РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ФГБОУ ВПО «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт биологии Кафедра экологии и генетики «УТВЕРЖДАЮ»: Проректор по учебной работе _______________________ /Волосникова Л.М./ _______________________ 2013 г. БИОЛОГИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ И ПРОБЛЕМА СОХРАНЕНИЯ ГЕНОФОНДОВ Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов специальности 020803.65 – Биоэкология, очной формы обучения «ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»: Автор (ы) работы ____________________/Пак И.В./ « 26 » августа 2013 г. Рассмотрено на заседании кафедры экологии и генетики «29» августа 2013 г. № протокола 1 Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению. «РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»: Объем 13 стр. Зав. кафедрой ______________________/Пак И.В./ « 29 » августа 2013 г. Рассмотрено на заседании УМК Института биологии «31» октября 2013 г. № протокола 2 Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы. «СОГЛАСОВАНО»: Председатель УМК ______________________/Мелентьева А.А./ «31» октября 2013 г. «СОГЛАСОВАНО»: Зав. библиотекой биологической литературы Института биологии ______________ /Киприна Н.И./ «12» ноября 2013 г. «СОГЛАСОВАНО»: Зав. методическим отделом УМУ_____________/Фарафонова И.Ю./ «____»____________2013 г. РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт биологии Кафедра экологии и генетики Пак И.В. БИОЛОГИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ И ПРОБЛЕМА СОХРАНЕНИЯ ГЕНОФОНДОВ. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов специальности 020803.65 – Биоэкология, очной формы обучения Тюменский государственный университет 2013 2 Пак И. В. Биологическое разнообразие и проблема сохранения генофондов. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов специальности 020803.65 – Биоэкология, очной формы обучения. Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 2013, 13 стр. Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки. Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте ТюмГУ: Биологическое разнообразие и проблема сохранения генофондов. [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.umk.utmn.ru., свободный. Рекомендовано к изданию кафедрой экологии и генетики. Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного университета. ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий генетики, д.б.н. Пак Ирина Владимировна кафедрой экологии и © Тюменский государственный университет, 2013. © Пак И.В., 2013 3 1. Пояснительная записка 1.1. Цели и задачи дисциплины Проблема сохранения биологического разнообразия на всех уровнях – от популяционно-генетического до экосистемного – становится все более актуальной в связи с усиливающимся антропогенным воздействием на биосферу. Снижение биоразнообразия относится к важнейшим проблемам, так как утрата его имеет серьезнейшие экономические, эстетические и моральные последствия и представляет прямую угрозу для существования человека как вида. Целью курса является ознакомление студентов с современными представлениями об уровнях биологического разнообразия, его динамике и значении, подходах к рассмотрению проблемы и путях ее решения. Дисциплина предназначена для студентов, обучающихся по спецтальности 020803.65 – «Биоэкология». 1.1. Место дисциплины в структуре ООП специалитета Дисциплина «Биологическое разнообразие и проблема сохранения генофондов» относится к циклу ДС.Р. Национально-регионального (вузовского) компонента. Она логически и содержательно-методически взаимосвязана с дисциплинами ЕН и ОПД. Профессионального цикла: базовой (общепрофессиональной) частью: зоологией, ботаникой, генетикой. Для успешного освоения дисциплины необходимы базовые знания по зоологии, ботанике, генетике, умение к биометрической обработке материала, владение компьютерными статистическими программами. Для успешного освоения данной дисциплины необходимо предшествующее изучение следующих модулей: зоологии, ботаники , генетики. В результате освоения дисциплины обучающийся должен: Знать: генетическое, видовое и экосистемное разнообразие. Уметь: демонстрировать базовые представления по биоразнообразию, применять их на практике, критически анализировать полученную информацию и представлять результаты исследований. Владеть: навыками к научно-исследовательской работе, преподаванию дисциплины, ведению дискуссии. 