Биология как наука. Методы исследований в биологии

Термин "биология" образуется из двух греческих слов «bios» —жизнь и «logos» — знание, учение, наука. Отсюда и классическое определение биологии как науки, изучающей жизнь во всех ее проявлениях.

Биология исследует многообразие существующих и вымерших живых существ, их строение, функции, происхождение, эволюцию, распространение и индивидуальное развитие, связи друг с другом, между сообществами и с неживой природой.

Биология рассматривает общие и частные закономерности, присущие жизни во всех ее проявлениях и свойствах: обмен веществ, размножение, наследственность, изменчивость, приспособляемость, рост, развитие, раздражимость, подвижность и т.д.

Методы исследований в биологии

Метод – это способ научного познания мира. Методы делятся на теоретические (логические) - требуют мышления, анализа, сравнения, обобщения и т.д. и практические (эмпирические) – требуют конкретных действий с применением или без различных приборов и инструментов.

Разные области наук применяют разные методы в зависимости от поставленной цели исследования. Есть общенаучные методы, применяемые во многих науках (сравнение, анализ, описание, эксперимент, обобщение, наблюдение, моделирование и др.) Есть частнонаучные методы, применяемые в конкретной науке. Например, в цитологии: микрокопирование, цитогенетический метод, центрифугирование, в генетике: гибридизация, генеалогический метод, близнецовый метод, в селекции: инбридинг (близкородственное скрещивание), только в селекции растений метод ментора (передача качеств подвоя привитому растению), в биотехнологии: методы клеточной и генной инженерии.

ОБЩЕНАУЧНЫЕ МЕТОДЫ

НАБЛЮДЕНИЕ

Суть: Визуально или с помощью приборов следят за различными объектами для достижения поставленной цели.

Для чего: Для получения новых знаний, сбора фактов для описания объекта. Изучают сезонные изменения в природе, в жизни растений и животных, поведение животных и т.д.

ОПИСАНИЕ

Суть: Устная или письменная характеристика объекта по результатам наблюдений.

Для чего: Получение и накопление информации об объектах, процессах.

СРАВНЕНИЕ

Суть: Сопоставление и нахождение сходств и различий между объектами (организмами, процессами и др.)

Для чего: В систематике для распределения организмов по группам, для установления родства и общего происхождения.

КЛАССИФИКАЦИЯ

Суть: Распределение объектов по различным основаниям.

Для чего: Для упорядочивания имеющейся информации об объектах.

АНАЛИЗ

Суть: Изучение объекта (процесса) по отдельным составляющим компонентам.

Для чего: Для получения полной характеристики объекта, процесса, для дальнейшего обобщения полученных результатов

ЭКСПЕРИМЕНТ

Суть: В специальных условиях (управляемых и контролируемых) проводится опыт. Обязательно есть опытная группа, есть контрольная группа.

Для чего: Для получения новых научных знаний, закономерностей, для подтверждения или опровержения выдвигаемой гипотезы

ИЗМЕРЕНИЕ

Суть: С использованием приборов, инструментов определяют какие-то количественные характеристики объекта, процесса.

Для чего: Для дальнейшего их анализа, сравнения, сопоставления, нахождения причинно-следственных связей, для проведения мониторинга.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Суть: Создаются копии прототипа (объектов, процессов) для их изучения. Например, глобус – модель Земли, карта –модель ландшафта, можно создать модели молекул, организма, клетки.

Для чего: Изучение объектов на моделях позволяет визуализировать невидимые объекты, изучать и прогнозировать изменения, позволяет отрабатывать умения и навыки, оно менее затратное.

МОНИТОРИНГ

Суть: Проведение регулярных измерений каких-то величин объектов (процессов организмов, популяций, экосистем, биосферы).

Для чего: Позволяет выявлять изменения каких-либо параметров, показателей во времени. Благодаря мониторингу своевременно можно выявить и принять меры по предупреждению негативных изменений в природе, в популяциях.

СТАТИСТИЧЕСКИЙ

Суть: Проводится сбор и анализ числовых показателей для дальнейшей обработки (в популяциях численность, количество особей с определенными признаками, заболеваниями).

Для чего: Позволяет получать информацию о динамике изменения показателей, позволяет прогнозировать изменения и своевременно принимать определенные меры.

