PATRZĄC OKIEM

2. PATRZĄC OKIEM FIZYKA NA CZŁOWIEKA

3. DANE INFORMACYJNE • ID GRUPY: AsSz07 • LOKALIZACJA: Uniwersytet Szczeciński • KOMPETENCJA: Matematyczno-fizyczna • TEMAT PROJEKTOWY: „Patrząc okiem fizyka na człowieka” • SEMESTR/ROK SZKOLNY: Semestr II, rok szkolny 2012/2013 SPIS TREŚCI

4. CELE PROJEKTU Spojrzenie na człowieka okiem fizyka, dostrzeżenie zależności między zjawiskami fizycznymi a funkcjonowaniem ludzkiego organizmu. Rozwijanie umiejętności planowania oraz przeprowadzania doświadczeń. Doskonalenie umiejętności pracy w zespole, posługiwania się programami pakietu Microsoft Office, samodzielnego korzystania z różnych źródeł (w szczególności obcojęzycznych) oraz prezentowania opracowanych materiałów. SPIS TREŚCI

5. SKŁAD GRUPY • Opiekun: Tomasz Denkiewicz • Lider: Michał Woszczyło • Zastępca lidera: Aleksandra Kwiecień • Kronikarz: Kamila Dudziak, Agnieszka Marcjasz • Sekretarz: Martyna Stasieczek • Pozostali członkowie: Magdalena Biernikowicz, Michał Minowski, Michał Śliwiński, Rafał Kamiński, Mateusz Jaśkowiak Podział obowiązków określony został na kolejnych slajdach w każdym przeprowadzonym przez nas doświadczeniu. SPIS TREŚCI

6. SPIS 7. Efektywność mechanizmów naprawczych po naświetleniu komórek promieniowaniem gamma Aberracja chromosomowa. Liniowe przekazywanie energii. Rozkład Poissona. 8. Oko Okiem fizyka – soczewka. Doświadczenie #1 Wady wzroku Doświadczenie #2 Doświadczenie #3 Zadania 9. Ucho Doświadczenie Zadanie 10. Elektrokardiografia Doświadczenie 11. Wariograf Wariograf – od czego się wszystko zaczęło. Wariograf współcześnie – przebieg badania. Nasz „wariograf” Doświadczenie 12. Telefony komórkowe EHS 13. Linie wysokiego napięcia Doświadczenie 14. VO2max Przykładowe badania Wyniki VO2max Ueli Steck Kilian JornetBurgada 15. Ciekawostki Elektryzowanie się włosów Rozmiary szkieletu człowieka Śnieg na zaspokojenie pragnienia w górach? Alkohol rozgrzewa? 16. Podsumowanie projektu TREŚCI * Źródła, z których korzystaliśmy opracowując naszą prezentację, zamieszczone są na dolnym pasku poszczególnych slajdów. Dane informacyjne Cele projektu Skład grupy Patrząc na człowieka okiem fizyka – wstęp. Oddychanie komórkowe … czyli skąd się bierze energia w naszym organizmie. Mitochondrium, czyli miejsce, w którym zachodzi oddychanie komórkowe. Etapy oddychania komórkowego. Zysk energetyczny i intensywność oddychania komórkowego. 6. Kilka słów o mózgu Jak działa mózg. Neuron, jako podstawowa komórka budująca układ nerwowy Sztuczna sieć neuronowa. Sztuczny ludzki mózg – czy to możliwe? Sztuczny mózg. Doświadczenie. SPIS TREŚCI

7. CZŁOWIEK OKIEM FIZYKA Ciało ludzkie kryje w sobie jeszcze dużo zagadek i tajemnic, do rozwiązania których dążą naukowcy. Dla większości ludzi człowiekiem powinni zajmować się tylko biolodzy. Jednak jest to błędne myślenie, gdyż wiele procesów zahacza również o inne dziedziny nauki, m.in.: o chemię i fizykę. W prezentacji chcemy spojrzeć na nas samych właśnie od strony fizyki. Ludzie nie zdają sobie sprawy, że ciągle w naszym życiu mamy do czynienia z tą dziedziną nauki. Kiedy myślimy, chodzimy, oddychamy działają na nas najróżniejsze siły i oddziaływania, bez których nie rozwinęłoby i nie przetrwałoby żadne życie na Ziemi. Kiedy bije nasze serce wytwarzają się impulsy elektryczne, które występują również w układzie nerwowym i w mózgu, a nasze oczy i uszy działają zgodnie odpowiednio z zasadami optyki i akustyki. Na tych najbardziej prostych przykładach można pokazać, że fizyka otacza nas zawsze i wszędzie -bez niej nie możliwe byłoby nasze istnienie. Czym jest człowiek i nasza Ziemia wobec ogromu wszechświata? Można powiedzieć, że jesteśmy, tak jak pisał Czesław Miłosz, ziarenkiem maku wobec całej przestrzeni kosmicznej. Na co dzień nie zastanawiamy się nad wielkością świata, który nas otacza oraz nad tym czy gdzieś w kosmosie istnieje jakaś inna forma życia podobna mniej lub bardziej do nas. Jednak wszechświat jest taki ogromy i wciąż się rozszerza, że nie można wykluczyć takiej możliwości. Przy okazji kryje w sobie jeszcze wiele tajemnic, które są ciężkie do zbadania przez ogromne odległości, które nas dzielą od gwiazd, galaktyk i innych obiektów kosmicznych. Nasza wiedza z roku na rok staję się coraz większa, ale znów możemy powtórzyć za inną wielką postacią z historii Sokratesem: wiemy, że [jeszcze] nic nie wiemy. Zdjęcia wykonane w szczecińskim Planetarium, do którego wybraliśmy się podczas jednych z naszych zajęć. SPIS TREŚCI

