• Водоснабжение
• Насосы
• Очистка воды
• Колодцы
• Фильтры

Какие бывают методы исследования в биологии. Методы исследований. II. Изучение нового материала

Биология — наука о жизни в самых разных ее проявлениях. Функционирование одноклеточных организмов, поведение самцов и самок в брачный период, закономерности наследования признаков — это и многое другое входит в сферу интересов науки. Предмет изучения биологии и составляют все эти проявления жизни. Методы ее направлены на поиск закономерностей строения, функционирования организмов, их взаимодействия с окружающей средой. По сути, они изучают те свойства, которые отличают живую материю от неживой.

Подразделения

Биология представляет собой совокупность нескольких наук, в центре внимания которых стоят разные объекты:

• зоология;
• ботаника;
• микробиология;
• вирусология.

Каждая из них, в свою очередь, может быть разделена на несколько более мелких. Например, в зоологии сосуществуют ихтиология (изучает рыб), орнитология (изучает птиц), альгология (изучает водоросли) и так далее.

Вариант классификации

Другой принцип деления биологии на составляющие — это свойства и Согласно ему выделяют:

• молекулярную биологию;
• биохимию;
• цитологию;
• генетику;
• биологию развития;
• анатомию и физиологию различных организмов;
• экологию (часто сегодня рассматривается как отдельная наука);
• эмбриологию;
• теорию эволюции.

Таким образом, предмет изучения биологии остается неизменным — это сама жизнь. Различные ее проявления изучаются отдельными дисциплинами. Существует также общая биология. В центре ее внимания - отличающие ее от неживой, а также упорядоченное иерархическое ее строение и взаимосвязь отдельных систем между собой и окружающей средой.

Опыт и теория

Методы изучения биологии в целом аналогичны способам познания в других научных дисциплинах. Они подразделяются на эмпирические (практические, опытные) и теоретические. Практические методы изучения биологии обнаруживают различные параметры, свойства и особенности живых систем. Затем на их основе разрабатываются теории. Процесс этот циклический, поскольку изучения биологии чаще всего используются на основе уже имеющихся умозаключений. Теории, в свою очередь, всегда требуют дополнительных опытных проверок.

Первичный сбор информации

Один из основных эмпирических методов — это наблюдение. Оно представляет собой изучение внешних признаков объекта и его изменений в условиях естественной среды обитания на протяжении некоторого времени.

Любое исследование живой системы начинается с наблюдения за ней. История изучения биологии прекрасно иллюстрирует это утверждение. На первых этапах развития науки исследователи могли пользоваться только этим эмпирическим методом. Сегодня наблюдение не потеряло своей актуальности. Оно, как и другие методы изучения биологии, пользуются многочисленными технологиями. Для наблюдения применяются бинокли, различные камеры (ночного видения, глубоководные и так далее), разнообразное лабораторное оборудование, например микроскоп, и прочие.

По тому, используется ли в процессе оборудование, наблюдение можно разделить на два типа:

• Непосредственное . Оно направлено на изучение поведения и характеристик различных организмов.
• Инструментальное . При помощи различного оборудования проводится исследование особенностей тканей, органов, клеток, анализ химического состава и обмена веществ.

Эксперимент

Как известно, не все явления и процессы, связанные с живыми системами, можно наблюдать непосредственно в их естественной среде. Кроме того, понимание некоторых закономерностей требует определенных условий, которые удобнее создавать искусственно, чем дожидаться их появления в природе. Подобный подход в биологии называется экспериментальным методом. Он предполагает изучение объекта в экстремальных условиях. Исследование организма во время влияния на него высоких или низких температур, большого давления или чрезмерной нагрузки, при помещении его в непривычную среду помогает выявить пределы его выносливости, обнаружить скрытые свойства и возможности. С совершенствованием технологий увеличивается потенциал экспериментальных методов. Данные, получаемые таким путем, становятся все более точными. Создаваемые в процессе опыта условия можно практически до бесконечности варьировать.

