Методы биологических исследований
Традиционные методы в биологии. Биология — наука, добывающая сведения о живой природе разными методами исследований. Метод (греч. methodos — «путь к чему-либо») — это способ достижения цели. Методы выражают определенным образом упорядоченную деятельность исследователя в раскрытии сути явлений.
Любое биологическое исследование включает наблюдение, сравнение, описание и эксперимент. Наблюдение и описание обеспечивают накопление фактического материала, отражающего предметы и явления природы. Метод сравнения дает возможность выявлять сходство и различия между организмами, видами, другими биосистемами и их частями. Эксперимент позволяет активно изучать природные явления жизни с помощью опытов и проверять гипотезы, выдвигаемые в результате наблюдения, сравнения и других методов исследований.
Биологические исследования проводят в полевых (природных) условиях и в лаборатории. Все полученные результаты подвергают количественному и качественному анализу.
В полевых условиях можно не только проводить наблюдения, но и ставить эксперимент. Эксперимент особенно широко используют растениеводы: создают различные условия минерального питания, меняют сроки посева и способы полива, выявляя агротехнику более эффективного выращивания культивируемых растений.
В экологических исследованиях основными выступают методы количественного учета живых организмов, популяций, биогеоценозов.
Лабораторные исследования широко применяются во всех отраслях биологии. Самым распространенным инструментом при этом был и остается микроскоп. За многолетнюю историю микроскопических исследований накоплен огромный практический опыт, разработана масса методик подготовки препаратов (фиксация различными химикатами — формалином, спиртом, хлороформом и др. ; окрашивание йодом, эозином, гематоксилином и др.), созданы специальные приборы для приготовления особо тонких срезов (микротомы), для зарисовок (рисовальные аппараты), для определения размеров клеток и органоидов (окуляр-микрометры) и множество других. Специальные приборы позволяют изучать в лабораториях биохимические процессы в тканях и клетках организмов, электромагнитные свойства органов и тканей, обмен веществ и энергии в живых особях и многие другие процессы.
Этапы проведения биологического эксперимента
| Этап | Описание | |
| 1. Постановка проблемы | Выработка четкой постановки проблемы. | |
| 2. Предполагаемое решение, формулирование гипотезы | Формулирование ожидаемых результатов и их научного значения с опорой на уже известные данные | |
| 3. Планирование эксперимента | Разработка порядка проведения эксперимента: разработка последовательности осуществления отдельных этапов исследования | |
| 4. Проведение эксперимента | Подбор необходимых биологических объектов, приборов, реактивов. Проведение различных этапов эксперимента. Сбор и запись наблюдений, измеряемых величин и результатов | |
| 5. Подведение итогов | Сравнение полученных результатов с гипотезой, научное объяснение результатов, формулирование выводов | |
Метод моделирования в биологии. В настоящее время в различных отраслях биологической науки широко используют метод моделирования (фр. modele — «образец», «прообраз»), когда на специально созданной модели воспроизводят характеристики изучаемого объекта. При этом между моделью и объектом, интересующим исследователя, должно быть известное подобие. Моделирование широко используется, если объект исследования очень сложный (многокомпонентный) или труднодоступный для непосредственного наблюдения. В этих случаях моделирование помогает не только выявить свойства и взаимозависимости изучаемого объекта, но и представить его характеристики в изменяющихся условиях.
Модель не копирует, а имитирует реальность. Моделирование позволяет экспериментировать с объектом, использовать процессы или явления, недоступные для непосредственного наблюдения. Методами имитационного моделирования (особенно с применением компьютеров), изменяя условия или компоненты объекта, можно получить достаточно надежные количественные прогнозы, например возможной численности популяции, математических закономерностей в системах «хищник — жертва», «паразит — хозяин», устойчивости структуры биосистем. Моделирование особенно широко используется в исследованиях биосферы.
Мониторинг в биологических исследованиях. В исследованиях состояния природы применяется мониторинг (лат. monitor — «предостерегающий») — многоцелевое длительное наблюдение за состоянием и изменениями изучаемого объекта. Мониторинг необходим для выявления загрязнения окружающей среды, установления изменений в видовом разнообразии в биогеоценозах для обнаружения и спасения редких, исчезающих биологических видов на нашей планете. При проведении мониторинга наряду с биологическими методами используются физические, химические, географические, космические (например, зондирование с искусственных спутников, космических кораблей).
