Исследование в биологии

Методы исследования в биологии. Урок 1

Изучать природу – сложная задача. С давних времён люди говорили о «научном методе», используемом ими для этого. Сегодня учёные склоняются к мысли, что в понимании природных явлений нет никакого научного метода. Исследователи пытаются быть объективными при анализе собранных ими данных. Но поскольку сами учёные являются людьми, это не всегда получается. Однако наука – дело коллективное. Результаты одного человека всегда перепроверяются другими людьми. И если они не могут быть повторены, то отвергаются. Методы исследования в биологии похожи на методы всех наук, изучающих природу. Поиск истины – нескончаемая дорога длиною в период существование человечества. Как же биологи изучают природу? Какими путями они двигаются к истине?

Методы исследования в биологии фото

При помощи описания

Классическое видение научного метода состоит в том, что наблюдения ведут к гипотезам, которые в свою очередь дают экспериментально проверяемые теории. Это и есть основные и самые старые методы исследования в биологии. Так беспристрастно оцениваются идеи, чтобы прийти к точным взглядам на природу. Однако большая часть науки является чисто описательной: чтобы понять что-то, нужно первым делом это что-то описать как можно подробнее. Описание предполагает наблюдение, сравнение, прослеживание изменения объекта или явления в историческом плане, применение приборов: микроскопов, радиолокаторов, центрифуг и др.

Методы биологии как науки
Общие с другими науками Специфические
Эмпирические

(полученные через органы чувств, идущие от опыта)

Теоретические
  • Оптическая, флуоресцентная и электронная микроскопия
  • Хроматография
  • Электрофорез
  • Центрифугирование
  • Метод меченных атомов
  • Культура клеток и тканей
  • Рекомбинантных ДНК
  • Гибридологический
  • Цитогенетический

 

  • Наблюдение – целенаправленное действие, направленное на изучение объектов или явлений, без вмешательства в их жизнь.
  • Сравнение (в том числе измерение).
  • Эксперимент – создание специальных условий для изучений объектов или явлений.
  • Анализ, синтез, обобщение
  • Классификация
  • Моделирование
  • Математическая обработка
  • Индукция
  • Дедукция

Примером описательной науки является изучение биоразнообразия. В настоящее время предпринимается попытка классификации всего живого на Земле. И этот проект является чисто описательным.



Одним из важных достижений биологии на заре ХХI века была расшифровка последовательности генов в геноме человека. Много новых гипотез о природе человека возникло и ещё возникнет после этого. Для их изучения потребуется много экспериментов. Но сама расшифровка генома – пример описательного метода исследования в биологии.

Методы дедукции и индукции при исследованиях в биологии

Прийти к логическому выводу можно двумя прямо противоположными путями: при помощи дедуктивных и индуктивных рассуждений. Биология использует оба этих метода, хотя дедукция первоначально должна иметь базу из гипотез.

Дедуктивные рассуждения как метод исследования в биологии

При дедуктивном рассуждении объект рассматривается от общего к частному. Более 2200 лет назад греческий мыслитель Эратосфен, используя эвклидову геометрию и дедуктивные рассуждения, точно высчитал окружность Земли. Дедуктивные рассуждения – это мышление, основанное на достижениях математики и философии, оно используется для проверки обоснованности общих идей для всех отраслей знаний.

Например, если вы знаете, что все млекопитающие имеют волосы, а вы найдёте животное, у которого нет волос, тогда вы можете заключить, что изучаемый вами организм не является млекопитающим. Биолог использует дедуктивные рассуждения, чтобы исключить образец из общего, используя характеристики ранее изученной группы.

Метод индукции и дедукции фото
Индуктивные и дедуктивные рассуждения

Индуктивные рассуждения

 

В индуктивном рассуждении логика течёт в противоположном направлении, от частного к общему. При этом используются общие научные наблюдения для построения научных принципов. Например, если у пуделя есть волосы, у терьера есть волосы и у каждой собаки, которую мы наблюдаем, есть волосы, тогда мы можем заключить, что у всех собак есть волосы.

Индукция приводит к обобщениям, которые затем можно проверить. Индуктивные рассуждения стали важны в науке с 1600 годов, когда Френсис Бэкон, Исаак Ньютон и другие начали использовать результаты конкретных экспериментов для получения общих выводов об устройстве мира.

