В биологических исследованиях используется метод. Какие бывают методы биологических исследований? Аналогия и моделирование в биологии

Краткое описание:

Сазонов В.Ф. Современные методы исследований в биологии [Электронный ресурс] // Кинезиолог, 2009-2018: [сайт]. Дата обновления: 22.02.2018..__.201_). Материалы по современным методам исследований в биологии, её разделах и смежных дисциплинах.

Материалы по современным методам исследований в биологии, её разделах и смежных дисциплинах

Рисунок : Основные ветви биологии.

В настоящее время биология условно разделяется на две большие группы наук.

Биология организмов : науки о растениях (ботаника), животных (зоология), грибах (микология), микроорганизмах (микробиология). Эти науки изучают отдельные группы живых организмов, их внутреннее и внешнее строение, образ жизни, размножение и развитие.

Общая биология : молекулярный уровень (молекулярная биология, биохимия и молекулярная генетика), клеточный (цитология), тканевой (гистология), органы и их системы (физиология, морфология и анатомия), популяции и природные сообщества (экология). Иными словами, общая биология изучает жизнь на различных уровнях.

Биология тесно связана с другими естественными науками. Так, на стыке между биологией и химией появились биохимия и молекулярная биология, между биологией и физикой – биофизика, между биологией и астрономией – космическая биология. Экология, находящаяся на стыке биологии и географии, в настоящее время часто рассматривается как самостоятельная наука.

Задачи студентов по учебному курсу Современные методы биологических исследований

1. Ознакомление с разнообразными методами исследований в различных областях биологии.

Решение и отчётность:
1) Написание обзорного учебного реферата по методам исследования в различных областях биологии. Минимальные требования к содержанию реферата: описание 5 методов исследования по 1-2 страницы (шрифт 14, интервал 1,5, поля 3-2-2-2 см) на каждый метод.
2) Предоставление доклада (желательно в виде презентации) по одному из современных методов биологии: объём 5±1 страница.
Ожидаемые результаты обучения:
1) Поверхностное знакомство с широким набором методов исследований в биологии.
2) Углубленное понимание одного из методов исследования и передача этого своего знания студенческой группе.

2. Проведение обучающего учебно-научного исследования от постановки цели до выводов с применением необходимых требований к оформлению научного отчёта об исследовании.

Решение:
Получение первичных данных на лабораторных занятиях и в домашних условиях. Допускается проведение части подобного исследования во внеаудиторное время.

3. Знакомство с общими методами исследования в биологии.

Решение:
Лекционный курс и самостоятельная работа с источниками информации. Доклад на примере фактов из истории биологии: объём 2±1 страница.

4. Применение полученных знаний, умений и навыков для проведения и оформления собственного исследования в виде НИРС, курсовой работы и/или выпускной квалификационной работы.

Определение понятий

Методы исследования - это способы достижения цели исследовательской работы.

Научный метод - это совокупность приёмов и операций, используемых при построении системы научных знаний.

Научный факт - это результат наблюдений и экспериментов, который устанавливает количественные и качественные характеристики объектов.

Методологическая основа научного исследования - это совокупность методов научного познания, используемых для достижения цели данного исследования.

Методы общенаучные, экспериментальные, методологическая основа - .

Современная биология использует объединение методологических подходов, она использует «единство описательно-классифицирующего и объяснительно-номотетического подходов; единство эмпирических исследований с процессом интенсивной теоретизации биологического знания, включающим его формализацию, математизацию и аксиоматизацию» [Ярилин А.А. «Золушка» становится принцессой, или Место биологии в иерархии наук. // «Экология и жизнь» №12, 2008. С. 4-11. С.11].

Задачи методов исследования:

1. «Усиление естественных познавательных способностей человека, а также их расширение и продолжение».

2. «Коммуникативная функция», т.е. посредничество между субъектом и объектом исследования [Аршинов В.И. Синергетика как феномен постнеклассической науки. М.: Ин-т философии РАН, 1999. 203 с. С.18].

Общие методы исследований в биологии

Наблюдение

Наблюдение - это исследование внешних признаков и видимых изменений объекта на протяжении определённого промежутка времени. Например, наблюдение за ростом и развитием проростка.

Наблюдение – это отправной пункт всякого естественнонаучного исследования.

В биологии это особенно хорошо заметно, так как объект её изучения – человек и окружающая его живая природа. Уже в школе на уроках зоологии, ботаники, анатомии детей учат проведению самых простых биологических исследований путём наблюдения за ростом и развитием растений и животных, за состоянием собственного организма.

Наблюдение как метод собирания информации – хронологически самый первый приём исследования, появившийся в арсенале биологии, а точнее, ещё её предшественницы – естественной истории. И это неудивительно, так как наблюдение опирается на чувственные способности человека (ощущение, восприятие, представление). Классическая биология - это биология по преимуществу наблюдательная. Но, тем не менее, этот метод не утратил своего значения и по сей день.

Наблюдения могут быть прямыми или косвенными, они могут вестись с помощью технических приспособлений или без таковых. Так, орнитолог видит птицу в бинокль и может слышать её, а может фиксировать прибором звуки вне слышимого человеческим ухом диапазона. Гистолог наблюдает с помощью микроскопа зафиксированный и окрашенный срез ткани. А для молекулярного биолога наблюдением может быть фиксация изменения концентрации фермента в пробирке.

Важно понимать, что научное наблюдение, в отличие от обыденного, есть не простое, но целенаправленное изучение объектов или явлений: оно ведётся для решения поставленной задачи, и внимание наблюдателя не должно рассеиваться. Например, если стоит задача изучить сезонные миграции птиц, то мы будем замечать сроки их появления в местах гнездования, а не что-либо иное. Таким образом, наблюдение - это избирательное выделение из действительности определенной части , иначе говоря, аспекта, и включение этой части в изучаемую систему.

В наблюдении важна не только точность, аккуратность и активность наблюдателя, но и его непредвзятость, его знания и опыт, правильный выбор технических средств. Постановка задачи предполагает также наличие плана наблюдений, т.е. их планомерность. [Кабакова Д.В. Наблюдение, описание и эксперимент как основные методы биологии // Проблемы и перспективы развития образования: материалы междунар. науч. конф. (г. Пермь, апрель 2011 г.).Т. I. Пермь: Меркурий, 2011. С. 16-19.].

