Эволюционная биология II: самоорганизация и эволюция неравновесных систем

Куратор курса: к.б.н., доцент Гусев Виктор Александрович

I. Организационно-методический раздел.
    1.1. Цели и задачи курса.
    1.2. Требования к уровню освоения содержания курса (дисциплины).
    1.3. Формы контроля
II. Содержание дисциплины.
     2.1 Новизна курса.
     2.2 Тематический план курса
     2.3 Содержание отдельных разделов и тем.
     2.4 Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы.
III. Учебно-методическое обеспечение дисциплины.
    3.1. Темы рефератов (курсовых работ).
    3.2 Список основной и дополнительной литературы
    Лекции

I. Организационно-методический раздел.


1.1. Цели и задачи курса:

Дисциплина «Самоорганизация и эволюция неравновесных систем» предназначена для освоения студентами принципов самоорганизации материи.
Основной целью освоения дисциплины является системное изложение современных представлений о молекулярной самоорганизации.
Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса: изложение математических моделей самоорганизации, сопоставление их с известными экспериментами.

[Назад]

1.2. Требования к уровню освоения содержания курса (дисциплины)

По окончании изучения указанной дисциплины студент должен

  • иметь представление о методах исследования неравновесных систем
  • знать первоисточники и научные школы, занимающиеся проблемой самоорганизации
  • уметь строить модели самоорганизующихся систем .

[Назад]


1.3. Формы контроля

Итоговый контроль. Для контроля усвоения дисциплины учебным планом предусмотрен дифференцированный зачет.
Текущий контроль. В течение семестра проводятся коллоквиумы по темам самостоятельно выбранным студентами в объеме курса, либо как дополнительные темы по проблеме самоорганизации. Общее количество коллоквиумов будет определяться числом студентов на кафедре, так как все темы будут обсуждаться в аудитории с активной дискуссией как со стороны преподавателя, так и со стороны студентов. Выполнение указанных видов работ является обязательным для всех студентов, а результаты текущего контроля служат основанием для выставления оценок в ведомость контрольной недели на факультете.

[Назад]

II. Содержание дисциплины.


2.1 Новизна курса

Аналога данного курса на факультете естественных наук в НГУ не существует. Курс является актуальным, так как системное понимание функциональных свойств живых систем невозможно без сопоставления принципов самоорганизации в физических и химических объектах.

[Назад]


2.2 Тематический план курса ( распределение часов).

Наименование разделов и тем

К о л и ч е с т в о ч а с о в
Лекции Семинары Лабораторные работы Самостоятельная работа Всего часов
Введение + 2
Сведения из нелинейной динамики + 2
Диссипативные структуры и явление самоорганизации + 2
Самоорганизация и подстройка живых систем к внешним факторам + 2
Модели происхождения жизни + 2
Итого по курсу: 5 10

[Назад]


2.3 Содержание отдельных разделов и тем.

Введение: понятие системы, определение сложности системы; структурная и функциональная иерархии; понятия устойчивости и неустойчивости систем, диссипативного (динамического) и статистического хаоса; иерархия уровней взаимодействия внутри системы, взаимодействие среда — система.

Сведения из нелинейной динамики: симметрия и законы сохранения, неустойчивость как причина нарушения симметрий, диссипация и необратимость в динамических системах; нелинейный осциллятор, вращающийся маятник, лазер – примеры нарушения симметрии; основные понятия теории устойчивости: устойчивость равновесных состояний, устойчивость стационарных состояний – линейная область, устойчивость стационарных состояний – нелинейная область, классификация особых точек (стационарных состояний системы) и поведение системы вблизи них.

Диссипативные структуры и явление самоорганизации: конвективная неустойчивость в физических системах Бенара и Тейлора и самоорганизация структурированных потоков в жидкости; неустойчивость и самоорганизация в химических реакциях, реакция Белоусова — Жаботинского, автоколебательные режимы ферментативных реакций: гликолиз, модель  Жакоба-Моно регуляции с положительной и отрицательной обратными связями lacи trpоперонов; модель хищник-жертва Лотки — Вольтерра; примеры самоорганизации микробных сообществ Dictyostellium discoideum и колоний общественных насекомых.

