Методы исследований в биологии. Значение достижений биологической науки в жизни человека и общества
- 24-09-2021, 13:32
- 366
10 Клас , Биология 10 класс Балан, Вервес, Полищук (уровень стандарта, академический уровень)
§ 3. Методы исследований в биологии. Значение достижений биологической науки в жизни человека и общества
Вспомните: с помощью каких методов исследуют одноклеточные организмы?
• Основные методы биологических исследований. Живую материю на разных уровнях организации изучают с помощью различных методов, основные из которых - сравнительно-описательный, экспериментальный, мониторинг и моделирование. Полученные результаты обрабатывают математически с помощью методов статистического анализа.
Сравнительно-описательный метод служит для описания организмов, процессов или явлений. Его основал древнегреческий ученый Аристотель. Однако часто недостаточно просто описать новый вид организмов, процесс, ранее неизвестное явление и т. п. Чтобы установить своеобразие объекта исследований, его необходимо сравнить с другими подобными объектами, процессами или явлениями. Например, открытие новых для науки видов невозможно без анализа их сходства и отличия относительно близких форм. То же касается органических соединений, биохимических процессов, строения и функций клеток, тканей, организмов, экосистем и т. п.
Для научного исследования любой биологический объект нужно классифицировать, то есть определить его принадлежность к той или иной группе (например, органических веществ - к белкам, липидам, углеводам или нуклеиновым кислотам и т. п., живых существ - к соответствующему виду, роду, семейству и т. д.). Сравнение объектов исследования возможно лишь в пределах определенного уровня организации (например, сравнение определенной молекулы с другими молекулами, клетки - с другими клетками, вида - с другими видами и т. п.).
Рис. 3.1. Современные биологические лаборатории
Экспериментальный метод заключается в том, что исследователи активно вмешиваются в строение объектов исследований, ход естественных процессов или явлений и наблюдают результаты такого вмешательства. Эксперименты бывают полевые и лабораторные. Полевые эксперименты проводят в естественных условиях: на экспериментальных участках изучают действие определенных веществ на рост растений, испытывают методы борьбы с вредителями, исследуют влияние хозяйственной деятельности человека на естественные экосистемы и т. п. Лабораторные эксперименты проводят в специально оборудованных помещениях (лабораториях) (рис. 3.1). В таких исследованиях часто используют подопытные организмы, которых ученые размножают и содержат также в искусственных условиях (лабораторные культуры). Некоторые лабораторные культуры дали начало промышленным культурам, которые используют для получения необходимых человеку продуктов. Это одно из направлений исследований в биотехнологии (например, использование дрожжей в хлебопекарском деле; бактерий и грибов - для получения антибиотиков и т. п.).
Мониторинг - постоянное наблюдение за ходом определенных процессов в отдельных популяциях, экосистемах, биосфере в целом или за состоянием определенных биологических объектов. Его осуществляют в основном на популяционно-видовом, биогеоценотическом или биосферном уровнях. Мониторинг позволяет не только определять состояние определенных объектов, но и прогнозировать возможные изменения, анализировать их последствия. Например, изменения в климате нашей планеты возможны в связи с накоплением в атмосфере углекислого газа. Осуществляя мониторинг этого явления, можно предположить, как оно будет влиять на изменения климата отдельных частей нашей планеты. Таким образом, мониторинг помогает своевременно обнаруживать и спрогнозировать негативные изменения в структуре и функционировании отдельных популяций, экосистем или биосфере и вовремя разработать мероприятия по устранению таких изменений.
Моделирование - метод исследования и демонстрации структур, функций, процессов с помощью их упрощенной имитации. Моделирование является обязательным этапом многих научных исследований, потому что позволяет изучать объекты и процессы, которые невозможно непосредственно наблюдать или воспроизводить экспериментально. Любая модель неминуемо упрощена. Она не может показать всю сложность объектов, процессов или явлений, наблюдаемых в природе, а отображает лишь их общие черты или вероятный ход. С помощью моделирования ученые прогнозируют возможные последствия тех или иных процессов или явлений, создают определенные идеальные объекты или явления и сравнивают с ними реальные. Например, для исследования многих опасных болезней человека имитируют модели этих процессов у подопытных животных.
Рис. 3.2. Аквариум в качестве модели водной экосистемы
Модели могут быть статическими и динамическими. Примеры статических моделей вам не раз демонстрировали на уроках биологии, например модели строения цветка, головного мозга или других органов. Их можно рассматривать, не вмешиваясь в их структуру. А вот с помощью аквариума (рис. 3.2) можно создать динамическую модель водной экосистемы. Изменяя видовой состав организмов, химические показатели воды, концентрацию отдельных растворенных в ней веществ и т. п., можно наблюдать за результатами такого вмешательства.
