Линия 1_4_Методы биологии

Живое изучают с помощью методов

Общенаучные методы (9) - применимы в любой науке

1. Наблюдение: Сбор данных о объекте без вмешательства в его жизнь (например, наблюдение за сезонными изменениями в жизни леса).
2. Описание: Фиксация признаков объекта (внешний вид, строение).
3. Эксперимент (опыт): Изучение объекта в специально созданных, контролируемых условиях (например, влияние света на рост растения).
4. Сравнение: Поиск сходств и различий между организмами или их частями.
5. Моделирование: Создание копии или компьютерной модели биологического процесса (например, модель структуры ДНК).
6. Классификация: Группировка объектов на основе их родства и признаков.
7. Обобщение - нахождение общих признаков и объединение объекта в группы
8. Абстрагирование - отвлечение от второстепенных свойств для сосредоточения на главном
9. Статистические методы - сбор и анализ числовых данных для выявления закономерностей

Важное уточнение по наблюдению и эксперименту:

• …просто следить за объектом, не вмешиваясь в его жизнь и не меняя условия — это наблюдение. Если вы хоть немного меняете среду (даете новый корм, меняете температуру) — это уже эксперимент.

Специальные методы

Методы молекулярной биологии изучают молекулы и их комплексы (7)

1. Хроматография -.разделение смеси веществ на части по СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ в адсорбенте

Представим, что у нас есть экстракт пигментов в результате измельчения листа растения. Мы не знаем какие пигменты есть в экстракте. Поместим каплю экстракта на хроматографическую бумагу и опустим одним концом в пробирку с растворителем. Дальше растворитель будет подниматься за счет капиллярных сил по бумаге. Чем меньше масса пигмента, тем больше скорость движения. И получится что самые тяжелые молекулы пигмента останутся на конце бумаги, которым мы опустили ее в растворитель, а более легкие поднимаются выше. И таким образом мы увидим, что лист у нас не просто зеленый, а содержит целую группу пигментов. Мы разделили смесь на компоненты по СКОРОСТИ ИХ ДВИЖЕНИЯ в растворителе

2. Полимеразная цепная реакция (ПЦР) - выделение молекул ДНК и получение множества копий для изучения ДНК. Используется для диагностики инфекций, установления отцовства, генной инженерии.

По схеме проследите как происходит ПЦР. В современном варианте ПЦР протекает достаточно быстро — получить миллиарды фрагментов ДНК из всего одной копии можно за 45-60 минут https://helicon.ru/media/inf_art/polimeraznaya-tsepnaya-reaktsiya-kak-odna-tekhnologiya-izmenila-mir/

3 основных этапа получения копий ДНК: Денатурация: Нагревание до 94–96 °C, чтобы две нити ДНК разошлись. [5] Отжиг: Снижение температуры, чтобы специальные «затравки» (праймеры) прикрепились к нужному участку ДНК. [5] Элонгация (синтез): Фермент ДНК-полимераза достраивает новые цепи ДНК. [5]

3. Электрофорез - разделение фрагментов нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) или белков по ЗАРЯДУ И РАЗМЕРУ в геле под воздействием электрического тока.

Помещают пробу в гель, пропускают через гель электрический ток.

Молекула ДНК, РНК заряжены отрицательно (из-за фосфатных групп). Белки после добавления додецилсульфата натрия становятся отрицательными и ведут себя также как нуклеиновые кислоты. Поэтому в электрическом поле они всегда ползут от «минуса» к «плюсу»

электрофорез белка

Из за того что молекулы имеют разные размеры они убегают в геле на разные расстояния. В конце электрофореза мы видим светящиеся полоски (бэнды):

• Те, что дальше от старта (внизу) — самые короткие.
• Те, что ближе к старту (вверху) — самые длинные.

Электрофорез используют для

1. Определения отцовства: Сравнивают полоски ребенка с полосками матери и отца (полоски ребенка должны совпадать либо с мамой, либо с папой).
2. Генная инженерия: Проверка, удалось ли вырезать нужный ген (смотрим, появился ли фрагмент нужного размера).
3. Рестрикционные карты: — электрофорез показывает, на какие куски рестриктазы разрезали ДНК.

Разберем классическое задание :

Перед нами результат электрофореза ДНК. На геле видны полоски (фрагменты ДНК), которые мигрировали от «минуса» к «плюсу».

