МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПО «Новосибирский национальный исследовательский

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВПО «Новосибирский национальный исследовательский
государственный университет» (Новосибирский государственный
университет, НГУ)
Факультет естественных наук
УТВЕРЖДАЮ
___________________________
"__" __________________20__ г.
Рабочая программа дисциплины
«Эволюционная биология I: теория молекулярной эволюции»
Направление подготовки
020400.62 БИОЛОГИЯ
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Новосибирск,
2014
Аннотация рабочей программы
Дисциплина «Эволюционная биология I: теория молекулярной
эволюции» является частью профессионального цикла, вариативная часть
(профильная дисциплина по выбору) ООП по направлению подготовки
020400.62 «Биология» (квалификация (степень) Бакалавр). Дисциплина
реализуется
на
факультете
естественных
наук
Национального
исследовательского
университета
Новосибирский
государственный
университет кафедрой информационной биологии ФЕН НГУ.
Содержание дисциплины охватывает весь круг вопросов, связанных с
теорией молекулярной эволюции, некоторыми моделями происхождения
жизни, методами изучения эволюции макромолекул, некоторыми
проблемами молекулярной коэволюции.
Дисциплина нацелена на формирование общекультурных компетенций
ОК-3, ОК-4, ОК-6, ОК-12 и профессиональных компетенций ПК-7
выпускника.
Преподавание дисциплины предусматривает следующие формы
организации учебного процесса: 30 часов лекций, 32 ч. самостоятельной
работы студента, 10 часов контроля. Программой дисциплины
предусмотрены следующие виды контроля: рубежный контроль в форме
устного экзамена, промежуточный контроль в форме устного опроса на
каждом занятии по материалам прочитанных лекций.
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы, 72
академических часа.
2
1.
Цели освоения дисциплины
Основной целью освоения дисциплины является ознакомление студентов с
современными взглядами на теорию молекулярной эволюции, некоторыми
моделями происхождения жизни, методами изучения эволюции макромолекул,
некоторыми проблемами молекулярной коэволюции.
Для достижения поставленной цели выделяются следующие задачи курса:
1.
Изучить принципы возникновения и эволюции системы генетического
кодирования.
2.
Дать представление о способах теоретического анализа эволюции генов и
белков.
3.
Дать представление о структурной организации и эволюции
макромолекул.
4.
Изучить принципы возникновения и эволюции геномов.
Данный курс является сугубо теоретической дисциплиной, одной из
составных частей теории эволюции. Глобальный вектор эволюции жизни был
связан с постоянным увеличением сложности биологической организации на
основе многоэтапных генетически детерминированных программ, что
увеличивало автономизацию организмов от окружающей среды. Предметом
теории молекулярной эволюции является как теоретическое исследование
вопроса о происхождении жизни (начиная с моделей гиперциклов М.Эйгена),
так и вопросы появления на молекулярном уровне новых характеристических
признаков, отражающихся в конечном счете на морфологическом уровне.
Расшифровка в последнее время большого количества геномов про- и
эукариот выявили отсутствие корреляций между сложностью биологической
организации, размерами геномов и количеством содержащихся в них генов. В
связи с этим был поставлен ключевой вопрос теории эволюции о генетических
механизмах кодирования биологической сложности. Имеющиеся в настоящее
время экспериментальные и теоретические данные свидетельствуют о том, что
понимание закономерностей эволюции биологической сложности связано, в
первую очередь, с изучением регуляторных генетических систем организмов и
всего разнообразия генных сетей, контролирующих молекулярнобиологические,
биохимические,
физиологические,
морфологические,
поведенческие и т.п. фенотипические характеристики организмов.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавра
Дисциплина «Эволюционная биология I: теория молекулярной
эволюции» входит в вариативную часть профессионального цикла
(дисциплина по выбору) ООП по направлению подготовки 020400.62
«Биология».
Дисциплина «Эволюционная биология I: теория молекулярной
эволюции» опирается на следующие дисциплины данной ООП:
 Молекулярная биология (молекулярные механизмы реализации
генетической информации, репликации, репарации);
 Теория эволюции;
 Генетика популяций.
