1. Методы исследования в биологии. 2. Этапы научного исследования. 3. Сущность жизни и свойства живого 4. Уровни организации живой материи.
Рабочий лист №2.
Лекция №1 вторая часть.
.В отличие от сплетни, научное знание проверяемо и касается реально существующих вещей и повторяющихся событий. Любой человек, при желании, может повторить любой научный эксперимент, то есть, убедиться в том, что на определенный вопрос природа «отвечает» именно таким образом. Из этого урока вы узнаете, откуда берутся научные знания, что такое научный факт, гипотеза и теория, познакомитесь с основными представлениями о научном методе, выясните, какими методами получения знаний пользуется биология. В уроке уделено внимание сравнительно-описательному, историческому и экспериментальному методам.
1. Методы исследования в биологии
1.1. Цели и задачи науки, способы распространения знаний.
Наука – это одна из сфер человеческой деятельности, целью которой является изучение и познание окружающего мира. Каждая наука имеет свои методы исследования, но задача любой науки – построение системы достоверного знания, основанного на фактах и обобщении, которые можно было бы подтвердить или опровергнуть.
Научным фактом является лишь тот, который можно воспроизвести или подтвердить. Наблюдения, которые не могу быть воспроизведены, отбрасываются, как ненаучные. Когда учёный делает открытие, он публикует информацию о нем в специальных журналах, благодаря публикации результаты могут быть проверены и перепроверены другими учёными – это служит стимулом для более тщательной проверки и анализа собственных экспериментов.
Ещё одной формой распространения знаний являются симпозиумы и конференции, которые организуются учеными разных специальностей (ботаниками, зоологами, генетиками, медиками и т. д.). Во время таких мероприятий ученые общаются друг с другом, обсуждают работы коллег, налаживают творческие связи.
1.2. Научный метод.
Научный метод – это совокупность приёмов и операций, которые используются при построении системы научного знания.
Один из основных принципов научного метода – скептицизм – отказ от слепого доверия к авторитету. Учёный всегда сохраняет определённую долю скепсиса и проверяет любое новое открытие.
Основные методы в биологии.
Основными методами биологии являются: описательный, сравнительный, исторический и экспериментальный.
1. Описательный метод.
Описательный метод является наиболее древним, потому что его использовали ещё учёные древности, в основе его лежит наблюдение. Примерно до 17 века он был основным в биологии, поскольку учёные занимались описанием животных и растений и их первичной систематизацией, но он не потерял актуальности в настоящее время, например, он используется для описания новых видов (см. Рис. 1).
Рис. 1. Новые виды животных, описанные учеными
2. Сравнительный метод.
Сравнительный метод – позволяет выявить сходство между организмами и их частями. Он стал применяться с 17 века.
Полученные с помощью этого метода сведения легли в основу систематики Карла Линнея, позволили Теодору Шванну и Маттиасу Шлейдену сформулировать клеточную теорию, легли в основу закона зародышевого сходства, открытого Карлом Бэром.
Сейчас очень сложно провести границу между описательным и сравнительным методом, потому что они комплексно используются для решения задач биологии.
3. Исторический метод.
Исторический метод позволяет осмыслить полученные ранее факты и сопоставить их с ранее известными результатами. Он стал широко применяться со второй половины 19 века благодаря работам Чарльза Дарвина, который с его помощью обосновал закономерности появления и развития организмов, становление их структур и функций во времени и пространстве (см. Рис. 2). Применение исторического метода позволило превратить биологию из описательной науки в объясняющую.
Рис. 2. История эволюции человека
4. Экспериментальный метод.
Экспериментальный метод – применение этого метода связывают с именем Уильяма Гарвея, который его использовал в своих экспериментах по изучению кровообращения (см. Рис. 3). Но широко использоваться этот метод стал именно с 20 века, прежде всего, при изучении физиологических процессов.
Рис. 3 Опыт У. Гарвея по изучению кровообращения
Экспериментальный метод позволяет изучать то или иное явление с помощью опыта. Большой вклад в утверждение экспериментального метода в биологии внёс Грегор Мендель, который, изучая наследственность и изменчивость организмов, впервые использовал эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы.
В 20 веке экспериментальный метод стал ведущим в биологии. Это стало возможным благодаря появлению новых приборов, например, электронного микроскопа, использованию методов химии, физики и биологии (см. Рис. 4).
Рис. 4. Современные опыты и лабораторное оборудование, которые символизируют экспериментальный метод исследования
В биологических исследованиях довольно часто применяют моделирования тех или иных процессов, то есть привлекают и математические методы, и компьютерное моделирование.
2. Этапы научного исследования.