Описательный метод

Описательный метод - это фиксирование наблюдаемых внешних признаков объектов исследования с выделением существенного и отбрасыванием несущественного. Этот метод стоял у истоков биологии, как науки, но ее развитие было бы невозможно без применения других методов исследования.

Описательные методы позволяют вначале описывать, а затем анализировать явления, происходящие в живой природе, сравнивать их, находя определённые закономерности, а также обобщать, открывать новые виды, классы и прочее. Описательные методы начали использоваться ещё в древности, но на сегодняшний день не утратили своей актуальности и широко применяются в ботанике, этологии, зоологии и т. д.

Сравнительный метод

Сравнительный метод - это исследование сходства и различия в строении, протекании жизненных процессов и поведении различных объектов. Например, сравнение особей разного пола, приндлежащих к одному биологическому виду.

Позволяет изучать объекты исследования путём их сравнения между собой или с другим объектом. Позволяет выявлять сходства и различия живых организмов, а также их частей. Полученные данные дают возможность объединять исследованные объекты в группы по признакам сходства в строении и происхождении. На основе сравнительного метода, например, строится систематика растений и животных. Этот метод использовался также при создании клеточной теории и для подтверждения теории эволюции. В настоящее время он применяется практически во всех направлениях биологии.

Этот метод утвердился в биологии в XVIII в. и оказался очень плодотворным в решении многих крупнейших проблем. С помощью этого метода и в сочетании с описательным методом были получены сведения, позволившие в XVIII в. заложить основы систематики растений и животных (К. Линней), а в XIX в. сформулировать клеточную теорию (М. Шлейден и Т. Шванн) и учение об основных типах развития (К. Бэр). Метод широко применялся в XIX в. в обосновании теории эволюции, а также в перестройке ряда биологических наук на основе этой теории. Однако использование этого метода не сопровождалось выходом биологии за пределы описательной науки.
Сравнительный метод широко применяется в разных биологических науках и в наше время. Сравнение приобретает особую ценность тогда, когда невозможно дать определение понятия. Например, с помощью электронного микроскопа часто получают изображения, истинное содержание которых заранее неизвестно. Только сравнение их со светомикроскопическими изображениями позволяет получить желаемые данные.

Исторический метод

Позволяет выявить закономерности образования и развития живых систем, их структур и функций, сопоставлять их с ранее известными фактами. Данный метод, в частности, успешно использовался Ч. Дарвином для построения его эволюционной теории и способствовал превращению биологии из описательной науки в науку объясняющую.

Во второй половине XIX в. благодаря работам Ч. Дарвина исторический метод поставил на научные основы исследование закономерностей появления и развития организмов, становления структуры и функций организмов во времени и пространстве. С введением этого метода в биологии произошли значительные качественные изменения. Исторический метод превратил биологию из науки чисто описательной в науку объясняющую, которая объясняет, как произошли и как функционируют многообразные живые системы. В настоящее время исторический метод, или "исторический подход" стал всеобщим подходом к изучению явлений жизни во всех биологических науках.

Экспериментальный метод

Эксперимент - это проверка верности выдвинутой гипотезы с помощью целенаправленного воздействия на объект.

Эксперимент (опыт) – искусственное создание в контролируемых условиях ситуации, которая помогает выявить глубоко скрытые свойства живых объектов.

Экспериментальный метод исследования явлений природы связан с активным воздействием на них путем проведения опытов (экспериментов) в контролируемых условиях. Этот метод позволяет изучать явления изолированно и достигать повторяемости результатов при воспроизведении тех же условиях. Эксперимент обеспечивает более глубокое, чем другие методы исследования, раскрытие сущности биологических явлений. Именно благодаря экспериментам естествознание в целом и биология частности дошли до открытия основных законов природы.
Экспериментальные методы в биологии служат не только для проведения опытов и получения ответов на интересующие вопросы, но и для определения правильности сформулированной в начале изучения материала гипотезы, а также для её корректировки в процессе работы. В двадцатом столетии данные способы исследования становятся ведущими в этой науке благодаря появлению современного оборудования для проведения опытов, такого как, например, томограф, электронный микроскоп и прочее. В настоящее время в экспериментальной биологии широко используются биохимические приёмы, рентгеноструктурный анализ, хроматография, а также техника ультратонких срезов, различные способы культивирования и многие другие. Экспериментальные методы в сочетании с системным подходом расширили познавательные возможности биологической науки и открыли новые дороги для применения знаний практически во всех сферах деятельности человека.

Вопрос об эксперименте как одной из основ в познании природы, был поставлен ещё в XVII в. английским философом Ф. Бэконом (1561-1626). Его введение в биологию связано с работами В. Гарвея в XVII в. по изучению кровообращения. Однако экспериментальный метод широко вошел в биологию лишь в начале XIX в., причем через физиологию, в которой стали использовать большое количество инструментальных методик, позволявших регистрировать и количественно характе- ризовать приуроченность функций к структуре. Благодаря трудам Ф. Мажанди (1783-1855), Г. Гельмгольца (1821-1894), И.М. Сеченова (1829-1905), а также классиков эксперимента К. Бернара (1813-1878) и И.П. Павлова (1849-1936) физиология, вероятно, первой из биологических наук стала экспериментальной наукой.
Другим направлением, по которому в биологию вошел экспериментальный метод, оказалось изучение наследственности и изменчивости организмов. Здесь главнейшая заслуга принадлежит Г. Менделю, который, в отличие от своих предшественников, использовал эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы, формулируемой на основе получаемых данных. Работа Г. Менделя явилась классическим образцом методологии экспериментальной науки.

