Съвременни методи на изследване в биологията. Какви методи на изследване в биологията познавате? Тема: методи на изследване в биологията

Методът е изследователски път, през който преминава ученият, когато решава научен проблем или проблем.

Научният метод е набор от техники и операции, използвани за изграждане на система от научно познание.

Методи, универсални за всички биологични науки: описателен, сравнителен, историческиИ експериментален.

• Описателен метод.Основава се на наблюдение. Той е бил широко използван от древни учени, които са участвали в събирането на фактически материали и тяхното описание (изследване и описание на животни и растения), а също така се използва днес (например при откриването на нови видове).

Наблюдението е метод, чрез който изследователят събира информация за даден обект (възприемане на природни обекти с помощта на сетивата).

Пример:

Можете да наблюдавате визуално, например, поведението на животните. Можете да използвате инструменти, за да наблюдавате промените, настъпващи в живите обекти: например, когато правите кардиограма през деня или когато измервате теглото на теле в течение на един месец. Можете да наблюдавате сезонни промени в природата, линеене на животни и др. Заключенията, направени от наблюдателя, се проверяват или чрез многократни наблюдения, или чрез експеримент.

• Сравнителен методзапочва да се използва през 17 век. Позволява ви да идентифицирате приликите и разликите между организмите и техните части (систематизиране на растения и животни, развитие на клетъчната теория). Днес сравнителният метод се използва широко и в различни биологични науки.
• Исторически метод- установяване на връзки между факти, процеси, явления, възникнали през исторически дълъг период от време (няколко милиарда години). Този метод помага да се разберат получените факти и да се сравнят с предварително известни резултати. Този метод се използва широко през втората половина на 19 век (обосноваване на теорията за еволюцията на Чарлз Дарвин). Използването на историческия метод направи възможно превръщането на биологията от описателна наука в наука, която обяснява как са възникнали различни живи системи и как те функционират.
• Експериментален метод- това е придобиване на нови знания (изучаване на явление) с помощта на опит.

Експериментът е изследователски метод в биологията, при който експериментаторът съзнателно променя условията и наблюдава как те влияят на живите организми. Експериментът може да се проведе както в лаборатория, така и на открито.

Експерименталният метод започва да се използва в неговите изследвания при изследване на кръвообращението Уилям Харви (1578-1657), и започва да се използва широко в биологията (при изучаването на физиологичните процеси) през 19 век. Г. Мендел, изучавайки наследствеността и променливостта на организмите, пръв използва експеримента не само за получаване на данни за изучаваните явления, но и за проверка на хипотезата, формулирана въз основа на получените резултати.
През 20 век, благодарение на появата на нови инструменти за биологични изследвания (електронен микроскоп, томограф и др.), експерименталният метод става водещ в биологията. Моделиране, който се счита за най-висшата форма на експеримент, се използва и в съвременната биология (активно се работи върху компютърно моделиране на най-важните биологични процеси, основните насоки на еволюцията, развитието на екосистемите и цялата биосфера).

Биологията е разделена на много специални науки, които изучават различни биологични обекти: биология на растенията и животните, физиология на растенията, морфология, генетика, систематика, селекция, микология, хелминтология и много други науки. Следователно, наред с общите биологични методи, има методи, които се използват от специалните биологични науки:

• генетика - генеалогичен метод за изучаване на родословия,
• метод на селекция - хибридизация,
• хистология - метод на тъканна култура и др.

Научният факт е форма на научно познание, в която е записано конкретно явление или събитие; резултат от наблюдения и експерименти, който установява количествените и качествените характеристики на обектите.

Процесът на научно познание обикновено се разделя на два етапа: емпиричен и теоретичен.

На емпиричния етап Използват се следните методи.

Описателни и сравнителни методи , те се основават на наблюдение. Наблюдение - изучаване на живи природни обекти в естествени условия.Това е пряко наблюдение (буквално) на поведението, заселването, размножаването на животни и растения в природата, визуално или инструментално определяне на характеристиките на организмите, техните клетки, органи и тъкани. За тези цели съвременната биология използва както традиционни средства за полеви изследвания - от бинокли до дълбоководни подводници, така и сложно лабораторно оборудване - микроскопи, спектрофотометри, ултрацентрофуги и др.

Експериментален метод базиран на изследване на живи обекти под екстремно влияние на фактори на околната среда- променена температура, светлина или влажност, повишено натоварване, токсичност или радиоактивност, промяна на мястото на развитие (отстраняване или трансплантация на гени, клетки, органи, космически полети и др.). Експерименталният метод ни позволява да идентифицираме скрити свойства, границите на адаптивните възможности на живите системи, степента на тяхната гъвкавост, надеждност и променливост.

Исторически метод разкрива историята на развитието на биологичните обекти, техния произход.Сравнете анатомичната структура, химичния състав, генната структура и други характеристики на организми с различни нива на сложност. В същото време се изучават не само живи организми, но и отдавна изчезнали, запазени под формата на вкаменени останки.

Сравнително нов метод - моделиране биологични процеси , както на ниво организми, клетки или биомолекули, така и И математическо моделиране. Например, можете да изградите модел и да прогнозирате състоянието на живота в резервоар след определено време, когато се променят един, два или повече параметъра (температура, концентрация на сол, присъствие на хищници и др.).

Системен метод (подход) също е нов . Живите обекти се считат за системи , тоест колекция от елементи с определени взаимоотношения.Всеки обект се разглежда едновременно и като система, и като елемент от система от по-висок ред.

На теоретичен етап за познаване се използват следните методи: обобщение натрупана факти , промоция нови хипотези , техен емпиричен повторен тест (нови наблюдения, експерименти, сравнения, моделиране). Стават потвърдени хипотези закони , те са съставени от теории . Ясно е, че както законите, така и теориите са относителни по природа и рано или късно могат да бъдат преразгледани.

3. Основни понятия на биологията

Концепция - това е взаимосвързана група от концепции, хипотези, теории, които обясняват някакъв фундаментален феномен или свойство на природата. Основенбиологични концепции обяснете явлението и свойстватаживот .

1. Концепцията за системна многостепенна организация на живота : всички живи обекти са системиразлични нива на сложност, те образуват непрекъсната йерархия от нива на структурна и функционална организация.

2. Концепцията за материалната същност на живота : животът е материален, неговата физическа и химическа основа са метаболизмът и енергията. Във философски смисъл това означава първичност на материята и вторичност на съзнанието (материализъм).

Материята е комбинация от материя и поле. Материята има маса на покой, но полето не. Живата материя представляваособено сложно вещество и сложно многофакторно поле. Точнониво на трудност прави материята жива, въпреки че в нея действат прости физични и химични закони.

3. Понятие за биологична информация и самовъзпроизвеждане на живота : Живите организми се възпроизвеждат въз основа на собствената си (генетична) информация във взаимодействие с външна (епигенетична) информация. Резултатът от това взаимодействие е индивидуалното развитие на организмите (онтогенезата).

4. Концепцията за саморегулация на живите системи : живите системи поддържат относително постоянство на своите вътрешни връзки и условия на работа (хомеостаза) въз основа на комбинация от преки положителни и обратни отрицателни връзки.

5. Концепция за самоорганизация и биологична еволюция : живият свят е възникнал в резултат на самоорганизация от неживи химически системи и претърпява необратимо историческо развитие (филогенеза) въз основа на наследствената променливост и естествения подбор на организми, най-добре адаптирани към променящите се условия на околната среда.

Методи на биологията. Биологията използва различни методи за изследване. Описателният метод е традиционен, но е запазил своето значение. Основни методи на биологията:
· НаблюдениеИ описание факти и явления (описателен метод). Методът на наблюдение даваспособността да се анализират и описват биологични явления. Описателният метод се основава на метода на наблюдението. За да се разбере същността на едно явление, е необходимо преди всичко да се събере и опише фактически материал. Например, използвайки метода на наблюдение, можете да изучавате сезонните промени в дивата природа. Наблюдението е изследване на обекти на живата природа в естествени условия на съществуване. Това е пряко наблюдение на поведението, заселването и размножаването на растенията и животните в природата. За тези цели се използват както традиционни инструменти за полеви изследвания (бинокли, видеокамери), така и сложно лабораторно оборудване (микроскопи, биохимични анализатори, различно измервателно оборудване).
· Сравнение, което дава възможност да се установят приликите и разликите между различни биологични структури и явления (сравнителен метод). Сравнете анатомичната структура, химичния състав, генната структура и други характеристики на организми с различни нива на сложност. В този случай се изучават не само живи организми, но и отдавна изчезнали, запазени като фосилизирани останки във вкаменелостите.
· Експериментирайте (лат. experimentum - тест), по време на който се изучават биологични обекти и процеси в изкуствено създадени, точно контролирани условия (експериментален метод). Експерименталният метод е свързан с целенасоченото създаване на система и помага за изучаване на свойствата и явленията на живата природа. Експериментален метод (опит) - изследване на живи обекти в условия на екстремни фактори на околната среда - променена температура, светлина или влажност, повишено натоварване, токсичност или радиоактивност, променен начин или място на развитие (отстраняване или трансплантация на гени, клетки, органи и др.). ) . Експерименталният метод ни позволява да идентифицираме скрити свойства, границите на адаптивните (адаптивни) възможности на живите системи, степента на тяхната гъвкавост, надеждност и променливост.
·Широко използван инструментални методи : електрография, радар и др.

· Моделиране – изграждане и изучаване на модели (диаграми, графики, описания) на процеси и явления, което се използва все по-широко с развитието на компютърните технологии. С помощта на метода на моделиране едно явление се изучава чрез неговия модел.
·Историческият метод е от универсално значение за всички клонове на биологията – изучаване на всички явления и процеси като етапи от еволюционното развитие на природата. Историческият метод разкрива еволюционните трансформации на биологичните видове и техните общности. Това е един от най-важните методи, който служи като основа за разбиране на получените факти. Историческият метод изяснява закономерностите на появата и развитието на организмите, формирането на тяхната структура и функции.
· Палеонтологичен метод – изследване на изчезнали организми.
· Системен метод принадлежи към категорията на новите интердисциплинарни изследователски методи. Живите обекти се разглеждат като системи, тоест колекции от елементи с определени взаимоотношения.

· Биохимичен метод ви позволява да изолирате и изучавате вещества, които изграждат организмите, техните трансформации и ви позволява да идентифицирате наследствени метаболитни нарушения.
За изследване на структурата и функциите на клетките и тъканите се използват частни (специални) цитологични методи:
· Светлинна микроскопия - ви позволява да откриете ядрото и някои клетъчни органели - митохондрии, хлоропласти, апарат на Голджи, реснички и флагели.
· Електронна микроскопия – позволява ви да изучавате фината структура на органелите (напр.хлоропласти), тяхната ултраструктура,
· Центрофугиране - ви позволява избирателно да подчертавате и изучаватеклетъчни органели;
· Метод на клетъчна култура И тъканиизползвани за изследване на структурата и функциите на клетките.

ВЪВЕДЕНИЕ

ЛЕКЦИЯ 1

Обща биология

Съвременна концепция за живота. Критерии на живите същества, тяхната интеграция. Нива на организация на живите същества. МЕТОДИ НА БИОЛОГИЯТА: емпирични (наблюдение, сравнение /исторически/, описание, експеримент), теоретични (системни).

Когато говорим за научни методи в широк смисъл, нямаме предвид конкретни технологични техники (техники), а методически принципи , подходи към

изучаването на обекти, явления, техните връзки. Методите на биологията са същите като в другите природни науки: емпирични и теоретични. Емпиричният етап винаги се развива на базата на предишни теории или хипотези, а на теоретичния етап се извършва емпирична проверка на новите изложени.

