Методические указания составлены в соответствии с учебным планом и программой по дисциплине «Прикладная и инженерная биофизика»

Модель хищник-жертва, она же модель Лотки-Вольтерра, описывается двумя дифференциальными уравнениями. dX/dt = e1 * X – g1 * Y * X dY/dt = g2 * Y * X – e2 * Y где X – жертва; Y – хищник; e1 – коэффициент размножения жертвы; Y * X – вероятность встречи хищника и жертвы, пропорциональная их численностям на данной территории; g1 – коэффициент изъятия жертв хищником при встрече (далеко не каждая встреча хищника и жертвы заканчивается фатально для жертвы, поскольку жертва может убежать, хищник может быть сытым или ослабленным); g2 – прирост численности хищников за счёт поедания жертв; e2 – естественная смертность хищников. Для анализа поведения системы слушателям предлагается программа. Инструкция написана непосредственно в программе. Программа работает в пошаговом режиме. Это позволяет отслеживать численность жертв и хищников, и, при необходимости, вмешиваться в процесс (например, снизить численность хищников). Ход работы: 1. Следуя инструкциям, написанном на листе, отследить динамику жертв и хищников при разных наборах коэффициентов. Коэффициент dt – не менять! 2. Сделать вывод о характере поведения системы, в которой есть один вид хищника и один вид жертвы. Модель конкуренции рассмотрим на основе модели хищник-жертва. В данном случае существует два вида хищников с разными наборами коэффициентов, которые охотятся на один вид жертв. Система уравнений выглядит так (для разнообразия использованы другие обозначения коэффициентов). dX/dt = m * X – e11 * Y1 * X – e12 * Y2 * X dY1/dt = m1 * X * Y1 – e1 * Y1 dY2/dt = m2 * X * Y2 – e2 * Y2 Жирным шрифтом выделено всё, что относится ко второму хищнику. Интерфейс программы близок к предыдущей программе, за исключением того, что отсутствует пошаговый режим. Ниже представлен результат работы программы при данном наборе коэффициентов. Хищник 1 проиграл конкуренцию и исчез из сообщества. Ход работы: 1. Варьируя коэффициенты, попытаться добиться устойчивого сосуществования двух видов хищников на одном виде жертв. Коэффициент dt – не менять! 2. Сделать вывод о характере поведения системы, в которой есть два вида хищника и один вид жертвы. Работа 9. Циклы вещества в экосистемах. Материалы и оборудование: персональные компьютеры с MS Office, программа, предоставленная преподавателем. В качестве примера будет рассмотрен цикл углерода в замкнутой системе (например, Биосфере). Система представлена тремя блоками: CO2, автотрофы, гетеротрофы (рис. 9.1). Рис. 9.1. Блок-схема моделируемой системы. В модели предусмотрен закон сохранения вещества. Всё пересчитывается по углероду. Сколько C-CO2 автотрофы съели – столько у них прибыло C-органического. Сколько гетеротрофы съели органического углерода – столько у них прибыло, а у автотрофов, соответственно, убыло. Сколько гетеротрофы выделили C-CO2 – столько у них в биомассе убыло, а в атмосфере, соответственно, прибыло. В основе модели – три уравнения. dP/dt = m(mS, Ks, S) * P - m(mP, Kp, P) * R (автотрофы размножаются и потребляются гетеротрофами) dS/dt = (-1) * m(mS, Ks, S) * P + k * R (углекислый газ потребляется автотрофами и выделяется гетеротрофами) dR/dt = m(mP, Kp, P) * R - k * R (гетеротрофы потребляют автотрофов и дышат, перегоняя свою биомассу в CO2) где dP/dt – изменение биомассы автотрофов в единицу времени (в пересчёте на углерод) dS/dt – изменение CO2 в единицу времени (в пересчёте на углерод) dR/dt – изменение биомассы гетеротрофов в единицу времени (в пересчёте на углерод) P – текущая биомасса автотрофов (в пересчёте на углерод) S – текущее количество CO2 (в пересчёте на углерод) R – текущая биомасса гетеротрофов (в пересчёте на углерод) dt – интервал времени на один шаг программы (в условных единицах) k – дыхательный коэффициент (интенсивность выделения CO2 гетеротрофами