Интегрированное занятие по теме "Теория информации. Информационные процессы"

Цели занятия:

Образовательные:

• систематизировать и обобщить знания студентов о сущности информации, ее свойствах, видах, единицах измерения, об информационных процессах;
• расширить знания студентов о кодировании информации на примере живой природы;
• совершенствовать умения студентов применять знания для решения задач.

Развивающие:

• продолжить формирование умений:
• обобщения изученного материала;
• поиска аналога изученному явлению.

Воспитательные:

• способствовать формированию:
• научного мировоззрения на основе познаваемости живой природы;
• способности самостоятельно выполнять задания и нести ответственность за результаты своего труда;
• культуры пространственного мышления.

Тип урока по основной образовательной цели: урок обобщения знаний и закрепления навыков решения задач.

Оборудование:

• персональный компьютер,
• мультимедийный проектор,
• тексты индивидуальных заданий,
• мультимедийный курс компании “Физикон” “Открытая биология”,
• мультимедийная презентация занятия (Приложение 1).

Методическая цель: реализация межпредметных связей.

Литература.

1. Мамонтов С.Г., Захаров В.Б. Общая биология. – М.: Высшая школа, 2002.
2. Угринович Н.Д. Информатика и информационные технологии. Уч. пособие для 10-11 классов – М.: Лаборатория базовых знаний, 2006 г. –512 с.:ил.
3. Информатика. Задачник – практикум в 2т./Под ред. И.Г.Семакина, Е.К.Хеннера. –М.: Лаборатория базовых знаний,1999 г. –304 с.: ил.

План занятия.

1. Организационный этап (Приложение 1, слайды 1-2).
2. Домашнее задание (Приложение 1, слайд 3).
3. Этап обобщения и систематизации знаний.

Получение и преобразование информации является условием жизнедеятельности любого организма. На основе информации, полученной с помощью органов чувств, и теоретических знаний, приобретенных в процессе обучения, человек создает информационные модели окружающего мира (Глобус – модель Земли, кристаллическая решетка – модель атома). Такие модели позволяют человеку ориентироваться в окружающем мире и принимать правильные решения для достижения поставленных целей.

Повторение основных понятий теории “Информации” (фронтальная беседа) (Приложение 1, слайд 4).

Сообщение студента на тему “Двоичное кодирование текстовой информации” (Приложение 1, слайды 5-10, Приложение 2).

Кодирование информации в живой природе (Приложение 1, слайды 11-17).

Рассмотрим кодирование информации в живой природе на примере наследственной информации.

Для этого попробуем проанализировать понятие “наследственная информация”.

О чем эта информация? Наследственная - от слова “наследственность” – свойство организма передавать признаки из поколения в поколение. Таким образом, это информация о признаках организмов. Признаки организма от цвета глаз до умственных способностей определяются присущими только этому организму молекулами белков. Белок представляет собой полипептидную цепочку из повторяющихся 20 разных аминокислот. Специфичность белков определяется количеством аминокислот, их процентным содержанием и порядком соединения. Следовательно, наследственная информация это информация о том, сколько аминокислот, какие аминокислоты и в каком порядке соединятся при образовании молекулы белка.

Теперь попробуем ответить на вопрос: Где находится и хранится эта информация? (Ядро клетки, хромосомы, ДНК) В клеточных организмах ДНК содержится в хромосомах.

Хромосомы эукариот представляют собой линейную молекулу ДНК. Эукариотическая ДНК обматывает белковые частицы – гистоны, располагающиеся вдоль ДНК через определённые интервалы, образуя хроматин – волокна, из которых состоят хромосомы. Комплексы участков ДНК и гистонов называются нуклеосомами. Нуклеосомы упорядочены в пространстве, за счёт чего достигается плотная упаковка ДНК в хромосоме.

Трёхмерная пространственная модель структуры ДНК (т. н. “двойная спираль”) была предложена в 1953 году Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком, (модель Уотсона–Крика). Согласно этой модели, ДНК состоит из двух комплементарных цепей, образующих двойную спираль. Такая структура не только соответствовала известным химическим данным о ДНК, но и объясняла механизм ее самоудвоения, обеспечивающий передачу информации при делении клетки. Размеры ДНК зависят от типа организма. Физическая длина ДНК вирусов составляет десятки микрометров, бактерий – миллиметры, а человека – 2 метра. Общая длина всех ДНК человека составляет 2•10¹⁰ км.

 Участки ДНК, кодирующие белковые цепи, называются структурными генами, поэтому наследственная информация = генетическая информация. В классической биологии гены рассматривали как часть хромосомы, определяющей какой-то наследственный признак. Более точное определение дала молекулярная биология: ген – фрагмент генетического кода, который может синтезировать только один определённый полипептид. Наряду со структурными генами ДНК содержит регуляторные последовательности. Они могут обозначать начало или конец структурного гена.

В 1961 году Крик и его сотрудники установили основные принципы генетического кода, показав, каким образом последовательность нуклеотидов, мономерных единиц ДНК, переводится (транслируется) в последовательность аминокислот, мономерных единиц белка. Генетический код – система записи информации о последовательности аминокислот в полипептиде последовательностью нуклеотидов ДНК или РНК В настоящее время эта система записи считается расшифрованной. Свойства генетического кода:

• Триплетность: каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех нуклеотидов (триплетом, кодоном).
• Однозначность (специфичность): триплет соответствует только одной аминокислоте.
• Вырожденность: аминокислоты могут кодироваться несколькими (до шести) кодонами.
• Универсальность: система кодирования аминокислот одинакова у всех организмов Земли.
• Неперекрываемость: последовательность нуклеотидов имеет рамку считывания по 3 нуклеотида, один и тот же нуклеотид не может быть в составе двух триплетов.

