РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
Проректор по учебной работе
_______________________/Волосникова Л.М. /
__________ _____________ 2013 г.
СИНЕРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 020400.68 Биология; магистерские программы:
«Биотехнология», «Зоология позвоночных», «Физиология человека и животных»,
«Экологическая генетика», «Экология человека». Форма обучения – очная
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор работы ________________/Белкин А.В./
«______»___________2013 г.
Рассмотрено на заседании кафедры анатомии и физиологии человека и животных
протокол №__ от «___»__________2013 г. Соответствует требованиям к содержанию,
структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем _________стр.
Зав. кафедрой ____________________/Соловьев В.С./
«______»___________ 2013 г.
Рассмотрено на заседании УМК Института биологии, протокол №2 от «31»октября
2013 г.
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК ___________________/Мелентьева А.А./
«______»_____________2013 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Зав. библиотекой биологической литературы
Института биологии
_____________/Киприна Н.И./
«______»_____________2013 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Зав. методическим отделом УМУ_____________/Фарафонова И.Ю./
«______»_____________201__ г.
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт биологии
кафедра анатомии и физиологии человека и животных
Белкин А.В.
СИНЕРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 020400.68 Биология; магистерские программы:
«Биотехнология», «Зоология позвоночных», «Физиология человека и
животных», «Экологическая генетика», «Экология человека». Форма
обучения – очная
Тюменский государственный университет
2013
Белкин А.В. Синергетические процессы в биологических системах Учебно-методический
комплекс. Рабочая программа для
студентов
направления 020400.68 Биология;
магистерские программы: «Биотехнология», «Зоология позвоночных», «Физиология
человека и животных», «Экологическая генетика», «Экология человека». Форма обучения
– очная. Тюмень: Изд-во ТюмГУ, 2013, 15 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению подготовки.
Рабочая программа дисциплины опубликована на сайте ТюмГУ: Синергетические
процессы
в
биологических
системах
[электронный
ресурс]/
Режим
доступа:
http://www.umk3.utmn.ru, свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой анатомии и физиологии человека и животных.
Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: Соловьев В.С., д.мед.наук, профессор, заведующий
кафедрой анатомии и физиологии человека и животных
© Тюменский государственный университет, 2013.
© Белкин А.В., 2013.
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа включает следующие разделы:
1. Пояснительная записка:
1.1. Цели и задачи дисциплины
Цель дисциплины: формирование у студентов представлений об общих
закономерностях процессов самоорганизации в неживых и живых системах с
применением подходов междисциплинарной нелинейной науки в биологии.
Задачей дисциплины является интеграция определённых направлений физики,
математики, информатики, химии и биологии для осуществления комплексного подхода в
изучении ряда явлений на уровне организма.
1.2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры
Цикл М2, вариативная часть.
Содержание дисциплины: Основные идеи нелинейной динамики. Теория катастроф.
Динамический (детерминированный) хаос. Фрактальная геометрия. Хаос и фракталы.
Теория самоорганизации. Синергетика биологических систем. Биологическая
самоорганизация. Моделирование в биологии. Топологический подход. Исследования
фракталов в биологии. Фрактальная самоорганизация клеток. Хаос на уровне организма.
Содержание данной дисциплины необходимо для освоения дисциплин - физиологии;
генетики; биотехнологии, микробиологии.
Код
компетенции
1.3. Компетенции выпускника ООП магистратуры, формируемые в результате
освоения данной ООП ВПО.
В процессе освоения дисциплины формируются следующие компетенции: ПК – 11, ПК
– 12.
Демонстрирует современные представления об основах биотехнологии и генной
инженерии, нанобиотехнологии, молекулярного моделирования (ПК-11).
Знает принципы мониторинга, оценки состояния природной среды и охраны живой
природы участвует в планировании и реализации соответствующих мероприятий (ПК-12).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
 Знать:
принципы, закономерности, современные методы и направления биофизики,
биологии, основы математического анализа..
•Уметь:
Использовать методологические достижения и перспективные направления
биологии развития для решения медицинских, сельскохозяйственных проблем,
диагностики состояния и охраны природной среды.
Проводить анализ научной литературы.
Приобретать новые знания, используя информационные технологии.
