Обществознание 

Методы изучения биологических объектов и явлений. Современные методы исследований в биологии

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.

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 еще не 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 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.)

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.

Биологические науки

ПО СИСТЕМАТИЧЕСКИМ КАТЕГОРИЯМ:

  • вирусология (царство вирусы);
  • микробиология, бактериология (царство бактерии);
  • ботаника (царство растения);
  • микология (царство грибы);
  • зоология (царство животные):

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.
Агробиология Прикладная наука, обобщающая знания из области биологии, имеющие отношение к выращиванию культурных растений (растениеводству) и разведению домашних животных (животноводству)
Альгология Раздел ботаники, изучающей водоросли
Анатомия человека Наука о строении, форме человеческого организма, его органов и образующих их тканей
Биогеоценология Биологическая дисциплина, изучающая растительные и животные сообщества в их совокупности, т.е. биоценозы, их состав, развитие, распределение в пространстве и во времени, происхождение
Биометрия Раздел статистики, с помощью методов которого производят обработку экспериментальных данных и наблюдений, а также планирование количественных экспериментов в биологических исследованиях
Биотехнология Интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производные для создания и модификации продуктов или процессов различного назначения
Биофизика Раздел физики и современной биологии, изучающий физические аспекты живого на всех уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом
Биохимия Наука о химическом составе живых клеток. организмов и о химических процессах, лежащих в основе их жизнедеятельности
Ботаника Система наук, изучающая растительный мир, его многообразие, строение, жизнедеятельность, распространение растений, связь со средой обитания, закономерности индивидуального и исторического развития
Бриология Раздел биологии, изучающей мхи
Вирусология Раздел биологии, изучающей вирусы
Генетика Наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости организма
Гидробиология Наука о жизни и биологических процессах в воде
Гистология Раздел биологии, изучающей строение тканей живых организмов
Дендрология Раздел ботаники, изучающей древесные растения (деревья, кустарники и кустарнички)
Зоология Система наук, изучающих животный мир, его многообразие, строение, жизнедеятельность, распространение животных, связь со средой обитания, закономерности индивидуального и исторического развития
Ихтиология Раздел зоологии, изучающий рыб
Микология Наука о грибах
Микробиология Наука, изучающая микроорганизмы (невидимые невооруженным глазом): бактерии, микроскопические грибы и водоросли
Молекулярная биология комплекс биологических наук, изучающих механизмы хранения, передачи и реализации генетической информации, строение и функции нерегулярных биополимеров (белков и НК)
Морфология Наука, изучающая внешнее (форму, структуру, цвет) и внутреннее строение живого организма и составных частей
Орнитология Раздел зоологии, изучающий птиц
Психофизиология Междисциплинарная область на стыке психологии, физиологии и математики, изучающая объективно регистрируемые сдвиги физиологических функций, сопровождающих психические процессы восприятия, запоминания, мышления, эмоций
Социобиология Междисциплинарная наука, сформировавшаяся на стыке нескольких научных дисциплин, объясняющая поведение живых существ набором определенных преимуществ, выработавшихся в ходе эволюции
Физиология человека Наука о процессах жизнедеятельности (функциях) и механизмах их регулирования в клетках, тканях, органах, системах органов и целостном организме
Цитология Наука о клетке, изучающая строение и функции клеток, их химический состав, развитие и взаимосвязи в многоклеточных организмах
Энтомология Раздел биологии, изучающий насекомых
Этология Полевая дисциплина зоологии, изучающая поведение животных в естественных условиях.

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 - древнейший, связанный с наблюдением и описанием объектов или явлений, определением их свойств.

Сравнительный

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

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

Исторический метод позволяет обнаружить закономерности возникновения и развития живых существ.

Моделирование и статистический метод невозможны без применения электронно-вычислительной техники.

Моделирование

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

Статистический (математический) метод применяется для обработки числовых данных, полученных с помощью других методов (эмпирических). Используют также для проверки степени достоверности полученных результатов.

Наблюдение

Наблюдение - это исследование внешних признаков и видимых изменений объекта на протяжении определённого промежутка времени. Например, наблюдение за ростом и развитием проростка.

Наблюдение - это отправной пункт всякого естественнонаучного исследования.

В биологии это особенно хорошо заметно, так как объект её изучения - человек и окружающая его живая природа. Уже в школе на уроках зоологии, ботаники, анатомии детей учат проведению самых простых биологических исследований путём наблюдения за ростом и развитием растений и животных, за состоянием собственного организма.

