«Авторская программа Интегрированный курс дополнительного образования детей по биологии и смежным естественным наукам (5 лет обучения) для учащихся 6-10 классов Рук. авторского коллектива - И.Л.Окштейн, зав. ...»

Различия в жизненных циклах животных и растений: что дает существование гаметофита и спорофита растениям. Развитие семени. Тотипотентность растительной клетки.

8.КЛЕТОЧНЫЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ.

В основе различий между тотипотентной и дифференцированной клеткой лежат процессы экспрессии генов. Регуляция экспрессии генов в клетке на уровне транскрипции, трансляции и модификации белка; известные пути регуляции экспрессии генов в клетке. Ооплазматическая сегрегация и эмбриональная индукция как возможные пути создания условий для дифференцировки клеток. Теория физиологических градиентов, теория эмбриональных полей, описание регенерации конечностей амфибий в терминах этих теорий.

9. ГЕНЕТИКА РАЗВИТИЯ.

Современное представление о роли экспрессии генов в развитии животных и растений. За развитие отвечают гены, кодирующие регуляторные белки. Строение регуляторных генов и их сходство у разных типов организмов.

10. ЭКЗАМЕН ПО КУРСУ (в форме решения творческих задач).

1. Биологические макромолекулы: общее строение. Полимеры и мономеры. Нуклеиновые кислоты, белки, сахара, липиды.

2. Строение клетки. Мембрана: Свойства воды, гидрофобные взаимодействия. Детергенты. Сигнальные каскады в мембранах: как клетка реагирует на внешние раздражители (взаимодействие рецепторов с сигнальными системами). G-белки, киназные каскады). Примеры: EGF, интерферон гамма.

3. Ядро: внутренняя и внешняя мембраны, ламина, ядрышко, ядерный матрикс, поры. Эу- и гетерохроматин. Генетическая информация. Упаковка ДНК: уровни организации (гистоны, нуклеосомы, соленоид, домен, митотическая хромосома).

4. Репликация (краткое повторение пройденного, модель тромбона, отличия репликации у про- и эукариот, теломераза (обсуждение проблемы репликации 3-концов)). Митоз. Микротрубочки, центриоли. Фазы митоза, участие цитоскелета.

Клеточный цикл, его фазы (G1, G2, S-фазы). Микротрубочки и центриоли в этих фазах. Цитоскелет. Тубулин. Движение клетки. Актиновые филаменты (строение и функции тропомиозина и тропонина, миозиновые филаменты, кальций-зависимое взаимодействие актиновых и миозиновых филаментов). Пространственная организация актомиозина в различных клетках. Кальмодулин. Депонирование и высвобождение ионов кальция из депо в скелетных мышцах позвоночных.

5. Генетическая информация. Принципы кодирования, свойства генетического кода.

Отклонения от универсального генетического кода. Гены (открытые рамки считывания). Транскрипция (промотор, инициация, элонгация, терминация, три вида РНК-полимераз, их особенности). Регуляция транскрипции. Строение эукариотических генов, интроны и экзоны, зачем это может быть нужно. Созревание РНК (сплайсинг и процессинг, полиаденилирование, кэпирование, альтернативный сплайсинг (пример – определение пола у эмбриона дрозофилы, образование разных типов антител (мембран-связанные и растворимые)), редактирование).

«Жизнь и смерть» мРНК в клетке.

6. Трансляция. Строение эукариотической рибосомы. рРНК, тРНК, строение этих молекул. Гипотеза “качания” тРНК. Не - Уотсон-Криковские взаимодействия нуклеотидов. Присоединение аминокислоты к тРНК. Инициация трансляции. Последовательность событий при кэп-зависимой инициации. Кэп-независимая инициация (IRES).

7. Элонгация трансляции. Терминация. Регуляция трансляции. Регуляция на стадии инициации (на примере регуляции синтеза ферритина). Последовательность Козака. Альтернативный старт. Регуляция на стадии элонгации. Программируемый фрэйм-шифтинг (пример – RF-2). Терминация. Альтернативная терминация.

Дрожжевой прион как возможный вариант регуляции терминации.

8. Укладка полипептидной цепочки в пространстве после синтеза. Существование альтернативных конформаций. Шепероны. Перемещение белка по мембранным структурам (котрансляционный транспорт в ЭПР, модификация в ЭПР, сортинг).