Научное исследование состоит из следующих этапов: на основании полученных фактов, наблюдений или экспериментов формулируется проблема, для её решения выдвигаются гипотезы. Гипотезы непрерывно совершенствуются и подвергаются дальнейшей разработке. Гипотеза, которая согласуется со множеством разнообразных наблюдений становится теорией. Хорошая теория развивается и распространяется на дополнительные факты по мере того, как они становятся известными.
Хорошая теория может предсказывать новые факты, а также находить новые связи между явлениями, и тогда теория становится правилом или законом.
2. Сущность жизни и свойства живого
На фоне возникновения и развития косной материи возникло и стало развиваться такое удивительное явление, как жизнь. В настоящее время описано более 1 млн видов животных, около 0,5 млн видов растений, сотни тысяч видов грибов, более 3 тыс. видов бактерий. Подсчитано, что не менее 1 млн видов пока остаются неописанными. Вопрос о сущности и происхождении жизни всегда имел для человека не только познавательный интерес, но и огромное значение для формирования мировоззрения. Возникновение и развитие живых существ вплоть до появления такого феномена, как человек, – одна из центральных проблем естествознания. На данном уроке мы рассмотрим несколько определений жизни, а также ряд свойств, характерных для всего живого.
2.1. Сущность жизни.
Биология – это наука о жизни. Классическое определение немецкого философа Фридриха Энгельса: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка» отражает уровень биологических знаний второй половины XIX в.
В XX в. делались многочисленные попытки дать определение жизни. Одно из таких определений выглядит следующим образом: жизнь можно определить как активное, идущее с затратой энергии, полученной извне, поддержание и самовоспроизведение специфических структур, состоящих из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот. В этом определении указывается на то, что жизнь связана не только с белками, но и с нуклеиновыми кислотами, носителями наследственной информации.
Ни нуклеиновые кислоты, ни белки вне клетки не являются субстратом жизни. Они становятся субстратом жизни лишь тогда, когда находятся и функционируют в клетке. Вне клетки – это химические соединения.
2.2 Свойства живого.
Для живого характерен ряд общих свойств:
1. Единство химического состава. Живые существа образованы теми же химическими элементами, что и неживые объекты, но в живых существах 90 % массы приходится на четыре элемента: углерод (C), кислород (O), азот (N), водород (H) (см. Рис. 1).
Рис. 1. Основные химические элементы живых существ. Углерод. Кислород. Азот. Водород
Биохимия клетки
Всего шесть элементов составляют основу всех живых организмов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Первые четыре элемента являются основными, фосфор и сера встречаются в организмах в малых количествах.
Углерод, водород, кислород и азот составляют основу всех органических соединений (образовывают живые материи) благодаря тому, что:
1. Эти элементы формируют прочные ковалентные связи, и из всех соединений, образующих ковалентные связи, они самые легкие.
2. Эти элементы формируют одинарные и двойные связи между собой (углерод может образовывать тройную связь с другими углеродами или с атомами азота). Это приводит к формированию разнообразных органических соединений.
3. Соединениям углерода свойственна особенность, которая состоит в способности спаренных электронов формировать вокруг атомов углерода тетраэдрическую конфигурацию. Благодаря этому различные органические соединения имеют различную трехмерную структуру.
2. Единство структурной организации. Клетка (см. Рис. 2) является единой структурно-функциональной единицей живого. Исключением являются вирусы
(см. Рис. 3), так как они являются неклеточными формами жизни, но они также не могут существовать вне живых организмов.
Рис. 2. Клетка кожицы лука
Рис. 3. Вирусы гриппа А
3. Открытость. Все живые организмы представляют собой открытые системы, устойчивость которых поддерживается в результате постоянного притока энергии и веществ из окружающей среды.
4. Обмен веществ и энергии. Все живые организмы способны к обмену веществ и энергии с окружающей средой. Обмен веществ состоит из двух взаимосвязанных процессов: синтез органических веществ и процесс распада органических веществ с выделением энергии.
5. Самовоспроизведение (репродукция). Способность к самовоспроизведению является важнейшим свойством всех живых организмов. В ее основе лежит информация о строении и функциях любого живого организма, заложенная в нуклеиновых кислотах и обеспечивающая специфичность структуры и жизнедеятельности живого.
6. Саморегуляция. Любой живой организм подвергается воздействию непрерывно меняющихся условий окружающей среды. В то же время для протекания процессов жизнедеятельности в клетках необходимы определенные условия. Благодаря механизмам саморегуляции поддерживается постоянство внутренней среды организма, необходимое для протекания жизненноважных процессов.
