КАФЕДРА ФИЗИКИ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(государственный университет)»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
_______________О.А.Горшков
«____»______________ 2014 г.
ФАКУЛЬТЕТ БИОЛОГИЧЕСКОЙ И МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКИ
КАФЕДРА ФИЗИКИ ЖИВЫХ СИСТЕМ
ПРОГРАММА
вступительных испытаний поступающих на обучение по программам
подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре
по специальной дисциплине
НАПРАВЛЕНИЕ ПОДГОТОВКИ: 06.06.01 БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
НАПРАВЛЕННОСТЬ (ПРОФИЛЬ): 03.01.02 БИОФИЗИКА
Форма проведения вступительных испытаний.
Вступительные экзамены проводятся в устной форме. Для подготовски ответов
поступающий использует экзаменационные листы.
ЗАВ.КАФЕДРОЙ
(подпись)
“
“
2014 года.
М.Ш. Хубутия
(фамилия)
Общая биофизика.
1. Термодинамика неравновесных систем. Функция диссипации. Стационарное состояние
линейной системы. Процессы, удаленные от равновесия. Энтропия и её связь с информацией.
2. Строение клеточной мембраны. Термодинамика пассивного и активного мембранного
транспорта. Термодинамическая модель натриевого насоса. Модельные теории ионного
транспорта. Уравнение Нернста. Доннановское равновесие.
3. Структура биологических мембран. Мембранный потенциал. Конформационные свойства
мембран.
4. Общее представление о возбудимых средах. Аксон и проведение нервного импульса.
Миелинизированные и немиелинизированные волокна. Перехват Ранвье и сальтаторное
проведение импульса. Теория Ходжкина и Хаксли. Синаптическая передача.
5. Структура мышцы и мышечных белков. Актомиозтновые мостики. Скользящая модель мышцы
Хаксли. Мышечное сокращение; уравнение Хилла. Инициация мышечного сокращения.
Кинетические свойства мышц.
6. Биологическое окисление. Строение и свойства митохондрий. Термодинамика окислительного
фосфорилирования. Цитохром С, его основные изоформы и функции.
7. Фотосинтез. Хлорофилл и хлоропласты. Физические и ферментативные процессы фотосинтеза.
8. Основы кинетики нелинейных процессов. Фазовые портреты нелинейных систем; особые
точки. Автокаталитические химические системы. Периодические химические реакции.
9. Модели Лотка и Вольтерра.
Кровь.
1. Состав крови. Физические свойства крови. Осмотическое и коллоидно-осмотическое давление
крови. Буферные системы крови. Уравнение Гендерсона-Гессельбаха.
2. Плазма крови: состав и вязкость. Белки плазмы (альбумины и глобулины) и их функция.
3. Форменные элементы крови. Показатель гематокрита. Группы крови. Свертываемость крови
(реакция агглютинации). Фибриноген. Тромбоциты и их функция.
4. Эритроциты: физические свойства и функция. Гемоглобин. Осмотический
гемолиз.
Содержание гемоглобина. Анемии, виды анемий.
5. Холестерол и липидный спектр плазмы крови. Липопротеиды высокой и низкой плотности.
Сосудистая система.
1. Строение системы кровообращения. Ветвящиеся системы. Принципы оптимальности в
организации ветвящихся систем. Распределение Ципфа для ветвящихся систем.
2. Строение сосудистой стенки. Классификация сосудов. Особенности топологической
организации системы гладких мышц в медиальном слое сосудов разного калибра.
3. Физические законы движения крови. Закон Пуазейля. Скорость и напряжение сдвига.
4. Артериальное давление. Распределение напряжений в нагруженной сосудистой стенке. Закон
Лапласа.
5. Распределение кровотока между различными органами.
6. Местные механизмы регуляции кровообращения. Миогенная реакция Бейлисса. Ауторегуляция
органного кровотока.
7. Роль эндотелия в регуляции органного кровотока. Механочувствительность эндотелия.
Эндотелиальный гликокаликс.
8. Метаболическая теория рабочей гиперемии. Выраженность рабочей гиперемии в различных
органах.
9. Обмен жидкости в капиллярах: гипотеза Старлинга.