Одно из основных применений эксперимента — проверка выдвинутых ранее гипотез. Полученные на основе опыта данные позволяют скорректировать рассматриваемую теорию, подтвердить ее или заложить базу для новой. Экспериментальные методы изучения биологии, примеры которых можно в большом количестве встретить на страницах учебников, способствуют более глубокому проникновению ученых в тайны живой материи. Именно благодаря им современная наука достигла такого прогресса.

Сравнение

Исторический метод позволяет выявить эволюционные преобразования сообществ и видов. Также его называют сравнительным. Анализируется химическое и анатомическое строение, особенности функционирования, наследственный материал организмов разных уровней. В качестве объектов используются не только живущие сейчас организмы, но и уже вымершие.

Подобный прием стал основным источником данных для Чарльза Дарвина в период формулирования им теории эволюции.

Что вижу, то записываю

С наблюдением тесно связан описательный метод. Он заключается в фиксации замеченных свойств, признаков и особенностей объектов с последующим их анализом. Метод описания считается самым древним в биологии: первоначально, на заре становления науки, именно с его помощью обнаруживались различные закономерности в природе. Зафиксированные данные внимательно анализируются, разделяются на важные и несущественные в рамках конкретной теории. Описанные признаки можно сравнивать, объединять, классифицировать. Только на основе этого метода в биологии были открыты новые классы и виды.

Без математики никуда

Вся информация, собранная на основе описанных методик, требует дальнейшего преобразования. Биология активно использует для этого математический аппарат. Полученные данные переводятся в цифры, на основе которых строится определенная статистика. В биологии невозможно однозначно предсказать то или иное явление. Именно поэтому после анализа сведений выявляется статистическая закономерность. На основе этих данных строится математическая модель, позволяющая спрогнозировать некоторые изменения внутри изучаемой живой системы.

Подобная обработка позволяет структурировать полученную информацию. На основе созданных моделей возможен прогноз состояния системы практически через любой промежуток времени. Благодаря применению достаточно внушительного математического аппарата биология все больше превращается в

Синтез

Наряду с проникновением в биологию идей кибернетики (они лежат в основе моделирования), в ней активно начинает использоваться Обе эти тенденции оказывают влияние на методы изучения биологии. Схема строения живых структур представляется в виде иерархии систем разного уровня. Каждая более высокая ступень — это взаимосвязанные на основе определенных закономерностей элементы, которые также являются системами, но уровнем ниже.

Такой подход характерен для большого числа дисциплин. Его проникновение в биологию свидетельствует о переходе в науке в целом от анализа к синтезу. Период углубленного изучения внутренних структур отдельных элементов уступает место времени интеграции. Синтез всех полученных в биологии, а часто и в смежных науках, данных приведет к новому пониманию взаимосвязей природных систем. Примером концепций, построенных на основе интеграции, могут быть теория нейро-гуморальной регуляции, синтетическая теория эволюции, современная иммунология и систематика. Появлению каждой из них предшествовало накопление большого количества информации об отдельных структурных единицах, признаках и характеристиках. На следующем этапе собранные данные позволяли выявить закономерности и создать обобщающие концепции.

Тенденция

Синтетические методы изучения биологии свидетельствуют о переходе от к теоретическому. Первоначальное накопление фактов и данных позволяет выдвинуть некие гипотезы. Затем в большинстве случаев они проходят проверку при помощи экспериментальных методов. Подтвержденные гипотезы переводятся в ранг закономерностей и ложатся в основу теорий. Сформулированные таким образом концепции не являются чем-то абсолютным. Всегда остается шанс, что новые сведения потребуют пересмотреть устоявшиеся взгляды.

Все виды изучения биологии направлены на постижение свойств и особенностей жизни. При этом нельзя выделить какой-то один метод в качестве главного. Современный уровень знаний был достигнут только благодаря одновременному использованию всех названных способов познания окружающего мира. Кроме того, методы изучения человека биология не отличает от приемов сбора и анализа данных о любом другом организме. В этом проявляется их универсальность. Для каждого уровня иерархической организации живых систем применяются одни и те же методы изучения, но в разных комбинациях. Переход к использованию кибернетических и системных методик свидетельствует об интеграции не только внутри биологии, но и во всей науке в целом. Синтез знаний разных дисциплин способствует более глубокому пониманию основных закономерностей мира, в котором мы живем.