7. Рост и развитие. Все живые организмы растут. Однако если растения и грибы обладают неограниченным ростом (растут всю свою жизнь), то животные и человек растут до определенного времени (считается, что человек растет до 25 лет).
7.1 Онтогенез – процесс развития организма от момента образования зиготы до окончания жизненного цикла (до смерти).
7.2 Филогенез (см. Рис. 4) – процесс исторического развития данного вида.
Рис. 4. Филогенез человека
8. Раздражимость. Любой живой организм способен избирательно реагировать на внешние и внутренние воздействия. Если одноклеточные живые организмы отвечают на раздражитель движением, то у человека этот процесс достаточно сложный. Раздражимость у растений с первого взгляда не заметна, но некоторые растения обладают поразительной чувствительностью к прикосновению и могут ловить насекомых.
9. Наследственность и изменчивость. Преемственность поколений обеспечивается наследственностью, но потомки не являются копиями своих родителей из-за способности наследственной информации к изменениям – изменчивости. Даже однояйцовые близнецы не всегда являются копиями друг друга.
Отдельные свойства, перечисленные выше, могут быть присущи и неживой природе. Например, кристаллы в насыщенном растворе соли могут «расти». Однако этот рост не имеет тех качественных и количественных характеристик, которые присущи росту живого.
3. Вирусы.
В 1892 году Д.И. Ивановский (см. Рис. 5), изучая мозаичную болезнь табака (см. Рис. 6), установил, что причиной заболевания является некое инфекционное начало, содержащееся в листьях больных растений, которое проходит через фильтр, задерживающий обыкновенные бактерии. Если профильтрованный сок внести в листья здоровых растений, то они также заболевают мозаичной болезнью.
Рис. 5. Д.И. Ивановский
Рис. 6. Мозаичная болезнь табака
В 1898 году независимо от Ивановского аналогичные результаты получил голландский микробиолог М. Бейеринк. Однако он предположил, что мозаичную болезнь табака вызывают не мельчайшие бактерии, а некое жидкое заразное начало, которое он назвал фильтрующим вирусом.
Размеры вирусов определяются нанометрами (20–200 нм), поэтому их изучение началось после открытия электронного микроскопа.
Вирусы относятся к неклеточным формам жизни. Они не живут вне живых организмов. Они имеют молекулу ДНК или РНК (см. Рис. 7), которая погружена под белковую оболочку. Также они имеют ряд ферментов для проникновения в клетку-хозяина.
Рис. 7. Вирус
В клетке-хозяине вирусы могут разрушить ДНК и всю белоксинтезирующую систему хозяина направить на выработку собственных белков. Также ДНК вируса может встраиваться в ДНК хозяина, что приводит к передаче ДНК вируса по наследству потомкам и к образованию различных опухолей.
4. Гомеостаз.
Для обеспечения стационарного состояния организмов выработались различные приспособления: анатомические, физиологические, поведенческие, целью которых является обеспечение постоянства внутренней среды.
Впервые мысли о том, что постоянство внутренней среды обеспечивает нормальные условия для роста и развития организма была выдвинута в 1857 году Клодом Бернаром. На протяжении всей научной карьеры его поражало то, что вне зависимости от состояния окружающей среды (температуры, влажности) температурные границы внутри организма изменяются в очень узком диапазоне.
В 1932 году американский физиолог Уолтер Кеннон ввел понятие гомеостаз для определения механизмов, поддерживающих постоянство внутренней среды. Эти механизмы могут работать как на клеточном уровне, так и на популяционном.
5. Уровни организации живой материи
Одна из сложностей определения понятия «жизнь» связана с тем, что живые организмы являются открытыми дискретными системами, то есть они активно обмениваются с окружающей средой веществом и энергией и имеют прерывистое строение – состоят из отдельных живых частей (клеток, тканей и органов). Эта зависимость от окружающей среды, в том числе от других живых существ, заставляет рассматривать надорганизменные системы (популяции, виды, сообщества, экосистемы и биосферу), тоже в качестве живых систем. Из этого урока вы узнаете о том, какие уровни организации живого выделяют биологи, как уровни организации связаны друг с другом, какие процессы жизнедеятельности характерны для каждого из этих уровней.
5.1. Взаимосвязь живого.
Мир живых существ, вместе с человеком, представляет собой биологические системы разнообразной формы, различающиеся по размерам и сложности внутреннего устройства. Все живые организмы состоят из клеток. Клетка может быть отдельным организмом или элементарной составной частью более сложного организма.
Если клетка существует в виде самостоятельного организма, то она проявляет все функции целостной системы, но если клетка входит в состав более сложного организма – многоклеточного, то совокупность клеток сразу образует ткань, то есть клетка теряет свою самостоятельность и не способна существовать вне живого организма.
