Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный гуманитарный университет имени М. А. Шолохова" УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой биологии и биотехнологии (название кафедры) Минькова Н.О. (ФИО) Решение заседания кафедры Протокол № __ «___» ___________20__г. Рабочая программа дисциплины (модуля) «Биофизика» (название дисциплины (модуля) Направление: _020400__________/Биология (шифр) (название) Профиль: _________________ Квалификация: прикладной бакалавр Кафедра: биологии и биотехнологии Форма обучения: заочная Курс обучения: 2 Семестр обучения: IV Составители: Терентьева М. А., ст. преподаватель кафедры биологии и биотехнологии (ФИО, должность, степень, звание) Москва 2014 I. Пояснительная записка Программа курса «Биофизика» составлена в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования. 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. Рассматриваемые в биофизике физические и физико-химические законы лежат 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. Биофизика опирается на основные закономерности, преподаваемые в составе блока естественнонаучных дисциплин: математику и информатику. В процессе изучения биофизики затрагиваются вопросы, смежные с курсами физики, химии биохимии, микробиологии, физиологии. Биофизика устанавливает взаимосвязи физического и биологического аспектов в функционировании живых систем, а также физико-химических механизмов разнообразных биологических процессов. Знание биофизики необходимы как предшествующее для освоения курсов молекулярной биологии, биотехнологии, генетики, физиологии человека и животных, микробиологии, физиологии растений. Цели и задачи модуля: Дать студентам базовую систему знаний о физических принципах, механизмах и моделях функционирования биологических систем на молекулярном, клеточном и организменном уровне, практические навыки, необходимые для применения физических законов к решению биологических задач при проведении эксперимента, представления о возможности применения биофизических методов исследования микро- и макросостояния биологических объектов. Научить понимать взаимосвязь знаний биофизики с другим комплексом естественнонаучных дисциплин. Сформировать компетенции у студентов мировоззрения современного биолога , Научить ориентироваться в учебной литературе при самостоятельной подготовке к занятиям и анализа полученных в ходе эксперимента результатов. или основных теоретических положений биофизики как самостоятельной науки, приобретение знаний о физико-химических процессах и механизмах, которые лежат в основе жизнедеятельности биологических объектов. Научить знания биофизики для объяснения важнейших жизненных п обобщать и делать выводы в итоге поставленного эксперимента, освоить роцессов, протекающих в живых организмах. Использовать биофизические закономерности и методы исследований в экспериментальной биологии. . Задачи: 1. Сформировать системные представления о физике биологических структур на основе знаний смежных естественнонаучных дисциплин (физика, математика, биохимия и физиология); 2. Изучить основные понятия, гипотезы, теории и законы биофизики; 3. Рассмотреть закономерности физической организации живой материи на разных уровнях, начиная от молекулярного и заканчивая биосферным; 4. Дать представление об основных объектах и методах исследования (как теоретических, так и практических) молекулярной биофизики, биофизики клетки и биофизики сложных систем; 5. Научить студентов грамотному восприятию практических проблем, связанных с биофизикой в целом; Групповая принадлежность ОМ: профессиональный ОМ 2. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине (модулю) Дисциплина (модуль) направлена на формирование следующих компетенций (с шифрами из стандарта и КМВ): -принципы структурной и функциональной организации биологических объектов и механизмов гомеостатической регуляции; применяет основные физиологические методы анализа и оценки состояния живых систем (ПК-3); - ПКБиоБ -М03 (ПК-4) знание принципов клеточной организации биологических объектов, биофизических и биохимических основ, мембранных процессов и молекулярных механизмов жизнедеятельности ; - ПКБиоБ -Н01 (ПК-15) Способен эксплуатировать современную аппаратуру и оборудование для выполнения научно-исследовательских полевых и лабораторных биологических работ; -базовые представления об основных закономерностях и современных достижениях генетики, о геномике, протеомике (ПК-6). Отбор материала основан на принципе системности. Системообразующим при этом является показ возможностей химии для описания окружающего мира. Понятия и законы, используемые в курсе, отбираются таким образом, чтобы наиболее ярко показать возможности физики. Содержание курса, направлено на формирование научного мировоззрения: оно показывает роль химии и химических процессов для описания многих явлений и процессов, способствуя созданию правильной и единой картины мира. Дисциплина изучается на лекционных и практических занятиях, а также в процессе самостоятельной работы студентов. Форма итогового контроля - экзамен. Программа включает тематику лекций, семинарских занятий, вопросы к зачету и список рекомендуемой литературы. Формы контрольных и учебных заданий: (в соответствии с групповой и кластерной принадлежностью дисциплины): 1 уровень сложности: учебные задания с заранее известным перечнем вопросов или заданий, нацеленных на проверку знаний и умений действовать по алгоритмам, имитационные упражнения; 2 уровень сложности: учебные задания с заранее объявленными темами, задачи на структурирование проблемы, составление рекомендаций; они нацелены на проверку сложившихся навыков действия и выбор решения в условиях достаточной информации. 3 уровень сложности: учебные задания повышенной сложности, требующие навыков самостоятельной работы с научными источниками, творческой инициативы и принятия ответственного решения в ситуации неопределенности; это составление аналитического отчета, разработка эссе, проекта, деловая игра. 3. Место дисциплины (модуля) в структуре ОПОП 3.1 Необходимым условием обучения по данной дисциплине (модулю) является успешное освоение следующих дисциплин (модулей): 1. «Химические основы жизни». 3.2 Данная дисциплина (модуль) является базой для изучения следующих модулей: 1. «Современные проблемы химии» 2. «Компьютерные технологии в науке и образовании» 3. «Биология с основами экологии». 4. Объем дисциплины (модуля) 4.1Количество зачетных единиц по дисциплине: 2 зачётные единицы. 4.2 Объем дисциплины (модуля) по видам учебных занятий (по каждой форме обучения отдельная таблица) Форма обучения: __Заочная____ Факультет / институт (направлен ие) Название дисциплины (модуля) Вид учебных занятий Количество часов 1. Контактная работа с преподавателем: Лекции (в том числе обзорные) 4 Практические/семинарские 16 Лабораторные Консультации групповые1 Факультет Курсовые работы экологии и Индивидуальная работа с преподавателем2 естественны х наук (Биология) Биофизика Итоговый контроль: Зачет3 + Экзамен Итоговый экзамен4 Защита выпускной квалифицированной работы Общий объем контактной работы с преподавателем 20 2 Самостоятельная работа 52 Общий объем часов по дисциплине 72 Консультации: - перед промежуточным экзаменом (2 часа на поток); - перед итоговым экзаменом ( 2 часа на поток) 2 Консультирование выпускных квалифицированных работ: - для бакалавриата – 12 часов - для магистратуры – 22 часа - для специалитета – 17 часов 3 - диф. зачет - 0.25 часа - зачет – 0.2 часа 4 В соответствии с Положением о порядке планирования и учета работы ППС МГГУ им. М.А. Шолохова 1 5. Тематический план дисциплины (модуля) (по каждой форме обучения отдельная таблица) Форма обучения: заочная Наименование разделом дисциплин (молулей) Содержание раздела по темам Введение в биофизику Тема 1. История биофизики. Биофизика сложных систем. Тема 2. Особенности кинематики биологических процессов и описание их динамики. Математические модели и динамические модели биосистем. Стационарные состояния биологических систем. Качественные методы исследования динамических моделей биологических процессов. Лекции Прак Л/Р Сам/Раб Всего /сем 2 часов 10 Структура биофизики как науки. Особенности биофизических методов. Предмет и задачи биофизики. Методологические вопросы биофизики. 2 4 10 4 12 Тема 3. Термодинамика биологических процессов. Термодинамика биологических систем. Основные понятия термодинамики. Первый и второй законы термодинамики. Второй закон термодинамики открытых систем. Соотношение между значениями движущих сил и скоростей процессов. Термодинамические критерии движения и устойчивости стационарных состояний. Термодинамика нелинейных кинетических систем. Энтропия, информация и биологическая устойчивость. Термодинамика систем вблизи равновесия. Механизмы саморегуляции систем. Биофизика мембранных процессов Тема 4. Процессы в мембранах клеток. Мембранные белки их классификации. Углеводы мембран. Факторы стабилизации макромолекул, надмолекулярных структур биомембран. Мембраны и их структурная организация. Особенности структуры живых клеток. Явление поляризации. Механизмы пассивного транспорта через мембраны. Механизмы стабилизации мембран. Тема 5. Биологическая биофизика. Специфика первичных механизмов действия различных видов излучения на молекулы. биологические действия ионизирующих излучений. Биофизика фотобиологичес ких процессов. Тема 6. Классификация и стадии Экологическая биофизика Тема 8. Концепция биофизики экосистем. Динамика экобиосистем. Функциональные блоки экосистем. Энергия и ее физика в экосистеме. Биоразнообразие экосистемы. Классификация изменений экосистем. Биоритмика и циклические изменения экосистем. Природная и антропогенная эволюция экосистем. Биофизические факторы среды. Биоритмика и циклические изменения экосистем. Природная и антропогенная эволюция экосистем. Тема 9. Экологическая устойчивость и равновесия экосистем. Биофизические методы исследований и контроля в экологии. 4 10 4 10 фотобиологических процессов. Классификация и стадии фотобиологических процессов. Фотобиологические процессы. Природа света и его физические характеристики. Понятие кванта. Орбитальная структура атомов и молекул и энергетические уровни Механизмы фотоингибирования. Фоторегуляторные и фотодеструктивные процессы. Фотореактивные центры. Тема 7 Квантовая биофизика. Закон поглощения света Бугера – Ламберта – Бера Люминесценция (флуоресценция и фосфоресценция), ее механизмы, законы и методы исследования. Фотореакционные центры. Механизмы фотоингибирования. Принцип экологического оптимума. Адаптационная биофизика. Эктотермные и эндотермные организмы. Принцип индивидуальности экологических видов. Средства контроля окружающей среды. Дистанционные методы контроля. Биофизические средства контроля. Физикохимические средства контроля окружающей среды. Всего 4 16 52 72 6.Организация самостоятельной работы студентов по дисциплине (модулю) (по каждой форме обучения отдельная таблица) Форма обучения: _заочная_____ Наименование разделов дисциплины (модуля) Введение в биофизику Биофизика сложных систем Биофизика мембранных процессов Биофизика фотобиологических процессов. Экологическая биофизика Учебно – методическое обеспечение самостоятельной работы студентов Основная и дополнительная литература, Источники Интернет, эссе, конспект Источники Интернет (статьи, размещенные в РИНЦ), работа с электронными учебниками, таблицы, тесты. Основная и дополнительная литература, Источники Интернет, презентации Работа с электронными учебниками, таблицы, тесты. Изучение научной литературы Основная и дополнительная литература, Источники Интернет, эссе, конспект, доклады, тесты 7.Фонд оценочных средств для проведения текущей и промежуточной аттестации студентов по дисциплине (модулю) Текущая и промежуточная аттестация по дисциплине проводится в формате тестирования, примерные задания тестов: 1. В каком веке впервые применили физические методы и идеи к изучению организма? А) 12 Б) 14 В) 15 Г) 18 Д)17 2. С чьим именем связано развитие физиологической акустике и оптики в биофизике? А) Л. Гальвани Б) Г. Гельмгольц В) П. Лазарев. Г) верных нет Д) Ю. Бернштейн. 