Методи біологічних досліджень

Історія становлення біологічної дисципліни.

Людина як складова частина природи ще з давніх-давен прагнула вивчати тих тварин і рослини, які її оточували, адже від цього залежало її виживання. Перші спроби впорядкувати накопичені дані про будову тварин і рослин, процеси їхньої життєдіяльності й різноманітність належать ученим Давньої Греції - Арістотелю ( мал. 1.2) та Тео-фрасту. Арістотель створив першу наукову систему для близько 500 видів відомих на той час тварин та заклав підвалини порівняльної анатомії (спробуйте визначити завдання цієї науки). Вважав, що жива матерія виникла з неживої. Теофраст (372-287 рр. до н. е.) описав різні органи рослин та заклав основи ботанічної класифікації. Системи живої природи цих двох вчених стали підґрунтям для розвитку європейської біологічної науки та істотно не змінювались аж до VIII ст. н. е.

У період середньовіччя (V-XV ст. н. е.) біологія розвивалася здебільшого як описова наука. Накопичені факти в ті часи часто були спотвореними. Приміром, трапляються описи різних міфічних істот, як-от «морського монаха», що ніби з'являвся морякам перед штормом, або морських зірок з обличчям людини тощо.

В епоху Відродження швидкий розвиток промисловості, сільського господарства, видатні географічні відкриття поставили перед наукою нові завдання, чим стимулювали її розвиток. Так, з винайденням світлового мікроскопа пов'язане становлення цитології. Світловий мікроскоп з окуляром та об'єктивом з'явився на початку XVII ст., однак його винахідник достеменно невідомий; зокрема, великий італійський вчений Г. Галілей демонстрував винайдений ним дволінзовий збільшувальний прилад ще в 1609 р. А 1665 року, вивчаючи за допомогою вдосконаленого власноруч мікроскопа тоненькі зрізи корка бузини, моркви та ін., Роберт Гук (мал.) відкрив клітинну будову рослинних тканин і запропонував сам термін клітина. Приблизно в цей самий час голландський натураліст Антоні ван Левенгук (мал.) виготовив унікальні лінзи з 150-300-кратним збільшенням, через які вперше спостерігав одноклітинні організми (одноклітинні тварини й бактерії), сперматозоїди, еритроцити та їхній рух у капілярах.

Усі накопичені наукові факти про різноманіття живого узагальнив видатний шведський учений XVIII ст. Карл Лінней (мал.). Він наголошував на тому, що в природі існують групи особин, які нагадують одна одну за особливостями будови, потребами до довкілля, заселяють певну частину поверхні Землі, здатні схрещуватися між собою та давати плідних нащадків. Такі групи, кожна з яких має певні відмінності від інших, він вважав видами. Лінней започаткував сучасну систематику, а також створив власну класифікацію рослин і тварин. Він ввів латинські наукові назви видів, родів та інших систематичних категорій, описав понад 7500 видів рослин і близько 4000 видів тварин.

Важливий етап у розвитку біології пов'язаний зі створенням клітинної теорії та розвитком еволюційних ідей. Зокрема, було виявлено ядро в клітині: уперше його 1828 року спостерігав у рослинній клітині англійський ботанік Роберт Броун (1773-1858), який згодом (1833) запропонував термін «ядро». 1830 року ядро яйцеклітини курки описав чеський дослідник Ян Пуркіне (1787-1869). Спираючись на праці цих учених та німецького ботаніка Маттіаса Шлейдена (1804-1881), німецький зоолог Теодор Шванн (мал.) 1838 року сформулював основні положення клітинної теорії, згодом доповнені німецьким цитологом Рудольфом Вірховим (1821-1902).