Проведение многих биологических исследований требует особых навыков, а также внимания, терпения и тщательности в работе. Однако известно немало открытий, сделанных в биологии очень молодыми людьми, студентами и даже школьниками. Вы также можете провести настоящее исследование с наблюдением и экспериментом и подготовить отчет о его результатах.
Каждый исследователь обязательно ведет дневник наблюдений (его также называют полевым дневником). По многовековой традиции принято делать все записи простым карандашом, так как такие записи не пропадут, даже если дневник намокнет под дождем, упадет в снег, пропитается формалином или долго пролежит на ярком солнце. Никакие чернила не выдержат подобных испытаний.
Все собранные данные необходимо грамотно обработать. Для этого созданы специальные математические формулы, которые позволяют подтвердить достоверность статистических биометрических расчетов. Как правило, достоверность результатов основана на большом числе фактов. Чем больше проведено измерений, тем выше достоверность их среднего показателя. Результаты обобщают и для наглядности оформляют в таблицы, графики и диаграммы.
< Предыдущая страница "Критерии живых систем"
Следующая страница "Значение практической биологии" >
biolicey2vrn.ru
Процесс научного познания принято разделять на две стадии: эмпирическую и теоретическую.
На эмпирической стадии используются следующие методы: описательный, сравнительный, исторический и экспериментальный.
Описательный метод является самым старым и основан на наблюдении организмов в естественных условиях. Это - непосредственное наблюдение (в буквальном смысле) за поведением, расселением, размножением животных и растений в природе, визуальное или инструментальное определение характеристик организмов. Метод заключается в сборе фактического материала и его описании. С его помощью были заложены основы биологических знаний. Достаточно вспомнить, насколько успешным оказался этот метод в создании науки о систематике организмов. Описательный метод широко используется и в наше время, особенно в зоологии, ботанике, цитологии, экологии и других науках. Для этих целей применяют как традиционные средства полевых исследований - от бинокля до глубоководных аппаратов, так и сложное лабораторное оборудование - микроскопы, спектрофотометры, ультрацентрифуги и т.д.
Сравнительный метод заключается в сравнении изучаемых организмов, их структур и функций между собой с целью выявления сходства и различий.
С помощью этого метода и в сочетании с описательным методом в XVIII в. были разработаны основы систематики растений и животных (К. Линней), сформулирована клеточная теория (М. Шлейден и Т. Шванн). Однако использование этого метода не сопровождалось выходом биологии за пределы описательной науки.
Сравнительный метод широко используют и в наше время, особенно, когда невозможно дать четкое определение понятия. Например, с помощью электронного микроскопа часто получают изображения, суть которых неясна. Проводят их сравнение со световой микроскопией, и приходит понимание.
Во второй половине XIX в. Ч. Дарвин ввёл в биологию исторический метод, который изучает историю появления живых организмов: как они появились, как развивались, как изменялись во времени их структуры и функции. Исторический метод превратил биологию из науки чисто описательной в науку, объясняющую, как произошли и как функционируют многообразные живые системы. Благодаря этому методу биология как наука поднялась на несколько ступеней выше. В настоящее время исторический метод стал всеобщим подходом к изучению явлений жизни во всех биологических науках.
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.
Впервые, еще в XVII в., предложил использовать эксперимент для познания природы английский философ Ф. Бэкон (1561-1626), а ввёл его в биологию в том же веке У. Гарвей в работах по изучению кровообращения. Однако экспериментальный метод широко вошел в биологию лишь в начале XIX в., причем через физиологию, в которой стали использовать большое количество инструментальных методик, позволявших количественно регистрировать разнообразные функции. Другим направлением, по которому в биологию вошел экспериментальный метод, оказалось изучение наследственности и изменчивости организмов. Здесь главнейшая заслуга принадлежит Г.И.Менделю, который в отличие от своих предшественников использовал эксперимент не только для получения первичных данных, но и для проверки гипотезы, которую он формулировал на основе получаемых данных. Работа Г. Менделя - классический образец методологии экспериментальной науки.
