- •1. Рекомендации по организации самостоятельного изучения курса
- •2. Тематический план дисциплины
- •3. Методические рекомедации по изучению курса План семинара № 1
- •Наука и научно-техническая революция (4 часа)
- •Основная литература:
- •Дополнительная литература:
- •План семинара № 2
- •Основная литература:
- •Дополнительная литература:
- •План семинара № 3
- •Основная литература:
- •Дополнительная литература:
- •Методические рекомендации
- •Основная литература:
- •Дополнительная литература:
- •План семинара № 5
- •Дополнительная литература:
- •План семинара № 6
- •Методические рекомендации
- •Основная литература:
- •Дополнительная литература
- •План семинара № 7
- •Основная литература:
- •Дополнительная литература:
- •План семинара № 8
- •И человеческом поведении (4 часа)
- •Методические рекомендации
- •Основная литература:
- •Дополнительная литература:
- •4. Вопросы для повторения курса и подготовки к зачету
- •Содержание
- •129366, Москва, ул. Бориса Галушкина, 4
Дополнительная литература:
Аршинов В.И. Синергетика как феномен постнеклассической науки. - М.: ИФ РАН, 1999.
Данилов Ю. Синергетика – лицом к человеку // Знание – сила. 2008. №11.
Дапрен Г. Грядущая цифровая война. Оружие против кибератак // Популярная механика. 2008. № 11.
Коваленко А. Зачем оно нам, нано? // Знание – сила. 2008. № 8.
Леенсон И.А. Почему и как идут химические реакции. – М.: Просвещение, 1995.
Малинецкий Г. Пределы синергетики // Знание – сила. 2008. № 11.
Рузавин Г.И. Самоорганизация и организация в развитии общества // Вопросы философии. 1995. № 8.
Чирков Ю. Ещё раз о синергетике // Знание – сила. 2008. № 11.
План семинара № 6
по теме: Основные проблемы биологии и экологии (4 часа)
1. Предмет биологии, её структура и этапы развития
2. Химические основы жизни. Принципы эволюции, воспроизводство и
развитие живых систем
3. Многообразие живых организмов - основа организации и
устойчивости биосферы. Биосфера и космические циклы
4. Закономерности существования и развития экосистем. Экология и
здоровье человека
Цель занятия: слушатели должны: знать основные положения биологии о живом, его строении, формах активности, природных сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Уяснить взаимосвязь и взаимозависимость биосферы, всего органического мира и человека. Рассмотреть пути решения глобальных экологических проблем, стоящих перед человечеством.
Методические рекомендации
Рассматривая первый вопрос, следует показать, что человек еще в древних цивилизациях стал изучать и систематизировать живые организмы. Покажите, что биология -- целый комплекс наук о живой природе, обладающий определенной структурой. Расскажите, на какие отрасли знания подразделяется биология (по объектам исследования, по свойствам проявления живого, по уровню организации исследуемых живых объектов)
Биология (от греч. bios -- жизнь) -- совокупность наук о живой природе -- об огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.
.Обратите внимание на основные разделы биологии. Так ещё со школы мы привыкли к делению биологии на ботанику (от греч. botane -- трава, растение) и зоологию: первая изучает растения, вторая -- животных. Однако в 20-м веке было открыто и стало интенсивно исследоваться новое царство -- царство вирусов, в связи с чем появилась наука вирусология. Появление этой науки в начале 20-го века во многом обязано деятельности русского физиолога Д.И. Ивановского (1864 -- 1920). Также особо выделяют микологию (от греч. mykes -- гриб) -- науку, изучающую грибы, поскольку грибы, ранее считавшиеся растениями, теперь также выделены в особое царство.
Наконец, последняя наука из этого ряда -- микробиология, изучающая микроорганизмы (прежде всего, бактерии), которые занимают промежуточное положение между животными и растениями.
Морфология (от греч. morphe -- форма) -- наука о форме и строении организмов. Выделяют морфологию растений, животных и человека.
Анатомия (от греч. anatome -- рассечение) -- наука о строении (преимущественно внутреннем) организма. Различают анатомию животных и анатомию растений. Эмбриология -- наука о предзародышевом развитии (образование половых клеток), оплодотворении, зародышевом и личиночном развитии организма. Гистология (от греч. histos, histion -- ткань) -- наука о тканях многоклеточных животных и человека.