2. Структура и трудоемкость дисциплины. Семестр 7. Форма промежуточной аттестации экзамен. дисциплины составляет 36 часов. Общая трудоемкость 3.Тематический план. Таблица 1. Тематический план 1 1. 2. 2 Модуль 1. Введение Постановка вопроса о проблеме 3 1 2 4 1 1 5 1 Итого часов по теме Из них в интер актив -ной форм е Итого количество баллов 7 8 9 Самостоятельн ая работа* Практические занятия Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час. Лекции* Тема недели семестра № 6 1 2 2 4 1 10 10 4 биологического разнообразия (БР) 3. Подходы к изучению БР. Методы изучения БР. 3-4 1 1 2 4 1 10 4 3 2 5 10 2 30 4. 5-7 1 1 1 3 1 10 5. Всего Модуль 2. Популяционно-генетический уровень БР Динамика внутривидового ГР 8-9 1 1 2 4 1 10 6. Генофонд и устойчивость генофонда 10 1 2 3 6 3 2 5 10 2 30 7. Всего Модуль 3. Видовое разнообразие 11-12 1 1 2 4 1 10 8. Экосистемное разнообразие 13-14 1 1 2 4 1 10 9. Причины кризиса биологического разнообразия Пути сохранения и восстановления БР 15-16 1 1 2 4 1 10 17-18 1 1 2 4 1 10 Всего Итого (часов, баллов): Из них в интерактивной форме 18 4 10 4 8 8 18 16 36 4 10 10 8 40 0 – 100 8 Таблица 2. Модуль 2 4.Популяционногенетический уровень БР 5.Динамика внутривидового генетического разнообразия ( ГР) 6.Генофонд и устойчивость генофонда презентации 0-10 0-10 0-10 0-10 3.Подходы к изучению БР. Методы изучения БР. Всего Информационные системы и технологии глоссарий реферат контрольная работа Модуль 1 1.Введение 2. Постановка вопроса о проблеме биологического разнообразия (БР) блиографиче ский список Письменные работы № темы 0-10 Итого количество баллов Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля 0-10 0-10 0-10 0-10 0-30 0-10 0-10 0-10 0-10 0-10 0-10 5 Всего 0-10 0-10 Модуль 3 7.Видовое разнообразие 8.Экосистемное разнообразие 0-10 0-30 0-10 0-10 0-10 9.Причины кризиса биологического разнообразия 10.Пути сохранения и восстановления БР 0-10 Всего Итого 0-10 0-20 0-10 0-10 0-10 0-10 0-30 0-10 0-10 0-20 0-10 0-10 0-20 0-40 0-100 Таблица 3. Планирование самостоятельной работы студентов № Модули и темы Модуль 1 1. Введение 2. Постановка вопроса о проблеме биологического разнообразия (БР) 3. Подходы к изучению БР. Методы изучения БР. Всего по модулю 1: Модуль 2 4. Популяционно-генетический уровень БР 5. Динамика внутривидового ГР 6. Генофонд и устойчивость генофонда Всего по модулю 2: Модуль 3 7. Видовое разнообразие 8. Экосистемное разнообразие Виды СРС обязательные дополнительные Выполнение индивидуальных заданий (рефератов) Изучение отдельных тем. Выполнение контрольных работ Изучение отдельных тем. Выполнение индивидуальных заданий (глоссарий) Изучение отдельных тем Неделя семестра Объем часов Кол-во баллов 1 1 0-10 2 2 0-10 3-4 2 0-10 4 Выполнение индивидуальных заданий (презентаций) Выполнение индивидуальных заданий (рефератов) Выполнение индивидуальных заданий (библиографичес кий список) Выполнение индивидуальных заданий (презентации) Выполнение индивидуальных заданий (рефератов) 5 0-30 Изучение отдельных тем 5-7 1 0-10 Изучение отдельных тем. 8-9 2 0-10 Изучение отдельных тем. 10 2 0-10 6 5 0-30 Изучение отдельных тем. 11-12 2 0-10 Изучение отдельных тем. 13-14 2 0-10 6 9. Причины кризиса биологического разнообразия 10. Пути сохранения и восстановления БР Выполнение контрольных работ. Выполнение индивидуальных заданий (глоссарий) Изучение отдельных тем 15-16 2 0-10 Изучение отдельных тем 17-18 2 0-10 8 18 0-40 0-100 Всего по модулю 3: ИТОГО: 8 18 3. Содержание дисциплины. Модуль 1. 1.Введение Общее представление о биологическом разнообразии. Состав и уровни биологического разнообразия. Категории биоразнообразия. Проявление биоразнообразия. Развитие представление о биологическом разнообразии (начало в 40гг. и до наших дней). 2.Популяционный подход Популяционный подход: достоинства и ограничения. Пространственно-временной фактор. Органицизм и редуктивизм в применении популяционного подхода. Модель популяционно-генетического подхода к изучению биоразнообразия. 3.Экосистемный подход. Отличия от популяционного подхода. Возможности экосистемного подхода при изучении биологического разнообразия. Методологические трудности. Модуль 2. 4.