Современные методы исследований в биологии. Методы биологии Сообщение на тему методы исследования в биологии

Тема: Методы исследования в биологии

Актуализация знаний

Вопросы:

1. Что такое наука?

2. Какие биологические науки вам известны?

3. Какие методы исследования, применяемые в биологии, вы знаете?

Мы обычно говорим «научное знание», «научный факт», «научная картина мира». А в чем отличие научного знания от ненаучного? Какой факт можно считать научным?

Наука – один из способов изучения и познания окружающего мира. Биология помогает понять мир живой природы.

Мы уже знаем, что люди с древнейших времен изучают живую природу. Сначала они изучали отдельные организмы, собирали их, составляли списки растений и животных, населяющих разные места. Обычно этот период изучения живых организмов называют описательным, а саму дисциплину – естественной историей . Естественная история является предшественницей биологии.

Каждая наука имеет свои методы исследования. Однако независимо то того, какие методы используются, для каждого ученого важнейшим должен оставаться принцип «Ничего не принимай на веру». Это принцип отказа от слепого доверия к авторитету.

Научный метод – это совокупность приемов и операций, используемых при построении системы научных знаний.

В биологии применяются различные методы, к наиболее важным из них можно отнести наблюдение, эксперимент и сравнение .

Первоисточником всех научных данных являются точное, внимательное, непредвзятое наблюдение и эксперимент.

Результаты, полученные в ходе наблюдений и экспериментов, должны быть проверены и перепроверены новыми наблюдениями и экспериментами. Только после этого их можно считать научными фактами .

Например, в средствах массовой информации неоднократно сообщалось о так называемом «снежном человеке», приводились рассказы очевидцев о встречах с ним, зарисовки и фотографии якобы его следов и даже самого «снежного человека». Было организовано несколько экспедиций для поиска «снежного человека». Но до сих пор никто не смог представить ни живого «снежного человека», ни его останков, ни каких-то других неопровержимых доказательств его существования. Поэтому, несмотря на многочисленные свидетельства «очевидцев», существование «снежного человека» не может быть признано научным фактом.

Обычно научное исследование начинается с наблюдения над объектом или явлением. После обобщения полученных в результате данных выдвигаются гипотезы (предположения), которые могут объяснить наблюдения.

На следующем этапе исследования разрабатываются и проводятся эксперименты для проверки выдвинутых гипотез. Научный эксперимент должен непременно сопровождаться контрольным опытом , условия которого отличаются от условий эксперимента одним (и только одним) фактором. Анализ результатов эксперимента позволит решить, какая из гипотез верна.

Гипотеза, которая была проверена и оказалась соответствующей фактам и способной служить основой для верных предсказаний, может быть названа теорией или законом . Называя какое-либо положение законом, ученые как бы подчеркивают его универсальность, неоспоримость, большую достоверность. Однако часто термины «закон» и «теория» употребляются как равнозначные.

Рассмотрим этапы научного исследования на примере изучения условий, необходимых для прорастания семян.

Наблюдения за семенами показали, что они далеко не всегда прорастают. Очевидно, для их прорастания необходимы определенные условия.

Итак, мы можем сформулировать проблему исследования: «Какие условия необходимы для прорастания семян?»

Следующий этап – выдвижение гипотез. Мы можем предположить, что для прорастания семян необходимы свет, темнота, вода, определенная температура, воздух, почва.

Теперь, для того чтобы проверить, какие условия действительно необходимы дл прорастания семян, разработаем и проведем эксперимент.

Возьмем шесть проб по 100 семян одного вида, например кукурузы, и поместим в условия, различающиеся только по одному признаку.

Сосуд с первой пробой поместим в светлое, теплое место. В сосуд нальем воды так, чтобы она до половины покрывала семена. В этом случае воздух будет свободно проникать к семенам.

Вторую пробу семян поместим в такие же условия, что и первую, но сосуд заполним кипяченой водой доверху, лишив, таким образом, семена воздуха.

Сосуд с третьей пробой поместим в такие же условия, что и первый, но в темном месте.

В четвертом сосуде оставим семена сухими.

Пятую пробу будем держать при температуре +1℃.

Шестой сосуд заполним влажной почвой и поставим в теплое место.

Проанализировав результаты эксперимента, мы придем к выводу, что свет и почва не являются обязательными условиями для прорастания семян. Семена кукурузы прорастают при наличии воды, воздуха и определенной температуры. Однако если мы внимательно рассмотрим наши пробы, то увидим, что и при благоприятных условиях не все семена проросли. Изучив семена, мы выясним, что их зародыш мертв. Следовательно, прорасти могут только семена с живым зародышем.

Если вы будете сравнивать условия, необходимые для прорастания семян растений разных видов, то убедитесь, что они сильно различаются. Например, для прорастания зерновок кукурузы воды потребуется в два раза меньше их собственной массы, а для прорастания клевера воды должна быть в полтора раза больше массы семян. В то же время семена клевера прорастают уже при температуре +1℃, кукурузы – при температуре выше +8℃, а для семян дыни температура прорастания будет составлять +15℃. Вы установите, кроме того, что большинство семян прорастает как на свету, так и в темноте, но есть растения (например, табак, череда), для прорастания семян которых свет необходим. Напротив, семена рыжика мелкоплодного прорастают только в темноте.

Итак, даже самое простое научное исследование требует четко продуманного и тщательно проеденного эксперимента, на основании которого можно сделать научно достоверные выводы. При проведении наблюдений и экспериментов применяют самые современные приборы, аппаратуру, инструменты – электронные микроскопы, радиолокаторы, хроматограф и др.

Жизнь удивительно многообразна. Чтобы разобраться в этом многообразии, необходимо выявить и упорядочить сходство и различия у живых организмов. Для решения этих задач применяется сравнительный метод . Он позволяет сопоставить результаты наблюдений для выявления общих закономерностей.

Биологи используют и другие методы исследования. Например, описательный метод широко применялся еще учеными древности, но не потерял своего значения и сегодня.

Исторический метод помогает осмыслить полученные факты, сопоставив их с ранее известными результатами.

В науке любые новые открытия способствуют устранению прежних неправильных представлений и указывают на новые взаимосвязи между явлениями. В биологии новые открытия создают базу для множества практических достижений в медицине, сельском хозяйстве, промышленности и других областях человеческой деятельности.

Многие считают, что следует заниматься только теми биологическими исследованиями, которые помогут решить конкретные практические проблемы сегодняшнего дня. Безусловно, развитие прикладных наук имеет очень важное значение, но нельзя забывать о важности исследований в «чистой» науке. Знания, полученные в фундаментальных исследованиях, могут показаться бесполезными для повседневной жизни человека, но они помогают понять законы, по которым развивается окружающий нас мир, и почти наверняка рано или поздно найдут практическое применение.

Закрепление

Вопросы:

1. Какова основная цель науки?

2. Что такое научный метод? В чем его основной принцип?

3. Что такое научный эксперимент?

5. Чем гипотеза отличается от закона или теории?

6. Какова роль прикладных и фундаментальных исследований в науке?

Домашнее задание

1. Параграф 2 на страницах 6-9 учебника.

2. Вопросы 1-6 на странице 9 учебника.

3. Словарь: наука, методы научного познания, научное исследование, научный метод, научный факт, наблюдение, эксперимент, гипотеза, закон, теория, этапы научного исследования.

4. Подготовить презентацию о профессии, связанной с биологией, используя компьютерные технологии.

Методы исследования в биологии . Люди с древнейших времён изучали окружающую их природу, используя различные методы (от греческого «методос» - способ познания, путь). К основным методам относятся наблюдение, эксперимент (опыт) и измерения.

Наблюдение - восприятие природных объектов или явлений с помощью органов чувств. В ходе наблюдения объекта или явления человек лишь фиксирует результаты, не вмешиваясь в сам процесс. Например, наблюдения за сезонными периодическими явлениями в жизни растений и животных, которые изучает фенология (от греческих слов «файно» - являю и «логос»).

Эксперимент - наблюдение в специально создаваемых и контролируемых условиях, которые позволяют установить, как те или иные условия влияют на объект или явление. Например, мы можем поставить эксперимент, который позволит выяснить, какие условия необходимы для прорастания семян разных растений.

Результаты, полученные в ходе наблюдений и экспериментов, должны быть проверены и подтверждены новыми наблюдениями и экспериментами. Только после этого они могут считаться научными фактами.

При проведении наблюдений и экспериментов всегда проводятся измерения. Каждый из вас неоднократно измерял длину и ширину тел, время, температуру, расстояние, скорость движения и т. д. Именно анализ и сравнение измерений, полученных при проведении наблюдений и экспериментов, позволяют выявить определённые закономерности.

С другими методами биологических исследований вы познакомитесь в старших классах.