 Владеть:
 широким спектром математических, биофизических, молекулярно-биологических,
генетических методов, используемых в биологии.
 Навыками научной дискуссии.
Формулировк Результ Результаты обучения по уровням
а компетенции обучен. освоения материала
в
базовый
повыш.
целом Мин.
Виды
заняти
й
(лекц.,
практ.,
сем.,
лабор.
Оценочные
сред (тесты.
твор. раб.,
проекты и
др.)
)
ПК11
Демонстриру Знает: О
Об
ет
существова особенност
современные
нии
ях
представлени
методов и математиче
я об основах
моделей,
ского
биотехнолог
позволяющ моделирова
ии и генной
их
ния
инженерии,
исследоват биологичес
нанобиотехн
ь
ких
ологии,
возникнове структур и
молекулярно
ние
процессов,
го
порядка из наряду с
моделирован
беспорядка поиском
ия
или хаоса натурных и
эксперимен
тальных
моделей
для
описания и
исследован
ия
биологичес
кого
морфогенез
а
Умеет: Различать На основе
междисцип применения
линарные математиче
течения в ского
науке ХХ аппарата
века:
дробного
теория
исчисления
колебаний, использоват
тектология, ь
системный концепции
анализ,
нелинейной
кибернетик динамики
а, теория
биологичес
катастроф, ких систем,
синергетик позволяющ
а
ие
учитывать
влияние
“памяти”
биологичес
ких
объектов на
эволюцию
О
Лек.
возможности семина
моделировани р.
я различных зан.
биологически
х феноменов,
а
также
условий
жизнедеятель
ности
отдельных
особей,
популяций и
экосистем
Устный
опрос,
доклад,
презентация
,
защита
контр. раб.
Разбираться в
комплексных
задачах:
гелиотараксия
(Чижевский),
учение о
биосфере и
ноосфере
(Вернадский),
принцип
дополнительн
ости (Бор),
универсальны
й
эволюционизм
(Моисеев),
автопоэзис
(Матурана,
Варелла),
теория
сложности,
динамический
хаос,
Устный
опрос,
доклад,
презентация
Лек.,
семина
р.
зан.
биологичес фрактальная
кой
геометрия и
системы
т.д..
Владее Знаниями о
т
фракталах,
фрактальн
ых
объектах в
природе,
фрактально
йразмернос
ти
ПК-12 Знает
Знает: Знает
принципы
принципы
мониторинга,
устройства
оценки
популяции,
состояния
сообщества
природной
,
среды и
экосистем
охраны живой
ы
природы
участвует в
планировании
и реализации
соответствую
щих
мероприятий
Навыками
вычисления
фрактально
й
размерност
и для
простейших
фракталов
Навыками
вычисления
фрактальной
размерности
структур в
динамическом
хаосе
Лек.,
семина
р.
зан.
Формы
биологичес
ких
отношений
в
сообщества
х.
Круговорот
ы вещества
и энергии.
Биосферу,
ее
эволюцию,
ресурсы,
пределы
устойчивос
ти.
Биопродукт
ивность
Лек., Устный
семиар. опрос,
зан.
доклад,
презентация.
Умеет: Адекватно
оценивать
ресурсы
биосферы
и
демографи
ческие
проблемы.
Биологичес
Обрисовать
парадигмы
антропоцен
тризма и
биоцентриз
ма в
решении
социальных
проблем.
Антропогенны
е воздействия
на биосферу,
экологический
кризис и пути
его
преодоления.
Принципы
рационального
природопольз
ования,
охраны
природы,
экологию
человека
и
социальную
экология.
Принципы
взаимодействи
я организма и
среды
обитания.
Факторы
экологическог
о
риска
и
здоровье
человека.
Ставить
задачи по
принципам
рационального
природопольз
ования,
охраны
природы,
экологии
Лек..
семина
р.
зан.
Устный
опрос,
доклад,
презентация
Устный
опрос,
доклад,
презентация
ки
обоснован
ные права
человека
Пути
развития
экономики,
не
разрушающ
ей природу
человека и
социальной
экологии,
принципам
взаимодействи
я организма и
среды
обитания
Владее Элементарн Информацие Методами
т
ыми
й об
ритмокаскадов
знаниями
основных
: фрактальное
эклолгическо принципах моделировани
го права
реализации е сложных и
экологическ иерархических
ого права
систем
(организм,
государство,
личность)
Лек.,
семина
р.