8. ODDYCHANIE KOMÓRKOWE Czyli skąd się bierze energia w naszym organizmie. Naszą prezentację rozpoczniemy od tego, co jest niezbędne do jakiegokolwiek funkcjonowania organizmu ludzkiego – ENERGII. Potrzebujemy jej do oddychania, skakania, śpiewania, do każdej nawet najbardziej prozaicznej czynności. Zastanawiające jest, w jaki sposób pozyskujemy element niezbędny do naszego istnienia. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: Biologia, Vademecum maturalne 2012, Operon, Gdynia 2011; Biologia 2, podręcznik zakres rozszerzony, Operon, Gdynia 2005 SPIS TREŚCI

9. Cały skomplikowany proces uzyskiwania energii użytecznej biologicznie przedstawia jedna z pozoru dość łatwa reakcja chemiczna: C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O + 2872 kJ Reakcja ta przedstawia skrócony proces oddychania komórkowego z udziałem tlenu. Polega ona na zamianie energii chemicznej zawartej w glukozie (energia pozyskiwana jest głównie z cukrów, jeśli w organizmie brakuje węglowodanów spalana zostaje tkanka tłuszczowa, a w ostateczności spalane zostają białka) na energię biologicznie użyteczną zawartą w ATP. Schemat 1. Spalanie płomieniem a oddychanie komórkowe; efekt energetyczny tych dwóch procesów może być jednakowy, przy czym pierwszy jest gwałtowny, nieekonomiczny i niebezpieczny w przeciwieństwie do pozyskiwania energii w sposób krokowy-etapowy przez komórkę. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: Biologia, Vademecum maturalne 2012, Operon, Gdynia 2011; Biologia 2, podręcznik zakres rozszerzony, Operon, Gdynia 2005 SPIS TREŚCI

10. MITOCHONDRIUM Czyli miejsce, w którym zachodzi oddychanie komórkowe Proces ten zachodzi w mitochondrium. To organellum otoczone jest dwiema błonami - wewnętrzna błona tworzy grzebienie mitochondrialne, których ilość wpływa na efektywność oddychania (więcej grzebieni - oddychanie bardziej wydajne), jego wnętrze wypełnione jest matriksem mitochondrialnym, w którym znajduje się DNA wraz z rybosomami. Schemat 2. Budowa mitochondrium OPRACOWANE NA PODSTAWIE: Biologia, Vademecum maturalne 2012, Operon, Gdynia 2011; Biologia 2, podręcznik zakres rozszerzony, Operon, Gdynia 2005 SPIS TREŚCI

11. ETAPY ODDYCHANIA KOMÓRKOWEGO Gwałtowne spalanie jakiegokolwiek związku organicznego doprowadziłoby do śmierci termicznej organizmu, gdyż wydzieliłaby się zbyt duża energia, dlatego proces ten podzielony jest na 4 etapy, które przedstawia Tabela 1.: Tabela 1. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: Biologia, Vademecum maturalne 2012, Operon, Gdynia 2011; Biologia 2, podręcznik zakres rozszerzony, Operon, Gdynia 2005 SPIS TREŚCI

12. ZYSK ENERGETYCZNY I INTENSYWNOŚĆ ODDYCHANIA KOMÓRKOWEGO • W całym procesie oddychania tlenowego z jednej cząsteczki glukozy powstaje maksymalnie 38 cząsteczek ATP. Hydroliza ATP uwalnia z jednego mola 30,5 kJ energii, którą organizm może wykorzystać, np. do pisania na klawiaturze. • Intensywność oddychania komórkowego zależy od: rodzaju komórki, jej wieku, liczby mitochondriów. Jest ona wyższa w komórkach organizmów rosnących, a także w miejscach wykonujących pracę mechaniczną (np. mięśnie szkieletowe). U osób uprawiających sport zaobserwowano zwiększenie wydajności oddychania komórkowego, szczególnie w sercu, wątrobie, mięśniach szkieletowych. Schemat 3. Mięśnie, w których między innymi zaobserwowano wzrost wydajności oddychania komórkowego. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: Biologia, Vademecum maturalne 2012, Operon, Gdynia 2011; Biologia 2, podręcznik zakres rozszerzony, Operon, Gdynia 2005 SPIS TREŚCI

13. KILKA SŁÓW O MÓZGU • Skoro wiemy już, jak powstaje energia niezbędna do funkcjonowania naszego organizmu, przyjrzyjmy się najważniejszemu ludzkiemu organowi, którym jest oczywiście mózg. • Mózg jest najważniejszym ludzkim organem. Waży około 1,3 kg, ale zużywa około 20% przechodzącego przez organizm tlenu. Jego konsystencja przypomina stężałą galaretę. Składa się z trzech części: • półkoli mózgowych • móżdżka • pnia mózgu. • Pofałdowaną powierzchnię mózgu tworzy wyspecjalizowana zewnętrzna warstwa półkul mózgowych zwana korą mózgową. Naukowcy opracowali "mapę" kory mózgowej, na której zaznaczyli regiony powiązane z konkretnymi funkcjami organizmu. Funkcjonowanie mózgu opiera się na pracy każdej jego komórki. Mózg dorosłego człowieka składa się z ok. 100 miliardów komórek nerwowych, zwanych też neuronami, o rozgałęzieniach umożliwiających istnienie ponad 100 bilionów połączeń. Ta gęsta i rozbudowaną sieć nazywana jest "gąszczem neuronów". Schemat 4. Budowa mózgu OPRACOWANE NA PODSTAWIE: www.cs.pu.poznan.pl; www.uci.agh.edu.pl; www.m.lenart.pl; www.dlamozgu.pl; www.alz.org . SPIS TREŚCI