ЧАСТНОНАУЧНЫЕ МЕТОДЫ

МЕТОДЫ ЦИТОЛОГИИ И БИОХИМИИ

СВЕТОВАЯ МИКРОСКОПИЯ

Суть: Под световым микроскопом рассматриваются объекты (живые или на фиксированных препаратах) и процессы в живых клетках, пропуская через микропрепарат видимый свет.

Для чего: Для изучения строения клеток (формы, размеров, расположения ядра и хромосом, вакуолей, клеточной стенки, пластид, их количества). Для изучения процессов в живой клетке (митоз, мейоз, плазмолиз и др.)

ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

Суть: Специально приготовленный неживой микропрепарат (химическим путем зафиксированный) рассматривается под электронным микроскопом (световой пучок заменяется электронным пучком).

Для чего: Для визуального изучения тонкого строения органоидов клетки (рибосомы, ЭПС, лизосомы, митохондрии, плазматическая мембрана, микротрубочки, центриоли) и даже некоторых молекул.

ФЛУОРЕСЦЕНТНАЯ МИКРОСКОПИЯ

Суть: Микропрепарат рассматривают через ультрафиолетовые лучи разной длины, которые окрашивают разные вещества в разные цвета.

Для чего: Для определения содержания разных веществ в разных частях клетки, диагностирования заболеваний, для обнаружения патологий.

ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ

Суть: Пробирки с разрушенными клетками вращают под большой скоростью в центрифуге. Из-за разной массы и плотности органоидов клетки при вращении у них возникает разная центробежная скорость, поэтому в конце вращения органоиды в пробирке располагаются слоями.

Для чего: Для выделения отдельных структур клетки в целях дальнейшего изучения их строения под электронным микроскопом. Более плотные, тяжелые части клетки (ядра) оказываются на дне пробирки, потом митохондрии (пластиды), лизосомы, рибосомы

ЦИТОХИМИЧЕСКИЙ

Суть: Разными реактивами окрашивают препараты и изучают содержание разных веществ в разных клетках.

Для чего: Для исследования химического состава клеток и тканей живых организмов, обнаружения патологий в тканях

ХРОМАТОГРАФИЯ

Суть: Смесь проводят через неподвижное вещество (адсорбент). Разные молекулы веществ в составе смеси имеют разную массу и скорость движения в адсорбенте, поэтому разделяются.

Для чего: Для определения составляющих компонентов смеси, их количества. Для разделения светопоглощающих пигментов (хлорофиллов а и в) в растениях.

МЕТОД МЕЧЕНЫХ АТОМОВ (АВТОРАДИОГРАФИЯ)

Суть: В организм вводятся молекулы веществ, содержащие радиоактивные изотопы, дающие излучения. Приборами отслеживаются перемещения этих веществ в организме в ходе обмена веществ (пластического и энергетического), фотосинтеза у растений.

Для чего: Для изучения участия разных молекул в обменных процессах, их количества, движения в организме, мест накопления, путей выведения, а также определения характера биохимических процессов.

РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ

Суть: Через вещества пропускают рентгеновские лучи, которые рассеиваются и по характеру рассеивания (дифракции) лучей на экране можно узнать о пространственной структуре молекулы.

Для чего: Для установления пространственной структуры молекул белков, ДНК и т.д.

ЭЛЕКТРОФОРЕЗ В ГЕЛЕ

Суть: Вещества проводят через гель, в котором есть электрическое поле. Отрицательно заряженные компоненты вещества начинают двигаться в сторону положительно заряженного электрода с разной скоростью и происходит их разделение.

Для чего: Для разделения составляющих компонентов вещества(белков, ДНК и др.), имеющих разные заряды.

МЕТОДЫ В ГЕНЕТИКЕ И ГЕНЕТИКЕ ЧЕЛОВЕКА

ГИБРИДИЗАЦИЯ

Суть: Проводится скрещивание родительских особей, отличающихся по признакам, затем результаты скрещивания подвергаются математическому анализу, отслеживается проявление родительских признаков у потомства.

Для чего: Для установления закономерностей наследственности, характера наследования признака (доминантность, рецессивность, промежуточный характер наследования)

СЕКВЕНИРОВАНИЕ

Суть: Выделяют разные по длине фрагменты ДНК, отличающиеся концевыми нуклеотидами, окрашивают нуклеотиды разными красителями, пропуская через фрагменты лазерные лучи получают цветную «картину» о последовательности нуклеотидов.

Для чего: Для определения последовательности нуклеотидов во фрагменте ДНК.