3. Чего не изучает биофизика? А) Структуру и свойства биополимеров. Б) Превращение энергии в биологических системах В) Физические и физико-химические свойства организмов Г) нет верных Д) Влияние различных физических факторов на живые системы 4. Биологические системы можно считать? А) закрытой Б) изолированной В) открытой Г) полуоткрытой Д) верных нет 5. Какова функция витаминов? А) Являются сигнальными и регуляторными веществами Б) Необходимы организму как катализаторы важнейших биохимических реакций и присутствуют в малых количествах В) Ферментативная функция. Г) Входят в состав скелетообразующих веществ Д) Источники моно- и дисахаридов, которые используются в клетках при дыхании. 6. Какие типы соединений относят к прагматическим частицам, имеющим важное биологическое значение? А) Свободные радикалы и металлы Б) Неметаллы и свободные радикалы В) Свободные радикалы Г) Верных нет Д) Свободные радикалы и металлы переменной валентности. 7. Из чего в основном построены биополимеры? А) Азот Б) углерод В) водород Г) кислород Д) верные все 8. Какие процессы могут протекать самопроизвольно в изолированной системе? А) Процессы, при которых энтропия уменьшается Б) Только процессы, при которых энтропия остается постоянной. В)Процессы, при которых энтропия либо постоянна, либо увеличивается. Г) Процессы, при которых энтропия или увеличивается или уменьшается. Д) верного нет. 9. Процессы близки к обратимым если их КПД А) 20% Б) 35% В) 40% Г) 98% Д) верного нет. 10. На сколько типов можно разделить все виды взаимодействий между атомами независимо от их физической природы? А) 2 Б) 3 В) 4 Г)5 Д) нет верного 8 Литература по дисциплине (модулю) Список рекомендуемой литературы Основная: 1. Биологическая химия / Под ред. Ковалевской Н.И. (4-е изд., перераб. и доп.) учебник. 2013.-320с. 2. Физическая химия / Под ред. Ипполитова Е.Г. (1-е изд.) учебник.- 2005.-438с. Дополнительная: 1.А.Б. Рубин Биофизика. В 2 т. Изд. 3-е. Учебник. М.: Изд. Моск. ун-та; «Наука». 2004. – 448 с. 2.А.Б. Рубин. Лекции по биофизике. Учеб. пособие. М., 1994. 160 с. 3.Ю.А. Владимиров, А.Я. Потапенко. Физико-химические основы фотобиологических процессов. М.: Дрофа, 2006. – 285 с. 4. Антонов В.Ф.: Физика и биофизика. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010 5. Динамические модели процессов в клетках и субклеточных наноструктурах.//под общ. ред.: Г.Ю. Ризниченко, А.Б. Рубина: Ижевск: Ижевский институт компьютерных исследований, 2010 6. Ремизов А.Н.: Медицинская и биологическая физика. - М.: Дрофа, 2010 7. Ремизов А.Н.: Сборник задач по медицинской и биологической физике. - М.: Дрофа, 2010 8. Соболев В.А.: Редукция моделей и критические явления в макрокинетике. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010 9.Узденский А.Б.: Клеточно-молекулярные механизмы фотодинамической терапии. - СПб.: Наука, 2010 10. Шимановский Н.Л.: Молекулярная и нанофармакология. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010 11. Векшин Н.Л.: Флуоресцентная спектроскопия биополимеров. Пущино: Фотон-век, 2008 12. Волькенштейн М.В.: Биофизика. - СПб.: Лань, 2008 13. Присный А.А.: Биофизика. - Белгород: БелГУ, 2008 14. Под ред. Ю.А. Ершова ; Рец. Н.Е. Кузьменко: Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. - М.: Высшая школа, 2007 9. Информационно – телекоммуникационные ресурсы 1. Электронный учебник по экологии [электронный ресурс] URL: http://batrachos.com/help-books-ecology (дата обращения 1.09.14) 2. Электронный учебник Рубин А.В. Биофизика 1999г[электронный ресурс] URL: http://www.library.biophys.msu.ru/rubin/http://www.library.biophys.msu.ru/rubin/ (дата обращения 1.09.14) 3. Электронный учебник Физика и биофизика. Курс лекций для студентов медицинских вузов, Антонов В.Ф., Коржуев А.В., 2004год., скачать бесплатно. В пособии представлены лекции по курсу физики для студентов. [электронный ресурс] URL: http://medulka.ru/biofizika/fizika-i-biofizika-kurslekciy-dlya-studentov-medicinskih-vuzov (дата обращения 1.09.14) 4. Электронная книга Биофизика. Учебник, Ревин В.