М3.ДВю1 Проблемы устойчивого развития биосферы

Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
Проблемы устойчивого развития биосферы
Методические указания по самостоятельной работе
Красноярск
СФУ
2011
Составитель: Межевикин В.В.
Методические указания составлены в соответствии с учебным планом
и программой по дисциплине «Проблемы устойчивого развития биосферы».
В пособии даны рекомендации для самостоятельного изучения
теоретического курса дисциплины, представлены источники основной и
дополнительной литературы в соответствии с темами занятий.
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся
по направлению 020400.68 «Биология», магистерская программа
020400.68.03 «Биофизика».
Целью данного курса является ознакомление учащихся с проблемами
глобального развития человеческой цивилизации в контексте биосферной
динамики. В основу курса положен принцип экспериментального и
теоретического моделирования биосферных процессов и биосферы в целом.
Целостность
восприятия
материала
обеспечивается
постоянным
прописыванием связей конкретной темы с конечной целью биосферных
исследований – преодолением глобального экологического кризиса.
Задачи изучения дисциплины заключаются:
- в формировании у магистрантов системного представления об
организации биосферных и составляющих их экосистемных процессов;
- в ознакомлении с истоками конфликта человеческой цивилизации с
живой природой и возможными подходами к обеспечению устойчивого
развития системы "биосфера-человечество";
- в создании представлений о возможностях естественных наук в
преодолении биосферного кризиса и границах их применимости;
- в формировании понимания необходимости мультисистемного
подхода к решению проблем глобального развития, включающего не только
естественнонаучные и инженерные, но и гуманитарные дисциплины, и ряд
других сфер деятельности человека.
В результате изучения дисциплины магистрант должен:
знать:
принципы
функционирования
биосферы,
причины
возникновения глобального кризиса, особенности описания экосистем.
уметь: вычислять степень замкнутости моделей экосистем, оценивать
экологические последствия внедрения новых технологий.
владеть: причинно-следственным анализом последствий принятия
решений в области экологической безопасности.
Задачей изучения дисциплины является формирование следующих
компетенций:
ОК-1: способен к творчеству (креативность) и системному мышлению;
ОК-2: способен к инновационной деятельности;
ОК-3: способен к адаптации и повышению своего научного и культурного
уровня;
ОК-6: способен самостоятельно приобретать с помощью информационных
технологий и использовать в практической деятельности новые знания и
умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не
связанных со сферой деятельности;
ПК-1: понимает современные проблемы биологии и использует
фундаментальные биологические представления в сфере профессиональной
деятельности для постановки и решения новых задач.
ПК-2: знает и использует основные теории, концепции и принципы в
избранной области деятельности, способен к системному мышлению.
ПК-3: самостоятельно анализирует имеющуюся информацию, выявляет
фундаментальные проблемы, ставит задачу и выполняет полевые,
лабораторные биологические исследования при решении конкретных задач
по специализации с использованием современной аппаратуры и
вычислительных средств, демонстрирует ответственность за качество работ
и научную достоверность результатов.
ПК-4: демонстрирует знание истории и методологии биологических наук,
расширяющие общепрофессиональную, фундаментальную подготовку.
ПК-6: творчески применяет современные компьютерные технологии при
сборе, хранении, обработке, анализе и передаче биологической
информации.
ПК-10: глубоко понимает и творчески использует в научной и
производственно-технологической деятельности знания фундаментальных и
прикладных разделов специальных дисциплин магистерской программы.
ПК-11: умеет планировать и реализовывать профессиональные мероприятия
(в соответствии с целями магистерской программы).
ПК-12: применяет методические основы проектирования и выполнения
полевых и лабораторных биологических и экологических исследований с
использованием современной аппаратуры и вычислительных комплексов (в
соответствии с целями магистерской программы), генерирует новые идеи и
методические решения.