14. JAK DZIAŁA MÓZG? Impulsy składające się na wspomnienia lub myśli przemieszczają się przez komórki nerwowe w postaci niewielkich ładunków elektrycznych. Szybkość ich przewodzenia zależy od średnicy włókien nerwowych. Włókna grube przewodzą impulsy z szybkością 20 - 120 m/sek., włókna średnie 3 - 15 m/sek., a włókna cienkie 0,5 - 2,0 m/sek. Neurony połączone są ze sobą poprzez synapsy. Kiedy ładunek elektryczny przekazywany jest do synapsy - może wywołać uwolnienie niewielkiej ilości substancji chemicznej zwanej neuroprzekaźnikiem. Neuroprzekaźniki przenikają przez synapsy, przenosząc impulsy z jednej komórki nerwowej na drugą. Dotychczas zidentyfikowano dziesiątki rodzajów neuroprzekaźników. Z upływem czasu, w oparciu o odczuwane doznania, nasze ciało tworzy modele typu oraz mocy przekazywanych impulsów. Według tych modeli funkcjonowania nasz mózg koduje na poziomie komórkowym nasze myśli, wspomnienia, zdolności, a także poczucie własnej wartości. Schemat 5. Główne funkcje prawej i lewej półkuli mózgu OPRACOWANE NA PODSTAWIE: www.cs.pu.poznan.pl; www.uci.agh.edu.pl; www.m.lenart.pl; www.dlamozgu.pl; www.alz.org . SPIS TREŚCI

15. NEURON JAKO PODSTAWOWA KOMÓRKA BUDUJĄCA UKŁAD NERWOWY • Neuron składa się z: • 1. Wielu dendrytów, których celem jest pobieranie impulsów z innych neuronów. • 2. Ciała komórki z jądrem. • 3. Jednego aksonu, który przekazuje impuls dalej. (Ważną rolę w tym procesie pełni osłonka mielinowa aksonu - zbudowana z lipidów i pełniąca rolę izolatora. Po obu jej stronach zgromadzone są ładunki elektryczne — po wewnętrznej ładunki ujemne (aniony), po zewnętrznej — dodatnie (kationy). Komórka jest więc spolaryzowana. • 4. Synaps – neuroprzekaźników osłabiających lub wzmacniający sygnał. Przekazują sygnał do innych komórek. • Przekazywane i przetwarzane w neuronach informacje są zakodowane w postaci sygnałów elektrycznych lub chemicznych. Schemat 6. Budowa neuronu SPIS TREŚCI

16. SZTUCZNA SIEĆ NEURONOWA Sieć neuronowa to urządzenie techniczne lub algorytm, którego działanie wzorowane jest w pewnym stopniu na działaniu sieci biologicznych komórek nerwowych. Zazwyczaj składa się z siatki połączonych ze sobą elementów, z których każdy posiada pewną liczbę wejść i jedno wyjście. Wyjścia z poszczególnych elementów są połączone z wejściami innych tworząc sieć. Zależność pomiędzy wejściami i wyjściem jest modyfikowana dla każdego elementu z osobna w procesie tzw. uczenia. Nauczona sieć przetwarza informację poprzez jej obróbkę na złączach między elementami, łączenie jej w poszczególnych elementach oraz generację i przesyłanie sygnałów pomiędzy elementami. Zależność pomiędzy sygnałem wejściowym a wyjściowym całej sieci jest następnie interpretowana jako rozwiązanie jakiegoś problem. Schemat 7. Uproszczony schemat jednokierunkowej sieci neuronowej. Poszczególne "kółka" oznaczają sztuczne neurony. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: www.cs.pu.poznan.pl; www.uci.agh.edu.pl; www.m.lenart.pl; www.dlamozgu.pl; www.alz.org . SPIS TREŚCI

17. Schemat 8. Sztuczny neuron skonstruowany został na wzór neuronu naturalnego. Wejścia to odpowiedniki dendrytów czyli sygnałów przez nie nadchodzące. Wagi to cyfrowe odpowiedniki modyfikacji dokonywanych na sygnałach przez synapsy. Blok sumujący to odpowiednik jądra, blok aktywacji to wzgórek aksonu, a wyjście - to akson. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: www.cs.pu.poznan.pl; www.uci.agh.edu.pl; www.m.lenart.pl; www.dlamozgu.pl; www.alz.org . SPIS TREŚCI

18. SZTUCZNY LUDZKI MÓZG – CZY TO MOŻLIWE? Do tej pory udało się modelować pojedyncze neurony, ale nie udało się stworzyć ich na tyle dużo, żeby wystarczyło do naśladowania ludzkiego mózgu. Gdyby było utworzonych odpowiednio dużo sztucznych neuronów to i tak nie dałoby się użyć ich do odtworzenia struktury mózgu, bo wciąż jeszcze nie da się precyzyjnie odtworzyć w systemie technicznym skomplikowanej sieci połączeń między neuronami, które kształtują rzeczywistą strukturę mózgu. Po drugie poznana wiedza na temat anatomii i fizjologii mózgu jest wciąż niedostateczna. Istnieje wciąż wiele zagadnień przebadanych tylko ogólnikowo, albo nawet takich, gdzie istnieje kilka konkurencyjnych teorii, na temat funkcjonowania poszczególnych części mózgu. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: www.cs.pu.poznan.pl; www.uci.agh.edu.pl; www.m.lenart.pl; www.dlamozgu.pl; www.alz.org . SPIS TREŚCI