Эндо- и экзоцитоз. Клатрин. Деградация белка в клетке. Лизосомы, убиквитин-зависимая деградация (протеосомы).

9. Митохондрия. Строение. Полуавтономность митохондрий: ДНК и аппарат трансляции, какие бывают митохондрии, транспорт веществ через митохондриальные мембраны.

10.Функции митохондрий (функционирование клетки как полузакрытой системы, энергия, макроэрги, дыхание: гликолиз, цикл Кребса, окислительное фосфорилирование). Строение дыхательной цепи. Транспорт электронов и синтез АТФ. Разобщение окислительного фосфорилирования. «Бурый жир» и его функции.

11.Консультация и экзамен.

1. Свет: волны или частицы? Отражение, поглощение, преломление света. Спектры.

Линза. Фокусное расстояние. Построение изображения с помощью линзы.

2. Скорость света в различных средах. Физический смысл коэффициента преломления. Дифракция света. Дифракционная решетка. Рентгеноструктурный анализ – механизм получения изображения. Принципы расшифровки рентгенограмм.

Примечание. Этот курс читается в последнем учебном цикле, поэтому экзамен по нему сдается во внеучебное время, в последние два дня Школы, специально отведенные на экзамены, в том числе – пересдачи.

2. Задачеобразующие идеи элементарной математики Цель курса: ознакомление школьников с языком как объектом научного исследования, а также с основами науки о языке. Пробуждение интереса к лингвистике.

Связь с другими курсами: курс автономен.

1. Что такое язык? Язык как коммуникативная система. Языковой знак: означающее и означаемое.

2. Свойства языка и природа языковых изменений. Избыточность в языке.

3. Разделы лингвистики, уровни языка. Понятие системы как такой совокупности элементов, где каждый элемент получает свою качественную определенность через противопоставление другим элементам. Классификация. Фонетика. Понятие об артикуляции.

4. Классификация гласных и согласных фонам русского языка по артикуляторным признакам. Экспериментальное определение места образования звуков.

5. Грамматика как обязательность выражения определенных значений в языке.

Взаимосвязь морфологии и синтаксиса.

6. Общие сведения об устройстве грамматических систем различных языков.

7. Экзамен: 2 лингвистических задачи.

Цель курса. Ознакомление с принципами математического моделирования в биологии, характером поведения динамических систем, а также с понятиями хаоса и фракталов применительно к динамическим системам. Курс важен для понимания популяционной экологии.

1. Математические модели, описывающие динамику численности популяции: определение мат. моделей, регрессионные модели, модели динамики численности популяции (Мальтуса, Ферхгюльста), модели с запаздыванием, дискретные модели.

2. Математические модели взаимодействия 2-х видов. Качественное исследование моделей: типы взаимодействия популяций и модели, их описывающие; понятие фазовой плоскости, фазового портрета; понятие устойчивости, стационарного состояния; определение устойчивости динамической системы, описываемой 1 дифференциальным уравнением; определение устойчивости динамической системы, описываемой 2 дифференциальными уравнениями; типы особых точек.

3. Триггерные системы. Автоколебания: понятие триггерной системы, типы переключения триггеров, примеры триггеров, автоколебания, предельные циклы, примеры автоколебательных процессов.

4. Распределенные биологические и химические системы: определение и примеры, уравнения с диффузией, типы структур и процессов, наблюдаемых в распределенных системах, реакция Белоусова- Жаботинского, полосатая и пятнистая раскраска животных.

5. Динамический хаос, понятие фракталов: типы динамических систем и их установившихся состояний, понятие динамического хаоса, примеры хаотических систем, переход к хаосу, бифуркационная диаграмма, странный аттрактор, фрактальная размерность, фрактальные структуры в математике и природе.

6. Консультация по сложным темам.

7. Устный экзамен. Список вопросов:

• Математические модели и их типы.

• Регрессивная модель.

• Непрерывные модели численности популяции.

• Дискретные модели численности популяции.

• Модели взаимодействия 2-х популяций.

• Стационарная точка. Фазовая плоскость.

• Принципы определения устойчивости стационарного состояния.

• Типы особых точек на фазовой плоскости, их устойчивость.

