Современные методы исследования в биологии. Какие методы исследования в биологии вам известны Тема методы исследования в биологии

Метод - это путь исследования, который проходит учёный, решая какую-либо научную задачу, проблему.

Научный метод - это совокупность приёмов и операций, используемых при построении системы научных знаний.

Методы, универсальные для всех биологических наук: описательный, сравнительный, исторический и экспериментальный .

• Описательный метод. В основе его лежит наблюдение. Он широко применялся еще учёными древности, занимавшихся сбором фактического материала и его описанием(изучение и описание животных и растений), а также применяется в настоящее время (например, при открытии новых видов).

Наблюдение - метод, с помощью которого исследователь собирает информацию об объекте (восприятие природных объектов с помощью органов чувств).

Пример:

Наблюдать можно визуально, например, за поведением животных. Можно наблюдать с помощью приборов за изменениями, происходящими в живых объектах: например, при снятии кардиограммы в течение суток, при замерах веса телёнка в течение месяца. Наблюдать можно за сезонными изменениями в природе, за линькой животных и т.д. Выводы, сделанные наблюдателем, проверяются либо повторными наблюдениями, либо экспериментально.

• Сравнительный метод стал применяться в XVII в. Он позволяет выявлять сходства и различия между организмами и их частями (систематизация растений и животных, разработка клеточной теории). В наше время сравнительный метод также широко применяется в различных биологических науках.
• Исторический метод - установление взаимосвязей между фактами, процессами, явлениями, происходившими на протяжении исторически длительного времени (несколько миллиардов лет). Этот метод помогает осмыслить полученные факты, сопоставить их с ранее известными результатами. Этот метод стал широко применяться во второй половине XIX века (обоснование теории эволюции Ч. Дарвина ). Применение исторического метода позволило превратить биологию из науки описательной в науку, объясняющую как произошли и как функционируют многообразные живые системы.
• Экспериментальный метод - это получение новых знаний (изучение явления) с помощью поставленного опыта.

Эксперимент - метод исследования в биологии, при котором экспериментатор сознательно изменяет условия и наблюдает, как они влияют на живые организмы. Эксперимент можно проводить как в лаборатории, так и на открытом воздухе.

Экспериментальный метод начал применять в своих исследованиях при изучении кровообращения Уильям Гарвей (1578-1657г.) , а широко использоваться в биологии (при изучении физиологических процессов) он начал с XIX в. Г. Мендель, изучая наследственность и изменчивость организмов, впервые применил эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы, формулируемой на основании получаемых результатов.
В XX в., благодаря появлению новых приборов для биологических исследований (электронный микроскоп, томограф, и др.), экспериментальный метод стал ведущим в биологии. Моделирование , которое считают высшей формой эксперимента, также применяют в современной биологии (ведутся активные работы по компьютерному моделированию важнейших биологических процессов, основных направлений эволюции, развития экосистем и всей биосферы).

Биология делится на множество частных наук, изучающих различные биологические объекты: биология растений и животных, физиология растений, морфология, генетика, систематика, селекция, микология, гельминтология и множество других наук. Поэтому наряду с общебиологическими методами, выделяют методы, которые используются частными биологическими науками:

• генетика - генеалогический метод изучения родословных,
• селекция - метод гибридизации,
• гистология - метод культуры тканей и т.д.

Научный факт - это форма научного знания, в которой фиксируется некоторое конкретное явление, событие; результат наблюдений и экспериментов, который устанавливает количественные и качественные характеристики объектов.

Процесс научного познания принято разделять на две стадии: эмпирическую и теоретическую.

На эмпирической стадии используются следующие методы.

Описательный и сравнительный методы , в их основе лежит наблюдение. Наблюдение - изучение объектов живой природы в естественных условиях. Это - непосредственное наблюдение (в буквальном смысле) за поведением, расселением, размножением животных и растений в природе, визуальное или инструментальное определение характеристик организмов, их клеток, органов и тканей. Для этих целей в современной биологии применяют как традиционные средства полевых исследований - от бинокля до глубоководных аппаратов, так и сложное лабораторное оборудование - микроскопы, спектрофотометры, ультрацентрифуги и т.д.

