Министерство образования российской федерации

сургутский государственный университет

В. М. Еськов, в. А. Папшев, в.А. Цейтлин биофизика

Учебное пособие для студентов заочной и очной формы обучения биологических и медицинских факультетов университетов к лабораторно-практическим занятиям

(часть 1)

Сургут, 2002 г.

УДК 376.5

ББК 74.212

Е 873

Е 873 Еськов В.М., Папшев В.А., Цейтлин В.А. Биофизика: Учебное пособие.

Книга предназначена для студентов биологических и медицинских факультетов университетов, изучающих курс биофизики с использованием лабораторно-практических занятий. Содержит основные разделы биофизики сложных систем и молекулярной биофизики. Может быть использована как учебное пособие для учителей школ при разработке элективных курсов биологии и физики в двенадцатилетней школе.

Рецензенты: д.п.н., профессор З.Ф. Мазур

д.б.н., профессор В.И. Попченко

 Еськов В.М., Папшев В.А., Цейтлин В.А., 2002

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.1

БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ.

Моделирование динамики роста и развития организма человека – пример обратных связей в природе Цель работы:

1. Обучающийся должен знать: процессы ассимиляции и диссимиляции в клетке, примеры таких процессов в природе, вид уравнений, описывающих лимитирование процессов роста и развития, программы на ЭВМ, реализующие решения этих уравнений.

2. Обучающийся должен уметь: записать уравнение лимитирования развития популяции и динамики изменения массы отдельной сферической клетки и организма человека в целом, составить модель на ЭВМ и проанализировать получаемые результаты, уметь масштабировать графики, представляющие динамику процессов.

Практическое значение работы:

Практически все процессы в живой природе имеют лимитирующие факторы (возбуждение в нейронных сетях, численность популяций и т.д.). Каковы механизмы такого лимитирования, что такое отрицательная и положительная связь, каковы основные закономерности динамики таких процессов. Ответы на эти вопросы находятся в данной работе. Этот формализованный подход должен знать каждый биолог и медик, независимо от профиля будущей специальности, ибо это общие законы живой природы, а конкретные механизмы отрицательных обратных связей – это объект изучения исследователей в области медицины и биологии.

Оборудование: ЭВМ с принтером, карандаши, бумага

Бюджет времени: выполнение практической работы - 2 часа, самоподготовка- 2 часа, лекция- 2 часа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зотин А.И. Количественные теории роста.// Количественные аспекты роста.- М.: Наука, 1975.- С.267- 272.

2. Зотина Р.С., Зотин А.И. Объединенные уравнения роста.// Журнал общей биологии.- 1973.- Т. 34, №4.- С. 606- 616.

3. Рубин А.Б. Биофизика.- М.: Высшая школа.- 1987.

4. Еськов В.М., Филатова О.Е., Рачковская В.А. Лекции по экологии.- Сургут, 2000.

5. Ханин М.А. и др. Экстремальные принципы в биологии и физиологии. М.: Наука, 1978.- С.128- 146.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО I ЭТАПУ

“САМОПОДГОТОВКА”

Цель этапа: 1. Повторить исходную информацию, необходимую для понимания изучаемой темы.

2. Проверить качество усвоения новой информации перед выполнением работы.

I. Исходный уровень знаний.

Для изучения темы необходимо повторить понятие лимитирования в биосистемах, основные закономерности роста и развития организмов в онто- и филогенезе, понятие математических моделей процессов, происходящих в развивающихся биологических системах.

II. Изучив блок информации и учебную литературу, обучаемый должен ответить на следующие вопросы и решить задачи:

1. Приведите пример ассимиляции в клетке (химическая реакция).

2. Приведите пример процесса диссимиляции (глюкозы, АТФ).

3. Опишите количественно процессы ассимиляции и диссимиляции веществ и объясните уравнение изменения массы клетки.

4. Приведите примеры лимитирования в природе (например, в экологии).

5. Поясните программу расчета динамики популяции с лимитированием.

6. Как осуществляется масштабирование графиков в этой работе?

7. Исходный организм (яйцо) имел размеры R= 3 см (сфера). После деления клеток при той же массе (= 1,1 г/см³) средний размер клеток стал R= 0,01 мм. На сколько увеличилась поверхностная энергия такого организма после деления клеток, если = 7310³ Н/м.

Методические указания по II этапу:

“Выполнение работы”

1. Наберите представленную программу на ЭВМ. Задайте следующие начальные условия: Z0= 25 (допустимая ошибка модели); d2= 0.0001 (начальное приближение параметра лимитирования); S=20- 50 (масштаб ось у, растяжка графика на экране); DT=0.01 (масштаб времени, ось х); K=20000 (параметр цикла).

2. Определите для себя значения параметров Н0,…,НМ, с помощью программы HEIGH1.BAS идентифицируйте параметры А и В модели динамики собственного роста. Пронаблюдайте процесс построения графиков последовательного приближения, итоговый график срисуйте в тетрадь. Убедитесь в возможностях масштабирования по осям X и Y вашего графика.

Методические указания по III этапу:

“Получение зачета по лабораторной работе”.

До получения зачета по работе обучаемый должен изучить все методические указания, ответить на вопросы и решить задачи из раздела “Самоподготовка”.

После выполнения второго этапа необходимо оформить протокол работы и подписать его у преподавателя, а затем приступить к оформлению отчета в тетради.

Лабораторная работа считается зачтенной после сдачи преподавателю отчета по теоретическому и практическому разделам работы. Особое внимание следует обратить на теоретическое объяснение результатов исследований.