1 Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия:
лекции
практические занятия (ПЗ)
Самостоятельная работа:
изучение теоретического курса (ТО)
Вид промежуточного контроля (зачет,
экзамен)
Всего
зачетных
единиц
(часов)
Семестр
2 (72ч)
0,88 (32 ч)
0,27 (10 ч)
0,61 (22 ч)
1,11 (40 ч)
1,11 (40 ч)
зачет
2 (72ч)
0,88 (32 ч)
0,27 (10 ч)
0,61 (22 ч)
1,11 (40 ч)
1,11 (40 ч)
зачет
11
2 Содержание дисциплины
2.1 Разделы дисциплины
№
п/п
Модули и разделы дисциплины
1.
Модуль 1.
Ключевые проблемы обеспечения устойчивого развития биосферы
2.
Модуль 2.
Экспериментальные модели биосферы
3.
Модуль 3.
Теоретические модели биосферы и биосфероподобных систем
4.
Модуль 4.
Задачи обеспечения устойчивости биосферы и составляющих ее экосистем.
Оптимальное природопользование
2.2 Самостоятельная работа
Самостоятельная работа по курсу включает самостоятельное изучение
теоретического материала для подготовки к семинарам и подготовку
реферата.
Самостоятельная работа студентов подкреплена учебно-методическим
и информационным обеспечением, включающим учебники, учебнометодические пособия, конспекты лекций, приведенные в п.3 настоящего
издания.
К учебно-методическим материалам Института фундаментальной
биологии и биотехнологии (ИФБиБТ) студенты имеют доступ через
официальный сайт института - http://bio.sfu-kras.ru/, раздел «Образование»,
учебно-методические материалы в электронном виде – http://bio.sfukras.ru/?page=482.
Студентам обеспечен свободный доступ к личному кабинету
преподавателя на сайте Института фундаментальной биологии и
биотехнологии (http://bio.sfu-kras.ru/?page=498). В личном кабинете
размещаются презентации, учебно-методические материалы, промежуточные
задания и вопросы к экзамену. Так же в личном кабинете организуется обмен
материалами и консультации при самостоятельной работе студентов и
выполнении практических заданий и подготовке презентаций.
Самостоятельное изучение теоретического материала проводится в
рамках модулей по следующим темам:
Модуль 1. Ключевые проблемы обеспечения устойчивого развития
биосферы
Тема 1.2. Гипотезы о происхождении жизни и первичной биосферы Земли. Ключевые
этапы развития биосферы. Особенности состояния биосферы в последние тысячелетия и в
настоящее время. Идеи Вернадского о биосфере и роли круговорота веществ в
обеспечении длительного существования биосферы. Замкнутость как характерное
свойство природных и искусственных экосистем. Подходы к оценке замкнутости.
Модуль 2. Экспериментальные модели биосферы.
Тема 2.3. Идеи и концепции, положенные в основу создания экспериментальной системы
жизнеобеспечения (СЖО) серии «Биос». Результаты экспериментов. Главный результат
проекта «Биос» - экспериментальное доказательство возможности длительного
обеспечения жизни человека с помощью биологической системы жизнеобеспечения.
«Биос-3» как модель земной биосферы.
Тема
2.4.
Американская
экспериментальная
СЖО
JSC-CELSS.
Японская
экспериментальная СЖО CEEF. СЖО MELISSA Европейского космического агентства.
Немецкая установка CEBAS. Вклад этих установок в изучение свойств земной биосферы.
Модуль 3. Теоретические модели биосферы и биосфероподобных систем.
Тема 3.2. Дискретные модели популяции. Динамические режимы в дискретных моделях
популяции. Зависимость горизонта прогноза динамики популяции от вариации начальных
условий и ошибки определения параметров модели.
Тема 3.3. Простейшие непрерывные модели экосистем. Гашение «вспышек численности»
в модели Лотка-Вольтерра как демонстрация необычного, с точки зрения «здравого
смысла» отклика экосистемы на антропогенное воздействие.
Тема 3.4. Проблема определения границ устойчивости экосистемы к внешнему
воздействию – оценка эластичности экосистемы. Модель разрушения биоты под
действием промышленных выбросов. Пороговость отклика экосистемы на внешнее
воздействие, как источник повышенного риска экологических катастроф.
Модуль 4. Задачи обеспечения устойчивости биосферы и составляющих
ее экосистем. Оптимальное природопользование
Тема 4.3. Принцип наихудшего сценария и минимальные модели биосферы.
Долгосрочные прогнозы динамики биосферы в зависимости от глобального
антропогенного воздействия. Влияние выбранных стандартов качества жизни и способов
его обеспечения на динамику биосферы.
Написание и защита рефератов.
Написание рефератов является необходимым элементом учебного
процесса. Основной целью выполнения данной работы является развитие
мышления и творческих способностей студента. В процессе выполнения
реферата у студента должны сформироваться следующие компетенции:
– применение методов научного познания;
– владение методологией обучения, постановки и разрешения проблем;
– способности к самоорганизации, организации и планированию;
– навыки работы с компьютером, умение использовать современные
информационные технологии (справочные системы, Интернет и др.) для
получения доступа к источникам информации, хранения и обработки
данных;
– навыки управления информацией и приемы информационно-описательной деятельности;
– навыки грамотной письменной и устной речи.
Написание реферата требует самостоятельности и творческого
подхода. Основной целью работы является раскрытие одной из тем,
предложенных преподавателем или выбранных самим студентом по
согласованию с преподавателем. Тему реферата студент выбирает
самостоятельно из представленных в списке (или предлагает свою) и
утверждает у преподавателя в течение первых двух недель обучения. Основа
реферата выполняется с использованием учебной и научной литературы и
обязательно подкрепляется материалами из научных статей журналов,
которые доступны на сайтах научных баз данных, поисковых систем,
издательств, в том числе и на сайте научной библиотеки СФУ (www.lib.sfukras.ru).
Студенты должны выполнить реферат по одной из следующих тем:
1. Взгляды В.И.Вернадского на превращение Биосферы в Ноосферу в
результате деятельности человечества
2. Анализ эволюционных механизмов возникновения человечества как
биологического вида
3. Проблемы химического загрязнения окружающей среды в результате
хозяйственной деятельности человечества
4. Проблема теплового загрязнения биосферы в результате деятельности
человечества
5. Проблемы обеспечения замкнутости химических потоков веществ,
возникающих в результате деятельности человечества
6. Пути защиты Биосферы от космических угроз
7. Проблемы лечения разных типов заболеваний людей в ХХI веке
8. Анализ возможных путей устойчивого социально-экономического
развития человечества
9. Анализ возможностей математического моделирования для
обнаружения отрицательных тенденций в развитии человечества
Реферат должен быть оформлен в соответствии с требованиями
оформления студенческих текстовых документов. Объем реферата должен
составлять 20-30 страниц.
Структура реферата
Реферат включает следующие структурные элементы:
1. Титульный лист. С него начинается нумерация страниц, но номер не
ставится. Номера страниц начинают печатать с первой страницы раздела
«Введение». Титульный лист оформляется аналогично титульному листу
курсовой работы: указывают наименование высшего учебного заведения;
факультет, кафедру, где выполнялась работа; название работы; фамилию и
инициалы студента; ученую степень и ученое звание, фамилию и инициалы
преподавателя; город и год выполнения работы.
2. Содержание. В содержании представлены названия всех разделов и
подразделов работы, каждое из которых печатается с новой строки. В конце
строки ставится номер страницы, на которой напечатана данная рубрика в
тексте. Номера страниц печатаются вблизи правого поля, все на одинаковом
расстоянии от края страницы. Следует обратить внимание, что названия
разделов и подразделов в оглавлении должно точно соответствовать
заголовкам текста.
3. Введение. Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой
темы, пути развития на современном этапе, имеющиеся проблемы и
способы их разрешения. Объём данного раздела не должен превышать
одной страницы.
4. Обзор литературы. В данном разделе излагаются теоретические
основы по выбранной тематике. Изложение должно вестись в форме
теоретического анализа проработанных источников применительно к
выполняемой теме, логично, последовательно и грамотно. При
необходимости данный раздел может состоять из отдельных подразделов.
Из содержания теоретического обзора должно быть видно состояние
изученности темы в целом и отдельных ее вопросов.
5. Заключение. Представляет собой краткое обобщение (2–3 абзаца)
приведенных данных.
6. Библиографический список. Оформляется в соответствии с
существующими требованиями.
7. Приложения.
Оформление реферата должно соответствовать межгосударственному
стандарту ГОСТ 7.32-2001, устанавливающему общие требования к
структуре и правилам оформления научных и технических отчетов.
Реферат должен сопровождаться библиографическим списком, который
составляют в соответствии с ГОСТ 7.12003 «Библиографическая запись.
Библиографическое описание. Общие требования и правила составления».
Защита реферата проводится, начиная с 12-й недели семестра во время
семинарских занятий. Для защиты реферата студент готовит
презентационные материалы, оформленные в виде последовательности
слайдов, демонстрируемых на экранах для аудитории слушателей. При
подготовке рефератов и презентаций рекомендуется использовать
лицензионное программное обеспечение СФУ, которое представлено в
каталоге.
3 Учебно-методические материалы по дисциплине
3.1 Основная и дополнительная литература, информационные
ресурсы
Основная литература:
1. Акимова, Т. А. Экология. Человек - Экономика - Биота - Среда:
учебник для вузов : рекомендовано Министерством образования РФ и
Учебно-методическим центром "Профессиональный учебник" / Т. А.
Акимова, В. В. Хаскин. - 3-е изд., перераб. и доп. - Москва : ЮНИТИДАНА, 2008. - 495 с. (15 экз.)
2. Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем
[Текст] = Problems of Ecological Monitoring and Ecosystem Modelling Москва : Институт глобального климата и экологии Росгидромета и
РАН, Том 23 / редкол.: Ю. А. Израэль, С. М. Семенов, В. А. Абакумов. 2010. - 334 с. (1 экз.)
3. Путь в синергетику: экскурс в десяти лекциях / Б. П. Безручко, А. А.
Короновский [и др.] ; предисл.: С. Миров, Г. Г. Малинецкий. - Изд. 2-е. Москва : URSS : ЛИБРОКОМ, 2010. - 303 с. (2 экз.)
4. Вернадский, В. И. Избранные труды / В. И. Вернадский ; сост., авт.
вступ. ст. и коммент. Г. П. Аксенов ; Ин-т обществ. мысли. - М. :
РОССПЭН, 2010. - 742 с. (1 экз.)
5. Данилов-Данильян, В. И. Перед главным вызовом цивилизации. Взгляд
из России: монография / В. И. Данилов-Данильян, К. С. Лосев, И. Е. Рейф ;
Российская академия наук [РАН]. Институт водных проблем, Российская
академия наук [РАН]. Всероссийский институт научной и технической
информации [ВИНИТИ]. - Москва : ИНФРА-М, 2009. - 223 с. (2 экз.)
6. Суховольский, В. Г. Оптимизационные модели межпопуляционных
взаимодействий: [монография] / В. Г. Суховольский, Т. Р. Исхаков, О. В.
Тарасова ; отв. ред. Р. Г. Хлебопрос ; Российская академия наук [РАН].
Сибирское отделение [СО]. Институт леса им. В.Н. Сукачева, Российская
академия наук [РАН]. Сибирское отделение [СО]. Красноярский научный
центр [КНЦ]. Президиум. Международный научный центр исследований
экстремальных состояний организма, Сиб. федерал. ун-т. - Новосибирск :
Наука, 2008. - 161 с. (1 экз.)
Дополнительная литература:
1. У.Бек, Общество риска. На пути к модерну, М.: Прогресс-Традиция,
2000.-384 с.
2. Барцев С.И., Дегерменджи А.Г., Ерохин Д. Глобальная минимальная
модель многолетней динамики углерода в биосфере //ДАН // 2005, т.401,
№2.
3. Будыко М. И. Эволюция биосферы. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1984.C.487
4. Вернадский В.И. Живое вещество и биосфера, М.: Наука, 1994.
5. Ковров Б.Г. Искусственные микроэкосистемы с замкнутым круговоротом
веществ как модель биосферы. В сб.: Биофизика клеточных популяций и
надорганизменных систем, Новосибирск: Наука. Сиб.Отд., 1992.- C.62-70.
6. Крапивин В.Ф., Свирежев Ю.М., Тарко А.М. Математическое
моделирование глобальных биосферных процессов. М., Наука, 1982.C.272.
7. Моисеев Н.Н. Современный рационализм. МГВП КОКС, 1995, 376 с.