• Лунка 1: ДНК матери.
• Лунка 2: ДНК ребенка.
• Лунка 3: ДНК предполагаемого отца №1.
• Лунка 4: ДНК предполагаемого отца №2.

Кто является биологическим отцом ребенка? Объясните свой выбор, основываясь на расположении полосок. Почему фрагмент E ушел дальше всех от старта? Какой заряд имеет электрод, расположенный в нижней части геля (куда бегут молекулы)?

Проверь себя - правильные ответы:

1. Отец №2.Обычно в таких задачах правильным ответом является тот, у кого больше совпадений с ребенком не по-материнской линии. У Отца 2 это фрагменты B и C.
   
2. Фрагмент E самый короткий (маленький).Обоснование: В методе электрофореза скорость движения фрагментов ДНК в геле обратно пропорциональна их размеру. Маленькие фрагменты легче проходят сквозь поры геля и перемещаются быстрее.
3. Положительный заряд (+).Обоснование: Молекулы ДНК заряжены отрицательно (за счет остатков фосфорной кислоты), поэтому они притягиваются к положительно заряженному электроду (аноду).
   

4. Моделирование молекул -построение физической модели молекулы

модель глюкозы , ее формула С6Н12О6 - черные это атомы углерода, красные - кислород и белые - водород

Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик использовали метод физического (объёмного) моделирования, комбинируя его с теоретическим анализом имеющихся данных. В результате в 1953 году они представили модель двойной спирали, где две антипараллельные цепи соединены водородными связями между азотистыми основаниями

5. Рентгеноструктурный анализ - позволяет получить изображения строения кристаллов органических веществ и рассмотреть расположение отдельных атомов внутри молекулы, т.е. определить пространственную структуру молекулы

как это делают?

1. Кристаллизация: Ученые превращают исследуемое вещество (например, чистый белок) в кристалл. Это самая сложная часть.
2. Облучение: Кристалл просвечивают рентгеновскими лучами.
3. Дифракция: Лучи, сталкиваясь с атомами внутри кристалла, рассеиваются (отклоняются) и создают на фотопленке узор из точек (дифракционную картину).
4. Расчет: По этому узору с помощью сложных математических формул вычисляют, на каком расстоянии друг от друга сидят атомы.

Когда Розалинд Франклин сделала свой знаменитый снимок, она увидела не саму спираль, а распределение интенсивности лучей. Буква «X» на снимке: математически доказано, что если объект имеет форму спирали, то при дифракции он дает именно крестообразный узор. Пустые промежутки: по положению пятен Франклин поняла, что фосфатный «скелет» ДНК находится снаружи, а не внутри, как думали многие в то время.

Именно с помощью рентгеноструктурного анализа Розалинд Франклин получила знаменитую «Фотографию 51». Посмотрев на неё, Уотсон и Крик поняли, что ДНК — это двойная спираль. Без этого метода структура ДНК могла оставаться тайной еще десятилетия.

6. Биохимический метод (титрование) - определение состава вещества и активности ферментов в жидкостях. Этот метод используют для проверки кислотности почв, клеточных соков, определения жесткости воды, растворенного кислорода, количества витаминов, активность ферментов.

Допустим хотят определить количество аскорбиновой кислоты в растворе. В пробу начинают капать краситель до момента окрашивания раствора. Фиксируют объёмы раствора и красителя на момент окрашивания. По специальным формулам считают сколько красителя ушло до момента окрашивания пробы. Это позволяет определить сколько вещества было в пробе.

7. Секвенирование - определение точной последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК или аминокислот в белке. Это самый современный и мощный способ узнать все о гене - о порядке нуклеотидов в нем.

Используется для следующих задач:

1. Расшифровка генома: Проект «Геном человека» был выполнен именно этим методом.
2. Поиск мутаций: Позволяет увидеть, что в определенном месте «буква» А заменилась на Г, что привело к болезни.
3. Установление родства: Сравнивают тексты ДНК разных видов. Чем больше совпадений, тем ближе родственники.
4. Паспортизация: Создание генетического паспорта организма.

Секвенирование происходит как процесс создания множества копий фрагмента ДНК, которые обрываются в случайных местах. Зная, на какой букве (нуклеотиде) оборвалась каждая копия, мы можем восстановить всю последовательность. Секвенирование ДНК — это процесс определения точного порядка нуклеотидов (A, T, G, C) в молекуле ДНК. Это позволяет «прочитать» генетический код организма.