Генетическое разнообразие Параметры генетического разнообразия: генные частоты и их изменчивость; частоты генотипов; уровень гетерозиготности, полиморфности. Мономорфизм и полиморфизм, их значение в эволюционном процессе. Внутривидовое разнообразие по количественным признакам. Популяционные системы и их структурные компоненты. Динамика генетического разнообразия в панмиктических и подразделенных популяциях. Проблема адаптивной нормы и оптимума генетического разнообразия. Факторы, влияющие на генетическое разнообразие: рекомбинация, мутации, разные формы отбора, дрейф генов, миграции. 5.Видовое разнообразие Индексы видового разнообразия. Разнообразие живой природы России. Факторы, влияющие на видовое разнообразие: продуктивность, пространственная неоднородность, изменчивость климата, суровость среды, возраст местообитания и др. Разнообразие агросферы. 6.Экосистемное разнообразие Разнообразие экосистем. Методы изучения экосистемного разнообразия. Связь разнообразия экосистем с их устойчивостью. Модуль 3. 7.Понятие генофонда, его устойчивости Определение генофонда. Понятие устойчивости генофонда. Методы определения устойчивости генофонда. Методы сохранения генофондов. 8.Динамика внутривидового генетического разнообразия Понятие генетического мониторинга. Динамика генетического разнообразия популяционных систем, самовоспроизводящихся в условиях нормально колеблющейся 7 природной среды. Генетический мониторинг природных популяционных систем, испытывающих антропогенные воздействия. Генетический мониторинг сельскохозяйственных популяций. Динамика генетического разнообразия популяций человека. 9.Пути восстановления биологического разнообразия Реинтродукция, рекультивация, сохранение генетических ресурсов видов. Способы сохранения генетических ресурсов: консервация in sity и ex sity. Консервация in sity: роль заповедников и ботанических садов в сохранении фаунистического и флористического разнообразия; создание генофондных коллекций – основа сохранения разнообразия сельскохозяйственных животных и растений. Консервация ex sity: криоконсервирование различных носителей наследственной информации; ДНК-технология, использование методов молекулярной биологии для сохранения БР. 10.Электронные базы данных по биологическому разнообразию Основные направления международной деятельности по сохранению БР. Электронный каталог растений Сибири. Электронные базы «Полиморфные родовые комплексы Северной Азии». Электронный атлас «Биоразнообразие животного и растительного мира Сибири». Сайт Сибирского зоологического музея ИСи ЭЖ СО РАН. Гербарии России и других стран. 4. Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля). Модуль 1. 1.Введение Темы рефератов: 1.Кризис биологического разнообразия 2.Развитие представлений о биологическом разнообразии в XX и XXI вв. 3.Современные направления в изучении биоразнообразия. 2.Популяционный подход Контрольная работа Вариант № 1. 1.Современные модели популяций. 2.Пространственный масштаб популяции. Вариант № 2. 1.Методы изучения популяций. 2.Временной масштаб популяций. Вариант № 3. 1.Основные положения популяционного подхода (объект, методы) 2.Различия между органицизмом и редукционизмом. 3.Экосистемный подход Составление глоссария: Дать развернутое толкование терминов: Экосистема Вид Сообщество Биота Абиотическая структура Конкуренция Мутуализм Симбиоз 8 Хищничество Редуценты Консументы Продуценты Для составления глоссария можно использовать следующую литературу: 1.Шилов, И.А. Экология. М.: «Высшая школа», 1997. 2.Шилов, И.А. Экология. М.: «Высшая школа», 1998. 3.Радкевич, В.А. Экология. М.: «Высшая школа», 1998. 4.Акимов, Т.А. и др. Экология. М.: «ЮНИТИ», 2000. 4.Генетическое разнообразие Тест Образец: 1. Генетическое разнообразие – это: а) число видов; б) сумма информации, содержащейся в генах всех растений, животных и микроорганизмов; в) количество биотических сообществ и местообитаний. 2.Полиморфизм – это: А) наличие в популяции дискретных форм; Б) отсутствие изменчивости; В) отсутствие в популяции дискретных форм. 5.Видовое разнообразие Темы рефератов: 1. Видовое разнообразие России 2. Роль ботанических садов в сохранении биологического разнообразия. 3.Методы оценки видового разнообразия. 4.Редкие и исчезающие виды животных, обитающие на территории Тюменской области. 5.Методы оценки видового разнообразия. 