Fizyka układów żywych 1100-FUZ

Układy biologiczne należą do najbardziej złożonych układów występujących w przyrodzie. Ich złożoność sprawia, że często unika się ich matematycznego modelowania lub ogranicza się ich opis do metod statystycznych. Jednak, odpowiednio dobrane, nawet proste modele mogą pomóc wyodrębnić kluczowe mechanizmy, analizować dynamikę układu oraz formułować i weryfikować hipotezy dotyczące procesów biologicznych.

Celem kursu jest pokazanie, że w opisie układów  żywych można i należy wykorzystywać metody rozwijane w matematyce, fizyce, teorii systemów i informatyce. Istotne jest odejście od liniowego sposobu myślenia o procesach zachodzących w organizmach żywych i pokazanie, w jaki sposób można opisywać ich nieoczywiste zachowanie. To ma duże znaczenie dla rozwoju współczesnej biologii i medycyny, w których coraz większą rolę odgrywa systemowe rozumienie mechanizmów procesów biologicznych.

Tryb prowadzenia zajęć i zasady zaliczenia

Zajęcia mają formę wykładu połączonego z elementami warsztatowymi. Ważną częścią zajęć jest dyskusja naukowa, formułowanie pytań, stawianie i analizowanie hipotez oraz wspólne poszukiwanie sposobów rozwiązania problemów. W programie przewidziano również kilka eksperymentów z możliwością udziału studentów. Każdej osobie uczestniczącej w kursie proponuje się wybrać temat lub problem związany z tematyką kursu, zbadać go, i przedstawić wyniki w formie prezentacji, co stanowi podstawę do zaliczenia.

Treść kursu

1. Wstęp
Trudności modelowania układów biologicznych. Możliwości zastosowania metod i pojęć rozwijanych w analizie systemowej, dynamice układów nieliniowych, synergetyce, termodynamice nierównowagowej, teorii katastrof i teorii informacji.

2. Termodynamika układów żywych

Organizmy żywe jako układy otwarte i nierównowagowe. Zasady termodynamiki dla organizmów żywych. Produkcja entropii i równania życia. Twierdzenie Prigogine’a. Homeostaza i podejścia do jej opisu. Modele hibernacji susłów arktycznych.

 3. Kinetyka procesów biologicznych

Podstawy kinetyki chemicznej i analiza dynamiki na płaszczyźnie fazowej. Farmakokinetyka podawania leków. Model krzepnięcia krwi. Doustny test tolerancji glukozy. Oscylatory chemiczne i biologiczne. Model ekologiczny drapieżnik-ofiara (Lotki–Volterry). Zegar jodowy, reakcja Biełousowa–Żabotyńskiego. Oscylacje w procesach biologicznych, np. w reakcji glikolitycznej.

 4. Nieliniowość i samoorganizacja

Model Michaelisa–Mentena jako żródło nieliniowości w procesach biologicznych. Układy regulacji hormonalnej. Morfogeneza -- powstanie pięciu palców.  Struktury Turinga: powstawanie wzorców u zwierząt, m.in. prążkowanego ogona u zwierząt cętkowanych.

5. Procesy elektryczne w organizmach żywych

Przewodnictwo elektryczne w tkankach. Fizyka powstania potencjału błonowego. Model Hodgkina–Huxleya. Bioimpedancja i jej zastosowania medyczne (eksperyment). Elektryczna aktywność serca i EKG.

6. Przekazywanie i kodowanie informacji w organizmie

Przekazywanie informacji w organizmie. Kodowanie informacji w układzie nerwowym. Model neuronu sztucznego i sieci neuronowe. Elementy teorii informacji w analizie danych biologicznych, w tym sekwencji genetycznych.