Биология как наука методы исследования

Биология — наука о живой природе, её закономерностях и многообразии. Она изучает строение и функции живых организмов, их взаимодействие с окружающей средой и историческое развитие жизни. Биология объединяет множество дисциплин: ботанику, зоологию, генетику, экологию, цитологию, физиологию, эмбриологию и другие. Главная задача биологии — выявить закономерности жизни на всех уровнях её организации, от молекулярного до биосферного.

Выделяют восемь уровней организации живого. Первый — молекулярный: молекулы ДНК, белков, липидов. Второй — клеточный: клетка как основная структурная и функциональная единица жизни. Третий — тканевый: совокупность сходных клеток с одинаковой функцией. Четвёртый — органный: орган, образованный из нескольких тканей. Пятый — организменный: целостный организм как система органов. Шестой — популяционно-видовой: совокупность особей одного вида на определённой территории. Седьмой — экосистемный, или биогеоценотический: сообщество организмов и среда их обитания. Восьмой — биосферный: оболочка Земли, заселённая живыми организмами. Внимание! На ЕГЭ часто просят определить уровень организации по описанному примеру — важно знать конкретные примеры для каждого уровня.

Живые организмы обладают рядом свойств, отличающих их от неживой природы. Первое — обмен веществ и энергии: организм потребляет вещества, преобразует их и выводит продукты обмена. Второе — самовоспроизведение, или репродукция: размножение и передача наследственной информации. Третье — наследственность: передача признаков от родителей потомкам через ДНК. Четвёртое — изменчивость: способность изменяться под влиянием среды или мутаций. Пятое — раздражимость: ответная реакция на внешние и внутренние стимулы. Шестое — саморегуляция, или гомеостаз: поддержание постоянства внутренней среды. Седьмое — рост и развитие: увеличение размеров и усложнение организации. Восьмое — дискретность: организм состоит из отдельных структурных единиц, клеток. Девятое — адаптация: приспособленность к условиям среды обитания.

Наблюдение — пассивный метод: исследователь фиксирует явления и процессы, не вмешиваясь в них. Например, наблюдение за поведением животных в природе. Эксперимент — активный метод: исследователь намеренно создаёт или изменяет условия и наблюдает за результатом. Например, выращивание растений при разном освещении для изучения фотосинтеза. Эксперимент позволяет установить причинно-следственные связи, чего нельзя сделать только наблюдением. Внимание! На ЕГЭ часто спрашивают, какой метод использовал учёный по описанию — нужно определить, вмешивался ли исследователь в процесс.

Гибридологический метод — метод изучения наследования признаков путём скрещивания организмов и анализа потомства в нескольких поколениях. Разработан Грегором Менделем в середине девятнадцатого века. Метод включает следующие шаги: выбор родительских форм, скрещивание, подсчёт потомков с разными признаками, анализ соотношений в потомстве. Именно гибридологический метод позволил Менделю открыть законы наследственности. Внимание! Не путай гибридологический метод с цитогенетическим. Гибридологический — про скрещивание и расщепление в потомстве. Цитогенетический — про изучение хромосом под микроскопом.

Близнецовый метод — сравнение однояйцевых и разнояйцевых близнецов для разграничения роли наследственности и среды в формировании признаков. Однояйцевые близнецы имеют одинаковый генотип — они развились из одной зиготы. Разнояйцевые близнецы имеют разные генотипы — они развились из двух разных зигот. Если однояйцевые близнецы, выросшие в разных условиях, всё равно похожи по признаку — значит, этот признак определяется главным образом наследственностью. Если разнояйцевые близнецы, выросшие в одних условиях, различаются — значит, среда играет меньшую роль, чем генотип. Метод активно применяется в медицинской генетике.

Ботаника изучает растения. Зоология — животных. Микробиология — микроорганизмы (бактерии, грибки, вирусы). Генетика — наследственность и изменчивость. Экология — взаимоотношения организмов со средой обитания. Цитология — строение и функции клетки. Гистология — ткани многоклеточных организмов. Анатомия — строение тела. Физиология — функции органов и систем. Эмбриология — индивидуальное развитие организмов. Палеонтология — ископаемые остатки древних организмов. Систематика, или таксономия — классификация организмов. Биохимия — химический состав и реакции в живых организмах. Молекулярная биология — строение и функции биологических молекул, прежде всего ДНК и белков.

Центрифугирование — разделение компонентов клетки по плотности под действием центробежных сил. При высокой скорости вращения более тяжёлые структуры оседают на дно пробирки быстрее, лёгкие — медленнее. Метод позволяет выделить отдельные органоиды клетки: ядро, митохондрии, рибосомы. Хроматография — разделение смесей веществ на компоненты с помощью различного сродства веществ к растворителю и носителю. В биологии применяется для разделения пигментов (например, пигментов фотосинтеза в листьях растений) и для анализа аминокислотного состава белков.

Палеонтологический метод — изучение ископаемых остатков вымерших организмов (окаменелостей, отпечатков, костей). Позволяет восстановить облик древних организмов и проследить историю жизни на Земле. Особую роль играют переходные формы — организмы с признаками двух разных групп, например археоптерикс (признаки рептилии и птицы) или ихтиостега (признаки рыбы и земноводного). Палеонтологические данные служат важнейшим доказательством эволюции — необратимого исторического развития живой природы.

Микроскопия — изучение объектов с помощью микроскопа, увеличивающего изображение в десятки, сотни или тысячи раз. Световая микроскопия использует видимый свет и позволяет увеличить объект до 2000 раз; позволяет изучать клетки и крупные органоиды. Электронная микроскопия использует пучок электронов и позволяет увеличить объект до 1 000 000 раз; позволяет видеть рибосомы, мембраны, вирусы. Именно с помощью электронного микроскопа была детально изучена ультраструктура клеточных органоидов.

Описательный метод — точная и систематическая фиксация признаков организма или явления. Именно он лежал в основе первых биологических трудов: натуралисты описывали виды, их внешний вид и поведение. Сравнительный метод — сопоставление нескольких объектов или явлений для выявления сходств и различий. Лежит в основе систематики — науки о классификации организмов. Сравнение строения разных видов позволило установить степень их родства и построить филогенетические деревья, отражающие эволюционные связи.

Моделирование — создание упрощённой модели изучаемого объекта или процесса для изучения его свойств. Физические модели воспроизводят пространственную структуру: например, пластиковая модель молекулы ДНК. Математические модели описывают процессы в виде уравнений: например, модели роста популяций или распространения инфекций. Компьютерные модели позволяют симулировать сложные биологические процессы, которые трудно воспроизвести в лабораторных условиях. Моделирование особенно ценно, когда прямой эксперимент невозможен или неэтичен.

В генетике применяются несколько специальных методов. Гибридологический метод Менделя — скрещивание и анализ расщепления в потомстве. Цитогенетический метод — изучение хромосом под микроскопом, составление кариограммы (графического представления всех хромосом организма). Молекулярно-генетический метод — анализ последовательности ДНК, полимеразная цепная реакция, секвенирование генома. Близнецовый метод — сравнение близнецов для оценки роли наследственности. Биохимический метод — анализ белков, ферментов, выявление наследственных болезней обмена веществ.

Внимание! Первая ошибка — путают тканевый и органный уровни. Ткань — совокупность клеток одного типа с одной функцией (например, мышечная ткань). Орган — структура из нескольких тканей с определённой функцией (например, сердце состоит из мышечной, соединительной и эпителиальной тканей). Вторая ошибка — путают популяционно-видовой и организменный уровни. Одна особь — это организменный уровень. Группа особей одного вида на территории — популяционно-видовой. Третья ошибка — считают, что биогеоценоз и экосистема это разные понятия. На самом деле биогеоценоз — это конкретная природная экосистема с определёнными границами, например, еловый лес или болото.

Биология тесно связана с химией: биохимия изучает химические реакции в организмах. Связь с физикой: биофизика изучает физические процессы в живых системах — давление крови, передачу нервного импульса, биомеханику движения. Связь с математикой: математические модели описывают численность популяций, эпидемии, эволюционные процессы. Связь с медициной: понимание биологических процессов необходимо для лечения болезней. Связь с экологией и географией: изучение распределения организмов в пространстве. Такая интеграция наук привела к возникновению пограничных дисциплин: биохимии, биофизики, молекулярной биологии, экологической генетики.