19. Do zaprojektowania modelu pojedynczego neuronu według badań De Schuttera użyto: • 32 tysięcy równań różniczkowych • wyznaczono wartości 19 tysięcy nieznanych parametrów • Aby zobrazować jak skomplikowana jest budowa ludzkiego mózgu można posłużyć się słowami prof. Ryszarda Tadeusiewicz: Gdyby ktoś spróbował wyprodukować sztuczny mózg i zaczął wytwarzać takie elementy składowe za pomocą urządzenia, które zużywałoby na produkcję jednego sztucznego neuronu zaledwie jedną sekundę pracując dzień i noc bez przerwy, to i tak wyprodukowanie pierwszego miliarda tych elementów zajęłoby około 30 lat - a będziemy potrzebowali stu miliardów elementów, czyli produkcja potrwa "zaledwie" trzy tysiące lat. • Problemy z łączeniem neuronów: • większa liczba połączeń niż poszczególnych elementów • liczba połączeń rośnie z kwadratem liczby neuronów • łączenie neutronów zajmie więcej czasu niż samo ich wytworzenie, czyli około 10 tys. lat • Powyższe rzeczy dotyczą zbudowania jakiegokolwiek mózgu, a nie mózgu konkretnej osoby. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: www.cs.pu.poznan.pl; www.uci.agh.edu.pl; www.m.lenart.pl; www.dlamozgu.pl; www.alz.org . SPIS TREŚCI

20. Problemy naukowców przy budowie mózgu konkretnej osoby: • nie da się odtworzyć wszystkich uwarunkowań genetycznych i kulturowych, • nie możliwe jest odtworzenie całej pamięci mózgu, • liczba rozróżnianych stanów w jakich może znajdować się mózg wyraża się formułą 2^2^10^10 - jest to największa wartość liczbowa, której można przypisać konkretną interpretację w całej przyrodzie, • jest to liczba większa od całej ilości protonów i neutronów we wszechświecie. • Z powyższych faktów wynika, że na ten moment i na ten stan wiedzy nie jest możliwe zbudowanie ludzkiego mózgu. Aczkolwiek nie jest powiedziane, że nie jest możliwe zbudowanie jakiegokolwiek mózgu. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: www.cs.pu.poznan.pl; www.uci.agh.edu.pl; www.m.lenart.pl; www.dlamozgu.pl; www.alz.org . SPIS TREŚCI

21. SZTUCZNY MÓZG • Na pytanie czy możliwe jest zbudowanie jakiegokolwiek sztucznego mózgu odpowiedź jest twierdząca. Jest to możliwe dzięki wynalezieniu sztucznej sieci neuronowej. • Najbardziej popularne i najchętniej stosowane w praktyce są realizacje symulacyjne. Taki program ma wtedy formę modelującego działanie zarówno poszczególnych neuronów jak i całych ich zespołów. Dokonuje przetwarzania różnych informacji zgodnego z zasadami obliczeń neuronowych - tyle tylko, że w formie wirtualnej. • Głównym zadaniem badań nad sztuczną inteligencją jest konstruowanie maszyn i programów komputerowych zdolnych do realizacji wybranych funkcji umysłu i ludzkich zmysłów niepoddających się prostej numerycznej algorytmizacji. Problemy takie bywają nazywane AI-trudnymi i zalicza się do nich między innymi: • - podejmowanie decyzji w warunkach braku wszystkich danych, • - analiza i synteza języków naturalnych, • - rozumowanie logiczne / racjonalne, • - dowodzenie twierdzeń, • - gry logiczne, • - zarządzanie wiedzą, preferencjami i informacją w robotyce, • - systemy eksperckie i diagnostyczne. • Dla potrzeb robotyki zbudowano już elektroniczne neurokomputery, które pozwalają wykonywać obliczenia neuronowe naprawdę w błyskawicznym tempie. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: www.cs.pu.poznan.pl; www.uci.agh.edu.pl; www.m.lenart.pl; www.dlamozgu.pl; www.alz.org . SPIS TREŚCI

22. Na wykresie obok, na osiach w skali logarytmicznej zaznaczone są na osi X: liczba synaps, na osi Y: szybkość działania. Zaznaczone są miejsca jakie zajmuje mózg człowieka oraz prymitywnych zwierząt takich jak pszczoła, pijawka oraz mucha. W przypadku wyboru np. psa, albo szympansa kropka pokrywałaby się z punktem lokalizującym mózg człowieka. Zaznaczone są również obszary, które obecnie zajmują sztuczne sieci neuronowe. Można zauważyć, że mają o wiele mniejszą ilość synaps, ale informacja może być przetwarzana o wiele szybciej, niż w tkankach biologicznych. Z wykresu można zauważyć, że niektóre sztuczne sieci neuronowe osiągnęły już możliwości zrównania swej złożoności i sprawności działania z mózgami niektórych zwierząt. Wykres pokazuje, że możliwe jest zbudowanie modelu jakiegokolwiek mózgu, ale do skonstruowania mózgu bardziej złożonych organizmów jest jeszcze daleka droga. Wykres 1. Zestawienie rozmiaru i sprawności różnych systemów neurocybernetycznych biologicznych i sztucznych. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: www.cs.pu.poznan.pl; www.uci.agh.edu.pl; www.m.lenart.pl; www.dlamozgu.pl; www.alz.org . SPIS TREŚCI

23. DOŚWIADCZENIE Tworząc prezentację, nie chcieliśmy ograniczać się jedynie do wiedzy teoretycznej z zakresu tematyki sztucznej inteligencji, w związku z czym postanowiliśmy spróbować zbudować własną sieć neuronów. W tej części prezentacji opiszemy proces nauczania sieci perceptronowych w środowisku Matlab. Dla przykładu wykorzystamy bramkę OR, co pozwoli nam „nauczyć” naszą sieć odpowiadać na zadane sygnały wejściowe zgodnie z zasadami działania tej bramki, które przedstawia tablica prawdy. Schemat 9. Tablica prawdy bramki OR. SPIS TREŚCI

