МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ У БІОЛОГІЇ. ЗНАЧЕННЯ ДОСЯГНЕНЬ БІОЛОГІЧНОЇ НАУКИ В ЖИТТІ ЛЮДИНИ І СУСПІЛЬСТВА

ВСТУП

§ 3. МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ У БІОЛОГІЇ. ЗНАЧЕННЯ ДОСЯГНЕНЬ БІОЛОГІЧНОЇ НАУКИ В ЖИТТІ ЛЮДИНИ І СУСПІЛЬСТВА

Пригадайте: за допомогою яких методів досліджують одноклітинні організми?

– Основні методи біологічних досліджень. Живу матерію на різних рівнях організації досліджують також різними методами, основні з яких – порівняльно-описовий, експериментальний, моніторинг і моделювання. Отримані результати обробляють за допомогою математично-статистичного аналізу.

За допомогою порівняльно-описового методу описують нові

для науки види організмів, процеси чи явища. Його започаткував давньогрецький учений Арістотель. Однак часто замало просто описати новий вид організмів, процес, явище тощо. Щоб встановити своєрідність об’єкта досліджень, його необхідно порівняти з іншими подібними об’єктами, процесами чи явищами. Наприклад, відкриття нових для науки видів неможливе без аналізу їхньої подібності та відмінностей від близьких форм. Те саме стосується органічних сполук, біохімічних процесів, будови та функцій клітин, тканин, організмів, екосистем тощо.

Для наукового дослідження будь-який біологічний об’єкт

потрібно класифікувати, тобто визначити його належність до тієї чи іншої групи (наприклад, органічних речовин – до білків, ліпідів, вуглеводів чи нуклеїнових кислот тощо, живих істот – до відповідного виду, роду, родини і т. д.). Порівняння об’єктів дослідження можливе лише в межах певного рівня організації (наприклад, порівняння певної молекули з іншими молекулами, клітини – з іншими клітинами, виду – з іншими видами тощо).

Експериментальний метод полягає в тому, що дослідники активно втручаються в будову об’єктів досліджень, перебіг тих чи інших процесів, явищ і спостерігають за наслідками такого втручання. Експерименти бувають польові та лабораторні. Польові експерименти здійснюють у природних умовах: 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) (мал. 3.1). У таких дослідженнях часто використовують піддослідні організми, яких дослідники штучно розводять та утримують. Деякі лабораторні культури дали початок промисловим культурам, які використовують для одержання потрібних людині продуктів. Це один з напрямів досліджень у біотехнології (наприклад, використання дріжджів у хлібопекарській справі, виноробстві; бактерій і грибів – для отримання антибіотиків тощо).

Мал. 3.1. Сучасні біологічні лабораторії

Моніторинг – постійне стеження за перебігом певних процесів в окремих популяціях, екосистемах, біосфері в цілому чи за станом певних біологічних об’єктів. Його здійснюють здебільшого на популяційно-видовому, біогеоценотичному чи біосферному рівнях. Він дає змогу не тільки визначати стан певних об’єктів, а й прогнозувати можливі зміни, аналізувати їхні наслідки. Наприклад, зміни клімату на нашій планеті можливі в зв’язку з накопиченням в атмосфері вуглекислого газу. Здійснюючи моніторинг його вмісту в атмосфері, можна припустити, як це впливатиме на зміну клімату нашої планети. Таким чином, моніторинг дає можливість своєчасно виявляти негативні зміни у структурі та функціонуванні окремих популяцій, біогеоценозів чи біосфері в цілому і своєчасно розробляти заходи їх охорони.

