ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Нанотехнологии является современной междисциплинарной областью,
объединяющей физику, химию и биологию. Особенность нанотехнологии в
том, что она имеет дело с объектами манометрового размера— от 1 до 100
нанометров, которые обладают рядом необычных свойств. Ведущие мировые
державы ежегодно тратят десятки миллиардов долларов на развитие
нанотехнологии, что в дальнейшем приведет к значительным изменениям во
всем мире, сравнимым с приходом цифровых технологий. Первоначально
идея миниатюризации была заимствована именно у природы (Фейнман,
1959). Через десятки лет развитие технологических инструментов позволило
осуществиться смелым проектам, и в настоящее время в нанотехнологии
активно используются созданные природой биологические молекулы и
принципы организации живого на молекулярном уровне. С другой стороны,
развитие нанотехнологии приводит к созданию принципиально новых
инструментов исследования, позволяющих достоверно и быстро получить
информацию о процессах, протекающих в живой клетке. Применение
нанотехнологии в медицине уже сегодня позволяет многократно увеличить
эффективность существующих лекарственных средств и достичь
значительного прогресса в области разработки новых лекарств. Рабочая
программа элективного курса «Нанотехнологии в биологии» знакомит
учащихся с принципами классической биотехнологии и генной инженерии. В
ней рассматриваются современные данные по использованию
нанотехнологии в биологии и медицине, а также анализируются
экологические аспекты использования наноматериалов. Курс рассчитан на
учащихся 10 классов, профильный уровень, знакомых с основными
понятиями обшей биологии.
Целями элективного курса является:
Сформировать у учащихся целостное, соответствующее достоверным
научным данным представление об основах современной молекулярной
биологии, биотехнологии и нанотехнологии.
Углубить и расширить знания учащихся о молекулярном, субклеточном и
клеточном уровнях организации живых систем и на этой основе ознакомить с
основными направлениями новой отрасли науки и техники нанобиотехнологиями.
Предполагаемый результат:
В результате изучения биологии на профильном уровне ученик должен
знать/понимать
• строение биологических объектов: строение и биологическую роль
биомакромолекул, биомембран, субчастиц органоидов, органоидов
прокариотической и эукариотической клеток;
• основные методы нанобиотехнологий;
• направления развития фундаментальных исследований и прикладных
разработок в области нанобиотехнологий;
• основные достижения нанобиотехнологий, их значение для медицины,
экологии, сельского хозяйства и промышленного производства;
• перспективы развития нанобиотехнологий;
• сущность биологических процессов и явлений: обмен веществ и превращение
энергии в клетке, фотосинтез, пластический и энергетический обмен, брожение,
хемосинтез, митоз, мейоз, развитие гамет у цветковых растений и позвоночных
животных, размножение, взаимодействие генов, получение гетерозиса,
полиплоидов, отдаленных гибридов, круговорот веществ и превращения
энергии в экосистемах и биосфере, эволюция биосферы;
• современную биологическую терминологию и символику;
уметь
• объяснять: роль биологических теорий, идей, принципов, гипотез в
формировании современной естественнонаучной картины мира, научного
мировоззрения; единство живой и неживой природы, родство живых
организмов, используя биологические теории, законы и правила;
отрицательное влияние алкоголя, никотина, наркотических веществ на
развитие зародыша человека; влияние мутагенов на организм человека;
взаимосвязи организмов и окружающей среды; причины наследственных и
ненаследственных изменений, наследственных заболеваний, генных и
хромосомных мутаций, устойчивости, саморегуляции, саморазвития и
смены экосистем
• выполнять творческие задания для самостоятельного получения и
применения знаний;
• обсуждать дискуссионные проблемы, отстаивая собственную точку
зрения;
• устанавливать взаимосвязи строения и функций молекул в клетке;
строения и функций органоидов клетки; пластического и энергетического
обмена;
решать задачи разной сложности по биологии;
• описывать клетки растений и животных (под микроскопом), готовить и
описывать микропрепараты;
• исследовать биологические системы на биологических моделях
• сравнивать биологические объекты (клетки растений, животных, грибов
и бактерий, экосистемы и агроэкосистемы), биологические процессы и явления
и делать выводы на основе сравнения;
• анализировать и оценивать научные гипотезы , этические аспекты
современных исследований в биологической науке;
• осуществлять самостоятельный поиск биологической информации
в различных источниках (учебных текстах, справочниках, научно-популярных
изданиях, компьютерных базах, ресурсах Интернета) и применять ее в
собственных исследованиях;
использовать приобретенные знания и умения в практической
деятельности и повседневной жизни.