зан.
Устный
опрос,
доклад,
презентация
Структура и трудоемкость дисциплины.
Семестр 3. Форма промежуточной аттестации – зачет. Общая трудоемкость
дисциплины составляет 2 зачетные единицы.
2.
3.
Тематический план.
Таблица 1.
1
2
2
8
1
геометрия. 3
3
2
2
8
2
самоорганизации. 3
5
2
2
8
2
Основные идеи нелинейной 3
Формы текущего контроля
(по
неделям
семестра)
Форма
промежуточной
аттестации (по семестрам
из них в
интерактивной
форме, в часах
Самостоятельная
работа с
Семинары
1.
Виды учебной работы, включая
самостоятельную работу
студентов и трудоемкость (в
часах)
Лекции
Раздел
дисциплины
Семестр
№
п/п
Неделя семестра
Тематический план
динамики. Теория катастроф.
Динамический
(детерминированный) хаос.
2.
Фрактальная
Хаос и фракталы.
3.
Теория
Синергетика биологических
систем.
Контрольн
ая работа
4.
Биологическая
3
7
2
2
8
2
3
9
2
2
8
2
3
11
2
2
8
1
Интерактивная форма
5
5
Всего часов
12
12
самоорганизация.
Моделирование в биологии.
5.
Топологический подход.
Исследования фракталов в
биологии.
6.
Фрактальная
самоорганизация
клеток.
Хаос на уровне организма.
10
48
Зачет
Таблица 2
Планирование самостоятельной работы студентов
№
Модули и темы
1
Основные идеи
нелинейной
динамики. Теория
катастроф.
Виды СРС
Обязательные
Дополнительные
Неделя Объем
сем.
часов
подготовка к семинару
Углубление и систематизация
Знакомство с содержанием
полученных знаний с
электронных источников (по использованием основной и
теме).
дополнительной литературы
1
4
подготовка к семинару
Углубление и систематизация
Динамический
Знакомство
с
содержанием
полученных знаний с
2 (детерминированный)
электронных источников (по использованием основной и
хаос.
теме).
дополнительной литературы
2
4
Самостоятельное изучение
темы с использованием
Углубление и систематизация
основной лит-ры. подготовка к
полученных знаний с
семинару. Знакомство с
использованием основной
содержанием электронных
литературы
источников (по теме)
3
4
Самостоятельное изучение Углубление и систематизация
темы с использованием
полученных знаний с
основной лит-ры. подготовка к использованием основной
семинару по теме
литературы
4
4
Углубление и систематизация
полученных знаний с
использованием основной
литературы. Подготовка
доклада и презентации по
теме
5
4
Выполнение контрольных Углубление и систематизация
работ по пройденным темам.
полученных знаний с
Самостоятельное изучение
использованием основной
темы с использованием
литературы. Подготовка
основной лит-ры. подготовка к доклада и презентации по
семинару по теме
теме
6
4
Фрактальная
геометрия.
3
Хаос и фракталы.
4
Теория
самоорганизации.
5
6
Синергетика
биологических
систем.
подготовка к семинару по
теме. Знакомство с
содержанием электронных
источников (по теме)
Биологическая
самоорганизация.
7
Моделирование в
биологии.
8
Топологический
подход.
9
Исследования
фракталов в
биологии.
10
Фрактальная
самоорганизация
клеток.
11
Хаос на уровне
организма.