10. Роль венозного отдела сосудистой системы. Влияние венозной недостаточности на
функционирование сердечно-сосудистой системы. Венозный возврат крови к сердцу и механизмы,
его обеспечивающие.
11. Центральная регуляция артериального давления. Барорецепторы синокаротидных и
кардиоаортальной зон. Сосудодвигательный центр.
12. Роль гуморальных факторов в регуляции кровообращения.
13. Изменения, происходящие в сосудистой системе при оборонительной реакции.
Адренорецепторы в системе сосудистых гладких мышц.
14. Атеросклероз: этиология и патогенез. Влияние атеросклеротических изменений сосудистой
стенки на функционирование и регуляцию системы кровообращения.
15. Особенности кровообращения в малом круге.
16. Математическое моделирование сосудистой системы. Модели с сосредоточенными и
распределенными параметрами. Гидравлический импеданс сосудистой сети.
Сердце.
1. Строение и функция сердца. Проводящая система сердца. Внешняя работа, производимая
левым и правым желудочками.
2. Нарушения функционирования проводящей системы. Ревербераторы. Реакция БелоусоваЖаботинского.
3. Сердечный цикл. Длительность различных фаз сердечного цикла.
4. Статическая и динамическая модели сердца.
5. Активные свойства сердца: сократимость, возбудимость, проводимость, рефрактерность.
6. Регуляция насосной функции сердца. Гетерометрическая регуляция. Закон Франка-Старлинга.
Фракция выброса.
7. Нервная (симпатическая и парасимпатическая) регуляция сердца.
8. Сопряжение моделей сердца с моделями сосудистой сети.
Дыхание.
1. Внешнее дыхание. Функция легких. Трахеобронхиальное дерево. Анатомическое мертвое
пространство (уравнение Бора).
2. Дыхательные движения. Дыхательные объемы. Глубина и частота дыханий.
3. Газообмен в легких. Легочные шунты. Неоднородность отношения перфузии и вентиляции в
различных отделах легких. Роль сурфактанта в стабилизации размера альвеол.
4. Дыхательная функция крови. Эффект Бора и его физиологическое значение. Карбоангидраза.
5. Гипоксические состояния, их классификация и компенсаторные механизмы.
6. Регуляция дыхания. Рефлекс Геринга-Брейера. Дыхательный центр. Роль СО2. Опыт
Фридериксона.
Энергетический обмен и терморегуляция.
1. Энергетическая ценность пищи. Белки, жиры и углеводы, как источники энергии.
Энергетический и пластический обмен.
2. Ассимиляция и диссимиляция. Роль витаминов в обменных процессах.
3. Основной обмен. Методы измерения основного обмена. Дыхательный коэффициент. Индекс
массы тела.
4. Тепловой баланс организма. Пути теплоотдачи. Закон Рубнера. Значение кожного кровотока в
процессе теплоотдачи.
5. Система терморегуляции. Терморецепторы. Терморегуляция и мышечная работа. Центральные
механизмы регуляции внутренней температуры.
Система выделения.
1. Функция почек. Структура нефрона. Корковые и юкстамедуллярные нефроны. Роль почек в
поддержании жидкостного гомеостаза.
2. Клубочковая фильтрация. Канальцевая реабсорбция и секреция. Понятие о клиренсе.
3. Поворотно-противоточный механизм. Концентрация мочи.
4. Регуляция осмотического давления крови. Кислотно-щелочное равновесие. Удаление почками
продуктов белкового метаболизма.
5. Гуморальная регуляция функции почек. Осморецепторы, АДГ.
6. Ренин-ангиотензинная система. Роль почек в регуляции артериального давления.
7. Влияние альдостерона на электролитный состав плазмы крови.
Пищеварение.
1. Анатомия желудочно-кишечного тракта.
2. Пищеварение в ротовой полости. Слюнные железы. Регуляция слюноотделения. Альфа амилаза
и всасывание в ротовой полости.
3. Пищеварение в желудке. Фазы желудочного пищеварения. Состав желудочного сока.
Стимуляторы и ингибиторы желудочной секреции. Моторика пищевода и желудка.
4. Пищеварение в двенадцатиперстной кишке. Экзокринная функция поджелудочной железы.