Моделювання – метод дослідження та демонстрування структур, функцій, процесів за допомогою їхньої спрощеної імітації. Моделювання є обов’язковим етапом багатьох наукових досліджень, бо дає змогу вивчати об’єкти та процеси, які неможливо безпосередньо спостерігати чи відтворювати експериментально. Будь-яка модель неминуче спрощена. Вона не може виявити всю складність об’єктів, процесів чи явищ, які спостерігають у природі, а відображає лише їхні загальні риси чи ймовірний перебіг. За допомогою моделювання учені прогнозують можливі наслідки тих чи інших процесів або явищ, створюють певні ідеальні об’єкти чи явища й порівнюють з ними реальні. Наприклад, для дослідження багатьох небезпечних хвороб людини створюють моделі цих процесів у піддослідних тварин.

Моделі можуть бути статичними та динамічними. Приклади статичних моделей вам не раз демонстрували на уроках біології, наприклад моделі будови квітки, головного мозку чи інших органів. Їх можна роздивлятися, не втручаючись в їхню структуру. А ось за допомогою акваріума (мал. 3.2) можна створити динамічну модель водної екосистеми. Змінюючи видовий склад організмів, хімічний склад води тощо, можна спостерігати за наслідками такого втручання.

Мал. 3.2. Акваріум як модель водної екосистеми

Мал. 3.3. Харчові зв’язки між організмами можна описати за допомогою математичної моделі. (Розв’яжіть задачу. Зайцю, для того щоб збільшити масу на 5 кг, треба з’їсти 50 кг рослин. Лисиця, якщо з’їсть зайця масою 5 кг, збільшить свою масу лише на 500 г. Визначте, яка частина їжі засвоюється, а яка – втрачається)

Теоретичні основи математичних моделей біологічних процесів і явищ розробляє математична біологія. Математична модель – це чисельне вираження парних зв’язків (у вигляді системи диференційних рівнянь) у межах певного об’єкта, процесу чи явища. Змінюючи числове значення одного з показників, введених у модель, можна спостерігати, як змінюватимуться й інші, тобто як поводитиме себе дана система за певних умов. Наприклад, можна створити модель харчових зв’язків у екосистемі, описуючи зв’язки між окремими видами: рослина – рослиноїдний вид, рослиноїдний вид – хижак і т. д. (мал. 3.3).

Математичне моделювання в біології – сукупність математичних методів аналізу складних кількісних взаємозв’язків і закономірностей у біологічних системах. Його здійснюють за допомогою комп’ютерної техніки, яка дає змогу зберігати величезні обсяги даних і швидко їх обробляти за допомогою спеціальних програм. Математичне моделювання дає змогу спостерігати за можливими варіантами перебігу подій, виділяти окремі зв’язки, комбінувати їх тощо. Передумовою створення правильної математичної моделі слугують накопичення даних спостережень або експериментів про певні явища чи процеси.

Математичну модель створюють у декілька етапів. Послідовно висувають робочу гіпотезу та формулюють запитання, відповіді на які повинна дати модель; розробляють відповідний математичний апарат; на його основі вираховують певні дані; порівнюють їх з результатами спостережень та експериментів, перевіряючи правильність моделі. У разі істотних розходжень результатів моделювання з реальними даними модель докорінно переробляють або відкидають, оскільки це свідчить про помилковість робочої гіпотези або неправильно розроблений математичний апарат.

Гіпотеза – науково обгрунтоване припущення, висунуте для пояснення того чи іншого факту, процесу або явища. Гіпотеза, підтверджена практикою, стає науковою теорією.

Математичні моделі, наприклад, дають змогу визначати, яку кількість особин промислових тварин можна вилучати з природних популяцій, щоб це не позначилося на їхній чисельності; прогнозувати масові розмноження шкідників, наслідки антропогенного впливу на окремі екосистеми та біосферу (наприклад, як збільшення концентрації вуглекислого газу в атмосфері впливає на окремі групи організмів і клімат планети загалом) тощо.

Статистичний метод. Будь-який накопичений матеріал, отриманий у результаті спостережень, експериментів або моделювання, потребує статистичної (математичної) обробки. Маса зібраних фактів, не проаналізованих і не оброблених статистично, не дає можливості виявити весь об’єм інформації, встановити певні закономірності. Перед обробкою результатів дослідники визначають завдання, які потрібно вирішити, і залежно від цього обирають той чи інший метод математичної статистики. Математична обробка необхідна для визначення ступеня достовірності та правильного узагальнення отриманих результатів.