ГЕНЕАЛОГИЧЕСКИЙ

Суть: Составляются родословные, в которых отмечены определенным цветом родители и потомство, имеющие изучаемый признак или являющиеся носителями гена. Отслеживается передача исследуемого признака в поколениях и определяется вероятность проявления признака в будущих поколениях.

Для чего: Для определения вероятности проявления наследственных заболеваний, типа наследования заболевания (признака) - доминантность или рецессивность, сцепленность с полом или аутосомность. Определения генотипов родителей и потомства.

ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ (КАРИОТИПИРОВАНИЕ)

Суть: В клетках окрашиваются хромосомы в делящихся клетках на стадии метафазы и рассматриваются под световым микроскопом. Изучаемый кариотип сопоставляется с нормальным кариотипом.

Для чего: Для изучения кариотипа (формы, количества и размеров хромосом у конкретных видов), для определения пола. Для предупреждения рождения детей с наследственными заболеваниями, вызванными изменениями в числе хромосом (геномные мутации) и в размерах хромосом (хромосомные мутации).

БЛИЗНЕЦОВЫЙ

Суть: Изучают однояйцовых (монозиготных) близнецов и выявляют их различия в фенотипе.

Для чего: Для выявления влияния условий среды на формирование фенотипа. Так как у монозигот генотип полностью одинаковый, все различия в фенотипических признаков объясняются только влиянием условий среды.

ПОПЛЯЦИОННО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ

Суть: Проводится сбор и анализ числовых показателей в популяциях (численность, количество особей с определенными признаками, заболеваниями и т.д.)

Для чего: Позволяет получать информацию о состоянии популяций, о распространении отдельных генов и о динамике изменения показателей, позволяет прогнозировать изменения и своевременно принимать определенные меры.

МЕТОДЫ В ЭКОЛОГИИ

БИОИНДИКАЦИЯ

Суть: Изучают численность и состояние видовбиоиндикаторов, по которым можно судить о степени загрязненности воздуха, воды, почвы.

Для чего: Позволяют оценивать качество природной среды по численности и состоянию видовбиоиндикаторов. Например, по лишайникам- о чистоте воздуха, по моллюскам- о чистоте воды, по хвощам- о кислотности почвы.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ БОРЬБА С ВРЕДИТЕЛЯМИ

Суть: Для борьбы с вредителями растений используют их естественных врагов, паразитов.

Для чего: Для сохранения биоразнообразия экосистем, предотвращения загрязнения окружающей среды химическими веществами, избирательного уничтожения вредителей.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ

Суть: Проведение регулярных измерений проб воды, почвы, воздуха, температуры и т.д., численности особей в популяциях, биоразнообразия экосистем и т.д.

МЕТОДЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

Клеточная инженерия

МЕТОД КУЛЬТУРЫ ТКАНЕЙ (МИКРОКЛОНАЛЬНОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ)

Суть: Выращивание клеток растений на питательных средах и получение каллусных тканей вне организма.

Для чего: Позволяет получать большое количество генетически однородный посадочный материал, сохранять и размножать редкие растения, размножать растения, трудно размножаемые традиционно

МЕТОД ГИБРИДИЗАЦИИ СОМАТИЧЕСКИХ КЛЕТОК

Суть: Скрещивание соматических клеток разных организмов, пересадка органоидов в другие клетки.

Для чего: Позволяет получать цитогибриды с нужными признаками.

КЛОНИРОВАНИЕ

Суть: Получение клонов - копий организма, из которого берут ядро соматической клетки и пересаживают в безъядерную яйцеклетку и из эмбриона выращивают клоны.

Для чего: Репродуктивное клонирование – применяется для получения большого количества потомства от выдающихся животных. (эмбрион разделяют на части, затем пересаживают в организм суррогатной матери и получают много потомства от одного животного). Терапевтическое клонирование применяется для получения из стволовых клеток эмбриона донорских органов для дальнейшей трансплантации их донору.

Генная инженерия

МЕТОД РЕКОМБИНАНТНЫХ ДНК

Суть: Выделяют нужный ген, пересаживают в ДНК другого организма и получают у данного организма желаемый признак). Часто пересаживают ген в плазмиды (маленькие кольцевые ДНК) бактерий.

Для чего: Применяется для производства нужных человеку продуктов (антибиотиков, кормовых белков, витаминов, аминокислот) или для создания организмов с желаемыми для человека полезными признаками.