Результаты освоения дисциплины «Эволюционная биология I: теория
молекулярной эволюции» используются в следующих дисциплинах данной
ООП:
 Эволюционная биология 3: Эволюция сложных систем
 при подготовке дипломной работы.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Эволюционная биология I: теория молекулярной
эволюции»:
 общекультурные компетенции:
 приобретает новые знания и формирует суждения по научным,
социальным и другим проблемам, используя современные
образовательные и информационные технологии (ОК-3),
 выстраивает и реализует перспективные линии интеллектуального,
культурного, нравственного, физического и профессионального
саморазвития и самосовершенствования (ОК-4),
 использует в познавательной и профессиональноц деятельности
базовые знания в области математики и естественных наук, применяет
методы математического анализа и моделирования, теоретического и
экспериментального исследования (ОК-6);
 использует основные технические средства в профессиональной
деятельности: работает на компьютере и в компьютерных сетях,
использует универсальные пакеты прикладных компьютерных
программ, создает базы данных на основе ресурсов Интернет,
способен работать с информацией в глобальных компьютерных сетях
(ОК-12).
 профессиональные компетенции:
 понимает роли эволюционной идеи в биологическом мировоззрении;
имеет современные представления об основах эволюционной теории, о
микро- и макроэволюции (ПК-7).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
 Иметь представление о теории молекулярно-генетических систем
управления (генных сетей), о биологической молекулярной эволюция.
(макро и микро).
 Знать кинетические модели Эйгеновского типа, модели гиперциклов,
квазивидов, сайзеров, понимать смысл катастрофы мутационных ошибок.
 Иметь представление о макроэволюции последовательностей
биополимеров, методах филогенетического анализа.
 Знать в общих чертах теорию нейтральной эволюции Кимуры и
соответствующие математические модели.
4
 Иметь представление о возможности и режимах молекулярной эволюции
в различных живых системах.
 Иметь представление о методах филогенетического анализа.
 Иметь представление о роли различных регуляторных контуров в генной
сети при разных видах отбора.
4. Структура и содержание дисциплины
Структура
дисциплины
предусматривает
чтение
самостоятельную работу студента. Общая трудоемкость
составляет 2 зачетных единицы, 72 часа.
№
п/п
Раздел дисциплины
1.1 Молекулярная
эволюция
(МЭ).
Добиологическая МЭ. Биологическая
МЭ. Микро- и макроэволюция.
1.2 Кинетические модели Эйгеновского
типа,
модели
гиперциклов,
квазивидов, сайзеров, катастрофа
мутационных ошибок
1.3 Теория
нейтральной
эволюции
Кимуры
и
соответствующие
математические модели. Дилемма
Холдейна и эстафетный режим.
1.4 Связь
параметров
микрои
макроэволюционного
процессов.
Скорости макроэволюции и роль
многоклеточности
1.5 Молекулярная эволюция иммунной
системы,
модели.
Коэволюция
микро-паразита и макрохозяина.
1.6 Модели
эволюции
последовательностей. Оптимальное
выравнивание последовательностей.
Методы филогенетического анализа.
С
е
м
е
с
т
р
Н
е
д
е
л
я
с
е
м
е
с
т
р
а
7 1
лекций
и
дисциплины
Формы текущего
Виды учебной
контроля
работы, включая успеваемости
самостоятельную (по неделям
работу студентов
семестра)
и
Форма
трудоемкость промежуточной
(в часах)
аттестации
(по семестрам)
с
Л
е
е
м
C
к
и КС
Р
ц
н
Р
С
и
а
я
р
ы
2 1
≈0,6 Устный опрос в
начале лекции
7 2
2
1
≈0,6 Устный опрос в
начале лекции
7 3
2
1
≈0,6 Устный опрос в
начале лекции
7 4
2
1
≈0,6 Устный опрос в
начале лекции
7 5
2
1
≈0,6 Устный опрос в
начале лекции
7 6-7 4
2
≈1,2 Устный опрос в
начале лекции
5
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
Филогенетический анализ генов и
белков.
Адаптивный
режим
эволюции.
Сравнительная эволюция белков в
геномах разных видов.
Марковские модели эволюции
белков. Коварионный метод
выявления адаптивной эволюции
Сложности
реконструкции
филогении организмов. Современные
методы.
Использование выделенных позиций
для филогенетического исследования
NGS данных.
Роль
различных
регуляторных
контуров в эволюции генных сетей.
Эволюция генных сетей.
7 8
2
1
≈0,6 Устный опрос в
начале лекции
7 9
2
1
≈0,6 Устный опрос в
начале лекции
7 10- 4
11
2
≈1,2 Устный опрос в
начале лекции
7 12
2
1
≈0,6 Устный опрос в
начале лекции
7 13
2
1
7 14- 4
15
2
≈0,6 Устный опрос в
начале лекции
≈1,2 Устный опрос в
начале лекции
экзамен
10
17
30 32
ИТОГО за семестр
Образовательные технологии
Используется традиционная система лекций. Перед лекцией в качестве
текущего контроля задается несколько вопросов по прочитанному материалу.
