Программа изучения общей биологии в X и XI классах

Канд. биолог.наук Л.П. Жиганова, учитель высшей категории А.А. Сербаринова

Объяснительная записка

Преподавание курса “Общей биологии” в 10 – 11 химических лицейских классах имеет свои особенности. Во-первых, учащиеся этих классов не сдают биологию при поступлении на химический факультет МГУ, поэтому этот предмет не является основным предметом в учебной программе. Во-вторых, традиционно биология считалась второстепенным предметом, не требующим детального изучения и тщательного освоения, а только ознакомления. В-третьих, сам курс “Общая биология” — сложный, комплексный, состоящий из нескольких разделов, в которых изучаются закономерности отдельных биологических наук – цитологии, биохимии, генетики, эволюционного учения, экологии, учения о биосфере.

*  *  *

В конце ХХ века были сделаны крупнейшие открытия в биологии, особенно, в молекулярной биологии, биохимии и генетике. Был создан международный проект “Геном человека”, который стимулировал развитие прежде всего генно-инженерных методов исследования. И, наконец, наступающая эра биотехнологии, которая стала не просто новым направлением научно-исследовательских работ, а наиболее весомым  фактором интенсификации производства.

В начале 80-х гг. прошлого века, когда биотехнология проходила период оформления в качестве нового, чрезвычайно перспективного направления научных исследований, она характеризовалась "как использование культур клеток бактерий, дрожжей, животных или растений, метаболизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических веществ". Согласно определению Европейской биотехнологической федерации, биотехнология — это технология, которая позволяет на основе применения знаний и методов биохимии, микробиологии, генетики и химической техники извлекать полезные качества из свойств микроорганизмов и клеточных культур в технологических процессах.

Американская Ассоциация передовой науки считает генную инженерию таким же революционным открытием ХХ века, как открытие атома, преодоление земного тяготения и компьютеризацию. Создание совершенно новых генно-модифицированных растений, различных продовольственных и лекарственных продуктов, домашних животных с заданными свойствами позволяет человечеству решить одну из наиболее серьезных проблем — обеспечение продовольствием.

Это и широкомасштабное выращивание дрожжей, водорослей и бактерий для получения белков, аминокислот и витаминов, а также использование их ферментов. И рост производства продукции растениеводства за счет клонирования и селекции сортов растений (на основе тканевых и клеточных культур). Особое значение приобретает производство биопестицидов и растений, стойких к химическим средствам защиты от вредителей.

Поэтому знание основ и закономерностей биологических дисциплин и новых научно-практических областей необходимо прежде всего для специалистов химического направления. Биология как наука стала носить комплексный характер, её исследования производятся на стыке многих наук: химии, физики и математики. Современный биохимик, молекулярный биолог или исследователь в области генной инженерии должен обладать широким научным кругозором, быть подкованным теоретически и практически как в области химии, так и в области биологии, свободно владеть химическими и биологическими методами исследования.

В этом аспекте преподавание биологии в химических лицейских классах приобретает совершенно особое звучание. Так как школа №171 имеет большой опыт в становлении и развитии лицейских классов химического направления, то администрация школы, педагогический коллектив отнеслись с большим пониманием к вопросу взаимопроникновения этих двух смежных наук и важности преподавания биологии будущим специалистам-химикам. Поэтому в 10-х классах на преподавание этого курса предусмотрено 2 часа в неделю, а в 11-ом классе – 3 часа. За шесть лет преподавания этого курса в лицейских химических классах школы была модифицирована программа с учётом специфики классов и требований современности.