Цитология (от греч. kytos -- вместилище, здесь клетка) -- наука о клетке. Если морфология исследует законы строения организмов, то законы их функционирования изучает физиология (от греч. physis -- природа) -- наука о жизнедеятельности целостного организма и его отдельных частей — клеток, органов, функциональных систем.
. Этология (от греч. ethos -- обычай, нравственный характер), изучает поведение животных в естественных условиях.
Экология (от греч. oikos -- дом, жилище, местопребывание) -- наука об отношениях живых организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой.
Палеонтология (от греч. palaios -- древний) -- наука о вымерших растениях и животных (сохранившихся в виде ископаемых остатков, отпечатков и следов их жизнедеятельности).
Открытие законов наследования Г. Менделем (1822 – 1884) заложило научно-экспериментальные основы генетики (от греч. genesis -- происхождение), науки о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими.
Биохимия изучает входящие в состав организмов химические вещества, их структуру, распределение, превращения и функции.
Биофизика исследует физические и физико-химические явления в живых организмах, структуру и свойства биополимеров, влияние различных физических факторов на живые системы.
Еще одной наукой, возникшей на стыке, является бионика -- синтез биологических и технических знаний. Она изучает особенности строения и жизнедеятельности организмов для создания новых приборов, механизмов, систем и совершенствования существующих.
К числу прикладных биологических наук можно отнести медицину (лат. medicina, от medicus -- врачебный, лечебный) -- область науки и практической деятельности, направленные на сохранение и укрепление здоровья людей, предупреждение и лечение болезней. Современные прикладные отрасли биологии: генная инженерия, возникшая в 70-е годы на основе молекулярной биологии отрасль, нацеленная на конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов; биотехнология -- с ее развитием связывают решение глобальных проблем человечества -- ликвидацию нехватки продовольствия, энергии, минеральных ресурсов, улучшение состояния здравоохранения и качества окружающей среды.
Рассматривая второй вопрос, обратите внимание, что биохимия занимает особое место в развитии науки в ХХ веке. Имея множество ответвлений и областей в своём составе, она вовлекла в себя методы классической биологии, генетики, физики, что позволило совершить колоссальный рывок в изучении не только живых организмов, но и принципов организации жизни в целом. Немалая её заслуга в том, что ХХ век стали иногда называть „веком биологии“. Было объяснено наиболее загадочное и, вместе с тем, основополагающее свойство живой материи: способность к воспроизведению себе подобного. Основными направлениями исследований современной биохимии и биологии в целом стали изучение молекулярной структуры вещества, в котором записана генетическая информация, механизмов воспроизведения информации в поколениях, и механизмов её реализации через биосинтез белков. Правильное понимание сути этих исследований оказалось критичным для моделирования возникновения жизни. Поэтому следует разобрать основную терминологию и понятия современной биохимии.
Все процессы, протекающие в живых организмах, являются следствием сложнейшего комплекса множества взаимозависимых химических реакций. Нам будут наиболее интересны те из них, которые являются неотъемлемыми для существования любого организма. Это:
репликация (процесс копирования генетической информации)
трансляция (процесс её реализации, т. е. синтез различных белков, структура которых определяется структурой их генов).
Сегодня учёные считают, что нечто, называемое жизнью, должно отвечать нескольким условиям. Жизнь -- это обязательно процесс, то есть функционирование за счёт обмена веществом и энергией с окружающей средой. Живые объекты способны к размножению и воспроизведению себе подобных. Наконец, все живые объекты способны к прогрессивной эволюции в сообществе таких же объектов благодаря наличию у них биологической памяти, способной запоминать признаки, благоприобретённые в ходе естественного отбора по Ч. Дарвину.
Причём должна выполняться вся совокупность условий -- любое из них в отдельности не делает объект живым. Таким образом, несмотря на то, что все процессы в живых организмах -- химические, однако взятая отдельно химическая реакция не является жизнью, так же как и „воспроизведение“ себе подобных. Например, рост кристаллов есть не что иное, как саморепликация подобных соединений и структур. Но это не жизнь. Простой обмен со средой веществом и энергией тоже не есть жизнь.
Изучая принципы эволюции, обратите внимание, что жизнь представляет собой особую форму существования и движения материи с двумя характерными признаками: самовоспроизведением и регулируемым обменом веществ с окружающей средой. Все современные гипотезы происхождения жизни и попытки её моделирования «в пробирке» исходят из этих двух фундаментальных свойств живой материи. Экспериментально удалось установить основные этапы, по которым могла возникнуть жизнь на Земле: синтез простых органических соединений, синтез полимеров, близким к нуклеиновым кислотам и белкам, образование первичных живых организмов (протобионтов). Собственно биологическая эволюция начинается с образования клеточной организации и в дальнейшем идет по пути совершенствования строения и функций клетки, образования многоклеточной организации, разделения живого на царства растений, животных, грибов с последующей их дифференциацией на виды.