В интерактивной форме требованием ФГОС для предусмотрены 6 ч
занятий. Занятия проходят в компьютерном классе в форме лекций (3*2ч,
лекции №1, 5, 12), где каждый обучающийся имеет доступ к сети интернет. При
проведении лекций интерактивная форма позволяет более наглядно донести до
студентов особенности и возможности интернет-ресурсов.
5.
6.
Учебно-методическое
обеспечение
самостоятельной
работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
Формой
текущего
контроля
при
прохождении
дисциплины
«Эволюционная биология I: теория молекулярной эволюции» является
контроль посещаемости лекционных занятий, ответы на вопросы по
пройденному материалу.
Для того чтобы быть допущенным к экзамену, студент должен выполнить
следующее:
- в ходе прохождения дисциплины посетить не менее 50 % занятий;
- ответить на вопросы по пройденному материалу (в начале каждого
лекционного занятия).
Примеры вопросов для текущего контроля:
6
1.
МГСУ (генные сети). Биологическая молекулярная эволюция. (макро и
микро). Кинетические модели Эйгеновского типа. Гиперцикл. Сайзер.
2.
Квазивиды.
3.
Катастрофа мутационных ошибок.
4.
Теория нейтральной эволюции Кимуры. Детерминированные модели
динамики популяций
5.
Теория нейтральной эволюции Кимуры. Стохастические модели
динамики популяций
6.
Связь параметров микроэволюционного и макроэволюционного
процессов.
7.
Генетический груз и дилемма Холдейна. Скорость макроэволюции и роль
многоклеточности.
8.
Внутренние причины прогрессивной эволюции иммунной системы.
9.
Вирусная инфекция как фактор прогрессивной дивергенции иммунной
системы в ходе эволюции
10. Роль отрицательного регуляторного контура при разных видах отбора.
11. Что такое эволюционное расстояние? В чем отличие модели
нуклеотидных замен Кимуры от модели Джукса-Кантора? Классификация
аминокислотных замен в белках. Особенности модели эволюции
аминокислотных последовательностей Дайхоф. Что такое мутабильность
аминокислоты? Каким образом матрицы сходства аминокислот (матрица весов
сравнения аминокислот) связаны с матрицами скоростей замен? Что такое
филогенетическое дерево? Какие существуют методы построения
филогенетических деревьев? Метод расстояний на примере UPGMA и его
недостатки.
12. Какие существуют режимы отбора? Чем характерна фиксация
нейтральных замен? Каково соотношение по приспособленности мутаций в
белках согласно Кимуре? Что такое гипотеза молекулярных часов? Что такое
синонимические и несинонимические замены? Каким образом оценить тип
отбора для двух выровненных последовательностей?
13. Опишите биологические предпосылки и математические основы одного
из методов анализа режимов эволюции белок-кодирующих генов (на выбор –
метода, использующего информацию о белке или метода не учитывающего
такую информацию).
14. Опишите основные этапы работы алгоритма реконструкции
филогенетического дерева методом максимального правдоподобия или
алгоритма реконструкции филогенетического дерева Байесовским методом (на
выбор).
15. Опишите основные трудности при эволюционном анализе данных,
получаемых методами высокопроизводительного секвенирования, меры
описывающие качество данных высокопроизводительного секвенирования и
подходы к детекции полиморфных состояний в геноме, секвенированном
методами высокопроизводительного секвенирования.
16. Закон гомологических рядов Вавилова. В чем разница между
гомологичными и гомологическими признаками? Принцип необратимости
7
эволюции Долло. Каким образом эволюция генных сетей позволяет объяснить
исключения из него? Объясните, в каких случаях отбор по моногенному
признаку действительно можно рассматривать как отбор по одному гену, а в
каких случаях – это удобное упрощение?
17. Обнейтраливание мутаций в генных сетях. Каким образом в эволюции
генных сетей может обходиться дилемма Холдейна? Конвергентная и
дивергентная эволюция в генных сетях. Покажите, как в ходе эволюции может
формироваться вырожденность генной сети по отношению к признаку. Что
такое стресс (определение по Селье)? Как генные сети стресса могут влиять на
эволюцию?