Учащиеся знакомятся с основами цитологии, куда включаются вопросы не только традиционной науки, но и представления о жизни и втором законе термодинамики, критериях живой материи, о свойствах живых систем, обеспечивающих снижение энтропии и уровнях регуляции морфогенетических процессов в живых системах; биохимии, в которой рассматриваются дополнительно процессы фотодыхания, С4 – путь фотосинтеза и особенности строения С4 – растений, а также пути повышения продуктивности сельскохозяйственных растений. В результате обучения учащиеся обязаны уметь анализировать сложные биохимические циклы, как, например, цикл Кальвина, Бенсона и Бессемона в темновой стадии фотосинтеза или цикл Кребса в аэробном расщеплении сложных органических веществ. В разделе генетики нами рассматриваются вопросы о различных типах наследования не только менделирующих признаков, но также взаимодействие аллельных и неаллельных генов, Х-доминантное и Х-рецессивное наследование, типах определения пола, синдромах человека и генных заболеваниях. Учащиеся должны уметь решать основные типы генетических задач, составлять родословные, уметь ориентироваться в них и анализировать. Также подробно анализируются темы мутационной изменчивости, которые рассматриваются как с позиции экологии, так и с позиции репаративных процессов в организме человека. Ученики знакомятся со строением гена у прокариот (оперонная структура) и эукариот (прерывистость генной структуры), с реакциями матричного синтеза в свете последних открытий в этой области. Поэтому зачастую приходится использовать научно-популярную литературу  последних лет изданий, так как эти области биологии достаточно молодые и развиваются стремительно.

     В разделе селекции особое место уделено биотехнологии. Нами даётся определение биотехнологии, описание генно-инженерных методов и основные направления развития в растениеводстве, животноводстве, медицине и производстве. Ознакомление включает в себя изучение сущности генно-инженерных методов и применение их для получения различных целевых продуктов: инсулина, соматотропина, токсинов в растениях против насекомых-вредителей, веществ, придающих устойчивость растениям к гербицидам.

В разделе эволюционного учения упор делается на синтетическую теорию эволюции: процессы микроэволюции и макроэволюции. Подробно рассматривается учение о популяции, как единице эволюционных процессов. Учащиеся должны уметь разбираться в разнообразии изоляционных процессов и ориентироваться в различных типах видообразования.

Преподавание курса “Общей биологии” ведётся в лекционной системе до окончания целой большой темы. При подаче лекционного материала используются таблицы, наглядные пособия, преподаются и зарисовываются схемы, например, реакций матричного синтеза или уровней компактизации ДНК. По окончании темы производится детальный анализ пройденного материала, сначала в виде устного опроса части учащихся, а потом – тотального опроса в виде контрольной письменной работы. Таким образом, закрепление материала осуществляется на двух уровнях: устном и письменном. В ходе подачи материала проводятся лабораторно-практические работы (по 4 работы в год), согласно государственной программе по биологии.

В конечном счёте, как показали результаты выпускных экзаменов по биологии в 11 классах, эффективность подобного подхода оказалась достаточно высокой (качество административных работ в 11 классах доходило до 90% и выше).

Программа курса

1.Основы цитологии

Краткая история цитологии. Клеточная теория, её основные положения. Методы изучения клетки: оптическая микроскопия, электронная микроскопия, дифференциальное ультрацентрифугирование, рентгеноструктурный анализ.

Клетка – структурная и функциональная единица живого. Общее строение клетки: форма клетки, размеры и объём клеток, типы клеток (прокариоты и эукариоты). Физико-химические свойства клеток. Неорганические компоненты клетки: вода и минеральные вещества в жизнедеятельности клетки. Органические компоненты клетки. Белки: строение, структуры, классификация, свойства белков, роль в клетке. Липиды: строение, классификация, функции липидов, роль в клетке. Углеводы: классификация, свойства углеводов, биологическое значение. Нуклеиновые кислоты: строение, модель ДНК по Уотсону и Крику, принцип комплементарности, типы РНК, свойства нуклеиновых кислот в клетке. Генетический код ДНК, его свойства. Аккумуляторы энергии в жизнедеятельности клетки, строение и функции на примере АТФ. Типы биологических аккумуляторов: АТФ, ГТФ, НАДФ Н, НАД Н, ФАД.

