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.
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).
ВВЕДЕНИЕ
ЛЕКЦИЯ 1
Общая биология
Современное понятие жизни. Критерии живого, их интеграция. Уровни организации живого. МЕТОДЫ БИОЛОГИИ: эмпирические (наблюдение, сравнение /исторический/, описание, эксперимент), теоретический (системный).
Говоря о методах науки в широком смысле, имеют в виду не конкретные технологические приемы (методики), а методологические принципы , подходы к
изучению объектов, явлений, их связей. Методы биологии те же, что и в других естественных науках: эмпирические и теоретические . Эмпирическая стадия всегда развивается на основе предшествующих теорий или гипотез, а на теоретической стадии производят эмпирическую проверку выдвигаемых новых
Эмпирические методы :
Наблюдение - изучение объектов живой природы в естественных условиях существования . Это - непосредственное визуальное наблюдение (в буквальном смысле) за поведением, расселением, размножением животных и растений в природе, или инструментальное определение характеристик организмов, их органов, клеток, химический анализ состава и обмена веществ (… бинокль, глубоководные аппараты с видеокамерами ночного видения, микроскопы - спектральные и электронные, биохимические анализаторы, радиоактивные метки, ультрацентрифуги, разнообразную измерительную аппаратуру).
Экспериментальный метод (опыт) предполагает исследования живых объектов в условиях экстремального действия факторов среды – измененной температуры, освещенности или влажности, повышенной нагрузки, токсичности или радиоактивности, измененного режима или места развития (удаление или пересадка генов, клеток, органов, интродукция животных и растений, космические полеты и т.п.).
Экспериментальный метод позволяет выявить скрытые свойства, потенции, пределы адаптивных (приспособительных) возможностей живых систем, степень их гибкости, надежности, изменчивости.
Сравнительный (исторический) метод выявляет эволюционные преобразования биологических видов и их сообществ . 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 вымершие, сохранившиеся в виде окаменелых останков.
Эти методы требуют количественного учета и математического описания структур и явлений. Биология становится точной наукой, хотя выявляемые в ней закономерности носят вероятностный характер (стохастический, контринтуитивный) и описываются методами вариационной статистики.
На основе выявляемых статистических закономерностей можно осуществлять математическое моделирование биологических процессов и прогноз их развития .
Например, можно построить модель состояния жизни в водоеме через некоторое время при изменении одного, двух или более параметров (температуры, концентрации солей, наличия хищников и др.). Такие приемы стали возможны благодаря проникновению в биологию идей и принципов кибернетики - науки об управлении.
Теоретический (системный метод):
Этот метод, как и кибернетический подход, относится к категории новых методов исследования . Живые объекты рассматриваются как системы , то есть совокупности элементов с определенными отношениями. С учетом иерархичности живых систем каждый объект может рассматриваться одновременно как система и как элемент системы более высокого порядка. Поэтому принципы системной организации справедливы для всех уровней - от макромолекул до биосферы Земли .
Широкое развитие системного движения в современной науке, в том числе и в биологии, означает постепенный переход от анализа к синтезу . Анализ - это
дискретный подход, углубление в структуру и функции отдельных элементов системы - внутри клетки, внутри организма, внутри экологического сообщества. Синтез означает интегративный подход, изучение целостных характеристик системы - клетки, организма, биоценоза. Исследование всегда совершается сначала от общего к частному - анализ, а потом от частного к общему, но на новом уровне познания этого общего - синтез.
Аналитический подход в биологии открыл химическую и микроструктурную организацию живых объектов, выяснил видовое разнообразие среди животных, растений, микроорганизмов, выявил генетическую неоднородность организмов внутри популяций и другие внутренние характеристики систем.
Постепенно объем накопленных аналитических данных становился достаточным для перехода к их синтезу. Так возникли синтетическая теория эволюции, нейро - гуморальная физиология, современная иммунология, молекулярно-клеточная биология, новая мегасистематика организмов, основанная на их комплексной характеристике – от экологии и анатомии до молекулярной генетики.
Решается актуальная задача современного естествознания - создание целостной биологической картины мира.
Повышение интереса к синтезу в науке свидетельствует о переходе от эмпирической к теоретической стадии познания. От получения фактов , через их обобщение начинается выдвижение новых гипотез , далее обычно следует их повторная эмпирическая проверка (новые наблюдения, эксперименты, сравнения, моделирования). Эмпирическая проверка ведет либо к опровержению гипотезы, либо к ее подтверждению с той или иной степенью вероятности. Высоко достоверные гипотезы становятся законами , из них слагаются теории .
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.
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 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 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 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 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.
