Introduktion til bio- og medicinsk fysik

Kursusindhold

Formålet med “Introduktion til Bio- og Medicinsk fysik” er at give en grundlagsskabende indføring i et bredt spektrum af moderne biofysik og medicinsk fysik, som er et multidisciplinært videnskabeligt område, hvor analytiske og eksperimentelle metoder fra fysik anvendes til at forstå og undersøge biologiske systemer og løse medicinske problemer. Kurset starter fra atomets opbygning og kemiske bindinger, går over biologiske molekyler som proteiner, DNA/RNA, membraner, nerver mm. og videre til at beskrive mekanismerne bag centrale funktioner i hele organismer. Moderne eksperimentelle teknikker til at opnå strukturel og termodynamisk biofysisk information på nanoskala vil blive introduceret i lighed med centrale emner fra medicinsk fysik.

NBI’s efterfølgende specialiserede kurser i bio- og medicinsk fysik vil bygge på det faglige fundament, som etableres i dette kursus. Kurset er således beregnet både til de studerende, som ønsker at specialisere sig inden for emnet, men også til dem, som er nysgerrige efter at vide, hvad moderne biofysik er. 

Engelsk titel

Introduction to Bio- and Medical Physics

Uddannelse

Bacheloruddannelsen i de fysiske fag

Målbeskrivelse

 

Færdigheder
Gennem kurset vil den studerende:

  • Få grundlæggende viden om kemiske bindinger, herunder introducerende kvantemekanik og forståelse af opbygningen af det periodiske system, elektron-affinitet, -negativitet, samt viden om den relative styrke af de mest almindelige kemiske bindinger forekommende i biologiske systemer.
  • Kunne genkende og opskrive de mest almindelige vekselvirkningspotentialer for både stærke og svage bindinger, f.eks. Morse, van der Waals, Buckingham, og Lennart-Jones potentialerne. Herunder få en forståelse af både elektrostatiske og hydrofobe/hydrofile vekselvirkninger og den rolle de spiller i biofysiske systemer.
  • Få kendskab til reaktions kinetik. Herunder definition af Gibbs fri energi, Helmholtz fri energi, enthalpi, indre energi samt andre energi former af interesse for biologiske systemer. Få indføring i grundlæggende termodynamik og statistisk mekanik af relevans for biologiske systemer. Specielt læres at opskrive og anvende Michaelis-Menten kinetik.
  • Kunne udlede og anvende de mest essentielle ligninger vedrørende diffusion. Herunder Ficks 1. og 2. lov.
  • Forstå og kunne beskrive cellens opbygning og de centrale organeller.
  • Forstå og kunne beskrive opbygning og funktion af de mest almindelige biopolymerer, herunder proteiner og DNA/RNA. Den studerende vil kende polymerernes byggestene og virkemåde samt kunne udføre en fysisk beskrivelse af polymererne, herunder kunne beskrive karakteristika ved de foldede såvel som de udfoldede tilstande.
  • Vide hvad biologiske membraner består af og hvad de typiske membran formationer er i levende organismer. Den studerende skal kunne forstå og anvende termodynamiske begreber som kemisk potentiale, Gibbs fri energi og entropi i forbindelse med membraner og kunne udlede sammenhængen mellem et membranproteins konformation og trykket i membranen.
  • Have basalt kendskab til biologisk energi og bevægelse. Herunder kende til energiforbrænding i organismer, respiration, fotosyntese, og ATP syntese. Vide hvordan forskellige organismer bevæger sig. F.eks. bakterie bevægelser, molekylærer motorer (både rotation og translation), og muskelsammentrækninger.
  • Forstå hvorledes membraner kan elektrisk eksiteres, udlede og nedskrive de mest væsentlige formler for mobilitet af ioner over membraner og membran potentialer. Herunder Nernst ligning. Få kendskab til nerve impuls udbredelse, hvilket indebærer at udlede matematiske modeller, specielt kabelligningen, til at beskrive impulsudbredelsen.
  • Få kendskab til essentielle eksperimentelle metoder i molekylær biofysik. Oversigten vil inkludere røntgen og neutron spredning, elektron mikroskopi, atomic force mikroskopi, fluorescens mikroskopi til strukturelle undersøgelser, optisk pincet til mikromekanisk manipulation og undersøgelser samt kalorimetri til termodynamiske undersøgelser, Som en del af oversigten vil de principielle forskelle mellem ensemble og enkelt molekyle baserede metoder blive diskuteret. 
  • Få et grundlæggende kendskab til medicinsk biofysik. Oversigten vil inkludere: Brug af isotoper/radioaktive tracere som sporstof i biomedicinsk øjemed og herunder effekt af ioniserende stråling på biologisk væv. Medicinsk billeddannelse, herunder principper for MR, CT og PET-scanning. Anvendelse af lasere i en medicinsk kontekst.