Самоорганизация и подстройка живых систем к внешним факторам: биоритмы как способ синхронизации биохимических процессов живых систем с циклическими природными процессами: циркадный,  циркадианный ритмы и их обусловленность суточным вращением Земли; около 28-ми суточный лунный и солнечный ритмы; сезонные ритмы; 11-ти летний и глобальные геологические ритмы в эволюции биоты.

Модели происхождения жизни: в чем принципиальное отличие живой системы от неживой? возможна ли самоорганизация неживой материи до уровня живой? универсальны ли принципы организации жизни в наблюдаемой Вселенной? почему генетический код един для всей биоты Земли? «есть ли жизнь на Марсе» и почему важен прецедент обнаружения внеземной жизни?; исторический экскурс – гипотезы самозарождения, панспермии и естественного происхождения; экспериментальные методы обнаружения простейших внеземных форм в Солнечной системе и интеллектуальной деятельности высших форм в масштабах галактики, проект SETI; способна ли современная наука объяснить феномен жизни?

[Назад]


2.4 Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы.

  1. В чем заключается принципиальное отличие живых систем от неживых, перечислить несколько возможных определений живого с точки зрения студента.
  2. Общее представление о генетическом коде и его семантические (арифметические и топологические) особенности.
  3. Что такое хиральность молекул, каковы особенности хиральной структуры молекул, входящих в состав нуклеиновых кислот и белков, почему именно эти полимеры, входящие в состав живых систем, должны обладать гомохиральностью, то есть состоять из одних и тех же зеркальных форм мономеров.
  4. Как определить сложность системы, привести примеры.
  5. Что такое детерминированный хаос, его отличие от статистического, привести примеры описания детерминированного хаоса в терминах дифференциальных и разностных уравнений.
  6. Как, используя аналитические методы синергетики, можно предсказывать динамику хаотических систем.
  7. Современные методы поиска простейших форм жизни в ближнем и высокоорганизованных в дальнем Космосе.

[Назад]

III. Учебно-методическое обеспечение дисциплины.


3.1. Темы рефератов (курсовых работ).

Темы рефератов вариабельны в зависимости от профилированности образования студентов – матфак, физфак, ФЕН. Основное требование – темы курсовых работ должны отражать современную проблематику живых систем.

[Назад]


3.2 Список основной и дополнительной литературы:

  1. Баблоянц А. Молекулы, динамика, жизнь. М.: Мир, 1990.
  2. Бернал Дж. Возникновение жизни. М.: Мир, 1969.
  3. Бутенин Н.В., Неймарк Ю.И., Фуфаев Н.А. Введение в теорию нелинейных колебаний. М.: Наука, 1987.
  4. Волькенштейн М.В. Молекулярная биофизика. М.: Наука, 1975.
  5. Гласс Л., Маки М. От часов к хаосу. М.: Мир, 1991.
  6. Ичас М. Биологический код. М.: Мир, 1971.
  7. Кибернетика живого. Биология и информация. М.: Наука, 1984.
  8. Лоскутов А.Ю., Михайлов А.С. Введение в синергетику. М.: Наука, 1990.
  9. Николис Дж. Динамика иерархических систем. Эволюционное представление. М.: Мир, 1989.
  10. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979.
  11. Пригожин И. От существующего к возникающему. М.: Наука, 1985.
  12. Проблемы поиска жизни во Вселенной. /Отв. Ред. Амбарцумян В.А.. М.: Наука, 1986.
  13. Пригожин И.Р., Стенгерс И. Время, хаос, квант. М.: Прогресс, 1994.
  14. Рис Э., Стенберг М. От клеток к атомам. М.: Мир, 1998.
  15. Уинфри А.Т. Время по биологическим часам. М.: Мир, 1990.
  16. Хоровиц Н. Поиск жизни в солнечной системе. М.: Мир, 1988.
  17. Хакен Г. Информация и самоорганизация. Макроскопический подход к сложным системам. М.: Мир,1991.
  18. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. М.: Наука, 1976.
  19. Эбелинг В., Энгель А., Файстель Р. Физика процессов эволюции. М.: УРСС, 2001.

[Назад]

Лекции

Введение

Лекция №1 (+Комментарии)

Лекция №2 (+Комментарии)

Лекция №3

Лекция №4 (+Дополнения)

[Назад]