На початку ХІХ ст. Жан-Батіст Ламарк (мал.) запропонував першу цілісну еволюційну гіпотезу (1809), звернув увагу на роль чинників навколишнього середовища в еволюції живих істот. Найвагоміший внесок у подальший розвиток еволюційних поглядів зробив один з найвидатніших біологів світу - англійський учений Чарльз Дарвін (мал.). Його еволюційна гіпотеза (1859) започаткувала теоретичну біологію й значно вплинула на розвиток інших природничих наук. Учення Ч. Дарвіна згодом було доповнене і розширене працями його послідовників і як завершена система поглядів під назвою «дарвінізм» остаточно сформувалося на початку ХХ ст. Найбільшу роль у розвитку дарвінізму того часу відіграв знаменитий німецький учений Ернст Геккель (мал.), який, зокрема, запропонував 1866 року назву науки про взаємозв'язки організмів та їхніх угруповань з умовами середовища життя - екологія. Він намагався з'ясувати та схематично зобразити шляхи еволюції різних систематичних груп тварин і рослин, заклавши основи філогенії.

Важливий внесок у розвиток учення про вищу нервову діяльність та фізіологію травлення хребетних тварин і людини зробили російські вчені - Іван Михайлович Сєченов та Іван Петрович Павлов (мал.), про що вам уже відомо з курсу біології 9-го класу.

У середині XIX ст. були закладені підвалини науки про закономірності спадковості й мінливості організмів - генетики. Датою її народження вважають 1900 рік, коли три вчені, які робили досліди з гібридизації рослин, - голландець Гуго де Фріз (1848-1935) (йому належить термін мутація), німець Карл Еріх Корренс (1864-1933) та австрієць Еріх Чермак (1871-1962) - незалежно один від одного натрапили на забуту працю чеського дослідника Грегора Менделя ( мал.) «Досліди над рослинними гібридами», видану ще 1865 року. Ці вчені були вражені тим, наскільки результати їхніх дослідів збігалися з отриманими Г. Менделем. Згодом закони спадковості, встановлені Г. Менделем, сприйняли науковці різних країн, а ретельні дослідження довели їхній універсальний характер. Назву «генетика» запропонував 1907 року англійський учений Уільям Бетсон (1861-1926). Величезний внесок у розвиток генетики зробив американський учений Томас Хант Морган (мал.) зі своїми співробітниками. Підсумком їхніх досліджень стало створення хромосомної теорії спадковості, яка вплинула на подальший розвиток не лише генетики, а й біології в цілому. Нині генетика стрімко розвивається і посідає одне з центральних місць у біології.

Наприкінці XIX ст. (1892) російський учений Дмитро Йосипович Івановський ( 1864-1920) відкрив неклітинні форми життя - віруси. Цю назву невдовзі запропонував голландський дослідник Мартин Віллем Бейєринк (18511931). Однак розвиток вірусології став можливий лише з винайденням електронного мікроскопа (30-ті роки XX ст.), здатного збільшувати об'єкти досліджень у десятки й сотні тисяч разів. Завдяки електронному мікроскопу людина змогла детально вивчити клітинні мембрани, найдрібніші органели та включення.

У XX ст. бурхливо розвивалися молекулярна біологія, генетична інженерія, біотехнологія тощо. Американський учений - біохімік Джеймс Уотсон, англійські -біолог Френсис Крік (мал.) та біофізик Морріс Уілкінс (1916-2004) у 1953 році відкрили структуру ДНК (за це їм 1962 року присуджено Нобелівську премію в галузі фізіології та медицини), а згодом з'ясували роль нуклеїнових кислот у збереженні й передачі спадкової інформації.

Два біохіміки - іспанець Северо Очоа (1905-1993) та американець Артур Корнберг (1918-2001) стали лауреатами Нобелівської премії в галузі фізіології та медицини 1959 року за відкриття механізмів біосинтезу РНК і ДНК. А протягом 1961-1965 років завдяки роботам лауреатів Нобелівської премії в галузі фізіології та медицини 1968 року американських біохіміків Маршалла Ніренберга (19272010), Роберта Холлі (1922-1993) та індійського біохіміка Хара Гобінда Хорани (1922-2010) було розшифровано генетичний код і з'ясовано його роль у синтезі білків.

