Моделирование на животных реферат

Обновлено: 07.07.2024

Содержание работы

Введение 3-4
Глава 1. Теоретические и методические аспекты экологического
моделирования 5
Моделирование как метод экологического воспитания детей дошкольного возраста 5-9
Виды экологического моделирования 10-15
Методика обучения моделироанию детей старшего дошкольного возраста 16-25
Глава 2. Опытно-экспериментальная работа по экологическому воспитанию дошкольников 26
2.1. Диагностика уровня знаний детей старшего дошкольного возраста о
животных 26-29
Разработка и апробирование серии занятий по ознакомлению детей старшего дошкольного возраста с животными посредством использования экологических моделей 30-32
Проверка эффективности проделанной работы по ознакомлению детей старшего дошкольного возраста с животными посредством использования экологических моделей 33-36
Заключение 37-38
Список литературы 39-41
Приложение

Содержимое работы - 1 файл

Ласевич.docx

Министерство образования Республики Беларусь

Формирование у дошкольников представлений о животных посредством использования экологических моделей

Ласевич Марина Леонидовна,

учащаяся группы ДА-41

преподаватель методики экологического воспитания

Солигорск, 2011 год

Глава 1. Теоретические и методические аспекты экологического
моделирования 5

  1. Моделирование как метод экологического воспитания детей дошкольного возраста 5-9
  2. Виды экологического моделирования 10-15
  3. Методика обучения моделироанию детей старшего дошкольного возраста 16-25

Глава 2. Опытно-экспериментальная работа по экологическому воспитанию дошкольников 26

2.1. Диагностика уровня знаний детей старшего дошкольного возраста о
животных 26-29

  1. Разработка и апробирование серии занятий по ознакомлению детей старшего дошкольного возраста с животными посредством использования экологических моделей 30-32
  2. Проверка эффективности проделанной работы по ознакомлению детей старшего дошкольного возраста с животными посредством использования экологических моделей 33-36

Заключение 37-38
Список литературы 39-41

Экологические проблемы, существующие в современном обществе, не могут не отразиться на вопросах воспитания и обучения подрастающего поколения.

Современная система образования строится на принципах динамизма, вариативности организационных форм, методических приемов, гибкости реагирования на потребности личности и общества в целом. В число наиболее значимых проблем экологического воспитания детей дошкольного возраста, которые совместными усилиями пытаются преодолеть современные педагоги и методисты дошкольных учреждений, начальных школ и учреждений дополнительного образования входят:

- недостаточный уровень экологических представлений, знаний и навыков;

- преобладание прагматического отношения общества к природе.

В совокупности эти проблемы обуславливают необходимость совершенствования уже имеющихся методов и приемов экологического воспитания. Таким образом, с целью экологического воспитания детей дошкольного возраста педагоги стали широко использовать экологические модели и моделирующую деятельность. Данный экологический метод ориентирован на формирование у детей представлений о природе, на экологическое воспитание детей младшего, среднего и старшего дошкольного возраста, т.к. именно в дошкольном возрасте формируются представления детей об окружающем мире и ценностные ориентации в нем.

Вопросами и проблемами моделирования в экологическом воспитании дошкольников на современном этапе занимаются такие исследователи, как: С.Н.Николаева, М.В.Михальчук, Т.А.Кавальчук, Н.И.Ветрова, С.А. Веретенникова, Н.И.Вихрова и другие.

Возможность более углубленного изучения теоретических аспектов экологического моделирования, а также использование данного метода в практике работы дошкольных учреждений определило выбор курсового проекта.

Объект исследования: моделирование, как метод экологического воспитания детей дошкольного возраста.

Предмет исследования: специфика использования метода моделирования в работе с детьми дошкольного возраста.

  1. Изучение теоретических основ моделирования, как метода экологического воспитания.
  2. Диагностика уровня знаний детей дошкольного возраста о животном мире.
  3. Разработка и апробация серии конспектов занятий для детей дошкольного возраста с использованием моделей.

4. Проверка эффективности проделанной работы по
формированию представлений у детей дошкольного возраста о животных.

Методы: анализ литературы, диагностика, проектирование.

Глава 1. Теоретические и методические аспекты экологического моделирования

1.1. Моделирование как метод экологического воспитания детей

В наше время большое внимание уделяется проблемам экологического воспитания дошкольников. Экологическое воспитание формирует цели и задачи, но не совсем достаточно предлагаются условия и пути эффективной реализации экологического воспитания детей дошкольного возраста. Существует множество эффективных методов и приемов экологического воспитания дошкольников, одним из которых и является экологическое моделирование и моделирующая деятельность.

Как известно, между системой, которая моделируется, и изучаемым оригиналом должна существовать схожесть. Но в отличие от последнего, модель должна быть более простой и наглядной, отображать лишь свойства и связи между явлениями и объектами.