Емпирични методи:

Наблюдение- изучаване на живи природни обекти в естествени условия на съществуване. Това е директно визуално наблюдение (буквално) на поведението, заселването, размножаването на животни и растения в природата или инструментално определяне на характеристиките на организмите, техните органи, клетки, химичен анализ на състава и метаболизма (... бинокъл, дълбоко- морски превозни средства с камери за нощно виждане, микроскопи - спектрални и електронни, биохимични анализатори, радиоактивни етикети, ултрацентрофуги, различни измервателни уреди).

Експериментален метод(опит) включва изследване на живи обекти в условия на екстремни фактори на околната среда– променена температура, светлина или влажност, повишено натоварване, токсичност или радиоактивност, променен начин или място на развитие (отстраняване или трансплантация на гени, клетки, органи, въвеждане на животни и растения, космически полети и др.).

Експерименталният метод ни позволява да идентифицираме скрити свойства, потенции, граници на адаптивните (адаптивни) способности на живите системи, степента на тяхната гъвкавост, надеждност и променливост.

Сравнителен (исторически) методразкрива еволюционните трансформации на биологичните видове и техните общности. Сравнете анатомично структура, химичен състав, генна структура и други характеристики в организми от различни ниво на трудност. В този случай се изучават не само живи организми, но и изчезнали, запазени като вкаменелости.

Тези методи изискват количествено отчитане и математическо описание на структури и явления. Биологията се превръща в точна наука, въпреки че разкритите в нея модели са от вероятностен характер (стохастични, контраинтуитивни) и се описват с методи на вариационна статистика.

Въз основа на идентифицираните статистически модели е възможно да се извърши математическо моделиранебиологични процеси и прогноза за тяхното развитие.

Например, можете да изградите модел на състоянието на живот във водно тяло след известно време, когато един, два или повече параметъра се променят (температура, концентрация на сол, наличие на хищници и др.). Такива техники станаха възможни благодарение на проникването в биологията на идеите и принципите на кибернетиката – науката за управление.

Теоретичен (системен метод):

Този метод, подобно на кибернетичния подход, принадлежи към категорията на новите методи на изследване. Живите обекти се считат за системи, тоест колекция от елементи с определени взаимоотношения.Като се вземе предвид йерархията на живите системи, всеки обект може да бъде разгледан едновременно като система и като елемент от система от по-висок ред. Ето защо принципите на системна организация са валидни за всички нива - от макромолекулите до биосферата на Земята.

Широкото развитие на системното движение в съвременната наука, включително биологията, означава постепенно преход от анализ към синтез. Анализ - Това

дискретен подход, задълбочаване в структурата и функциите на отделни елементи на системата - вътре в клетка, вътре в организъм, вътре в екологична общност. Синтез означава интегративен подход, изследване на холистичните характеристики на система - клетка, организъм, биоценоза. Изследването винаги се извършва първо от общото към частното - анализ, а след това от частното към общото, но на ново ниво на познание на това общо - синтез.

Аналитичен Подходът в биологията откри химическата и микроструктурната организация на живите обекти, изясни видовото разнообразие сред животни, растения, микроорганизми, разкри генетичната хетерогенност на организмите в популациите и други вътрешни характеристики на системите.

Постепенно обемът на натрупаните аналитични данни стана достатъчен, за да се премине към техния синтез. Така възникват синтетичната еволюционна теория, неврохуморалната физиология, съвременната имунология, молекулярната клетъчна биология, нова мегасистематика на организмите, основана на техните комплексни характеристики – от екология и анатомия до молекулярна генетика.

Сегашният проблем на съвременната естествена наука се решава - създаване на холистична биологична картина на света.

Повишеният интерес към синтеза в науката показва за прехода от емпиричния към теоретичния етап на познанието. От получаването факти , чрез тях обобщението започва номинация нови хипотези , тогава обикновено ги следва емпиричен повторен тест (нови наблюдения, експерименти, сравнения, моделиране). Емпиричното тестване води или до опровергаване на хипотеза, или до нейното потвърждение с различна степен на вероятност. Стават много надеждни хипотези закони , от които са съставени теории .

