МЕТОДИ БІОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

Мал. 46.Дикі гуси під час міграції

Мал. 47. Весна в степу

Мал. 48.У лабораторії

Експеримент як метод дослідження більш властивий наукам, що розвиваються в лабораторії (мал. 48): біохімії, біофізиці, фізіології або генетиці. Фізіологи й біохіміки “у пробірці” вивчають, наприклад, вплив біологічно активних речовин на швидкість метаболізму в окремих клітинах; молекулярні біологи – структуру й функції біологічних макромолекул (білків, ДНК); генетики й біофізики разом досліджують вплив рентгенівського випромінювання на ге не тич ний апарат організмів. Усі ці процеси не можна вивчити у природному середовищі. Адже ні рентгенівського випромінювання, ні високого рівня радіації в природі не буває, а тому тільки в лабораторії відстежують процеси, що відбуваються за таких умов. Відкриті при цьому явища можуть бути надалі використані в прикладних аспектах, наприклад у медицині опромінення застосовують у боротьбі із злоякісними пухлинами, а в селекції рослин (мал. 49) в результаті радіаційного впливу на насіння одержують організми-мутанти з новими біологічними властивостями. Крім того, експериментальні дослідження дозволяють значно прискорити науковий пошук. Адже чекати в природі комбінацій певних умов можна роками, а в лабораторії є можливість створити їх штучно. Як випробувати новий сорт пшениці на стійкість до посухи чи заморозків? Можна, звичайно, довго й завзято чекати, коли у природі виникнуть подібні умо ви, тоді як за до по мо гою фітотрону (мал. 50) (від грец. фітон – рослина і тронос – місцеперебування) – спеціальної споруди для вирощування рослин, що моделює певні кліматичні умови, – вже після першого досліду стане зрозуміло, чи здатний новий сорт протистояти згубним чинникам середовища.

Найцікавіші наукові результати одержують при комбінації спостережень і експерименту, зокрема при використанні різних експериментальних підходів до вивчення природних процесів. Адже найпильніші спостереження за природними явищами стосуються лише зовнішнього вияву. Тоді як експериментальні методи дозволяють “зазирнути” усередину організму й навіть клітин, з’ясувати механізми перебігу різних процесів. Наприклад, за зовнішніми ознаками неможливо зрозуміти сутність генетичних процесів, що відбуваються у природних угрупованнях, тоді як використання досягнень молекулярної біології дозволяє точно визначити, яким чином розподіляються гени між осо би на ми в тій чи іншій популяції, гібридизувати між собою близькі види, або за допомогою радіобіологічного методу мічених атомів – ізотопів Карбону – визначити, з якою швидкістю відбувається метаболізм у клітинах рослин як протягом доби, так і у різні сезони.

Мал. 49. Сорти тюльпанів – наслідок багаторічної роботи селекціонерів

Мал. 50. Фітотрон може бути не меншим за теплицю

Таким чином, біологія – це наука, що базується на знаннях, отриманих дослідним шляхом під час спостереженнь об’єктів живого та експериментів з ними, якими можуть бути клітини, організми, сукупність організмів одного чи різних видів. Перш за все в біології використовуються такі методи, як описовий і порівняльний. Опис – це відносно простий метод дослідження, коли явище або об’єкт характеризуються за основними якостями та властивостями. При цьому не використовуються методи точних наук або математичні прийоми. Оскільки все пізнається у порівнянні, то й опис найкраще робити відносно відомих явищ або предметів, які виступають у якості еталону. Збір та опис фактів були основними прийомами досліджень у ранній період розвитку біології. Однак цей метод не втратив свого значення і дотепер його широко використовують у ботаніці, зоології, анатомії, систематиці та інших біологічних науках.

Ще у XVIII ст. було запроваджено порівняльний метод, який дозволив шляхом співставлення вивчати подібність і розбіжність організмів та їх частин. На основі цього методу сформувалася систематика, розроблено клітинну та еволюційну теорії, сформульовано біогенетичний закон, закон подібності зародків, побудовано філогенетичні системи організмів.

Історія біології доводить, що справжніх успіхів у вивченні живого можна досягти тільки тоді, коли опис поступається дослідженням живих об’єктів і процесів, які відбуваються з ними. Особливе значення мають дослідження, контрольовані і керовані людиною. Такий спосіб отримання наукової інформації називається експериментальним методом дослідження і в біології, як правило, використовується в поєднанні з досягненнями інших природничих наук, перш за все хімії та фізики. (Пригадайте, що послугувало поштовхом до того, щоб біологія стала самостійною наукою.)