Экспериментальный метод основан на исследовании живых объектов при экстремальном воздействии факторов среды - измененной температуры, освещенности или влажности, повышенной нагрузки, токсичности или радиоактивности, изменении места развития (удаление или пересадка генов, клеток, органов, космические полеты и т.п.). Экспериментальный метод позволяет выявить скрытые свойства, пределы приспособительных возможностей живых систем, степень их гибкости, надежности, изменчивости.

Исторический метод выявляет историю развития биологических объектов, их происхождение. Сопоставляют анатомическое строение, химический состав, структуру генов и другие признаки у организмов разного уровня сложности. При этом исследуются не только ныне живущие организмы, но и давно вымершие, сохранившиеся в виде окаменелых остатков.

Относительно новый метод - моделирование биологических процессов, как на уровне организмов, клеток или биомолекул, так и математическое моделирование. Например, можно построить модель и прогноз состояния жизни в водоеме через энное время при изменении одного, двух или более параметров (температуры, концентрации солей, наличия хищников и др.).

Системный метод (подход) также является новым. Живые объекты рассматриваются как системы , то есть совокупности элементов с определенными взаимосвязями. Каждый объект рассматривается одновременно и как система, и как элемент системы более высокого порядка.

На теоретической стадии познания используются следующие методы: обобщение накопленных фактов , выдвижение новых гипотез , их повторная эмпирическая проверка (новые наблюдения, эксперименты, сравнение, моделирование). Подтвержденные гипотезы становятся законами , из них складываются теории . Понятно, что и законы, и теории носят относительный характер и рано или поздно могут быть пересмотрены.

3. Основные концепции биологии

Концепция - это взаимосвязанная группа понятий, гипотез, теорий, объясняющих какое-нибудь фундаментальное явление или свойство природы. Основные биологические концепции объясняют феномен и свойства жизни .

1. Концепция системной многоуровневой организации жизни : все живые объекты являются системами разного уровня сложности, они образуют непрерывную иерархию уровней структурно-функциональной организации.

2. Концепция материальной сущности жизни : жизнь материальна, ее физико-химическую основу составляет обмен веществ и энергии. В философском смысле это означает первичность материи и вторичность сознания (материализм).

Материя – совокупность вещества и поля. Вещество обладает массой покоя, а поле – нет. Живая материя представляет особо сложное вещество и сложное многофакторное поле. Именно уровень сложности делает материю живой, хотя внутри нее действуют простые физические и химические законы .

3. Концепция биологической информации и самовоспроизведения жизни : живые организмы воспроизводятся на основе собственной (генетической) информации при взаимодействии с внешней (эпигенетической) информацией. Результатом этого взаимодействия является индивидуальное развитие организмов (онтогенез).

4. Концепция саморегуляции живых систем : живые системы поддерживают относительное постоянство своих внутренних связей и условий функционирования (гомеостаз) на основе сочетания прямых положительных и обратных отрицательных связей.

5. Концепция самоорганизации и биологической эволюции : живой мир возник в результате самоорганизации из неживых химических систем и претерпевает необратимое историческое развитие (филогенез) на основе наследственной изменчивости и естественного отбора организмов, наиболее приспособленных к меняющимся условиям среды.