24. Wpisując odpowiednie, przedstawione niżej komendy stworzymy i nauczymy naszą sieć neuronów odpowiadać zgodnie z założeniami (a więc tablicą prawdy bramki OR). • KROK 1. • Na podstawie tablicy prawdy bramki OR (Tabela X1100), tworzymy dwie macierze w programie Matlab: sygnałów wejściowych i wyjściowych. • Macierz sygnałów wejściowych: input data (x1,x2) p = 0 0 1 1 0 1 0 1 Macierzcelu: target data (y) t = 0 1 1 1 Tabela 2. Tablica prawdy bramki OR. SPIS TREŚCI

25. KROK 2. Korzystając z wbudowanego w środowisko MATLAB narzędzia tworzymy nową sieć perceptronową o nazwie siecOR. Po wpisaniu komendy nntool importujemy dane wejściowe (p) oraz macierz celu (t). Screen 1. Okno narzędzia nntool po wprowadzeniu danych i utworzeniu sieci SPIS TREŚCI

26. KROK 3. • W tym kroku przeprowadzamy trenowanie naszej sieci. Ponownie korzystając z narzędzia nntool, otwieramy podgląd naszej sieci a następnie zakładkę Train, gdzie podajemy wartości na wejściu sieci (p) oraz wektor uczący (t). W nowo otwartym okienku otrzymujemy informację o powodzeniu trenowania, które zostało zakończone po 3 iteracjach i w czasie 0:00:01, co przedstawia Screen 2. Screen 2. SPIS TREŚCI

27. KROK 4. Aby sprawdzić, czy nasza sieć działa prawidłowo, przechodzimy do zakładki Simulate i podając sygnały wejściowe wraz z macierzą docelową otrzymujemy serię sygnałów na wyjściu (siecOR_outputs) oraz błędy sieci (siecOR_errors). siecOR_outputs = 0 1 1 1 siecOR_errors = 0 0 0 0 Jak widać, sygnały wejściowe pokrywają się z macierzą docelową (t), a błędy sieci są zerowe. Zgodnie z tym, jesteśmy pewni, że nasza sieć działa prawidłowo. SPIS TREŚCI

28. KROK 5. Przykład działania sieci – odporność na zakłócenia W celu sprawdzenia odporności sieci na odchylenia wartości sygnałów wejściowych przeprowadzimy symulację podając na wejście utworzonej sieci zmodyfikowane wektory wejściowe p i sprawdzimy jaka będzie jej odpowiedź. (inaczej mówiąc dajemy na wejście sieci nie do końca jedynki i nie do końca zera). Niżej macierz p – to dane które podajemy do sieci na wejście, a odp to macierz którą dostajemy w odpowiedzi z sieci na zadane dane wejściowe. odchylenie ± 10% p = 0.1000 0.0700 1.1000 0.9200 0.0400 0.9500 0.0900 1.0600 odp = 0 1 1 1 odchylenie ± 15% p = 0.1400 0.1100 1.1500 0.8500 0.1300 0.8900 0.0500 1.1000 odp = 0 1 1 1 odchylenie ± 20% p = 0.1400 0.1800 1.1900 0.8500 0.1100 0.8100 0.0500 1.1000 odp = 0 0 1 1 Przy odchyleniu przekraczającym próg 15% widoczne jest występowanie błędów pracy utworzonej sieci perceptronowej. SPIS TREŚCI

29. PODSUMOWANIE DOŚWIADCZENIA Doświadczenie stanowiło dla nas duże wyzwanie, jednak udało nam się zobrazować sens działania komputerowej sieci neuronowej. Widać, że mimo tego, że sieć została nauczona pracować według tablicy prawdy bramki OR, po podaniu jej niedokładnych, zniekształconych sygnałów (bliskich 1 i 0) nadal odpowiada prawidłowo, a więc proces nauczania przebiegł prawidłowo i sieć działa sprawnie, „domyślając się”, co zrobić w sytuacji gdy nie wszystko jest w porządku. SPIS TREŚCI

30. EFEKTYWNOŚĆ MECHANIZMÓW NAPRAWCZYCH PO NAŚWIETLENIU KOMÓREK PROMIENIOWANIEM GAMMA Podczas naszych zajęć na uniwersytecie gościliśmy panią Agatę Kowalską – doktorantkę w zakładzie fizyki jądrowej w Szczecinie. Dowiedzieliśmy się od pani Agaty o wpływie promieniowania jonizującego na tkanki, skupiając się szczególnie na chromosomach. Jak powszechnie wiadomo promieniowanie jonizujące otacza nas z każdej strony, występuje m. in w glebie, rubidzie, dochodzi do nas także z kosmosu, jest ono naturalne i istnieje od zawsze. Bez niego nie byłoby życia na ziemi, gdyż w małych ilościach jest ono niezbędne do istnienia ludzkiego. OPRACOWANE NA PODSTAWIE:wykładu pani Agaty Kowalskiej SPIS TREŚCI

31. ABERRACJA CHROMOSOMOWA Badania nad aberracją chromosomową (zmianą struktury chromosomów) oraz ich mechanizmach naprawczych przeprowadzane są na limfocytach, gdyż jest to element krwi posiadający jądra komórkowe, a istotą badań jest obserwacja zmian w jądrze w DNA. Podczas obserwacji oglądamy chromosomy w metafazie, ponieważ w tym czasie są najbardziej widoczne. Nie jesteśmy jednak w stanie dokładnie ujrzeć tego, w jaki sposób chromosomy naprawiają się. • Schemat przeprowadzania badania: • pobranie dwóch próbek krwi od jednego, zdrowego człowieka • jedną próbkę krwi poddajemy działaniu promieniowania jonizującego, a drugą pozostawiamy w warunkach naturalnych, • próbki poddajemy wirowaniu, aby zerwać błony komórkowe, w celu dokładnego zobaczenia chromosomów, • w obydwóch próbkach zaszły aberracje. • Wyróżniamy trzy rodzaje aberracji, w wyniku których otrzymujemy chromosomy: • pierścieniowe - powstają w wyniku połączenia dwóch złamanych końców jednego lub kilku chromosomów. • dicentryczne - zawierają dwa centromery • markerowe - występują jako chromosomy dodatkowe, często bezcentromerowe. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: wykładu pani Agaty Kowalskiej SPIS TREŚCI