ДНК, последовательность которой надо определить, подвергают денатурации (две цепи расплетаются) и помещают в сосуды с ферментами для репликации, нуклеотидами двух типов обычные и флуоресцентно-меченные. Начинается синтез и как только подставляется флуоресцентно-меченный нуклеотид синтез ДНК останавливается. Поскольку стоп-нуклеотидов в смеси мало, они встраиваются случайно. В итоге в пробирке образуются миллионы фрагментов ДНК всех возможных длин: от очень коротких до полной длины гена. Каждый такой фрагмент заканчивается светящейся «меткой». Затем их прогоняют через электрофорез, где молекулы выстраиваются по порядку - сначала из 1 нуклеотида, потом из 2 и т.д На выходе из капилляра стоит лазер. Он подсвечивает каждый фрагмент, а детектор фиксирует цвет вспышки: Вспыхнул красный — значит, фрагмент закончился на нуклеотид Т. Зеленый — на А. Синий — на С. Черный/желтый — на G. Компьютер переводит эти вспышки в график с цветными пиками, который называется электрофореграммой. Читая пики слева направо, ученые получают точную последовательность букв ДНК.

Методы цитологии изучают клетку и ее органоиды (3)

1. …прослеживать путь вещества с помощью радиоактивной метки — это метод меченых атомов.

путь меченного кислорода ( отмеченн красным) при фотосинтезе

2.…рассматривание клеток и органоидов под микроскопом - Микроскопия или микроскопирование

- рассматривать живые клетки под пучком света — это световая микроскопия.

- рассматривать детали органоидов под пучком электронов — это электронная микроскопия (супердетальные изображения но на фиксированных препаратах - неживых).

https://yandex.ru/video/preview/3956823172112127801

3. Центрифугирование - разделение клеточных структур , основанное на их разной плотности и массе .

В центрифуге части клетки, клетки крови оседают слоями: самые тяжелые — первыми (на низких скоростях), самые легкие — последними (на очень высоких скоростях).

Ядро самое тяжелое в клетке. Запомни последовательность - ядро- хлоропласты - митохондрии - рибосомы. Аппарат Гольджи при центрифугировании разрушается.

Эритроциты самые тяжелые, плазма прозрачная желтовая жидкость. В ней плавают самые легкие компоненты - белки. глюкоза и ионы. Посередине "лейкоцитарная пленка" из тромбоцитов и лейкоцитов. Метод используется для биохимических анализов, изучения лейкоцитов или эритроцитов, переливания крови (нужна либо только плазма, либо эритроцитарная масса)

Генетика (7)

1. Генеалогический: Составление и анализ родословных. Помогает определить характер наследования признака (доминантный, рецессивный, сцепленный с полом).

2. Близнецовый: Изучение однояйцевых близнецов для выявления влияния среды на развитие признаков.

3. Цитогенетический: Изучение количества и структуры хромосом под микроскопом, диагностика геномных и хромосомных мутаций.

вторая хромосома человека под микроскопом

Геномная мутация - трисомия по 21 хромосома Синдром Дауна

4. Гибридологический: Скрещивание особей и анализ потомства (основной метод Г. Менделя). Не применим к человеку!

5. Популяционно-статистический: Расчет частоты встречаемости генов в больших группах людей (закон Харди-Вайнберга).

6. Кариотипирование : определение числа, структуры хромосомного набора (кариотипа) конкретной клетки, организма

из книги Трофимова И.Л. Малый практикум по цитогенетике: изучение кариотипа человека.

7. Анализирующее скрещивание: Скрещивание гибрида с рецессивной родительской особью для проверки генотипа особи (гомозиготы расщепления не дадут, гетерозиготы расщепление дадут)

Селекция (8)

1. Искусственный мутагенез: Воздействие радиацией или химией для получения новых мутаций.
2. Полиплоидизация: Кратное увеличение числа хромосом (для получения крупных плодов, цветов у растений).
3. Гибридизация: Скрещивание двух организмов
4. Отдаленная гибридизация : Скрещивание разных сортов или видов для получения межвидовых и межродовых гибридов.
5. Инбридинг: Близкородственное скрещивание для получения чистых линий.
6. Аутбридинг: Неродственное скрещивание для получения эффекта гетерозиса (гибридной силы).
7. Массовый отбор - выбирают лучших особей по фенотипу для размножения
8. Индивидуальный отбор - отбирают одну особь и изучают ее потомство

Для растений и животных используют разные методы☝️☝️

Биотехнология и Инженерия (5)

1. …манипулировать генами и переносить их между видами — это генная инженерия.
2. …встраивать целевой ген в кольцевую ДНК бактерии — это создание рекомбинантных плазмид.

