Темы для биологических методов исследования. Современные методы исследования в биологии

Методы исследования в биологии

Люди изучали окружающий нас мир с давних времен, используя разные методы. Самыми известными являются эксперимент, наблюдение и измерение.

Наблюдение - восприятие природных объектов или явлений опираясь на органы чувств, личные ощущения.

Эксперимент - наблюдение в искусственно созданных условиях, проводится под наблюдением.

Выводы, сделанные с помощью этих исследований становятся научными фактами только после повторных наблюдений или экспериментов.

Во время проведения исследований данными методами используют измерение. Суть измерения заключается в том, что объект изучение не единожды измеряют. Именно анализ и сравнение измерений позволяют определить определённые закономерности.

Также к методам исследования в биологии относятся:

• мониторинг;
• моделирование;
• статистический метод;
• метод эмпирического исследования;
• исторический метод.

Моделирование - воображаемая или реальная имитация системы путём специального конструирования моделей (аналогов) в которых отображаются принципы функционирования и организации данной системы.

Статистический метод - метод, основанный на сравнении предыдущих результатов исследований. С его помощью мы можем изучить процессы и явления, которые затруднительно отобразить экспериментально или же непосредственно наблюдать.

Мониторинг - это метод постоянного наблюдения за биологическими объектами или явлениями которые происходят в биосфере или же в определённой экологической системе. На основании результатов мониторинга далее проводится анализ и прогнозирование.

Во время исторического метода сравнивается информация полученная за определённый отрезок времени в истории человечества и анализируется до выявления закономерности. Данный метод в основном используется в эволюционной теории а также систематике. С чего помощью учёные изучают останки вымерших животных, растений.

Современный методы исследований в биологии

К современный методам исследования в биологии можно отнести микроскопию, моделирование (в частности компьютерное), пункцию, радиоизотопную диагностику, ядерный магнитный резонанс а также разнообразные эндоскопические исследования.

В итоге, хочу сказать, что ни один из этих методов не используется самостоятельно, все они применяются комплексно. Это позволяет наиболее точно описать явление или же объект природы

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.

Создание системы точного проверенного знания, основанного на фактах, которые можно подтвердить или, наоборот, опровергнуть, является главной задачей каждой науки. В биологии также: полученные данные постоянно ставятся под сомнения и допускаются только тогда, когда есть им существенные подтверждения.

На сегодняшний день данная наука рассматривает все живые системы. Для того чтобы детально изучить их организацию и деятельность, происхождение, распространение, а также развитие и связь друг с другом, с целью познания и выделения определённых закономерностей, используются следующие методы исследования в биологии:

1. Сравнительный - позволяет изучать путём сравнения сходства и различия живых организмов, а также их частей. Полученные данные дают возможность объединять в группы растения и животные. Этот метод использовался при создании систематики и для подтверждения теории эволюции. В настоящее время он применяется практически во всех направлениях данной науки.

2. Описательные методы исследования в биологии (наблюдение, статистика) - позволяют анализировать и описывать явления, происходящие в живой природе, сравнивать их, находя определённые закономерности, а также обобщать, открывать новые виды, классы и прочее. Данные методы начали использоваться ещё в древности, но на сегодняшний день не утратили своей актуальности и широко применяются в ботанике, этологии, зоологии и т. д.

3. Исторический - даёт возможность выявить закономерности образования и развития живых систем, их структур и функций, сопоставлять их с ранее известными фактами. Данный метод использовался Ч. Дарвином для построения его теории, и способствовал превращению биологии из описательной в объясняющую науку.

4. Экспериментальные в биологии:

а) моделирование - позволяет изучать какой-либо процесс или явление, а также направления эволюции путём воссоздания их в виде модели при помощи современных технологий и оборудования;

б) эксперимент (опыт) - искусственное создание в контролируемых условиях ситуации, которая помогает выявить глубоко скрытые свойства живых объектов. Данный метод способствует изучению явлений изолированно, благодаря чему можно достигать повтора результатов при воспроизведении этих самых явлений в одинаковых условиях.

Экспериментальные методы в биологии служат не только для проведения опытов и получения ответов на интересующие вопросы, но и для определения правильности сформулированной в начале изучения материала гипотезы, а также для её корректировки в процессе работы.

В двадцатом столетии данные способы исследования становятся ведущими в этой науке благодаря появлению современного оборудования для проведения опытов, такого как, например, томограф, электронный микроскоп и прочее.

В настоящее время в экспериментальной биологии широко используются биохимические приёмы, хроматография, а также техника ультратонких срезов, различные способы культивирования и многие другие.

Экспериментальные методы в сочетании с системным подходом расширили познавательные возможности и открыли новые дороги для применения знаний практически во всех сферах деятельности человека.

Перечисленные в биологии не исчерпывают всего арсенала способов получения знаний в науке, поэтому между ними нельзя проводить строгую границу. Применяемые в сочетании друг с другом, они дают возможность открывать новые явления и свойства в живых системах за непродолжительный период времени, а также устанавливать закономерности их возникновения, развития и функционирования.

В отличие от сплетни, научное знание проверяемо и касается реально существующих вещей и повторяющихся событий. Любой человек, при желании, может повторить любой научный эксперимент, то есть, убедиться в том, что на определенный вопрос природа «отвечает» именно таким образом. Из этого урока вы узнаете, откуда берутся научные знания, что такое научный факт, гипотеза и теория, познакомитесь с основными представлениями о научном методе, выясните, какими методами получения знаний пользуется биология. В уроке уделено внимание сравнительно-описательному, историческому и экспериментальному методам.