У розробці біотехнологічних процесів часто застосовують методи генетичної та клітинної інженерії. Генетична інженерія - це прикладна галузь молекулярної генетики та біохімії, яка розробляє методи перебудови спадкового матеріалу організмів вилученням або введенням окремих генів чи їхніх груп. Поза організмом гени вперше синтезував 1969 року Х.Г. Хорана. Того ж року вперше вдалося виділити в чистому вигляді гени бактерії - кишкової палички. За останні десятиріччя вчені розшифрували структуру спадкового матеріалу різних організмів (мух-дрозофіл, кукурудзи та ін.), і людини зокрема. Це дає можливість вирішити багато проблем, наприклад, лікування різноманітних хвороб, збільшення терміну життя людини, забезпечення людства продуктами харчування та ін.

За свої дослідження в галузі біохімії отримали Нобелівську премію по фізіології та медицині 1953 року два біохіміки німецького походження - англійський Ханс Адольф Кребс (1900-1981) та американський Фріц Альберт Ліп-ман (1899-1986) за відкриття циклу біохімічних реакцій під час кисневого етапу енергетичного обміну (названий циклом Кребса). Американський хімік Мелвін Калвін (1911-1997) вивчив етапи перетворення карбон(ІІ) оксиду на вуглеводи під час темнової фази фотосинтезу (цикл Кельвіна), за що отримав Нобелівську премію з хімії в 1961 році. 1997 року американському лікарю-біохіміку Стенлі Пру-зінеру (1942 р. н.) було присуджено Нобелівську премію з фізіології та медицини за дослідження пріонів - білкових інфекційних частинок, здатних спричиняти смертельно небезпечні захворювання головного мозку людини та сільськогосподарських тварин («коров'ячий сказ» та ін.).

Важливий внесок у розвиток біології належить українським ученим. Зокрема, дослідження Олександра Онуфрійовича Ковалевського (мал. 1.15) та Івана Івановича Шмальгаузена (мал.) відіграли важливу роль у розвитку порівняльної анатомії тварин, філогенії та еволюційних поглядів. Ілля Ілліч Мечников (мал.) відкрив явище фагоцитозу і розвинув теорію клітинного імунітету, за що йому було присуджено Нобелівську премію з фізіології та медицини в 1908 році. Він також запропонував гіпотезу походження багатоклітинних тварин. О.О. Ковалевського та І.І. Мечникова справедливо вважають засновниками еволюційної ембріології. Всесвітню славу українській ботанічній школі приніс Сергій Гаврилович Навашин (мал.), який 1898 року відкрив процес подвійного запліднення у квіткових рослин.

Важко уявити сучасний розвиток екології без праць нашого видатного співвітчизника - Володимира Івановича Вернадського (мал.). Він створив учення про біосферу - єдину глобальну екосистему планети Земля, а також ноосферу - новий стан біосфери, спричинений розумовою діяльністю людини. Як це часто буває, ідеї В.І. Вернадського випередили свій час. Лише тепер його прогнози про ноосферу розглядають як своєрідну програму, покликану забезпечити гармонійне співіснування людини та навколишнього природного середовища, яке спирається на екологізацію всіх сфер діяльності людини: промисловості, транспорту, тваринництва та рільництва. В.І. Вернадський започаткував нову науку - біогеохімію, що вивчає біохімічну діяльність живих організмів з перетворення геологічних оболонок нашої планети.

Великі досягнення в українській ботанічній науці належать Олександру Васильовичу Фоміну, Миколі Григоровичу Холодному, Миколі Миколайовичу Гришку (1901-1964), зоологічній - Карлу Федоровичу Кесслеру (1815-1881), Володимиру Опанасовичу Караваєву (1864-1939), Вадиму Олександровичу Топачевському (1930-2004), біохімії - Олександру Володимировичу Палладіну, Миколі Євдокимовичу Кучеренку (1938-2008), гідробіології - Олександру Вікторовичу Топачевському (1897-1975), радіобіології - Дмитру Михайловичу Гродзинському (1929 р. н.), генетиці - Сергію Михайловичу Гершензону, мікробіології - Данилу Кириловичу Заболотному та Миколі Григоровичу Холодному, фізіології людини і тварин - Олександру Олександровичу Богомольцю, Василю Юрійовичу Чаговцю (1873-1941), Платону Григоровичу Костюку, паразитології - Олександру Прокоповичу Маркевичу (1905-1999) та багатьом іншим (мал.).

Кожна наука має власні методи досліджень.

