МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ К.И.САТПАЕВА Институт высоких технологий и устойчивого развития Кафедра Прикладной экологии По дисциплине «Происхождение и эволюция биосферы» Специальность 5В060800 - Экология Форма обучения дневная Всего 3 кредита Курс 1 Семестр 2 Лекций 30 часов Практические занятия 15 часов Рубежный контроль (количество) - 2 СРСП 45 часов СРС 45 часов Всего аудиторных - 45 Всего внеаудиторных - 90 часов Трудоемкость 135 часов Экзамен У семестр 2 Алматы 2013 Программа курса составлена: Кезембаевой Г.Б., старший преподаватель кафедры «Прикладная экология» на основании содержания образовательной программы дисциплины «Происхождение и эволюция биосферы» утвержденной Республиканским учебно-методическим объединением по экологии Министерства науки и образования РК. Рассмотрена на заседании кафедры «Прикладная экология» « 16 » июня 2013г. Протокол № 11 Зав. кафедрой ПЭ Ошакбаев М.Т. Одобрена НМС института « 25 » июня 2013г. Протокол № 6 Председатель Кумеков С.Е. Сведения о преподавателе: Кезембаева Гульмира Булатовна, магистр, старший преподаватель, закончила ААСИ по специальности «Организация и управление в строительстве», магистратуру по специальности «Прикладная экология», педагогический стаж 12 лет, стаж в КазНТУ 12 лет, преподает данную дисциплину 2 год, методических работ по данной дисциплине нет. Офис: кафедра «Прикладная экология» Адрес: 050013, Алматы, Сатпаева 22, ГМК, к.313 Тел.: 2577137, внутр. 72-96 2 1 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ Целью преподавания дисциплины «Происхождение и эволюция биосферы» является дать основные представления о взаимосвязанности разных сообществ, обмен между ними веществом и энергией позволяет рассматривать все живые организмы Земли и среду их обитания как одну очень протяженную и разнообразную экосистему – биосферу. Всестороннее ознакомление студентов с основными закономерностями организации и функционирования биосферы как сферы обитания всех живых организмов, а также ее эволюции в условиях антропогенного пресса. Задачи изучения дисциплины В результате изучения курса студенты должны знать: - основные этапы эволюции биосферы; - закономерности развития и распространения жизни на Земле; - основные компоненты биосферы и их взаимодействие; - вещественный состав, строение и границы биосферы; - потоки энергии и продуктивность, накопление биомассы; - структура и основные циклы биохимических круговоротов химических элементов; - динамику и причину устойчивого развития биосферы; - влияние антропогенных факторов на функционирование биосферы; - условия устойчивого развития биосферы; - биосферные функции человечества и пути решения экологических проблем и сохранения биосферы. Основные умения и навыки В результате изучения курса студенты должны уметь: - раскрыть основные закономерности функционирования биосферы; - провести анализ круга проблем, связанных с воздействием антропогенных факторов на биосферу; - правильно проводить всесторонний анализ полученных материалов биосферных исследований; - рассмотреть конкретные задачи и давать ценные заключения и выводы по материалам исследований в природоохранных целях. В результате изучения курса студенты должны приобрести: - знания закономерностей развития биосферы и условий сохранения экологического равновесия; - навыки использования материалов исследований и результатов экспериментов для решения практических задач по охране биосферы. Пререквизиты: для изучения курса «Происхождение и эволюция биосферы» необходимые дисциплины согласно рабочему учебному плану специальности: химия, физика. Постреквизиты: знания по данной дисциплине являются фундаментальной базой для ряда смежных дисциплин: экология растений, экология животных, экология почв, ландшафтная экология, химическая экология (по рабочему учебному плану специальности). 