32. LINIOWE PRZEKAZYWANIE ENERGII Zdolność reperacji chromosomów napromieniowanych zależy od liniowego przekazania energii (LET – średnia energia przekazywana na pewnym odcinku toru). Można to wyrazić za pomocą takiego wzoru: Gdzie: ∆E – średnia ilość energii przekazana przez cząstkę naładowaną w oddziaływaniach z elektronami ośrodka ∆l – odcinek drogi przebyty przez cząsteczkę w ośrodku • Wyróżniamy promieniowanie: • wysokoletowe - które sprawia, że chromosomy mają mniejszą możliwość reperowania, gdyż występuje zbyt duża ilość jonizacji na jeden odcinek toru • niskoletowe - w chromosomach poddanych temu promieniowaniu mechanizmy naprawcze działają skuteczniej, gdyż jest mniejsza ilość jonizacji na jeden odcinek toru Schemat 10. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: wykładu pani Agaty Kowalskiej SPIS TREŚCI

33. Promieniowanie wysoko i niskoletowe powoduje kilka rodzajów złamań: • złamanie pojedyncze • złamanie podwójne • złamanie kompleksowe • Złamania te są naprawiane przez mechanizmy naprawcze: • BER- który reperuje pojedyncze złamania chromosomów - naprawa polega na wycięciu zasady • NHEJ- reperujący podwójne złamania, naprawa ta zachodzi bez utraty jakiejkolwiek informacji genetycznej • HR– także reperujący podwójne złamania • Czas naprawy uszkodzeń zależy od rodzaju złamania: • pojedyncze złamanie reperowane jest w przeciągu 2-10 minut • podwójne złamanie reperowane jest w ciągu 3-10 minut - nazywane jest składaniem szybkim • złamanie kompleksowe reperowane jest w ciągu 40 minut do 4 godzin- jest to składanie wolne Schemat 11. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: wykładu pani Agaty Kowalskiej SPIS TREŚCI

34. ROZKŁAD POISSONA Rozkład Poissona to rozkład dwumianowy, który stosujemy, kiedy występuje duża liczba prób, ale prawdopodobieństwo wystąpienia aberracji jest niewielkie. Możemy dzięki niemu wyznaczyć ilość aberracji za pomocą takiego wzoru: Gdzie: λ – oczekiwana ilość aberracji na komórkę k – liczba aberracji λ obliczyliśmy poprzez wyliczenie średniej ważonej z podanych w Tabeli 3. wartości. Z naszych obliczeń wynika, że λ = 0,77. Tabela 3. Korzystając z powyższego wzoru, dla danego k otrzymaliśmy podane w Tabeli 4. wartości funkcji. Następnie stworzyliśmy wykres podanej wyżej funkcji, który znajduje się na kolejnym slajdzie. Tabela 4. SPIS TREŚCI

35. Wykres 2. Otrzymaliśmy wykres, z którego możemy odczytać prawdopodobieństwo aberracji. Wynika z niego, że prawdopodobieństwo wystąpienia aberracji maleje wraz ze wzrostem ich liczby. SPIS TREŚCI

36. WNIOSKI Celem tych badań było pokazanie tego, że promieniowanie jonizujące w pewnych dawkach nie wpływa szkodliwie na nasz organizm. Ludzie żyjący w miejscach, w których promieniowanie tła jest wysokie wbrew pozorom nie mają wysokiej zachorowalności np. na nowotwory. Jest to spowodowane zjawiskiem, które polega na tym, że jeżeli niewielkie ilości np. aspiryny podawane są codziennie, to jest to korzystne dla organizmu, jednak zbyt wielka dawka wywołuje niekorzystne efekty. Tak samo jest z promieniowaniem, ponieważ jego brak jak i nadmiar powodują śmierć organizmu. Wykazane zostało jednocześnie, że aberracja chromosomowa i reparacja zachodzą nawet wśród zdrowych organizmów, ponieważ są to procesy naturalne, którym podlegamy wszyscy. SPIS TREŚCI

37. OKO • Zmysł wzroku to zdolność układu nerwowego do odbierania bodźców świetlnych i przetwarzania ich w mózgu na wrażenia wzrokowe. Anatomiczną postacią tego zmysłu jest OKO. • Oko zbudowane jest z: • Soczewki wypukłej osłoniętej tęczówką; • Źrenicy (przez którą promienie świetlne wpadają do oka); • Siatkówki (składającej się z fotoreceptorów, rejestrujących docierające do nich światło i poprzez nerw wzrokowy przekazujących tę informację do mózgu). Schemat 12. Budowa oka OPRACOWANE NA PODSTAWIE: Biologia, Vademecum maturalne 2012, Operon, Gdynia 2011; Biologia 2, podręcznik zakres rozszerzony, Operon, Gdynia 2005; e-learningu E-FIZYKA SPIS TREŚCI