Теоретические основы математических моделей биологических процессов и явлений разрабатывает математическая биология. Математическая модель - это численное выражение парных связей (в виде системы дифференциальных уравнений) в пределах определенного объекта, процесса или явления. Изменяя числовое значение одного из показателей, введенных в модель, можно наблюдать, как будут изменяться и другие, то есть, как поведет себя данная система при определенных условиях. Например, можно создать модель пищевых связей в экосистеме, описывая связи между отдельными видами: растение - травоядный вид, травоядный вид - хищник и т. д. (рис. 3.3).
Математическое моделирование в биологии - совокупность математических методов анализа сложных количественных взаимосвязей и закономерностей в биологических системах. Его осуществляют с помощью компьютерной техники, которая позволяет хранить огромные объемы данных и быстро их обрабатывать с помощью специальных программ. Математическое моделирование дает возможность наблюдать за возможными вариантами хода событий, выделять отдельные связи, комбинировать их и т. д. Предпосылкой создания правильной математической модели служит накопление базы данных наблюдений или экспериментов об определенных явлениях или процессах.
Рис. 3.3. Пищевые связи между организмами можно описать с помощью математической модели. (Решите задачу. Зайцу, для того чтобы увеличить массу на 5 кг, надо съесть 50 кг растений. Лисица, если съест одного зайца массой 5 кг, увеличит свою массу только на 500 г. Определите, какая часть пищи усваивается в организме, а какая - теряется)
Математическую модель создают в несколько этапов. Последовательно выдвигают рабочую гипотезу и формулируют вопросы, ответы на которые должна предоставить модель; разрабатывают соответствующий математический аппарат; на его основе высчитывают определенные данные; сравнивают их с результатами наблюдений и экспериментов, проверяя правильность модели. В случае существенных расхождений результатов моделирования с реальными данными модель основательно переделывают или отбрасывают, поскольку это свидетельствует об ошибочности рабочей гипотезы или неправильном применении математического аппарата.
Математические модели, например, позволяют определять оптимальное количество особей промысловых животных, которое можно изымать из естественных популяций, чтобы не подорвать их численность; прогнозировать массовые размножения вредителей; последствия антропогенного влияния на отдельные экосистемы и биосферу (например, как увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере влияет на отдельные группы организмов и климат планеты в целом) и т. п.
Статистический метод. Любой накопленный материал, полученный в результате наблюдений, экспериментов или моделирования, нуждается в статистической (математической) обработке. Масса собранных фактов, не проанализированных и не обработанных статистически, не позволяет обнаружить весь объем информации, установить определенные закономерности. Перед обработкой результатов исследователи определяют задания, которые нужно решить, и в зависимости от этого избирают метод математической статистики. Математическая обработка необходима для определения степени достоверности и правильного обобщения полученных результатов.
Статистически достоверную закономерность в биологии можно считать правилом либо научным законом. Биологические законы - это статистически выверенные закономерности, которые обычно не имеют исключений и могут быть истолкованы лишь определенным образом (вспомните законы, какие вы изучали по другим предметам). Со временем вы ознакомитесь с основными биологическими законами, в частности эволюционными, наследственности и др.
• Значение биологии в жизни человека. Бурное развитие наук о жизни во второй половине XX ст. способствовало многим открытиям в различных направлениях биологии. Это, в частности, открытие и расшифровка генетического кода, главных звеньев синтеза белка, многих процессов обмена веществ в живой клетке; продолжается интенсивная работа по расшифровке наследственной информации человека, растений и животных.
С участием ученых-биологов достигнут значительный прогресс в своевременном установлении причин (диагностике) разнообразных заболеваний человека, домашних животных и культурных растений, их профилактике и лечении. На основе биологически активных веществ, которые вырабатывают различные организмы, исследователи создают эффективные лекарственные препараты. Современные ученые способны искусственно изменять наследственный материал организмов. Например, в геном клетки бактерии кишечной палочки введены гены, которые отвечают за образование гормонов, необходимых для лечения ряда заболеваний человека (карликовость, сахарный диабет и др.) (вспомните о причинах этих заболевании). Раньше эти вещества добывали из животных в небольших количествах, а теперь их можно получать в микробиологических лабораториях соответственно потребностям.
Организмы с измененным наследственным материалом (их называют генетически модифицированными организмами, или ГМО) отличаются устойчивостью к заболеваниям, высокой продуктивностью и т. п. Однако применение этих организмов для производства продуктов питания в настоящее время ограничено, поскольку еще недостаточно исследовано влияние их потребления на здоровье человека и домашних животных.