Наблюдение как метод собирания информации - хронологически самый первый приём исследования, появившийся в арсенале биологии, а точнее, ещё её предшественницы - естественной истории. И это неудивительно, так как наблюдение опирается на чувственные способности человека (ощущение, восприятие, представление). Классическая биология - это биология по преимуществу наблюдательная. Но, тем не менее, этот метод не утратил своего значения и по сей день.

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 её, а может фиксировать прибором звуки вне слышимого человеческим ухом диапазона. Гистолог наблюдает с помощью микроскопа зафиксированный и окрашенный срез ткани. А для молекулярного биолога наблюдением может быть фиксация изменения концентрации фермента в пробирке.

Важно понимать, что научное наблюдение, в отличие от обыденного, есть не простое, но целенаправленное изучение объектов или явлений: оно ведётся для решения поставленной задачи, и внимание наблюдателя не должно рассеиваться. Например, если стоит задача изучить сезонные миграции птиц, то мы будем замечать сроки их появления в местах гнездования, а не что-либо иное. Таким образом, наблюдение -- это избирательное выделение из действительности определенной части, иначе говоря, аспекта, и включение этой части в изучаемую систему.

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. [Кабакова Д.В. Наблюдение, описание и эксперимент как основные методы биологии // Проблемы и перспективы развития образования: материалы междунар. науч. конф. (г. Пермь, апрель 2011 г.).Т. I. Пермь: Меркурий, 2011. С. 16-19.].

Описательный метод

Описательный метод - это фиксирование наблюдаемых внешних признаков объектов исследования с выделением существенного и отбрасыванием несущественного. Этот метод стоял у истоков биологии, как науки, но ее развитие было бы невозможно без применения других методов исследования.

Описательные методы позволяют вначале описывать, а затем анализировать явления, происходящие в живой природе, сравнивать их, находя определённые закономерности, а также обобщать, открывать новые виды, классы и прочее. Описательные методы начали использоваться ещё в древности, но на сегодняшний день не утратили своей актуальности и широко применяются в ботанике, этологии, зоологии и т. д.

Сравнительный метод

Сравнительный метод - это исследование сходства и различия в строении, протекании жизненных процессов и поведении различных объектов. Например, сравнение особей разного пола, приндлежащих к одному биологическому виду.

Позволяет изучать объекты исследования путём их сравнения между собой или с другим объектом. Позволяет выявлять сходства и различия живых организмов, а также их частей. Полученные данные дают возможность объединять исследованные объекты в группы по признакам сходства в строении и происхождении. На основе сравнительного метода, например, строится систематика растений и животных. Этот метод использовался также при создании клеточной теории и для подтверждения теории эволюции. В настоящее время он применяется практически во всех направлениях биологии.

Этот метод утвердился в биологии в XVIII в. и оказался очень плодотворным в решении многих крупнейших проблем. С помощью этого метода и в сочетании с описательным методом были получены сведения, позволившие в XVIII в. заложить основы систематики растений и животных (К. Линней), а в XIX в. сформулировать клеточную теорию (М. Шлейден и Т. Шванн) и учение об основных типах развития (К. Бэр). Метод широко применялся в XIX в. в обосновании теории эволюции, а также в перестройке ряда биологических наук на основе этой теории. Однако использование этого метода не сопровождалось выходом биологии за пределы описательной науки. Сравнительный метод широко применяется в разных биологических науках и в наше время. Сравнение приобретает особую ценность тогда, когда невозможно дать определение понятия. Например, с помощью электронного микроскопа часто получают изображения, истинное содержание которых заранее неизвестно. Только сравнение их со светомикроскопическими изображениями позволяет получить желаемые данные.

Исторический метод

Позволяет выявить закономерности образования и развития живых систем, их структур и функций, сопоставлять их с ранее известными фактами. Данный метод, в частности, успешно использовался Ч. Дарвином для построения его эволюционной теории и способствовал превращению биологии из описательной науки в науку объясняющую.

Во второй половине XIX в. благодаря работам Ч. Дарвина исторический метод поставил на научные основы исследование закономерностей появления и развития организмов, становления структуры и функций организмов во времени и пространстве. С введением этого метода в биологии произошли значительные качественные изменения. Исторический метод превратил биологию из науки чисто описательной в науку объясняющую, которая объясняет, как произошли и как функционируют многообразные живые системы. В настоящее время исторический метод, или "исторический подход" стал всеобщим подходом к изучению явлений жизни во всех биологических науках.

Экспериментальный метод

Эксперимент - это проверка верности выдвинутой гипотезы с помощью целенаправленного воздействия на объект.

Эксперимент (опыт) - искусственное создание в контролируемых условиях ситуации, которая помогает выявить глубоко скрытые свойства живых объектов.

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.

Экспериментальные методы в биологии служат не только для проведения опытов и получения ответов на интересующие вопросы, но и для определения правильности сформулированной в начале изучения материала гипотезы, а также для её корректировки в процессе работы. В двадцатом столетии данные способы исследования становятся ведущими в этой науке благодаря появлению современного оборудования для проведения опытов, такого как, например, томограф, электронный микроскоп и прочее. В настоящее время в экспериментальной биологии широко используются биохимические приёмы, рентгеноструктурный анализ, хроматография, а также техника ультратонких срезов, различные способы культивирования и многие другие. Экспериментальные методы в сочетании с системным подходом расширили познавательные возможности биологической науки и открыли новые дороги для применения знаний практически во всех сферах деятельности человека.

Вопрос об эксперименте как одной из основ в познании природы, был поставлен ещё в XVII в. английским философом Ф. Бэконом (1561-1626). Его введение в биологию связано с работами В. Гарвея в XVII в. 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 регистрировать и количественно характе- ризовать приуроченность функций к структуре. Благодаря трудам Ф. Мажанди (1783-1855), Г. Гельмгольца (1821-1894), И.М. Сеченова (1829-1905), а также классиков эксперимента К. Бернара (1813-1878) и И.П. Павлова (1849-1936) физиология, вероятно, первой из биологических наук стала экспериментальной наукой.

Другим направлением, по которому в биологию вошел экспериментальный метод, оказалось изучение наследственности и изменчивости организмов. Здесь главнейшая заслуга принадлежит Г. Менделю, который, в отличие от своих предшественников, использовал эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы, формулируемой на основе получаемых данных. Работа Г. Менделя явилась классическим образцом методологии экспериментальной науки.

В обосновании экспериментального метода важное значение имели работы, выполненные в микробиологии Л. Пастером (1822-1895), который впервые ввёл 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- 1890), М. Бейерник (1851-1931) и др. В XIX в. биология обогатилась также созданием методических основ моделирования, которое является также высшей формой эксперимента. Изобретение Л. Пастером, Р. Кохом и другими микробиологами способов заражения лабораторных животных патогенными микроорганизмами и изучение на них патогенеза инфекционных болезней - это классический пример моделирования, перешедшего в XX в. и дополненного в наше время моделированием не только разных болезней, но и различных жизненных процессов, включая происхождение жизни.

Начиная, например, с 40-х гг. XX в. экспериментальный метод в биологии подвергся значительному усовершенствованию за счет повышения разрешающей способности многих биологических методик и разработки новых экспериментальных приемов. Так, была повышена разрешающая способность генетического анализа, ряда иммунологических методик. В практику исследований были введены культивирование соматических клеток, выделение биохимических мутантов микроорганизмов и соматических клеток и т. д. Экспериментальный метод стал широко обогащаться методами физики и химии, которые оказались исключительно ценными не только в качестве самостоятельных методов, но и в сочетании с биологическими методами. Например, структура и генетическая роль ДНК были выяснены в результате сочетанного использования химических методов выделения ДНК, химических и физических методов определения ее первичной и вторичной структуры и биологических методов (трансформации и генетического анализа бактерий), доказательства ее роли как генетического материала.

В настоящее время экспериментальный метод характеризуется исключительными возможностями в изучении явлений жизни. Эти возможности определяются использованием микроскопии разных видов, включая электронную с техникой ультратонких срезов, биохимических методов, высокоразрешающего генетического анализа, иммунологических методов, разнообразных методов культивирования и прижизненного наблюдения в культурах клеток, тканей и органов, маркировки эмбрионов, оплодотворения в пробирке, метода меченых атомов, рентгеноструктурного анализа, ультрацентрифугирования, спектрофотометрии, хроматографии, электрофореза, секвенирования, конструкции биологически активных рекомбинантных молекул ДНК и т. д. Новое качество, заложенное в экспериментальном методе, вызвало качественные изменения и в моделировании. Наряду с моделированием на уровне органов в настоящее время развивается моделирование на молекулярном и клеточном уровнях.

Моделирование

Моделирование основывается на таком приёме, как аналогия - это умозаключение о сходстве объектов в определенном отношении на основе их сходства в ряде иных отношений.