Элементарные структурные компоненты клетки, их функции. Поверхностный аппарат клеток: плазмалемма (мозаичная модель клеточной мембраны), субмембранная система клетки, надмембранные структуры. Основные функции поверхностного аппарата: разделительная, транспортная (трансмембранный транспорт, транспорт в мембранной упаковке – экзоцитоз и эндоцитоз), электрическая (трансмембранный потенциал), рецепторная, секреторная, соединительная (в ткани и органы). Цитоплазматический матрикс, его состав и основные свойства.

Мембранные органоиды клетки: эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, митохондрии. Строение, функции в клетке.

Немембранные органоиды клетки: рибосомы, цитоскелет, клеточный центр, реснички и жгутики. Строение, функции в клетке.

Включения, классификация.

Ядерный аппарат: ядерная оболочка, ядерный матрикс, ядрышки. Понятия о хроматине. Структурная организация хроматина, уровни компактизации ДНК.

Особенности строения растительной клетки. Пластиды, типы, строение, функции в клетке.

Неклеточная форма жизни – вирусы. Строение, жизненный цикл, вирусные инфекции.

Жизнь и второй закон термодинамики. Критерии живой материи. Свойства живых систем, обеспечивающих снижение энтропии. Уровни регуляции морфогенетических процессов в живых системах.

2. Основы биохимии

Поток энергии в биологических саморегулирующих системах. Автотрофное питание. Фотосинтез как пример пластического обмена веществ. Световая и темновая фазы фотосинтеза, фотолиз воды, цикл Кальвина. Синтез АТФ, специфичность работы АТФ-синтетазы. Понятие о фотодыхании. С4 – путь фотосинтеза. Особенности строения С4 – растений. Пути повышения продуктивности с/х растений. Хемосинтез. Типы хемосинтеза.

Гетеротрофное питание. Энергетический обмен в клетке. Подготовительный этап энергетического обмена. Бескислородный этап на примере гликолиза. Спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое брожение. Кислородный этап энергетического обмена. Анализ цикла Кребса. Окислительное фосфорилирование, цепь переноса электронов.

Поток информации в клетке. Реакции матричного синтеза: репликация, транскрипция, трансляция. Ген и его роль в процессах биосинтеза. Регуляция синтеза белка. Структурные особенности гена прокариот (оперонная структура) и эукариот (прерывистость генной структуры).

Взаимосвязь энергетического и пластического обменов в клетке.

3. Размножение и индивидуальное развитие организмов

Репродукция клеток. Хромосомы – основа репродукции клеток, постоянство числа, формы, гаплоидный и диплоидный наборы. Кариотип.

Жизненный цикл клетки. Митоз. Морфология митотических хромосом. Динамика митоза. Биологическое значение митоза.

Мейоз. Особенности мейотического редукционного деления. Конъюгация хромосом. Кроссинговер. Особенности мейотического эквационного деления. Биологическое значение мейоза.

Размножение и его формы. Размножение вирусов. Размножение прокариот. Бесполое размножение: деление, почкование, споруляция, вегетативное размножение. Половое размножение. Строение половых желёз, гамет. Гаметогенез: сперматогенез и овогенез. Онтогенез на примере животных. Оплодотворение у животных. Стадии эмбриогенеза: дробление, бластуляция, гаструляция, нейруляция, дифференцировка клеток, органогенез. Стадии постэмбрионального развития. Примеры развития с метаморфозом и без метаморфоза. Партеногенез.

Особенности размножения у растений. Двойное оплодотворение у цветковых растений. Метаморфоз растений.

4. Основы генетики

Этапы развития генетики. Методы генетики. Основные понятия и термины в современной генетике.

Закономерности наследования признаков, установленные Г.Менделем. Моногибридное скрещивание. Первый и второй законы Менделя. Дигибридное и полигибридное скрещивание. Третий закон Менделя. Статистический характер расщепления. Цитологические основы выполнения законов наследования. Промежуточный характер наследования. Анализирующее скрещивание.

Взаимодействие генов. Взаимодействие аллельных генов: полное доминирование, неполное доминирование, кодоминирование, сверхдоминирование. Взаимодействие неаллельных генов: комплементарность, эпистаз, полимерия, плейотропия. Понятия о пенетрантности и экспрессивности.