Например, глобус - это предметная модель Земли, а его изготовление воспитателем вместе с детьми можно назвать моделирующей деятельностью. Главной характеристикой модели является то, что он отражает и содержит в себе существенные особенности натуры, в удобной форме воспроизводит самые значимые стороны и признаки моделируемого объекта. Любой шар можно назвать моделью Земли, но только по одному признаку - ее шарообразной форме. Глобус как предметная модель воспроизводит большое количество существенных признаков нашей планеты - соотнесенные в масштабе материки и океаны, моря и реки, горы и долины, государства и города. На глобусе мы находим полюса Земли, по меридианам и параллелям можем определить месторасположение любой точки. Географическая карта -это тоже модель Земли, но уже графическая, она отображает планету на плоскости бумаги. Глобус и карта - предметы, которые помогают ориентироваться в громадном пространстве, совершать путешествия по странам и континентам, не выходя из дома.

Обратимся к сущности моделирования как метода экологического воспитания дошкольников. Сущность моделирования заключается в том, что мышление детей дошкольного возраста развивается с помощью специально разработанных схем и моделей, которые отражают скрытые от непосредственного восприятия связи и свойства объектов. Цель моделирования - помочь детям усвоить знания о скрытых свойствах, объектах природы, связях и отношениях между ними.

Отношение к природе в процессе моделирующей деятельности у детей
дошкольного возраста формируется косвенно, исподволь, как результат
совместной деятельности с воспитателем. Создание любой графической
модели не может осуществляться без помощи воспитателя - даже старшие
дошкольники еще не способны сделать это самостоятельно. Поэтому,
начиная с младшего возраста, воспитатель учит детей обозначать карточками
явления природы, увиденные на прогулке, сам создает рисунок

растения, за которым ведутся наблюдения. При этом он использует определенные приемы: как бы учит детей, рисуя в их присутствии, поясняя все свои действия, сравнивает свой рисунок с натурой и с предыдущим изображением. Практическое участие детей в этом процессе незначительно: они подают карандаши, держат трафаретки и в основном наблюдают за воспитателем. Тем не менее, это совместная деятельность, в которой появляется заинтересованное отношение к моделированию и к объекту природы одновременно.

Определим значение моделирования как метода экологического воспитания дошкольников:

1)содействует развитию речи, воображения;

2)развивает наглядно-образное и логическое мышление (позволяет детям увидеть наиболее значимые особенности скрытых объектов, например, полоски бумаги разной формы абстрагируют характер поверхности растений (листьев и стебля));

3)обобщает и систематизирует знания детей о природе, полученные чувственным путем;

4)Сформирует обобщенное представление и элементарные понятия (например, рыбы, птицы);

5)поддерживает интерес детей дошкольного возраста к изучаемому объекту;

6)стимулирует познавательную деятельность и активность детей дошкольного возраста;

7)объединяет умственную и практическую деятельность дошкольников;

8)используется на разных этапах учебного процесса.

Все это и формирует знания детей дошкольного возраста по конкретной изучаемой теме.

Сконцентрируем внимание на этапах использования экологического моделирования в учебной деятельности.

Экологическое моделирование целесообразно использовать на разных этапах учебного процесса. На этапе контроля знаний моделирование не только позволяет проверить уровень усвоения знаний дошкольников, но и формирует умение находить взаимосвязь компонентов природы.

А на этапе усвоения новых знаний экологическое моделирование позволяет наиболее наглядно и доступно показать детям дошкольного возраста взаимосвязь между компонентами природы, между природой и обществом.

Моделирование на этапе закрепления знаний создает необходимые условия для использования знаний в новой ситуации, содействует поддержанию внимания и работоспособности детей во время моделирующей деятельности и моделирования.

В качестве примера рассмотрим влияние календаря на развитие дошкольников на разных этапах учебного процесса. Что же дает для умственного развития детей использование календаря, графической модели, регулярно отражающей состояние постепенно меняющегося природного объекта? Исследования и опыт внедрения календарей природы в практику детских садов показали: использование этого способа моделирования оказывает интенсивное воздействие на развитие наглядно- образного мышления дошкольников. Работа с календарем природы на всех этапах (заполнение, подведение итогов, повторное рассматривание, сопоставление аналогичных объектов явлений), актуализирует полученные раннее образы, обогащает имеющиеся конкретные представления на основе зафиксированных в модели существенных признаков развивающихся явлений, формирует обобщенные представления о них.

Патологическая физиология – это наука о причинах возникновения, механизмах развития и исходах патологических процессов, основным методом которой является эксперимент на животных. Другими словами, патологическая физиология – это экспериментальная медицина.
Патофизиология изучает причины и механизмы развития болезней человека, занимая, таким образом, пограничное положение между теорией и клиникой.