Методы биологии. Биология использует самые различные методы исследования. К традици-онным, но сохранившим свое значение относится описательный метод. Основные методы биологии:
· Наблюдение и описание фактов и явлений (описательный метод) . Метод наблюдения дает возможность анализировать и описывать биологические явления. На методе наблюдения основыва-ется описательный метод. Для того, чтобы выяснить сущность явления, необходимо прежде всего собрать и описать фактический материал. Например, с помощью метода наблюдения можно изучить сезонные изменения в живой природе. Наблюдение - изучение объектов живой природы в естест-венных условиях существования. Это непосредственное наблюдение за поведением, расселением, размножением растение и животных в природе. Для этих целей используются как традиционные средства полевых исследований (бинокль, видеокамеры) , так и сложное лабораторное оборудование (микроскопы, биохимические анализаторы, разнообразная измерительная техника) .
· Сравнение , дающее возможность установить сходство и различие между разными биологиче-скими структурами и явлениями (сравнительный метод) . Сопоставляют анатомическое строение, химический состав, структуру генов и другие признаки у организмов разного уровня сложности. При этом исследуются не только ныне живущие организмы, но и давно вымершие, сохранившиеся в виде окаменелых останков в палеонтологической летописи.
·Эксперимент (лат. experimentum – испытание) , в ходе которого биологические объекты и про-цессы изучаются в искусственно созданных, точно контролируемых условиях (экспериментальный метод) . Экспериментальный метод связан с целенаправленным созданием системы, помогает ис-следовать свойства и явления живой природы. Экспериментальный метод (опыт) - исследования жи-вых объектов в условиях экстремального действия факторов среды – измененной температуры, ос-вещенности или влажности, повышенной нагрузки, токсичности или радиоактивности, измененного режима или места развития (удаление или пересадка генов, клеток, органов и т. п.) . Эксперименталь-ный метод позволяет выявить скрытые свойства, пределы адаптивных (приспособительных) воз-можностей живых систем, степень их гибкости, надежности, изменчивости.
·Широко используются инструментальные методы : электрография, радиолокация и др.

·Моделирование – построение и изучение моделей (схем, графиков, описаний) процессов и явлений, которое стало все шире применяться с развитием компьютерных технологий. С помощью метода моделирования изучается какое-либо явление через его модель.
·Универсальное значение для всех отраслей биологии имеет исторический метод – изучение всех явлений и процессов, как этапов эволюционного развития природы. Исторический метод выяв-ляет эволюционные преобразования биологических видов и их сообществ. Это один из важнейших методов, служащий основой осмысления получаемых фактов. Исторический метод выясняет зако-номерности появления и развития организмов, становления их структуры и функций.
·Палеонтологический метод – изучение вымерших организмов.
·Системный метод относится к категории новых междисциплинарных методов исследования. Живые объекты рассматриваются как системы, то есть совокупности элементов с определенными отношениями.

·Биохимический метод позволяет выделять и изучать вещества, входящие в состав организ-мов, их превращения, позволяет выявлять наследственные нарушения обмена веществ.
Частные (специальные) методы цитологии используют для изучения строения и функций клеток и тканей:
·Световая микроскопия - позволяет обнаружить ядро и некоторые органоиды клетки – мито-хондрии, хлоропласты, аппарат Гольджи, реснички и жгутики.
·Электронная микроскопия – позволяет изучать тонкое строение органоидов (например, хлоропластов) , их ультраструктуру,
·Центрифугирование - позволяет избирательно выделять и изучать органоиды клетки;
·Метод культуры клеток и тканей используют для изучения строения и функций клеток.

ВВЕДЕНИЕ

ЛЕКЦИЯ 1

Общая биология

Современное понятие жизни. Критерии живого, их интеграция. Уровни организации живого. МЕТОДЫ БИОЛОГИИ: эмпирические (наблюдение, сравнение /исторический/, описание, эксперимент), теоретический (системный).

Говоря о методах науки в широком смысле, имеют в виду не конкретные технологические приемы (методики), а методологические принципы , подходы к

изучению объектов, явлений, их связей. Методы биологии те же, что и в других естественных науках: эмпирические и теоретические . Эмпирическая стадия всегда развивается на основе предшествующих теорий или гипотез, а на теоретической стадии производят эмпирическую проверку выдвигаемых новых

Эмпирические методы :

Наблюдение - изучение объектов живой природы в естественных условиях существования . Это - непосредственное визуальное наблюдение (в буквальном смысле) за поведением, расселением, размножением животных и растений в природе, или инструментальное определение характеристик организмов, их органов, клеток, химический анализ состава и обмена веществ (… бинокль, глубоководные аппараты с видеокамерами ночного видения, микроскопы - спектральные и электронные, биохимические анализаторы, радиоактивные метки, ультрацентрифуги, разнообразную измерительную аппаратуру).