Експериментальний метод – це метод, при якому дослідник вивчає певний ізольований об’єкт або процес і намагається досягнути повторюваності результатів у подібних умовах.

І. П. Павлов (1849-1936) (мал. 51) стверджував, що спостереження збирає те, що пропонує природа, дослід бере від природи те, що він хоче. (Наведіть приклади експериментів, які увійшли в історію біологічної науки. Які прилади при цьому використовували науковці?)

Мал. 51. І. П. Павлов

Мал. 52а. Черепашки викопних найпростіших – фораменіферів

Мал. 52 б. Відбитки стародавніх членистоногих – трилобітів

Мал. 53.Так здалеку виглядає Чорнобильська АЕС

Особливе місце в біології займають методи дослідження в часі. Історичний метод широко використовується в систематиці та еволюційній теорії, коли за викопними рештками вимерлих тварин і рослин (мал. 52а і 52б) визначають спорідненість та походження нині існуючих видів.

Ще один метод, який оперує більш короткими часовими відрізками, – моніторинг (від лат. монітор – той, що нагадує) – постійне спостереження за станом певного біологічного об’єкта, най частіше за угрупованнями організмів. Так, моніторинг видового складу рослин у біосферному заповіднику Асканія-Нова (мал. 54) показав, що за останні 75 років тут з’явилося понад сто нових видів, які витісняють види, властиві європейській степовій зоні, що неминуче приведе до зміни екосистем і в цілому змінить природу заповідника.

Ще один тип моніторингу – генетичний – являє собою реєстрацію кількості спадкових порушень і зіставлення темпу їх нарощування в наступних поколіннях порівняно з попередніми. Наприклад, спеціальні дослідження в пологових будинках Києва, проведені після аварії на Чорнобильській АЕС (мал. 53), не довели на той час вірогідного збільшення генетичних вад та спадкових захворювань у новонароджених малюків. (Прокоментуйте цей факт.)

Залежно від накопичення фактів виникає необхідність їх систематизації та класифікації, виявлення певних закономірностей, що проводять за допомогою статистичних методів, які дозволяють розробити правила збору інформації і допомагають аналізувати величезні масиви даних. Особливого значення статистичні методи набули в сучасній науці з розвитком комп’ютерної техніки і створенням нових інформаційних систем. За їх допомогою можна з точністю визначити надійність результатів і висновків дослідження, вірогідність і силу зв’язку між біологічними явищами, а також вплив одиничних або численних факторів на біологічні процеси. (Пригадайте, яка біологічна наука виникла завдяки застосуванню статистичного методу дослідження.)

Розвиток будь-якого наукового пошуку завжди пов’язаний з виникненням гіпотези (від грец. гіпотезіс – припущення), яка обов’язково потребує перевірки. Одним з найпростіших способів є створення копії (моделі) біологічного явища з подальшим зіставленням процесів, що відбуваються у моделі (від лат. модулюс – міра, зразок), і тими подіями, які за схожістю виникають у природі. За допомогою таких порівнянь можна одержати науково важливі факти, які неможливо дослідити іншим шляхом. Наочним прикладом такої біологічної моделі слід вважати акваріум (мал. 55), існування риб у якому багато в чому схоже на їхнє життя у природній водоймі.

Мал. 54.У заповіднику Асканія-Нова

Мал. 55.Акваріум дає певне уявлення про життя риб

У сучасній біології для створення моделі природного явища все частіше замість фізичних об’єктів використовується математична мова (формули або рівняння) і за допомогою комп’ютерних технологій проводиться імітування біологічних процесів, що відбувають ся в клітині, організмі або біоценозі. Такий підхід отримав назву математичне моделювання, коли гіпотеза подається у вигляді математичної формули, за якою вибудовується гіпотетичний процес, що в подальшому зіставляється з реальними подіями. Якщо реальний процес відповідає гіпотетичному, то це означає: гіпотеза, покладена в основу моделі, адекватна і сформульоване вченим припущення правильне. Якщо такої відповідності не спостерігається, то за характером відхилень між реальним і гіпотетичним процесами можна виявити додаткові чинники, які не були враховані в первинній гіпотезі.

Однією з перших математичних моделей у біології вважається модель Мальтуса, створена у XVIII ст. Вона описує розмноження особин популяції у вигляді геометричної прогресії. Проте в природі чисельність не зростає з такою швидкістю, оскільки до статевозрілого стану доживає дуже незначна частина потомства.

