Измерительный метод в биологии. Наблюдение, описание и измерение биологических объектов

Эксперимент - метод исследования в биологии, при котором экспериментатор сознательно изменяет условия и наблюдает, как они влияют на живые организмы. Эксперимент можно проводить как в лаборатории, так и на открытом воздухе.

В практической микробиологии используют для диагностики инфекционных болезней, выделения и идентификации чистой к-ры возбудителя, индикации и идентификации экзотоксинов. Кроме того, его широко применяют в экспериментальной микробиологии и иммунологии, а также для контроля иммунопрепаратов.

Экспериментальный метод обладает высокой чувствительностью. В случаях выделения чистой к-ры и установления иммунолических сдвигов у животного экспериментальный метод высоко специфичен и может быть использован на ранних этапах болезни. Недостатками экспериментального метода являются трудоемкость, дороговизна, продолжительность исследования, опасность лабораторного заражения. Поэтому его используют в тех случаях, если другие методы неэффективны и если имеются необходимые условия для содержания лабораторных животных.

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.

Методы исследования в науке

Биология - это наука. Что отличает науку от других сфер человеческой деятельности? Подход к изучению явлений. Этот подход - научный метод.

Научный метод - совокупность основных способов получения новых знаний и методов решения задач в рамках любой науки.
Научный метод предполагает определенный системный подход:

1. Наблюдение фактов и их измерение , т.е. описание наблюдения - количественное и\ или качественное .

2. Анализ полученных результатов - систематизация, выявление главного и второстепенного.

3. Обобщение - формулирование гипотез и потом уже - теорий .

4. Прогноз: формулирование следствий из предложенной гипотезы или принятой теории с помощью дедукции, индукции или других логических методов.

5. Проверка прогнозируемых следствий с помощью эксперимента.

Обратите внимание на 5-ый пункт. Без него нельзя считать подход научным !

Важно понимать отличие между понятиями гипотеза и теория .

· Гипотеза -это утверждение, предположение, которое ещене доказано .

Когда гипотезу доказывают, она становится теорией , теоремой или фактом. Опровергнутая гипотеза переходит в разряд ложных утверждений . Гипотеза, которая еще не доказана, но и не опровергнута, называется открытой проблемой .

· Теория - система знаний, выстроенная на доказанной научным методом гипотезе.

Почему мы говорим о цитологии как о клеточной теории - потому что этому предшествовал огромный научный процесс наблюдения, сбор статистики - качественные и количественные данные; систематизация полученных результатов, были сформулированы гипотезы и прогнозы, которые затем были экспериментально проверены и подтверждены. Более того, на основе этой теории были сделаны следующие предположения, и они тоже были экспериментально подтверждены.

Методы изучения живых объектов

· Наблюдение (эмпирический метод познания) - описание того или иного биологического объекта или процесса;

· Сравнение - необходимо для того, чтобы найти закономерности - то, что является общим для разных явлений;

· Эксперимент - создаются условия, в точности соответствующие наблюдаемым , при этом выясняются свойства биологических объектов; фиксируются качественные и количественные характеристики.

· Исторический метод - информация, сведения,данные, уже полученные и доказанные в прошлом, раскрывают и объясняют законы развития живой природы в настоящем.

Считается идеальным, когда используются все эти методы в совокупности.

Биологический эксперимент

1. Качественный эксперимент т - самый простой вид биологического эксперимента - его цель -установить наличие или отсутствие предполагаемого в теории явления.

2. Измерительный эксперимент - выявление какой-то количественной характеристика объекта или процесса.

Наблюдение, описание и измерение биологических объектов

Наблюдение - это непосредственное, целенаправленное изучение предметов, опирающееся в основном на такие чувственные способности человека, как ощущение, восприятие, представление.

Эмпирическое описание - это фиксация средствами естественного или искусственного языка сведений об объектах, данных в наблюдении.

По сути это «перевод» того, что было увидено или услышано на научный язык - понятия и определения, знаки, схемы, рисунки, графики и цифры (статистические данные).

В отличие от эксперимента, при эмпирическом методе познания нельзя вмешиваться в изучаемый процесс, нельзя влиять или изменять условия его протекания.

Для наблюдения используют так же различные технические - опосредованные средства.

Процесс естественно - научного познания существенно зависит от развития используемых наукой технических средств.

Трудно переоценить роль микроскопа в биологии. Именно благодаря ему человек открыл для себя микроорганизмы. На сегодняшний момент существуют микроскопы, позволяющие исследовать живые организмы на внутриклеточном уровне.

Статистические измерения - измерения величин, не изменяющихся во времени.

Динамические измерения - измерения величин, меняющих свое значение во времени (давление, температура, плотность популяции и т.д.)

Методы исследования в науке довольно разнообразны, но все они базируются на научных методах познания, которые отличаются определенным подходом.

Знание этой информации помогает отделить действительные научные исследования от различных широкораспространенных околонаучных экспериментов.