• Предельные циклы.

• Распределенные системы, примеры.

• Диссипативные системы, примеры.

• Странный аттрактор.

• Фракталы.

Цель курса. Введение школьников в «настоящую» современную зоологию, тесно переплетенную с теорией эволюции и базирующуюся на морфо-физиологических представлениях.

Задачи курса:

• Продемонстрировать основные положения современной эволюционной теории на материале эволюции хордовых.

• Продемонстрировать, как «работает» морфо-функциональный подход при решении задач реконструкции хода эволюционного процесса.

• Создать возможность для перехода школьников, по окончании ВЛЭШ, к самостоятельной исследовательской деятельности в области зоологии позвоночных и теории эволюции 1. Предмет палеонтологии и основные вехи ее истории. Принцип актуализма Лайеля. Неполнота палеонтологической летописи. Значение палеонтологии для эволюционной теории. Общие признаки типа хордовых. Специфика локомоции хордовых. Положение хордовых в системе животного царства. Регуляционный онтогенез.

1. Низшие хордовые. Ланцетник как «модель» хордового животного. Примитивные (плезиоморфные) и уникальные (апоморфные) признаки ланцетника. Особенности оболочников. Филогенетическое значение низших хордовых. Отличия позвоночных от низших хордовых. Головной мозг, парные специализированные органы чувств, череп, сердце, почки. Принципиальная взаимосвязь всех этих особенностей. Понятие ароморфоза. Модусы эволюции таксонов по Северцову и Шмальгаузену. Некоторые замечания об органах чувств (медиальные и латеральные глаза, гипотеза о происхождении внутреннего уха). «Архетип» осевого черепа позвоночных.

2. Общие адаптивные особенности бесчелюстных. Дыхание панцирных бесчелюстных и миноги. Вопрос о механизме дыхания миксины. Основные группы ископаемых бесчелюстных: птераспидоморфы, цефаласпидоморфы, анаспиды. Непарность обонятельного органа. Адаптивные преимущества челюстноротых по сравнению с бесчелюстными. Челюстноротость как ароморфоз. «Архетип» висцерального черепа челюстноротых. Способы крепления челюстной дуги к черепу: протостилия, амфистилия, гиостилия, аутостилия. Происхождение челюстной дуги.

3. Панцирные рыбы (плакодермы). Их уникальные особенности: строение покровного панциря, черепной сустав, медиальное расположение челюстной мускулатуры относительно палатоквадратума. Группы плакодерм: артродиры, антиархи. Акантоды и их примитивные особенности: протостилия, множественность парных плавников (подтверждение теории боковой складки). Особенности жизненной стратегии хрящевых рыб. Отсутствие плавательного пузыря, вторичный отказ от покровных окостенений, гетероцеркальный хвост, появление рострума, переход от амфистилии к гиостилии; взаимосвязь всех этих черт в единый адаптивный комплекс.

4. Различия между саркоптеригиями и актиноптеригиями. Тип строения плавников.

Состав крыши черепа и общие тенденции в эволюции дерматокраниума рыб. Легкие. Происхождение легких и плавательного пузыря. Саркоптеригии как плезиоморфная группа. Прогрессивные особенности актиноптеригий. Плавательный пузырь, оперкулярное дыхание, преобразования челюстного аппарата (сдвиг гиомандибуляре вперед и его последствия), лепидотрихии, гомоцеркальный хвост.

5. Экология саркоптеригий. Условия обитания в континентальных водоемах. Связь этих условий со структурными особенностями рыб. Проблема легочного дыхания:

необходимость смешивания крови. Принцип адаптивного компромисса. Две основные группы саркоптеригий и проблема предка наземных позвоночных. Различия между кистеперыми и двоякодышащими: строение крыши черепа, первичных и вторичных челюстей, зубной системы. Различия в их адаптивной стратегии и эволюционная судьба обеих групп. Особая конструкция черепа кистеперых рыб.

6. Вопрос об экологических предпосылках выхода на сушу. Две гипотезы: выход на сушу в качестве наземных хищников или выход для облегчения кожного дыхания.

Возможные доводы в пользу обеих гипотез. Структурные изменения, которыми сопровождался выход на сушу. Проблема гомологизации покровных костей черепа (теория Вестолла). Решение этой проблемы и его адаптивная интерпретация.