• Биология - наука о жизни, ее формах и закономерностям развития.
• Метод - это путь исследования, который проходит ученый.
• Научный метод - это совокупность приёмов и операций, используемых при построении системы научных знаний.

Биологические методы делятся на:

1. Эмпирические - позволяет изучать явление с помощью опыта.
   • описательный,
   • сравнительный,
   • экспериментальный,
   • исторический.
2. Теоретические
   • статистический,
   • моделирование.

К основным (универсальным) методам в биологии относятся:

1. Описательный метод связансвязанный с наблюдением и описанием объектов или явлений, определением их свойств.
2. Сравнительный метод. Сходства и различия разных систематических групп, сообществ организмов, их строения, функций и составных частей изучаются с помощью сравнительного метода . Этот метод используется в систематике, морфологии, анатомии, палеонтологии, эмбриологии и других отраслях науки. Принципы сравнения легли в основу систематики, клеточной теории. Открыты биогенетический закон, закон гомологи­ческих рядов в наследственной изменчивости.
3. Исторический метод выясняет закономерности появления и развития организмов, становления их структуры и функций в ходе геологической истории Земли. С его помощью было создано учение об эволюционном развитии орган­ического мира.
4. Экспериментальный метод (опыт, практика) состоит в изменении исследователем условий существования объекта опыта, его строения и наблюдение по результатам изменений. Эксперименты бывают полевые и лабораторные. Этот метод позволяет гораздо глубже исследовать сущность поведения, строение и особенности организмов.

К частным биологическим методам исследования относятся методы

1. Генеалогический метод. Используется при составлении родословных людей, выявлении характера наследования некоторых признаков.
2. Исторический метод. Позволяет обнаружить закономерности возникновения и развития живых существ.
3. Палеонтологический метод - позволяет выяснить родство между древними организмами, которые находятся в земной коре, в разных геологических слоях.
4. Центрифугирование - разделение смесей на основные части под действием центробежной силы.
5. Цитологический, цитогенетический, микроскопирование - исследование строения клетки, ее структур с помощью микроскопов.
6. Биохимический метод - исследование химических процессов, происходящих в организме.

Теоретические методы:

• Статистический метод основан на статистической обработке количественного материала, собранного в результате других исследований (наблюдений, экспериментов, моделирования), что позволяет всесторонне проанализировать и установить определенные закономерности.
• Моделирование - дает возможность изучать объекты и процессы, которые сложно или невозможно воспроизвести экспериментально, или непосредственно наблюдать.

Практическое занятие № 1

Тема: «Методы исследований в биологии»

Цель: изучить основные методы исследований, применяющиеся в биологии; научиться использовать полученные знания для решения конкретных задач

Теоретические положения

Биология изучает живые системы с помощью различных методов. Основными являются наблюдение и эксперимент, к важным относится описательный, сравнительный и исторический методы; в настоящее время в биологии все большую роль играют статистические методы и метод моделирования.

Наблюдение – отправной пункт всякого естественнонаучного исследования. В биологии это особенно хорошо заметно, так как объект ее изучения – человек и окружающая его живая природа. Наблюдение как метод собирания информации – хронологически самый первый прием исследования, появившийся в арсенале биологии, а точнее, еще ее предшественницы – естественной истории. И это неудивительно, так как наблюдение опирается на чувственные способности человека (ощущение, восприятие, представление).

Наблюдения могут быть прямыми или косвенными, они могут вестись с помощью технических приспособлений или без таковых. Так, орнитолог видит птицу в бинокль и может слышать ее, а может фиксировать прибором звуки вне слышимого человеческим ухом диапазона; гистолог наблюдает с помощью микроскопа зафиксированный и окрашенный срез ткани, а, скажем, для молекулярного биолога наблюдением может быть фиксация изменения концентрации фермента в пробирке.

