Реферат: Биофизика. (шпаргалка к экзамену)

1.

Биофизика как наука. Предмет, задачи иобъект исследования биофизики. Философские проблемы биофизики.

Б. – Это наука онаиболее фундаментальных законах, лежащих в основе биологических процессов.Общая Биофизика: кинетика и термодинамика ЖС. Частная Биофизика.

Предмет Б. – Живыесистемы.

Объект Б. – Живаяприрода в сравнении с неживой природой.

1.

Высокаяупорядоченность живых систем: дискретность и целостность; многоуровневаяорганизация.

2.

Способностьк самовоспроизведению.

3.

Способностьк развитию в направлении усложнения организации.

4.

Феноменинформации.

5.

Феноменцелесообразности.

Философская проблема:О возможности сведения всех законов к законам физики.

1.

Редукционизм.Все законы ЖС можно свести к законам физики.

2.

Антиредукционизм,Витализм. Законы ЖС принципиально не сводятся к физическим.

3.

Дополнительность.В основе лежат физические законы, но существуют процессы и явления пока необъяснимые с точки зрения физики и химии.

2.

Химические реакции, как модель кинетическихзакономерностей. Кинетическая классификация химических реакций. Особенностикинетики биологических процессов. Примеры кинетических моделей биологическихпроцессов.

1.

Реакциипервого порядка.

2.

Реакциивторого порядка.

3.

Цепочкареакций.

4.

Разветвлениецепи.

5.

Реакцияс обратной связью.

Особенности кинетикиБС:

1.

ВБС в качестве переменных выступают не только концентрации, но и любые другиевеличины.

2.

Переменныеизменяются не только во времени, но и в пространстве. Скорость определяется нетолько константами реакции, но и диффузионными процессами.

3.

БСпространственно неоднородны. Условия в разных частях системы могут отличаться.

4.

БСмультистационарны. Может быть несколько устойчивых режимов функционирования.

5.

Процессыв БС нелинейны. Феномен усиления и колебательные процессы.

6.

Кинетическиемодели БС крайне сложные. Моделирование требует большого числа упрощений.

Кинетические моделиБС:

1.

РядФибоначчи.

2.

МодельМальтуса. Экспоненциальный рост. <img src="/cache/referats/20957/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1036">

3.

Модельроста популяции в избытке пит. веществ.

4.

МодельФерхюльста. Рост популяции, ограниченный ресурсами.

5.

МодельЛотки и Вольтерра. Модель «Хищник-Жертва».

3.

Понятие стационарного состояния в кинетикебиологических процессов. Устойчивость стационарного состояния. Критерийустойчивости. Оценка устойчивости системы, описываемой одним дифференциальнымуравнением.

СС – это состояниесистемы в котором переменные не изменяются.

Устойчивость ССхарактеризуется поведением системы при отклонении от СС.

Нахождение критерияустойчивости для системы с одним дифференциальным уравнением.

Раскладываем функциюв ряд Тейлора:

4.

Кинетические модели, описываемые двумядифференциальными уравнениями. Фазовая плоскость, фазовые траектории, изоклины,особые точки. Оценка устойчивости системы. Типы особых точек и иххарактеристика.

В общем виде, системаописывается так:

Фазовая траектория –это траектория движения изображающей точки в фазовой плоскости (x:y) во времени.

Изоклины – это линиив фазовой плоскости, во всех точках которых направления касательных кинтегральным кривым будут одинаковы.

Анализ устойчивостистационарного состояния:

Типы особых точек:

1.

λ1и λ2 – действительные числа.

a.

Одинаковыйзнак <0 – устойчивый узел

b.

Одинаковыйзнак >0 – неустойчивый узел

c.

Разныйзнак – неустойчивая особая точка типа «седло»

2.

λ1 иλ2 – комплексно сопряжённые числа. (Re±Im)

a.

Re<0 – Устойчивыйфокус

b.

Re>0 – Неустойчивыйфокус

c.

Re=0 – Особаяточка «центр»

5.

Химическая реакция с обратной связью.Построение простейшей математической модели. Определение координат особыхточек, их типа и степени устойчивости.

6.

Модель «Хищник – Жертва».Определение координат особых точек, их типа и степени устойчивости.

Решения являютсякомплексно сопряжёнными числами,

Re=0, особая точка типа«центр», периодические колебания переменных системы.

7.

Мультистационарность. Понятие обиологических триггерах. Способы переключения в триггерных системах. Понятие обифуркациях.