Вложенные файлы: 1 файл

потофизиология 1.docx

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Орловский государственный университет

Кафедра общей патологии и физиологии

Барсуков Владимир Сергеевич

Реферат на тему:

Студентка 3 курса 7 группы

Пугина Анжела Витальевна

доцент Лысенко Вадим Вячеславович

Патологическая физиология – это наука о причинах возникновения, механизмах развития и исходах патологических процессов, основным методом которой является эксперимент на животных. Другими словами, патологическая физиология – это экспериментальная медицина.

Патофизиология изучает причины и механизмы развития болезней человека, занимая, таким образом, пограничное положение между теорией и клиникой.

Патологическая физиология изучает патогенез, то есть механизмы развития заболевания, и саногеиез, то есть механизмы защиты от повреждающего агента, направленные на восстановление нарушенной этим агентом саморегуляции организма. Саногеиез и патогенез представляют собой две стороны одного процесса и находятся в тесном единстве, взаимно переходя друг в друга. В основе этого перехода лежит закон диалектического единства и борьбы противоположностей.

Патологическая физиология исследует болезнь в целом, ее отдельные стадии, механизмы выздоровления, соотношение социальных и биологических факторов в болезни и намечает методы ее лечения.

В патофизиологию как учебную дисциплину входят 3 основных раздела:

1. Нозология (от греч. nosos - болезни и logos - учение) - учение о сущности болезни, формирующее основные понятия и категории патологии, включает общую этиологию (учение о причинах и условиях возникновения болезней) и общий патогенез (учение о механизмах возникновения, развития и исхода болезней, а также о механизмах устойчивости организма к действию патогенных факторов).

2. Общая патофизиология.

3. Патофизиология органов и систем (частная патофизиология).

Общая патофизиология изучает типовые патологические процессы, к которым относятся расстройства местного кровообращения, воспаление, наиболее общие нарушения обмена веществ, аллергия и опухоли. Типовыми эти патологические процессы называются потому, что любое заболевание представляет собой либо один из этих процессов, либо их различные комбинации. Частная патологическая физиология изучает те же вопросы, но уже применительно к конкретным заболеваниям органов и систем.

Патологическая физиология решает 6 задач:

1) изучение проблем общей патологии - создание общего учения о болезни или общая нозология,

2) изучение причин болезни и создание общего учения о причинности в патологии - то есть законов, управляющих причинами - это общая этиология,

3) изучение общих механизмов возникновения, развития и прекращения болезней и патологических процессов - общий патогенез - это главная задача,

4) изучение типовых патологических процессов - фундамент болезни (их около 20 в различных комбинациях),

5) изучение общих закономерностей нарушения и восстановления деятельности отдельных физиологических систем и органов - частная патофизиология, где наиболее важным является изучение показателей недостаточности системы или органа,

6) обоснование новых методов лечения - это создание учения о принципах патогенетической терапии - то есть воздействия на механизмы развития болезни на основе знаний патогенеза.

Патологическая физиология для изучения указанных вопросов применяет методы исследования других наук: физиологические, биохимические, биофизические, морфологические. Но она имеет и свой собственный, присущий только ей метод: экспериментальное моделирование патологических процессов у животных, то есть создание в эксперименте модели болезни человека. Применение этого метода требует соблюдения определенных правил, что дает возможность максимально приблизить патологический процесс, который вызывается у животного, к болезни человека и разработать новые методы диагностики и лечения.

Гарвей пересек крупную артерию и установил, что кровь вытекает из центрального ее конца; при пересечении вены кровотечение происходило из периферического конца вены, причем и в том и в другом случае вытекала вся кровь. Таким образом Гарвей установил ограниченность объема крови в организме, а также направление ее движения: от сердца -* по артериям, а к сердцу – по венам. В сочетании с анализом анатомических данных это дало Гарвею основание утверждать, что система кровообращения является замкнутой.

После опытов Гарвея физиологический эксперимент занял прочное место в биологии и медицине.

Первый эксперимент с целью моделирования патологического процесса был осуществлен в 1823 г. французским физиологом Франсуа Мажанди (1783-1855), который показал, что при перерезке у кролика тройничного нерва через несколько дней на роговице глаза, расположенного на стороне операции, появлялась язва, которая в течение нескольких дней увеличивалась в размерах и приводила к гибели глаза. Так были открыты трофические нервы, оказывающие влияние на обмен веществ в тканях.

Структура эксперимента сложна и имеет ряд своих особенностей. Эксперимент бывает острый и хронический. Острый эксперимент (вивисекция) основан на оперативном вмешательстве в организм животного. Он позволяет изучать острые расстройства в организме, например шок, коллапс, краш-синдром, острая недостаточность дыхания, кровообращения, почек и др.

Хронический эксперимент — длительный, дает возможность изучать динамику развития болезни. Его используют для моделирования хронических болезней, например атеросклероза, артериальной гипертензии, сахарного диабета, язвенной болезни и др.

1. Исследование исходного фона.

2. Получение "модели" болезни и исследование ее патогенеза, механизмов болезни;

3. Патогенетическая терапия (регуляция механизмов патогенеза).

