Наука биология. Методы изучения биологии
Биология — наука о живых организмах.
Термин «биология» ввел французский ученый эволюционист Жан Батист Ламарк в 1802 г.
Становление самой науки началось значительно раньше. Сведения биологического характера встречаются в письменных источниках еще в трудах философов и натуралистов Древнего мира.
Причины, побудившие людей изучать биологические явления:
питание дарами природы — охота и собирательство;
первая одежда — шкуры животных;
строительный материал — использование растительного сырья;
медицина — использование лекарственных растений, понятие об ядовитых растениях;
позднее:
одомашнивание животных;
сельское хозяйство: интуитивная селекция животных и растений.
Биология — наука фундаментальная и комплексная.
Фундаментальная, т. к. является теоретической основой (фундаментом) для прикладных дисциплин: медицины, ветеринарии, агрономии, зоотехники, психологии, пищевой промышленности, фармакологии, биотехнологии и селекции.
Комплексная, т. к. представляет собой комплекс биологических наук.
По мере накопления фактического материала биология разделилась на несколько исследовательских областей. Биологические науки разделились по объектам исследования.
ПО СИСТЕМАТИЧЕСКИМ КАТЕГОРИЯМ:
вирусология (царство вирусы);
микробиология, бактериология (царство бактерии);
ботаника (царство растения);
микология (царство грибы);
зоология (царство животные):
арахнология (класс паукообразные)
акарология (отряд клещи)
энтомология (класс насекомые)
колеоптерология (отряд жесткокрылые, или жуки)
лепидоптерология (отряд чешуекрылые, или бабочки)
ихтиология (надкласс рыбы)
орнитология (класс птицы)
териология (класс млекопитающие)
ПО УРОВНЯМ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ:
молекулярная биология — на молекулярном уровне;
цитология, цитогенетика — на клеточном уровне;
морфология и физиология — на организменном уровне;
экология, популяционная экология — на популяционно-видовом, биогеоценотическом и биосферном уровне.
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИЗУЧАЕМЫХ ПРОЦЕССОВ:
генетика — наука о процессах наследственности и изменчивости;
эмбриология — наука об эмбриональном развитии;
теория эволюции — наука об эволюционном учении;
этология — наука о поведении животных;
общая биология — наука о закономерностях и процессах, общих для живой природы.
Современная биология опирается на достижения других наук — физики, химии, математики.
На стыке наук выделились пограничные области биологии:
биофизика — наука о физических закономерностях в живой природе;
биохимия — наука о химических процессах в живых организмах;
молекулярная биология — наука изучающая процессы, происходящие в живых организмах на молекулярном уровне, в т.ч. механизмы хранения, передачи и реализации генетической информации;
биокибернетика — наука о принципах хранения информации и управления живыми системами;
бионика — прикладная дисциплина, использующая принципы работы живых организмов в технике;
биотехнология — прикладная дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов для промышленного получения ценных для человека веществ.
МЕТОДЫБИОЛОГИЧЕСКОГО ПОЗНАНИЯ
Первые методы изучения биологии:
· наблюдение;
· описание;
· сравнение;
· классификация полученных знаний.
Биология являлась описательной наукой.
Научный метод познания включает в себя наблюдение, формулировку гипотез, эксперимент, моделирование, анализ результатов и выведение общих закономерностей.
Наблюдение — это целенаправленное восприятие объектов и явлений с помощью органов чувств или приборов, обусловленное задачей деятельности. Основным условием научного наблюдения является его объективность, т. е. возможность проверки полученных данных путем повторного наблюдения или применения иных методов исследования, например эксперимента. Полученные в результате наблюдения факты называются данными. Они могут быть как качественными (описывающими запах, вкус, цвет, форму и т. д.), так и количественными, причем количественные данные являются более точными, чем качественные.
На основе данных наблюдений формулируется гипотеза — предположительное суждение о закономерной связи явлений. Гипотеза подвергается проверке в серии экспериментов. Экспериментом называется научно поставленный опыт, наблюдение исследуемого явления в контролируемых условиях, позволяющих выявить характеристики данного объекта или явления. Высшей формой эксперимента является моделирование — исследование каких-либо явлений, процессов или систем объектов путем построения и изучения их моделей. По существу это одна из основных категорий теории познания: на идее моделирования базируется любой метод научного исследования — как теоретический, так и экспериментальный.
Результаты эксперимента и моделирования подвергаются тщательному анализу. Анализом называют метод научного исследования путем разложения предмета на составные части или мысленного расчленения объекта путем логической абстракции. Анализ неразрывно связан с синтезом. Синтез — это метод изучения предмета в его целостности, в единстве и взаимной связи его частей. В результате анализа и синтеза наиболее удачная гипотеза исследования становится рабочей гипотезой, и если она способна устоять при попытках ее опровержения и по-прежнему удачно предсказывает ранее необъясненные факты и взаимосвязи, то она может стать теорией.
