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.
Практическое занятие № 1
Тема: «Методы исследований в биологии»
Цель: изучить основные методы исследований, применяющиеся в биологии; научиться использовать полученные знания для решения конкретных задач
Теоретические положения
Биология изучает живые системы с помощью различных методов. Основными являются наблюдение и эксперимент, к важным относится описательный, сравнительный и исторический методы; в настоящее время в биологии все большую роль играют статистические методы и метод моделирования.
Наблюдение – отправной пункт всякого естественнонаучного исследования. В биологии это особенно хорошо заметно, так как объект ее изучения – человек и окружающая его живая природа. Наблюдение как метод собирания информации – хронологически самый первый прием исследования, появившийся в арсенале биологии, а точнее, еще ее предшественницы – естественной истории. И это неудивительно, так как наблюдение опирается на чувственные способности человека (ощущение, восприятие, представление).
Наблюдения могут быть прямыми или косвенными, они могут вестись с помощью технических приспособлений или без таковых. Так, орнитолог видит птицу в бинокль и может слышать ее, а может фиксировать прибором звуки вне слышимого человеческим ухом диапазона; гистолог наблюдает с помощью микроскопа зафиксированный и окрашенный срез ткани, а, скажем, для молекулярного биолога наблюдением может быть фиксация изменения концентрации фермента в пробирке.
В наблюдении важна не только точность, аккуратность и активность наблюдателя, но и его непредвзятость, его знания и опыт, правильный выбор технических средств. Постановка задачи предполагает также наличие плана наблюдений, т.е. их планомерность.
Экспериментальный метод исследования явлений природы связан с активным воздействием на них путем проведения опытов (экспериментов) в контролируемых условиях. Этот метод позволяет изучать явления изолированно и достигать повторяемости результатов при воспроизведении тех же условиях. Эксперимент обеспечивает более глубокое, чем другие методы исследования, раскрытие сущности биологических явлений. Именно благодаря экспериментам естествознание в целом и биология частности дошли до открытия основных законов природы. Экспериментальный метод служит не только для проведения опытов, получения ответов на поставленные вопросы, но и для доведения правильности принятой в начале гипотезы или позволяет скорректировать ее.
Полный цикл экспериментального исследования состоит из нескольких стадий. Как и наблюдение, эксперимент предполагает наличие четко сформулированной цели исследования, плана, базируется на предустановках, т.е. исходных положениях. Поэтому, приступая к эксперименту, нужно определить его цели и задачи, обдумать возможные результаты. Научный эксперимент должен быть хорошо подготовлен и тщательно проведен. Кроме того, эксперимент требует определенной квалификации проводящих его исследователей.
На втором этапе выбираются конкретные приемы и средства технического воплощения и контроля. В последние полвека в биологии широко используются методы математического планирования и проведения экспериментов. Результаты проведенного опыта затем интерпретируются, что дает возможность истолковать их. Таким образом, замысел, план проведения и интерпретация результатов эксперимента в гораздо большей степени зависят от теории, чем поиски и интерпретации данных наблюдения .
Собрав фактический материал, необходимо, прежде всего, описать его. Поэтому биологические наблюдения всегда сопровождаются описанием изучаемого объекта. Под эмпирическим описанием понимается «фиксация средствами естественного или искусственного языка сведений об объектах, данных в наблюдении». Это означает, что описывать результат наблюдения можно и в числовом выражении, формулами, а также наглядным образом – с помощью рисунков, схем, графиков. Факт, полученный в результате наблюдения, может быть многозначным, так как зависит от многих привходящих обстоятельств и несет на себе отпечаток наблюдателя, места и времени события. Поэтому, строго говоря, только из наличия факта еще не следует его истинность. Иными словами, факты нуждаются в интерпретации.
Работа по описанию живой природы, проведенная в XVI–XVII вв. в биологии, имела огромное значение для ее развития. Она открыла пути к систематизации животных и растительных организмов, показав все их разнообразие. Кроме того, эта деятельность значительно расширила сведения о формах и внутреннем устройстве живых организмов.