В наблюдении важна не только точность, аккуратность и активность наблюдателя, но и его непредвзятость, его знания и опыт, правильный выбор технических средств. Постановка задачи предполагает также наличие плана наблюдений, т.е. их планомерность.

Экспериментальный метод исследования явлений природы связан с активным воздействием на них путем проведения опытов (экспериментов) в контролируемых условиях. Этот метод позволяет изучать явления изолированно и достигать повторяемости результатов при воспроизведении тех же условиях. Эксперимент обеспечивает более глубокое, чем другие методы исследования, раскрытие сущности биологических явлений. Именно благодаря экспериментам естествознание в целом и биология частности дошли до открытия основных законов природы. Экспериментальный метод служит не только для проведения опытов, получения ответов на поставленные вопросы, но и для доведения правильности принятой в начале гипотезы или позволяет скорректировать ее.

Полный цикл экспериментального исследования состоит из нескольких стадий. Как и наблюдение, эксперимент предполагает наличие четко сформулированной цели исследования, плана, базируется на предустановках, т.е. исходных положениях. Поэтому, приступая к эксперименту, нужно определить его цели и задачи, обдумать возможные результаты. Научный эксперимент должен быть хорошо подготовлен и тщательно проведен. Кроме того, эксперимент требует определенной квалификации проводящих его исследователей.

На втором этапе выбираются конкретные приемы и средства технического воплощения и контроля. В последние полвека в биологии широко используются методы математического планирования и проведения экспериментов. Результаты проведенного опыта затем интер­претируются, что дает возможность истолковать их. Таким образом, замысел, план проведения и интерпретация результатов эксперимента в гораздо большей степени зависят от теории, чем поиски и интерпретации данных наблюдения .

Собрав фактический материал, необходимо, прежде всего, описать его. Поэтому биологические наблюдения всегда сопровождаются описанием изучаемого объекта. Под эмпирическим описанием понимается «фиксация средствами естественного или искусственного языка сведений об объектах, данных в наблюдении». Это означает, что описывать результат наблюдения можно и в числовом выражении, формулами, а также наглядным образом – с помощью рисунков, схем, графиков. Факт, полученный в результате наблюдения, может быть многозначным, так как зависит от многих привходящих обстоятельств и несет на себе отпечаток наблюдателя, места и времени события. Поэтому, строго говоря, только из наличия факта еще не следует его истинность. Иными словами, факты нуждаются в интерпретации.

Работа по описанию живой природы, проведенная в XVI–XVII вв. в биологии, имела огромное значение для ее развития. Она открыла пути к систематизации животных и растительных организмов, показав все их разнообразие. Кроме того, эта деятельность значительно расширила сведения о формах и внутреннем устройстве живых организмов.

Позже описательный метод лег в основу сравнительного и исторического методов биологии. Правильно составленные описания, произведенные в разных местах, в разное время, можно сравнивать. Это позволяет путем сопоставления изучать сходство и различие организмов и их частей. Находя закономерности, общие для разных явлений, имея в своем распоряжении соответствующие описания, биолог может сравнить размеры раковин моллюсков одного биологического вида в наши дни и при Ламарке, поведение лося в Сибири и на Аляске, рост культуры клеток при низкой и высокой температуре и так далее. Поэтому сравнительный метод получил распространение еще в XVIII веке. На его принципах была основана систематика и сделано одно из крупнейших обобщений – создана клеточная теория.

Исторический метод исследования явлений природы выясняет закономерности появления и развития биологических систем, становления их структуры и функций; является основой создания теории эволюции. С введением этого метода в биологии произошли качественные изменения: из чисто описательной науки она стала трансформироваться в науку объясняющую.

Статистический метод исследования явлений природы основывается на сборе, измерении и анализе информации.

Метод моделирования представляет собой изучение определенного процесса или явления через воссоздание его (или его свойств) в виде модели.

Указанные методы не исчерпывают всего арсенала методов, используемых биологией. Каждая биологическая наука имеет собственные методы для изучения своего предмета. Например, в микробиологии используются микроскопические методы, культвирование микроорганизмов, методы стерилизации; в генетике – близнецовый, гибридологический, феногенетический, популяционный и другие, которые будут более подробно рассмотрены на следующих занятиях.