12
Углубление и систематизация
полученных знаний с
использованием основной
литературы. Подготовка
доклада и презентации по
теме
Подготовка к научной
Углубление и систематизация
дискуссии. Самостоятельное
полученных знаний с
изучение темы с
использованием основной
использованием основной лит- литературы. Подготовка
ры. подготовка к семинару по доклада и презентации по
теме
теме
Самостоятельное изучение
темы с использованием
основной лит-ры. подготовка к
семинару по теме
Углубление и систематизация
полученных знаний с
использованием основной
литературы. Подготовка
доклада и презентации по
теме
Углубление и систематизация
Самостоятельное изучение
полученных знаний с
темы с использованием
использованием основной
основной лит-ры. подготовка к литературы. Подготовка
семинару по теме
доклада и презентации по
теме
подготовка к семинару по Углубление и систематизация
теме. Знакомство с
полученных знаний с
содержанием электронных
использованием основной
источников (по теме)
литературы
7
4
8
4
9
4
19
4
11
4
12
4
Самостоятельное изучение
темы с использованием
основной лит-ры. подготовка к
семинару по теме
Самостоятельное изучение Углубление и систематизация
темы с использованием
полученных знаний с
основной лит-ры. подготовка к использованием основной
семинару по теме, подготовка
литературы Составление
к зачету
презентации (по выбору)
ИТОГО
48
4. Разделы дисциплины и междисциплинарные
(последующими) дисциплинами
№
п/п
связи
с
обеспечиваемыми
Темы дисциплины необходимые для изучения
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
Наименование обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
1
2
3
4
+
+
1
Математическое моделирование
биологических процессов
+
+
2
Учение о биосфере и глобальные
экологические проблемы
+
+
3
Современные проблемы биологии
4
Физиология респираторной системы
в условиях адаптации к природным и
5
+
+
+
7
+
+
+
6
9
+
+
+
8
10
11
+
+
+
12
+
+
+
+
+
+
+
+
социальным факторам
5
Компьютерные технологии в
биологии
+
+
+
+
5. Содержание дисциплины.
Тема 1. Основные идеи нелинейной динамики. Теория катастроф. Классические
представления Лапласа об однозначно детерминированном и предсказуемом мире. Теория
бифуркаций и катастроф. Катастрофой называется скачкообразное изменение,
возникающее в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий.
Тема 2. Динамический (детерминированный) хаос. В классической равновесной
термодинамике мерой хаоса служила энтропия. Изолированные системы вследствие
линейных термодинамических процессов эволюционируют к стационарному состоянию
максимальной энтропии и неупорядоченности.
Тема 3. Фрактальная геометрия. Фрактальная структура образуется путем бесконечного
повторения (итерации) какой-либо исходной формы во все уменьшающемся (или
увеличивающемся) масштабе по определенному алгоритму, т.е. в соответствии с
определенной математической процедурой. Таким образом, фракталы характеризуются
самоподобием, или масштабной инвариантностью, т.е. единообразием в широком
диапазоне масштабов.
Тема 4. Хаос и фракталы. Природные, в частности, биологические структуры стохастические, хаотические фракталы, или квазифракталы; повторяемость их структуры
в разном масштабе неполна и неточна - это «обрубленные» фракталы.
Тема 5. Теория самоорганизации. Самоорганизация – установление упорядоченного
состояния или поведения в сложных открытых системах.
Тема 6. Синергетика биологических систем. Самоорганизующиеся системы как предмет
изучения синергетики. Подходы к изучению синергетики, ее диалогичность. Модели
самоорганизации в науках о человеке и обществе. Сверхбыстрое развитие процессов в
сложных системах. Коэволюция, роль хаоса в эволюции.
Тема 7. Биологическая самоорганизация. Биологическая самоорганизация в
разнообразных биологических системах всех уровней, от молекулярного и клеточного до
популяционного.
Тема 8. Моделирование в биологии. Попытки математического моделирования
биологических структур и процессов, наряду с поиском натурных и экспериментальных
моделей для описания и исследования биологического морфогенеза. Модели в биологии
применяются для моделирования биологических структур, функций и процессов на
разных уровнях организации живого: молекулярном, субклеточном, клеточном, органносистемном, организменном и популяционно-биоценотическом. Возможно также
моделирование различных биологических феноменов, а также условий жизнедеятельности
отдельных особей, популяций и экосистем.
Тема 9. Топологический подход. Пространственно-координационная система - это
определенное топологическое пространство допустимых в данном виде физической
активности движений с заданным скоростно-силовым потенциалом. Пространственнокоординационная система, пространственная форма движения и соответствующий им вид
физической активности (вид физической культуры) суть три проекции, три взгляда на
один и тот же феномен. Так, к примеру, художественная гимнастика является не набором
средств и методов, а определенным типом пространственно-координационной системы,
определяющим, в свою очередь, этот набор средств и методов для ее "заполнения".