Современные исследования в областях молекулярной биологии и генетики позволяют обнаруживать дефектные гены, которые приводят к наследственным заболеваниям, и заменять их нормальными копиями.
Экология - наука, призванная своими исследованиями убедить людей в необходимости заботливого отношения к природе, жить по ее законам, а не пытаться их изменить любым способом. Поэтому она служит теоретической базой для планирования и осуществления охраны окружающей природной среды. На базе экологических исследований создаются новые направления охраны как отдельных видов организмов, так и их сообществ.
• Задачи современной биологии в первую очередь заключаются в решении важнейших проблем человечества: увеличение продовольственного потенциала планеты; улучшение экологического состояния среды обитания человека, сохранения его здоровья и долголетия; получение альтернативных источников энергии. Поэтому актуальными в ближайшем будущем будут такие направления исследований:
- установление контроля над самовоспроизведением биоресурсов;
- создание искусственных биологических систем с нужными человеку компонентами, без нарушения экологического равновесия;
- изучение сложных физиолого-генетических функций организма для лечения и предупреждения онкологических и других опасных заболеваний человека;
- использование генетически модифицированных организмов для получения от них белков, антител, ферментов, гормонов, вакцин для нужд пищевой промышленности, медицины и ветеринарии;
- изучение энергетических и синтетических процессов в клетке для внедрения их в промышленные биотехнологии.
Ключевые термины и понятия. Мониторинг, моделирование.
Кратко о главном
- Живую материю на разных уровнях организации исследуют различными методами, основные из которых - сравнительноописательный, экспериментальный, мониторинг и моделирование. Полученные в результате исследований результаты обрабатывают с помощью математико-статистического анализа.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие вы знаете методы исследований в биологии? 2. Для чего применяют сравнительно-описательный метод исследования? 3. Чем характеризуется экспериментальный метод? 4. Какое значение имеет мониторинг? 5. Что собой представляет математическое моделирование?
Подумайте
1. Какие возможности открывает компьютерная графика в биологических исследованиях? 2. Ознакомьтесь с коротким очерком развития биологической науки (с. 7-12). Какие современные достижения биологической науки, по вашему мнению, помогут решить такие главные проблемы настоящего, как обеспечение человечества продовольствием и энергией?
ТЕСТ НА ЗАКРЕПЛЕНИЕ ЗНАНИЙ
I. ВЫБЕРИТЕ ИЗ ПРЕДЛОЖЕННЫХ ОТВЕТОВ ПРАВИЛЬНЫЙ
1. Укажите, как называют совокупность процессов поступления питательных веществ из внешней среды, их превращения в организме и выделения продуктов жизнедеятельности: а) фагоцитоз; б) метаболизм; в) гомеостаз; г) раздражимость.
2. Определите, как называют способность биологических систем сохранять относительное постоянство состава и свойств своей внутренней среды: а) фагоцитоз; б) метаболизм; в) гомеостаз; г) адаптация.
3. Отметьте биологические системы, которые находятся на молекулярном уровне организации живой материи: а) грибы; б) растения; в) цианобактерии; г) вирусы.
4. Определите наивысший уровень организации живой материи: а) популяционно-видовой; б) биосферный; в) организменный; г) экосистемный.
II. ВЫБЕРИТЕ ИЗ ПРЕДЛОЖЕННЫХ ОТВЕТОВ ДВА ПРАВИЛЬНЫХ
1. Укажите биологические системы, способные к саморегуляции: а) популяция в дикой природе; б) порода животных; в) поле пшеницы; г) биогеоценоз.
2. Назовите объекты, которые относятся к надорганизменным биологическим системам: а) экосистема; б) хлоропласт; в) популяция; г) митохондрия.
3. Укажите особенности биологических систем, которые отличают их от неживых объектов: а) способность к саморегуляции; б) способность к росту; в) наличие особенных химических элементов; г) способность к восприятию раздражителей.
4. Укажите, какие надвидовые уровни организации живой материи изучает экология: а) клеточный; б) популяционно-видовой; в) экосистемный; г) биосферный.
III. ЗАДАНИЕ НА УСТАНОВЛЕНИЕ СООТВЕТСТВИЯ
Установите соответствие между объектами, процессами, явлениями и уровнями организации живой материи, которым они отвечают.
IV. ВОПРОС ПОВЫШЕННОЙ СЛОЖНОСТИ
Что общего и отличного в проявлениях раздражимости у многоклеточных растений и многоклеточных животных?
Коментарі (0)