К основным этапам научного исследования относятся следующие:

Постановка проблемы.

Формулирование темы, целей и задач исследования.

Выдвижение гипотез (научных предположений).

Планирование эксперимента, выбор методов исследования.

Проведение практической части исследования, регистрация качественных и количественных результатов.

Многократное повторение эксперимента для достоверности.

Обработка полученных результатов.

Анализ полученных результатов.

Формулировка выводов, проверка гипотез.

Определение круга нерешенных вопросов.

Оформление итогов исследования.

На основе анализа данных экспериментов или научных фактов (событий или явлений, точно установленных и многократно подтвержденных исследованиями многих ученых) может быть сформулирована теория (система наиболее общих знаний в определенной области науки) или закон - вербальное и/или математически сформулированное утверждение, которое описывает соотношения, связи между различными научными понятиями, предложенное в качестве объяснения фактов и признанное на данном этапе научным сообществом согласующимся с экспериментальными данными.

Задания

2. Используя таблицу «Важнейшие даты в биологии» (приложение 1), заполните четвертую колонку таблицы, приведя 2-3 примера использования каждого метода.

3. Выберите по три наиболее важных (с вашей точки зрения) события в развитии:

- микробиологии;

- цитологии;

- генетики.

4. В лаборатории исследовали влияние температуры на размножение бактерий. После эксперимента были получены следующие данные: при температуре 5ºС количество бактерий было равно 30, при 48 ºС – 140, при 70 ºС – 280, при 80 ºС - 279, при 100 ºС - 65. Отразите эти данные в таблице и на графике. Опишите полученную закономерность. Определите оптимальную температуру развития для данного вида бактерий.

5. Составьте примерный план эксперимента по изучению причин порчи любого выбранного вами пищевого продукта, включив обязательные пункты:

- краткое описание объекта, постановка проблемы, формулировка гипотезы;

- цель и задачи работы;

- факторы, которые вы хотите изучить;

- выходные параметры и методы их контроля, которые вы хотели бы использовать;

- количество повторностей каждого опыта;

- возможные варианты представления полученных данных;

- возможную научную и практическую ценность полученных вами результатов.

Биология: учебник для студ. мед. спец. вузов: В 2 кн. / [В.Н. Ярыгин, В.И. Васильева, И.Н. Волков, В.В. Синельщикова] ; под ред. В.Н. Ярыгина, кн.1. - 6-е изд., стер. - М. : Высшая школа, 2004. - 429 с.

Биология: учебник для студ. мед. спец. вузов: В 2 кн. / [В.Н. Ярыгин, В.И. Васильева, И.Н. Волков, В.В. Синельщикова] ; под ред. В.Н. Ярыгина, Кн.2. – 6-е изд., стер. – М. : Высшая школа, 2004. – 331 с. 27

Тейлор, Д. Биология: в 3 т. / Д. Тейлор, Н.Грин, У. Стаут; под ред. Р. Сопера; пер. с англ., Т.1. – М. : Мир, 2001. – 454 с.

Тейлор, Д. Биология: в 3 т. / Д. Тейлор, Н. Грин, У. Стаут; под ред. Р. Сопера; пер. с англ., Т.2 . - М. : Мир, 2002. - 436 с.

Тейлор, Д. Биология: в 3 т. / Д. Тейлор, Н. Грин, У. Стаут; под ред. Р. Сопера; пер. с англ., Т.3. – М. : Мир, 2002. – 451 с.

Левитина Т. П.Общая биология: Словарь понятий и терминов. СПб.: Паритет, 2002. – 538 с.

Биология [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://bse.sci-lib.com/article118100.html

Биология [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/%C1%E8%EE%EB%EE%E3%E8%FF

Пантелеев, М. Биологическая сложность - главная проблема современной биологии [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gazeta.ru/science/2011/08/14_a_3733061.shtml

Проект «Вся Биология» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://sbio.info/

Приложение 1

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

• 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.