Для утверждения экспериментального метода важное значение имели работы основателя микробиологии Л. Пастера (1822-1895), который впервые ввел эксперимент для изучения брожения и опровержения теории самопроизвольного зарождения микроорганизмов, а затем для разработки вакцинации против инфекционных болезней. Во второй половине XIX в. вслед за Л. Пастером значительный вклад в разработку и обоснование экспериментального метода в микробиологии внесли Р. Кох (1843-1910), Д. Листер (1827-1912), И. И.Мечников (1845-1916), Д. И. Ивановский (1864-1920), С. Н. Виноградский (1856-1953), М. Бейеринк (1851-1931) и другие.
В XIX в. в биологию был внедрен метод моделирования, которое считают высшей формой эксперимента. Созданные Л. Пастером, Р. Кохом и другими микробиологами способы заражения лабораторных животных патогенными микроорганизмами и изучение на них патогенеза инфекционных болезней — это классический пример моделирования, перешедшего в XX в.
В это время экспериментальный метод стал широко обогащаться методами физики и химии, которые оказались исключительно ценными в сочетаниях с биологическими методами (пример: установление структуры ДНК).
Наряду с моделированием на уровне организмов в настоящее время успешно развивается моделирование на молекулярном и клеточном уровнях, а также математическое моделирование различных биологических процессов.
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 относительно 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. В начале ХХ в. русский философ, социал-демократ, врач А.А. Богданов разработал основы теории систем, присвоив ей название всеобщей организационной науки, или тектологии.
Экспериментальный метод в современном оснащении и в сочетании с системным подходом в корне преобразил биологию, углубил ее познавательные возможности, расширил представления о научной картине мира, еще больше связал ее с производством, с медициной.
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.
Методология научного познания - это учение о принципах построения, формах и способах научно-познавательной деятельности. Методология науки даёт характеристику компонентов научного исследования — его объекта, предмета анализа, задачи исследования (или проблемы), совокупности исследовательских средств, необходимых для решения задачи данного типа, а также алгоритма решения задачи. Наиболее важными точками приложения методологии являются постановка проблемы (именно здесь чаще всего совершаются методологические ошибки, приводящие к выдвижению псевдопроблем или существенно затрудняющие получение результата), выбор предмета исследования и построение научной теории, а также проверка полученного результата с точки зрения его истинности, т. е. соответствия объекту изучения.
studfiles.net
Методы исследования в биологии
1. Чем наука отличается от религии и искусства? 2. Какова основная цель науки? 3. Какие методы исследования, применяемые в биологии, вы знаете?
Наука как сфера человеческой деятельности.
Наука — одна из сфер человеческой деятельности, цель которой — изучение и познание окружающего мира. Для научного познания необходим выбор определенных объектов исследования, проблем и методов их изучения.
Каждая наука имеет свои методы исследования. Однако независимо от того, какие методы используются, для каждого ученого важнейшим всегда остается принцип «Ничего не принимай на веру». Главная задача науки — построение системы достоверного знания, основанного на фактах и обобщениях, которые можно подтвердить или опровергнуть. Научные знания постоянно берутся под сомнение и принимаются лишь при достаточных доказательствах. Научным фактом (греч. factum — сделанное) является лишь тот, который можно воспроизвести и подтвердить.
Научный метод (греч. methodos — путь исследования) — это совокупность приемов и операций, используемых при построении системы научных знаний.
Вся история развития биологии наглядно свидетельствует о том, что она определялась разработкой и применением новых методов исследования. Основными методами исследования, применяемыми в биологических науках, являются описательный, сравнительный, исторический и экспериментальный.
Описательный метод.
Он широко применялся еще учеными древности, занимавшимися сбором фактического материала и его описанием. В основе его лежит наблюдение. Практически до XVIII в. биологи в основном занимались описанием животных и растений, делали попытки первичной систематизации накопленного материала. Но описательный метод не потерял своего значения и сегодня. Например, он используется при открытии новых видов или изучении клеток с помощью современных методов исследования.
Сравнительный метод.
Он позволил выявлять сходства и различия между организмами и их частями и стал применяться в XVII в. Использование сравнительного метода позволило получить данные, необходимые для систематизации растений и животных. В XIX в. он был использован при разработке клеточной теории и обосновании теории эволюции, а также в перестройке ряда биологических наук на основе этой теории. В наше время сравнительный метод также широко применяется в различных биологических науках. Однако если бы в биологии использовались лишь описательный и сравнительный методы, то она так и осталась бы в рамках констатирующей науки.
