Předmět Fyzikální biologie (SKS / FBI)

Na serveru studentino.cz naleznete nejrůznější studijní materiály: zápisky z přednášek nebo cvičení, vzorové testy, seminární práce, domácí úkoly a další z předmětu SKS / FBI - Fyzikální biologie, Fakulta rybářství a ochrany vod, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích (JU).

Materiál	Typ	Datum	Počet stažení

Obsah

A. Termodynamika, (20/10).A.1. Základní pojmyStav termodynamické soustavy, vnitřní a vnější stavové parametry, stavové funkce. Makroskopická práce. Adiabatická izolace. Teplo, tepelná kapacita, specifické teplo, latentní teplo, termodynamické koeficienty. Termická a kalorická stavová rovnice, příklady stavových rovnic (ideální plyn, Van der Waalsův plyn, polymer). Vratné a nevratné procesy, definice a příklady.A.2. Mikroskopická východiska makroskopického popisu.Cíle a prostředky mikroskopického popisu stavu. Makroskopická, mezoskopická a mikroskopická úroveň popisu. Boltzmannův vzorec pro entropii. Příklady kombinatorického výpočtu entropie. Souborové středování, stavová suma, fluktuace makroskopických stavových veličin.A.3. Hlavní termodynamické větyPrvní hlavní věta termodynamiky, Hessův zákon. Formulace druhé hlavní věty pro vratné a pro nevratné procesy, Clausiova nerovnost. Carnotův cyklus v P-V diagramu a v T-S diagramu. Termodynamické potenciály (vnitřní energie U, Helmholtzova volná energie F, entalpie H, Gibbsův potenciál G), jejich fyzikální význam a praktické použití. Rozpínání plynu do vakua, Joulův-Thomsonův jev. Směšovací entropie.A.4. Fázové změnyPodmínky rovnováhy a stability. Klasifikace fázových přechodů. Průběh Gibbsova potenciálu G v okolí fázového přechodu. Gibbsovo fázové pravidlo, příklady fázových diagramů jednosložkových a dvousložkových systémů. Fázové přechody v systému biopolymerů (spirála, klubko, globule).A.5. Chemické reakceChemický potenciál, výpočet pro ideální plyn a pro ideální roztok. Chemická rovnováha, afinita, stechiometrické koeficienty. Reakční teplo, zákon působících hmot. Základy chemické kinetiky, rovnovážná konstanta, enzymová kinetika. Oscilace v řetězových enzymových reakcích.A.6. Nerovnovážná termodynamika.Produkce entropie, Prigoginův princip. Lineární relace mezi termodynamickými silami a toky. Vedení tepla, Fourierův zákon. Difúze, Fickův zákon. Membránový transport.B. Pravděpodobnostní modely v biofyzice, (16/8) .B.1. Pravděpodobnost, entropie a informace.Pojem pravděpodobnosti, podmíněná a simultánní pravděpodobnost. Základní typy rozdělení (Bernoulliho, Poissonovo, Gaussovo rozdělení), jejich vlastnosti. Počítačová simulace základních rozdělení. Náhodné proměnné, jejich role v biologii. Informace a její měření, informační entropie. Princip maximální entropie. Dvě náhodné proměnné, nezávislost, korelace.B.2. Stochastické procesy.Markovské řetězce (aplikace: přepis genetické informace). Náhodná procházka (aplikace: konformační statistika polymerů). Počítačová simulace náhodného bloudění. Metropolisův algoritmus, metoda Monte Carlo. Markovské procesy se spojitým časem, Poissonův proces, Pauliho rovnice, stochastické modely růstu a zániku. Renovační procesy, modelování systémů obsluhy.B.3. Teorie difúze.Brownův pohyb, Langevinův a Einsteinův popis. Difúze ve vnějším poli, aktivační procesy, teplotní závislost rychlostních konstant. Absorpční a reflexní hranice. Molekulární motory, Parrondův paradox.B.4. Vybrané aplikace v biologii.Elementární modely ve statistické genetice (Wrightův model). Mutace a selekce. Větvící se procesy (dělení buňek, modely epidemií). Růstové modely v rámci teorie her, evolučně stabilní strategie. Modely substituce bazí v DNA.C. Nelineární jevy v biofyzice, (16/8).C.1. Deterministické dynamické systémy.Popis dynamiky v diskrétním čase a ve spojitém čase, grafická reprezentace evoluce. Orbita, trajektorie, tok, fixní bod, klasifikace druhů rovnováhy, lineární analýza stability stacionárních stavů. Transientní (přechodová) a asymptotická dynamika. Kvalitativní změny dynamiky v závislosti na parametrech (bifurkace, chaos).C.2. Dynamické modely biologických populací.Malthusův model. Logistická (Verhulstova) rovnice. Vliv prostředí na dynamiku populace. Věková struktura populace. Vliv migrace.C.3. Dvou a vícedruhová společenství.C.4. Odezva biologického systému na vnější působení.

Získané způsobilosti

Absolventi kursu získají vědomosti pokrývající základní partie rovnovážné a nerovnovážné termodynamiky. Pochopí důsledky termodynamických zákonů a vlastnosti vratných i nevratných termodynamických procesů z fenomenologického i mikroskopického hlediska. Dále budou uvedeni do pravděpodobnostního popisu přírodních procesů a do stochastického modelování dynamiky biofyzikálních systémů. Nakonec se naučí popisu nelineárních jevů v biofyzice.

Literatura

Wilkinson, D. J. Stochastic Modelling for Systems Biology. London, UK, 2006. ISBN 1-58488-540-8.Maršík, F., Dvořák, I. Biotermodynamika. Academia Praha, 1998. ISBN 80-200-0664-8.Haken, H. Synergetics. An Introduction. Springer Verlag, Berlin, 1978. Kaplan, D., Glass, L. Understanding Nonlinear Dynamics. Springer Verlag, Berlin, 1995. ISBN 0-387-94423-0.

Požadavky

Požadavkem vyučujících je zajištění posluchárny a projektoru s plátnem, dále tabuli a křídy. Po studentech se kromě výše zmíněných znalostí požaduje pravidelná účast na přednáškách a cvičeních, a vyhovující vypracování zápočtového projektu. Dále by studenti měli být schopni přesného, logického myšlení.

Garant

doc. RNDr. Petr Chvosta, CSc.prof. RNDr. Dalibor Štys, CSc.

Vyučující

doc. RNDr. Petr Chvosta, CSc.