В обосновании экспериментального метода важное значение имели работы, выполненные в микробиологии Л. Пастером (1822-1895), который впервые ввёл эксперимент для изучения брожения и опровержения теории самопроизвольного зарождения микроорганизмов, а затем для разработки вакцинации против инфекционных болезней. Во второй половине XIX в. вслед за Л. Пастером значительный вклад в разработку и обоснование экспериментального метода в микробиологии внесли Р. Кох (1843-1910), Д. Листер (1827-1912), И.И. Мечников (1845-1916), Д.И. Ивановский (1864-1920), С.Н. Виноградский (1856- 1890), М. Бейерник (1851-1931) и др. В XIX в. биология обогатилась также созданием методических основ моделирования, которое является также высшей формой эксперимента. Изобретение Л. Пастером, Р. Кохом и другими микробиологами способов заражения лабораторных животных патогенными микроорганизмами и изучение на них патогенеза инфекционных болезней - это классический пример моделирования, перешедшего в XX в. и дополненного в наше время моделированием не только разных болезней, но и различных жизненных процессов, включая происхождение жизни.
Начиная, например, с 40-х гг. XX в. экспериментальный метод в биологии подвергся значительному усовершенствованию за счет повышения разрешающей способности многих биологических методик и разработки новых экспериментальных приемов. Так, была повышена разрешающая способность генетического анализа, ряда иммунологических методик. В практику исследований были введены культивирование соматических клеток, выделение биохимических мутантов микроорганизмов и соматических клеток и т. д. Экспериментальный метод стал широко обогащаться методами физики и химии, которые оказались исключительно ценными не только в качестве самостоятельных методов, но и в сочетании с биологическими методами. Например, структура и генетическая роль ДНК были выяснены в результате сочетанного использования химических методов выделения ДНК, химических и физических методов определения ее первичной и вторичной структуры и биологических методов (трансформации и генетического анализа бактерий), доказательства ее роли как генетического материала.
В настоящее время экспериментальный метод характеризуется исключительными возможностями в изучении явлений жизни. Эти возможности определяются использованием микроскопии разных видов, включая электронную с техникой ультратонких срезов, биохимических методов, высокоразрешающего генетического анализа, иммунологических методов, разнообразных методов культивирования и прижизненного наблюдения в культурах клеток, тканей и органов, маркировки эмбрионов, оплодотворения в пробирке, метода меченых атомов, рентгеноструктурного анализа, ультрацентрифугирования, спектрофотометрии, хроматографии, электрофореза, секвенирования, конструкции биологически активных рекомбинантных молекул ДНК и т. д. Новое качество, заложенное в экспериментальном методе, вызвало качественные изменения и в моделировании. Наряду с моделированием на уровне органов в настоящее время развивается моделирование на молекулярном и клеточном уровнях.

Метод моделирования

Моделирование основывается на таком приёме, как аналогия - это умозаключение о сходстве объектов в определенном отношении на основе их сходства в ряде иных отношений.

Модель - это упрощённая копия объекта, явления или процесса, заменяющая их в определённых аспектах.

Модель – это то, с чем более удобно работать, то есть то, что легче увидеть, услышать, запомнить, записать, обработать, передать, наследовать, с чем легче экспериментировать, по сравнению с объектом моделирования (прототипом, оригиналом).
Каркищенко Н.Н. Основы биомоделирования . - М.: ВПК, 2005. - 608 с. С. 22.

Моделирование - это, соответственно, создание упрощённой копии объекта, явления или процесса.

Модели́рование:

1) создание упрощённых копий объектов познания;

2) исследование объектов познания на их упрощённых копиях.

Метод моделирования - это исследование свойств определенного объекта посредством изучения свойств другого объекта (модели), более удобного для решения задач исследования и находящегося в определенном соответствии с первым объектом.

Моделирование (в широком смысле) – это основной метод исследования во всех областях знаний. Методы моделирования используются для оценок характеристик сложных систем и принятия научно обоснованных решений в разных сферах человеческой деятельности. Существующую или проектируемую систему можно эффективно исследовать с помощью математических моделей (аналитических и имитационных) с целью оптимизации процесса функционирования системы. Модель системы реализуется на современных компьютерах, которые в этом случае выступают в качестве инструмента экспериментатора с моделью системы.

Моделирование позволяет изучать какой-либо процесс или явление, а также направления эволюции путём воссоздания их в виде более простого объекта при помощи современных технологий и оборудования.

Теория моделирования – теория замещения объекта-оригинала его моделью и исследования свойств объекта на его модели .
Моделирование – метод исследования, основанный на замене исследуемого объекта-оригинала его моделью и на работе с ней (вместо объекта) .
Модель (объекта-оригинала) (от лат. modus – «мера», «объем», «образ») – вспомогательный объект, отражающий наиболее существенные для исследования закономерности, суть, свойства, особенности строения и функционирования объекта-оригинала .
Когда говорят о моделировании, обычно имеют в виду моделирование некоторой системы.
Система – совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных для реализации общей цели, обособленная от окружающей среды и взаимодействующая с ней как целостное целое и проявляющая при этом основные системные свойства. В выделено 15 основных системных свойств, к которым относятся: эмергентность (эмерджентность); цельность; структурированность; целостность; подчиненность цели; иерархичность; бесконечность; эргатичность; открытость; необратимость; единство структурной устойчивости и неустойчивости; нелинейность; потенциальная многовариантность актуальных структур; критичность; непредсказуемость в критической области.
При моделировании систем используют два подхода: классический (индуктивный), сложившийся исторически первым, и системный, получивший развитие в последнее время .

Классический подход. Исторически первым сложился классический подход к изучению объекта, моделированию системы. Реальный объект, подлежащий моделированию, разбивается на подсистемы, выбираются исходные данные (Д) для моделирования и ставятся цели (Ц), отражающие отдельные стороны процесса моделирования. По отдельной совокупности исходных данных ставится цель моделирования отдельной стороны функционирования системы, на базе этой цели формируется некоторая компонента (К) будущей модели. Совокупность компонент объединяется в модель.
Т.о. происходит суммирование компонент, каждая компонента решает свои собственные задачи и изолирована от других частей модели. Применим подход только для простых систем, где можно не учитывать взаимосвязи между компонентами. Можно отметить две отличительные стороны классического подхода: 1) наблюдается движение от частного к общему при создании модели; 2) созданная модель (система) образуется путем суммирования отдельных ее компонент и не учитывает возникновение нового системного эффекта.