Сцепленное наследование. Полное сцепление. Нарушения сцепления. Кроссинговер. Законы Моргана. Хромосомная теория наследственности. Принципы составления генетических карт. Основные сведения о международной программе “Геном человека”.

Генетика пола. Основные типы определения пола. Сцепленное с полом наследование. Х-сцепленное доминантное наследование, Х-сцепленное рецессивное наследование на примере признаков и болезней человека. Голандрическое наследование.

Генотип как целостная, исторически сложившаяся система.

Изменчивость. Современная классификация и по Дарвину. Модификационная изменчивость. Норма реакции. Статистические закономерности модификационной изменчивости. Комбинативная изменчивость, причины, её вызывающие.

Мутационная изменчивость. Мутационная теория. Мутагены. Классификация мутаций по фенотипу, по генотипу, по причинам, по мутировавшим клеткам, по исходу для организма. Репарация молекулы ДНК: фоторепарация, эксцизионная репарация, дорепликативная репарация, пострепликативная, репликативная репарации.

Методы изучения генетики человека. Составление и анализ родословных как основа генеалогического метода. Хромосомные синдромы у человека, сцепленные и не сцепленные с полом. Отдельные генные болезни у человека: фенилкетонурия, болезнь Марфана, гаргоилизм.

5. Основы селекции

Генетические основы селекции растений, животных и микроорганизмов. Понятия сорта растений, породы животных, штамма микроорганизмов.

Селекция растений. Основные методы селекции растений: гибридизация, искусственный отбор, инбридинг, аутбридинг, полиплоидия, отдалённая гибридизация. Явление гетерозиса. Гипотезы, объясняющие гетерозис. Онтогенетический метод у растений: метод предварительного вегетативного сближения, метод посредника, метод направленного воспитания сеянцев, метод опыления смесью пыльцы. Н.И.Вавилов о происхождении культурных растений. Достижения селекции растений в стране.

Селекция животных. Метод анализа хозяйственно-ценных признаков у животных – производителей. Особенности селекции животных. Одомашнивание. Типы скрещивания и методы разведения животных. Отдалённая гибридизация у домашних животных. Достижения селекции животных в стране.

Селекция микроорганизмов. Методы получения новых штаммов м/о: мутагенез, искусственный отбор, использование селективных сред, подбор оптимальных условий для выращивания. Получение антибиотиков, ферментных препаратов, кормовых дрожжей, аминокислот в микробиологической промышленности.

Основные направления развития биотехнологии: клеточная инженерия, генная инженерия, клонирование. Применение генно-инженерных методов в растениеводстве. Схема получения трансгенных растений с встроенной биологической защитой против насекомых-вредителей. Биотехнология в животноводстве: получение соматотропинов генно-инженерным способом, получение трансгенных животных, клонирование, ксенотрансплантация.

6. Эволюционное учение

Развитие эволюционной идеи до 19 века. Фалес, Гераклит, Эмпедокл, Демокрит, Анаксагор, Платон, Аристотель, Парацельс, Лейбниц, Бонне, Линней, Бюффон, Эразм Дарвин.

Развитие эволюционной идеи в 19 веке. Ламарк, Сент-Илер, Кювье.

Концепции, объясняющие возникновение органической целесообразности: креационизм, трансформизм, ламаркизм, дарвинизм.

Основные положения теории Дарвина. Учение Дарвина об изменчивости: определённая изменчивость, изменчивость при упражнении и неупражнении органов, неопределённая изменчивость, почковые вариации у растений, скрещивание как источник изменчивости, коррелятивная изменчивость, компенсационная изменчивость. Учение Дарвина об искусственном отборе: бессознательный искусственный отбор и методический отбор. Учение Дарвина о естественном отборе. Борьба за существование: внутривидовая борьба и межвидовая борьба; борьба с неблагоприятными условиями среды. Процесс видообразования по Дарвину. Дивергенция. Результаты эволюции: приспособленность организмов, многообразие видов.

Синтетическая теория эволюции. Роль отечественных учёных в создании этой теории. Микроэволюция.