6.Экосистемное разнообразие Темы компьютерных презентаций: 1.Разнообразие экосистем (биомы). 2.Методы оценки разнообразия экосистем. 3.Устойчивость экосистем. 4.Антропогенное воздействие на экосистемы. 7. Понятие генофонда, его устойчивости Контрольная работа (для освоения статистических компьютерных программ) Вариант № 1. Задача: Решите задачу с использование пакета прикладных программ «Statistica» На протяжении 11 месяцев выборки из популяции Drosophila melanogaster анализировали в отношении генотипов по локусу Hk-1 (96,100,104,108-обозначения четырех различных аллелей). Рассчитайте частоты аллелей для каждой месячной выборки. Определите с помощью χ2 различаются ли достоверно наблюдаемые и ожидаемые значения числа гетерозигот для суммарной общегодовой выборки. Таблица 1 Месяц 96/100 100/104 Число обладателей генотипа 100/108 100/100 104/104 Всего 9 Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 5 1 0 0 13 11 20 13 5 3 1 13 80 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 2 20 43 167 363 283 270 257 309 144 177 215 2248 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 2 21 44 168 379 295 291 271 315 147 178 228 2337 Вариант № 2. Задача Решите задачу с использование пакета прикладных программ «Statistica» У антарктического криля Euphausia superba исследовали гены 36 генных локусов, кодирующих различные ферменты. Частоты аллелей для и гетерозигот для 21 полиморфного локуса представлены в таблице 2; остальные 15 локусов были мономорфными. Рассчитайте наблюдавшуюся и теоретически ожидаемую среднюю гетерозиготность по всем 36 локусам. Таблица 2 Локус 96 Acph-1 Ao-1 Ald-1 Ald-2 Aph Est-1 Est-4 Est-5 G6pdh-1 Got Hk-1 Hk-2 Ldh Lap Mdh-2 Mdh-3 Me-2 Odh Pgi 98 100 0.996 0.960 0.988 0.831 0.996 0.850 0.988 0.972 0.992 0.594 0.969 0.996 0.996 0.996 0.980 0.874 0.993 0.957 0.012 0.012 0.169 0.004 0.138 0.012 0.028 0.008 0.402 0.028 0.004 0.004 0.020 0.004 0.123 0.007 0.039 0.020 0.787 To-2 Xdh 0.004 Частота аллеля 102 106 110 0.004 0.028 0.012 0.004 0.004 0.004 0.004 0.178 0.016 0.988 0.012 0.996 Вариант № 3. Задача Решите задачу с использование пакета прикладных программ «Statistica» Используйте частоты гетерозигот, приведенные в таблице 3, рассчитайте ne эффективное число аллелей для каждого локуса Euphausia superba и среднее значение для 36 локусов. Таблица 3 Локус Наблюдаемая гетерозиготность Acph-1 Ao-1 0,008 0,081 10 Ald-1 Ald-2 Aph Est-1 Est-4 Est-5 G6pdh-1 Got Hk-1 Hk-2 Ldh Lap Mdh-2 Mdh-3 Me-2 Odh 0,024 0,274 0,008 0,291 0,024 0,065 0,016 0,499 0,063 0,008 0,009 0,008 0,039 0,236 0,014 0,087 Pgi 0,323 To-2 0,024 Xdh 0,008 8. Динамика внутривидового генетического разнообразия Темы рефератов: 1.Динамика внутривидового генетического разнообразия в природных популяциях, не подвергающихся антропогенному давлению. 2.Влияние промысла на изменение генетического разнообразия в природных популяциях. 3.Влияние искусственного воспроизводства на структуру популяций. 4.Динамика внутривидового разнообразия в популяциях культурных растений и домашних животных. 9. Пути восстановления биологического разнообразия Контрольная работа Вариант № 1. 1. Реинтродукция, рекультивация, сохранение генетических ресурсов видов. 2.Криоконсервация сперматозоидов. Вариант № 2. 1.Роль заповедников в сохранении фаунистического и флористического разнообразия. 2.Криоконсервация яйцеклеток. Вариант № 3. 1.Создание генофондных коллекций – основа сохранения сельскохозяйственных животных и растений. 2. Использование методов молекулярной биологии для сохранения БР. разнообразия 10.Электронные базы данных по биологическому разнообразию Темы компьютерных презентаций: 1. Электронный каталог растений Сибири. 2.Электронные базы «Полиморфные родовые комплексы Северной Азии». 3.Электронный атлас «Биоразнообразие животного и растительного мира Сибири». 4. Сибирский зоологический музей ИСи ЭЖ СО РАН. Интерактивные формы: Конференция «Динамика генетического разнообразия в природных популяциях, испытывающих антропогенное воздействие». По теме 8. 11 По теме 9. Проведение дискуссии «Пути сохранения биологического разнообразия» Контрольные вопросы к экзамену 1.Общие представления о БР. Проблема БР. 2.Состав и уровни БР. 3.Категории БР. 4.Популяционный подход к изучению БР. 5.Экосистемный подход к изучению БР. 6.