3…манипулировать клетками и пересаживать ядра — это клеточная инженерия.

4 …выращивать организмы из отдельных клеток в пробирке — это метод культуры тканей.

5…получать генетические копии (близнецов) из соматических клеток — это клонирование.

Эволюция (6)

Эти методы помогают доказать родство видов и восстановить ход истории Земли.

1. Палеонтологический (метод переходных форм): Поиск и изучение остатков организмов, сочетающих признаки древних и современных групп (например, археоптерикс, ихтиостега, зверозубые ящеры).
2. Построение филогенетических рядов: Восстановление последовательности предков современного вида (классический пример — филогенетический ряд лошади В.О. Ковалевского).
3. Биогеографический: Сравнение флоры и фауны разных континентов (помогает понять, когда разошлись материки) для выявления закономерностей расселения видов по планете
4. Сравнительно-анатомический: Поиск гомологичных (единое происхождение) и аналогичных (разное происхождение, схожие функции) органов.
5. Молекулярно-генетический (секвенирование): Сравнение последовательностей ДНК разных видов. Чем больше совпадений, тем ближе родство.
6. Эмбриологический - сравнение стадий развития зародышей

Экология (2)

1. Мониторинг - длительное наблюдение за изменениями в экосистеме, фиксирование результатов, их анализ
2. Моделирование: Создание математических или компьютерных моделей экосистем для прогнозирования (например, как изменится численность зайцев, если исчезнут волки).

Бионика (1)

Бионика — это прикладная наука на стыке биологии и инженерии. Её основной метод один, но очень важный:

• Метод биологического моделирования (копирование): Изучение строения и функций живых организмов для создания технических устройств.
• Примеры для ЕГЭ: Изучение строения глаза для создания фотоаппарата; изучение формы тела рыб для проектирования субмарин; изучение структуры листа виктории регии для создания перекрытий зданий.

Подведем итоги

Самые «модные» в вариантах 2026 года — секвенирование, центрифугирование и метод меченых атомов.

Проверьте себя (3 блиц-вопроса):

1. Ситуация: Исследователь хочет узнать, из какой лунки (материнской или отцовской) ДНК-полимераза берет нуклеотид. Какой метод он применит?
2. Ситуация: Нужно доказать, что синдром Дауна связан с лишней 21-й хромосомой. Какой метод нужен?
3. Ситуация: В пробирке находится смесь белков разной массы. Как их разделить, используя высокую скорость вращения?

Ответы для самопроверки:

1. Метод меченых атомов (пометим нуклеотиды изотопом).
2. Цитогенетический (посмотрим на хромосомы под микроскопом).
3. Центрифугирование (разделим по массе и плотности).

Проверь себя (Ответы): Гистология (ткани). Центрифугирование (вращение, масса). Генеалогический (семья, поколения). Физиология (механизм работы). Цитогенетический (хромосомы, кариотип). Хроматография (пигменты, скорость). Палеонтология (ископаемые). Метод меченых атомов (меченый фосфор). Электронная микроскопия (кристы митохондрий — ультраструктура). Систематика (классификация).

И пример эвристической задачи на стыке наук:

Условие: Для установления степени родства двух видов птиц ученые использовали сравнение аминокислотного состава гемоглобина и анализ их ареалов.

Какие методы были использованы?

На каких уровнях организации проводились исследования?

Ответ:

Методы: Молекулярно-генетический (биохимический) и биогеографический.

Уровни: Молекулярно-генетический (белок гемоглобин) и популяционно-видовой (ареал распространения).

Рекомендуемые источники заданий для нарешивания

общенаучные методы https://stepenin.ru/tasks/bio-lines/test5621/1

методы цитологии, генетики, биотехнологии и селекции https://stepenin.ru/tasks/bio-lines/test5648/1

Прорешивая задания, отмечайте методы в нашем списке, которые есть в заданиях и каких нет. Может быть мы что то забыли и надо добавить. Пишите в комментариях.