38. Rolą soczewki jest skupienie promieni świetlnych w taki sposób, by obraz oglądanego przedmiotu powstał na siatkówce oka. Obraz ten jest rzeczywisty, pomniejszony i odwrócony. Schemat 13. Powstawanie obrazu na siatkówce oka. Soczewka oka wypełniona jest półpłynną substancją i mięśnie oka mogą zmieniać jej kształt, a co za tym idzie, ogniskową. Ta właściwość nazywa się akomodacją. Dzięki akomodacji możemy oglądać ostre obrazy przedmiotów znajdujących się w różnych odległościach od oczu. Świat do góry nogami W pierwszych dniach życia mózg człowieka uczy się widzieć prawidłowy obraz obracając go, aby w późniejszym życiu robić to automatycznie. Oznacza to, że niemowlę widzi świat "postawiony na głowie" i dopiero po pewnym czasie zaczyna widzieć normalnie. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: Biologia, Vademecum maturalne 2012, Operon, Gdynia 2011; Biologia 2, podręcznik zakres rozszerzony, Operon, Gdynia 2005; e-learningu E-FIZYKA SPIS TREŚCI

39. OKIEM FIZYKA SOCZEWKA Na potrzeby fizyki oko można potraktować jako przyrząd optyczny, składający się z soczewki ocznej oraz siatkówki, na której powstaje obraz. Zanim jednak przejdziemy do doświadczeń i zadań związanych z okiem, zapoznajmy się z podstawowymi zagadnieniami budowy i działania soczewki. Ze względu na kształt powierzchni, które ograniczają soczewkę wyróżniamy: Soczewki wypukłe: Soczewki wklęsłe: dwuwypukła płasko-wypukła wypukło-wklęsła dwuwklęsła płasko-wklęsła wklęsło-wypukła OPRACOWANE NA PODSTAWIE: Biologia, Vademecum maturalne 2012, Operon, Gdynia 2011; Biologia 2, podręcznik zakres rozszerzony, Operon, Gdynia 2005; e-learningu E-FIZYKA SPIS TREŚCI

40. Promienie padające na soczewkę wypukłą równolegle do osi optycznej, po przejściu przez soczewkę przecinają oś optyczną w punkcie, który nazywamy ogniskową soczewki (F). Dodatkowo, każda soczewka ma dwa ogniska leżąca na osi optycznej po dwóch różnych stronach w tej samej odległości od soczewki. Odległość od środka soczewki do jej ogniska (F) to ogniskowa soczewki (f). Soczewki wypukłe (schemat X) są soczewkami skupiającymi, jeśli współczynnik załamania materiału (n), z którego je wykonano jest większy od współczynnika załamania otoczenia. Natomiast soczewki wklęsłe (schemat x2) są soczewkami rozpraszającymi, jeśli współczynnik załamania materiały, z którego je wykonano jest większy od współczynnika załamania otoczenia. Odległość dobrego widzenia Obrazy przedmiotów znajdujących się w odległości dobrego widzenia powstają na siatkówce przy rozluźnionych mięśniach soczewki. Odległość ta dla "przeciętnego", zdrowego oka zawiera się w graniach od 20 cm do 25 cm. Jeśli odległość przedmiotu od soczewki oka jest mniejsza, to powstający obraz jest nieostry. Schemat 14. Schemat 15. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: Biologia, Vademecum maturalne 2012, Operon, Gdynia 2011; Biologia 2, podręcznik zakres rozszerzony, Operon, Gdynia 2005; e-learningu E-FIZYKA SPIS TREŚCI

41. Ogniskową soczewki możemy obliczyć, znając promienie krzywizn soczewki oraz współczynniki załamania soczewki i otaczającego ją ośrodka. Związek między tymi wielkościami nazywamy wzorem soczewkowym. Wzór soczewkowy Promieniowi krzywizny soczewki przypisujemy znak plus, jeśli jest to promień krzywizny powierzchni wypukłej lub minus, jeśli wklęsłej. Powierzchni płaskiej przypisujemy nieskończony promień krzywizny, którego odwrotność jest równa 0. Zgodnie z przyjętą umową ogniskowa soczewki skupiającej jest dodatnia, a rozpraszającej – ujemna. Wzór soczewkowy pozwala ustalić, czy soczewka umieszczona w danym ośrodku skupia, czy też rozprasza promienie świetlne. Soczewka jest skupiająca, gdy f > 0, czyli: Soczewka jest rozpraszająca, gdy f < 0, czyli: OPRACOWANE NA PODSTAWIE: Biologia, Vademecum maturalne 2012, Operon, Gdynia 2011; Biologia 2, podręcznik zakres rozszerzony, Operon, Gdynia 2005; e-learningu E-FIZYKA SPIS TREŚCI

42. Równanie soczewki to związek między ogniskową f soczewki a odległością x przedmiotu i odległością y jego obrazu od soczewki. Jeśli w soczewce skupiającej powstaje obraz pozorny (dla x<f), to w miejsce y wstawiamy ujemną wartość liczbową tej wielkości. Dla rozpraszającej soczewki wklęsłej stosujemy takie samo równanie, wstawiając ujemne wartości liczbowe ogniskowej i odległości obrazu od soczewki. Schemat 16. Dla soczewki rozpraszającej lewa strona równania jest ujemna. Stąd dla każdego x > 0 otrzymujemy zawsze ujemne y, co oznacza, że obraz jest pozorny i powstaje po tej samej stronie co przedmiot. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: Biologia, Vademecum maturalne 2012, Operon, Gdynia 2011; Biologia 2, podręcznik zakres rozszerzony, Operon, Gdynia 2005; e-learningu E-FIZYKA SPIS TREŚCI

43. Zdolność skupiająca (Z) to odwrotność ogniskowej soczewki, której jednostką w układzie SI jest dioptria. Zdolność skupiającą układu zbudowanego z n soczewek ułożonych blisko siebie stanowi sumę zdolności skupiających wszystkich soczewek tego układu: Za przykład posłużyć nam może układ dwóch szklanych soczewek umieszczonych w powietrzu (schemat X3). Zdolność skupiająca pierwszej płasko-wklęsłej soczewki wynosi Z1 = - 5D, natomiast soczewka dwuwypukła posiada zdolność skupiającą Z2 = 8 D. Po zsumowaniu obydwu zdolności skupiających elementów układu, otrzymujemy zdolność skupiającą układu. Schemat 17. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: Biologia, Vademecum maturalne 2012, Operon, Gdynia 2011; Biologia 2, podręcznik zakres rozszerzony, Operon, Gdynia 2005; e-learningu E-FIZYKA SPIS TREŚCI

44. Obraz powstający w soczewce może być takiej samej wysokości co przedmiot bądź pomniejszony lub powiększony w stosunku do niego. W związku z tym do opisu obrazów powstających w soczewkach używamy pojęcia powiększenia. Powiększenie to stosunek wysokości obrazu (A’B’) do wysokości przedmiotu (AB). Możemy je wyrazić także jako stosunek odległości obrazu od soczewki (y) do odległości przedmiotu od soczewki (x). Jeśli: p >1 - powstaje obraz powiększony p = 1 - powstaje obraz tej samej wielkości p < 1 - powstaje obraz pomniejszony Schemat 18. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: Biologia, Vademecum maturalne 2012, Operon, Gdynia 2011; Biologia 2, podręcznik zakres rozszerzony, Operon, Gdynia 2005; e-learningu E-FIZYKA SPIS TREŚCI

45. DOŚWIADCZENIE Doświadczenie przeprowadziły: Ola i Martyna Podczas zajęć, korzystając ze zyskanej wiedzy o soczewkach oraz budowie oka, stworzyłyśmy uproszczony model ludzkiego narządu wzroku. Wykorzystałyśmy do tego soczewkę skupiającą (soczewka oczna), kartkę papieru(siatkówka) oraz laser (źródło promieni). Celem naszego doświadczenia było scharakteryzowanie obrazu powstającego na siatkówce oka. Przebieg doświadczenia: Na kartce papieru narysowałyśmy oko, ustawiając w odpowiednim miejscu soczewkę. Następnie dobrałyśmy odległość źródła promieni od soczewki tak, aby obraz powstawał na „siatkówce”. Wynik naszego doświadczenia przedstawia Zdjęcie 1. zamieszone na kolejnym slajdzie. SPIS TREŚCI

46. Zdjęcie 1. WNIOSKI: Za pomocą naszego modelu, potwierdziłyśmy, że obraz powstały na siatkówce jest odwrócony, rzeczywisty oraz pomniejszony, a więc w związku z fizyczną budową oka, widzimy świat do góry nogami i to dopiero nasz mózg, odbierając impuls poprzez nerw wzrokowy, "odwraca" obraz. SPIS TREŚCI

47. WADY WZROKU Z upływem lat zdolność akomodacji soczewki ludzkiego oka zmniejsza się. Pojawiają się problemy z ostrym widzeniem blisko położonych przedmiotów. Ponadto wiele osób cierpi na wrodzone wady wzroku (o podłożu genetycznym), których najpopularniejszym skutkiem jest dalekowzroczność lub krótkowzroczność. Promienie równoległe wpadające do oka krótkowidza są ogniskowane przed siatkówką. Aby obraz powstawał na siatkówce, stosuje się okulary z soczewką rozpraszającą (o ujemnej zdolności skupiającej). Ogniskowa układu soczewek jest większa od ogniskowej soczewki oka. Schemat 19. Oko dalekowidza ogniskuje promienie równoległe za siatkówką. Aby obraz powstawał na siatkówce, stosuje się okulary z soczewką skupiającą (o dodatniej zdolności skupiającej). Ogniskowa układu soczewek jest mniejsza od ogniskowej soczewki oka. Schemat 20. OPRACOWANE NA PODSTAWIE: Biologia, Vademecum maturalne 2012, Operon, Gdynia 2011; Biologia 2, podręcznik zakres rozszerzony, Operon, Gdynia 2005; e-learningu E-FIZYKA SPIS TREŚCI

48. DOŚWIADCZENIE Doświadczenie przeprowadziły: Olai Martyna CEL: ukazanie sposobu powstawania obrazu w oku dalekowidza, a następnie skorygowanie wady wzroku. PRZYRZĄDY: zbudowany przez nas uproszczony model oka oraz soczewka skupiająca. OPIS DOŚWIADCZENIA: Źródło promieni ustawiłyśmy w takiej odległości od naszego modelu oka, aby promienie po przejściu przez soczewkę skupiały się poza siatkówką. W ten sposób ukazałyśmy, w jaki sposób tworzy się obraz w oku dalekowidza. Rezultat tej części naszego doświadczenia przedstawia Zdjęcie 2. Zdjęcie 2. Powstawanie obrazu w oku dalekowidza. SPIS TREŚCI

49. Kolejnym krokiem w naszym doświadczeniu było skorygowanie otrzymanej wady wzroku. W tym celu ustawiłyśmy soczewkę skupiającą przed soczewką oczną naszego modelu, dzięki czemu obraz powstał na siatkówce. Zdjęcie 3. Korekcja dalekowzroczności za pomocą soczewki wypukłej. SPIS TREŚCI

50. DOŚWIADCZENIE Doświadczenie przeprowadziły: Ola, Martyna CEL: ukazanie sposobu powstawania obrazu w oku krótkowidza, a następnie skorygowanie wady wzroku. PRZYRZĄDY: zbudowany przez nas uproszczony model oka oraz soczewka rozpraszająca. PRZEBIEG DOŚWIADCZENIA: Źródło promieni ustawiłyśmy w takiej odległości od naszego modelu oka, aby promienie po przejściu przez soczewkę skupiały się przed siatkówką. W ten sposób ukazałyśmy, w jaki sposób tworzy się obraz w oku krótkowidza, co przedstawia Zdjęcie 4. Zdjęcie 4. Powstawanie obrazu w oku krótkowidza. SPIS TREŚCI