Наука основывается на гипотезах

Основываясь на гипотезах, наука проверяет прогнозы. Тестируя альтернативные предложения, она находят истинные утверждения. Если предположения не подтверждаются экспериментально, то они отвергаются как несоответствующие действительности. Методы исследования в биологии и других науках применяют для доказательства этих гипотез.  Рассмотрим последовательность доказательства гипотез.

Гипотезы фото
Рождение гипотез
  • После тщательного наблюдения, учёные строят гипотезу. Гипотеза – это предположение, которое может быть истинным. Те из них, которые пока не опровергнуты, являются правильными. Они полезны, потому что соответствуют известным фактам. Но от них отказываются,  если в свете новой информации они будут признаны неправильными.

Гипотезы постоянно уточняются новыми данными. Например, генетики Джордж Бидл и Эдвард Тейтум выдвинули гипотезу, что информацию об одном ферменте кодирует один ген. Позже молекулярная гипотеза была изменена. Оказалось, что фермент может состоять не из одного, а из нескольких полипептидов. Под влиянием новых данных гипотеза изменилась: «один ген – один полипептид». Другие исследователи доказали, что один ген может кодировать информацию не об одном, а о нескольких белках и гипотеза снова была уточнена.

  1. Проверка гипотезы. Проверяют гипотезы при помощи эксперимента. Предположим, что вы входите в тёмную комнату. Чтобы понять, почему там темно, вы предполагаете несколько гипотез. Первая может быть: «В комнате нет света, потому что выключен выключатель». Альтернативная гипотеза может быть такой: «В комнате нет света, потому что сгорела лампочка». Третья гипотеза: «Я ослеп». Чтобы проверить эти гипотезы, вы проведёте эксперимент, предназначенный для устранения одного из предположений. Повернув выключатель и не увидев света, вы убедитесь, что первая из гипотез неверна. Однако это не доказывает, что любое из оставшихся двух предположений верно, а только позволяет точно исключить и отвергнуть одно из них. При изучении биологии вы будете сталкиваться со многими гипотезами, выдержавшими испытание экспериментом. Многие из них будут пересмотрены в будущем по мере поступления новых данных. Биология, как и любая наука, находится в постоянном движении. С появлением новых идей, старые уточняются или заменяются.

3. Уточняющий эксперимент. Часто учёные исследуют процессы, которые зависят от многих факторов или переменных. При проверке одной переменной во время эксперимента изменяют только её, остальные переменные оставляют такими как были. При этом проводят параллельно два эксперимента: тестовый и контрольный. В тестовом эксперименте проверяемую переменную изменяют, в контрольном оставляют прежней. Любая разница в результатах этих экспериментов произойдёт под влиянием изменения исследуемой переменной. Большая часть проблем экспериментальной науки возникает из-за изолирования исследуемой переменной от других привычных факторов, которые влияют на процесс.

  1. Полезность гипотезы. Научная гипотеза должна быть не только обоснованной, но и полезной, она должна дать нам те знания, которые нам нужны. Гипотеза наиболее полезна, если её можно подтвердить экспериментально и лучше, если проверки она выдержит не один раз. Если проверка даёт результаты несовместимые с первыми данными, то гипотеза должна быть отклонена или изменена.

Пример: в ранней истории микробиологии учёные заметили, что бульон, оставленный открытым на воздухе, портится. Для объяснения явления были предложены две гипотезы: жизнь зарождается в нём самопроизвольно или микробы попали в него из воздуха. Гипотезы были проверены экспериментами, которые включали фильтрацию воздуха и кипячение бульона. Окончательный эксперимент был проведён Луи Пастером. Он соорудил колбу с изогнутым носиком, который пропускал воздух, но препятствовал проникновению любых бактерий. Бульон в колбе кипятили для стерилизации, он оставался чистым. Но стоило отломить носик, как он снова загрязнялся. Так была окончательно опровергнута гипотеза спонтанного зарождения жизни.