Модель - это упрощённая копия объекта, явления или процесса, заменяющая их в определённых аспектах.

Моделирование - это, соответственно, создание упрощённой копии объекта, явления или процесса.

Моделимрование:

  • 1) создание упрощённых копий объектов познания;
  • 2) исследование объектов познания на их упрощённых копиях.

Метод моделирования - это исследование свойств определенного объекта посредством изучения свойств другого объекта (модели), более удобного для решения задач исследования и находящегося в определенном соответствии с первым объектом.

Моделирование (в широком смысле) - это основной метод исследования во всех областях знаний. Методы моделирования используются для оценок характеристик сложных систем и принятия научно обоснованных решений в разных сферах человеческой деятельности. Существующую или проектируемую систему можно эффективно исследовать с помощью математических моделей (аналитических и имитационных) с целью оптимизации процесса функционирования системы. Модель системы реализуется на современных компьютерах, которые в этом случае выступают в качестве инструмента экспериментатора с моделью системы.

Моделирование позволяет изучать какой-либо процесс или явление, а также направления эволюции путём воссоздания их в виде более простого объекта при помощи современных технологий и оборудования.

Теория моделирования - теория замещения объекта-оригинала его моделью и исследования свойств объекта на его модели .Модель (объекта-оригинала) (от лат. modus - «мера», «объем», «образ») - вспомогательный объект, отражающий наиболее существенные для исследования закономерности, суть, свойства, особенности строения и функционирования объекта-оригинала .

Когда говорят о моделировании, обычно имеют в виду моделирование некоторой системы.

Система - совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных для реализации общей цели, обособленная от окружающей среды и взаимодействующая с ней как целостное целое и проявляющая при этом основные системные свойства. В выделено 15 основных системных свойств, к которым относятся: эмергентность (эмерджентность); цельность; структурированность; целостность; подчиненность цели; иерархичность; бесконечность; эргатичность; открытость; необратимость; единство структурной устойчивости и неустойчивости; нелинейность; потенциальная многовариантность актуальных структур; критичность; непредсказуемость в критической области.

При моделировании систем используют два подхода: классический (индуктивный), сложившийся исторически первым, и системный, получивший развитие в последнее время .

Классический подход. Исторически первым сложился классический подход к изучению объекта, моделированию системы. Реальный объект, подлежащий моделированию, разбивается на подсистемы, выбираются исходные данные (Д) для моделирования и ставятся цели (Ц), отражающие отдельные стороны процесса моделирования. По отдельной совокупности исходных данных ставится цель моделирования отдельной стороны функционирования системы, на базе этой цели формируется некоторая компонента (К) будущей модели. Совокупность компонент объединяется в модель.

Т.о. происходит суммирование компонент, каждая компонента решает свои собственные задачи и изолирована от других частей модели. Применим подход только для простых систем, где можно не учитывать взаимосвязи между компонентами. Можно отметить две отличительные стороны классического подхода: 1) наблюдается движение от частного к общему при создании модели; 2) созданная модель (система) образуется путем суммирования отдельных ее компонент и не учитывает возникновение нового системного эффекта.

Системный подход - методологическая концепция, основанная на стремлении построить целостную картину изучаемого объекта с учетом важных для решаемой задачи элементов объекта, связей между ними и внешних связей с другими объектами и окружающей средой. С усложнением объектов моделирования возникла необходимость их наблюдения с более высокого уровня. В этом случае разработчик рассматривает данную систему как некоторую подсистему более высокого ранга. Например, если ставится задача проектирования АСУ предприятия, то с позиции системного подхода нельзя забывать, что эта система является составной частью АСУ объединением. В основе системного подхода лежит рассмотрение системы как интегрированного целого, причем это рассмотрение при разработке начинается с главного - формулировки цели функционирования. Важным для системного подхода является определение структуры системы - совокупности связей между элементами системы, отражающих их взаимодействие.

Существуют структурные и функциональные подходы к исследованию структуры системы и ее свойств.

При структурном подходе выявляются состав выделенных элементов системы и связи между ними.

При функциональном подходе рассматриваются алгоритмы поведения системы (функции - свойства, приводящие к достижению цели).