Из всего этого следует один заранее неочевидный, но очень важный вывод: что появление жизни на основе именно РНК и ДНК предопределено. То есть других форм жизни появиться не могло. И значит, РНК и ДНК образуются на любой планете, геологическая история которой сходна с историей Земли
Большое внимание следует уделить клетке. Расскажите о механизме управления клеткой. Расскажите о вирусах, прокариотах, эукариотах, ДНК, РНК. Дайте характеристику основным уровням организации живого: молекулярно-генетическому, онтогенетическому, популяционно-видовому, биоценотическому.
Рассматривая этот вопрос, следует объяснить причины особого познавательного интереса к проблемам эволюции и возникновения жизни на Земле. Расскажите, что такое креационизм, самопроизвольное зарождение, в чем смысл теории стационарного состояния. Расскажите о появлении жизни на Земле и спорах в современной науке по этому вопросу. В чем смысл теории занесения на нашу планету жизни извне (панспермия). Следует рассказать о концепциях развития применительно к биологии, о теории эволюции Ж.Б. Ламарка и катастроф Ж. Кювье.
Рассматривая третий вопрос, обратите внимание, что огромное видовое разнообразие живых организмов обеспечивает постоянный режим биотического круговорота. Каждый из организмов вступает в специфические взаимоотношения со средой и играет свою роль в трансформации энергии. Это сформировало определенные природные комплексы, имеющие свою специфику в зависимости от условий среды в той или иной части биосферы. Живые организмы населяют биосферу и входят в тот или иной биоценоз -- пространственно ограниченные части биосферы -- не в любом сочетании, а образуют определенные сообщества из видов, приспособленных к совместному обитанию. Такие сообщества называются биоценозами.
Особой сложностью отличаются отношения между хищником и жертвой. С одной стороны, хищники, уничтожая домашних животных, подлежат истреблению. С другой -- хищники необходимы для поддержания экологического равновесия («Волки -- санитары леса»).
Процесс закономерного изменения биоценоза называется сукцессией. Сукцессия -- это последовательная смена одних сообществ организмов (биоценозов) другими на определенном участке среды.
В ходе естественного отбора в составе биоценоза неизбежно сохраняются лишь те виды организмов, которые могут наиболее успешно размножаться именно в данном сообществе
Таким образом:
1. Устойчивость биосферы в целом, ее способность эволюционировать определяется тем, что она представляет собой систему относительно независимых биоценозов.
2. Биосфера представляет собой иерархически построенное единство, включающее следующие уровни жизни: особь, популяция, биоценоз, биогеоценоз. Каждый из этих уровней обладает относительной независимостью, и только это обеспечивает возможность эволюции всей большой макросистемы.
3. Многообразие форм жизни, относительная устойчивость биосферы, как среды обитания и жизни отдельных видов, создают предпосылки для морфологического процесса, важным элементом которого является совершенствование реакций поведения, связанных с прогрессивным развитием нервной системы. Сохранились лишь те виды организмов, которые в ходе борьбы за существование стали оставлять потомство, несмотря на внутренние перестройки биосферы и изменчивость космических и геологических факторов.
Распределение живого вещества
«Быть живым, -- отмечал В.И. Вернадский, -- значит, быть организованным». На протяжении миллиардов лет существования биосферы организованность создается и сохраняется благодаря деятельности живых организмов.
Если живое вещество равномерно распределить по поверхности нашей планеты, то оно покроет ее слоем всего в 2 см толщиной.
Химический состав элементов живого вещества нашей планеты характеризуется преобладанием немногих элементов: водород, углерод, кислород, азот являются главными элементами земного живого вещества и поэтому названы биофильными. Атомы их создают в живых организмах сложные молекулы в сочетании с водой и минеральными солями.
Согласно современным оценкам, на Земле существует около 3 млн видов организмов, из которых на долю растений приходится 500 тысяч видов, а на долю животных -- 2,5 млн видов.