Выделяют следующие основные методы моделирования.

При моделировании патологических процессов на живых объектах большое значение имеет принцип подбора лабораторных животных, в каждом случае следует учитывать их видовые и родовые особенности. Так, например, при изучении особенностей влияния на организм различного рода токсических веществ предпочтительнее проводить опыты на животных, метаболизм которых наиболее близок метаболизму человека, - в первую очередь это свиньи, затем собаки и крысы. Для изучения иммуногенности анатоксинов рекомендуются только мыши. Аллергические реакции, анафилактический шок лучше всего моделировать на морских свинках, опухоли - на мышах, неврозы - на собаках. Авитаминоз С можно моделировать только на морских свинках и только в определенном возрасте - от 8 дней до наступления половой зрелости, позднее они уже способны синтезировать витамин С. Инфекционные процессы нужно изучать на кроликах и мышах, но не на крысах, которых отличает повышенная функциональная активность надпочечников, обусловливающая их высокую естественную (в том числе противоинфекционную) резистентность.

Для изучения патологических процессов на живых объектах используют следующие методы эксперимента:

а) метод выключения (удаления или повреждения) какого-либо органа с последующим анализом появившихся симптомов в сравнении с клинической картиной заболевания у человека, при котором обнаруживается поражение соответствующего органа. Например, еще Шарль Броун-Секар пытался создать модель аддисоновой болезни человека путем удаления одного или двух надпочечников у собак и некоторых других видов животных. Модель сахарного диабета у животных можно вызвать либо удалением поджелудочной железы, либо ее повреждением путем введения им аллоксана или дитизона;

б) метод включения - введение в организм животных различных веществ, избыток которых обусловливает развитие того или иного заболевания у человека (например, для изучения тиреотоксикоза можно смоделировать его у животных введением тиреоидных гормонов);

в) метод раздражения - изменение функции того или иного органа путем различных воздействий (например, при раздражении блуждающего нерва возникает брадикардия);

г) метод изолированных органов - установление характера и степени поражения конкретного органа (сердце, легкие, печень и др.) и его вклада в развитие недостаточности кровообращения, дыхания, пищеварения и пр.;

д) метод парабиоза - соединение двух животных (парабионтов) через кровеносную и лимфатическую системы для изучения взаимных гуморальных влияний (гормонов и других метаболитов);

е) метод культуры тканей - выделение и фракционирование клеточных элементов различных органов и тканей, широко используется в последнее время в патофизиологии, гематологии, иммунологии, онкологии, фармакологии и т.п. для изучения роли отдельных клеточных элементов в регуляции кроветворения и иммунопоэза, механизмов малигнизации клеток, установления механизмов цитоповреждающего действия различных фармакологических препаратов и др.;

ж) метод сравнительной патологии - изучение в сравнительном (эволюционном) аспекте особенностей развития и течения различных патологических процессов (воспаление, гипоксия, лихорадка и др.). Основателем сравнительной патологии считается И.И. Мечников, который, в отличие от его предшественников (К. Линней, Р. Вирхов и др.), впервые связал этот метод с эволюционной теорией. Применив метод сравнительной патологии для изучения воспаления, И.И. Мечников показал возможность использования его для понимания сформированных в процессе эволюции механизмов физиологических и патологических реакций и процессов у высших организмов и человека.

Важно подчеркнуть, что патофизиология не располагает какими-то специальными методами экспериментального исследования и пользуется методическими приемами, разработанными в различных областях естествознания (физиология, биохимия, биофизика, иммунология и др.).

Таким образом, выделяется ряд особенностей моделирования патологического процесса:

Во-первых, необходимо подобрать такой вид животного, у которого данный вид патологического процесса будет развиваться аналогично соответствующему заболеванию человека. Так, например, у лягушки нельзя изучать развитие инфаркта миокарда, поскольку у нее нет коронарных сосудов, и, следовательно, некроз сердечной мышцы при повреждении миокарда будет развиваться совсем не так, как у человека, у которого возникновение инфаркта чаще всего связано с нарушением кровотока по коронарным артериям.

Во-вторых, этиологический (причинный) фактор, вызывающий патологический процесс у животного, должен инициировать динамику этого процесса, близкую к той, которая характерна для соответствующего заболевания человека. Например, широко используемая в экспериментальной кардиологии модель гемодинамической перегрузки сердца с помощью сужения восходящей аорты не является в полной степени адекватной аортальному стенозу у человека, поскольку у последнего процесс развивается постепенно, а у животного в эксперименте возникает одномоментно, что обуславливает различный порядок, характер и время включения в процесс пато – и саногенетических механизмов.

В-третьих, моделируя тот или иной патологический процесс, необходимо учитывать сходство (или различие) метаболизма конкретного вида животных с таковым в организме человека. При несоблюдении этого условия можно получить модель патологического процесса, которая не будет соответствовать заболеванию, развивающемуся у человека, и, следовательно, ценность такого исследования будет невелика. В этом отношении имеется один поучительный пример. В 1913 г. Я. Я. Аничков и С. С. Халатов предложили вызывать у кроликов атеросклероз посредством длительного кормления их холестерином. У животных действительно развивался атеросклероз, и на этой модели были изучены многочисленные механизмы повреждения сосудистой стенки холестерином. Однако данная модель ничего не давала для изучения механизмов развития самого атеросклероза, потому что в отличие от человека у кроликов крайне низка активность ферментов, расщепляющих эк – зогенно вводимый холестерин.

  • Для учеников 1-11 классов и дошкольников
  • Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Математические модели в биологии

Классификация математических моделей

Модель Вольтерра хищник-жертва

Закон Харди - Вайнберга.

Ограниченный рост. Уравнение Ферхюльста

Источники информации

Современная биология очень широко применяет математические и компьютерные методы. Без использования этих методов было бы невозможным выполнение таких глобальных проектов, как геном человека, расшифровка пространственной структуры сложных биомакромолекул, анализ последовательности ДНК невозможны без математической обработки результатов эксперимента. Компьютерное моделирование различных биологических процессов и отдельных молекул (например, молекул новых лекарственных веществ), планирование мероприятий по предотвращению распространения эпидемий, анализ экологических последствий работы различных промышленных объектов, биотехнологические производства и многое другое.

Применение математических методов способствовало пониманию законов, лежащих в основе многих биологических процессов. Биологические задачи, стоящие перед человечеством способствовали созданию новых математических теорий, которые обогатили саму математику. Первая известная математическая модель численности популяции кроликов Леонардо из Пизы (13 век) представляет собой ряд Фибоначчи. Основы современной статистики были заложены Р. Фишером, который также изучал биологические проблемы.

Математические модели в биологии

Развитие математических моделей популяционного роста связана с работами Роберта Перля, который преоткрыл логистическое уравнение, предложенное в 1838 году бельгийским математиком П.Ф. Ферхюльстом, а также с идеями Альфреда Джеймса Лотки и Вито Вольтерры (1860-1940).

Одним из достижений последних десятилетий является созданная в 1970 –х годах английским химиком Д. Лавлоком и американским биологом Лин Маргулис гипотезы Геи, рассматривающей всю Землю как саморегулирующуюся систему.

Конец XX века стал периодом широкого внедрения в биологию и экологию математического моделирования. В связи с индивидуальностью биологических явлений говорят именно о математических моделях в биологии (а не просто о математическом языке). Слово модель здесь подчеркивает то обстоятельство, что речь идет об абстракции, идеализации, математическом описании скорее не самой живой системы, а некоторых качественных характеристик протекающих в ней процессов. При этом удается сделать и количественные предсказания, иногда в виде статистических закономерностей. В отдельных случаях, например, в биотехнологии, математические модели, как в технике, используются для выработки оптимальных режимов производства.

Классификация математических моделей

При разработке любой модели необходимо определить объект моделирования, цель моделирования и средства моделирования. В соответствии с объектом и целями математические модели в биологии можно подразделить на три больших класса. Первый - регрессионные модели , включает эмпирически установленные зависимости (формулы, дифференциальные и разностные уравнения, статистические законы) не претендующие на раскрытие механизма изучаемого процесса.

Второй класс - имитационные модели конкретных сложных живых систем, как правило, максимально учитывающие имеющуюся информацию об объекте. Имитационные модели применяются для описания объектов различного уровня организации живой материи - от биомакромолекул до моделей биогеоценозов. В последнем случае модели должны включать блоки, описывающие как живые, так и "косные" компоненты.

Имитационные модели созданы для описания физиологических процессов, происходящих в жизненно важных органах: нервном волокне, сердце, мозге, желудочно-кишечном тракте, кровеносном русле. На них проигрываются "сценарии" процессов, протекающих в норме и при различных патологиях, исследуется влияние на процессы различных внешних воздействий, в том числе лекарственных препаратов. Имитационные модели широко используются для описания продукционного процесса растений и применяются для разработки оптимального режима выращивания растений с целью получения максимального урожая, или получения наиболее равномерно распределенного во времени созревания плодов. Особенно важны такие разработки для дорогостоящего и энергоемкого тепличного хозяйства.

В любой науке существуют простые модели, которые поддаются аналитическому исследованию и обладают свойствами, которые позволяют описывать целый спектр природных явлений. Такие модели называют базовыми. В физике классической базовой моделью является гармонический осциллятор (шарик -материальная точка - на пружинке без трения). Базовые модели, как правило, подробно изучаются в различных модификациях. В случае осциллятора шарик может быть в вязкой среде, испытывать периодические или случайные воздействия, например, подкачку энергии, и прочее. После того, как досконально математически изучена суть процессов на такой базовой модели, по аналогии становится понятными явления, происходящие в гораздо более сложных реальных системах. Например, релаксация конформационных состояний биомакромолекулы рассматривается аналогично осциллятору в вязкой среде. Таким образом, благодаря простоте и наглядности, базовые модели становятся чрезвычайно полезными при изучении самых разных систем.