Системный подход – методологическая концепция, основанная на стремлении построить целостную картину изучаемого объекта с учетом важных для решаемой задачи элементов объекта, связей между ними и внешних связей с другими объектами и окружающей средой. С усложнением объектов моделирования возникла необходимость их наблюдения с более высокого уровня. В этом случае разработчик рассматривает данную систему как некоторую подсистему более высокого ранга. Например, если ставится задача проектирования АСУ предприятия, то с позиции системного подхода нельзя забывать, что эта система является составной частью АСУ объединением. В основе системного подхода лежит рассмотрение системы как интегрированного целого, причем это рассмотрение при разработке начинается с главного – формулировки цели функционирования. Важным для системного подхода является определение структуры системы – совокупности связей между элементами системы, отражающих их взаимодействие.

Существуют структурные и функциональные подходы к исследованию структуры системы и ее свойств.

При структурном подходе выявляются состав выделенных элементов системы и связи между ними.

При функциональном подходе рассматриваются алгоритмы поведения системы (функции – свойства, приводящие к достижению цели).

Виды моделирования

1. Предметное моделирование , при котором модель воспроизводит геометрические, физические, динамические или функциональные характеристики объекта. Например, модель моста, плотины, модель крыла
самолета и т.д.
2. Аналоговое моделирование , при котором модель и оригинал описываются единым математическим соотношением. Примером могут служить электрические модели, используемые для изучения механических, гидродинамических и акустических явлений.
3. Знаковое моделирование , при котором в роли моделей выступают схемы, чертежи, формулы. Роль знаковых моделей особенно возросла с расширением масштабов применения ЭВМ при построении знаковых моделей.
4. Со знаковым тесно связано мысленное моделирование , при котором модели приобретают мысленно наглядный характер. Примером может в данном случае служить модель атома, предложенная в свое время Бором.
5. Модельный эксперимент. Наконец, особым видом моделирования является включение в эксперимент не самого объекта, а его модели, в силу чего последний приобретает характер модельного эксперимента. Этот вид моделирования свидетельствует о том, что нет жесткой грани между методами эмпирического и теоретического познания.
С моделированием органически связана идеализация - мысленное конструирование понятий, теорий об объектах, не существующих и не осуществимых в действительности, но таких, для которых существует близкий прообраз или аналог в реальном мире. Примерами построенных этим методом идеальных объектов являются геометрические понятия точки, линии, плоскости и т.д. С подобного рода идеальными объектами оперируют все науки - идеальный газ, абсолютно черное тело, общественно-экономическая формация, государство и т.д.

Методы моделирования

1. Натурное моделирование – эксперимент на самом исследуемом объекте, который при специально подобранных условиях опыта служит моделью самого себя.
2. Физическое моделирование – эксперимент на специальныхустановках, сохраняющих природу явлений, но воспроизводящих явления в количественно измененном масштабированном виде.
3. Математическое моделирование – использование моделей пофизической природе, отличающихся от моделируемых объектов, ноимеющих сходное математическое описание. Натурное и физическоемоделирование можно объединить в один класс моделей физического подобия, так как в обоих случаях модель и оригинал одинаковы пофизической природе.

Методы моделирования можно классифицировать на три основные группы: аналитические, численные и имитационные .

1. Аналитические методы моделирования. Аналитические методы позволяют получить характеристики системы как некоторые функции параметров ее функционирования. Таким образом, аналитическая модель представляет собой систему уравнений, при решении которой получают параметры, необходимые для расчета выходных характеристик системы (среднее время обработки задания, пропускную способность и т.д.). Аналитические методы дают точные значения характеристик системы, но применяются для решения только узкого класса задач. Причины этого заключается в следующем. Во-первых, вследствие сложности большинства реальных систем их законченное математическое описание (модель) либо не существует, либо еще не разработаны аналитические методы решения созданной математической модели. Во-вторых, при выводе формул, на которых основываются аналитические методы, принимаются определенные допущения, которые не всегда соответствуют реальной системе. В этом случае от применения аналитических методов приходится отказываться.

2. Численные методы моделирования. Численные методы предполагают преобразование модели к уравнениям, решение которых возможно методами вычислительной математики. Класс задач, решаемых этими методами, значительно шире. В результате применения численных методов получают приближенные значения (оценки) выходных характеристик системы с заданной точностью.

3. Имитационные методы моделирования. С развитием вычислительной техники широкое применение получили имитационные методы моделирования для анализа систем, преобладающими в которых являются стохастические воздействия.
Суть имитационного моделирования (ИМ) заключается в имитации процесса функционирования системы во времени, с соблюдением таких же соотношений длительности операций как в системе оригинале. При этом имитируются элементарные явления, составляющие процесс, сохраняется их логическая структура, последовательность протекания во времени. В результате применения ИМ получают оценки выходных характеристик системы, которые необходимы при решении задач анализа, управления и проектирования.

В биологии, например, можно построить модель состояния жизни в водоеме через некоторое время при изменении одного, двух или более параметров (температуры, концентрации солей, наличия хищников и др.). Такие приемы стали возможны благодаря проникновению в биологию идей и принципов кибернетики - науки об управлении.

В основу классификации видов моделирования можно положить различные признаки . В зависимости от характера изучаемых процессов в системе моделирование может быть разделено на детерминированное и стохастическое; статическое и динамическое; дискретное и непрерывное.
Детерминированное моделирование применяется для исследования систем, поведение которых можно абсолютно точно предвидеть. Например, путь, пройденный автомобилем, при равноускоренном движении в идеальных условиях; устройство, возводящее в квадрат число и т.п. Соответственно в этих системах протекает детерминированный процесс, который адекватно описывается детерминированной моделью.

Стохастическое (теоретико-вероятностное) моделирование применяется для исследования системы, состояние которой зависит не только от контролируемых, но и от неконтролируемых воздействий или в ней самой есть источник случайности. К стохастическим системам относятся все системы, которые включают человека, например, заводы, аэропорты, вычислительные системы и сети, магазины, предприятия бытового обслуживания и т.п.
Статическое моделирование служит для описания систем в какой-либо момент времени.