В., Максимов Г.В., Кольс О.Р., Рубин А.Б., 2002год., скачать электронную книгу. В учебнике изложены современные представления о биофизике клетки. [электронный ресурс] URL: http://medulka.ru/biofizika/biofizika-uchebnik (дата обращения 1.09.14) 5. Электронный ресурс Физико-химические основы патологии клетки. Курс лекций URL: http://medulka.ru/biofizika/fiziko-himicheskie-osnovy-patologiikletki-kurs-lekciy (дата обращения 1.09.14) 6.Лекция. Термодинамика биологических систем. [электронный ресурс] URL: http://www.all-fizika.com/article/index.php?id_article=1975 (дата обращения 1.09.14) 7. Электронный биофизический практикум. [электронный ресурс] URL URL: http://nemtseva.professorjournal.ru/21 (дата обращения 1.09.14) 8. Канал Youtoube. Запись лекции С. Шноля «История биофизики.» Лекция 1[электронный ресурс] URL http://www.youtube.com/watch?v=fpbHEctnXWI(дата обращения 1.09.14) 10.Методические указания для студентов по усвоению дисциплины (модуля) 10.1 Методические рекомендации по работе во время аудиторных занятий. В ходе лекционных занятий необходимо осуществлять конспектирование учебного материала, предлагаемого преподавателем. Обращать особенное внимание на термины и формулировки определений, раскрывающие содержание тех или иных явлений и процессов. По ходу лекции выделять научные выводы (из приведенных научных данных), практические рекомендации, а также различные примеры, которые приводит преподаватель. Желательно оставить в рабочих конспектах поля, на которых делать ссылки на рекомендованную литературу, дополняющую материал лекции, а также обозначающие особую важность тех или иных теоретических положений. После лекции желательно задавать преподавателю уточняющие вопросы с целью уяснения теоретических положений или разрешения спорных ситуаций. После лекционного занятия необходимо доработать свой конспект лекции, делая в нем соответствующие записи из литературы, рекомендованной преподавателем и предусмотренной учебной программой. 10.2 Методические рекомендации по подготовке к практическим и семинарским занятиям. В ходе подготовки к семинарам необходимо изучить основную литературу, ознакомиться с дополнительной литературой и новыми статьями, размещенными в научных электронных библиотеках. При этом учесть рекомендации преподавателя и требования учебной программы. Подготовить тезисы для выступлений по всем учебным вопросам, выносимым на семинар. Готовясь к докладу или реферативному сообщению, рекомендовано обращаться за методической помощью к преподавателю. После того, как выступление будет подготовлено необходимо составить план-конспект своего выступления, который впоследствии использовать во время доклада или обсуждения. Продумать примеры с целью обеспечения тесной связи изученной теории с реальной жизнью. На семинаре каждый его участник должен быть готовым к выступлению по всем поставленным в плане вопросам, проявлять максимальную активность при их рассмотрении. 11. Информационные технологии, используемые при осуществлении образовательного процесса по дисциплине (модулю) В ходе обучения предполагается широкое использование мультимедийных средств, в том числе использование сайта https://www.wiziq.com (для организации вебинаров) в помощь студентам во время самостоятельной работы . 1. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля) Для проведения аудиторных занятий (лекционных и практических) необходимы аудитории, оснащенные средствами мультимедиа: компьютер, проектор, интерактивная доска, доступ в Интернет. Для проведения некоторых практических занятий необходим компьютерный класс, с компьютерами, имеющими доступ в Интернет. Также необходимо наличие мультимедийного проектора, иллюстративных материалов ( плакаты и макеты). 13.Тематика курсовых проектов / работ (при наличии) Курсовые проекты/работы по дисциплине не предусмотрены. 14. Примерный перечень вопросов к зачету. 1. Понятие биофизика. Предмет и объект биофизики. 2. Методы биофизики. 3. История биофизики. 