Аналогичным способом определяются и другие виды физической активности и культуры
движения. Пространственно -координационная система определяет не только известные
движения в данном виде физической активности (виде спорта), но и еще не известные или
не применяемые движения. Структурно-конструктивный биомеханический подход в
своем развитии становится, по сути, топологическим подходом.
Тема 10. Исследования фракталов в биологии. Фрактальная геометрия дала возможность
сжатого математического описания биологических структур и процессов. Это
направление заявило о себе на первой конференции по искусственной жизни в ЛосАламосе в 1989 году. «Искусственная жизнь» находится на стыке компьютерных наук,
биологии, математики и искусства. В классификации компьютерных наук это направление
является разделом «искусственного интеллекта», а в биологии мощным инструментом
моделирования. «Искусственная жизнь», пытаясь синтезировать, воссоздать живые
системы в компьютере, объединяет сегодня всевозможные компьютерные эмуляции,
воспроизводящие любые специфические особенности живых процессов и систем.
Тема 11.Фрактальная самоорганизация клеток. Самоорганизация, фракталы и хаос в
биологических системах. Биологическая самоорганизация и моделирование в биологии.
Исследования фракталов в биологии. Фрактальная организация клеток и клеточных
ансамблей. Фрактальная самоорганизация агрегирующих клеток. Фрактальный хаос в
организации нейронов. Фракталы и хаос в организме. Фракталы и хаос в морфологии
гастроваскулярной системы медузы Aurelia. Формирование хаотических паттернов в
онтогенезе медузы Aurelia. Хаотические фракталы жаберной трахейной системы личинок
поденок. Хаос и фракталы в эволюции Metazoa. Топологический дизайн Metazoa.
Тема 12. Хаос на уровне организма. Организм – любой набор информаций, ограниченный
управляющей матрицей. Дыхательные пути, сформировавшиеся в ходе эволюции и
эмбрионального развития, напоминают фракталы, порожденные компьютером. Бронхи и
бронхиолы легкого образуют "дерево" с многочисленными разветвлениями.
Мелкомасштабная структура дыхательных путей выглядит так же, как крупно
масштабная. Количественный анализ ветвления дыхательных путей показал, что оно
имеет фрактальную геометрию.
6. Планы семинарских занятий.
Тема 1. Основные идеи нелинейной динамики. Теория катастроф.
1. Междисциплинарные течения в науке ХХ века: теория колебаний (Пуанкаре,
Мандельштам, Андронов), тектология (Богданов), системный анализ (фон Берталанфи),
кибернетика (Винер), теория катастроф (Том, Арнольд), синергетика (Пригожин, Хакен,
Курдюмов). Понятия системы, обратных связей, цели, самоорганизации.
2. Теория автоматического управления, робототехника, искусственный интеллект.
Трансдисциплинарный резонанс в комплексных задачах: гелиотараксия (Чижевский),
учение о биосфере и ноосфере (Вернадский), принцип дополнительности (Бор),
универсальный эволюционизм (Моисеев), автопоэзис (Матурана, Варелла), теория
сложности, динамический хаос, фрактальная геометрия и т.д..
Тема 2. Динамический (детерминированный) хаос.
1. Общие свойства. Переходы порядок-хаос. Универсальные сценарии перехода к
хаосу: перемежаемость, период 3, каскад удвоения периода Универсальность
Фейгенбаума в биологии и экономике. Диаграммы Дамарея.
2. На основе применения математического аппарата дробного исчисления
разработана новая концепция нелинейной динамики биологических систем, позволяющая
учитывать влияние “памяти” биологических объектов на эволюцию биологической
системы. Впервые в математических моделях биологических процессов применены
дробные операторы А.В.Летникова. Предлагаемая в работе концепция реализована на
примере математических моделей популяционной динамики.
Тема 3. Фрактальная геометрия.
1. Фракталы. Понятие фрактала, повсеместность фрактальных объектов в природе
(Б.Мандельброт). Фрактальная размерность, ее вычисление для простейших фракталов.
Фрактальные структуры в динамическом хаосе, стохастичность и самоподобие.
Презентация - красота фракталов.
Тема 4. Хаос и фракталы.