Динамическое моделирование отражает изменение системы во времени (выходные характеристики системы в данный момент времени определяются характером входных воздействий в прошлом и настоящем). Примером динамических систем являются биологические, экономические, социальные системы; такие искусственные системы как завод, предприятие, поточная линия и т.п.
Дискретное моделирование применяют для исследования систем, в которых входные и выходные характеристики измеряется или изменяется во времени дискретно, в противном случае применяют непрерывное моделирование. Например, электронные часы, электросчетчик – дискретные системы; солнечные часы, нагревательные приборы – непрерывные системы.
В зависимости от формы представления объекта (системы) можно выделить мысленное и реальное моделирование.
При реальном (натурном) моделировании исследование характеристик системы проводится на реальном объекте, либо на его части. Реальное моделирование – наиболее адекватно, но его возможности, с учетом особенностей реальных объектов, ограничены. Например, проведение реального моделирования с АСУ предприятия требует, во-первых, создания АСУ; во-вторых, проведения экспериментов с предприятием, что невозможно. К реальному моделированию относят производственный эксперимент и комплексные испытания, которые обладают высокой степенью достоверности. Другой вид реального моделирования – физическое. При физическом моделировании исследование проводится на установках, которые сохраняют природу явления и обладают физическим подобием.
Мысленное моделирование применяется для моделирования систем, которые практически не реализуемы на заданном интервале времени. В основе мысленного моделирования лежит создание идеальной модели, основанной на идеальной, мыслительной аналогии. Различают два вида мысленного моделирования: образное (наглядное) и знаковое.
При образном моделировании на базе представлений человека о реальных объектах создаются различные наглядные модели, отображающие явления и процессы, протекающие в объекте. Например, модели частиц газов в кинетической теории газов в виде упругих шаров, воздействующих друг на друга во время столкновения.
При знаковом моделировании описывают моделируемую систему с помощью условных знаков, символов, в частности, в виде математических, физических и химических формул. Наиболее мощный и развитый класс знаковых моделей представляют математические модели.
Математическая модель – это искусственно созданный объект в виде математических, знаковых формул, который отображает и воспроизводит структуру, свойства, взаимосвязи и отношения между элементами исследуемого объекта . Далее рассматриваются только математические модели и соответственно математическое моделирование.
Математическое моделирование – метод исследования, основанный на замене исследуемого объекта-оригинала его математической моделью и на работе с ней (вместо объекта) . Математическое моделирование можно разделить на аналитическое (АМ) , имитационное (ИМ) , комбинированное (КМ) .
При АМ создается аналитическая модель объекта в виде алгебраических, дифференциальных, конечно-разностных уравнений. Аналитическая модель исследуется либо аналитическими методами, либо численными методами.
При ИМ создается имитационная модель, используется метод статистического моделирования для реализации имитационной модели на компьютере.
При КМ проводится декомпозиция процесса функционирования системы на подпроцессы. Для тех из них, где это возможно, используют аналитические методы, в противном случае – имитационные.

Список литературы

Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных. – М.: «Финансы и статистика», 1983. – 471 с.
Альсова О.К. Моделирование систем (часть 1): Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Моделирование» для студентов III - IV курсов АВТФ. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – 68с. Моделирование систем (часть 2): Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Моделирование" для студентов III - IV курсов АВТФ. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. – 35 с.
Альсова О.К. Моделирование систем: учеб. пособие/О.К. Альсова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007 - 72 с.
Боровиков В.П. Statistica 5.0. Искусство анализа данных на компьютере: Для профессионалов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2003. – 688 с.
Вентцель Е.С. Исследование операций. – М.: Высшая школа, 2000. – 550 с.
Губарев В.В. Вероятностные модели / Новосиб. электротехн. ин-т. – Новосибирск, 1992. – Ч.1. – 198 с; Ч.2. – 188 с.
Губарев В.В. Системный анализ в экспериментальных исследованиях. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. – 99 с.
Денисов А.А., Колесников Д.Н. Теория больших систем управления: Учеб. пособие для вузов. – Л. Энергоиздат, 1982. – 288 с.
Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. – М.: Статистика, 1973.
Карпов Ю. Имитационное моделирование систем. Введение в моделирование с AnyLogic 5. – СПб.: БХВ-Петрбург, 2005. – 400 с.
Кельтон В., Лоу А. Имитационное моделирование. Классика CS . 3-е изд. – СПб.: Питер; Киев: 2004. – 847 с.
Лемешко Б.Ю., Постовалов С.Н. Компьютерные технологии анализа данных и исследования статистических закономерностей: Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. – 120 с.
Моделирование систем. Практикум: Учеб. пособие для вузов/Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 2003. – 295 с.
Рыжиков Ю.И. Имитационное моделирование. Теория и технологии. – СПб.: КОРОНА принт; М.: Альтекс-А, 2004. – 384 с.
Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем (3-е изд.). – М.: Высшая школа, 2001. – 420 с.
Теория случайных процессов и ее инженерные приложения: Учеб. пособие для вузов/Е.С. Вентцель, Л.А. Овчаров. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 432 с.
Томашевский В., Жданова Е. Имитационное моделирование в среде GPSS . – М.: Бестселлер, 2003. – 416 с.
Хачатурова С.М. Математические методы системного анализа: Учеб. пособие.–Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. – 124 с.
Шеннон Р. Имитационное моделирование систем – искусство и наука. – М.: Мир, 1978.
Шрайбер Т.Дж. Моделирование на GPSS . – М.: Машиностроение, 1980. – 593 с.
Арсеньев Б.П., Яковлев С.А. Интеграция распределенных баз данных. – Спб.: Лань, 2001. - 420 с.

Биология

Задачи:

· раскрытии сущности жизни;

Методы:

· метод наблюдения и описания

· метод измерений

· сравнительный метод

· исторический метод

· метод эксперимента

· метод моделирования

Разнообразие живых организмов. Прокариоты, эукариоты. Уровни организации живой природы. Свойства, отличающие живые системы от объектов неживой природы.