Несколько тканей вместе формируют органы. Органы входят в состав целого организма, организм – в состав популяции, вида.
Взаимодействующие между собой виды образуют экосистему и сообщество, они, в свою очередь, являются важнейшими компонентами биосферы.
Для живых систем характерна многоуровневость и иерархическая организация.
5.2. Уровни организации живой материи.
Итак, давайте рассмотрим уровни организации живой материи:
1. Молекулярный.
Молекулярный уровень представлен молекулами органических веществ, находящихся в клетках и получивших название биологических молекул
Рис. 1. Молекулы основных органических соединений
Это белки, нуклеиновые кислоты, жиры (липиды). Именно на этом уровне проявляются такие процессы жизнедеятельности, как обмен веществ, превращение энергии, а также передача наследственной информации (рис. 1).
2. Клеточный уровень.
Клеточный уровень. Клетка является элементарной, структурной и функциональной единицей живой системы. Это начальный уровень организации живого.
На этом уровне происходят процессы морфологической организации клетки, способы деления клетки, специализация клетки в процессе ее развития, а также функционируют основные структуры клетки.
3. Тканевый уровень.
Тканевый уровень – если это многоклеточный организм, то клетки объединяются в ткани (рис. 2).
Рис. 2. Ткани живых организмов состоят из клеток и межклеточного вещества
Ткань – это совокупность межклеточного вещества и клеток, сходных по строению и происхождению и выполняющих одинаковые функции.
4. Органный уровень.
Органный уровень. Что такое органы? Органы – это структурно-функциональные объединения нескольких типов тканей. Например, кожа человека как орган включает эпителий и соединительную ткань (см. урок Кожа).
Вместе эти органы выполняют ряд разнообразных функций.
5. Организменный уровень.
Организменный уровень может быть представлен как одноклеточными, так и многоклеточными организмами. На этом уровне организм изучается как единое целое, устойчивость которого обеспечивается за счет согласованной работы всех его органов (рис. 3).
Рис. 3. Одноклеточное (слева) и многоклеточное (справа) животные
6. Популяционно-видовой.
Популяционно-видовой уровень – совокупность особей одного и того же вида, обитающих на одной территории. Они создают популяцию как систему надорганизменного порядка (см. видео).
На этом уровне изучаются факторы, влияющие на динамику и численность популяции, на возрастной состав популяции, изучаются проблемы исчезающих видов и действие факторов макроэволюции.
7. Экосистема.
На экосистемном уровне представлены системы популяций разных видов и их взаимосвязи между собой и окружающей средой.
На этом уровне изучается взаимоотношение организма и среды, факторы неживой и живой природы, влияющие на устойчивость и продуктивность экосистем, а также действие хозяйственной деятельности человека на экосистемы.
8. Биосферный уровень.
Биосферный уровень – это экосистема высшего порядка, охватывающая все проявления жизни на нашей планете (рис. 4).
Рис. 4. Биосфера Земли – вид из космоса
На этом уровне изучается круговорот веществ и энергии, связанный с проявлением жизнедеятельности всех живых организмов, обитающих на планете Земля.
Список литературы
- Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Общая биология 10–11 класс Дрофа, 2005.
- Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П.В. Ижевский, О.А. Корнилова, Т.Е. Лощилина и др. – 2-е изд., переработанное. – Вентана-Граф, 2010. – 224 стр.
- Беляев Д.К. Биология 10–11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е изд., стереотип. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с.
- Агафонова И.Б., Захарова Е.Т., Сивоглазов В.И. Биология 10–11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е изд., доп. – Дрофа, 2010. – 384 с.
- Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Общая биология 10–11 класс Дрофа, 2005.
6. Беляев Д. К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е изд., стереотип. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с.
7. Биология 11 класс. Общая биология. Профильный уровень / В. Б. Захаров, С. Г. Мамонтов, Н. И. Сонин и др. – 5-е изд., стереотип. – Дрофа, 2010. – 388 с.
8. Агафонова И. Б., Захарова Е. Т., Сивоглазов В. И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е изд., доп. – Дрофа, 2010. – 384 с.
Домашнее задание
1. Что такое наука?
2. Дайте определения понятиям: факт, гипотеза, теория.
3. Какие основные этапы научного исследования вы знаете?
4. В чем сущность сравнительно-описательных методов исследования?
5. Что такое эксперимент?
6. Опишите исторический метод изучения биологических объектов.
7. Как происходило становление методов биологии? Какие из них самые древние? Какие можно назвать новыми?
8. Что такое жизнь? Попытайтесь дать свое определение.
9. Перечислите основные свойства живой материи.