Позже описательный метод лег в основу сравнительного и исторического методов биологии. Правильно составленные описания, произведенные в разных местах, в разное время, можно сравнивать. Это позволяет путем сопоставления изучать сходство и различие организмов и их частей. Находя закономерности, общие для разных явлений, имея в своем распоряжении соответствующие описания, биолог может сравнить размеры раковин моллюсков одного биологического вида в наши дни и при Ламарке, поведение лося в Сибири и на Аляске, рост культуры клеток при низкой и высокой температуре и так далее. Поэтому сравнительный метод получил распространение еще в XVIII веке. На его принципах была основана систематика и сделано одно из крупнейших обобщений – создана клеточная теория.
Исторический метод исследования явлений природы выясняет закономерности появления и развития биологических систем, становления их структуры и функций; является основой создания теории эволюции. С введением этого метода в биологии произошли качественные изменения: из чисто описательной науки она стала трансформироваться в науку объясняющую.
Статистический метод исследования явлений природы основывается на сборе, измерении и анализе информации.
Метод моделирования представляет собой изучение определенного процесса или явления через воссоздание его (или его свойств) в виде модели.
Указанные методы не исчерпывают всего арсенала методов, используемых биологией. Каждая биологическая наука имеет собственные методы для изучения своего предмета. Например, в микробиологии используются микроскопические методы, культвирование микроорганизмов, методы стерилизации; в генетике – близнецовый, гибридологический, феногенетический, популяционный и другие, которые будут более подробно рассмотрены на следующих занятиях.
К основным этапам научного исследования относятся следующие:
Постановка проблемы.
Формулирование темы, целей и задач исследования.
Выдвижение гипотез (научных предположений).
Планирование эксперимента, выбор методов исследования.
Проведение практической части исследования, регистрация качественных и количественных результатов.
Многократное повторение эксперимента для достоверности.
Обработка полученных результатов.
Анализ полученных результатов.
Формулировка выводов, проверка гипотез.
Определение круга нерешенных вопросов.
Оформление итогов исследования.
На основе анализа данных экспериментов или научных фактов (событий или явлений, точно установленных и многократно подтвержденных исследованиями многих ученых) может быть сформулирована теория (система наиболее общих знаний в определенной области науки) или закон - вербальное и/или математически сформулированное утверждение, которое описывает соотношения, связи между различными научными понятиями, предложенное в качестве объяснения фактов и признанное на данном этапе научным сообществом согласующимся с экспериментальными данными.
Задания
2. Используя таблицу «Важнейшие даты в биологии» (приложение 1), заполните четвертую колонку таблицы, приведя 2-3 примера использования каждого метода.
3. Выберите по три наиболее важных (с вашей точки зрения) события в развитии:
- микробиологии;
- цитологии;
- генетики.
4. В лаборатории исследовали влияние температуры на размножение бактерий. После эксперимента были получены следующие данные: при температуре 5ºС количество бактерий было равно 30, при 48 ºС – 140, при 70 ºС – 280, при 80 ºС - 279, при 100 ºС - 65. Отразите эти данные в таблице и на графике. Опишите полученную закономерность. Определите оптимальную температуру развития для данного вида бактерий.
5. Составьте примерный план эксперимента по изучению причин порчи любого выбранного вами пищевого продукта, включив обязательные пункты:
- краткое описание объекта, постановка проблемы, формулировка гипотезы;
- цель и задачи работы;
- факторы, которые вы хотите изучить;
- выходные параметры и методы их контроля, которые вы хотели бы использовать;
- количество повторностей каждого опыта;
- возможные варианты представления полученных данных;
- возможную научную и практическую ценность полученных вами результатов.
Биология: учебник для студ. мед. спец. вузов: В 2 кн. / [В.Н. Ярыгин, В.И. Васильева, И.Н. Волков, В.В. Синельщикова] ; под ред. В.Н. Ярыгина, кн.1. - 6-е изд., стер. - М. : Высшая школа, 2004. - 429 с.
Биология: учебник для студ. мед. спец. вузов: В 2 кн. / [В.Н. Ярыгин, В.И. Васильева, И.Н. Волков, В.В. Синельщикова] ; под ред. В.Н. Ярыгина, Кн.2. – 6-е изд., стер. – М. : Высшая школа, 2004. – 331 с. 27
Тейлор, Д. Биология: в 3 т. / Д. Тейлор, Н.Грин, У. Стаут; под ред. Р. Сопера; пер. с англ., Т.1. – М. : Мир, 2001. – 454 с.