• грамотного оформления результатов биологических исследований;
• определения собственной позиции по отношению к экологическим
проблемам,оценки этических аспектов некоторых исследований в области
биотехнологии;
• приобретение практического опыта деятельности, предшествующей
профессиональной деятельности врача и биолога.
Основное содержание.
Тема 1. Введение – 4 ч.
История развития науки о наноструктурах и наноматериалах. Понятие
«нано». Нанообъекты. Основные причины особых свойств нанообъектов.
Знания об особых свойствах малых частиц и их использование в древнем
мире, в средневековье. Работы Р.Броуна, М. Фарадея. Речь Ричарда Ф.
Фейнмана «Внизу полным-полно места» в декабре 1959 г. Исследования
ультрадисперсных объектов в СССР. Термины: нанотехнология и
наноматериалы.
Тема 2. Основные этапы развития нанотехнологии – 4 ч.
История возникновения. Основные этапы развития науки.
Семинарское занятие: «Развитие нанотехнологий»
Тема 3. Основные свойства нанообъектов – 4 ч.
Типы нанокристаллических материалов по размерности: кластеры,
нанотрубки, волокна и прутки, пленки и слои, поликристаллы. Размерный
эффект как комплекс явлений, связанных с изменением свойств вещества
вследствие непосредственного изменения размера частиц, вклада границ
раздела в свойства системы, соизмеримости размера частиц с физическими
параметрами, имеющими размерность длины (длина свободного пробега
электрона, дебройлеровская длина волны, длина волны упругих колебаний и
т.д.).
Семинарские занятия:
«Типы наноструктур. Равновесные и неравновесные наноструктуры».
Тема 4. Электронная микроскопия как метод исследования
нанообъектов – 6 ч.
Основное ограничение разрешающей способности оптических микроскопов
(дифракционный предел разрешения Рэлея). Создание приборов, в которых
используются волновые излучения не световой природы. Электронные
микроскопы: просвечивающие электронные микроскопы и сканирующие
электронные микроскопы. Туннельный эффект. Сканирующий туннельный
микроскоп.
Атомно-силовой микроскоп.
Семинарское занятие «Другие методы исследования нанообъектов».
Тема 5. Перспективы развития и проблемы молекулярной
нанотехнологии - 4 ч.
Изучение микромира на новом уровне, обработка информации, производство
объектов, медицина, экология, “облагораживание среды”, освоение космоса.
Семинарское занятие: «Проблемное поле микробиологии»
Тема 6. Нанотехнологии и биология -20 ч.
Биологические «кирпичики» для наноконструктора. Стратегии
наноконструирования: конструирование "шаг за шагом", конструирование по
типу "все сразу". Наноконструкции в действии: доставка лекарств,
биодатчики, оптические фильтры.
Генная терапия. Стволовые клетки. Создание искусственной жизни.
Нанобактерии. Синтез наноматериалов в живых организмах. Магнитные
наночастицы. Особенности синтеза наноструктур на основе биомолекул.
Основные химические и биологические методы синтеза наноструктур:
ковалентный синтез, ковалентная полимеризация, самоорганизация и
самосборка. Модульная самосборка, симметрия наноструктур. Самосборка
наноструктур на основе пептидов. Что может делать бионаноструктура?
Функциональные бионаномашины: переносчики электронов,
биомолекулярные моторы. Функциональные бионаномашины: молекулярное
сито, рецепторы и нанобиосенсоры. Перспективы создания
бионанокомпьютеров. Использование достижений нанотехнологии в
биологических исследованиях: нановесы, на- нотермометр, наноиинцет.
Биоконъюгированные наночастицы для биотехнологии и биоанализа.
Применение нанопористых веществ.
Семинарское занятие: «Искусственная жизнь - миф или реальность?»
Тема 7. Нанобиотехнологии на основе генетической инженерии – 4 ч.
Генетическая инженерия как одно из направлений нанобиотехнологий:
понятие, цели, основные принципы. Способы получения генов для
трансплантации. Технологии переноса генов в клетку. Генная терапия и
генный таргетинг.
Тема 8. Нанотехнологии в медицине: современное состояние- 10 ч.