Популяция – единица вида и эволюции. Критерии вида, их относительность. Генетика популяций. Стабилизирующее скрещивание. Закон Харди-Вайнберга. Дрейф генов. Популяционные волны. Естественный отбор – движущий фактор эволюции. Формы естественного отбора: движущий, стабилизирующий, дизруптивный, частотно-зависимый, половой отбор. Плата за отбор. Генетический груз: мутационный груз, сегрегационный груз, субституционный груз.

Изоляция как пусковой механизм видообразования. Типы изоляций: первичная (пространственная и временная) и вторичная (репродуктивная).

Пути и способы видообразования: аллотропическое, симпатрическое, дивергентное, филитическое, гибридогенное видообразования.

Макроэволюция. Доказательства эволюции органического мира: данные палеонтологии, эмбриологии, сравнительной анатомии, цитологии, генетики, селекции. Основные направления эволюционного процесса: ароморфоз, идиоадаптация, морфофизиологический регресс. Соотношение различных направлений эволюции. Биологический прогресс и регресс.

Краткая история развития органического мира с указанием основных ароморфозов и идиоадаптаций. Ранние этапы эволюции живых систем. Эволюция животного и растительного мира по эрам.

Доказательства животного происхождения человека. Основные этапы антропогенеза. Движущие силы антропогенеза: биологические и социальные факторы. Специфические черты строения и жизнедеятельности человека. Этническая антропология (расоведение).

7. Основы экологии

Живые организмы и среда их обитания. Экологические факторы. Абиотические факторы: свет, температура, влажность, солёность среды, кислород. Приспособление к сезонному ритму. Фотопериодизм. Раздражимость и движение организмов. Формы проявления раздражимости у организмов, не имеющих нервной системы: таксисы, тропизмы, настии, нутации. Биотические факторы. Экологическая ниша. Правило Гаузе. Различные формы биотических связей: хищничество, конкуренция, паразитизм, симбиоз, синойкия, комменсализм, мутуализм. Антропогенные факторы. Ограничивающие факторы. Оптимальные факторы. Колебания численности и гомеостаз популяции.

Пищевые взаимоотношения организмов. Гетеротрофы и автотрофы. Цепи питания: цепь выедания, цепь разложения. Правило экологической пирамиды: пирамида чисел, пирамида биомассы, пирамида энергии. Примеры цепей питания.

Экосистемы. Биоценоз. Биогеоценоз, его структура, характерные параметры (видовое разнообразие, плотность видовых популяций, биомасса, биологическая продуктивность – первичная, вторичная), примеры (биогеоценоз хвойного леса, биогеоценоз широколиственного леса, пресноводного водоёма, болота, луга). Саморегуляция биогеоценоза. Смена биогеоценозов. Сукцессии.

Искусственные биогеоценозы: лесопарки, сады. Фитоценозы. Агробиоценоз. Отличия агроценозов от биогеоценозов. Формы охраны природы: заповедники, биосферные заповедники, заказники (ботанические, охотничьи), памятники природы.

8. Учение о биосфере

Учение В.И.Вернадского о биосфере. Живое вещество, биогенное вещество, косное вещество, биокосное вещество. Функции живого вещества биосферы: газовая, окислительно-восстановительная, концентрационная. Свойства живого вещества: давление жизни, плотность жизни, напор жизни.

Оболочки Земли: литосфера, гидросфера, атмосфера (тропосфера, стратосфера, ионосфера). Краткая характеристика.

Биомасса поверхности суши. Биомасса почвы. Биомасса Мирового океана. Сравнительная характеристика.

Круговорот веществ и превращение энергии в биосфере. Биогенная миграция атомов. Минерализация и аккумуляция. Глобальные биогенные круговороты. Круговорот воды, углерода, кислорода, азота.

Биосфера и превращение энергии. Солнечная энергия. Радиоактивная энергия.

Понятия о ноосфере и техносфере. Современное антропогенное изменение климата. Аридизация. Парниковый эффект. Основные экологические проблемы современности. Пути решения экологических проблем.