§ 2. Основні методи біологічних досліджень

Пригадайте, за допомогою яких методів досліджують одноклітинні та багатоклітинні організми. Яка будова та правила роботи зі світловим (оптичним) мікроскопом.

Живу матерію на різних рівнях організації досліджують різними методами. Головні з них - порівняльно-описовий, експериментальний, моніторинг і моделювання.

Порівняльно-описовий метод започаткував видатний давньогрецький учений Аристотель. Ним користуються і тепер, описуючи нові для науки види організмів, процеси чи явища. Наприклад, замало просто описати новий вид організмів. Щоб довести унікальність цього виду, його потрібно порівняти з іншими, подібними до нього видами, про які у науці було відомо раніше. Те саме стосується і описання інших об’єктів, процесів чи явищ. Важливо, що порівнювати об’єкти дослідження можна лише в межах певного рівня організації (наприклад, певну молекулу порівнювати з іншими молекулами, клітини - з іншими клітинами тощо).

Експериментальний метод полягає в тому, що дослідники активно втручаються в будову об’єктів досліджень, перебіг різних процесів, явищ і спостерігають наслідки такого втручання. Експерименти бувають польові та лабораторні.

Польові експерименти здійснюють у природних умовах: наприклад, на експериментальних ділянках вивчають дію певних речовин на ріст рослин, випробовують заходи боротьби зі шкідниками, досліджують вплив господарської діяльності людини на природні екосистеми тощо.

Лабораторні експерименти проводять у спеціально обладнаних приміщеннях (лабораторіях). У таких дослідженнях часто використовують піддослідні організми, яких учені штучно розводять та утримують.

Завдання

Оберіть дві рослини одного виду та приблизно однакових розмірів. Одну рослину поливайте лише відстояною водою, іншу - з додаванням мінеральних добрив (додавати у воду в мінеральні добрива слід згідно з рекомендаціями, які додають до таких добрив). Періодично раз на тиждень вимірюйте висоту рослин і відзначайте їхній стан. Результати досліджень записуйте у зошит. Наприкінці досліду (наприклад, через місяць) зробіть підсумковий висновок, у якому поясніть отримані результати.

Моніторинг - постійне стеження за перебігом певних процесів в окремих популяціях, екосистемах, біосфері в цілому чи за станом певних біологічних об’єктів. Моніторинг дає змогу визначати стан певних об’єктів, популяцій, екосистеми та біосфери в цілому, прогнозувати можливі негативні зміни, аналізувати їхні наслідки і своєчасно розробляти заходи щодо їхньої охорони. Наприклад, здійснюючи моніторинг умісту карбон(ІV) оксиду (вуглекислого газу) в атмосфері, можна припустити, як це впливатиме на зміни клімату нашої планети.

Завдання

Під керівництвом учительки/вчителя протягом року проведіть моніторинг за змінами видового складу птахів вашої місцевості. З'ясуйте, які види першими відлітають у вирій, які - згодом; зверніть увагу, які види залишаються зимувати, хто з них чисельно переважає. Навесні визначте, які мігруючі види птахів прилітають першими, а які - згодом. Наприкінці досліджень зробить висновки й запишіть їх у зошит.

Моделювання - метод дослідження та демонстрування структур, функцій, процесів за допомогою їхньої спрощеної імітації. Моделювання є обов’язковим етапом багатьох наукових досліджень, оскільки дає змогу вивчати об’єкти та процеси, які неможливо безпосередньо спостерігати чи відтворювати експериментально. За допомого моделювання вчені прогнозують можливі наслідки різних процесів або явищ, створюють певні ідеальні об’єкти чи явища й порівнюють з ними реальні. Результати, отримані за допомогою згаданих методів, обробляють, використовуючи математично-статистичний аналіз.