Мультистационарныесистемы – это системы, имеющие несколько стационарных состояний.

В фазовом портретесистемы могут существовать множества точек, к которым притягивается или откоторых отталкивается изображающая точка при t→∞ илиt→-∞. Такие множества называются предельные множества.

Предельные множестваподразделяются на Аттракторы и Репеллеры. Предельное множество в виде замкнутойкривой – предельный цикл.

Триггерные системы –это мультистационарные системы, способные переходить из одного стационарногосостояния в другое.

Переключение втриггерных системах может происходить двумя способами:

1.

Силовой,специфический.

Переход системы изобласти действия одного аттрактора в область действия другого за счёт действиявнешних сил на переменные системы.

2.

Параметрический,неспецифический.

Параметры системыизменяются таким образом, что в фазовом портрете системы остаётся только однаособая точка, в которую эта система и переходит.

Процесс измененияфазового портрета системы, количества предельных множеств и их устойчивости –бифуркация. Значения параметров системы, при которых она меняет своё поведениеназывают критическими точками или точками бифуркации.

1.

Мягкиебифуркации.

2.

Кризисыи катастрофы.

Бифуркация,приводящая к появлению предельного цикла – Бифуркация Андронова-Хопфа.

8.

Автоколебательные процессы в биологическихсистемах. Их свойства и условия возникновения.

1.

Автоколебательныепроцессы устанавливаются за счёт явлений внутри системы.

2.

Амплитудаавтоколебаний зависит только от свойств самой системы.

3.

АКпроцессы возможны только вдали от ТД равновесия.

4.

ПричинойАК процессов является наличие большого числа взаимодействующих элементов иобратных связей между ними.

5.

АКпроцессы всегда устойчивы, отклонения всегда затухают.

6.

Вфазовом портрете системы АК процессу соответствует предельное множество –предельный цикл.

Предельный цикл – этоизолированная замкнутая кривая на фазовой плоскости, к которой стремятся всеинтегральные кривые. В этом случае система функционирует в стационарном режимес определённой амплитудой. Бифуркация, приводящая к появлению предельного цикла– Бифуркация Андронова-Хопфа.

9.

Кинетика ферментативных реакций.Принципиальная схема ферментативной реакции. Математическое моделированиеферментативной реакции. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Ингибированиеферментативных процессов.

Общая схемаферментативной реакции:

Так как p+s=const иe+(

es)=e0

При избытке субстратасистема быстро достигает стационарного состояния при котором (

es)=const.При этом d(es)=0. Методом квазистационарных состояний можнонайти

Константа Михаэлисаравна отношению суммы констант распада комплекса к константе образованиякомплекса. Численно равна концентрации субстрата при которой половина молекулфермента связана в фермент-субстратный комплекс. Скорость реакции максимальна,когда все молекулы фермента связаны в фермент-субстратный комплекс.

Ферментативныепроцессы являются регулируемыми.

1.

Конкурентноеингибирование – сродство с активным центром.

2.

Неконкурентноеингибирование – аллостерическое.

3.

Антиконкурентноеингибирование – ингибитор соединяется с (es)комплексом.

4.

Смешанноеингибирование – по активному и аллостерическому центру.

5.

Ингибированиеизбытком субстрата.

10.

Динамический хаос. Его характеристика.Динамический хаос и самоорганизующиесясистемы. Значение динамического хаоса для самоорганизующихся систем.

Динамический хаос –явление в теории динамических систем, при котором поведение нелинейной системывыглядит случайным и является непредсказуемым на больших временах. Причинойпоявления хаоса является неустойчивость по отношению к начальным условиям ипараметрам: малое изменение начального условия со временем приводит к скольугодно большим изменениям динамики системы.

Тип аттрактора,соответствующий состоянию динамического хаоса – странный аттрактор.

Динамический хаосможет протекать в системе в качестве перехода к самоорганизации, а можетпротекать в уже организованной системе. Динамический хаос представляет собоймножественные бифуркации. Хаотическое поведение системы приводит к образованиюфрактальных диссипативных структур.

11.

Первый и второй законы термодинамики. Ихформулировка и физический смысл. Обратимые и необратимые процессы.

Первый законтермодинамики выражает закон сохранения энергии в общем виде.

Изменение внутреннейэнергии системы может происходить за счёт обмена теплоты, за счёт работы и засчёт обмена веществом, в случае открытой системы.

Работа в общем видепредставлена выражением

F

– движущая сила. dx – изменение параметра.