3 2 СИСТЕМА ОЦЕНКИ ЗНАНИЙ По кредитной технологии обучения для всех курсов и по всем дисциплинам Казахского национального технического университета имени К.И.Сатпаева применяется рейтинговый контроль знаний студентов. Для данной дисциплины установлены следующие виды контроля: текущий контроль, рубежный контроль, итоговый контроль (таблица 1.). Сроки сдачи результатов текущего контроля должны определяться календарным графиком учебного процесса по дисциплине (таблица 2). Количество текущих контролей определяется содержанием дисциплины и ее объемом, которое указывается в учебно-методическом комплексе дисциплины. Итоговая оценка по дисциплине определяется по шкале (таблица 3). Таблица 1 Распределение рейтинговых % по видам контроля № Вид итогового Виды контроля % вариантов контроля 1. Экзамен Итоговый контроль 100 Рубежный контроль 100 Текущий контроль 100 Таблица 2 Календарный график сдачи всех видов контроля по дисциплине «Происхождение и эволюция биосферы» Недели 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Нед.кол.конт. П1 П2 П3 П4 П5 П6 РК П7 П8 П9 П10 П11 П12 РК Р 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Виды контроля: Л – лабораторная работа; К – контрольная, СР- самостоятельная работа, Кл – коллоквиум, РК – рубежный контроль, Р- рефераты Таблица 3 Оценка Отлично Хорошо Удовлетворительно Неудовлетворительно Оценка знаний студентов Буквенный Рейтинговый эквивалент балл (в процентах %) А 95-100 А90-94 В+ 85-89 В 80-84 В75-79 С+ 70-74 С 65-69 С60-64 D+ 55-59 D 50-54 F 0-49 4 В баллах 4 3,67 3,33 3,0 2,67 2,33 2,0 1,67 1,33 1,0 0 3 СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Тематический план курса составлен в виде таблицы 4, где указаны наименование тем и количество академических часов по всем видам занятий, предусмотренных для каждой темы. Таблица 4 Наименование темы Количество академических часов Лек Практи СРСП СРС ции ческие 1. Краткая история формирования знаний о 2 3 3 биосфере. 2. Теория возникновении жизни на Земле. 2 2 3 3 3. Описание эволюции Земли. 2 3 3 4. Основные этапы биологической эволюции 2 2 3 3 Земли. 5. Эволюция растений. 2 3 3 6. Происхождение и эволюция человека. 2 2 3 3 7. Представления о развитии органического 2 3 3 мира до создания эволюционного учения Ч.Дарвина. 8. Эволюционная теория Ч.Дарвина. 2 2 3 3 9. Биосфера как, глобальная экологическая 2 3 3 система. 10. Концепция уровней организации живой 2 2 3 3 материи. 11. Энергетический баланс биосферы. 2 3 3 12.Учения о биосфере В.И. Вернадского. 2 2 3 3 13. Учение В.И.Вернадского о ноосфере. 2 3 3 14. Биоразнообразие биосферы. 2 2 3 3 15. Влияние человека на биосферу. 2 3 3 Всего (часов) 30 15 45 45 3.1 Темы лекционных занятий и их содержание Тема 1. Краткая история формирования знаний о биосфере - 2 часа. Содержание. Определение понятия биосферы как среды обитания живых организмов. Краткая история формирования знаний о биосфере. Введение в науку термина «биосфера» Э.Зюссом. История формирования знаний о биосфере. Элементы знаний о биосфере в эпических произведениях и легендах, в трудах ученых античного мира – Гераклита, Гиппократа, Аристотеля и др. Средние века и позднее средневековье - Разес, Авиценна, Марко Поло, Афанасий Никитин. В период позднего средневековья - труды Альберта 5 Великого (Альберт фон Больштедт). Целостное учение о биосфере биогеохимик и философ В.И.Вернадский. Биосфера в современном понимании. Тема № 2. Теория возникновении жизни на Земле - 2 часа. Содержание. Сущность жизни. Краткая история вопроса возникновения жизни на Земле. Современная теория происхождения жизни – теория биопоэза Дж.Бернала. Основные три стадии биопоэза. Теории возникновения жизни на Земле. Теория самозарождения. Теория биохимической эволюции. Теория панспермии. Теория стационарного состояния жизни. Теория креационизма. Тема № 3. Описание эволюции Земли - 2 часа. Содержание. Краткого описания глобальной эволюции Земли (по В.И. Дубинину, l997). Гипотеза образования Земли О.Ю.Шмидта. Основное представление о формировании планет, составляющих Солнечную систему. Понятие аккреации. Формирование структуры Земли. Процессы. протекающие на Луне. Влияние Луны на земные процессы. Тема № 4. Основные этапы биологической эволюции Земли - 2 часа. Содержание. Геохронология истории развития Земли и живых организмов. Геологическая история образования внешних оболочек Земли (атмосферы, гидросферы, литосферы). Формирование биологического разнообразия в различные периоды развития биосферы. Термин «эволюция». Пять эр истории Земли и жизни на ней. Архейская эра. Протерозойская эра. Палеозойская эра. Мезозойская эра. Кайнозойская эра. Лавразия и Гондвана. Океан Тетис. Движение тектонических плит. Понятие процесса субдукции. Тема № 5. Эволюция растений - 2 часа. Содержание. Формирование разнообразия растительного мира в различные периоды развития биосферы. Разнообразие растительного мира в современный период. Тема № 6. Происхождение и эволюция человека - 2 часа. Содержание. Человек – вершина эволюции живого на Земле. Симиальная гипотеза происхождения человека. Палеонтологические данные о происхождении человека. Австралопитековые. Неандертальцы (палеоантропы). Архантропы. Неоантропы. Тема 7. Представления о развитии органического мира до создания эволюционного учения Ч.Дарвина - 2 часа. Содержание. Аристотель. Карл Линней («Система природы»). Ж. Бюффон, Э. Ж. Сент-Иллер и теория трансформизма. Ж. Кювье — создатель учения о типах животных и его «теорию катастроф». Система Ж.-Б. Ламарка. Тема № 8. Эволюционная теория Ч.Дарвина - 2 часа. Содержание. Факторы эволюции пород и сортов. Искусственный отбор. Естественный отбор. Бессознательный искусственный отбор. Определенная изменчивость. Неопределенная изменчивость. Методический искусственный отбор. Тема № 9. Биосфера как глобальна экологическая система - 2 часа. 6 Содержание. Границы биосферы. Структура биосферы. Атмосфера. Гидросфера. Строение литосферы. Функции живого вещества в биосфере. Тема № 10. Концепция уровней организации живой материи - 2 часа. Содержание. Номенклатура и классификация живых организмов. Уровни организации живой материи. Молекулярный. Клеточный. Организменный. Популяционно-видовой. Биогеоценотический. Биосферный. Биотический круговорот веществ основа функционирования живого вещества биосферы. Биохимические функции разных групп организмов и разных экосистем. Тема № 11. Энергетический баланс биосферы - 2 часа. Содержание. Синергетика биосферы. Фиксация солнечной энергии и распределение ее по основным типам экосистем. Первичная продукция суши и океана. Диссипативные открытые системы. Точка бифуркации. Биологическая стабилизация окружающей среды. Тема № 12. Учения о биосфере В.И.Вернадского - 2 часа. Содержание. В.И.Вернадский – основоположник ученья о биосфере. Концепция живого вещества биосферы. Функции живого вещества. Планетарная геохимическая роль живого вещества в биосфере. Тема № 13. Ученье о ноосфере - 2 часа. Содержание. Понятие ноосферы. Закон ноосферы В. И. Вернадского. Этапы развития планеты при участии человека – биосфера, биотехносфера, ноосфера. Нообиогеоценоз. ППК. Тема № 14. Биоразнообразие биосферы - 2 часа. Содержание. Многообразие органического мира. Царства животные, растения, грибы. Разнообразие растительного и животного мира в современный период. Основные наземные и водные биомы. Тема № 15. Влияние человека на биосферу - 2 часа. Содержание. Загрязнение окружающей среды. Антропогенное загрязнение. Прямое и косвенное, преднамеренное и непреднамеренное воздействия на природу. Ресурсный цикл. Источники антропогенного загрязнения воздуха, гидросферы и литосферы. 3.2 Темы практических занятий и их содержание Тема № 1: Возникновение жизни на Земле. - 2 часа. Теории возникновения жизни на Земле. Сотворение Богом в определенное время. Самопроизвольное и неоднократное возникновение из неживого вещества. Изначальное существование, т. е. была всегда. Появление на планете извне. Возникновение в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция). Тема № 2. Этапы биологической эволюции Земли. - 2 часа. Ход биохимической эволюции. Появление организмов, способных к фотосинтезу с выделением кислорода. 1-я точки Пастера. Увеличение слоя озона, уменьшение уровня ультрафиолетовой радиации. Тема № 3. Развитие органического мира в трудах древних ученных, К.Линнея, Т.Мальтуса, Ч.Дарвина, Ж.Бюффона. - 2 часа. Философы и естествоиспытатели Древнего Китая (Конфуций). Античная эпоха (Диоген, Демокрит, Аристотель и др.). Средневековье, т.е. задолго до 7 формального провозглашения эволюционных гипотез в начале XIX в. К.Линней. Т.Мальтус (1798) и его «Трактат о народонаселении». Французский биолог Ж. Б. Ламарк (1809). Ч. Дарвин (1809—1882) Тема № 4. Функции живого вещества в биосфере. - 2 часа. Первая функция – газовая. Вторая функция – концентрационная. Третья функция – окислительно-восстановительная. Четвертая функция – биохимическая. Пятая функция – биогеохимическая деятельность человека. Тема № 5. Видовой состав биогеоценозов. - 2 часа. Видового состава биогеоценозов: эдификаторы, доминанты, предоминанты. Внутривидовые и межвидовые отношения (паразитизм, симбиоз, мутуализм). Отношения по трофическим цепям. Тема № 6. Разнообразие растительного и животного мира в современный период. - 2 часа. Мир живых организмов Земли. Количество видов, когда-либо населявших планету, оценивается учеными в 500 млн. В настоящее время на Земле насчитывается несколько миллионов видов животных, растений, грибов и микроорганизмов. Тема № 7. Влияние человека на биосферу. - 3 часа. Основные этапы воздействия человека на окружающую среду: влияние на биосферу как биологического вида; сверхинтенсивная охота без изменения экологических систем в целом (в период становления человечества); изменение экосистем через естественно идущие процессы: пастьбу, усиление роста трав путем их выжигания и т. п.; усиление влияния путем распашки земель и вырубки лесов; глобальное изменение структурных компонентов наиболее крупных экосистем, биомов и биосферы в целом. 3.3 Содержание самостоятельной работы студентов под руководством преподавателя (СРСП) Тема 1. Краткая история вопроса возникновения жизни на Земле. - 3 часа. Основные теории о происхождении жизни на Земле. Теория самозарождения; теория биохимической эволюции; теория панспермии; теория стационарного состояния жизни; теория креационизма. Тема 2. Форма и строение Земли. - 3 часа. Структура биосферы. Форма Земли. Строение Земли. Гидросфера. Атмосфера. Литосфера. Тема 3. Геологическая история образования внешних оболочек Земли (атмосферы, гидросферы, литосферы). - 3 часа. Возникновение Земли и ее сфер. Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер) – внутренних и внешних. К внутренним относятся ядро, мантия, а к внешним – литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и сложная оболочка Земли – биосфера. Тема 4. Возникновение жизни на Земле- 3 часа. Этапы эволюции Земли. Жизнь на Земле, возникновение биосферы стали возможны благодаря Солнцу. Солнце не только дает свет и тепло, но непрерывно и очень сложно воздействует на биосферу Земли. Солнечное тепло 8 – одно из главных слагаемых климата Земли. Огромный тепловой поток исходит из глубины Земли. Тема 5. Планетарная геохимическая роль живого вещества в биосфере- 3 часа. - 3 часа. Живое вещество в биосфере выполняет следующие функции: энергетическую; средообразующую; биогеохимическую (газовая, концентрационная, окислительно-восстановительная, биохимическая, биогеохимическая). Тема 6. Основные биогеохимические законы, сформулированные В.И.Вернадским. - 3 часа Проблему взаимодействия живых организмов с неживой природой подробно разработал В. И. Вернадский в 1926г., подготовив условия для понятия единого целого биологических организмов с физической средой их обитания. Закон биогенной миграции атомов. Пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни (В..И. Вернадский, 1926). Закон незаменимости биосферы. Его формулировали многие исследователи, такие, как В. И. Вернадский др. Тема 7. Концепция уровней организации живой материи. - 3 часа. Выделяют разные уровни существования живого вещества — от крупных молекул до растений и животных различных организаций. Молекулярный (генетический). Клеточный. Тканевый. Органный. Организменный. Популяционно-видовой. Биоценоз и биогеоценоз (экосистема). Биосферный. Классификация и номенклатура живых организмов. Тема 8. Модель биотического круговорота веществ. - 3 часа. Саморазвитие биосферы и геохимическая цикличность. Живое и биокосное вещество природы. Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ: 1) большой (геологический или абиотический); 2) малый (биотический, биогенный или биологический). Тема 9. Действие первого и второго начала термодинамики в биосфере. - 3 часа. Химические превращения в природе и все биологические процессы в экосистемах подчиняются законам термодинамики. Энергия существует в природе в различных формах. Это, прежде всего энергия солнечного света, а также химическая, тепловая и электрическая. Согласно первому закону, называемому законом сохранения энергии, для любого химического процесса общая энергия в замкнутой системе всегда остается постоянной. Второй закон термодинамики – закон энтропии. Согласно третьему закону термодинамики, при стремлении абсолютной температуры простых кристаллических тел к нулю абсолютное значение их энтропии также стремится к нулю. Тема 10. Человек – вершина эволюции живого на Земле- 3 часа. Возникновение на Земле человеческого общества способствовало выделению третьего этапа эволюции биосферы. Теории происхождения человека. Палеонтологические данные о происхождении человека. Тема 11. Теории эволюции органического мира Ж.-Б. Ламарка- 3 часа. 9 Объясняя причины эволюции, Ж.-Б. Ламарк полагал, что главная ее движущая сила заключается во внутреннем стремлении живых существ к совершенствованию, которое заложено в них с момента возникновения живой природы. Тема 12. Эволюционное учение Ч.Дарвина- 3 часа. Основные положения эволюционной теории Ч. Дарвин «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за существование» (1859 г.). Тема 13. Естественное равновесие и эволюция экосистем- 3 часа. Понятие синергетики. Формирование синергетики связано с работами И. Р. Пригожина, известными как «теория диссипативных систем». Чем более устойчива система, т. е. чем разнообразнее ее элементы (живые организмы, биоценозы, экосистемы, из которых складывается биосфера Земли) и чем разнообразнее связи между ними, тем больше вероятность того, что система (биосфера Земли) не подвергнется окончательному (катастрофическому) разрушению по какой-либо причине. Тема 14. Понятие «жизненная форма» - 3 часа. Понятие о «жизненной форме» как совокупности приспособителъных признаков впервые ввел в 1884 г. один из основоположников экологии растений, датский ботаник Е. Варминг. По его определению, это форма, в которой вегетативное тело растения (индивида) находится в гармонии с внешней средой в течение всей его жизни. Тема 15. Антропогенное воздействие на биосферу- 3 часа. Антропогенное воздействие на животный и растительный мир. Антропогенное воздействие на атмосферу, гидросферу и литосферу. 3.4 Содержание самостоятельной работы студентов (СРС) 1. Опыты Ф.Реди и Л.Пастера. Теория «панспермии». Учение А.Опарина. Экспериментальное подтверждение образования биогенных полимеров без участия живых организмов. – 3 часа. 2. Эволюция климата. – 3 часа. 3. Биологическая эволюция Земли. – 3 часа. 4. Структура и границы биосферы. – 3 часа. 5. Живое вещество и его функции. – 3 часа. 6. История создания В.И.Вернадским учения о биосфере. – 3 часа. 7. Взгляды В.И.Вернадского на современный этап в развитии биосферы. – 3 часа. 8. Действие принципа Ле Шателье – Брауна в биосфере. – 3 часа. 9. Отражения планетарной роли жизни в трудах Х. Гюсейна («Космотеорос», 17 век) и Ж.Б.Ламарка (19 век). – 3 часа. 10. Очерки В.И.Вернадского «Биосфера в космосе» и «Область жизни». – 3 часа. 11. Географическая оболочка Земли. – 3 часа. 12. Теория тектоники литосферных плит и теория дрейфа континентов А.Вагнера. Гипотеза Геи – Земли. – 3 часа. 10 13. 14. Энергетический баланс биосферы. – 3 часа. История взаимоотношения человека и биосферы. – 3 часа. Таблица 5 № 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Дата График проведения занятий Время Наименование тем Лекции Краткая история формирования знаний о биосфере. Теория возникновении жизни на Земле. Описание эволюции Земли. Основные этапы биологической эволюции Земли. Эволюция растений. Происхождение и эволюция человека. Представления о развитии органического мира до создания эволюционного учения Ч.Дарвина. Эволюционная теория Ч.Дарвина. Биосфера как, глобальная экологическая система. Концепция уровней организации живой материи. Энергетический баланс биосферы. Учения о биосфере В.И. Вернадского. Учение В.И.Вернадского о ноосфере. Биоразнообразие биосферы. Влияние человека на биосферу. Семинарские занятия Возникновение жизни на Земле. Этапы биологической эволюции Земли. Развитие органического мира в трудах древних ученных, К.Линнея, Т.Мальтуса, Ч.Дарвина, Ж.Бюффона. Функции живого вещества в биосфере. Видовой состав биогеоценозов. Разнообразие растительного и животного мира в современный период. Влияние человека на биосферу. 4. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ Основная литература 1. Биология. Современный курс. 2-е изд., испр. и доп./ под ред. А.Ф.Никитина. – СПб.: Спец Лит, 2006. – 480с.: ил. – ISBN 5-299-00317-X 2. Экология: Учеб. для строит. спец. вузов/ А.Д. Потапов. – М.: Высш. шк., 2002г. – 446с.: ил. 3. Степановских А.С. Экология: Учебник для вузов. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 703 с. 11 4. Экология: Учеб. для вузов / Н. И. Николайкин, Н. Е. Николайкина, О. П. Мелехова. — 3-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2004. — 624 с: ил. Дополнительная: 1. Акимова Т.А., Хаскин В.В.. Экология. Человек-экономика-биота-среда., М., «ЮНИТИ», 2007. 2. Бигалиев А.Б., Халилов М.Ф., Шарипова М.А. Основы общей экологии Алматы, «Қазақуниверситеті», 2007. 3. Ермолаев Б.В. Основные положения о ноосфере. Единство биосферы и человека. – М., 1999. 4. Алексеенко В.А., Алексеенко Л.П. Биосфера и жизнедеятельность. М. «Логос»,2002. 12 СОДЕРЖАНИЕ 1. Цели и задачи дисциплины 2. 3. 3.1 Система оценки знаний Содержание дисциплины Темы лекционных занятий и их содержание 3.2 3.3 3.4 Темы практических занятий и их содержание Самостоятельная работа студентов под руководством преподавателя (СРСП) Самостоятельная работа студентов (СРС) 10 4. Учебно-методические материалы по дисциплине 11 13 3 4 5 5 7 8