Тема: Введение

Урок: Методы исследования в биологии

Наука - это одна из сфер человеческой деятельности, целью которой является изучение и познание окружающего мира. Каждая наука имеет свои методы исследования , но задача любой науки - построение системы достоверного знания , основанного на фактах и обобщении , которые можно было бы подтвердить или опровергнуть.

Научным фактом является лишь тот, который можно воспроизвести или подтвердить. Наблюдения, которые не могу быть воспроизведены, отбрасываются, как ненаучные. Когда учёный делает открытие, он публикует информацию о нем в специальных журналах, благодаря публикации результаты могут быть проверены и перепроверены другими учёными - это служит стимулом для более тщательной проверки и анализа собственных экспериментов.

Ещё одной формой распространения знаний являются симпозиумы и конференции, которые организуются учеными разных специальностей (ботаниками, зоологами, генетиками, медиками и т. д.). Во время таких мероприятий ученые общаются друг с другом, обсуждают работы коллег, налаживают творческие связи.

Научный метод - это совокупность приёмов и операций, которые используются при построении системы научного знания.

Один из основных принципов научного метода - скептицизм - отказ от слепого доверия к авторитету. Учёный всегда сохраняет определённую долю скепсиса и проверяет любое новое открытие.

Основными методами биологии являются: описательный , сравнительный , исторический и экспериментальный .

Описательный метод является наиболее древним, потому что его использовали ещё учёные древности, в основе его лежит наблюдение. Примерно до 17 века он был основным в биологии, поскольку учёные занимались описанием животных и растений и их первичной систематизацией, но он не потерял актуальности в настоящее время, например, он используется для описания новых видов (см. Рис. 1).

Рис. 1. Новые виды животных, описанные учеными

Сравнительный метод - позволяет выявить сходство между организмами и их частями. Он стал применяться с 17 века.

Полученные с помощью этого метода сведения легли в основу систематики Карла Линнея, позволили Теодору Шванну и Маттиасу Шлейдену сформулировать клеточную теорию, легли в основу закона зародышевого сходства, открытого Карлом Бэром.

Сейчас очень сложно провести границу между описательным и сравнительным методом, потому что они комплексно используются для решения задач биологии.

Исторический метод позволяет осмыслить полученные ранее факты и сопоставить их с ранее известными результатами. Он стал широко применяться со второй половины 19 века благодаря работам Чарльза Дарвина, который с его помощью обосновал закономерности появления и развития организмов, становление их структур и функций во времени и пространстве (см. Рис. 2). Применение исторического метода позволило превратить биологию из описательной науки в объясняющую.

Рис. 2. История эволюции человека

Экспериментальный метод - применение этого метода связывают с именем Уильяма Гарвея, который его использовал в своих экспериментах по изучению кровообращения (см. Рис. 3). Но широко использоваться этот метод стал именно с 20 века, прежде всего, при изучении физиологических процессов.

Рис. 3 Опыт У. Гарвея по изучению кровообращения

Экспериментальный метод позволяет изучать то или иное явление с помощью опыта. Большой вклад в утверждение экспериментального метода в биологии внёс Грегор Мендель, который, изучая наследственность и изменчивость организмов, впервые использовал эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы.

В 20 веке экспериментальный метод стал ведущим в биологии. Это стало возможным благодаря появлению новых приборов, например, электронного микроскопа, использованию методов химии, физики и биологии (см. Рис. 4).

Рис. 4. Современные опыты и лабораторное оборудование, которые символизируют экспериментальный метод исследования

В биологических исследованиях довольно часто применяют моделирования тех или иных процессов, то есть привлекают и математические методы, и компьютерное моделирование.

Научное исследование состоит из следующих этапов: на основании полученных фактов , наблюдений или экспериментов формулируется проблема , для её решения выдвигаются гипотезы . Гипотезы непрерывно совершенствуются и подвергаются дальнейшей разработке. Гипотеза , которая согласуется со множеством разнообразных наблюдений становится теорией . Хорошая теория развивается и распространяется на дополнительные факты по мере того, как они становятся известными.

Хорошая теория может предсказывать новые факты , а также находить новые связи между явлениями, и тогда теория становится правилом или законом.

Домашнее задание

1. Что такое наука?

2. Дайте определения понятиям: факт, гипотеза, теория.

3. Какие основные этапы научного исследования вы знаете?

4. В чем сущность сравнительно-описательных методов исследования?

5. Что такое эксперимент?

6. Опишите исторический метод изучения биологических объектов.

7. Как происходило становление методов биологии? Какие из них самые древние? Какие можно назвать новыми?

3. Биологическое образование в МФТИ ().

Список литературы

1. Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.

2. Беляев Д. К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 11-е изд., стереотип. - М.: Просвещение, 2012. - 304 с.

3. Биология 11 класс. Общая биология. Профильный уровень / В. Б. Захаров, С. Г. Мамонтов, Н. И. Сонин и др. - 5-е изд., стереотип. - Дрофа, 2010. - 388 с.

4. Агафонова И. Б., Захарова Е. Т., Сивоглазов В. И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 6-е изд., доп. - Дрофа, 2010. - 384 с.