Мал. 2.1. 1 - фрагмент нижньої щелепи хижого динозавра мегалозавра, який пересувався на задніх кінцівках (жили в середині юрського періоду (181169 млн років тому); частини скелетів знайдено в Англії, Франції та Португалії); 2 - стегнова кістка мегалозавра; 3 - один з етапів створення тривимірної моделі мегалозавра; 4 - відтворений вигляд мегалозавра

Про важливість моделювання можуть свідчити такі факти. Під час проведення палеонтологічних досліджень учені часто виявляють лише окремі кістки (або навіть фрагменти кісток) тварин, які мешкали в колишні геологічні епохи. Використовуючи сучасні комп’ютерні технології, учені можуть створювати повні 3D моделі таких істот, які дають змогу отримати уявлення про будову цих тварин (мал. 2.1). Така модель є прикладом статичної моделі, яка, на відміну від динамічної, не дає можливості досліджувати процеси, що відбуваються в біологічних системах, і прогнозувати їхні наслідки. Прикладом динамічних моделей є акваріум, який імітує водну екосистему, та математичні моделі.

Завдання

У школі знайдіть приклади статичних (наприклад, моделі будови квітки, організму тварини або людини) та динамічних (як-от акваріум) моделей. Зробіть висновки, яку інформацію можна отримати, вивчаючи обрані вами моделі. Висновки запишіть у зошит.

Цікаво знати

Фахівці здатні створювати моделі біологічних систем різного рівня організації: від молекулярного до біосферного. Моделювання структури білкових молекул використовують у фармакології (наприклад, під час створення лікарських препаратів), медицині (виявлення такої структури білкових молекул, яка здатна спричинити захворювання людини), біотехнології (як-от створення ефективних ферментів для забезпечення біотехнологічних процесів) тощо. На клітинному рівні проводять моделювання як будови окремих видів клітин, так і процесів обміну речовин, які в них відбуваються або можуть відбуватись. На організмовому рівні дослідники здатні моделювати будову як окремих органів, так і систем органів та процесів, які в них відбуваються, а також хімічну будову організмів (за допомогою вчительки/вчителя поясніть, яке це має наукове та практичне значення).

Мал. 2.2. Етапи створення математичної моделі

Математичне моделювання в біології - сукупність математичних методів аналізу складних кількісних взаємозв’язків і закономірностей у біологічних системах (мал. 2.2). Його здійснюють за допомогою комп’ютерної техніки, яка дає змогу зберігати величезні обсяги інформації і швидко їх обробляти з використанням спеціальних програм. За допомогою математичного моделювання, наприклад, можна вивчати взаємозв’язки організмів у екосистемах (як-от, залежність чисельності популяції рослиноїдної тварини від чисельності популяції хижака, залежність змін чисельності популяцій від кліматичних змін чи впливу діяльності людини).

Статистичний метод. Маса зібраних фактів, не оброблених статистично, всебічно не проаналізованих, не дає змоги виявити всю інформацію, яка в цих фактах міститься, встановити певні закономірності. Математичне оброблення потрібне для визначення ступеня достовірності отриманих результатів і правильного їхнього узагальнення. Застосування математично-статистичних методів сприяло перетворенню біології з описової науки на точну, яка базується на чіткому математичному аналізі одержаних даних.

Статистично достовірну закономірність у біології можна вважати правилом або науковим законом.

Біологічні закони — закономірності, що зазвичай не мають винятків і можуть тлумачитись лише певним чином.

Завдання

Пригадайте закони, які ви вивчали з інших предметів.

Ключові терміни і поняття: моніторинг, описовий та експериментальний методи, моделювання, біологічні закони.

Перевірте здобуті знання

1. Які ви знаєте методи досліджень у біології? 2. Чому під час описання нових для науки видів організмів учені обов’язково застосовують порівняльно-описовий метод? 3. Чому сучасні біологічні дослідження не можуть обходитись без застосування методу моделювання?

Поміркуйте. Які винаходи людства сприяли розвитку біології?

Зміст