Вопрос: Какие из свойств генетического кода характерны для двоичного кода, используемого в информатике?

Свойство вырожденности присуще только генетическому коду. В наследственной информации необходимо закодировать 20 разных аминокислот при помощи 4 разных нуклеотидов. Один нуклеотид не может соответствовать одной аминокислоте, так как их значительно больше. Возьмем сочетание двух нуклеотидов, при этом можно составить 4² =16 разных сочетаний, которых тоже не хватит для всех 20 аминокислот. При использовании сочетания 3-х нуклеотидов получим 4³ = 64 различных варианта сочетаний. Следовательно, возможность кодирования (64) больше необходимости кодирования (20).

В информатике для кодирования числовой и текстовой информации на ПК необходимо закодировать 256 символов, для этого используются два знака (1 и 0) в сочетании по 8 и получается 2⁸ = 256. Таким образом, в данном случае возможность кодирования равна необходимости кодирования.

Вопрос: Можно ли известную генетическую информацию закодировать с помощью знаков, используемых в информатике (1 и 0)?

В биологии триплет - 3 нуклеотида (ГГЦ) кодирует 1 аминокислоту (глицин).

64= 4³ = (2²)³= 2⁶. Cледовательно, каждый триплет несет 6 бит информации, а каждый нуклеотид – 2 бит информации и каждый нуклеотид необходимо закодировать сочетанием двух знаков (1 и 0)

Например:

• А - 00
• Т - 11
• Г - 10
• Ц - 01

Тогда аминокислоту глицин можно представить в виде кода 101001.

Применение знаний для решения задач.

• На компьютере создано объявление, содержащее 90 символов. Какой объем информации оно содержит?

Решение: N=2^I 256=2⁸ 1 символ несет 8 бит информации 90*8 бит=720 бит=90 байт.

• ДНК человека можно представить себе как некоторое слово в 4-х буквенном алфавите, где каждой буквой помечается звено цепи. Определите, сколько бит информации несет один символ в ДНК человека?

Решение: N=2^I 4=2² 1 символ ДНК несет 2 бита информации.

• Сколько информации (в битах) содержит ДНК, состоящая примерно из 1,5* 10²³ нуклеотидов?

Решение: N=2^I 4=2² 1 нуклеотид несет 2 бита информации.

• Цепочка ДНК несет 2*1,5* 10²³=3* 10²³ бит информации. Сколько информации (в битах) содержит ДНК, состоящая примерно из 3* 10²⁵ нуклеотидов?

Решение: N=2^I 4=2² 1 нуклеотид несет 2 бита информации.

• Цепочка ДНК несет 2*3* 10²³=6* 10²³ бит информации. У одного микроорганизма ДНК содержит 250₁₀ нуклеотидов, а у другого – 340₁₀ нуклеотидов. Вычислите сумму нуклеотидов в двоичной системе счисления.

Решение: 250₁₀=11111010₂

340₁₀=101010100₂

		1	0	1	0	1	0	1	0	0
	+		1	1	1	1	1	0	1	0
	1	0	0	1	0	0	1	1	1	0

• У одного микроорганизма ДНК содержит 300₁₀ нуклеотидов, а у другого – 180₁₀ нуклеотидов. Вычислите разницу нуклеотидов в двоичной системе счисления.

Решение: 300₁₀=100101100₂

180₁₀=10110100₂

	1	0	0	1	0	1	1	0	0
--		1	0	1	1	0	1	0	0
			1	1	1	1	0	0	0

• Количество А-нуклеотидов в ДНК человека, закодированных в восьмеричной системе счисления равно 205₈, Г-нуклеотидов – 243₈. Определите количество Т-нуклеотидов и Ц-нуклеотидов в десятичной системе счисления.

Решение: 205₈=133₁₀

243₈=163₁₀

количество А-нуклеотидов = количество Т-нуклеотидов=133₁₀

Г-нуклеотидов = Ц-нуклеотидов=163₁₀

• Количество Ц-нуклеотидов в ДНК человека, закодированных в шестнадцатеричной системе счисления равно 9А₁₆, Т-нуклеотидов – 14F₁₆. Определите количество А-нуклеотидов и Г-нуклеотидов в десятичной системе счисления.

Решение: 9А₁₆= 154₁₀ 14F₁₆= 335₁₀ Количество Ц-нуклеотидов= количеству Г-нуклеотидов= 154₁₀ ; количество Т-нуклеотидов = количеству А-нуклеотидов=335₁₀ ).

• Перекодируйте известную генетическую информацию РНК: Г-Г-Ц-Ц-Ц-А-Г-У-У в двоичную систему кодирования. Самостоятельно запишите двоичный код для каждого нуклеотида.

Процессы передачи и реализации генетической информации в клетке.

Каким образом может передаваться и использоваться в клетке генетическая информация? Это происходит в три этапа:

• репликация (копирование родительской ДНК с образованием дочерних ДНК);
• транскрипция (переписывание генетической информации в форме РНК);
• трансляция (перевод информации с РНК на белковую форму).

Примечание: Изучение особенностей каждого процесса сопровождается демонстрацией анимационных моделей мультимедийного курса компании “Физикон” “Открытая биология”.

Сообщение студента на тему “Сравнительная характеристика носителей информации” (Приложение 3).

Задание: Проранжируйте известные носители информации по информационной емкости, надежности и долговременности хранения информации.

Заключение.

Таким образом, молекулы ДНК как носители и хранители информации характеризуются самой большой емкостью, надежностью, длительностью хранения информации. Следовательно, изучение особенностей кодирования и хранения информации в живой природе может способствовать совершенствованию имеющихся цифровых носителей информации.