наук, профессор В.Г. Зилов

Член-корреспондент РАН,

заслуженный деятель науки РФ,

доктор биологических наук, профессор Г.С. Розенберг

Оглавление
		Стр.
2.1.	Электроемкость биомембран. Определение электроемкости конденсаторов	4
2.2.	Биоэлектрические явления в живом организме. Регистрация биопотенциалов (БП). Потенциалы покоя (ПП)	13
2.3.	Моделирование биоэлектрической активности формального нейрона	23
2.4.	Искусственные нейронные сети и нейрокомпьютеры	30
2.5.	Изучение регуляции работы мышц	48
2.6.	Биофизика рецепций. Задание 1. (Закон Вебера Фехнера). Задание 2. (Измерение латентных периодов сенсомоторных реакций)	59
2.7.	Биофизика сложных систем в аспекте теории хаоса и синергетики	68
2.8.	Изучение процессов фотосинтеза зеленых растений	85
2.9.	Биофизика излучений. Методы регистрации активных радионуклеотидов	95

Лабораторная работа № 2.1.

Электроёмкость биомембран. Определение электроёмкости конденсаторов

Цель работы.

Обучаемый должен знать:

1. Основные законы электростатики, понятия напряженности (Е) электрического поля (ЭП), потенциала (U), связь между E и U, понятие электроёмкости (С) различных тел и электроёмкость мембран.

2. Определение С для сферы и плоских конденсаторов, основные законы последовательного и параллельного соединения конденсаторов.

3. Строение и электрические свойства мембран, способы получения искусственных биомембран, механизм функционирования электрических органов рыб.

Обучаемый должен уметь:

1. Экспериментально определять электроёмкости различных тел.

2. Проверять законы последовательного и параллельного соединения конденсаторов.

3. Определять ёмкостные свойства биотканей.

Практическое значение

Рассматриваемые явления лежат в основе жизнедеятельности всех клеточных организмов, т.к. все биомембраны имеют барьерные функции и, следовательно, обладают ёмкостными свойствами. Отметим, что ёмкостными свойствами обладают и тканевые мембраны (кожа, гематоэнцефалический барьер и т.д.). Изменение ёмкостных свойств клеточных и тканевых мембран- причина многих патологических состояний и болезней человека, животных, растений. Знание законов последовательного и параллельного соединения ёмкостных элементов дает возможность понимать морфофункциональные свойства клетки и многоклеточных организмов, их поведение в естественных и искусственных электрических полях (физиотерапия!)– ЭП.

Бюджет времени

На изучение темы отводится 9 часов. Из них 4 часа- лекции, 2 часа- лабораторные занятия и 3 часа- на самоподготовку.

Литература

1. Ревин В.В., Максимов Г.В., Кольс О.Р. Физиология и биофизика мембранных процессов.- Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1995.- 96с.

2. Владимиров Ю.А., Рощупкин Д.И., Потапенко А.Я., Деев А.И. Биофизика. - М.: Медицина, 1983.- 272с.

3. Болдырев А.А., Котелевцев С.В., Ланис М. и др. Введение в биомембранологию.- М.: Изд-во Моск. ун-та, 1990.- 208с.

4. Албертс В., Брей Д., Льюис Дж. и др Молекулярная биология клетки.- М.: Мир, 1986.

5. Рубин А.В. Биофизика: В 2 кн.- М.: Высш. шк., 1987.- Кн.1

6. Бергельсон Л.Д. Биологические мембраны.- М.:Наука, 1975.- 184с.

Методические указания по 1- му этапу

"Самоподготовка"

Цель этапа.

1. Повторить исходную информацию из школьного курса;

2. Изучить и проверить свои знания по новой информации из лекционного курса.

Проверка уровня знаний.

Для изучения темы необходимо возобновить старые знания, связанные с понятиями электростатики и выучить новый материал, используя конспект лекций и вспомогательную литературу.

Для самоконтроля необходимо ответить на вопросы и решить следующие вопросы.

1. Причины возникновения ЭП. Явление трибоэлектричества. Силовые линии ЭП.

2. Напряженность Е ЭП. Единицы измерения. От чего зависит Е для точечного заряда?

3. Влияние среды на Е. Что такое поляризация среды? Охарактеризуйте основные виды поляризации.

4. Понятие потенциала для ЭП. Потенциал точечного заряда (вывод).

5. Какова связь между U и E? Понятие однородного поля.

6. Что такое электроёмкость ЭП? Вывод формул С для сферы и для плоского конденсатора.

7. Вывод законов последовательного и параллельного соединения конденсаторов.

8. Понятие электроёмкости биомембраны. От чего она зависит?

9. Почему у биомембран большие электроёмкости? Объясните!

10. Разность потенциалов между наружной и внутренней средой клетки 40мВ. Каков заряд на мембране, если её площадь S=0,001 мм², толщина d=10^-8 мм, а диэлектрическая проницаемость e=10⁴? Определить плотность зарядов на мембране G для данного случая.

11. Какова электроёмкость мембраны, если на частоте 50 Гц её сопротивление составляет R=1000 Ом?

Методические указания по 2-му этапу

"Выполнение работы"

Цель этапа.

1. Практически изучить методы определения электроёмкости конденсаторов и биомембран.

2. Проверить законы последовательного и параллельного соединения конденсаторов.

Для достижения цели необходимо выполнить следующие действия:

1. Ознакомиться с работой эксперимен­тальной установки по определению ёмкостных свойств биотканей, которая включает в себя 2-е модели тканевых мембран с различными (С₁ и С₂) ёмкостными свойствами, источник постоянного напряжения и переключатель П, нагрузочное сопротивление R прибор для регистрации силы тока (миллиамперметр mA).

2. С помощью проводников подключите к установке первую модель биоткани (С₁), поставив переключатель П в левое положение, что соответствует зарядке С₁ до потенциала U. Затем резко переключите П в правое положение и регистрируйте ток каждые 5 секунд по показаниям mA. Постойте график зависимости I=I(t) и для двух различных t₁ и t₂ определите по графику значения I₁ и I₂ (аккуратно выполняйте интерполяцию при построении). Из формулы

C₁=(t₂-t₁)/(Rln(I₁/I₂))

определите значение С₁ не менее 4-х раз, рассчитайте доверительный интервал для С₁.

3. Аналогичные действия произведите для С₂, а затем для параллельного и последовательного соединения С₁ и С₂. Обратите внимание на начальные (стартовые) значения токов для разных С₁ и С₂! Где ток I больше? Если С₁>С₂, то I₁>I₂ или наоборот? Объясните почему. Если С₁ и С₂ соединяются параллельно, то I₃>I₁ и I₂. Какое отношение это имеет к электрическим органам рыб? Проверьте по средним значениям, что при параллельном соединении С_общ=С₁+С₂, а при последовательном 1/С_общ=1/C₁+1/C₂ с учетом погрешности измерений. Сделайте вывод о правильности законов последовательного и параллельного соединения конденсаторов, моделирующих свойства биомембран.

Рис.2.1.1. Принципиальная схема устройства для измерения электроёмкости.