Панкреатические ферменты. Желчная секреция.
5. Нервная и гуморальная регуляция пищеварения в желудке и двенадцатиперстной кишке.
6. Основные функции печени. Организация кровотока в желудочно-кишечном тракте.
7. Пристенное пищеварение. Всасывание в тонком кишечнике.
Введение в эндокринологию.
1. Эндокринные железы. Классификация гормонов. Паракринное действие физиологически
активных веществ. Автокоиды.
2. Рилизинг-факторы гипоталамуса и гормоны гипофиза (тропные и эффекторные). Механизм
обратной связи.
3. Функция щитовидной железы. Тиреоидные гормоны (тироксин и трийодтиронин). Гипотиреоз
и гипертиреоз. Влияние тиреоидных гормонов на физическое, психическое, половое и
интеллектуальное развитие организма. Кальцитонин и его роль в составе костной ткани и
концентрации кальция в плазме крови.
4. Эндокринная функция поджелудочной железы. Островковый аппарат поджелудочной железы.
Инсулин и глюкагон. Сахарный диабет. Типы сахарного диабета. Влияние повышенного
содержания глюкозы в крови на функционирование сосудистой системы.
5. Паращитовидные железы, их функция. Взаимодействие паратгормона и кальцитонина.
6. Гормоны коры надпочечников: кортизол, кортикостерон, альдостерон. Роль глюкокортикоидов
в углеводном обмене и минералкортикоидов в поддержании электролитного баланса.
Пермиссивное действие глюкокортикоидов.
7. Катехоламины - гормоны мозгового вещества надпочечников – адреналин и норадреналин.
Связь мозгового вещества надпочечников с вегетативной (симпатической) нервной системой.
8. Половые железы и роль половых гормонов в формировании первичных и вторичных половых
признаков, половом поведении и репродуктивной способности организма. Андрогены, эстрогены и
их связь с концентрацией в плазме пролактина. Анаболическая функция андрогенов и эндотелийпротективное действие эстрогенов. Про- и антиатерогенное действие половых гормонов.
Нервная система.
1. Общие принципы строения нервной системы. Нервные системы беспозвоночных: нервная
система типа сети, цепочечная нервная система. Нервная система позвоночных: головной и
спинной мозг, спиномозговые и черепномозговые нервы.
2. Нервная система человека. Размеры и масса мозга, количество клеток. Нервные и глиальные
клетки. Белое и серое вещество.
3. Нейрон. Общие сведения об его структуре и функциях. Составные части нейрона: сома, аксон,
дендриты, пресинаптическое окончание. Типы нейронов.
4. Синаптическая передача. Химические и электрические синапсы. Механизм работы
химического синапса. Медиаторы.
5. Потенциал покоя, локальный ответ, ВПСП и ТПСП. Потенциал действия. Кинетика ионных
токов во время возбуждения.
6. Распространение потенциала действия. Измерение скорости проведения. Механизм
проведения, факторы, определяющие скорость проведения.
7. Миелинизированные и немиелизированные нервные волокна. Сальтационное проведение в
миелинизированных волокнах.
8. Скелетная мышца. Общее строение скелетной мышцы. Мышечные волокна. Структура
саркомера.
9. Нервно-мышечный синапс, механизм электромеханического сопряжения. Т-система,
саркоплазматический ретикулум.
10. Молекулярные механизмы мышечного сокращения. Основные сократительные белки – актин и
миозин. Теория скользящих нитей. Кальциевая регуляция сокращения поперечно-полосатой
мышцы, тропонин и тропомиозин. Другие типы регуляции мышечного сокращения.
11. Феноменология мышечного сокращения. Последовательная упругая компонента. Зависимость
силы от длины и силы от скорости. Уравнение Хилла. Мышцы с параллельным и перистым ходом
волокон.
12. Понятие о двигательной единице. Быстрые и медленные мышечные волокна. Управление силой
мышцы путем повышения частоты работающих ДЕ и рекрутирования новых ДЕ. Принцип размера
Хеннемана.
13. Потенциалы
двигательных
единиц,
суммарный
электрический
сигнал
мышцы.
Электромиография.
14. Физиология спинного мозга. Классификации нервных волокон позвоночных животных по
Эрлангеру-Гассеру (групы A-, , , , B и C) и по Ллойду (I II III IV).
15. Серое вещество спинного мозга. Передние и задние рога. Закон Белла-Мажанди. Нейроны
спинного мозга: альфа и гамма-мотонейроны, интернейроны.
16. Общие принципы рефлекторной деятельности спинного мозга. Понятие о рефлекторной дуге.
Компоненты рефлекторной дуги. Время реакции. Центральные генераторы паттернов.
17. Рецептивное поле. Иррадиация возбуждения. Окклюзия, Пространственная и временная
суммация. Принцип общего конечного пути (Шеррингтоновская воронка).
18. Рецепторы мышечных веретен. Роль афферентов мышечных веретен в управлении
движениями.
19. Продолговатый мозг. Его анатомическое строение и связи. Черепно-мозговые нервы, связанные
с продолговатым мозгом.
20. Дыхательный центр и его структура.
21. Ретикулярная формация продолговатого мозга.
22. Центральная организация восприятия собственного тела. Схема тела.
23. Роль структур среднего мозга в управлении тонусом. Децеребрационная ригидность.
24. Вестибулярный аппарат.
25. Промежуточный мозг. Функции таламуса и гипоталамуса. Центральная регуляция: гипоталамус
– основной центр регуляции внутренней среды.
26. Зрение. Оптическая система глаза. Строение сетчатки. Палочки и колбочки. Цветовое зрение
27. Зрительные пути, переработка зрительной информации в коре.
28. Слух. Строение среднего и внутреннего уха. Восприятие звука.
29. Передний мозг. Базальные ганглии. Кора больших полушарий. Строение коры, проекционные и
ассоциативные зоны.
30. Понятие о соматотопическом предствительстве.
31. Электроэнцефалограмма, вызванные потенциалы, методы анализа ЭЭГ.
32. Структура сна. ЭЭГ-исследования сна: медленноволновая и быстроволновая стадии.
Биореология.
1. Тензор напряжений, тензор малых деформаций. Основные законы механики сплошных сред.
Законы сохранения массы и импульса для многокомпонентных и многофазных сплошных сред.
2. Общий вид реологического уравнения для жидкостей, давление и тензор сдвиговых напряжений.
Ньютоновская жидкость, коэффициенты вязкости. Ротационный и капиллярный вискозиметры.
3. Вязкопластические свойства крови. Уравнение Кессона, его ограничения. Временные эффекты,
тиксотропия. Эффект Фареуса-Линдквиста.
4. Общие реологические свойства мягких тканей. Временные эффекты: релаксация напряжений,
ползучесть, гистерезис. Анизотропия, общий вид энергии деформации для линейно-упругого
тела.
5. Реологические диаграммы. Тело Гука, Фойхта, Максвелла, Кельвина. Модули Юнга, объемного
сжатия, сдвига; коэффициент Пуассона.
6. Примеры реологических свойств: коллаген и эластин, кость, сухожилие, хрящ, мышца, кожа,
легочная ткань; коэффициенты реологического уравнения тела Кельвина для этих тканей.
Механика дыхания.
1. Модели симметричного дихотомического ветвления и несимметричного ветвления
дыхательных путей. Размеры дыхательных путей, скорости потоков, числа Рейнольдса и
Уомерслея.
2. Конвективный и диффузионный массоперенос в дыхательных путях, 3 зоны дыхательных
путей.
3. Картина потоков при движении воздуха в воздухоносных путях. Уравнение неразрывности и
уравнение сохранения импульса для сжимаемого газа.
4. Статика системы дыхания: эластическое сопротивление легких, грудной клетки, легких в
грудной клетке. Нелинейность кривой объем-давление и действие силы тяжести на распределение
напряжений, деформаций, вентиляции.
5. Гистерезис легких. Поверхностное натяжение, сурфактант легких. Роль сурфактанта и сотовой
структуры легочной ткани в обеспечении стабильности альвеол.
6. Динамика системы дыхания: давления, потоки, объемы. Методы измерения дыхательного
потока. Сопротивление дыхательных путей.
7. Механика легких, рассматриваемых как сплошная среда. Акустические свойства легких.
8. Форсированный выдох, ограничение потока при форсированном выдохе.
9. Метод плетизмографии всего тела, его применение для измерения ФОЕ и сопротивления
дыхательных путей.
10. Измерение сопротивления дыхательных путей методами вынужденных колебаний и
прерывания потока. Механический импеданс дыхательного тракта. Метод импульсной
осциллометрии.
11. Конвективно-диффузионное уравнение. Дисперсия Тейлора.
12. Уравнения стационарного идеального газообмена. Особенности газообмена у птиц и рыб.
Противоточные системы.
Механика кровообращения.
1. Давление и кровоток в артериях. Действие гравитации. Модель упругого резервуара
2. Трехмерные уравнения (неразрывности и импульса – Навье-Стокса). Число Рейнольдса, число
Уомерслея. Уравнения для линейного, невязкого варианта.
3. Распространение пульсовой волны. Вывод формулы Моэнса-Кортевега. Нелинейные эффекты.
4. Кровоток в спадающихся сосудах. Примеры: спадение сосудов в легких и легочное
кровообращение, кровоток в венах.
5. Метод измерения давления крови по звукам Короткова, аналогия с ударной волной в газе.
6. Механика стационарного потока в спадающихся сосудах. Запирание потока. Зависимость
потока от давлений в общем виде.
Оптические свойства биологических тканей.
1. Слаборассеивающие и сильнорассеивающие ткани. Уравнение транспорта фотонов в среде с
рассеиванием и поглощением. Диффузионная модель.
2. Спектры поглощения оксигемоглобина и дезоксигемоглобина. Зависимость поглощения света в
ткани от объема крови и насыщения крови кислородом. Пульсоксиметры.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Р.С. Орлов, А.Д. Ноздрачев Нормальная физиология. М., ГЭОТАР-Медиа, 2005.
2. Физиология человека (под редакцией Р.Шмидта и Г.Тевса). М., Мир, 1986, 1998.
3. И.Герман Физика организма человека. М., «Интеллект», 2010
4. А.М. Мелькумянц, С.А.Балашов Механочувствительность артериального эндотелия. М., 2005.
5. К.Каро, Т. Шротер, Р. Педли, У.Сид. Механика кровообращения. М., Мир, 1980.
6. Каро К., Т. Педли, 3. Шротер, У. Сид. Механика кровообращения // М., Мир, 1981,624 с.
7. Уэст Дж. Физиология дыхания. Основы. // М., Мир, 1988, 200 с.
8. Бегун П.И., Шукейло Ю.А. Биомеханика: Учебник для вузов. – СПб.: Политехника, 2000 – 463
с.
9. Парашин В.Б., Иткин Г.П. Биомеханика кровообращения // М.: МГТУ, 2005.
10. Регирер С.А. Лекции по биологической механике // М., МГУ, 1980, 144 с.
11. Шмидт-Ниельсен. Физиология животных. Приспособление и среда // Т. 1, 2. М., Мир, 1982, 800
с.
12. И. Герман. Физика орrанизма человека. // Перевод с английского под редакцией А.М.
Мелькумянца и С.В. Ревенко, Долгопрудный: Интеллект, 2011, 994 с.
13. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. // Саратов, Изд.
Саратовского университета, 1998, 383 с.
14. M. Abdolrazaghi, • M. Navidbakhsh, Kamran Hassani Mathematical Modelling and Electrical Analog
Equivalent of the Human Cardiovascular System // Cardiovasc Eng (2010) 10:45–51,
15. U. Bitzén, L. Niklason, I. Göransson, B. Jonson Measurement and mathematical modelling of elastic
and resistive lung mechanical properties studied at sinusoidal expiratory flow // Clin Physiol Funct
Imaging (2010) 30, pp439–446
16. L. Waite, J. Fine. Applied biofluid mechanics New York et al: The McGraw-Hill Companies, 2007,
314 p.
17. L. Cheng, O. Ivanova, H.-H. Fan, M.Khoo An integrative model of respiratory and cardiovascular
control in sleep-disordered breathing // Respiratory Physiology & Neurobiology, 174 (2010) p 4–28.