1. Развитый хаос. Странные аттракторы в климатических моделях (Лоренц). Условие
возникновения хаоса. Горизонт предсказуемости. Динамический хаос, как условие
адаптивности системы: медицина, биология, физика. Хаос, квант и проблема времени.
Тема 5. Теория самоорганизации.
1. Самоорганизация в физике, химии, биологии, геологии, экологии (Галактика,
Солнечная система, эволюция Земли, климат). Сравнительный анализ эволюционных
теорий. Проблемы прогноза и самоидентифиикации в динамическом хаосе.
Антикризисные стратегии. Сценарии преодоления кризисов: силовой, вероятностный,
промежуточный. Динамический хаос и обобщенная рациональность. Самоорганизованная
критичность. Фликкер шум, распределение Паретто. Коридоры прозрачности, русла и
джокеры. Природные и социальные приложения.
Тема 6. Синергетика биологических систем.
1. Синергетика и принципы гармонии. Восприятие звука, цвета, формы. Генезис
золотых пропорций в системах с памятью. Метод ритмокаскадов: фрактальное
моделирование сложных и иерархических систем (организм, государство, личность).
Тема 7. Биологическая самоорганизация.
1. Популяции, сообщества, экосистемы. Принципы их организации. Формы
биологических отношений в сообществах. Круговороты вещества и энергии. Биосфера, ее
эволюция, ресурсы, пределы устойчивости. Био-продуктивность. Антропогенные
воздействия на биосферу, экологический кризис и пути его преодоления. Принципы
рационального природополь-зования. Охрана природы. Экология человека и социальная
экология. Принципы взаимодействия организма и среды обитания. Факторы
экологического риска и здоровье человека.
2.
Ресурсы биосферы и демографические проблемы. Биологически обоснованные
права человека. Парадигмы антропоцентризма и биоцентризма в решении социальных
проблем. Пути развития экономики, не разрушающей природу. Экологическое право. Что
мы. можем сделать для сохранения жизни на Земле ?
Тема 8. Моделирование в биологии.
1. Общие принципы. Пространства состояний и динамическая модель. Пуанкаре –
качественная теория дифференциальных уравнений. Как описать движение изнутри? -модель драйвера. Фазовый поток. Активные, консервативные, диссипативные системы.
Метаморфозы структур. Диссипативные системы вдали от равновесия. Режимы с
обострением. Особенности и аттракторы маломерных систем. Природные и социальные
приложения.
2.
Простейшие модели. Радиоактивный распад, рост колоний бактерий и популяций,
заполнение экологической ниши, рост народонаселения, информации. Преодоление
режима с обострением за счет системных феноменов. Модель хищник -жертва в природе и
обществе, анализ фазового портрета. Экологические модели и проблемы устойчивости,
роль разнообразия видов. Прогноз в экономике, демографии, массовой культуре.
Тема 9. Топологический подход.
1.
Пространственно-координационная система - это определенное топологическое
пространство допустимых в данном виде физической активности движений с заданным
скоростно-силовым
потенциалом.
Пространственно-координационная
система,
пространственная форма движения и соответствующий им вид физической активности
(вид физической культуры) суть три проекции, три взгляда на один и тот же феномен.
Тема 10. Исследования фракталов в биологии.
1. О диффузионном механизме распространения взаимодействующих друг с другом
веществ-морфогенов, положенному в основу реакционно-диффузионных моделей.
Постулат о механических (биомеханических, механохимических) взаимодействиях клеток
друг с другом и деформируемым субстратом, внеклеточным матриксом. Важнейшие
морфогенетические функции в развитии многоклеточных животных; механизм обратной
связи через реципрокные взаимодействия клеток с внеклеточным матриксом.
Тема 11. Фрактальная самоорганизация клеток.
1. На молекулярном уровне изучение первичной и вторичной структуры ДНК, РНК,
белков, других макромолекул и их комплексов, динамики окислительных процессов и т.д.
На субклеточном и клеточном уровне - фрактальные свойства пространственной
организации мембран, цитоплазмы, ядер, распределения рецепторов и молекул адгезии
(одна из вновь открытых молекул клеточной адгезии получила название фракталкин),
кинетика связывания лигандов с рецепторами, динамика клеточного движения,
морфология различных клеток и их ассоциаций.