Наноматериалы. Наночастицы. Микро- и нанокапсулы. Механизированные
нанокапсулы для доставки лекарств. Нанотехнологические сенсоры и
анализаторы. Медицинские применения сканирующих зондовых
микроскопов. Наноманипуляторы. Микро- и наноустройства. Таблетка
вместо инъекции. Прибор для исследования крови. Наночастицы против
глаукомы. Аналог биологических ресничек. Наночастицы помогут в лечении
рака головного мозга. Имплантаты и биоматериалы.
Семинарское занятие: «Диагностика и лечение болезней с помощью
нанотехнологий»
Семинарское занятие: «Нанотехнологии в борьбе за здоровье человека»
Тема 9. Нанотехнология и экология – 4 ч.
Возможные опасности использования наноматериалов. Токсичность
наноматериалов и экологические аспекты.
Тема 10. Защита проектов – 6 ч.
Перечень семинарских занятий
Тема
N
1
Введение
2
Основные
Семинарское занятие
-
этапы
развития «Развитие
нанотехнологий»
нанотехнологии
3
Основные свойства нанообъектов «Типы наноструктур. Равновесные
4
и неравновесные наноструктуры».
«Другие методы исследования
5
Инструменты нанотехнологии
Перспективы
проблемы
нанотехнологии
развития
нанообъектов».
и «Проблемное
молекулярной микробиологии»
поле
6
Нанотехнологии и биология
7
реальность?»
Нанобиотехнологии на основе «Технологии
8
«Искусственная жизнь - миф или
переноса
генетической инженерии
генетической
информации
в
Нанотехнологии в медицине: клетку»
1. «Диагностика
и лечение
современное состояние
болезней
с
помощью
нанотехнологий»
2.
«Нанотехнологии в борьбе за
здоровье» человека»
9
Нанотехнология и экология
10 Защита проектов
«Токсичность нанотехнологий»
-
ПОУРОЧНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ
10 КЛАСС
№
Название темы
Кол-во
Кол-во
Выпол
часов
проведенных
нение
по
часов
практи
плану
ческой
части
програ
ммы
1-2
Тема 1. Введение.
4
История развития науки о наноструктурах и наноматериалах.
3-4
Понятие «нано». Нанообъекты.
5-6
Тема 2. Основные этапы развития нанотехнологии
4
История возникновения. Основные этапы развития науки.
7-8
Семинар: «Развитие нанотехнологий»
9-10
4
Тема 3. Основные свойства нанообъектов
Типы нанокристаллических материалов.
Семинар
«Типы
наноструктур.
Равновесные
и
неравновесные наноструктуры».
4
Тема 4. Инструменты нанотехнологии
Электронная микроскопия как метод исследования
нанообъектов
Семинар «Другие методы исследования нанообъектов».
11-12
13-14
15-16
2
19-20
Тема 5. Перспективы развития и проблемы 6
молекулярной нанотехнологии
Изучение микромира на новом уровне: биологические
мембраны.
Проекты нанотехнологии
21-22
Семинар «Проблемное поле микробиологии»
23-24
Тема 6. Нанотехнологии и биология
Биологические
«кирпичики» для
Стратегии наноконструирования
Наноконструкции в действии.
17-18
25-26
27-28
29-30
31-32
33-34
35-36
37-38
39-40
2
2
20
наноконструктора.
Генная терапия. Стволовые клетки. Создание искусственной
жизни.
Нанобактерии. Синтез наноматериалов в живых организмах.
Магнитные
наночастицы.
Особенности
синтеза
наноструктур на основе биомолекул
Основные химические и биологические методы синтеза
наноструктур
Что может делать бионаноструктура? Функциональные
бионаномашины.
Перспективы
создания
бионанокомпьютеров.
Использование
достижений
нанотехнологии
в
биологических исследованиях.
Биоконъюгированные наночастицы для биотехнологии и
биоанализа. Применение нанопористых веществ.
41-42
Семинар: «Искусственная жизнь - миф или реальность?»
2
43-44
Тема 7. Нанобиотехнологии на основе генетической 6
инженерии
Генетическая инженерия как одно из направлений
нанобиотехнологий.
Способы получения генов для трансплантации. Генная
терапия и генный таргетинг.
«Технологии переноса генетической информации в клетку»
2
45-46
47-48
49-50
51-52
Тема 8. Нанотехнологии в медицине: современное 10
состояние
Наноматериалы. Наночастицы. Микро- и нанокапсулы.
Нанотехнологические сенсоры и анализаторы. Медицинские
применения сканирующих зондовых микроскопов. Микро- и
наноустройства.