Редукция больших систем на составные части

Чтобы понять сложную систему, учёные исследуют её составные части. Такой подход применила биохимия при успешной разгадке сложного механизма функционирования клеточной мембраны. Она сконцентрировала внимание на транспорте веществ и специфических ферментах. Путём анализа всех отдельных данных учёные получили общую картину работы мембраны.

Редукционизм имеет ограничение в применении относительно живых систем. Например ферменты нельзя изучать в изоляции от живой клетки и организма в целом. Есть такие системы, функции которых нельзя предсказать на основе работы их деталей. Например работу полисом нельзя предсказать на основе анализа отдельных белков и РНК, являющихся их составными частями. А изучение одного голубя не приведёт к познанию жизнедеятельности всей голубиной стаи.

Эта область системной биологии использует математические и вычислительные модели, чтобы имея дело с целым, понимать его взаимодействующие части.

 

Редукционизм - изучаем части фото
Изучаем части, чтобы понять целое

Метод моделирования в исследовании в  биологии

Модели используются в биологии для объяснения жизнедеятельности живых систем. Генетики строят модели взаимодействующих сетей белков и контролирующую их экспрессию генов. Они даже рисуют смешные мультяшные фигуры, чтобы представлять то, что невозможно увидеть.

 

Популяционные биологи создают модели того, как происходят эволюционные изменения. Цитологи строят модели путей передачи сигнала и событий, ведущих от внешних сигналов к внутренним процессам клетки. Молекулярные биологи строят модели структуры белков и микромолекулярных комплексов клетки. Для уточнения и тестирования модели проводят эксперимент.

Виды моделирования фото

Природа научных теорий

Слово теория используется учёными в двух случаях:

  • если она является объяснением некоторых природных явлений, часто основанных на общих принципах. Например, принцип, впервые предложенный Ньютоном – теория гравитации. Словом теория часто объединяют понятия, которые раньше считались несвязанными;
  • как совокупность взаимосвязанных концепций, поддерживаемых научным мышлением и доказанных экспериментом, объясняющим факты в какой-либо области исследования. Такая теория обеспечивает основу для дальнейшего получения знаний. Например, квантовая теория в физике объединяет набор представлений о природе мироздания, объясняет экспериментальные факты и служит руководством к дальнейшим поискам ответов на вопросы при помощи экспериментов.

Для учёного теория является прочной основой науки, несущей идеи, в которых мы больше всего уверены. Широкая публика в слове теория понимает обратное – догадку, неуверенность в знаниях. Эта разница часто приводит к путанице. Некоторые «критики» за пределами науки, пытаются дискредитировать эволюцию, говоря, что это «всего лишь теория».  Имея в виду, что это гипотеза о том, что эволюция произошла, а не то, что подкреплено неопровержимыми доказательствами.



Современная эволюционная теория – это сложный комплекс идей, важность которых распространяется далеко за пределы самой эволюции. Её ответвления пронизывают все отделы биологии, она обеспечивает концептуальные рамки, которые объединяют науку биологию в целом. Суть в том, что эволюционная теория основывается на достоверных фактах наблюдения и доказана неоднократными экспериментами.

Фундаментальные и прикладные исследования

В прошлом было модно говорить о «научном методе изучения биологии», который состоит из упорядоченной последовательности логических шагов. Каждое из двух предположений проверяется, а тестирование приводит к определённому научному ответу. Если бы это было так, то хорошим учёным стал бы компьютер. Но наука не делается компьютерами. Человек обладает способностью к воображению, он может предположить то, что правда может быть. Из-за того, что у одних людей принципиальность и воображение развиты намного сильнее, чем у других, они выделяются среди учёных, как Клод Моне выделяется среди художников.

Одни учёные проводят исследования, призванные расширить границы того, что мы знаем. Такие исследования называются фундаментальными. Они работают в университетах и их работы обычно поддерживаются грантами. Информация, полученная в результате фундаментальных исследований, способствует расширению научных знаний, обеспечивает фундамент фонда, используемого прикладными науками.

Проведение прикладных изысканий используется в практических целях, например ради производства пищевых добавок, создания новых лекарств или тестирования качества окружающей среды. Результаты исследования записываются и представляются общественности. Они проверяются и допускаются для использования на практике.

Методы изучения генетики человека фото
Конкретные методы исследования в биологии

Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован.