ΓΕΩΠΟΝΙΚΟ
ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ
ΤΜΗΜΑ
ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ

Φυσική της Ζωής

Περιεχόμενο Μαθήματος

ΘΕΩΡΙΑ
Ι) Εισαγωγη. Διαφορές και σημεία επαφής μεταξύ Φυσικής και Βιολογίας. Ο ρόλος των Φυσικών Νόμων στις Βιολογικές διεργασίες. Μικρόκοσμος – Μακρόκοσμος. Αναγνώριση των διαφορετικών βαθμών οργάνωσης της ύλης. Αναγωγισμός – Ντετερμινισμός – Τυχαιότητα – Πολυπλοκότητα. Φυσικά Μεγέθη – Μονάδες – Κλίμακες.
ΙΙ) Η Σημασία του μεγέθους στο φαινόμενο της ζωής. Μεταφορά μάζας-Ενέργειας σε θερμοδυναμικά συστήματα Αλλομετρία και κλίμακα μεγέθους. Αλλομετρική συμπεριφορά στον βασικό μεταβολικό ρυθμό. Η Σημασία του μεγέθους στο φαινόμενο της ζωής, Νόμος του τετραγώνου-κύβου. Θερμοδυναμικά συστήματα. Ισορροπία vs σταθερή κατάσταση. Ανταλλαγή μάζας: Διάχυση, Ισοζύγιο ενέργειας (Πλανήτης γη – Άνθρωπος)
ΙΙΙ) Στατιστική θερμοδυναμική. Βασικές υποθέσεις, μικροκαταστάσεις - μακροκαταστάσεις και στατιστική εντροπία. Σύνδεση στατιστικής εντροπίας με θερμοδυναμική εντροπία (κύκλος Carnot, αντιστρεπτές μη-αντιστρεπτές μεταβολές). 2ος Θερμοδυναμικός νόμος και η κατεύθυνση του χρόνου. Στατιστικά βάρη και η επιμεριστική συνάρτηση. Κατανομή ενέργειας. Παραδείγματα – εφαρμογές σε βιολογικά συστήματα.
IV) Στοχαστική δυναμική – Εφαρμογές Στοχαστικές Διαδικασίες. Τυχαίοι Περίπατοι. Στοχαστικές διαδικασίες βημάτων. Βασικές εξισώσεις. Κίνηση Brown. Διάχυση και συνεχείς στοχαστικές διαδικασίες. Διάχυση μέσα σε κύτταρα.
V) Ηλεκτρικές Δυνάμεις και Πεδία Ηλεκτρικό φορτίο και διατήρηση του φορτίου. Νόμος Coulomb. Αγωγοί και Μονωτές. Ηλεκτρικά πεδία. Αρχές της ηλεκτροφόρησης: Μακρομοριακά φορτία σε διάλυμα. Σύγχρονες μέθοδοι ηλεκτροφόρησης.
VI) Ηλεκτρική Ενέργεια και Δυναμικό Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια. Ηλεκτρικό δυναμικό. Ηλεκτρικά δίπολα και κατανομές φορτίου. Χαρτογράφηση του ηλεκτρικού δυναμικού του ανθρώπινου σώματος: Καρδιά, μύες και εγκέφαλος. Ατομικές και μοριακές ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις. Στατικές ηλεκτρικές ιδιότητες στο εσωτερικό της ύλης.
VII) Διηλεκτρικά, Πυκνωτές και Μεμβράνες. Ηλεκτρικό Ρεύμα και Ηλεκτρικά Μεμβρανικά ρεύματα Πυκνωτές και μεμβράνες. Μεμβρανικά κανάλια μέρος Ι. Ηλεκτρικό ρεύμα και αντίσταση. Εφαρμογές του νόμου του Ohm και ηλεκτρικές μετρήσεις. Ηλεκτρικά μεμβρανικά ρεύματα. Επισκόπηση της δομής και λειτουργίας των νεύρων: Τεχνικές μέτρησεις. Ηλεκτρικές ιδιότητες των νευρώνων. Μεμβρανικά κανάλια μέρος ΙΙ.
VIII) Μαγνητικά Πεδία - Ηλεκτρομαγνητική Επαγωγή και Ακτινοβολία Μαγνητικά πεδία και δυνάμεις. Ροπή και δύναμη σε ένα μαγνητικό δίπολο. Το πείραμα Stern-Gerlach και το σπιν των ηλεκτρονίων. Μαγνητικές ιδιότητες υλικών. Δημιουργώντας μαγνητικά πεδία. Μαγνητική ροπή του πυρήνα και Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός. Ο νόμος του Ampere. Το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής και ο νόμος του Faraday. Οι εξισώσεις του Maxwell – Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολια.
IX) Κβαντομηχανική Επισκόπηση της κβαντικής θεωρίας. Βασικές αρχές της κβαντομηχανικής. Πως επηρεάζεται η ζωή από τα κβαντικά φαινόμενα;
ΑΣΚΗΣΕΙΣ / ΕΡΓΑΣΙΕΣ
1. Αλλομετρικές Εξισώσεις 2. Ενεργειακά Ισοζύγια 3. Στατιστική Φυσική 4. Διάχυση 5. Ηλεκτρικές δυνάμεις και πεδία 6. Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια και δυναμικό 7. Ηλεκτρικό ρεύμα, Πυκνωτές, Μεμβράνες
ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ:
1. Κίνηση Brown-Διάχυση 2. Ηλεκτρικά φορτία και πεδία 3. Πολικότητα μορίων 4. Salting out - Διαμοριακές Αλληλεπιδράσεις 5. Πυκνωτές 6. Μεμβρανικό Δυναμικό (Εξίσωση Nernst-Goldman) - Διάδοση ηλεκτρικού σήματος στους νευρώνες 7. Οπτικές Λαβίδες

Μαθησιακά Αποτελέσματα

Είναι ένα εισαγωγικό διεπιστημονικό μάθημα που προσφέρει μια επισκόπηση της Φυσικής της Ζωής που  πραγματεύεται μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις του 21ου αιώνα: τη συνάντηση της Φυσικής με τη Βιολογία. Στόχος του μαθήματος είναι η εμβάθυνση των σπουδαστών/τριων στους θεμελιώδεις νόμους της Φυσικής και πως αυτοί ερμηνεύουν αλλά και θέτουν περιορισμούς στην εξέλιξη των βιολογικών φαινομένων.

Η ύλη του μαθήματος προσφέρει στους σπουδαστές μια επισκόπηση σε βασικές έννοιες της Φυσικής που σχετίζονται με την Βιολογία που εκτείνονται από τις ιδιότητες των πρωτεϊνών και τις διαδικασίες στο κύτταρο. Εξετάζει επίσης γενικά ζητήματα κοινού ενδιαφέροντος, όπως ο αναγωγισμός, ο ντετερμινισμός, η τυχαιότητα και η λεπτή ισορροπία μεταξύ τάξης και διαταραχής, όπου η Φυσική άποψη συχνά παρερμηνεύεται. Υπάρχουν περιγραφικά τμήματα που επαρκούν για την κατανόηση γενικών ιδεών και τμήματα που εξετάζονται πιο αναλυτικά για τη βαθύτερη κατανόηση ιδεών που εκφράζονται με όρους μαθηματικών εξισώσεων.
Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος ο/η φοιτητής/τρια
(1) θα έχει εμβαθύνει σε έννοιες της Φυσικής που είναι απαραίτητο υπόβαθρο στη μελέτη βιολογικών φαινομένων.
(2) θα είναι σε θέση να χρησιμοποιεί απλά μαθηματικά μοντέλα για την έκφραση Φυσικών Νόμων αλλά και να διακρίνει τον αφαιρετικό χαρακτήρα των μοντέλων της Φυσικής από τα πολυπλοκότερα βιολογικά συστήματα
(3) Θα μπορεί να εφαρμόζει με προσοχή τους Φυσικούς Νόμους σε βιολογικά συστήματα, αντιλαμβανόμενος/η την χρηστικότητα αλλά και τις δυνατότητες τους εφαρμογής τους σε τέτοια συστήματα πολυπλοκότητας.
(4) θα έχει αντιληφθεί τους περιορισμούς που θέτουν οι Νόμοι της Φυσικής στην εξέλιξη των βιολογικών φαινομένων και θα έχει εντρυφήσει σε έννοιες όπως η Επιμεροκρατία, ο Αναγωγισμός, ο ντετερμινισμός και η τυχαιοκρατία.
(5) θα έχει εισαχθεί σε ένα διεπιστημονικό πεδίο μεγάλου ενδιαφέροντος και προοπτικής για τη συνέχεια των προπτυχιακών και μεταπτυχιακών σπουδών του/ης αλλά και για την έρευνα-ανάπτυξη καινοτόμων βιοτεχνολογικών εφαρμογών.

Βιβλιογραφία

1. Βασικές Αρχές Φυσικής στις Επιστήμες Υγείας, Freedman Roger A., Ruskell Todd G., Kesten Philip R., Tauck David L., Εκδ. Broken Hill (κωδικός στον Εύδοξο: 86053205)
2. Φυσική για τις Επιστήμες Ζωής, Newman Jay, Εκδ. Δίαυλος (κωδικός στον Εύδοξο: 32997839)
3. Biological Physics: Energy, Information, Life; Philip Nelson; ed. W. H. Freeman
4. Physical Biology of the Cell, R. Phillips, J. Kondev and J. Theriot (Garland Sci., New York, 2009)
5. Τι είναι ζωή; (Πνεύμα και ύλη – Αυτοβιογραφικά Σακριφήματα) SCHRODINGER ERWIN

NEWSLETTER

Η Βιοτεχνολογία αποτελεί ένα ραγδαία αναπτυσσόμενο σύνθετο επιστημονικό κλάδο ο οποίος στοχεύει στην αξιοποίηση της εντυπωσιακής προόδου που έχει πραγματοποιηθεί στις Βιολογικές και συναφείς επιστήμες, με σκοπό την ανάπτυξη νέων και προηγμένων προϊόντων και υπηρεσιών
linkedin facebook pinterest youtube rss twitter instagram facebook-blank rss-blank linkedin-blank pinterest youtube twitter instagram Μετάβαση στο περιεχόμενο