53-54
55-56
57-58
Таблетка вместо инъекции. Прибор для исследования крови.
Наночастицы
против
глаукомы.
Имплантаты
и
биоматериалы.
Семинарское занятие: «Диагностика и лечение болезней с
помощью нанотехнологий»
Семинар: «Нанотехнологии в борьбе за здоровье человека»
2
2
Тема 9. Нанотехнология и экология
Возможные опасности использования наноматериалов.
Семинар «Токсичность нанотехнологий»
4
6
65-66
Тема 10. Работа над проектами, их защита
Выбор проекта и работа над ним
Защита проекта
67-68
Защита проекта
59-60
61-62
63-64
2
2
2
2
Учебно- методическое обеспечение образовательного процесса.
Основные учебники:
1. Зиновкин Р. А.
Нанотехнологии в биологии. 10-11 классы: учебное пособие. - Москва : Дрофа,
2010. – с. 124, (Элективные курсы. Профильное обучение).
2. Захаров В. Б., Мамонтов С. Г., Сонин Н. И., Захарова Е. Т. Общая биология
10 класс. Профильный уровень. Ч. 1/ Под ред. Проф. В. Б. Захарова.- М.:
Дрофа, 2010.
3. Захаров В. Б., Мамонтов С. Г., Сонин Н. И., Захарова Е. Т. Общая биология
11 класс. Профильный уровень. Ч. 2/ Под ред. Проф. В. Б. Захарова.- М.:
Дрофа, 2010.
Дополнительная литература:
Альтман Ю. Военные нанотехнологии. Возможности применения и
превентивного контроля вооружений. – М.: Техносфера, 2006.- 424 с.
Андриевский Р.А. Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. – М.:
Академия, 2005.
Баженов С.Л., Берлин А.А., Кульков А.А. Полимерные композиционные
материалы. - ИД «Интеллект», 2-3 квартал, 2008.
Генералов М.Б. Криохимическая нанотехнология: учеб. пособие для
вузов по спец. "Машины и аппараты хим. пр-в" и "Автоматизир. пр-во
хим. предприятий" - М.: Академкнига, 2006. - 325 с.
Губин С.П. Химия кластеров. Основы классификации и строения. – М.:
Наука, 1987. – 262 с.
Гусев
А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. /А.И.
Гусев, А.А. Ремпель – М.: Физматлит. – 2000. – 224 с.
Мелихов И.В. Физико-химическая эволюция твердого вещества. - М.:
БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006 -309 с.
Нанотехнология в ближайшем десятилетии / Под ред. М.К. Роко. – М.:
2002.
Петров Ю.И. Кластеры и малые частицы. – М.: Наука. – 1986.
Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в
полимерах. – М.: Химия. 2000. – 627 с.
Пул, Ч., Оуэнс, Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004.
Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены: Учебное пособие. - М.: ИД
Интеллект, 2008.
Рамбиди Н.Г. Полимеры – молекулы и наноструктуры. - М.: ИД
Интеллект, 2-3 квартал, 2008.
Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех – М.: Nanotechnology News
Network, 2005. - 444 с.
Суздалев,
И.П.
Нанотехнология:
физико-химия
нанокластеров,
наноструктур и наноматериалов - М.: КомКнига, 2006. - 590 c.
Фахльман, Б. Химия новых материалов и нанотехнологии - М.: ИД
Интеллект, 2-3 квартал, 2008.
Харрис, П. Углеродные нанотрубки и родственные структуры. Новые
материалы XXI века. – М.: Техносфера, 2005.
Шабанова, Н.А. Химия и технология нанодисперсных оксидов: учеб.
пособие для вузов / Н.А. Шабанова, В.В. Попов, П.Д. Саркисов - М.:
Академкнига, 2006. - 309 с.
Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. – М.:
ФИЗМАТЛИТ, 2005. – 416 с.
Пул Ч. – мл., Оуэнс Ф. Нанотехнология. – М.: Техносфера, 2006. – 336 с.
Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. – Пер. с японск. – М.:
БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 134 с.
Интернет-ресурсы.
http:\\www.ntmdt.ru
http://www/nanometer.ru
http://www.nanorf.ru
http://www.computerra.ru
http://www.nanoindustries.com
http://www.nanometer.ru
http://www.nanotechweb.org
http://www.nature.com
http://www.newchemistry.ru
http://www.polit.ru
http://www.sciam.ru
http://www.vjnano.org