2. Тканевой уровень фрактальных исследований - морфологическая организация и
разнообразные гистогенезы в норме и патологии, особенно при онкогенезе. На уровне
органов и организма - фрактальная организация дыхательной, сосудистой и других систем
животных и растений, множество физиологических и поведенческих реакций организма в
норме и патологии.
Тема 12. Хаос на уровне организма
1. Биологический организм состоит из множественных структурно-функциональных
звеньев, связанных в единую многоуровневую сеть, где информационная составляющая
каждой отдельной клетки влияет как на все остальные субформы (ткани, органы и т. д.),
так и на организм в Целом. Человек - открытая система, которой свойственны
саморегуляция и самоорганизация. Основой структурно-системной организации,
функционирования и управления является фрактал. Это означает, что человеческий
организм обладает свойством самоподобия на разных уровнях системной иерархии, и
свидетельствует о «голографичности» его информационных систем и, в частности,
головного мозга. Элементы, систематизирующие информационные взаимосвязи,
существуют во всех органах и системах организма. Взаимодействие среды и организма
происходит через резонанс внешних и внутренних колебательных процессов.
2. Восприятие информации осуществляется «телом» (пятью органами чувств), а
анализирует информационно -обменные процессы мозг. Здоровый организм отличается
устойчивостью информационных связей как между различными функциональными
системами организма, так и внутри каждой системы и подсистемы. Показателем
устойчивости информационного взаимодействия служит синхронизация собственных
колебательных процессов, имеющих электромагнитную природу.
7.
Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины.
Таблица 3
Осуществляемые студентами виды самостоятельных работ при изучении
дисциплины и контроль за их выполнением
№
п/п
Вид самостоятельной работы
Деятельность студентов в ходе выполнения
данного вида самостоятельной работы
Способ
оценки
1
Углубление и систематизация
полученных знаний с
использованием основной
литературы
Предполагается, что по мере освоения
материала студенты дополнительно
самостоятельно прорабатывают конспекты
лекций, а также рекомендованные разделы
основной и дополнительной литературы.
ответ на
семинаре
2
Подготовка к семинару по
теме
По мере освоения лекционного материала
проводится контроль теоретических знаний
студентов по определенным темам дисциплины
представленным в разделе тематическое
планирование. Студенты самостоятельно
готовятся к семинару с использованием
материалов лекций, основной и дополнительной
литературы.
ответ на
семинаре
3
Подготовка к контрольной
работе по теме
Тема включает самостоятельную подготовку
студентами к контрольной работе,
затрагивающей различные аспекты предмета.
Контрольная
работа
4
Подготовка презентаций
Студенты самостоятельно в ходе подготовки к
семинару готовят при помощи
соответствующего программного обеспечения
слайды для более полного освещения вопросов
семинара.
ответ на
семинаре
5
Углубление и систематизация
полученных знаний с
использованием основной
литературы
Студенты самостоятельно в ходе подготовки к
семинару готовят при помощи
соответствующего программного обеспечения
слайды для более полного освещения вопросов
семинара.
ответ на
семинаре
6
Подготовка к научной
дискуссии «механизмы
рецепции»
Студенты самостоятельно готовятся к семинару
с использованием материалов электронных
источников.
Ответ на
семинаре
Дидактические материалы для проведения текущего контроля и промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины:
Темы контрольных работ
1.
Каковы основные этапы развития междисциплинарного подхода в ХХ веке?
2.
В чем заключается эволюция системных представлений от тектологии Богданова, до
синергетики?
3.
В чем особенности современного этапа междисциплинарной коммуникации?
4. Роль принципов становления и бытия в описании эволюции систем.
5.
Продемонстрируйте принципы синергетики на примере любого события в вашей
жизни.
6.
Какова роль параметров порядка и в чем заключается принцип подчинения Хакена?
7. В чем ограниченность и универсальность подхода теории катастроф?
Сформулируйте признаки катастроф.
8.
Какие области естественных и гуманитарных наук наиболее заинтересованы в
применении катастрофических методов? Что такое предвестники катастроф?
9. Приведите пример катастрофы «сборка» в обыденной жизни.
10. В чем причины широкой применимости модели хищник- жертва в природных и
социо-гуманитарных системах?