Які ж основні методи біологічних досліджень? Живу матерію на різних рівнях її організації вивчають за допомогою різних методів, основні з яких — порівняльно-описовий, експериментальний, моніторинг та моделювання. Одержані результати обробляють за допомогою математично-статистичного аналізу.

Порівняльно-описовий метод — один з найдавніших у біології. Його застосовував ще видатний давньогрецький вчений Арістотель, який описав приблизно 500 відомих йому видів тварин. Суть цього методу полягає в тому, що певні форми організмів чи явищ не лише описують, а й порівнюють з подібними організмами або явищами. Це дає змогу встановити своєрідність об'єкта досліджень. Наприклад, для того щоб описати новий вид організмів, учені-систематики повинні порівняти його з близькими відомими видами і вказати на їхні відмінності. Те саме стосується й органічних сполук, біохімічних процесів, будови клітин тощо.

Отже, для проведення наукових досліджень будь-який об'єкт необхідно класифікувати, тобто визначити ступінь його подібності та відмінності від інших. При цьому порівнюють лише в межах певного рівня організації живої матерії, тобто молекули порівнюють тільки з молекулами, клітини — з клітинами, популяції - з популяціями, види - з видами тощо.

Експериментальний метод ґрунтується на тому, що дослідники змінюють будову об'єкта дослідження, умови його існування, впливають на нього за допомогою різних факторів і спостерігають за наслідками цих змін. Такі експерименти можна проводити як у природі (польові експерименти), так і в науководослідних закладах (лабораторні експерименти). У лабораторних експериментах часто використовують піддослідні організми, яких розводять і утримують у спеціальних приміщеннях.

Моніторинг (від лат. монітор - той, хто нагадує, попереджає) — це постійне спостереження за станом окремих біологічних об'єктів, перебігом певних процесів у конкретних біогеоценозах чи біосфері. Моніторинг здійснюють переважно на популяційно-видовому, біогеоценотичному та біосферному рівнях. Він дає змогу не лише визначати стан об'єктів дослідження, а й прогнозувати можливі зміни, а також аналізувати їхні наслідки (наприклад, можливі зміни клімату нашої планети у зв'язку з накопиченням в атмосфері двооксиду карбону). Моніторинг дає змогу своєчасно виявляти негативні зміни у структурі та функціонуванні окремих популяцій, біогеоценозів чи біосфері в цілому і своєчасно розробляти заходи щодо їхньої охорони.

Моделювання (від лат. модулюс — устрій, зразок) — метод дослідження і демонстрування структур, функцій, процесів за допомогою їхнього спрощеного відтворення. Цей метод — обов'язковий етап різноманітних наукових досліджень, особливо тих, у яких об'єкти або процеси неможливо безпосередньо спостерігати або відтворювати експериментально. Будь-яка модель неминуче спрощена і не відбиває всю складність об'єктів, процесів або явищ, які спостерігають у природі, а відображає лише загальні їхні риси чи можливий перебіг. Проте моделювання має виняткове значення, оскільки дає змогу прогнозувати можливі наслідки різноманітних процесів або явищ.

Особливе місце належить математичному моделюванню, завдяки якому можна проаналізувати складні кількісні взаємозв'язки та закономірності. Математична модель — це чисельне (у вигляді системи рівнянь) вираження парних взаємозв'язків (наприклад, залежність чисельності популяції рослиноїдної тварини від чисельності популяції хижака). Змінюючи чисельне значення одного з показників, введених до моделі, можна визначити, як змінюватимуться інші. Математичне моделювання, як і інші наукові дослідження, неможливе без застосування сучасної електронно-обчислювальної техніки.

Статистичний метод. Будь-які результати спостережень, експериментів або моделювання, потребують статистичної (математичної) обробки. Математична обробка потрібна для перевірки ступеня вірогідності отриманих результатів та правильного їхнього узагальнення. Застосування методів математичної статистики в біології сприяло її перетворенню з науки описової на точну науку, яка ґрунтується на математичному аналізі одержаних даних.

Метод порівняння дає змогу виявити загальні закономірності в будові і життєдіяльності різних організмів.

Дата добавления: 2013-12-14