К основным методам науки относятся следующие:

Сравнение	Грамотно составленные описания можно сравнивать, даже если их произвели разные люди в разных странах и в разное время. Например, можно 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, строение плечевой кости у тираннозавра и современного крокодила.
Гипотеза	Различия, выявленные при сравнении описаний, можно интерпретировать при помощи предположений о причинах различий – гипотез. Например, можно предположить, увидев разный темп роста клеток при разных температурах, можно предположить, что температура влияет на скорость роста клеток.
Эксперимент	Гипотезы проверяют, искусственно изменяя условия протекания биологических процессов и проводя повторные наблюдения и описания. Например, можно выращивать клетки при разных температурах, выявляя оптимум, при котором рост максимально быстрый.

Моделирование – метод, при котором создается некий образ объекта, модель, с помощью которой ученые получают необходимые сведения об объекте. Так, например, при установлении структуры молекулы ДНК Джеймс Уотсон и Френсис Крик создали из пластмассовых элементов модель – двойную спираль ДНК, отвечающую данным рентгенологических и биохимических исследований. Эта модель вполне удовлетворяла требованиям, предъявляемым к ДНК.

Наблюдение – метод, с помощью которого исследователь собирает информацию об объекте. Наблюдать можно визуально, например за поведением животных. Можно наблюдать с помощью приборов за изменениями, происходящими в живых объектах: например, при снятии кардиограммы в течение суток, при замерах веса теленка в течение месяца. Наблюдать можно за сезонными изменениями в природе, за линькой животных и т.д. Выводы, сделанные наблюдателем, проверяются либо повторными наблюдениями, либо экспериментально.

Эксперимент (опыт) – метод, с помощью которого проверяют результаты наблюдений, выдвинутые предположения – гипотезы. Примерами экспериментов являются скрещивания животных или растений с целью получения нового сорта или породы, проверка нового лекарства, выявление роли какого-либо органоида клетки и т.д. Эксперимент – это всегда получение новых знаний с помощью поставленного опыта.

Проблема – вопрос, задача, требующие решения. Решение проблемы ведет к получению нового знания. Научная проблема всегда скрывает какое-то противоречие между известным и неизвестным. Решение проблемы требует от ученого сбора фактов, их анализа, систематизации. Примером проблемы может служить, например, такая: «Как возникает приспособленность организмов к окружающей среде?» или «Каким образом можно подготовиться к серьезным экзаменам в максимально короткие сроки?». Сформулировать проблему бывает достаточно сложно, однако всегда, когда есть затруднение, противоречие, появляется проблема.

Гипотеза – предположение, предварительное решение поставленной проблемы. Выдвигая гипотезы, исследователь ищет взаимосвязи между фактами, явлениями, процессами. Именно поэтому гипотеза чаще всего имеет форму предположения: «если … тогда». Например, «Если растения на свету выделяют кислород, то мы сможем его обнаружить с помощью тлеющей лучины, т.к. кислород должен поддерживать горение». Гипотеза проверяется экспериментально. (См. раздел Гипотезы происхождения жизни на Земле.)

Теория – это обобщение основных идей в какой-либо научной области знания. Например, теория эволюции обобщает все достоверные научные данные, полученные исследователями на протяжении многих десятилетий. Со временем теории дополняются новыми данными, развиваются. Некоторые теории могут опровергаться новыми фактами. Верные научные теории подтверждаются практикой. Так, например генетическая теория Г. Менделя и хромосомная теория Т. Моргана подтвердились многими экспериментальными исследованиями в разных странах мира. Современная эволюционная теория хотя и нашла множество научно доказанных подтверждений, до сих пор встречает противников, т.к. не все ее положения можно на современном этапе развития науки подтвердить фактами.

Частными научными методами в биологии являются:

Генеалогический метод – применяется при составлении родословных людей, выявлении характера наследования некоторых признаков.

Исторический метод – установление взаимосвязей между фактами, процессами, явлениями, происходившими на протяжении исторически длительного времени (несколько миллиардов лет). Эволюционное учение развивалось в значительной мере благодаря этому методу.Палеонтологический метод – метод, позволяющий выяснить родство между древними организмами, останки которых находятся в земной коре, в разных геологических слоях. Центрифугирование – разделение смесей на составные части под действием центробежной силы. Применяется при разделении органоидов клетки, легких и тяжелых 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 более частными методами исследования. У каждой науки есть свой объект, и свой предмет исследования. У биологии объектом исследования является ЖИЗНЬ. Носители жизни – живые тела. Все, что связано с их существованием, изучает биология. Предмет изучения науки всегда несколько уже, ограниченнее, чем объект. Так, например, кого-то из ученых интересует обмен веществорганизмов. Тогда объектом изучения будет жизнь, а предметом изучения – обмен веществ. С другой стороны, обмен веществ тоже может быть объектом исследования, но тогда предметом исследования будет одна из его характеристик, например обмен белков, или жиров, или углеводов. Это важно понять, т.к. вопросы о том, что является объектом исследования той или иной науки встречаются в экзаменационных вопросах. Кроме того, это важно для тех, кто в будущем будет заниматься наукой.

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.

·Моделирование – построение и изучение моделей (схем, графиков, описаний) процессов и явлений, которое стало все шире применяться с развитием компьютерных технологий. С помощью метода моделирования изучается какое-либо явление через его модель.
·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.

·Биохимический метод позволяет выделять и изучать вещества, входящие в состав организ-мов, их превращения, позволяет выявлять наследственные нарушения обмена веществ.
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.