Исторический метод.
Этот метод помогает осмыслить полученные факты, сопоставить их с ранее известными результатами. Он стал широко применяться во второй половине XIX в. благодаря работам Ч. Дарвина, который с его помощью научно обосновал закономерности появления и развития организмов, становления их структур и функций во времени и пространстве. Применение исторического метода позволило превратить биологию из науки описательной в науку, объясняющую, как произошли и как функционируют многообразные живые системы.
Экспериментальный метод.
Применение экспериментального метода в биологии связывают с именем Уильяма Гарвея, который использовал его в своих исследованиях при изучении кровообращения. Но широко применяться в биологии он начал лишь с начала XIX в., прежде всего при изучении физиологических процессов. Экспериментальный метод позволяет изучать то или иное явление жизни с помощью опыта. Большой вклад в утверждение экспериментального метода в биологии внес Г.Мендель, который, изучая наследственность и изменчивость организмов, впервые использовал эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы, формулируемой на основании получаемых результатов. Работа Г Менделя стала классическим образцом методологии экспериментальной науки.
В XX в. экспериментальный метод стал ведущим в биологии. Это стало возможным благодаря появлению новых приборов для биологических исследований (электронный микроскоп, томограф и др.) и использованию методов физики и химии в биологии.
В настоящее время в биологическом эксперименте широко используют различные виды микроскопии, включая и электронную с техникой ультратонких срезов, биохимические методы, разнообразные способы культивирования и прижизненного наблюдения культур клеток, тканей и органов, метод меченых атомов, рентгеноструктурный анализ, ультрацентрифугирование, хроматографию и т. д. Не случайно во второй половине XX в. в биологии развилось целое направление — создание новейших приборов и разработка методов исследования.
В биологических исследованиях все шире применяют моделирование, которое считают высшей формой эксперимента. Так, ведутся активные работы по компьютерному моделированию важнейших биологических процессов, основных направлений эволюции, развития экосистем или даже всей биосферы (например, в случае глобальных климатических или техногенных изменений).
Экспериментальный метод в сочетании с системно-структурным подходом коренным образом преобразил биологию, расширил ее познавательные возможности и открыл новые пути для использования биологических знаний во всех сферах человеческой деятельности.
Научный факт. Научный метод. Методы исследования: описательный, сравнительный, исторический, экспериментальный.
1. В чем заключаются основная цель и задача науки? 2. Почему можно утверждать, что развитие биологии определялось разработкой и применением новых научных методов исследования? 3. Какое значение имели описательный и сравнительный методы для развития биологии? 4. В чем сущность исторического метода? 5. Почему экспериментальный метод получил наибольшее распространение в XX в.?
Предложите методы исследования, которые вы будете применять при изучении антропогенного воздействия на какую-либо экосистему (водоем, лес, парк и т. д.).
Предложите несколько своих вариантов путей развития биологии в XXI веке.
Какие болезни, по вашему мнению, будут побеждены человечеством при помощи методов молекулярной биологии, иммунологии, генетики в первую очередь.
Научное исследование, как правило,состоит из нескольких этапов (рис. 1). На основании сбора фактов формулируется проблема. Для ее решения выдвигаются гипотезы (греч. hypothesis — предположение). Каждая гипотеза проверяется экспериментально в ходе получения новых фактов. Если полученные факты противоречат гипотезе, то она отвергается. Если гипотеза согласуется с фактами и позволяет делать верные прогнозы, то она может стать теорией (греч. theoria — исследование). Однако даже верная теория по мере накопления ноаых фактов может пересматриваться и уточняться. Наглядным примером служит теория эволюции. Некоторые теории заключаются в установлении связи между различными явлениями. Это правила и законы. Из правил возможны исключения, а законы действуют всегда. Например, закон сохра нения энергии справедлив как для живой, так и неживой природы.
Каменский А. А. Биология 10-11 класс Отправлено читателями с интернет-сайта
yaneuch.ru
ТЕМА. Предмет биологии и экологии. Классификация биологических наук
и методы исследований.
План.
Биология (от греч. bios – жизнь, logos – наука) – наука о жизни, об общих закономерностях сущуствования и развития живых существ. Предметом ее изучения являются живые организмы, их строение, функции, развитие, взаимоотношение со средой и происхождение. Она относится к естественным наукам, предметом изучения которых является живая природа.
Термин «биология» предложен в 1797 г. немецким ученым Теодором Рузом.
Биология возникла и развивалась в связи с желанием человека познать окружающий его мир, развитием общественного производства, медицины, практическими потребностями людей.
Этапы развития биологии.
В XIV в. до н. э. появляются сведения о строении животных и растений, пытаются систематизировать организмы, возникают законы по их изучению.
Аристотель – основоположник зоодогии в IV в. до н. э. разделил окружающий мир на мир земли, воды; мир растений, животных, человека и классифицировал животных на четвероногих, летающих и рыб.
Теофраст в III в. до н. э., основоположник ботаники, собрал сведения о строении и размножении растений, о различиях между однодольными и двудольными растениями.
Аристотель, Теофраст – афинская школа.
I в. н. э. Гай Плиний старший создал энциклопедию, в которой содержались сведения о животных и растениях.
II в. н. э. Клавдий Голен дал анатомическое описание человека и обезьяны и развил анатомию и физиологию.
В средние века господства религии новых знаний не получали.
В эпоху Возрождения (Ренессанса) разрушается диктатура церкви, происходит крушение феодального общества и начинает быстро развиваться естествознание, в том числе биология.
XV в. Леонардо да Винчи сделал большие открытия в ботанике, зоологии, анатомии человека.
XVI – XVII вв. с изобретением микроскопа стремительно развивается ботаника, К. Линней классифицировал животных и ввел таксономические единицы (класс – отряд – род – вид).
XVIII в. немецкий ученый Г. Лейбниц разработал учение о «лестнице существ».
XIX в. Ч. Дарвин в книге «Происхождение видов» формулирует теорию эволюции, Г. Мендель – открыл законы наследственности.
XX в. Возникает молекулярная биология и молекулярная генетика.
В наше время создана методология генетической инженерии, которая позволяет проникнуть в глубь биологических процессов для дальнейшей характеристики и создания научной картины мира.
Основная задача биологии, как науки, состоит в том, чтобы истолковать все явления живой природы, исходя из научных законов, не забавыя при этом, что целому организму присущи свойства, в корне отличающиеся от свойств частей, его составляющих.
Объектами биологии являются все живые организмы, процессы и явления в них проходящие. ^
Задачи экологии, как науки:
В ботанике в самостоятельные науки выделились дендрология (наука о деревьях и кустарниках), птеридология (наука о папоротниках), альгология (наука о водорослях), бриология (наука о мхах), биогеоботаника (наука о распространении растений), систематика, анатомия, физиология, гистология, цитология, эмбриология.
Биологические науки генетика и экология стали комплексными науками.
Генетика разделилась на общую, молекулярную, на генетику растений, животных, микроорганизмов, генетика пола, генетика поведения, популяционная генетика и эволюционная генетика.
В результате интеграции наук возникли биохимия, биофизика, радиобиология, цитогенетика, космическая биология, физико-химическая биология и другие.
Основными методами исследования в биологических науках являются:
Сравнительный метод заключается в сравнении изучаемых организмов, их структур и функций между собой с целью выявления сходств и различий. С помощью этого метода были заложены основы систематики растений и животных (К. Линней), сформирована клеточная теория (М. Шлейден, Т. Швани) и учение об основных типах развития (К.Бэр), обоснована теория эволюции.
Исторический метод (Ч.Дарвин) поставил на научные основы исследования закономерностей появления и развития организмов, становление структуры и функций организмов во времени и пространстве. Исторический метод превратил биологию из описательной науки в объясняющую. Этот метод стал всеобщим подходом к изучению явлений жизни.
Экспериментальный метод заключается в активном изучении того или иного явления путем эксперимента. Этот метод исследован Г. Менделем при изучении наследственности и изменчивости организмов, Л. Пастером для изучения брожения и вакцинации. Высшей формой эксперимента является моделирование – заражение животных поточенными микроорганизнами. Литература:
gendocs.ru