Генетическое разнообразие. Параметры ГР: частоты генов и генотипов. 7.Суммарные показатели ГР: гетерозиготность и полиморфность. 8.Полиморфизм и мономорфизм, их значение в эволюционном процессе. 9.Внутривидовое разнообразие по количественным признакам. 10.Популяционные системы и их структурные компоненты. 11.Динамика ГР в панмиктических популяциях. 12.Динамика ГР в подразделенных популяциях. 13.Динамика ГР популяционных систем, самовоспроизводящихся в условиях нормально колеблющейся природной среды. 14.Факторы, влияющие на ГР: рекомбинации. 15.Факторы, влияющие на ГР: мутации. 16.Факторы, влияющие на ГР: дрейф генов, миграции. 17.Факторы, влияющие на ГР: отбор. 18.Генетический мониторинг природных систем, испытывающих антропогенные воздействия: влияние промысла. 19.Генетический мониторинг природных систем, испытывающих антропогенные воздействия: влияние искусственного воспроизводства. 20.Понятие генофонда. Устойчивость генофонда. 21.Генетический мониторинг сельскохозяйственных популяций. 22.Видовое разнообразие. 23.Влияние продуктивности на ВР. 24.Влияние суровости среды и пространственной неоднородности на ВР. 25.Влияние возраста сообщества и климатических колебаний на ВР. 26.Видовое разнообразие животных и растений России. 27.Разнообразие агросферы. 28.БР, его кризисы. 29.Экосистемное разнообразие. 30.Влияние абиотических факторов на ЭР. 31.Роль заповедников в сохранении БР. 32.Одомашнивание животных как один из способов сохранения генофондов. 33.Роль зоопарков и ботанических садов в сохранении БР. 34.Сохранение БР в питомниках и городских биогеоценозах. 35.Сохранение БР в лабораториях и вивариях. 36.Криоконсервация сперматозоидов. 37.Криоконсервация яйцеклеток, зародышей. 38.Замораживание соматических клеток. 39.Лиофилизация и другие способы сохранения генетической информации. 40.Длительность хранения замороженных клеток. Образовательные технологии. Мультимедийные средства обучения (презентации по всем темам тематического плана), проблемные и исследовательские методы (по темам модуля 2,3). 5. 6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля). 12 6.1. Основная литература 1.Экология: учебное пособие для вузов / В. А. Разумов. - Москва: Инфра-М, 2013. - 296 с. ГРИФ: Рекомендовано МО 5.2. Дополнительная 1. Пак, И.В. Комплексная морфогенетическая оценка состояния природных популяций рыб: учеб. пособие для вузов по спец. 020201 "Биология" и 020803 "Биоэкология" / И. В. Пак. - Тюмень: Изд-во ТюмГУ, 2005. - 168 с. Гриф: рекомендовано МО 2. Алтухов, Ю.П. Генетические процессы в популяциях: учеб. пособие для студ. вузов, обуч. по напр. 510600 "Биология" и спец. 012100 "Генетика" / Ю. П. Алтухов. - 3-е изд., перераб. и доп. - Москва: Академкнига, 2003. - 431 с. Гриф Рекомендовано МО 3. Биоразнообразие Западной Сибири - результаты исследований / РАН. - Тюмень: Ин-т проблем освоения Севера СО РАН, 1996. - 136 с. 4. Протасов, А.А. Биоразнообразие и его оценка: Концептуальная диверсикология / А. А. Протасов. - Киев: [б. и.], 2002. - 105 с. 5. Биоразнообразие и динамика экосистем: информационные технологии и моделирование / отв. ред. В. К. Шумный. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. - 648 с. 6. Биоразнообразие растений, микроорганизмов и методы их изучения: сб. ст. / Тюм. гос. ун-т; отв. ред. Н. А. Боме. - Тюмень: Изд-во ТюмГУ, 2008. - 140 с. 7. Охрана генофонда природной флоры: сб. ст. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1983. 191 с. 8. Тупикин, Е. И. Общая биология с основами экологии и природоохранной деятельности. М.: «Академия», 2000. 384 с. 9.3. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы: http://rji.ru/immweb.htm http://www.rji.ru/ruimmr.htm http://immunology.ru http://www.ncbi.nlm.nih.gov 7. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины. Дисциплина обеспечена компьютерными презентациями, составленными автором, видеофильмами. На факультете имеется для проведения занятий 3 мультимедийные аудитории, есть специализированные лаборатории: центр микроскопии (№ 408), оснащенный электронным микроскопом LSM 510-мета, фазово-контрастным микроскопом Axioimager А1; лаборатория молекулярной генетики (№ 309), оснащенная хроматографом ВСЖХ, ПЦР; лаборатория популяционной генетики (№ 111), оснащенная приборами для проведения электрофореза и цитогенетических исследований. 13