Виды моделирования:

  • 1. Предметное моделирование, при котором модель воспроизводит геометрические, физические, динамические или функциональные характеристики объекта. Например, модель моста, плотины, модель крыла самолета и т.д.
  • 2. Аналоговое моделирование, при котором модель и оригинал описываются единым математическим соотношением. Примером могут служить электрические модели, используемые для изучения механических, гидродинамических и акустических явлений.
  • 3. Знаковое моделирование, при котором в роли моделей выступают схемы, чертежи, формулы. Роль знаковых моделей особенно возросла с расширением масштабов применения ЭВМ при построении знаковых моделей.

Со знаковым тесно связано мысленное моделирование, при котором модели приобретают мысленно наглядный характер. Примером может в данном случае служить модель атома, предложенная в свое время Бором.

4. Модельный эксперимент. Наконец, особым видом моделирования является включение в эксперимент не самого объекта, а его модели, в силу чего последний приобретает характер модельного эксперимента. Этот вид моделирования свидетельствует о том, что нет жесткой грани между методами эмпирического и теоретического познания.

С моделированием органически связана идеализация - мысленное конструирование понятий, теорий об объектах, не существующих и не осуществимых в действительности, но таких, для которых существует близкий прообраз или аналог в реальном мире. Примерами построенных этим методом идеальных объектов являются геометрические понятия точки, линии, плоскости и т.д. С подобного рода идеальными объектами оперируют все науки - идеальный газ, абсолютно черное тело, общественно-экономическая формация, государство и т.д.

Методы моделирования

  • 1. Натурное моделирование - эксперимент на самом исследуемом объекте, который при специально подобранных условиях опыта служит моделью самого себя.
  • 2. Физическое моделирование - эксперимент на специальных установках, сохраняющих природу явлений, но воспроизводящих явления в количественно измененном масштабированном виде.
  • 3. Математическое моделирование - использование моделей по физической природе, отличающихся от моделируемых объектов, но имеющих сходное математическое описание. Натурное и физическое моделирование можно объединить в один класс моделей физического подобия, так как в обоих случаях модель и оригинал одинаковы по физической природе.

Методы моделирования можно классифицировать на три основные группы: аналитические, численные и имитационные .

  • 1. Аналитические методы моделирования. Аналитические методы позволяют получить характеристики системы как некоторые функции параметров ее функционирования. Таким образом, аналитическая модель представляет собой систему уравнений, при решении которой получают параметры, необходимые для расчета выходных характеристик системы (среднее время обработки задания, пропускную способность и т.д.). Аналитические методы дают точные значения характеристик системы, но применяются для решения только узкого класса задач. Причины этого заключается в следующем. Во-первых, вследствие сложности большинства реальных систем их законченное математическое описание (модель) либо не существует, либо еще не разработаны аналитические методы решения созданной математической модели. Во-вторых, при выводе формул, на которых основываются аналитические методы, принимаются определенные допущения, которые не всегда соответствуют реальной системе. В этом случае от применения аналитических методов приходится отказываться.
  • 2. Численные методы моделирования. Численные методы предполагают преобразование модели к уравнениям, решение которых возможно методами вычислительной математики. Класс задач, решаемых этими методами, значительно шире. В результате применения численных методов получают приближенные значения (оценки) выходных характеристик системы с заданной точностью.
  • 3. Имитационные методы моделирования. С развитием вычислительной техники широкое применение получили имитационные методы моделирования для анализа систем, преобладающими в которых являются стохастические воздействия.

Суть имитационного моделирования (ИМ) заключается в имитации процесса функционирования системы во времени, с соблюдением таких же соотношений длительности операций как в системе оригинале. При этом имитируются элементарные явления, составляющие процесс, сохраняется их логическая структура, последовательность протекания во времени. В результате применения ИМ получают оценки выходных характеристик системы, которые необходимы при решении задач анализа, управления и проектирования.

В биологии, 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.

В основу классификации видов моделирования можно положить различные признаки . В зависимости от характера изучаемых процессов в системе моделирование может быть разделено на детерминированное и стохастическое; статическое и динамическое; дискретное и непрерывное.

Детерминированное моделирование применяется для исследования систем, поведение которых можно абсолютно точно предвидеть. Например, путь, пройденный автомобилем, при равноускоренном движении в идеальных условиях; устройство, возводящее в квадрат число и т.п. Соответственно в этих системах протекает детерминированный процесс, который адекватно описывается детерминированной моделью.

Стохастическое (теоретико-вероятностное) моделирование применяется для исследования системы, состояние которой зависит не только от контролируемых, но и от неконтролируемых воздействий или в ней самой есть источник случайности. К стохастическим системам относятся все системы, которые включают человека, например, заводы, аэропорты, вычислительные системы и сети, магазины, предприятия бытового обслуживания и т.п.