в пересчёте на единицу биомассы) m(mS, Ks, S) = mS*S/(Ks + S) (Удельная скорость потребления CO2 автотрофами в пересчёте на углерод; она же – удельная скорость прироста биомассы автотрофов – см. закон сохранения вещества; использовано классическое уравнение Моно; mS и Ks – константы) m(mP, Kp, P) = mP*P/(Kp + P) (Удельная скорость потребления автотрофов гетеротрофами в пересчёте на углерод; она же – удельная скорость прироста биомассы гетеротрофов – см. закон сохранения вещества; использовано классическое уравнение Моно; mP и Kp – константы) Внешний вид программы представлен ниже. Ход работы: 1. Меняя коэффициенты (кроме dt), изучить различные варианты поведения системы. 2. Ознакомиться с кодом программы (Alt+F11). Работа 10. Реакция экосистем на внешнее воздействие. Материалы и оборудование: персональные компьютеры с MS Office, программа Хищник-Жертва (см. работу 8). Ход работы: 1. Меняя в пошаговом режиме численность хищников и жертв посмотреть, как меняется поведение системы. 2. Отстреливая хищников, добиться перехода системы из автоколебательного режима в стационарный или близкий к стационарному. См. пример ниже. Работа 11. Выделение продуцентов из окружающей среды. Материалы и оборудование: Чашки Петри с безуглеродной питательной средой, микробиологические шпатели, пробочные свёрла, машинное масло или дизельное топливо, вода или почва, загрязнённая нефтепродуктами. Продуцентом в биотехнологии называют штаммы микроорганизмов, осуществляющие некие полезные процессы. В данной работе будет проведено выделение микроорганизмов, способных утилизировать нефтепродукты. Для этого будет осуществлен посев на питательную среду, в которой единственным источником углерода будут нефтепродукты. Работа выполняется нестерильно, поскольку единственными микроорганизмами, выросшими на данной питательной среде, будут как раз те, которые способны использовать нефтепродукты в качестве источника углерода. Подобные микроорганизмы представляют практическую ценность для очистки воды и почвы от нефтяного загрязнения. Ход работы: 1. Под руководством преподавателя сделать микробиологический посев на поверхность питательной среды. 2. Сделать в питательной среде лунки пробочным сверлом. 3. Внести в лунки нефтепродукты и оставить чашки при комнатной температуре до следующего занятия. 4. Пронаблюдать рост бактерий или микроскопических грибов вокруг лунок с нефтепродуктами. Ниже показана схема эксперимента. Схема представлена на английском языке, поскольку скопирована из презентации, которую автор делал для магистрантов и аспирантов Пекинского аэрокосмического университета. Работа 12. Селекция продуцентов. Материалы и оборудование: Чашки Петри с безуглеродной питательной средой, микробиологические шпатели, дизельное топливо, микроорганизмы, выделенные на предыдущем занятии, фильтровальная бумага. Цель работы состоит в выделении штаммов, наиболее активно утилизирующих летучие нефтепродукты. Ход работы: 1. Под руководством преподавателя рассеять по чашкам выделенные на предыдущем занятии микроорганизмы. 2. Обильно смочить фильтровальную бумагу дизельным топливом в качестве летучего нефтепродукта и наклеить изнутри на крышки чашек Петри. 3. На следующем занятии пронаблюдать рост колоний. Чем крупнее колония – тем активнее она использует нефтепродукты. Работа 13. Определение констант. Материалы и оборудование: персональные компьютеры с MS Office, программа, использованная в работе 4. Ход работы: 1. Построить график зависимости численности бактерий от времени. На экспоненциальной фазе роста определить удельную скорость роста µ как log2(n)/τ, где n – число клеток, образовавшихся за время τ. 2. Построить аналогичные графики для разных концентраций питательных веществ и найти для них µ. 3. Построить график µ(S), и по этому графику найти µmax и Ks (см. работу 3). Для ускорения работы входить в программу в режиме "Преподаватель" по предоставленному преподавателем паролю. В таком случае Вам не потребуется вручную подсчитывать число клеток – программа выдаст все данные на лист Excel Работа 14. Оптимизация процессов и аппаратов на основе компьютерных моделей. Материалы и оборудование: персональные компьютеры с MS Office, программа, использованная в работе 5. Ход работы: На основе работы 5 добейтесь максимально возможной биомассы в культиваторе. Разрешается менять только S0 и D. Пример: Плохо Хорошо 5. Учебно-методические материалы по дисциплине 5.1 Основная и дополнительная литература, информационные ресурсы Основная литература История и методология биологии и биофизики : учеб. пособие / В. А. Кратасюк [и др.]. – Красноярск : ИПК СФУ, 2009. – 172 с. – (История и методология биологии и биофизики : УМКД № 1314-2008 / рук. творч. коллектива В.А.Кратасюк). http://files.lib.sfukras.ru/ebibl/umkd/1314/u_manual.pdf Современные аппаратура и методы исследования биологических систем : учеб. пособие / под ред. Проф. Э.Дж. Сински и Т.Г. Воловой / – Красноярск, Изд-во СФУ, 2011 – 479 с. (178 экз.) Волова, Т. Г. Введение в биотехнологию: учеб. пособие / Т. Г. Волова. – Красноярск: ИПК СФУ, 2008. (3 экз.) Экологическая роль полигидроксиалканоатов: закономерности биоразрушения в природной среде и взаимодействия с микроорганизмами. Монография. / С.В. Прудникова и Т.Г. Волова – Красноярск : Красноярский писатель. – 2012. (57 экз.) Дополнительная литература Шишацкий О.Н., Е.И. Шишацкая, Т.Г. Волова Разрушаемые полимеры: потребности, производство, применение /Справочное пособие/ Красноярск:изд-во Новые информационные технологии:, 2010. – 156 с. Волова Т.Г. и Шишацкая Е.И. Биоразрушаемые полимеры: синтез, свойства, применение. Монография. / Красноярский писатель: Красноярск. - 2011.- 49 п.л. Кудряшева Н.С., Кратасюк В.А., Есимбекова Е.Н., Физико-химические основы биолюминесцентного анализа: Учеб.пособие/ Краснояр. гос.ун-т. - Красноярск, 2002. - 154 с. Matz et al. (2002). Family of the green fluorescent protein: journey to the end of the rainbow. Bioessays 24: 953. Alieva et al. (2008) Diversity and Evolution of Coral Fluorescent Proteins. Plos ONE 3: e2680. Roda et al. (2003) Clinical and diagnostic applications: luminescence immuno- and gene probe assays. In, The Digital Photobiology Compendium. www.photobiology.info/ Michelini et al. (2008) Spectral-Resolved Gene Technology for Multiplexed Bioluminescence and High-Content Screening. Anal. Chem. 80: 260. Березин И.П. Иммобилизованные ферменты / И.П Березин Н.Л. Клячко, А.В. Левашов и др. М.: Высш. школа, 1987. Электронные издания История и методология биологии и биофизики [Электронный ресурс] : электрон. учеб.-метод. комплекс по дисциплине / В. А. Кратасюк, И. Е. Суковатая, И. В. Свидерская [и др.]. – Электрон. дан. (165 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2009. – (История и методология биологии и биофизики : УМКД № 1314/599-2008 / рук. творч. коллектива В. А. Кратасюк). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Pentium-1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 225 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe Reader 7.0 ; Microsoft PowerPoint 2003 или выше. – (Номер гос. регистрации в ФГУПНТЦ «Информре-гистр» 0320902463). Современные проблемы и методы биотехнологии Электрон. учеб. пособие [Электронный ресурс] : / Н. А. Войнов, Т. Г. Волова, Н. В. Зобова и др. ; под науч. ред. Т. Г. Воловой. – Красноярск: ИПК СФУ, 2009. – (Современные проблемы и методы биотехнологии: УМКД № 1323-2008 / рук. творч. коллектива Т. Г. Волова). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 50 Мб свободного дискового пространства; привод DVD; операционная система Microsoft Windows XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf). СТО 4.2-07-2010. Система менеджмента качества. Общие требования к построению, изложению и оформлению документов учебной и научной деятельности [текст] / Т. В. Сильченко, В. К. Младенцева, Л. В. Белошапко. – Введ. впервые 22.10.2010 г. – Красноярск : ИПК СФУ, 2010. – 57 с. ГОСТ 7.1–2003. Библиографическая запись. Библиографическое описание. Каталог лицензионных программных продуктов, используемых в СФУ. / А. В. Сарафанов, М. М. Торопов. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2008. – Вып. 1–3. Информационные ресурсы Журналы издательства Annual Reviews http://www.annualreviews.org/action/showJournals Blackwell http://onlinelibrary.wiley.com/ Cambridge University Press http://www.journals.cambridge.org/archives/ Elsevier (журналы открытого доступа) http://www.sciencedirect.com/ Institute of Physics http://iopscience.iop.org/journals?type=archive Web of Science http://apps.webofknowledge.com/UA_GeneralSearch_input.do?product=UA&search_mode=GeneralSearch&SID=W2aheM4EFbHgbODcMFB&preferencesSaved= JSTOR http://www.jstor.org/action/showJournals?browseType=collectionInfoPage&selectCollection=as& Nature Publishing Group http://www.nature.com/ Oxford University Press (Oxford Journals) http://www.oxfordjournals.org/ ELSEVIER (SCOPUS)http://www.scopus.com/home.url Royal Society of Chemistry (RSC) - Королевское химическое общество (Журналы открытого доступа) http://pubs.rsc.org/en/Journals?key=Title&value=Current AAAS: Журнал «Science» http://www.sciencemag.org/magazine Электронные журналы издательства Sage Publications http://online.sagepub.com/ Springer, Kluwer http://link.springer.com/ Taylor&Francis http://www.tandfonline.com/ Архив научных публикаций arXiv.org http://arxiv.org/ Информационно-аналитическая система "Статистика" http://www.ias-stat.ru/module/Free/News.aspx Ист Вью (eastview) http://www.ebiblioteka.ru/search/simple Научная электронная библиотека: Российские академические журналы (elibrary.RU) http://elibrary.ru/defaultx.asp Университетская информационная система Россия (УИС РОССИЯ) Http://uisrussia.msu.ru/is4/main.jsp Электронная библиотека издательского дома "Гребенников" http://grebennikon.ru/ POLPRED.COM http://polpred.com/?Ns=1 Proquest Dissertations and Theses https://www.proquest.com/trials/trialsummary.action?View=subject&trialbean.token=OGI11NSEO4L0UZ20K3ZO Электронная библиотека диссертаций (ЭБД) РГБ http://diss.rsl.ru/

Похожие:

	Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 011200. 68 «Физика», магистерская программа 011200....		Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 020400. 68 «Биология», магистерская программа 020400....
	Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению «Биология», магистерская программа «Биофизика»		Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... ...
	Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... ...		Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... ...
	Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... ...		Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... ...
	Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 020400. 68 «Биология», магистерская программа 020400....		Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 011200. 68 «Физика», магистерские программы «Биофизика»,...
	Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 011200. 68 «Физика», магистерские программы «Биофизика»,...		Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 011200. 68 «Физика», магистерские программы «Биофизика»...
	Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 011200. 68 «Физика», магистерские программы «Биофизика»...		Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 011200. 68 «Физика», магистерские программы «Биофизика»,...
	Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 011200. 68 «Физика», магистерские программы «Биофизика»,...		Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 011200. 68 «Физика», магистерские программы «Биофизика»,...