Биология- наука, която изучава свойствата живи системи .

Въпреки това, за да се определи какво е жива система , достатъчно е трудно. Следователно няколко критерии , според които организмът може да се класифицира като жив . Най-важните от тези критерии са метаболизъм (метаболизъм), самовъзпроизвеждане, саморегулация .

Биологията е наука.

Концепция наукатаИма " сферата на човешката дейност за получаване и систематизиране на обективни знания за реалността».

Всяка наука има предмет И вещ изследвания. По биология обектизследване е живот .

Предметът на науката винаги е малко по-тесен, по-ограничен от обекта: например, ако един учен се интересува от храненето на организмите, тогава обект проучване ще бъде живот , А предмет изучаване - хранене .

Всяка наука, включително биологията, използва определени методи изследвания. Метод – набор от методи за получаване на научен резултат.

Някои от тях универсален за всички науки, например като наблюдение, поставяне и тестване на хипотези, изграждане на теории.

Могат да се използват само други научни методи определени наука, в биологията е: генеалогичен метод, метод на хибридизация, метод на тъканна култура и др..

Биология отблизо вързани с други науки - химия, физика, география, екология и др. .

Същинска биология акции към много специални науки, които изучават различни биологични обекти: ботаника, зоология, анатомия, физиология, морфология, генетика, систематика, селекция, микология, хелминтологияи много други науки.

Методе пътят на изследване, през който един учен преминава, когато решава научен проблем. Методите на науката могат да бъдат разделени на:

1. Универсален:

Моделиране - метод, при който се създава определен образ на обект, модел, с помощта на който учените получават необходимата информация за обекта (например Джеймс Уотсън и Франсис Крик създават модел от отделни елементи - двойна спирала на ДНК , съответстващи на данните от рентгенови и биохимични изследвания).

Наблюдение - метод, с който изследователят събира информация за даден обект (можете визуално да наблюдавате поведението на животните, като използвате инструменти за наблюдение на промените в природата). Заключенията, направени от наблюдателя, се проверяват или чрез многократни наблюдения, или чрез експеримент.

Експеримент (опит) - метод, чрез който се проверяват резултатите от наблюденията и предположенията - хипотези(придобиване на нови знания чрез опит): кръстосване на организми за получаване на нов сорт или порода, тестване на ново лекарство.

проблем– проблем, изискващ решение; винаги крие някакво противоречие между известното и непознатото. Решаването на проблем изисква учен да събира факти, да ги анализира и систематизира; води до усвояване на нови знания. Може да бъде доста трудно да се формулира проблем, но винаги, когато има затруднение или противоречие, се появява проблем.

Хипотеза– предположение, предварително решение на поставения проблем; проверени експериментално. Когато излага хипотези, изследователят търси връзки между факти, явления и процеси. Ето защо хипотезата най-често приема формата на предположение: „ако ... тогава“.

Теорияе обобщение на основните идеи във всяка област на знанието. С течение на времето теориите се допълват с нови данни и се развиват; могат да бъдат опровергани от нови факти или потвърдени от практиката.

2. Частни научни методи:

Генеалогичен – използвани при съставяне на родословия и идентифициране на естеството на наследяване на черти.

Исторически – установяване на връзки между факти, процеси и явления, случили се в исторически дълъг период от време.

Палеонтологичен - метод, който ви позволява да установите връзката между древните организми, чиито останки се намират в различни геоложки слоеве на земната кора.

Центрофугиране – разделяне на смесите на съставни части под въздействието на центробежна сила; използвани при разделянето на клетъчни органели, фракции (компоненти) на органични вещества и др.

Цитологичен или цитогенетичен – изследване на структурата на клетката, нейните структури с помощта на различни микроскопи.

Биохимичен – изследване на химичните процеси, протичащи в организма.
Всяка частна биологична наука (ботаника, зоология, анатомия и физиология, цитология, ембриология, генетика, селекция, екология и други) използва свои собствени методи на изследване.