Переход от кинетического черепа к стегальному.

7. Ихтиостега: проблема морфо-экологической специфики. Особенности ее черепа.

Ихтиостега — рыба или амфибия? Ответ на вопрос о причинах выхода на сушу.

Экология ихтиостеги. Сопоставление ихтиостеги с эмболомерными стегоцефалами и вопрос о моно- или полифилии амфибий. Возникновение амфибий как теломорфоз.

8. Обзор ископаемых групп амфибий. Типология крыши черепа стегоцефалов.

Разные типы тел позвонков и их эволюционное значение. Лабиринтодонты в узком смысле (темноспондилы). Антракозавры. Лепоспондилы. Значение эффекта педоморфоза в эволюции амфибий. Общие экологические тенденции в эволюции древних амфибий. Судьба амфибий в конце палеозоя и мезозое. Экологическая специфика современных отрядов. Различия по строению черепа между безногими, хвостатыми и бесхвостыми. Специфические локомоторные адаптации бесхвостых амфибий.

9. Происхождение рептилий. Фундаментальное противоречие организации амфибий.

Гулярное дыхание, его морфологические и физиологические следствия. Выход из противоречия — создание реберного дыхания. Понятие ключевого ароморфоза.

Вопрос о возможности реберного дыхания у амфибий. Типология черепа рептилий и основы их классификации. Экология первых рептилий. Анапсиды: капториноморфы, миллерозавры, проколофоны, парейазавры, черепахи.

10.Эволюция диапсидного ствола. Дивергенция лепидозавров и архозавров. Особое положение ареосцелидий. Эозухии (юнгинии), сфенодонтиды, пролацертилии, ящерицы. Судьба эвриапсид (завроптеригии, плакодонты, ихтиоптеригии). Преемственность адаптивной зоны в эволюции лепидозавров. Экологическое своеобразие палеозойского сообщества наземных тетрапод. Доминантный и субдоминантный блоки. Проблема возникновения фитофагии. Инерционная теплокровность.

11.Текодонты как реализация перехода диапсид в крупный размерный класс. Парасагиттальность. Квадрупедальные (эритрозухи, рауизухиды) и бипедальные (эупаркерия, орнитозухи) ветви текодонтов. Филогенетические и экологические последствия развития этих ветвей. Влияние текодонтов на эволюцию триасовых сообществ. Особая судьба крокодилов. Основные группы динозавров. Зауришии: целурозавры, карнозавры, завроподоморфы. Орнитишии: фаброзавры, игуанодонтиды, гадрозавры, стегозавры, анкилозавры, цератопсы. Экологические факторы разнообразия динозавров. Вопрос о теплокровности динозавров.

12.Проблемы, связанные с происхождением птиц. Причины неясности этого вопроса. Древесная и бегающая теории. Парадоксальная организация конечностей птиц.

Происхождение пера. Манирапторные динозавры. Морфологическая специфика археоптерикса: соотношение рептильных и птичьих черт. Кинетизм черепа и его адаптивное значение. Спланхнокинетизм, нейрокинетизм, плеврокинетизм, метакинетизм, мезокинетизм, амфикинетизм, прокинетизм, ринхокинетизм. Палеогнатные и неогнатные птицы.

13.Общие особенности синапсидного ствола. Левая дуга аорты. Гипотеза, объясняющая выбор левой дуги. Окостенения этмосфеноидного отдела. Первичный плечевой пояс. Загадка волосяного покрова. Сопоставление синапсид с другими стволами амниот. Обзор основных групп зверообразных. Пеликозавры. Терапсиды: дейноцефалы, аномодонты, горгонопсы, тероцефалы, цинодонты. Редукция крыши черепа и кинетизма. Вторичное небо и причины его образования. Замещение первичного челюстного сустава вторичным, его возможные причины. Вопрос о слухе у зверообразных. Общая характеристика жизненной стратегии синапсид.

14.Мезозойские млекопитающие. Триконодонты и кюнеотерииды. Докодонты.

Мультитуберкуляты. Прототериевый и териевый стволы. Полифилия млекопитающих. Дивергенция сумчатых и плацентарных и возможные причины превосходства плацентарных над сумчатыми. Некоторые замечания по исторической зоогеографии.

15.Вопрос о направленности эволюции. Классическая (геккелевская) и неклассическая филогенетика. Значение эффекта параллелизма. Примеры аристогенезов в эволюции растительноядных млекопитающих. Понятие инадаптивной эволюции.

Примеры: креодонты и хищники, кондиляртры и амблиподы, зайцеобразные и грызуны, непарнопалые и парнопалые и другие. Инадаптивная эволюция и проблема прогресса.

17. Экзамен по курсу (устный) 1. Общая характеристика хордовых 2. Общая характеристика позвоночных 3. Отличия между бесчелюстными и челюстноротыми 4. Характеристика саркоптеригий 5. Причины выхода позвоночных на сушу 6. Основные события истории амфибий 7. Различие между амфибиями и рептилиями 8. Основные крупные группы рептилий 9. Основные события истории рептилий в мезозое 10.Отличия синапсид от других тетрапод 11.Вымершие и современные крупные группы млекопитающих 12.Существующие точки зрения на происхождение птиц Курс 4. Методы биохимических исследований.

Целью курса является ознакомление учащихся с современными молекулярнобиологическими и биохимическими методами исследования, путями решения проблем при планировании и постановке эксперимента.

Курс тесно связан с курсами неорганической химии, органической химии, физики и молекулярной биологии, и вместе с этими курсами создает предпосылки для самостоятельной исследовательской деятельности школьника в составе какой-либо научной лаборатории соотв. специализации.

1. Основные объекты для клонирования и системы для введения чужеродной ДНК в клетки. Ферменты используемые в молекулярном клонировании: рестриктазы, лигазы, нуклеазы, использование их. Простейшая стратегия клонирования.

2. Методы химии белка. Выделение. Хроматография (ионнообменная, сорбционная). Гель-фильтрация и электрофорез.

3. Идентификация белков. Центрифугирование.

4. Методы химии нуклеиновых кислот. ПЦР, принципы, осоленности. Экспрессия чужеродной ДНК в разных тварях. Обратная транскрипция, получение второй цепи. Геномные и cDNA-библиотеки. Скрининг библиотек.

5. Методы химии липидов (обзорные). Секвенирование. Southern. Nothern.

6. Оценка за экзамен ставится на основе всех результатов курса, включая проверку тетрадей и устный ответ на теоретические вопросы.

Цель курса – ознакомление школьников с функционированием организма насекомого, механизмами действия инсектицидов Курс базируется на дисциплинах «Энтомология» и «Физиология»

1. Введение в физиологию насекомых. Основные направления. Значение физиологии насекомых. Особенности ф.н. Физиология покровных тканей. Линька и образование кутикулы. Регенерация покровов. Механизмы изменения окраски. Проницаемость кутикулы. Активный транспорт воды через кутикулу – гипотеза Бимента. Инсектициды, растворяющиеся в кутикуле.

2. Кровеносная система. Функции гемолимфы. Хим. состав плазмы. Гемоциты, их типы и функции. Защитные реакции в гемолимфе. Сердце, его работа. Дыхательная система. Способы дыхания. Устройство трахейной системы. Дыхальца и фильтрационные аппараты. Дыхательные движения. Газообмен. Способы вентиляции. Регуляция дыхательных движений.

3. Пищеварительная система. Слюнные железы. Перитрофическая оболочка. Симбионтное пищеварение. Выделительная система. Виды выделительных органов.

Типы мальпигиевых сосудов. Процесс функции. Гормональная регуляция. Экскреции. Выделяемые соединения.

4. Нервная система. Общее строение н.с. Классификация нейронов. Методы изучения нейронов. Инфикация нейронов. Инсектициды: DDT и пиретроиды, механизм действия. Рецепторы первичные и вторичные. Механорецепторы. Термо-пирорецепторы. Хеморецепторы. Фоторецепторы.

5. Нервная систма. Зрение. Мускулатура. Типы мышечных волокон, особенности иннервации. Приспособления, позволяющие совершать сокращение с большой скоростью. Инсектициды, действующие на нервно-мышечную передачу.

6. Экзамен – письменная работа или устное собеседование, по выбору школьника.

Список вопросов:

• Место физиологии насекомых в науке.

• Значение физиологии насекомых.

• Определение гомеостаза, гомеокинеза, акклимации, акклиматизации. Конформеры и регшуляторы.

• Строение покровов насекомых.

• Как происходит линька и образование кутикулы?

• Регенерация покровов.

• Окраска и механизмы ее изменения.

• Чем обусловлена слабая проинцаемость кутикулы для пассивного переноса воды и других веществ?

• Как изменяется скорость испарения воды покровами при повышении температуры у наземных и водных насекомых?

• Активный перенос воды через кутикулу: гипотеза Бимента.

• Хлорорганические инсектициды, растворяющиеся в кутикуле.

• Функции гемолимфы.

• Химический состав плазмы.

• Функции гемоцитов.

• Работа сердца, миогенный ритм сокращения. Как регулируется ритм сокращения.

• Органы дыхания у насекомых.

• Вдох и выдох. Вентиляция. Типы дыхательных движений. Трахеолярный механизм вентиляции.

• Газообмен.

• Регуляция работы дыхалец.

• Изменение газообмена при развитии.

• Жировое тело, его функции.

• Слюнные железы, их работа.

• Перитрофическая оболочка, для чего она нужна.

• Симбиотическое пищеварение.

• Категории выделительных органов: накопительные и эммунктории.

• Строение и функции мальпигиевых сосудов.

• Типы мальпигиевых сосудов.

• Как происходит выделение.

• Гормональная регуляция экскреции.

• Какие азотистые соединения выделяют насекомые?

• Какие методы применяют для изучения нейронов.

• Инсектициды, действующие на натриевые каналы: DDT и пиретроиды.

• Количество и расположение рецепторов у насекомых.

• Строение и функционирование трихоидной сенсиллы.

• Строение и функционирование компаниформной сенсиллы.

• Строение и функционирование хордотональной сенсиллы.

• Строение и функционирование мультиполярного нейрона.

• Ответы нейронов: фазный, тонический, фазно-тонический.

• Осязательные и ветрочувствительные рецепторы.

• Каким образом функционируют разные типы механорецепторов в качестве проприоцепторов?

• Рецепторы равновесия. Жужальца.

• Какие звуковые сигналы издают насекомые? Какие звуковые сигналы принимают участие в коммуникации?

• Каковы механизмы издавания звуков у насекомых?

• Типы слуховых органов: тимпанальный орган, Джонсонов орган.

• Как насекомые могут определять направление звука при длине волны его, большей расстояния между приемниками?

• Коммуникация с помощью феромонов.

• Строение и функционирование обонятельных сенсилл.

• Особенности строения мышц у насекомых, особенности иннервации мышц.

• Синхронные и асинхронные мышечные волокна. Каким образом достигается высокая скорость сокращений крыловых мышц (асинхронных)?

В.П. Тыщенко «Физиология насекомых», М. 1986, Высшая школа.

Цель курса – демонстрация школьникам схемы построения абстрактной математической теории (на примере геометрии Лобачевского) • удовлетворение любопытства слушателей на тему «что там у Лобачевского с параллельными», • демонстрация множественности возможностей геометрии, • привитие школьникам навыков строгого расширения в тех случаях, когда факты противоречат интуиции.

Курсы, необходимые для понимания материала: школьный курс планиметрии в объеме 8 класса. Курсы, для изучения которых полезен данный курс: в настоящее время в рамках ВЛЭШ не читаются.

Темы занятий:

1. Аксиоматический метод построения геометрии. «Начала» Евклида. История попыток доказательства 5 постулата Евклида (Ибн-Корра, Аганис, О. Хайям, Д. Саккери, М. Ламберт, Ф. Лежандр, Ф. Бойян). Открытие неевклидовых геометрий. Аксиома Лобачевского и ее простейшие следствия.

2. Некоторые обескураживающие факты геометрии Лобачевского. Понятие о геометрии Римана. Геометрические модели. Модель геометрии Римана на проективной плоскости и геометрии Лобачевского на полуплоскости (конформная модель Пуанкаре).

3. Инверсия как преобразование пополненной плоскости. Свойства инверсии – круговое свойство и конформность. Инверсии – элементарные движения плоскости Лобачевского.

4. Проверка остальных аксиом геометрии Лобачевского. Элементарные построения.