Тейлор, Д. Биология: в 3 т. / Д. Тейлор, Н. Грин, У. Стаут; под ред. Р. Сопера; пер. с англ., Т.2 . - М. : Мир, 2002. - 436 с.
Тейлор, Д. Биология: в 3 т. / Д. Тейлор, Н. Грин, У. Стаут; под ред. Р. Сопера; пер. с англ., Т.3. – М. : Мир, 2002. – 451 с.
Левитина Т. П.Общая биология: Словарь понятий и терминов. СПб.: Паритет, 2002. – 538 с.
Биология [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://bse.sci-lib.com/article118100.html
Биология [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/%C1%E8%EE%EB%EE%E3%E8%FF
Пантелеев, М. Биологическая сложность - главная проблема современной биологии [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gazeta.ru/science/2011/08/14_a_3733061.shtml
Проект «Вся Биология» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://sbio.info/
Приложение 1
|
ВАЖНЕЙШИЕ ДАТЫ В РАЗВИТИИ БИОЛОГИИ |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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 наисследовании 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.
Методы биологии. Биология использует самые различные методы
исследования. К традици-онным, но сохранившим свое значение относится
описательный метод. Основные методы биологии:
· Наблюдение
и
описание
фактов и явлений (описательный метод) . Метод наблюдения дает
возможность анализировать и описывать биологические явления. На методе
наблюдения основыва-ется описательный метод. Для того, чтобы выяснить
сущность явления, необходимо прежде всего собрать и описать фактический
материал. Например, с помощью метода наблюдения можно изучить сезонные
изменения в живой природе. Наблюдение - изучение объектов живой природы в
естест-венных условиях существования. Это непосредственное наблюдение
за поведением, расселением, размножением растение и животных в природе.
Для этих целей используются как традиционные средства полевых
исследований (бинокль, видеокамеры) , так и сложное лабораторное
оборудование (микроскопы, биохимические анализаторы, разнообразная
измерительная техника) .
· Сравнение
, дающее возможность установить
сходство и различие между разными биологиче-скими структурами и
явлениями (сравнительный метод) . 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 останков
в палеонтологической летописи.
·Эксперимент
(лат. experimentum –
испытание) , в ходе которого биологические объекты и про-цессы изучаются
в искусственно созданных, точно контролируемых условиях
(экспериментальный метод) . Экспериментальный метод связан с
целенаправленным созданием системы, помогает ис-следовать свойства и
явления живой природы. Экспериментальный метод (опыт) - исследования
жи-вых объектов в условиях экстремального действия факторов среды –
измененной температуры, ос-вещенности или влажности, повышенной
нагрузки, токсичности или радиоактивности, измененного режима или места
развития (удаление или пересадка генов, клеток, органов и т. п.) .
Эксперименталь-ный метод позволяет выявить скрытые свойства, пределы
адаптивных (приспособительных) воз-можностей живых систем, степень их
гибкости, надежности, изменчивости.
·Широко используются инструментальные методы
: электрография, радиолокация и др. 
·Универсальное значение для всех отраслей биологии
имеет исторический метод – изучение всех явлений и процессов, как
этапов эволюционного развития природы. Исторический метод выяв-ляет
эволюционные преобразования биологических видов и их сообществ. Это один
из важнейших методов, служащий основой осмысления получаемых фактов.
Исторический метод выясняет зако-номерности появления и развития
организмов, становления их структуры и функций.
·Палеонтологический метод
– изучение вымерших организмов.
·Системный
метод
относится к категории новых междисциплинарных методов
исследования. Живые объекты рассматриваются как системы, то есть
совокупности элементов с определенными отношениями.
Частные (специальные) методы цитологии используют для изучения строения и функций клеток и тканей:
·Световая
микроскопия
- позволяет обнаружить ядро и некоторые органоиды клетки –
мито-хондрии, хлоропласты, аппарат Гольджи, реснички и жгутики.
·Электронная микроскопия
– позволяет изучать тонкое строение органоидов (например,
хлоропластов) , их ультраструктуру,
·Центрифугирование
- позволяет избирательно выделять и изучать
органоиды клетки;
·Метод культуры клеток
и тканей
используют для изучения строения и функций клеток.
Загрузка...