Статистично достовірну закономірність у біології можна вважати правилом або науковим законом. Біологічні закони – це статистично вивірені закономірності, що зазвичай не мають винятків і можуть бути витлумачені лише певним чином (пригадайте закони, які ви вивчали з інших предметів). З часом ви ознайомитеся з основними біологічними законами, зокрема екологічними та законами спадковості.

– Значення біології у житті людини. Бурхливий розвиток наук про життя у другій половині ХХ ст. сприяв багатьом відкриттям у галузі біології. Це, зокрема, відкриття і розшифрування генетичного коду, головних ланок синтезу білка, багатьох процесів обміну речовин у живій клітині, триває інтенсивна робота з розшифрування геному людини, рослин і тварин.

За участі учених-біологів досягнуто значного прогресу у своєчасному встановленні причин (діагностуванні) різноманітних захворювань людини, свійських тварин і культурних рослин, їхній профілактиці та лікуванні. На основі біологічно активних речовин, які виробляють різноманітні організми, дослідники створюють ефективні лікарські препарати. Сучасні вчені здатні штучно змінювати спадковий матеріал різноманітних організмів. Наприклад, до клітин бактерії кишкової палички введено гени, що відповідають за утворення гормонів, необхідних для лікування низки захворювань людини (карликовість, цукровий діабет та ін.), (згадайте про причини цих захворювань). Раніше ці речовини видобували з тварин у невеликих кількостях, а тепер їх можна отримувати в мікробіологічних лабораторіях згідно з потребами.

Організми із зміненим спадковим матеріалом (їх називають генетично модифікованими) вирізняються стійкістю до захворювань, високою продуктивністю тощо. Проте застосування цих організмів нині обмежене, оскільки ще досконало не досліджено вплив їхнього споживання на організм людини та свійських тварин.

Сучасні дослідження в галузі молекулярної біології та генетики дають змогу виявляти дефектні гени, які спричиняють спадкові захворювання, та замінювати їх на нормальні копії.

Екологія – наука, покликана своїми дослідженнями переконати людей у необхідності дбайливого ставлення до природи, жити за її законами, а не намагатися їх змінити в будь-який спосіб. Тому вона слугує теоретичною базою для планування і здійснення охорони навколишнього природного середовища. На базі екологічних досліджень створюються нові напрями охорони як окремих видів організмів, так і їхніх угруповань.

– Завдання сучасної біології насамперед полягають у розв’язанні найважливіших проблем людства: збільшення продовольчого потенціалу планети; поліпшення екологічного стану середовища життя людини, збереження її здоров’я і довголіття; одержання альтернативних джерел енергії. Тому актуальним буде:

– встановлення контролю над самовідновленням біоресурсів;

– створення штучних біологічних систем з потрібними людині компонентами, не порушуючи екологічної рівноваги;

– вивчення складних фізіолого-генетичних функцій організму для подолання та попередження онкологічних та інших небезпечних захворювань людини;

– використання генетично модифікованих організмів для одержання від них білків, антитіл, ферментів, гормонів, вакцин для медицини і ветеринарії;

– вивчення енергетичних і синтетичних процесів у клітині для перетворення їх у промислові біотехнології.

Ключові терміни та поняття. Моніторинг, моделювання.

Коротко про головне

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

Отримані внаслідок досліджень результати обробляють за допомогою математично-статистичного аналізу.

Для наукового дослідження будь-який біологічний об’єкт потрібно класифікувати, тобто визначити його належність до тієї чи іншої групи (наприклад, органічних речовин – до білків, ліпідів, вуглеводів чи нуклеїнових кислот тощо, живих істот – до того чи іншого виду, роду, родини і т. д.).

Застосування математично-статистичних методів сприяло перетворенню біології з описової науки в точну, яка базується на математичному аналізі одержаних даних.