Живое вещество, по В.И. Вернадскому, «растекается по земной поверхности и оказывает определенное давление на окружающую среду, обходит препятствия, мешающие его продвижению, или ими овладевает, их покрывает». Внутренняя энергия, производимая жизнью, проявляется в переносе химических элементов и в создании из них новых тел. По мнению В.И. Вернадского, геохимическая энергия жизни выражается в движении живых организмов путем размножения, идущего в биосфере непрерывно. Размножение организмов производит «давление жизни», или «напор жизни». В этой связи между организмами возникает борьба за площадь, питание и в особенности «за газ», нужный для дыхания свободный кислород.
При этом происходит биогенная миграция атомов: атомы, захваченные растениями, переходят к травоядным животным, затем -- к хищникам, которые питаются травоядными. Мертвые растения и животные служат пищей для микроорганизмов, а выделяемые микроорганизмами в результате жизнедеятельности минеральные вещества снова потребляются растениями. Из этого биологического круговорота выпадает лишь небольшой процент атомов. Эти вышедшие из жизненного процесса биогенные атомы попадают в косную (неживую) природы, тем самым играя огромную роль в истории биосферы.
Жизнь на Земле невозможна без круговорота веществ. Аккумуляция и минерализация происходит в биоценозах. Основной круговорот углерода состоит в превращении углекислого газа в живое вещество, из которого при разложении бактериями и дыханием он образуется вновь.
Круговорот азота связан с превращением в нитраты молекулярного азота атмосферы за счет деятельности некоторых бактерий и энергии грозовых разрядов. Нитраты усваиваются растениями. В составе их белков азот попадает к животным, а после отмирания растений и животных -- в почву, где гнилостные бактерии разлагают органические остатки до аммиака, который затем окисляется бактериями в азотную кислоту. Таким образом, накопление химических элементов в живых организмах и освобождение их в результате разложения мертвых -- характерная особенность биогенной миграции.
Обновление биомассы на суше происходит в среднем за 15 лет, причем для лесной растительности эта величина значительно больше, а для травянистой -- значительно меньше. В океане общая масса живого вещества обновляется в среднем через каждые 25 дней. Обновление всей биомассы Земли осуществляется за 7-8 лет.
Количество биомассы живого вещества приобретает тенденцию к определенному постоянству. Это достигается тем, что в природе есть противоположная направленность процессов.
Функции живого вещества в биосфере Земли
Функции живого вещества в атмосфере Земли довольно разнообразны. В.И. Вернадский выделял пять таких функций:
1. Газовая функция. Осуществляется зелеными растениями. Для синтеза органических веществ растения используют углекислый газ, выделяя при этом в атмосферу кислород. Весь остальной органический мир использует кислород в процессе дыхания и пополняет при этом запасы углекислого газа в атмосфере. По мере увеличения биомассы зеленых растений изменяется газовый состав атмосферы: снижается содержание углекислого газа и увеличивается концентрация кислорода. Таким образом, живое вещество качественно изменило состав атмосферы -- геологической оболочки Земли.
2. С газовой функцией тесно связана окислительно-восстановительная функция. В процессе своей жизнедеятельности и после своей гибели организмы, обитающие в разных водоемах, регулируют кислородный режим и тем самым создают условия, благоприятные для растворения ряда металлов, что приводит к образованию осадочных пород.
3. Концентрационная функция проявляется в способности живых организмов накапливать различные химические элементы, например, в таких растениях-накопителях, как осока, хвощ, содержится много кремния. Благодаря осуществлению концентрационной функции живые организмы создали многие осадочные породы: залежи мела, известняка и т.п.
4. Биохимическая функция связана с ростом, размножением и перемещением живых организмов в пространстве. Размножение приводит к быстрому распространению живых организмов и расползанию живого вещества в разные географические области.
5. Биохимическая деятельность охватывает все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства и бытовых потребностей человека.
Особое внимание обратите на взаимосвязь космоса и живой природы. Каково влияние космоса на человеческое общество? Рассмотрите идеи космизма, выраженные в творчестве выдающихся ученых, философов, писателей и художников В.В. Докучаева, В.И. Вернадского, К.Э. Циолковского, А.Л. Чижевского, Л.Н. Гумилева, С.П. Королева, Н.Ф. Федорова, В.С.Соловьева, А. Белого, А.В. Сухово-Кобылина и др.
Рассматривая четвёртый вопрос, обратите внимание на факторы, определяющие устойчивость и развитие экосистем.
Понятие "экосистема" введено английским ботаником А.Тенсли (1935), который обозначил этим термином любую совокупность совместно обитающих организмов и окружающую их среду. По современным представлениям экосистема -- это основная структурная единица биосферы, т.е. взаимосвязанная единая функциональная совокупность живых организмов и среды их обитания, или уравновешенное сообщество живых организмов и окружающей неживой среды.