Все биологические системы различного уровня организации, начиная от биомакромолекул вплоть до популяций, являются термодинамически неравновесными, открытыми для потоков вещества и энергии. Поэтому нелинейность - неотъемлемое свойство базовых систем математической биологии. Несмотря на огромное разнообразие живых систем, можно выделить некоторые важнейшие присущие им качественные свойства: рост, самоограничение роста, способность к переключениям - существование в двух или нескольких стационарных режимов, автоколебательные режимы (биоритмы), пространственная неоднородность, квазистохастичность. Все эти свойства можно продемонстрировать на сравнительно простых нелинейных динамических моделях, которые и выступают в роли базовых моделей математической биологии.

Модель Лотки - Вольтерра хищник-жертва

Моделирование динамики популяции становится более сложной задачей, если попытаться учесть реальные взаимоотношения между видами. Это впервые сделал американский ученый Дж. Лотка в 1925 г., а в 1926 г. независимо от него и более подробно - итальянский ученый В. Вольтерра. В модели, известной сейчас как Уравнение Лотка-Вольтерра, рассматривается взаимодействие двух популяций - хищника и жертвы. Численность популяции жертвы N 1 будет изменяться во времени (завися также от численности популяции хищника N 2 ) по такому уравнению:

где N 1 - численность популяции жертвы,

N 2 - численность популяции хищника,

r 1 - скорость увеличения популяции жертвы, p 1 - коэффициент хищничества для жертвы (вероятность того, что при встрече с хищником жертва будет съедена).

Прирост популяции хищника описывается таким уравнением:

где N 1 - численность популяции жертвы, N 2 -численность популяции хищника, d 2 - смертность хищника, p 2 - коэффициент хищничества.

Рост популяции хищника в единицу времени пропорционален качеству питания, а убыль происходит за счет естественной смертности.

Правило Бергмана

Правило. Животные, обитающие в областях с преобладающими низкими температурами, имеют, как правило, более крупные размеры тела по сравнению с обитателями более теплых зон и областей.

Суть правила. Теплопродукция (выделение тепла клетками организма) пропорциональна объему тела. Теплоотдача (потеря тепла, его передача в окружающую среду) пропорциональна площади поверхности тела. С увеличением объема площадь поверхности растет относительно медленно, что позволяет увеличить отношение "теплопродукция / теплоотдача" и таким образом компенсировать потери тепла с поверхности тела в холодном климате.

Математическая модель.

Представим себе двух животных, имеющих тело в виде правильных кубов со сторонами, а у первого и 2а - у второго животного.

S 1 = 6 a 2 ; S 2 = 6 (2a) 2 = 24 a 2 ; V 1 = a 3 ; V 2 = (2a) 3 = 8 a 3 ;

Таким образом, отношение V/S (фактически - отношение теплопродукции к теплоотдаче) у второго животного в два раза выгоднее для условий, где теплопродукция должна быть больше, чем теплоотдача (т.е. для холодного климата).

Правило Аллена

Правило. Животные, обитающие в областях с преобладающими низкими температурами, имеют, как правило, более короткие выступающие части тела (уши, лапы, хвост, нос) по сравнению с обитателями более теплых зон и областей.

Суть правила. Теплопродукция (выделение тепла клетками организма) пропорциональна объему тела. Теплоотдача (потеря тепла, его передача в окружающую среду) пропорциональна площади поверхности тела. Тонкие выступающие части тела, имеющие небольшой объем и большую площадь поверхности, увеличивают теплоотдачу, т.е. ведут к потере тепла организмом.

Математическая модель.

Представим себе двух животных, имеющих тело, образованное правильными кубиками со стороной а.

S 1 =152а 2 . S 2 = 248 а 2 .

Подсчитаем, сколько (в процентах) тепла сэкономит первое животное по сравнению со вторым:

Применение правила.

S e =167,2*9*13,49=20299,752 S p = 167,2*7*12,49 =14618,296

Подсчитаем, сколько тепла экономит европеец по сравнению с пигмеем в зимних условиях: T % = (Т e - Т p )/ Т e * 100% = 16,04%

Закон Харди - Вайнберга.

Элементарной единицей эволюционного процесса является не организм (особь), а популяция. Популяцией называется совокупность особей одного вида, занимающих определенный ареал, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, определенную генетическую структуру и в той, или иной степени, изолированных от других совокупностей данного вида.

Вся совокупность генов популяции называется ее генофондом и определяется как 2 N , где N число особей, в каждом рассматриваемом локусе имеется 2 N генов и n пар гомологичных хромосом, когда речь идет о популяции диплоидных организмов. Исключение составляют половые хромосомы и сцепленные с ними гены.