Под теорией понимают такую форму научного знания, которая дает целостное представление о закономерностях и существенных связях действительности. Общее направление научного исследования состоит в достижении более высоких уровней предсказуемости. Если теорию не способны изменить никакие факты, а встречающиеся отклонения от нее регулярны и предсказуемы, то ее можно возвести в ранг закона — необходимого, существенного, устойчивого, повторяющегося отношения между явлениями в природе.
По мере увеличения совокупности знаний и совершенствования методов исследования гипотезы и прочно укоренившиеся теории могут оспариваться, видоизменяться и даже отвергаться, поскольку сами научные знания по своей природе динамичны и постоянно подвергаются критическому переосмыслению.
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.
Современные методы изучения биологии:
| Название метода | Характеристика |
| Метод наблюдения и описания | Сбор и описание фактов |
| Метод измерений | Измерение характеристик объектов |
| Сравнительный метод | Анализ сходства и различий изучаемых объектов |
| Исторический метод | Изучение хода развития исследуемого объекта |
| Метод эксперимента | Изучение явления природы в заданных условиях |
| Метод моделирования | Описание сложных природных явлений относительно простыми моделями |
| Метод прогнозирования | Предсказание будущего объекта или процесса |
Частные научные методы биологии:
генеалогический – применяется при составлении родословных людей;
исторический – установление взаимосвязей между фактами, процессами, явлениями, происходившими на протяжении исторически длительного времени;
палеонтологический – выяснение родства между древними организмами, останки которых находятся в земной коре, в разных геологических слоях;
центрифугирование – разделение смесей на составные части под действием центробежной силы;
цитологический (цитогенетический) – исследование строения клетки, ее структур с помощью различных микроскопов;
биохимический – исследование химических процессов, происходящих в организме.
Рассмотрим примеры.
| Методы исследования биологии | Пример |
| Генеалогический | 1. Изучение родословных линий различных семей. 2. Составление генеалогических деревьев. 3. Определение наследования заболеваний (сахарный диабет, врожденная глухота, шизофрения, катаракта и др.) |
| Исторический | 1. Выяснение закономерности появления и развития организмов, становления их структуры и функций (Теория Ч.Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора или сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь»). |
| Палеонтологический | Луи Долло вывел «закон о необратимости эволюции», согласно которому организм не может вернуться даже частично к предшествующему состоянию, уже осуществленному в ряду его предков. Приспособления к этим условиям будут достигнуты уже иным путем, а следы промежуточного этапа навсегда сохранятся. |
| Центрифугирование | Изучение строения и состава органоидов клетки. Измельченные ткани с разрушенными клеточными оболочками помещают в пробирки и вращают в центрифуге с большой скоростью. Метод основан на том, что различные клеточные органоиды имеют разную массу и плотность. Более плотные органоиды осаждаются в пробирке при низких скоростях центрифугирования, менее плотные - при высоких. |
| Цитологический (цитогенетический) | 1. Используется в селекции растений для определения хромосомного состава растительных клеток. Исследования оказывают большую помощь в планировании экспериментальных скрещиваний и оценке полученных результатов. 2. Проводится цитологический анализ клеток человека: он позволяет выявить некоторые наследственные заболевания, связанные с изменением числа и формы хромосом (синдром Дауна). 3.Применяется при диагностике злокачественных новообразований. |
| Биохимический | Выяснение материального состава растительных и животных тканей (эпителиальная, соединительная, мышечная и нервная) и химических процессов (синтез и транспорт белков и др.), происходящих в организме. |
| близнецовый | сравнение признаков монозиготных и дизиготных близнецов; используется для определения степени влияния генотипа и условий среды на проявление того или иного признака |
| гибридологический | получение гибридов и анализ расщепления их признаков в ряду поколений; используется в генетике, для анализа характера наследования признаков |
| метод меченых атомов | использование радиоактивных изотопов для определения места включения в организм тех веществ, в состав которых они входят; с его помощью изучают обмен веществ |
| рентгеноструктурный анализ | использование явления дифракции рентгеновских лучей на кристаллических решетках молекул; используется в изучении структуры ДНК, третичной структуры белков |
| световая микроскопия | изучение биологических объектов при помощи светового микроскопа; изучение крупных частей клетки: ядра, хлоропластов, вакуолей; изучение одноклеточных организмов |
| электронная микроскопия | изучение биологических объектов при помощи электронного микроскопа; изучение мелких частей клетки: митохондрий, рибосом, центриолей и т.д. |