11. Какова классификация общих динамических систем?
12. Каковы типы аттракторов в маломерных моделях? Движение, виды органов
движения.
13.
Сформулируйте основные сценарии перехода к хаосу.
14.
Что такое горизонт предсказуемости и каковы принципы прогнозирования в хаосе?
15.
Фрактальные структуры в природе и динамическом хаосе, в чем причина их
повсеместности?
16.
Каковы сценарии преодоления хаоса?
17.
Обобщенная рациональность и рождение параметра порядка. Приведите примеры.
18.
Проинтерпретируйте
естественно
научные
феномены
на
языке
теории
самоорганизации.
Вопросы к зачету
1. Основные идеи нелинейной динамики
2. Что принято именовать нелинейной наукой?
3. Что такое синергетика?
4. Что такое сложные системы?
5. Теория катастроф.
6. Что называется катастрофой?
7. Динамический (детерминированный) хаос.
8. Что служит в классической равновесной термодинамике мерой хаоса?
9. Фрактальная геометрия
10. Как образуется фрактальная структура?
11. Чем характеризуются фракталы?
12. Хаос и фракталы
13. Теория самоорганизации
14. Синергетика биологических систем
15. Биологическая самоорганизация
16. Моделирование в биологии
17. Топологический подход
18. Исследования фракталов в биологии
19. Фрактальная самоорганизация клеток
20. Хаос на уровне организма
8.
Образовательные технологии.
При реализации различных видов учебной работы в ходе освоения дисциплины
используются следующие виды образовательных технологий:
- мультимедийные средства обучения:
- В лекционном курсе студентам демонстрируются анимированные слайды, видео ролики
для более полного освещения материала. В ходе самостоятельной подготовки к
семинарским занятиям студенты разрабатывают с помощью ПО - "PowerPoint" слайды для
более полного освещения излагаемого материала.
- специализированные программы и оборудование:
- При подготовке и чтении лекционного курса используется программы пакета Microsoft
Office ("МО PowerPoint, Windows Media Player, Internet Explorer"),- интерактивные
технологии:
 Дискуссии в рамках семинарских занятий
9.
Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.
9.1. Основная литература:
1.
Горелов, А. А. Концепции современного естествознания. М.: Юрайт, 2012.- 347 с.
Гриф МО
2.
Биофизика: учебное пособие для студентов вузов/ Г. А. Плутахин. - 2-е изд.,
перераб. и доп.. - Санкт-Петербург: Лань, 2012. - 240 с.
3.
Аринштейн Э.А. Концепции современного естествознания: учеб. пособие/ - 2-е
изд., перераб. и доп.. - Тюмень: Изд-во ТюмГУ, 2011. - 160 с.
9.2. Дополнительная литература:
1.
Теория катастроф/ В. И. Арнольд ; ред. В. Л. Арлазаров. - 5-е изд.. - Москва: URSS,
2009. - 448 с.
2.
Основы физики и биофизики / под ред. А. И. Журавлёва. М.: Мир: БИНОМ, 2008. –
384 с. Гриф МО
3.
Сердюк, И. и др. Методы в молекулярной биофизике. Структура. Функция.
Динамика: в 2-х томах. Т. 1. – М.: КДУ, 2009. – 568 с.
4.
Сердюк, И. и др. Методы в молекулярной биофизике. Структура. Функция.
Динамика: в 2-х томах. Т. 2. – М.: КДУ, 2010. – 736 с.
5.
Владимиров, Ю.С. Геометрофизика. М. БИНОМ, 2010. – 536 с. Гриф МО
6.
Владимиров, Ю.С. Метафизика. М. БИНОМ, 2009. – 568 с.
7.
Ризниченко, Г. Ю., Рубин, А. Б. Биофизическая динамика продукционных
процессов. – Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004. – 464 с.
8.
Ремизов, А.Н. и др. Медицинская и биологическая биофизика. – М.: ДРОФА, 2005.
– 560 c. Гриф УМО.
9.3. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:
1. www.pubmed.gov
2. www.medline.ru
3. www.elibrary.ru
10.
Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины.
Дисциплина обеспечена компьютерными презентациями, составленными автором,
видеофильмами. На факультете имеется для проведения занятий 3 мультимедийные
аудитории.