Серед сучасних досліджень заслуговує на увагу спроба моделювання біосферних процесів, здійснена американськими вченими на початку 90-х років минулого століття. В Аризоні було побудовано споруду площею 1,5 га із скляним дахом (мал. 56), що пропускав 50 % сонячного світла. Всередині 7 блоків: тропічний ліс, океан, пустеля (мал. 57), савана, мангровий естуарій (мал. 58), пасовища, житлові приміщення. 8 осіб (4 чоловіки і 4 жінки) та 3000 видів рослин і тварин перебували у герметичній споруді протягом двох років. Однак рівновага швидко була порушена: мікроорганізми і комахи почали розмножуватись, знищувати сільськогосподарські культури, кисень знизився до 15 %, під склом щоранку утворювався конденсат, який випадав рясним дощем, без вітру (регулярного коливання) дерева ставали крихкими та ламалися. (Як ви вважаєте, про що свідчать результати цього експерименту?)

Мал. 56.Біосфера-2 (ззовні)

Мал. 57.Біосфера-2. Пустеля

Мал. 58.Біосфера-2. Мангровий естуарій

Розвиток наукових знань. Результатами спостережень чи експериментів є отримання нових фактів (від лат. фактум – зроблене) та їх накопичення. Новий фактичний матеріал дає змогу шляхом умовиводів дійти гіпотези, яку необхідно перевірити експериментально. Якщо результати підтверджують наукове припущення, подальше накопичення фактичного матеріалу дозволяє сформулювати наукові узагальнення, якими можуть бути теорія (від грец. теоріа – дослідження), принцип (від лат. прінціпіум – початок, основа), закон або вчення.

Отже, розвиток наукових знань відбувається таким шляхом: факт – умовивід – гіпотеза – експеримент – теорія (закон).

Цей шлях, властивий природничим наукам, зокрема біології, називається індукцією (від лат. індукціо – наведення) і полягає в накопиченні окремих фактів та їх узагальненні подібно до того, як з окремих ланок утворюється ланцюг. Існує інший шлях пізнання – дедукція (від лат. дедукціо – відведення).

На певному етапі розвитку науки і накопичення фактів формується загальна теорія кожної науки. Так сталося в механіці й фізиці, де виникли теоретична фізика та теоретична механіка. У біології через значну складність вивчення живих об’єктів, відсутність універсальної теорії життя й унеможливлення цілковитої математизації, теоретична біологія вже понад 40 років перебуває на стадії становлення. Саме тому дедукція – метод здобуття нових знань, основою якого є логічно пов’язана ланка умовиводів, у біологічній науці ще не посіла належного місця. (Пригадайте, хто з літературних героїв досконало володів методом дедуктивного мислення.) Од ним з де дуктивних методів є метод математичного моделювання.

Біологія – це наука, яка має свої ідеї (принципи), а також методи одержання нових знань. У її розвитку провідну роль відіграють спостереження та експерименти, що базуються на використанні досягнень точних наук (фізики, хімії, математики).

Сучасна біологія грунтується на інформаційних технологіях, статистичному аналізі величезних масивів даних і математичному моделюванні.

Розвиток наукових знань у біології відбувається таким шляхом: факт – умовивід – гіпотеза – експеримент – теорія (закон).

Біологія в обличчях

Інформація до роздумів. Один із засновників молекулярної біології, автор моделі просторової структури ДНК американський генетик Дж. Вотсон закликає вчених приділяти увагу не лише аспектам дослідження, а й проводити просвітницьку роботу, роз’яснювати цінність результатів наукових даних. З 1989 р. він – організатор і керівник проекту “Геном людини”, діяльність якого спрямована на розшифрування послідовностей ДНК людини. Вчений вважає, що вивчення будови і різноманітності геномів різних видів живих істот, якою займається окрема наука геноміка, приводить не тільки до появи знань з цього предмета, тобто має не тільки теоретичне значення, але й практичне, оскільки може стати науковою основою для виявлення причин спадкових хвороб. Знання, отримані при вивченні геному людини, визначать нові напрямки в біотехнології, що зможе сприяти отриманню комерційно привабливих продуктів.

Дж. Вотсон також розробив перелік правил успішного сучасного науковця, куди включив такі пункти: – наукою треба “горіти”; – науковець повинен мати свободу у виборі проблем дослідження та вміти побачити конкретний результат роботи; – бажано працювати у колективі рівних за інтелектуальним рівнем людей, а обговорювати результати досліджень варто лише з видатними науковцями;

– зайва (надмірна) ерудованість може завадити під час проведення досліджень;

– корисно бути трішки “незнайкою”; – треба докладати максимум зусиль, щоб стати “номером один” у своїй сфері діяльності; – отримати певні результати замало, треба вміти їх презентувати; – конкретна мета не виключає імпровізацію.