Fdl

– механическая работа

pdV

– работа расширения газа

UdQ

– электрическая работа

μdν –химическая работа

Второй законтермодинамики был сформулирован Клаузиусом. Невозможно построить двигатель, который работал бы по полному циклуКарно и превращал всю теплоту в работу. Теплота не может самопроизвольнопереходить от холодного тела к нагретому.

В реальных тепловыхдвигателях

Часть теплотыподводимой от нагревателя расходуется на увеличение молекулярного движения, температурырабочего тела. Клаузиус также ввёл понятие энтропии, как функции состояния,приращение которой равно теплоте, подведённой к системе в обратимомизотермическом процессе, делённой на абсолютную температуру, при которойпроисходит этот процесс.

Энтропияизолированной системы может только возрастать.

Необратимые процессы,после протекания которых систему и среду нельзя вернуть в прежнее состояниеодновременно. Необратимые процессы приводят систему к состоянию ТД равновесия.

Обратимые процессы,после протекания которых и систему, и среду можно вернуть в исходное состояние.

12.

Понятие термодинамического равновесия.Равновесные и неравновесные системы. Критерии эволюции системы к состоянию термодинамического равновесия.

ТД равновесие – этоустойчивое состояние системы, при котором интенсивные параметры одинаковы вовсех частях системы. К равновесному состоянию приходит изолированная система поистечении достаточно большого промежутка времени.

Равновесная система –Интенсивные переменные в разных частях системы одинаковы. Движущие силыотсутствуют. Если такая система изолирована, то она может находиться всостоянии равновесия неограниченно долго.

Неравновесная система– Интенсивные переменные в разных частях системы различаются. Если такаясистема изолирована, то она необратимо эволюционирует к состоянию ТДравновесия. В ней возникают движущие силы, влекущие систему к состоянию ТДравновесия.

Критерии эволюциисистемы к ТД равновесию:

1.

Максимальнаяэнтропия. При U и V = const.

В точке ТД равновесияэнтропия максимальна.

2.

МинимальнаяU. При S, V =const.

При приближении ксостоянию ТД равновесия, внутренняя энергия системы уменьшается.

3.

Минимальнаясвободная энергия.

·

ЭнергияГельмгольца. T, V=const.

·

ЭнергияГиббса. T, p=const.

·

Энтальпия

13.

Принципы экстремумов в термодинамике. Ихсущность и значение.

Принцип экстремумовзаключается в том, что в системах самопроизвольные процессы всегда стремятся кминимуму внутренней энергии и максимуму энтропии, поэтому можно предсказатьэволюцию системы, найдя экстремальные значения переменных с минимальнойвнутренней энергией. Зная зависимость внутренней энергии от переменной системыможно найти значение этой переменной, соответствующее минимальной энергии, аследовательно, состоянию термодинамического равновесия или стационарномусостоянию, в случае ограничений, наложенных на систему.

Критерии эволюциисистемы к ТД равновесию:

1.

Максимальнаяэнтропия. При U и V = const.

В точке ТД равновесияэнтропия максимальна.

2.

МинимальнаяU. При S, V =const.

При приближении ксостоянию ТД равновесия, внутренняя энергия системы уменьшается.

3.

Минимальнаясвободная энергия.

·

·

·

Энтальпия

Минимальное значениесвободной энергии сводится к максимальному значению энтропии.

14.

Энтропия. Её физический смысл с позицийтермодинамики и молекулярной физики. Связь энтропии и информации.

Энтропия – этофункция состояния системы, приращение которой равно теплоте, подведённой ксистеме в обратимом изотермическом процессе, делённой на абсолютную температурупри которой происходит этот процесс.

Больцман ввёл понятиеэнтропии, как величины, пропорциональной логарифму вероятности нахождениясистемы в конкретном макросостоянии.

P

– это то число микросостояний, которыми может быть реализовано данноемакросостояние.

K

– Постоянная Больцмана 1,38х10-23 Дж/К.

Необратимые процессы,ведущие систему к увеличению энтропии, ведут систему к максимальному числумикросостояний, к ТД хаосу, равновесию.

В состоянии ТД равновесия,при максимальной энтропии, информационная структура системы нулевая. Энтропия иинформация связаны, как обратные величины: уменьшение энтропии системы связанос увеличением информации этой системы.

15.

Изменение энтропии в открытых системах.Определение скорости продукции энтропии в открытых системах.

В открытых системахскорость продуцирования энтропии складывается из скорости продуцированияэнтропии за счёт внутренних необратимых процессов и за счёт обмена энтропией свнешней средой.

Изменение внутреннейэнергии в открытой системе складывается из изменения теплоты, работы и обменавеществом с внешней средой.

Приведя выражение кизменению энтропии, получаем:

Изменение энтропиискладывается из обмена с внешней средой энергией, работой и веществом.

В самопроизвольнойхимической реакции изменение энтропии за счёт внутренних необратимых процессовсвязано только с изменением количества реагирующих веществ.

Для химическойреакции

x+y=2z

A – химическоесродство. Является движущей силой химической реакции. Реакция идёт до тех пор,пока A>0.

Таким образом, воткрытых системах общее изменение энтропии равно:

16.

Понятие термодинамического равновесия.Общие свойства систем вблизи термодинамического равновесия.

1.

Интенсивныепеременные в разных точках системы различаются не резко.

2.

ТДсилы и скорости процессов невелики, скорости линейно зависят от движущих сил.Выполняется соотношение Онзагера.

3.

Скоростьпродуцирования энтропии пропорциональна произведению скоростей процессов надвижущие силы.

4.

Всестационарные состояния являются устойчивыми.

5.

Аттракторамимогут являться ТД равновесие и любое стационарное состояние.

6.

Флуктуации,приводящие к отклонению от аттракторов, затухают.

7.

ВблизиТД равновесия невозможна временная и пространственная упорядоченность.

17.

Сравнительная характеристикастационарного состояния и термодинамического равновесия. Критерии эволюциисистемы к стационарному состоянию. Теорема Пригожина.

В стационарномсостоянии свободная энергия и работоспособность системы постоянны, а в состоянииТД равновесия они минимальны.

В СС энтропияпостоянна, а в ТД равновесии она максимальна.

В СС существуютградиенты переменных и могут протекать ТД процессы, а в состоянии ТД равновесияградиенты и процессы отсутствуют.

Если на системуналожены ограничения, препятствующие её переходу в состояние ТД равновесия, онапереходит в СС.

т. Пригожина

Пусть в системеимеется два потока: J1≠0 и J2=0, тогдадиссипативная функция:

Будем считатьфиксированной силу X1=

const.

Если система близка ксостоянию ТД равновесия, выполняется соотношение Онзагера

L12=L21 и

В стационарномсостоянии, близком к равновесию, продукция энтропии минимальна. ТеоремаПригожина представляет собой критерий эволюции системы к стационарномусостоянию и показывает, что вблизи ТД равновесия невозможны колебательныепроцессы.

18.

Термодинамический подход к анализусопряжённых процессов. Связь между потоками, движущими силами и скоростьюпродуцирования энтропии при сопряжении. Соотношение Онзагера. Биологическиепримеры сопряжённых процессов.

В околоравновесныхсистемах скорость продуцирования энтропии пропорциональна движущим силам.

В сопряжённыхпроцессах потоки зависят от обобщённых движущих сил.

Процесс

iсопряжён с процессами j.

Рассмотрим двасопряжённых процесса:

Диссипативная функциядля сопряжённых процессов:

Вблизи равновесия посоотношению Онзагера:

В условияхсопряжения, диссипативная функция отдельных потоков может быть отрицательной,но при этом, диссипативная функция всей системы будет больше нуля. Если одинпоток отрицателен, то диссипативная функция сопряжённых потоков должнавыполнять условие:

Таким образом,сопряжение процессов позволяет прохождению в системе процессов, невозможных взамкнутой системе.

Наиболее типичнымисопряжениями процессов в БС являются процессы сопряжения гидролиза АТФ сэндэргоническими процессами, что позволяет этим процессам протекать. Безсопряжения эти процессы были бы невозможны.

19.

Скорость продуцирования энтропии вблизистационарного состояния системы. Теорема Пригожина.

При неизменныхвнешних условиях в СС, близком к ТД равновесию, скорость прироста энтропии засчёт внутренних необратимых процессов достигает отличного от нуля минимальногоположительного значения.

т. Пригожина

Пусть в системеимеется два потока: J1≠0 и J2=0, тогдадиссипативная функция:

Будем считатьфиксированной силу X1=

const.

Если система близка ксостоянию ТД равновесия, выполняется соотношение Онзагера

20.

Общие свойства систем вдали оттермодинамического равновесия.

1.

Интенсивныепеременные в разных точках системы резко о

еще рефераты

Еще работы по биологии

Реферат по биологии