Установлено три принципа устойчивого развития экосистем:
1. В естественных экосистемах использование ресурсов и избавление от отходов осуществляется в рамках круговорота всех элементов (в городах этот процесс нарушается, когда чуждые природе вещества накапливаются на свалках и разрывают круговорот веществ).
2. Экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду солнечной энергии, количество которой постоянно и избыточно (в городах в основном используется дополнительная энергия, получаемая за счет сжигания ископаемых углеводородов).
3. На конце длинных пищевых цепей не может быть большой биомассы (отсюда вытекает предел численности жителей в экосистеме, нарушенный в городах, где происходит неконтролируемый рост населения).
Известный эколог Коммонер свел главные принципы и закономерности существования экосистем к четырем "экологическим императивам", которые в строгом смысле не являются законами, но понятно и образно описывают экологическую среду:
Все связано со всем -- изменение одного из элементов системы вызывает количественные и качественные перемены как в ее функциях и структуре, так и в других элементах.
Все куда-то попадает -- абсолютно безотходное производство невозможно.
Природа знает лучше -- при попытке улучшить природные системы, мы легко наносим им непоправимый вред.
Ничто не дается даром -- любая экосистема представляет собой единое целое; все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено.
Конечно, не следует думать, что природу вообще трогать нельзя. Человеку для того и дан разум, чтобы тщательно взвешивать последствия своих действий исходя из законов экологии, и стремиться не только к тому, чтобы компенсировать недостатки, а чтобы свести к минимуму ущерб. Совсем без ущерба для природы человек обойтись не может.
Экосистемы могут быть разных размеров, например, глобальная экосистема -- это биосфера, а экосистема муравейника -- это микроэкосистема. В отличие от биогеоценозов экосистемы не имеют достаточно четких границ, хотя по содержанию и близки к ним. В этом отношении город скорее экосистема, хотя экосистема необычная, очень сильно отличающаяся от природных экосистем. Урбанизованные образования находятся в весьма сложных отношениях с биосферой. С одной стороны, в городах живут люди, животные, существует растительность. Все это связано между собой, следовательно, город можно считать экосистемой. С другой стороны, многие исследователи полагают, что если города -- организмы, то их следует считать "паразитами" биосферы. Этот вопрос весьма сложен, и развивать его целесообразно, рассмотрев сначала город как сложную систему, взаимодействующую с различными геосферами и, в особенности с литосферой, гидросферой и атмосферой. Экосистемы имеют собственные законы сложения, функционирования и развития. Длительность существования каждой экосистемы поддерживается, прежде всего, за счет общего круговорота веществ, осуществляемого продуцентами, консументами и редуцентами, и постоянного притока солнечной энергии. Именно эти два глобальных явления обеспечивают ей высокую способность противостоять воздействию постоянно меняющихся условий внешней среды.
Консументы - организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию, питаясь живыми организмами -- продуцентами или другими консументами.
Редуценты -- организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию питаясь останками мертвых организмов (животных, растений). Устойчивость экосистемы обеспечивается также биологическим разнообразием и сложностью связей организмов, входящих в ее состав. В богатых видами экосистемах у консументов есть возможность избирать разные виды пищевых объектов и в первую очередь -- наиболее массовые. Если потребляемый пищевой объект становится редким, то консумент переключается на питание другим видом, а первый, освобожденный от пресса выедания, постепенно будет восстанавливать свою численность. Благодаря такому переключению поддерживается динамическое равновесие между пищевыми ресурсами и их потребителями и обеспечивается возможность их длительного сосуществования. Таким образом, процесс саморегуляции экосистемы проявляется в том, что все разнообразие ее населения существует совместно, не уничтожая полностью друг друга, а лишь ограничивая численность особей каждого вида определенного уровня.
Важным фактором стабилизации экосистемы является генетическое разнообразие особей популяций. Изменение условий внешней среды может вызвать гибель большинства особей популяции, адаптированных к прежним условиям существования. Поэтому чем более генетически разнородной является та или иная популяция экосистемы, тем больший шанс у нее иметь организмы с задатками, ответственными за появление признаков и свойств, позволяющих выжить и размножаться в новых условиях и восстановить прежнюю численность популяции.
Обратите внимание, что здоровье человека во много зависит от уровня загрязнения окружающей его среды, условий его работы и здорового образа жизни.