Прокариоты - клетки, не имеющие ядра, органелл, но имеющие кольцевую молекулу ДНК, в состав оболочки входит мурена. К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли.

Эукариоты – клетки, имеющие ядро.

Уровни организации живой природы:

1) Молекулярный уровень:
- затрагивает все биохимические процессы, которые происходят внутри любого живого организма.
Науки:
*биохимия
*молекулярная биология
*молекулярная генетика

2) Клеточный уровень:
- Включает в себя молекулярный уровень.
На этом уровне уже появляется термин «клетка» как «мельчайшая неделимая биологическая система».
Обмен вещ-в и энергии данной клетки(разный в зависимости от того, к какому царству принадлежит организм).
Органоиды клетки
Жизненные циклы – зарождение, рост и развитие, и деление клеток.

Науки:
*цитология
*генетика
*эмбриология

3) Тканевый уровень:
- Включает в себя молекулярный и клеточный уровень.
Этот уровень можно назвать «многоклеточным» -ведь ткань представляет собой совокупность клеток со сходным строением и выполняющих одинаковые функции.
Наука:
*гистология

4) Органный уровень:
- У одноклеточных органы - это органеллы – есть общие органеллы – характерные для всех эукариотических или прокаритических клеток, есть отличающиеся.

У многоклеточных организмов клетки общего строения и функции объединены в ткани, а те, соответственно, в органы которые, в свою очередь, объединены в системы и должны слаженно взаимодействовать между собой.

Науки:
*Ботаника
*Зоология
*Анатомия
*Физиология
*(медицина)

5) Организменный уровень:
- Включает все предыдущие уровни.
На этом уровне идет деление живой природы на царства – животных, астений и грибов.
Характеристика этого уровня:
обмен веществ
строение организма
питание
гомеостаз
размножение
взаимодействие между организмами
взаимодействие с окружающей средой
Науки:
*Анатомия
*Генетика
*Морфология
*Физиология

6) Популяционно-видовой уровень:

Включает все предыдущие уровни
Если несколько организмов сложить морфологически (проще говоря, одинаково устроены) и имеют одинаковый генотип, то они образуют один вид или популяцию.

Основные процессы:
взаимодействие организмов между собой
микроэволюция (изменение организмов под влиянием внешних условий)
Науки:
*Генетика
*Эволюция
*Экология

7) Биогеоценотический уровень:

Пищевое взаимодействие организмов между собой – пищевые цепи и сети.
Меж- и внутривидовое взаимодействие организмов – конкуренция и размножение.
Влияние окружающей среды на организмы и соответствующее влияние организмов на среду их обитания
Наука:
*Экология

8) Биосферный уровень
Взаимодействие, как живых, так и неживых компонентов природы
Биогеоценозы
Влияние человека – «антропогенные факторы»
Круговорот веществ в природе

Свойства, отличающие живые системы от объектов неживой природы:

Наличие метаболизма
Способность к росту и развитию
Способность к самовоспроизведению
Возможность дыхания

Различные взгляды на происхождение жизни на Земле. Гипотеза А.И.Опарина и Дж. Холдейна.

В настоящее время существует несколько концепций рассматривающих происхождение жизни на Земле.

1. Креационизм

Согласно этой концепции, жизнь и все населяющие Землю виды живых существ являются результатом творческого акта высшего существа. Основные креационизма изложены в Библии. Процесс божественного сотворения мира мыслится как место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения.

2. Гипотеза панспермии.

Согласно этой гипотезе, предложной в 1865г. Немецким ученым Г.Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррениусом в 1896г, жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с метеоритами и космической пылью. Однако до сих пор нет достоверных факторов, подтверждающих внеземное происхождение живых организмов найденных в метеоритах.

3. Гипотеза Опарина - Холдейна.

В 1924г. Опарин опубликовал статью, в которой предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которая относительно отдельны от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Согласно его теории, процесс, приводящий к возникновению жизни на Земле, может быть разделен на три этапа:
Возникновение органических веществ
Возникновение белков
Возникновение белковых тел

Опарин высказал предложение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 445 млр. Лет назад состояла из аммиака, метана, углеродного газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни.
Подобные взгляды также высказал британский биолог Джон Холдейн.
Предсказывания Опарина оправдались.
В 1955г. Американский исследователь С.Миллер, пропуская электрические разряды напряжением до 60 000В через смесь СН 4, NH 3 , Н 2 и паров Н 2 О под давлением в несколько паскалей при t 80 o С, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, муравьиную кислоту и несколько аминокислот, в том числе глицин и аланин. Так экспертиза доказательство возможности образования аминокислот из неорганических соединений – чрезвычайно важное указание на то, что первым шагом на пути возникновения жизни на Земле был абиогенный синтез органических веществ.
В настоящее же время живое возникает от живого, и возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена, т.к новые органические соединения будут немедленно окислены или использованы гетеротрофными организмами.

Закономерности наследования признаков, установленные Г.Менделем. Моногибридное скрещивание. I и II законы Г.Менделя. Доминантные и рецессивные признаки, гомозиготные и гетерозиготные организмы. Аллельные и неаллельные гены.

Закономерности наследования были сформулированы в 1865г Г.Менделем в работе «Опыты над растительными гибридами». В своих экспериментах он проводил скрещивание различных сортов гороха.
I и II законы Менделя основаны на моногибридном скрещивании.
Моногибридное скрещивание – это скрещивание особей, анализируемых по одной паре альтернативных признаков.
I Закон (Закон единообразия)
При скрещивании гомозиготных особей, анализируемых по одной паре альтернативных признаков, в потомстве наблюдается единообразие о фенотипу и генотипу.
II Закон (Закон расщепления)
При скрещивании двух гетерозиготных особей, анализируемых по одной паре альтернативных признаков, в потомстве наблюдается расщепление по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1.