Українські вчені-біологи

Інформація до роздумів. Значним був внесок українських вчених у вивчення хімічних і молекулярних основ життя. Серед найвідоміших науковців цього напряму біологічних досліджень слід, перш за все, згадати академіків В. І. Вернадського та С. М. Гершензона.

Вернадський Володимир Іванович (1863-1945)

Український і російський геолог, біогеохімік, академік Національної академії наук України (з 1919) і її перший президент (1919-1921), академік Російської академії наук (з 1912). Один із засновників вчення про біосферу. Народився в Петербурзі. Закінчив Петербурзький університет (1885). У 1886-1888 рр. працював у Мінералогічному музеї Петербурзького університету. З 1890 р. приват-доцент, в 1898-1911 рр. – професор Московського університету. З 1914 р. – директор Геологічного і мінералогічного музею Петербурзької Академії наук. У 1917-1921 рр. працював в Україні, будучи академіком-фундатором, брав активну участь у створенні НАН України. Є засновником Інституту загальної і неорганічної хімії НАН України. У 1922-1939 рр. – директор Радієвого інституту, в 1928-1945 рр. – директор лабораторії геохімічних проблем АН СРСР, завідувач біогеохімічної лабораторії.

Наукові інтереси Вернадського охоплювали широкий спектр проблем. Його вважають засновником геохімії, зокрема біогеохімії. Він провів перші дослідження закономірностей будови і складу земної кори, гідросфери і атмосфери. Вивчав міграцію хімічних елементів у земній корі. Саме Вернадський є творцем теорії провідної ролі живих істот в геохімічних процесах. Його праці визначили головні напрями розвитку сучасної мінералогії.

Незважаючи на те, що за фахом Вернадський був геологом, він – автор багатьох пріоритетних досліджень у біології. Останні 20 років свого життя науковець присвятив вивченню хімічного складу тварин і рослин. Першим встановив зв’язок між мікроорганізмами і певними геологічними процесами. Саме він дав наукове визначення біосфері, а сукупність організмів біосфери назвав живою речовиною, яка, трансформуючи сонячне випромінювання, залучає неорганічні речовини в кругообіг. Він також є автором низки філософських праць із проблем природознавства, а також з історії науки.

З метою увіковічення пам’яті цього великого вченого в Україні на його честь названо одну з найбільших наукових бібліотек країни, а в Російській академії наук засновані золота медаль і премія імені В. І. Вернадського.

Гершензон Сергій Михайлович (1906-1998)

Видатний вітчизняний генетик, академік НАНУ (1976). Один із небагатьох вчених-біологів – Герой соціалістичної праці. Народився в Москві. Закінчив Московський університет (1927). В 1931-1935 рр. працював у Москві в Біологічному інституті ім. К. А. Тимірязєва, в 1935-1937 рр. – в Інституті загальної генетики ім. М. І. Вавилова Російської академії наук. В 1937-1948 рр. – завідувач відділом Інституту зоології ім. І. І. Шмальгаузена, одночасно завідуючи кафедрою генетики і дарвінізму Київського національного університету ім. Тараса Шевченка. У 1948-1958 рр. – в період, коли було репресовано багато вчених-генетиків, його практично усунули від наукової і викладацької роботи і він дивом залишився живим. У 1963-1968 рр. – заступник директора Інституту мікробіології і вірусології НАНУ, в 1968-1973 рр. – завідувач сектора молекулярної біології і генетики АН УССР В 1973 р. – перший директор Інституту молекулярної біології і генетики НАНУ.

С. М. Гершензон – видатний еволюціоніст і генетик-експериментатор. Відкрита ним мутагенна дія ДНК, яку він описав у своїй статті (разом із М. Тарновським та П. Ситко), вважається першим експериментальним доказом того, що саме ДНК є найважливішою речовиною генетичних процесів. Але, на жаль, Нобелівську премію за це відкриття пізніше отримав інший науковець – Герман Меллер. Окрім хімічного мутогенезу, Сергій Гершензон виявив феномен “генів, що втекли” та зворотню транскрипцію. Однак Нобелівській комітет не помічав досягнень радянських вчених, оскільки на той час відбувалися гоніння в СРСР на генетику. С. Гершензон є автором пріоритетних досліджень з молекулярної структури вірусів комах. Значну увагу приділяв теоретичним питанням біології, зокрема ідеї еволюційного розвитку живого.