 

Viden
Efter en kort introduktion til emnets oprindelse, vil kurset bevæge sig opad i kompleksitetsniveau, startende fra atomer, til kemiske bindinger, biologiske molekyler, strukturer, systemer og ultimativt til hele levende organismer. Herunder vil kurset introducere vigtige begreber fra biofysikken såsom biopolymerer, biomembraner, biologisk energi og nerve systemet samt introducere de mest gængse eksperimentelle teknikker i eksperimentel biofysik.  Med et afsæt i dette vil området medicinsk fysik blive introduceret. Således vil kurset give det nødvendige fundament for de mere specialiserede kurser indenfor biofysik og medicinsk fysik. Kurset er i høj grad forskningsbaseret og giver de studerende viden om moderne forskningsmetoder, analyser og resultater og tager de studerende med til frontlinien i biofysik og medicinsk fysik. 

Kompetencer

De studerende tilegner sig i dette kursus basale færdigheder indenfor biofysik og lærer at beskrive biologiske systemer med fysiske analyse værktøjer og modellering. Dermed giver kurset de studerende de nødvendige faglige kompetencer til at tage de videregående kurser i biofysik og medicinsk fysik. De studerende lærer desuden at tilegne sig viden fra den primære litteratur, forskningsartikler, hvor der gennemgås både klassikere og helt nye artikler. De studerende får også kompetencer i at fremlægge fagligt forsknings materiale og projektet giver mulighed for en større fordybelse i et konkret forskningsområde. Kurset giver også de studerende en enestående mulighed til at tilegne sig kompetencer i at anvende værktøjer fra statistisk fysik og mekanik til at beskrive systemer fra den levende verden.

Forelæsninger, opgaveløsninger, stjerneforelæsninger, studenterfremlæggelser og et projekt.
Grundstrukturen af kurset udgøres af en forelæsningsrække med tilhørende teoretiske øvelser. Kurset beriges endvidere af stjerneindslag fra forskere fra NBI, som derved introducerer deres forskningsfelter og de mere specialiserede kurser. Kurset har en høj grad af forskningsbaseret undervisning, hvilket manifesteres ved, at en del af undervisningen, det obligatoriske projekt og kursisternes fremlæggelser er baseret på læsning af originale videnskabelige artikler.

Vil blive annonceret senere.

mekanik og termodynamik

Dette kursus erstatter de tidligere ”Introduktion til biofysik” og "biofysik for fysikere" og har stort fagligt overlap med disse.

ECTS
7,5 ECTS
Prøveform
Mundtlig prøve, 30 minutter
Ingen forberedelse
Hjælpemidler
Uden hjælpemidler
Bedømmelsesform
7-trins skala
Censurform
Ingen ekstern censur
Flere interne bedømmere
Kriterier for bedømmelse

se målbeskrivelse

Enkeltfag dagtimer (tompladsordning)

  • Kategori
  • Timer
  • Forelæsninger
  • 52
  • Teoretiske øvelser
  • 28
  • Kollokvier
  • 4
  • Projektarbejde
  • 20
  • Eksamen
  • 0,5
  • Forberedelse
  • 101,5
  • Total
  • 206,0