8. Одум Ю. Экология, М.: Мир, 1986, т.1. - 328 с. т.2. – С.376.
9. Свирежев Ю.М., Логофет Д.О. Устойчивость биологических сообществ.
М.: Наука ФМЛ, 1978, 352 с.
10. Свирежев Ю.М. Нелинейные волны, диссипативные структуры и
катастрофы в экологии. М.: Наука ФМЛ, 1987, 366 с.
11. Хлебопрос Р.Г., Фет А.И. Природа и общество: модели катастроф.
Новосибирск: "Сибирский хронограф", 1999, 343 с.
Электронные ресурсы:
1. Bionanotechnology: Global Prospects. Editor: D. E. Reisner, CRC Press, 2009,
345 pp. Режим доступа: http://lib2.sfu-kras.ru/elib/b28/0234104.pdf
2. Современные проблемы и методы биотехнологии [Электронный ресурс] :
электрон. учеб. пособие / Н. А. Войнов [и др.] ; Сиб. федерал. ун-т. Версия 1.0. - Электронные данные (PDF ; 10 976 Кб). - Красноярск : ИПК
СФУ, 2009. - 418 on-line. - (Современные проблемы и методы
биотехнологии : УМКД № 1323-2008 / рук. творч. коллектива Т.Г.
Волова) (Электронная библиотека СФУ. Учебно-методические комплексы
дисциплин).
Режим
доступа:
http://files.lib.sfukras.ru/ebibl/umkd/1323/u_manual.pdf
3.2 Контрольно-измерительные материалы
Перечень и характеристика контрольно-измерительных материалов:
1) перечень вопросов к зачету.
Форма проведения зачета: письменный и устный ответ на вопросы.
Текущая работа оценивается по итогам работы магистранта на
семинарских занятиях.
Перечень контрольных вопросов:
1. Прогнозы Мальтуса и Римского клуба
2. Проблема истинности (адекватности) математических моделей
биосферы
3. Биосферика и экспериментальные модели замкнутых экосистем и СЖО
4. Модели жесткого и адаптивного метаболизма организмов,
составляющих трофические уровни экосистем
5. Ключевые этапы эволюции жизни и развития биосферы
6. Теоретическое
обеспечение
экспериментов
с
природными
экосистемами и искусственными биосферами
7. Особенности состояния биосферы в последние тысячелетия и в
настоящее время
8. Оптимальные принципы в проектировании замкнутых систем
жизнеобеспечения
9. Границы применимости естественнонаучного подхода в решении
биосферных проблем
10.Особенности обработки экспериментальных данных, полученных на
ЗЭС
11.Глобальный кризис в развитии человечества. Его проявления и истоки
12.Связь коэффициента замкнутости с устойчивостью стационарного
состояния экосистемы
13.Идеи Вернадского о биосфере и роли круговорота веществ в
обеспечении длительного существования биосферы.
14.Подобие, как инструмент работы с уникальными системами
15.Биологическая система жизнеобеспечения БИОС-3
16.Красноярская концепция происхождения жизни
17.Биосфера-2. Концепция, положенная в основу системы Биосфера-2, и
результаты ее реализации
18.Основные опасности, стоящие перед человечеством
19.Замкнутость как главное необходимое условие длительного
существования изолированных по веществу природных и
искусственных экосистем. Подходы к оценке замкнутости
20.Концепция происхождения Homo sapiens
21.Замкнутость и принципы оптимального природопользования
22.Минимальная модель биосферы и катастрофические режимы
23.Задачи биосферных исследований и технические средства их
выполнения
24.Проблема Дарвина-Вернадского и пути её решения
25.Структура модели World 3 и возможные варианты её решения.
26.Вариационное исчисление и вариационные принципы Лагранжа и
Гамильтона
27.Концепция устойчивого развития и возможные пути её реализации
28.Линейное программирование как инструмент реализации принципов
оптимальности.
29.Принципы
организации
коллективного
функционирования
человеческого общества
30.Универсальный коэффициент замкнутости
31.Экономические и политические циклы в историческом развитии
человеческих обществ
32.Модель разрушения биоты под действием промышленных выбросов