Экспериментальный метод (опыт) предполагает исследования живых объектов в условиях экстремального действия факторов среды – измененной температуры, освещенности или влажности, повышенной нагрузки, токсичности или радиоактивности, измененного режима или места развития (удаление или пересадка генов, клеток, органов, интродукция животных и растений, космические полеты и т.п.).

Экспериментальный метод позволяет выявить скрытые свойства, потенции, пределы адаптивных (приспособительных) возможностей живых систем, степень их гибкости, надежности, изменчивости.

Сравнительный (исторический) метод выявляет эволюционные преобразования биологических видов и их сообществ . Сопоставляют анатомическое строение, химический состав, структуру генов и другие признаки у организмов разного уровня сложности. При этом исследуются не только ныне живущие организмы, но и вымершие, сохранившиеся в виде окаменелых останков.

Эти методы требуют количественного учета и математического описания структур и явлений. Биология становится точной наукой, хотя выявляемые в ней закономерности носят вероятностный характер (стохастический, контринтуитивный) и описываются методами вариационной статистики.

На основе выявляемых статистических закономерностей можно осуществлять математическое моделирование биологических процессов и прогноз их развития .

Например, можно построить модель состояния жизни в водоеме через некоторое время при изменении одного, двух или более параметров (температуры, концентрации солей, наличия хищников и др.). Такие приемы стали возможны благодаря проникновению в биологию идей и принципов кибернетики - науки об управлении.

Теоретический (системный метод):

Этот метод, как и кибернетический подход, относится к категории новых методов исследования . Живые объекты рассматриваются как системы , то есть совокупности элементов с определенными отношениями. С учетом иерархичности живых систем каждый объект может рассматриваться одновременно как система и как элемент системы более высокого порядка. Поэтому принципы системной организации справедливы для всех уровней - от макромолекул до биосферы Земли .

Широкое развитие системного движения в современной науке, в том числе и в биологии, означает постепенный переход от анализа к синтезу . Анализ - это

дискретный подход, углубление в структуру и функции отдельных элементов системы - внутри клетки, внутри организма, внутри экологического сообщества. Синтез означает интегративный подход, изучение целостных характеристик системы - клетки, организма, биоценоза. Исследование всегда совершается сначала от общего к частному - анализ, а потом от частного к общему, но на новом уровне познания этого общего - синтез.

Аналитический подход в биологии открыл химическую и микроструктурную организацию живых объектов, выяснил видовое разнообразие среди животных, растений, микроорганизмов, выявил генетическую неоднородность организмов внутри популяций и другие внутренние характеристики систем.

Постепенно объем накопленных аналитических данных становился достаточным для перехода к их синтезу. Так возникли синтетическая теория эволюции, нейро - гуморальная физиология, современная иммунология, молекулярно-клеточная биология, новая мегасистематика организмов, основанная на их комплексной характеристике – от экологии и анатомии до молекулярной генетики.

Решается актуальная задача современного естествознания - создание целостной биологической картины мира.

Повышение интереса к синтезу в науке свидетельствует о переходе от эмпирической к теоретической стадии познания. От получения фактов , через их обобщение начинается выдвижение новых гипотез , далее обычно следует их повторная эмпирическая проверка (новые наблюдения, эксперименты, сравнения, моделирования). Эмпирическая проверка ведет либо к опровержению гипотезы, либо к ее подтверждению с той или иной степенью вероятности. Высоко достоверные гипотезы становятся законами , из них слагаются теории .