Приборы и инструменты . В современных биологических лабораториях используются самые различные, иногда очень сложные и дорогие, приборы и инструменты (рис. 4). В школе при проведении наблюдений и экспериментов вы также будете использовать различные приборы, инструменты и оборудование. Многие из них вам хорошо знакомы, с другими вы встретитесь впервые (рис. 5). При проведении лабораторных работ в школьном кабинете биологии важно правильно использовать имеющееся оборудование и строго соблюдать правила техники безопасности при работе с ним.

Рис. 4. Современная биологическая лаборатория

Рис. 5. Приборы и инструменты биологической лаборатории

Техника безопасности в биологическом кабинете

Точно следовать всем указаниям учителя при проведении лабораторной или практической работы, без его разрешения не выполнять самостоятельно никаких работ.
Внимательно изучить содержание и порядок проведения лабораторной или практической работы, а также безопасные приёмы её выполнения.
Подготовить к работе рабочее место, убрать посторонние предметы. Приборы и оборудование разместить таким образом, чтобы исключить их падение и опрокидывание.
Проверить исправность оборудования, приборов, целостность лабораторной посуды и приборов из стекла.
При нагревании жидкости в пробирке или колбе использовать специальные держатели (штативы), отверстие пробирки или горлышко колбы не направлять на себя и на своих товарищей.
Во избежание ожогов запрещается брать незащищёнными руками нагретую посуду с жидкостями.
Соблюдать осторожность при обращении с колюще-режущими инструментами, приборами из стекла и лабораторной посудой, не бросать, не ронять и не ударять их.
В случае если разбилась лабораторная посуда или приборы из стекла, не собирать их осколки незащищёнными руками, а использовать для этой цели щётку и совок, предварительно поставив в известность учителя.
При разливе легковоспламеняющейся жидкости и её загорании немедленно сообщить об этом учителю и по его указанию покинуть помещение.
При получении травмы сообщить об этом учителю, немедленно оказать первую помощь пострадавшему, при необходимости отправить пострадавшего в ближайшее лечебное учреждение.
По окончании работы привести в порядок рабочее место, сдать учителю приборы, оборудование, материалы и при необходимости тщательно вымыть руки с мылом.

Новые понятия

Методы исследования. Наблюдения. Эксперимент. измерения

Вопросы

Какие методы исследования в биологии вам известны?
Чем наблюдение отличается от эксперимента?
Что изучает фенология?

Задания для любознательных

Биологические знания и умения пригодятся в вашей повседневной жизни. Они помогут понять и полюбить окружающую природу, умело использовать и приумножать её богатства. Очень важно знать природные условия и растения местности, в которой вы живёте. Эти знания вы приобретёте не только на уроках, но и на экскурсиях, при проведении опытов и наблюдений. Фенологические наблюдения следует вести круглый год. Они помогут вам лучше понять особенности развития природы и определить сроки проведения работ в саду, огороде, в поле.

Проведение фенологических наблюдений за изменениями, происходящими в жизни растений осенью

Понаблюдайте, у каких растений происходит изменение окраски листьев, какова она у разных растений (рис. 6).
Отметьте, у каких растений листья остаются зелёными до заморозков.
Понаблюдайте, как долго длится листопад у разных растений.
Регулярно записывайте в тетрадь все изменения в жизни растений. Сравните результаты своих наблюдений с результатами наблюдений других учащихся класса. Обсудите их. Сделайте выводы.

Рис. 6. Осенняя окраска листьев

Рис. 7. Посадка деревьев школьниками

Продолжите фенологические наблюдения за изменениями, происходящими в жизни растений зимой и весной. Примите участие в осенних посадках деревьев и кустарников (рис. 7).

Методы биологических исследований в биологии разделяют на эмпирические (от греч. эмпириа - опыт) - описательный, сравнительный, экспериментальный, исторический, и теоретические - статистический и моделирования. Описательный и сравнительный методы основаны на наблюдении.

Описательный метод биологических исследований

Описательный метод - древнейший, связанный с наблюдением и описанием объектов или явлений, определением их свойств.

Сравнительный метод биологических исследований

Сравнительный метод биологических исследований. Сравнение строения животной и растительной клеток

Сравнительный метод основан, чтобы сравнить полученные наблюдения, описания с другими.

В последнее время часто применяют мониторинг (от лат. mоnitor -предупреждающий, напоминающий). Это постоянное наблюдение за ходом определенных процессов в отдельных экосистемах, биосфере в целом или за состоянием конкретных биологических объектов. Осуществляют его на высших уровнях организации живой материи. Мониторинг позволяет прогнозировать и анализировать возможные изменения, их следствия. Например, изменения растительности в связи с кислотными дождями и т. п.