4. Основы механики: кинематика и динамика поступательного движения. 5. Механическая энергия. Закон сохранения энергии. 6. Физические основы гемодинамики. Гидродинамика идеальной жидкости. 7. Гидродинамика вязкой жидкости 8. Физические свойства крови. 9. Гемодинамика – раздел биофизики, изучающий физические явления, лежащие в основе движения крови. 10. Реальные и идеальные жидкости. 11. Пульсовая волна. Перераспределение энергии в эластичных стенках кровеносных сосудов и значение этого явления для кровообращения. 12. Методы измерения давления крови: непосредственный и Рива-РоччиКороткова. 13. Предмет термодинамики. Три типа термодинамических систем: открытые, закрытые изолированные. 14. Открытые термодинамические системы и их отличие от закрытых и изолированных систем. 15. Термодинамические параметры. Равновесное и неравновесное состояние термодинамической системы. 16. Внутренняя энергия системы как сумма потенциальной и кинетической энергий взаимодействия ее частиц. 17. Открытие первого начала термодинамики Ю.Майером. 18. Экспериментальное доказательство первого начала термодинамики в биологии. 19. Превращение энергии в живом организме. Теплопродукция. 20. Физические основы терморегуляции организма. Виды теплообмена. 21. Конвекция, излучение, потоотделение, теплопроводность как виды теплообмена организма. 22. Первичная и вторичная теплоты. Удельная теплопродукция и механизмы теплового равновесия организма. 23. Уравнение энергетического баланса живого организма. 24. Второе начало термодинамики в биологии. Стационарное состояние в живых организмах. 25. Гидродинамическая модель стационарного состояния. 26. Энтропия. Ее изменение в изолированных и закрытых термодинамических системах. 27. Изменение энтропии в открытых термодинамических системах. Второе начало термодинамики для открытых термодинамических систем. 28. Изменение энтропии в биологических объектах. Изменение энтропии в биополимерах. 29. Понятие о биологических мембранах. Функции биомембран и их молекулярная структура. 30. Физические свойства биологических мембран: толщина, диэлектрическая проницаемость, электроемкость и электросопротивление. 31. Эквивалентная электрическая схема биологической мембраны. 32. Поры и каналы в мембранах. Селективные мембраны. Механизмы селективности. 33. Транспорт веществ через биологические мембраны. Пассивный транспорт (осмос, диффузия, облегченная диффузия) и его механизмы. 34. Механизмы пассивного мембранного транспорта. 35. Биопотенциалы и механизмы их формирования. 36. Измерения биопотенциалов. Методы электрографии: электрография, электромиография, 37.Электроэнцефалография, электроретинография, кожно-гальваническая реакция. 38. Сердце как электрический диполь. Теория Эйтховена. Физические основы кардиографии. 39. Биологическое действие электростатического поля и применение его в физиотерапии (метод франклинизации). 40. Электрический ток в электролитах. Электролитическая поляризация. ЭДС поляризации. 41.Закон Ома при прохождении тока через электролит. 42. Эквивалентные электрические схемы биологических тканей. 43. Прохождение переменного тока через живые ткани. 44.Геомагнитное поле и его влияние на биосферу. 45. Высокочастотное электромагнитное поле и физический механизм его действия на живой организм. 46. Двойственный характер природы света. 47. Поглощение света атомами и молекулами. Схема энергетических уровней Яблонского. 48. Поглощение света. Закон Бугера-Ламберта-Бера. 49. Понятие о фотобиологических реакциях. Реакции фотодимеризации. 50. Понятие о фотобиологических реакциях. Фотосинтез. 51. Понятие о фотореакциях. Образование смога. 52. Ультрафиолетовое излучение, его свойства. 53. Основы механизма действия ультрафиолетового света на живые организмы. 54. Инфракрасное излучение и его свойства. 55. Физический механизм бактерицидного действия ультрафиолетового излучения. 56. Использование люминесценции для определения концентрации биологически активных веществ. 57. Биохемилюминесценция. 58. Биофизический механизм цветного зрения.