Биология – наука, изучающая свойства живых систем .

Однако определить, что такое живая система , достаточно сложно. Поэтому установлено несколько критериев , по которым организм можно отнести к живым . Наиболее важные из этих критериев – обмен веществ (метаболизм), самовоспроизведение, саморегуляция .

Биология – это наука.

Понятие наука есть «сфера человеческой деятельности по получению, систематизации объективных знаний о действительности ».

У каждой науки есть объект и предмет исследования. В биологии объектом исследования является жизнь .

Предмет изучения науки всегда несколько уже, ограниченнее, чем объект: к примеру, если ученого интересует питание организмов, тогда объектом изучения будет жизнь , а предметом изучения – питание .

Каждая наука, в том числе и биология, пользуется определенными методами исследования. Метод – совокупность приемов получения научного результата.

Некоторые из них универсальны для всех наук, например такие, как наблюдение, выдвижение и проверка гипотез, построение теорий .

Другие научные методы могут быть использованы только определенной наукой, в биологии это: генеалогический метод, метод гибридизации, метод культуры тканей и т.д .

Биология тесно связана с другими науками – химией, физикой, географией, экологией и т.д .

Собственно биология делится на множество частных наук, изучающих различные биологические объекты: ботаника, зоология, анатомия, физиология, морфология, генетика, систематика, селекция, микология, гельминтология и множество других наук.

Метод – это путь исследования, который проходит ученый, решая какую-либо научную задачу. Методы науки можно разделить на:

1. Универсальные:

Моделирование – метод, при котором создается некий образ объекта, модель, с помощью которой ученые получают необходимые сведения об объекте (например, Джеймс Уотсон и Френсис Крик создали из отдельных элементов модель – двойную спираль ДНК, отвечающую данным рентгенологических и биохимических исследований).

Наблюдение – метод, с помощью которого исследователь собирает информацию об объекте (можно визуально наблюдать за поведением животных, с помощью приборов за изменениями в природе). Выводы, сделанные наблюдателем, проверяются либо повторными наблюдениями, либо экспериментально.

Эксперимент (опыт) – метод, с помощью которого проверяют результаты наблюдений, выдвинутые предположения – гипотезы (получение новых знаний с помощью поставленного опыта): скрещивание организмов с целью получения нового сорта или породы, испытание нового лекарства.

Проблема – задача, требующая решения; всегда скрывает какое-то противоречие между известным и неизвестным. Решение проблемы требует от ученого сбора фактов, их анализа, систематизации; ведет к получению нового знания. Сформулировать проблему бывает достаточно сложно, однако всегда, когда есть затруднение, противоречие, появляется проблема.

Гипотеза – предположение, предварительное решение поставленной проблемы; проверяется экспериментально. Выдвигая гипотезы, исследователь ищет взаимосвязи между фактами, явлениями, процессами. Именно поэтому гипотеза чаще всего имеет форму предположения: «если … тогда».

Теория – это обобщение основных идей в какой-либо области знания. Со временем теории дополняются новыми данными, развиваются; могут опровергаться новыми фактами или подтверждаться практикой.

2. Частные научные методы:

Генеалогический – применяется при составлении родословных, выявлении характера наследования признаков.

Исторический – установление взаимосвязей между фактами, процессами, явлениями, происходившими на протяжении исторически длительного времени.

Палеонтологический – метод, позволяющий выяснить родство между древними организмами, останки которых находятся в разных геологических слоях земной коры.

Центрифугирование – разделение смесей на составные части под действием центробежной силы; применяется при разделении органоидов клетки, фракций (составляющих) органических веществ и т.д.

Цитологический или цитогенетический – исследование строения клетки, ее структур с помощью различных микроскопов.

Биохимический – исследование химических процессов, происходящих в организме.
Каждая частная биологическая наука (ботаника, зоология, анатомия и физиология, цитология, эмбриология, генетика, селекция, экология и другие) пользуется своими частными методами исследования.