Важнейшей характеристикой популяции являются частота аллелей (генов) и генотипов. Генофонд популяции воплощается в значениях частот генотипов, определяемых на репрезентативных (достаточно больших) выборках, которые должны делаться случайно (для исключения субъективных ошибок экспериментатора).

Генетическую структуру популяций определяют по закону Харди - Вайнберга. Этот закон разработан для популяций, которые отвечают следующим условиям – свободное скрещивание между особями, одинаковая жизнеспособность гомозигот и гетерозигот (отсутствие отбора), отсутствие мутационного давления, а также неограниченно большая численность особей. Согласно закону Харди - Вайнберга частота членов пары аллельных генов распределяется в соответствии с формулой бинома Ньютона:

( p + q ) 2 = 1 или p 2 +2 pq + q 2 = 1,

где p 2 – частота гомозиготного потомства по аллели А;

2 pq – частота гетерозигот Аа;

q 2 – частота гомозиготного потомства по аллели а.

Аллели А и а присутствуют в популяции с частотами p и q , сумма которых равна 1 ( p А + q а = 1).

Определение генетической структуры популяций

Пример I

Альбинизм у человека (отсутствие пигмента меланина) наследуется как рецессивный признак. Заболевание встречается с частотой 1:20000. Необходимо вычислить частоту рецессивного и доминантного генов в популяции и определить ее генетическую структуру.

В соответствии с законом Харди - Вайнберга частоты генотипов в популяции выражают уравнением:

p 2 АА +2 pq Аа + q 2 аа = 1,

где p – частота доминантного гена,

q – частота рецессивного гена,

p + q = 1 – частота генов в популяции.

1 . Запишем условные обозначения генов:

А – ген нормальной пигментации кожи;

а – ген альбинизма.

2. Частота альбиносов соответствует q 2 и равна 1/20000. Следовательно, частота альбиносов в популяции будет:

q 2 аа = 1/20000 = 0,00005.

Из формулы Харди - Вайберга следует, что концентрация аллеля альбинизма:

q а = √0,00005 = 0,007, или 0,7 %.

3 . Зная концентрацию аллеля q а, можно рассчитать концентрацию аллеля p А :

рА = 1 – q а = 1 – 0,007 = 0,993, или 99,3 %.

Тогда частота доминантных гомозигот ( p 2 АА) будет равна:

р 2 АА = 0,993 2 = 0,986, или 98,6 %.

4 . Частота гетерозигот в популяции будет равна:

2 pq Аа = 2 (0,007 х 0,993) = 0,0139, или 1,39 %.

5 . Таким образом, генетическая структура данной популяции населения: АА–98,6%; Аа–1,39%; аа–0,005%.

Пример II

Концентрация аллеля алкаптонурии q(а) =  0,000008 = 0,003

Концентрация аллеля p(А) = 1 - 0,003 = 0,997.

Частота гетерозигот в популяции будет равна

2pq = 2 x 0,997 x 0,003 = 0,006

500 000 x 0,006 = 3 000 гетерозигот

На 500 000 человек приходится 3 000 гетерозигот по гену алкаптонурии.

Ограниченный рост. Уравнение Ферхюльста

Базовой моделью, описывающей ограниченный рост, является модель Ферхюльста (1848): (2)

График зависимости правой части уравнения (2) от численности x и численности популяции от времени представлены на рис. 1 (а и б).

(3)

Поведение во времени переменной xn может носить характер не только ограниченного роста, как было для непрерывной модели (2), но также быть колебательным или квазистохастическим (рис.2).

Тип поведения зависит от величины константы собственной скорости роста r. Кривые, представляющие вид зависимости значения численности в данный момент времени (t+1) от значений численности в предыдущий момент времени t представлены на рис. 2 слева. Справа представлены кривые динамики численности - зависимости числа особей в популяции от времени. Сверху вниз значение параметра собственной скорости роста r увеличивается

Характер динамики численности определяется видом кривой зависимости F(t+1) от F(t). Эта кривая отражает изменение скорости прироста численности от самой численности. Для всех представленных на рис. 2 слева кривых эта скорость нарастает при малых численностях, и убывает, а затем обращается в нуль при больших численностях. Динамический тип кривой роста популяции зависит от того, насколько быстро происходит рост при малых численностях, т.е. определяется производной (тангенсом угла наклона этой кривой) в нуле, который определяется коэффициентом r - величиной собственной скорости роста. Для небольших r (r 5,370 происходит хаотизация решений. При достаточно больших r динамика численности демонстрирует хаотические всплески (вспышки численности насекомых).

Уравнения такого типа неплохо описывают динамику численности сезонно размножающихся насекомых с неперекрывающимися поколениями. При этом некоторые достаточно просто измеряемые характеристики популяций, демонстрирующих квазистохастическое поведение, имеют регулярный характер. В некотором смысле, чем хаотичнее поведение популяции, тем оно предсказуемее. Например, при больших x амплитуда вспышки может быть прямо пропорциональна времени между вспышками.