Экспериментальный метод биологических исследований

Экспериментальный (от лат. ехреrimentum - опыт, практика) метод состоит в изменении исследователем условий существования объекта опыта, его строения и наблюдение по результатам изменений. Эксперименты бывают полевые и лабораторные.

В естественных условиях проводят полевые эксперименты. Лабораторные эксперименты проводят в специально оборудованных лабораториях. В лабораторных условиях используют микроскопы, ядерно-магнитный резонанс, рентгенологический метод и т. п.

Исторический метод биологических исследований

Исторический метод позволяет обнаружить закономерности возникновения и развития живых существ.

Моделирование и статистический метод невозможны без применения электронно-вычислительной техники.

Моделирование биологических исследований

Моделирование (от лат. modulus - устройство, образец) - метод, который позволяет работать не с самими объектами, а изучает представления о них или их модели. Моделирование позволяет изучать объекты и процессы, которые невозможно непосредственно наблюдать или воссоздать экспериментально. Разновидностью этого метода является математическое моделирование. Это численное выражение в виде уравнений четных связей. При изменениях числовых значений можно увидеть, как работает система при определенных условиях. Примером математической модели могут быть соотношения численности в системе «хищник-жертва».

Статистический метод биологических исследований

Статистический (математический) метод применяется для обработки числовых данных, полученных с помощью других методов (эмпирических). Используют также для проверки степени достоверности полученных результатов.

Исторический метод - один из основных и общих для естественных наук метод, который позволяет проанализировать весь ход развития и становления изучаемого объекта. Метод наблюдения - дает возможность анализировать и описывать биологические явления. На методе наблюдения основывается описательный метод. Для того чтобы выяснить сущность явления, необходимо предварительно собрать фактический материал и описать его. Собирание и описание фактов было основным приемом исследователей в ранний период развития биологии, но в настоящее время не утратил своего значения. Этот метод широко распространен в ботанике, зоологии, экологии, этологии. Сравнительный метод - распространился с XVIII века и позволяет через сопоставление изучать сходство и различие организмов и их частей. На его принципах была основана систематика, создана клеточная теория и т. д. Применение сравнительного метода в анатомии, палеонтологии, эмбриологии и других науках способствовало утверждению эволюционных представлений в биологии. Экспериментальный метод - связан с целенаправленным созданием ситуации, которая помогает исследователю изучать свойства и явления живой природы. Этот метод позволяет исследовать явления изолированно и добиваться их повторяемости при воспроизведении тех же условий. Эксперимент обеспечивает более глубокое проникновение в сущность явления и овладение этим процессом. Блестящий экспериментатор И. П. Павлов говорил: «Наблюдение собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берет у природы то, что он хочет» . Выделяют эксперимент полевой (естественный) , который проводится в естественной среде и лабораторный (искусственный) , проводимый в лабораторных условиях. Метод моделирования - исследование каких-либо явлений, процессов или систем объектов путем построения и изучения моделей их функционирования. Образная модель может переходить в знаковую, т. е. математическую. В этом случае соотношения в модели выражены в математической форме и в дальнейшее экспериментирование сводится к определенным математическим расчетам. Преимущества эксперимента на модели заключаются в том, что при моделировании могут быть воспроизведены такие крайние положения, которые часто не могут быть созданы на самом объекте. На идее моделирования базируется любой метод, но следствием этого является упрощение рассматриваемого явления, объекта или процесса. и другие, которые являются более специфичными для различных биологических наук и будут рассмотрены при изучении основ этих дисциплин. Для чего необходимо изучать биологию? Каково значение биологии? В одной из своих лекций Томас Гексли писал: «Для человека, не знакомого с естественной историей, пребывание среди природы подобно посещению художественной галереи, где 90% всех увиденных произведений искусства повернуты лицом к стене. Познакомьте его с основами естественной истории - и вы снабдите его путеводителем к этим шедеврам, достойным быть обращенными к жаждущему знания и красоты человеческому взгляду» . Но, помимо познавательной и эстетической стороны, биологические знания имеют и практическое применение во многих сферах деятельности человека. Исследования и достижения биологической науки широко используются в пищевой промышленности, фармакологии, производстве товаров народного потребления. Важнейшей проблемой в сельском хозяйстве является получение высокоурожайных сортов растений и высокопродуктивных пород животных и штаммов микроорганизмов, а также разработка на основе биологических исследований оптимальных условий культивирования растений и содержания животных. Биология является теоретической основой таких наук как медицина, психология, социология, гигиена и других. Это особенно необходимо человеку как части природы.

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.