Доминантный - (преобладающий) признак или соответствующий аллель, проявляющийся
у гетерозигот.
Рецессивный – признак или соответствующий аллель, проявляющийся в гомозиготном
состоянии.
Гетерозигота – клетка (или организм) содержащий два различных аллеля в локусе
гомологичных хромосом.
Гомозигота – клетка (или организм), содержащий два одинаковых аллеля в локусе
гомологичных хромосом.
Аллельные гены – гены, определяющие развитие альтернативных признаков,
располагаются в одинаковых локусах гомологичных хромосом.
Неаллельные гены – гены, расположенные в различных участках хромосом,
определяющие развитие разных признаков.

Наследование признаков, сцепленных с полом. Примеры признаков, сцепленных с Х- и У- хромосомами у человека.

Признаки, гены которых находятся в половых хромосомах, называются сцепленные с полом , а наследование таких признаков – сцепленным с полом наследованием.
Различают:
1 . Признаки сцепленные с У-хромосомой.
У хромосома наследуется от отца к сыну и признаки, гены которых находятся в У хромосоме, наследуются по мужской линии.

Например: гипертрихоз края ушной раковины. Синдактилия – наличие перепонки между
(х-хр-му перед. дочке) пальцами.
2 . Признаки сцепленные с Х-хромосомой
У женщин имеется ХХ половые хромосомы. Свою Х хромосому женщины передают и дочерям, и сыновьям (гемофилия, дальтонизм, мышечная дистрофия Дюшена, потемнение зубов и тд)
Признаки сцепленные с Х-хромосомой могут быть доминантными и рецессивными.
Пример: Гемофилия (несвертываемость крови)
Обусловлена рецессивным геном, находящимся в Х хромосоме (Х h), его номер аллель (Х H)
При браке нормальной гетерозиготной женщины, те не страдающей гемофилией с нормальным мужчиной, дети могут родиться: девочки все здоровы, среди мальчиков вероятность рождения больных и здоровых 50/50; 1:1.
При браке нормальной гомозиготной женщины и больного гемофилией мужчиной, родятся здоровые и мальчики и девочки.

Взаимодействие генов. Взаимодействие аллельных генов и неполное доминирование, кодоминирование, сверхдоминирование. Примеры.

Взаимодействуют не гены, а те продукты, за синтез которых отвечают гены.
Взаимодействие аллельных генов.
1) Полное доминирование.
Доминантный ген полностью подавляет действие рецессивного и у особи с генотипом Аа проявляется доминантный признак, т.е особь не отличается от АА.
Например: желтый цвет семян проявляется при генотипах АА и Аа, гладкая форма семян при генотипах ВВ и Вв.
2) Неполное доминирование.
Доминантный ген не полностью подавляет действие рецессивного гена, и у особи с генотипом Аа проявляется промежуточное наследование с большим или меньшим уклонением к доминантному или рецессивному признаку.
Пример: Ночная красавица.
А-крас
а-бел
Аа-роз

Неполное доминирование имеет место при наследовании ряда признаков и заболеваний у человека (серповидноклеточная анемия, талассемия, цистинурия)
3) Сверхдоминирование.
Явление, при котором гетерозиготная особь по жизнеспособности превосходит гомозиготную особь по доминантному признаку, т.е Аа>АА
Пример:
Ген А – синтез норм – гемоглобина
Ген S – серповидноклеточного – гемоглобина
Особи с генотипом SS обычно умирают до полового созревания от серповидноклеточной анемии (эритроциты имеют вид серпа, гипоксия)
Молярийный плазмодий поселяется в эритроцитах людей с генотипом АА, у гетерозиготной особи с генотипом АS анемия проявляется субклинически, и мал плаз не поселяется в таких эритроцитах.
Т.е гетерозиготные особи AS по жизнеспособности превосходят особей с генотипом АА.
4. Кодоминирование
Явление, при котором два доминантных аллельных гена, находясь в одном генотипе, обуславливают появление группы крови.
Пример: Группы крови
I 0 – рецессивный ген
Y A доминантный ген
Y B
Y A Y B – IV группы крови

Предмет, задачи и методы биологии. Значение биологии для медицины.

Биология - наука о живой природе. Термин «биология» был предложен в 1802 г. Ж. Б. Ламарком и Г.Р. Тревиранусом независимо друг от друга.

Задачи:

· Они состоят в изучении закономерностей проявления жизни (строения и функции живых организмов и их сообществ, распространение, происхождение и развитие, связи друг с другом и неживой природой);

· раскрытии сущности жизни;

· систематизации многообразия живых организмов.

Методы:

· метод наблюдения и описания - заключается в сборе и описании фактов;

· метод измерений - использует измерения характеристик объектов;

· сравнительный метод - основан на анализе сходства и различий изучаемых объектов;

· исторический метод - изучает ход развития исследуемого объекта;

· метод эксперимента - дает возможность изучать явления природы в заданных условиях;

· метод моделирования - позволяет описывать сложные природные явления с помощью относительно простых моделей.

Значение биологии для медицины:

Важность изучения биологии для медика определяется тем, что биология- это теоретическая основа медицины.
Успехи медицины связаны с биологическими исследованиями, поэтому врач постоянно должен быть осведомлен с новейших достижениях биологии. Теоретические достижения биологии широко применятся в медицине. Так данные генетики позволили разрабатывать методы ранней диагностики, лечения и профилактики наследственных болезней человека.

, Конкурс «Презентация к уроку»

Презентация к уроку

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели:

Создать представления о науке как важнейшей сферы человеческой деятельности.
Познакомить учащихся с особенностями и разнообразием методов познания живого.
Основные понятия:научный факт, научный метод, методы биологических наук (описательный, сравнительный, исторический, экспериментальный).

Средства обучения: презентация, различные приборы или их схемы.

Этапы урока

I. Проверка знаний и умений.

Фронтальная беседа по вопросам.

1) Какие направления в развитии биологии вы можете выделить?

2) Какие великие учёные древности внесли заметный вклад в развитие биологических знаний?

3) Почему в средние века о биологии как науке можно было говорить лишь условно?

4) Почему современную биологию считают комплексной наукой?

5) Какова роль биологии в современном обществе?