Статическое моделирование служит для описания систем в какой-либо момент времени.

Динамическое моделирование отражает изменение системы во времени (выходные характеристики системы в данный момент времени определяются характером входных воздействий в прошлом и настоящем). Примером динамических систем являются биологические, экономические, социальные системы; такие искусственные системы как завод, предприятие, поточная линия и т.п.

Дискретное моделирование применяют для исследования систем, в которых входные и выходные характеристики измеряется или изменяется во времени дискретно, в противном случае применяют непрерывное моделирование. Например, электронные часы, электросчетчик - дискретные системы; солнечные часы, нагревательные приборы - непрерывные системы.

В зависимости от формы представления объекта (системы) можно выделить мысленное и реальное моделирование.

При реальном (натурном) моделировании исследование характеристик системы проводится на реальном объекте, либо на его части. Реальное моделирование - наиболее адекватно, но его возможности, с учетом особенностей реальных объектов, ограничены. Например, проведение реального моделирования с АСУ предприятия требует, во-первых, создания АСУ; во-вторых, проведения экспериментов с предприятием, что невозможно. К реальному моделированию относят производственный эксперимент и комплексные испытания, которые обладают высокой степенью достоверности. Другой вид реального моделирования - физическое. При физическом моделировании исследование проводится на установках, которые сохраняют природу явления и обладают физическим подобием.

Мысленное моделирование применяется для моделирования систем, которые практически не реализуемы на заданном интервале времени. В основе мысленного моделирования лежит создание идеальной модели, основанной на идеальной, мыслительной аналогии. Различают два вида мысленного моделирования: образное (наглядное) и знаковое.

При образном моделировании на базе представлений человека о реальных объектах создаются различные наглядные модели, отображающие явления и процессы, протекающие в объекте. Например, модели частиц газов в кинетической теории газов в виде упругих шаров, воздействующих друг на друга во время столкновения.

При знаковом моделировании описывают моделируемую систему с помощью условных знаков, символов, в частности, в виде математических, физических и химических формул. Наиболее мощный и развитый класс знаковых моделей представляют математические модели.

Математическая модель - это искусственно созданный объект в виде математических, знаковых формул, который отображает и воспроизводит структуру, свойства, взаимосвязи и отношения между элементами исследуемого объекта . Далее рассматриваются только математические модели и соответственно математическое моделирование.

Математическое моделирование - метод исследования, основанный на замене исследуемого объекта-оригинала его математической моделью и на работе с ней (вместо объекта) . Математическое моделирование можно разделить на аналитическое (АМ), имитационное (ИМ), комбинированное (КМ).

При АМ создается аналитическая модель объекта в виде алгебраических, дифференциальных, конечно-разностных уравнений. Аналитическая модель исследуется либо аналитическими методами, либо численными методами.

При ИМ создается имитационная модель, используется метод статистического моделирования для реализации имитационной модели на компьютере.

При КМ проводится декомпозиция процесса функционирования системы на подпроцессы. Для тех из них, где это возможно, используют аналитические методы, в противном случае - имитационные.

Математические методы

Сравнение и группировка объектов; различение и разделение групп; определение места объекта (группы) в ранее описанной системе (идентификация). Взаимосвязи и зависимости; особенности анализа процессов.

Разделение признаков (переменных) на независимые - факторы и зависимые - "отклики"; качественные и количественные характеристики. Влияние на характер анализа особенностей представления признаков. Производные "вторичные" признаки (индексы, главные компоненты и др.).

Множественное сравнение и его особенности. Основы дисперсионного анализа; его отличия и преимущества перед попарным сравнением. Требования к исходным данным для одно- и многофакторного комплекса; влияние отклонений. Трансформация данных; преобразование неравномерных комплексов. Иерархическая модель дисперсионного анализа, ее особенности. Схема с «повторными измерениями».

Оценка и интерпретация результатов дисперсионного анализа. Планирование многофакторного дисперсионного анализа по полной и сокращенной схеме; греколатинский квадрат.

Корреляционный анализ. Факторный анализ. Регрессионный анализ. Ряды динамики (временные ряды). Количественные методы классификации.

Математическая статистика.

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.

Между всеми перечисленными методами нельзя проводить строгую границу. Применяемые в сочетании друг с другом, они дают возможность более полно и эффективно исследовать живые системы, а также устанавливать закономерности их возникновения, развития и функционирования.

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.