7. Данные для учета успеваемости студентов в БАРС
Таблица 1. Таблица максимальных баллов по видам учебной деятельности.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Другие
Лаборатор Практичес
Автоматизиро
виды
Промежут
Лекци
Самостоятел
Семестр
ные
кие
ванное
учебной
очная
Итого
и
ьная работа
занятия
занятия
тестирование деятельнос аттестация
ти
7
150
0
0
150
0
0
0
300
Программа оценивания учебной деятельности студента
Оценка учебной деятельности студента в ходе обучения по программе
курса в течение 7 семестра осуществляется в форме контрольных вопросов,
задаваемых перед лекцией по прочитанному материалу.
Лекции:
Оценивается посещаемость, посещение каждой лекции оценивается в 10
баллов.
Самостоятельная работа
Оцениваться качество усвоения материала лекционных занятий. Диапазон
оценки от 0 до 10 баллов.
Максимально возможная сумма баллов за все виды Эволюционная
биология I: теория молекулярной эволюции эволюция» составляет 300
баллов.
Итоговая оценка за семестр складывается из суммы баллов, набранных в
семестре и на экзамене. Максимальная сумма баллов в семестре составляет 300
баллов.
Для того, чтобы быть допущенным к экзамену студент должен набрать не
менее 180 баллов (60% из 300 баллов). Допуск к экзамену в случае, если 180
8
баллов не набраны, решается в индивидуальном порядке с преподавателем.
Преподаватель может провести дополнительную контрольную работу или
устное собеседование по всему курсу. Если студент набирает 60% баллов от
максимально возможных, он может сдавать экзамен, если сумма окажется
менее 60% баллов, то ему выставляется за экзамен оценка
«неудовлетворительно».
Устный экзамен оценивается в 40, 60 или 80 баллов в зависимости от
оценки: «удовлетворительно», «хорошо» или «отлично» по пятибалльной
шкале. Таким образом, максимально возможная сумма составляет 380 баллов.
При сдаче студентом сдает устного экзамена, баллы за экзамен суммируются
с баллами, набранными в семестре, и в зачетку выставляется итоговая оценка за
семестр:
Таблица 3. Таблица пересчета полученной студентом суммы баллов по
дисциплине «Эволюционная биология I: теория молекулярной эволюции» в
оценку:
300 баллов и более (≥80%)
«отлично»
270- 299 балла (≥70%)
«хорошо»
225 – 269 баллов (≥60%)
«удовлетворительно»
224 и менее баллов (<60%)
«неудовлетворительно»
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
1. Ратнер В.А., Жарких А.А., Колчанов Н.А., Родин С.Н., Соловьев В.В.,
Шамин В.В. Проблемы теории молекулярной эволюции. Новосибирск:
Наука, 1985.
2. Кимура М. Молекулярная эволюция: теория нейтральности. М:"Мир", 1985
3. Эйген М., Шустер П. Гиперцикл: принципы самоорганизации макромолекул.
М:"Мир", 1982
4. Nei M. Molecular evolutionary genetics. Columbia University Press. New York
Guildford, Surrey 1987
5. Введение в информационную биологию и биоинформатику: В 5 т.: Учебное
пособие / Отв. ред. Н.А. Колчанов, О.В. Вишневский, Д.П. Фурман.
Новосибирск: НГУ, 2012. Т. 2. 250 с., илл.
б) дополнительная литература:
1. Li W.H., Craur D. Fundamentals of molecular evolution. Sinauer Associates, Inc.
1991
9
2. Gene Regulation and Metabolism. Postgenomic Computational Approaches. Ed.
By J. Collado-Vides and R. Hofestadt, A Bradford Book, The MIT Press,
Cambridge, Massachusetts, London, England, 2002
3. Родин С.Н. Идея коэволюции. Новосибирск, «Наука», 1991
4. Иванов В.И., Барышникова Н.В. и др. Генетика / Учебник для вузов. – М.:
ИКЦ Академкнига, 2007.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
 Ноутбук, медиа-проектор, экран.
 Программное обеспечение для демонстрации слайд-презентаций.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с OC ВПО,
принятыми в ФГАОУ ВО Новосибирский национальный исследовательский
государственный университет с учетом рекомендаций ООП ВПО по подготовке
бакалавров по направлению 020400.62 «Биология».
Авторы: Матушкин Юрий Георгиевич, канд. биол. наук, с.н.с., зав.лаб. ИЦиГ СО
РАН
___________________
Программа одобрена на заседании кафедры информационной биологии
Факультета естественных наук НГУ 04 августа 2014 года, протокол № 9 (65).
Секретарь кафедры _____________ Т.А. Бухарина
10