II. Изучение нового материала.

1. Рассказ учителя с элементами беседы о науке как одной из сфер человеческой деятельности, её целях и методах; об особенностях научных знаний, научных фактах.

Наука – одна из сфер человеческой деятельности, цель которой – изучение и познание окружающего мира. Для научного познания необходим выбор определённых объектов исследования, проблем и методов их изучения. Каждая наука имеет свои методы исследования. Однако независимо от того, какие методы используются, для каждого учёного важнейшим остаётся принцип “Ничего не принимай на веру”. Главная задача науки – построение системы достоверного знания, основанного на фактах и обобщениях, которые можно подтвердить или опровергнуть. Научные знания постоянно берутся под сомнение и принимаются лишь при достаточных доказательствах. Научным фактом является лишь тот, который можно воспроизвести и подтвердить.

Научный метод – это совокупность приёмов и операций, используемых при построении системы научных знаний.

Вся история развития биологии наглядно свидетельствует о том, что она определялась разработкой и применением новых методов исследования.

2. Основными методами исследования, применяемые в биологических науках, являются:

Наблюдение
Описание
Систематизация
Сравнение
Эксперимент
Аналитический метод
Исторический метод
Моделирование

Беседа об этих методах с элементами самостоятельной работы учащихся по изучению текста учебника (п.2 стр.10-11) и с использованием презентации.

Фиксирование в тетрадях характерных особенностей методов исследования в биологии.

Итоговая беседа об этапах научного исследования. Может выступить заранее подготовленный ученик с сообщением об этих этапах, сборе фактов, выдвижении гипотезы, проведении экспериментов, оформлении теории с определёнными правилами и законами.

III. Подведение итогов урока в процессе обобщающей беседе:

О задачах и целях науки

О значении методов, для развития науки биологии

О наибольшем распространении экспериментального метода

О применении метода моделирования и т.д.

IV. Домашнее задание:

Изучить параграф 2.Ответить на вопросы на странице 11.Выполнить одно из заданий на странице 12.

Дополнительная информация.

Некоторые учёные осуществляют серьёзные исследования в поисках живых организмов, пока неизвестных и не признанных официальной наукой, таких, как реликтовый гоминид, которого нередко называют снежным человеком. Эти исследования лежат в основе новой отрасли биологической науки – криптозоологии.

Процесс научного познания принято разделять на две стадии: эмпирическую и теоретическую.

На эмпирической стадии используются следующие методы.

Описательный и сравнительный методы , в их основе лежит наблюдение. Наблюдение - изучение объектов живой природы в естественных условиях. Это - непосредственное наблюдение (в буквальном смысле) за поведением, расселением, размножением животных и растений в природе, визуальное или инструментальное определение характеристик организмов, их клеток, органов и тканей. Для этих целей в современной биологии применяют как традиционные средства полевых исследований - от бинокля до глубоководных аппаратов, так и сложное лабораторное оборудование - микроскопы, спектрофотометры, ультрацентрифуги и т.д.

Экспериментальный метод основан на исследовании живых объектов при экстремальном воздействии факторов среды - измененной температуры, освещенности или влажности, повышенной нагрузки, токсичности или радиоактивности, изменении места развития (удаление или пересадка генов, клеток, органов, космические полеты и т.п.). Экспериментальный метод позволяет выявить скрытые свойства, пределы приспособительных возможностей живых систем, степень их гибкости, надежности, изменчивости.

Исторический метод выявляет историю развития биологических объектов, их происхождение. Сопоставляют анатомическое строение, химический состав, структуру генов и другие признаки у организмов разного уровня сложности. При этом исследуются не только ныне живущие организмы, но и давно вымершие, сохранившиеся в виде окаменелых остатков.

Относительно новый метод - моделирование биологических процессов, как на уровне организмов, клеток или биомолекул, так и математическое моделирование. Например, можно построить модель и прогноз состояния жизни в водоеме через энное время при изменении одного, двух или более параметров (температуры, концентрации солей, наличия хищников и др.).

Системный метод (подход) также является новым. Живые объекты рассматриваются как системы , то есть совокупности элементов с определенными взаимосвязями. Каждый объект рассматривается одновременно и как система, и как элемент системы более высокого порядка.

На теоретической стадии познания используются следующие методы: обобщение накопленных фактов , выдвижение новых гипотез , их повторная эмпирическая проверка (новые наблюдения, эксперименты, сравнение, моделирование). Подтвержденные гипотезы становятся законами , из них складываются теории . Понятно, что и законы, и теории носят относительный характер и рано или поздно могут быть пересмотрены.

3. Основные концепции биологии

Концепция - это взаимосвязанная группа понятий, гипотез, теорий, объясняющих какое-нибудь фундаментальное явление или свойство природы. Основные биологические концепции объясняют феномен и свойства жизни .

1. Концепция системной многоуровневой организации жизни : все живые объекты являются системами разного уровня сложности, они образуют непрерывную иерархию уровней структурно-функциональной организации.

2. Концепция материальной сущности жизни : жизнь материальна, ее физико-химическую основу составляет обмен веществ и энергии. В философском смысле это означает первичность материи и вторичность сознания (материализм).

Материя – совокупность вещества и поля. Вещество обладает массой покоя, а поле – нет. Живая материя представляет особо сложное вещество и сложное многофакторное поле. Именно уровень сложности делает материю живой, хотя внутри нее действуют простые физические и химические законы .

3. Концепция биологической информации и самовоспроизведения жизни : живые организмы воспроизводятся на основе собственной (генетической) информации при взаимодействии с внешней (эпигенетической) информацией. Результатом этого взаимодействия является индивидуальное развитие организмов (онтогенез).

4. Концепция саморегуляции живых систем : живые системы поддерживают относительное постоянство своих внутренних связей и условий функционирования (гомеостаз) на основе сочетания прямых положительных и обратных отрицательных связей.

5. Концепция самоорганизации и биологической эволюции : живой мир возник в результате самоорганизации из неживых химических систем и претерпевает необратимое историческое развитие (филогенез) на основе наследственной изменчивости и естественного отбора организмов, наиболее приспособленных к меняющимся условиям среды.