Дискретное описание оказалось продуктивным для систем самой различной природы. Аппарат представления динамического поведения системы на плоскости в координатах [xt, xt+T] позволяет определить, является наблюдаемая система колебательной или квазистохастической. Например, представление данных электрокардиограммы позволило установить, что сокращения человеческого сердца в норме носят нерегулярный характер, а в период приступов стенокардии или в прединфарктном состоянии ритм сокращения сердца становится строго регулярным. Такое "ужесточение" режима является защитной реакцией организма в стрессовой ситуации и свидетельствует об угрозе жизни системы.

Современная математическая биология использует различный математический аппарат для моделирования процессов в живых системах и формализации механизмов, лежащих в основе биологических процессов. Имитационные модели позволяют на компьютерах моделировать и прогнозировать процессы в нелинейных сложных системах, каковыми являются все живые системы, далекие от термодинамического равновесия. Базовые модели математической биологии в виде простых математических уравнений отражают самые главные качественные свойства живых систем: возможность роста и его ограниченность, способность к переключениям, колебательные и стохастические свойства, пространственно-временные неоднородности. На этих моделях изучаются принципиальные возможности пространственно-временной динамики поведения систем, их взаимодействия, изменения поведения систем при различных внешних воздействиях - случайных, периодических и т.п. Любая индивидуальная живая система требует глубокого и детального изучения, экспериментального наблюдения и построения своей собственной модели, сложность которой зависит от объекта и целей моделирования.

Источники информации:

Ризниченко Г.Ю., Рубин А.Б. Математические модели биологических продукционных процессов. М., Изд. МГУ, 1993, 301 с.

Зеленцова Б. П. "Математические модели на основе процесса размножения и гибели объекта", "Соросовский образовательный журнал" т. 7, № 6, 2001 г., с. 92-97.

Геномика - молодая отрасль генетики. Основные направления геномики. Проект "Геном человека". Открытие однонуклеотидных полиморфизмов. Современные представления о геноме человека. Генетические маркеры и их значение. Анализ сцепления. Основные принципы, лежащие в основе анализа сцепления. История применения метода. Генетические карты. Расстояние между генами и его измерение. Картирование локусов количественных признаков (ЛКП). Различные подходы к картированию ЛКП. Анализ ассоциаций. Метод гена-кандидата. Прямой анализ ДНК. Основные достижения генной инженерии. Основные этапы молекулярно-генетических исследований.
Моделирование на животных. Общие черты поведения животных и человека. Геномная общность млекопитающих. Примеры исследований на животных. Моделирование алкоголизма. Изучение способности к обучению условной реакции избегания. Изучение обучения в лабиринте. Влияние депривации и обогащенной среды на обучение у животных. Генный нокаут. Выявление плейотропного эффекта действия гена.

Психогенетика и развитие. Генотип и среда в индивидуальном развитии Концепция нормы реакции и развитие. Непознаваемость пределов фенотипа. Среда внутри и вне организма и возможности ее взаимодействия с генотипом. Понятие фенотипа на клеточном уровне. Экспрессия гена, ее основные этапы и возможные механизмы регуляции. Ранние гены и их роль в развитии. Гормоны и их роль в генетической регуляции. Регуляторная роль G-белков. Морфогенез нервной системы и его основные этапы. Наследственные и средовые факторы, влияющие на этот процесс. Роль эмбрионального и неонатального опыта в развитии. Родительские эффекты в развитии. Межпоколенные влияния. Вариабельность развития. Понятие об эпигенезе. Теория селективной стабилизации синапсов. Случайности развития. Историзм развития.


Интеллект и когнитивные характеристики. Темперамент и личность


 Первые исследования наследственности умственных способностей, проведенные Ф. Гальтоном. Психометрическая модель интеллекта. Интеллектуальные тесты. Коэффициент интеллекта (IQ). Общий интеллектуальный фактор (фактор g). Психогенетические исследования фактора g: основные итоги. Коэффициент наследуемости интеллекта: аддитивный характер наследуемости. Возрастные изменения коэффициента наследуемости интеллекта. Генетические корреляции. Поиск "генов интеллекта" в современной психогенетике. Изучение факторов среды, влияющих на развитие интеллекта.
Понятие о темпераменте. Основные признаки темперамента. Психогенетические исследования черт темперамента: основные результаты. Неаддитивный характер наследуемости.
Психогенетика и факторно-аналитический подход к изучению личности. Факторы "Большой пятерки". Психогенетические исследования экстраверсии-интроверсии и невротизма. Психогенетические исследования черт личности: основные подходы и результаты. Средние коэффициенты наследуемости, роль общей и различающейся среды. Поиск конкретных генов личностных черт.

Читайте также: