Методические рекомендации по подготовке к ЕГЭ по биологии. Раздел 1. Биология как наука. Методы научного познания.

Метод (название)

Описание / Суть метода

Применение, достижения

Общенаучные методы.

Эмпирические (практические).

Эмпирические – основаны на чувственном познании

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

Описание

В основе его лежит наблюдение. Последующая запись в полевой дневник наблюдений или на другой носитель.

Он широко применялся еще учёными древности, занимавшихся сбором фактического материала и его описанием (изучение и описание животных и растений), а также применяется в настоящее время (например, при открытии/описании новых видов).

Наблюдение

Наблюдение — метод, с помощью которого исследователь собирает информацию об объекте (восприятие природных объектов с помощью органов чувств).

Наблюдать можно визуально, например, за поведением животных.

Можно наблюдать с помощью приборов за изменениями, происходящими в живых объектах: например, при снятии кардиограммы в течение суток, при замерах веса телёнка в течение месяца. Наблюдать можно за сезонными изменениями в природе, за линькой животных и т.д.

Выводы, сделанные наблюдателем, проверяются либо повторными наблюдениями, либо экспериментально.

Измерение

Измерение различных показателей биологического объекта или явления с помощью измерительных приборов.

Измерение ЧСС человека, измерение веса, роста, объема грудной клетки и т.п.

В палеонтологии измерение веса и линейных размеров находок/ископаемых.

Эксперимент (опыт)

Метод, с помощью которого проверяют результаты наблюдений, выдвинутые предположения (гипотезы).

Это всегда получение нового знания с помощью поставленного опыта

Скрещивания животных или растений с целью получения новой породы или сорта, проверка нового лекарства, выявление функций/роли органоида клетки.

Теоретические.

Теоретические - умозаключения (и не только) на основе фактов, полученных эмпирическими методами. Из них чаще всего используются метод исторических аналогий, анализ, моделирование, экстраполяция, абстрагирование и конкретизация, индукция и дедукция, сравнение, обобщение, систематизация и интерпретация фактов.

Одной практикой не обойтись, хороший исследователь должен опираться на практику, но потом хорошенько всё обдумать и систематизировать.

Сравнение

Сравнение полученных в ходе исследования данных с предыдущими исследованиями или литературными данными.

Для наглядности в дальнейшем составление графиков, таблиц, диаграмм и т.п.

Например, сравнение среднего количества птенцов в гнездах в разные годы.

Классификация

Объединение нескольких объектов в группы на основании общих признаков, заданных исследователем.

Основной метод таксономистов (людей, занимающихся биоразнообразием).

Классификация растений и животных, грибов и микроорганизмов.

Анализ

Процесс мысленного разделения предмета на части (признаки, свойства, отношения) с последующим обдумыванием составляющих по отдельности и в целом (а это уже синтез).

Анализ результатов проведенного исследования в соответствии с поставленными задачами.

Или теоретическое обобщение на основе литературных данных изучение отдельных свойств и структуры органоидов клетки.

Синтез

Соединение выделенных в ходе анализа сторон предмета в единое целое.

И дальнейшее объединение этих умозаключений в единую систему, описывающую взаимосвязь и необходимость отдельных структур клетки.

Обобщение

Метод построения гипотез и, в дальнейшем, теорий на основе полученных эмпирических и литературных данных.

Установление родства биологических объектов.

Выявление черт сходства и различия и их важности для конкретного исследования.

Синтетическая теория эволюции обобщила факты и результаты экспериментов из различных областей биологической науки.

Моделирование

Метод, при котором создаётся некий образ объекта (явления, процесса), модель, с помощью которой ученые получают необходимые сведения об изучаемом объекте.

При установлении структуры молекулы ДНК Джеймс Уотсон и Френсис Крик создали из пластмассовых элементов модель молекулы ДНК (двойную спираль), отвечающую данным рентгенологических и биохимических исследований.

В настоящее время компьютерное моделирование процессов и явлений встречается в научных исследованиях всё чаще.

Статистический

Проводится сбор и анализ числовых показателей для дальнейшей обработки. Позволяет получать информацию о динамике изменения показателей, позволяет прогнозировать изменения и своевременно принимать определенные меры.

Выявление частоты встречаемости определенных генов в популяции

Исторический

Применяется для установления взаимосвязей между фактами, процессами, явлениями, происходившими на исторически длительном промежутке времени.

Эволюционное учение развивалось во многом благодаря этому методу.

Палеонтологический

Сбор данных во время палеонтологических раскопок. Входит во все исследования по эволюции и применим для изучения практически всех эволюционных процессов.

Позволяет выявить родство между древними организмами, останки которых находятся в земной коре, в разных геологический слоях.

Возможно определение относительного возраста осадочных толщ земной коры по сохранившимся в них ископаемым остаткам организмов. Позволяет составить филогенетические ряды современных лошади и кита.

Абстрагирование

Отвлечение в процессе познания от некоторых свойств объекта с целью углубленного исследования одной его стороны.

Позволяет не учитывать ряд свойств объекта в ходе конкретного исследования.

Помогает выделить то, что важно.

Для классификации организмов важны как свойства в совокупности, как и по отдельности.

Или, в генетике при анализе наследования конкретного признака, к примеру, окраска венчика цветка, нужно анализировать именно его, абстрагируясь при этом от формы и цвета семени, размера куста и прочих.

Частные методы биологических исследований: КЛЕТКА

Цитологический/ цитогенетический

Исследование строения клетки, её структур, с помощью различных методов микроскопирования (далее).

Метод обнаружения болезнетворных микроорганизмов в пробах, мазках и др. Часто используется в мед.диагностике заболеваний.

Цитогенетический исследует кариотип человека (хромосомы ядра), выявляет наследственные заболевания, связанные с изменением структуры и количества хромосом.

Световая микроскопия

Довольно дешевый и эффективный метод исследования. Актуален до сих пор и без него не обойтись практически ни одному биологу. используют световой микроскоп. Строение его довольно простое, обязательно повторите.

Позволяет наблюдать живые объекты. Можно рассматривать клетку целиком, срез органа, ткань, но не органоиды. Иногда видно ядро и хлоропласты, клеточную стенку.

Электронная микроскопия

Требует длительной и сложной подготовки объекта к микроскопированию, дорогостоящий метод, однако позволяющий рассматривать самые мелкие клеточные структуры.

Изучение повехностных структур клетки, её органоидов, отдельных элементов, ультраструктуры, всё это возможно только благодаря электронному микроскопу. Структура вирусов исследуется и была открыта только таким методом.

Биохимический

Исследование химических процессов, происходящих в организме.

Исследование биохимического анализа крови человека.

Может быть частным методом генетики как науки. Был использован для выявления частных болезней обмена веществ, связанных с наследственностью.

Центрифугирование

Разделение смесей на составляющие под действием центробежной силы.

Изучение состава и свойств смесей.

Применяется для разделения органоидов клетки, легких и тяжелых фракций органических соединений.

Хроматография

Метод разделения компонентов смесей веществ за счет движения этой смеси через вязкий субстрат (бумагу, гель). Чем меньше размер и разветвленность молекул, тем дальше они продвигаются, так происходит разделение.

Метод разделения пигментов растительной клетки.

Метод определения беременности (по наличию определенного гормона в моче или в крови)

Электрофорез

Близкий к хроматографии метод, разделению веществ в геле способствует электрический ток. проводится в хроматографической камере с электродами.

Основной метод ДНК-диагностики. Выделяет ДНК-фрагмент определенного размера/веса/длины из смеси.

Фрагменты видны в УФ-излучении, благодаря предварительному окрашиванию.

Метод меченых атомов

Чтобы проследить за превращением какого-либо вещества в него вводят радиоактивную метку (изотоп какого-либо элемента)

Применяется для изучения процессов, происходящих в живых клетках.

Позволяет проследить круговорот элемента в природе или осаждение вещества в каком-либо органе или ткани.

Метод культивирования клеток и тканей

Основан на выращивании отдельных клеток, тканей и органов вне организма.

Отдельные клетки или кусочки тканей выращивают обычно погруженными в питательную среду.

Таким образом можно получить стерильные материалы для посадки растений. Можно вырастить кусочки тканей человека для трансплантации его собственных тканей или даже органов.

Таким методом выращивают редкие орхидеи, продающиеся в каждом цветочном магазине, наращивают биомассу женьшеня и т.п.

Клеточная инженерия

Совокупность методов, используемых для конструирования новых клеток. Включает культивирование и клонирование клеток на специально подобранных средах, гибридизацию клеток, пересадку клеточных ядер и другие микрохирургические операции по «разборке» и «сборке» (реконструкции) жизнеспособных клеток из отдельных фрагментов.

Клеточная инженерия основана на культивировании растительных и животных клеток и тканей, способных вне организма производить нужные для человека вещества.

Соматическую гибридизацию, т. е. получение гибридов без участия полового процесса, проводят, культивируя совместно клетки различных линий одного вида или клетки различных видов. При определённых условиях происходит слияние двух разных клеток в одну гибридную, содержащую оба генома объединившихся клеток. Удалось получить гибриды между клетками животных, далёких по систематическому положению, напр. мыши и курицы. Соматические гибриды нашли широкое применение как в научных исследованиях, так и в биотехнологии.
Этот метод используется для клонального (бесполого) размножения ценных форм растений; для получения гибридных клеток, совмещающих свойства, например, лимфоцитов крови и опухолевых клеток, что позволяет быстро получить антитела.

Генная инженерия

Совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами, введения их в другие организмы и выращивания искусственных организмов после удаления выбранных генов из ДНК. Генетическая инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии

Все методы генетической инженерии применяются для осуществления одного из следующих этапов решения генно-инженерной задачи:

Получение изолированного гена.

Введение гена в вектор (плазмиду или бактериофаг) для переноса в организм.

Перенос вектора с геном в модифицируемый организм.

Преобразование клеток организма.

Отбор генетически модифицированных организмов (ГМО) и устранение тех, которые не были успешно модифицированы.

Методы генетики как науки.

Гибридологический

Основной метод исследования в Менделевской генетике. Им же и был введен в науку: подбирают родительские пары по паре альтернативных признаков и анализируют фенотипическое расщепление в потомстве.

Берем чистые линии родительских особей, отличающихся по какому-либо исследуемому признаку, скрещиваем, наблюдаем в потомстве единообразие, делаем вывод относительно доминирования.

Цитогенетический

Был описан выше в общих методах. Применяется для исследования кариотипа человека.

С помощью цитогенетических методов можно выявить геномные мутации у человека (синдром Дауна, синдром Клайнфельтера и т.д.).

Генеалогический

Применяется при составлении родословных людей, выявлении характера наследования некоторых признаков.

С помощью этого метода выявили сцепленное с полом наследование гемофилии.

Близнецовый

Применяется для выявления степени влияния окружающей среды, воспитания и условий жизни на генотип. Изучаются генотипические и фенотипические особенности одно- и двуяйцовых близнецов.

Можно попробовать разделить влияние наслественности и среды на организм. Близнецов иногда даже воспитывают в разных семьях.

Популяционно-статистический

Это метод изучения распространения наследственных признаков (наследственных заболеваний) в популяциях. Существенным моментом при использовании этого метода является статистическая обработка получаемых данных. 

Изучением генетической структуры популяций занимается особый раздел генетики — популяционная генетика. Для выяснения частот встречаемости тех или иных генов и генотипов используется закон Харди-Вайнберга.

Биохимический

Был описан выше, применяется и как частный метод в генетике.

Позволяет обнаружить нарушения в обмене веществ, вызванные изменением генов и, как следствие, изменением активности различных ферментов. Наследственные болезни обмена веществ подразделяются на болезни углеводного обмена (сахарный диабет), обмена аминокислот, липидов, минералов и др.

Методы селекции как науки.

Родственное скрещивание (инбридинг)

Ведёт к повышению гомозиготности, что, с одной стороны, способствует закреплению наследственных свойств, но с другой — ведёт к снижению жизнеспособности, продуктивности и вырождению.

Чаще применяют в растениеводстве при самоопылении сортовых культурных растений. Получение чистопородных популяции лошадей; чистых линии породистых собак; видовое однообразие нужных пород кошек.

Скрещивание неродственных особей (аутбридинг)

Позволяет получить гетерозисные гибриды.

Явление повышенной урожайности и жизнеспособности у гибридов первого поколения, полученных при скрещивании родителей чистых линий, называется гетерозисом.

Таким способом разводят лошадей, коров, свиней, собак и других домашних животных.

Межвидовая (отдалённая) гибридизация

Используется для получения гибридов, сочетающих ценные свойства родительских форм. Обычно отдалённые гибриды бесплодны, так как хромосомы родительских видов отличаются настолько, что невозможен процесс конъюгации, в результате чего нарушается мейоз

Тритикале — гибрид пшеницы и ржи, мул — гибрид кобылы с ослом, лошак — гибрид коня с ослицей.

Искусственный мутагенез

Воздействие на организм в условиях эксперимента каким-либо мутагенным фактором для возникновения мутации с целью изучения влияния фактора на живой организм или получения нового признака. Мутации носят ненаправленный характер, поэтому селекционер сам отбирает организмы с новыми полезными свойствами.

Используется для получения штаммов микроорганизмов.

Индивидуальный отбор

Выделение отдельных особей с желательными признаками и получение от них потомства.

Массовый отбор чаще применяют в селекции растений, а индивидуальный — в селекции животных,

Массовый отбор

Выделение из исходного материала целой группы особей с желательными признаками и получение от них потомства.

Полиплоидизация

Полиплоидия — увеличение числа хромосомных наборов. Получают искусственные полиплоиды при помощи химических веществ, которые разрушают веретено деления, в результате чего удвоившиеся хромосомы не могут разойтись, оставаясь в одном ядре. Одно из таких веществ — колхицин.

Используется в растениеводстве. Полиплоиды отличаются быстрым ростом, крупными размерами и высокой урожайностью. В сельскохозяйственной практике широко используются триплоидная сахарная свекла, четырёхплоидный клевер, рожь и твердая пшеница, а также шестиплоидная мягкая пшеница.

Один из путей преодоления стерильности межвидовых гибридов.

Методы исследования эволюции

Палеонтологические

Практически все методы палеонтологии применимы для изучения эволюционных процессов. Важнейшие из этих методов: выявление ископаемых промежуточных форм, восстановление филогенетических рядов и обнаружение последовательности ископаемых форм.

Наибольшую информацию палеонтологические методы дают о состоянии биосферы на различных этапах развития органического мира вплоть до современности, о последовательности смен флор и фаун.

Биогеографические

Биогеографические методы основаны на анализе распространения ныне существующих видов. Особое значение имеет изучение распространения реликтовых форм.

Даёт информацию о местонахождении очагов происхождения таксонов, путях их расселения, влиянии климатических условий и изоляции на развитие видов.

Эмбриологический

Данный метод основан на проявлении закономерностей эмбрионального развития, таких как закон зародышевого сходства и биогенетический закон

Выявление зародышевого сходства. В первой половине XIX в. выдающийся натуралист К. Бэр сформулировал «закон зародышевого сходства: чем более ранние стадии индивидуального развития исследуются, тем больше сходства обнаруживается между различными организмами. Например, на ранних стадиях развития эмбрионы позвоночных не отличаются друг от друга. Лишь на средних стадиях развития в сравниваемом ряду у зародышей появляются особенности, характерные для рыб и амфибий; на ее более поздних стадиях – особенности рептилий, птиц и млекопитающих.

Морфологические (сравнительно-анатомические, гистологические и др.) методы позволяют на основе сравнения сходств и различий в строении организмов судить о степени их родства.

Изучение строения современных организмов, относящихся к группам с различным эволюционным возрастом с целью выявления общих и различных черт их организации. Изучают гомологичные и аналогичные органы, рудименты и атавизмы.

Сравнения последовательности ДНК разных генов у разных организмов могут сказать учёному много нового об эволюционных взаимоотношениях организмов, которые не могут иначе быть обнаружены на основе на морфологии, или внешней форме организмов, и их внутренней структуре. Поскольку геномы эволюционируют через постепенное накопление мутаций, количество отличий последовательности нуклеотидов между парой геномов разных организмов должно указать, как давно эти два генома разделили общего предка. Два генома, которые разделились в недавнем прошлом, должны иметь меньшие отличий, чем два генома, чей общий предок очень давний. Потому, сравнивая разные геномы друг с другом, возможно получить сведения об эволюционном взаимоотношения между ними. Это является главной задачей молекулярной филогенетики.

Большая и разнообразная группа методов, предназначенная для выявления вариаций (повреждений) в структуре участка ДНК (аллеля, гена, региона хромосомы) вплоть до расшифровки первичной последовательности оснований. В основе этих методов лежат генно-инженерные манипуляции с ДНК и РНК.

Метод

Применение метода

биохимический

изучение активности фермента

биохимический

установление состава веществ крови

биохимический

анализ мочи на содержание сахара в ней

биохимический

установление состава веществ лимфы

биохимический (титрование)

определение количества сахара в крови

генеалогический

изучение характера наследования признаков человека

генеалогический

составление родословной человека и изучение характера наследования признака

генная инженерия

конструирование новой комбинации нуклеотидов в гене

искусственное осеменение

получение яйцеклеток и сперматозоидов высокопродуктивных животных, дальнейшее проведение осеменения в пробирке и имплантация эмбрионов в матки беспородных самок

исторический

описание эволюционного развития организмов

клеточная инженерия

конструирование клетки путем соматической гибридизации

клеточная инженерия

реконструкция яйцеклеток и клонирование животных

клеточная инженерия

развитие животного из реконструированной яйцеклетки

клонирование

из яйцеклетки удаляют ядро и в нее пересаживают ядро соматической клетки генетически ценного организма, затем стимулируют дробление реконструированной зиготы электрошоком и трансплантируют эмбрион в матку любой самки того же вида

культура клеток и тканей

изучение факторов размножения, роста клеток в искусственной среде

меченых атомов

введение радиоактивных изотопов элемента в молекулы веществ

меченых атомов

выяснение способа репликации ДНК

микроскопия (микроскопирование)

изучение строения растительной клетки на фиксированном препарате

микроскопия (микроскопирование)

изучение строения органоидов

микроскопия (микроскопирование)

определение структуры митохондрии

молекулярно-генетический

изучение молекулы ДНК

мониторинг

контроль наличия в средах предельно допустимых концентраций вредных для жизни организмов веществ

мониторинг

длительный контроль содержания углекислого газа в атмосфере

наблюдение

сроки впадения в спячку сурков

наблюдение

описание живой природы

наблюдение

регистрация смены месячной температуры

наблюдение

сбор информации о поведении животного

обобщение

формулировка правил, законов на основ сравнения результатов экспериментов

популяционно-статистический

изучение распространения признака в популяции

сравнение

выявление общих закономерностей живой природы

сравнение (обобщение)

сопоставление наблюдаемых свойств биологических объектов

статистический

распространение признака в популяции

флюорография

изменения структуры органов

хроматография (хроматографический)

изучение скорости движения растворенных веществ в адсорбенте

хроматография (хроматографический)

разделение основных пигментов из экстракта листьев

центрифугирование

разделение клеточных структур

центрифугирование

разделение клеточной массы по фракциям

центрифугирование

разделение органоидов клетки по массе и размерам

цитогенетический

исследование хромосомных и геномных мутаций

цитогенетический

синдром Дауна

цитогенетический

микроскопическое исследование количества и морфологии хромосом

цитогенетический, цитологический, микроскопирование

определение числа хромосом в кариотипе

эксперимент

влияние длины дня на цветение растений

эксперимент

описание жизни организма в лабораторных условиях

эмбриологический

установление закономерностей развития зародышей позвоночных животных

Уровни организации

Биологическая система

Компоненты, образующие систему

Основные процессы

Молекулярно-генетический уровень

Молекула

Отдельные биополимеры (ДНК, РНК, белки, липиды, углеводы и др.)

На этом уровне жизни изучаются явления, связанные с изменениями (мутациями) и воспроизведением генетического материала, обменом веществ.

Клеточный

Клетка

Комплексы молекул химических соединений и органоиды клетки

Синтез специфических органических веществ; регуляция химических реакций; деление клеток; вовлечение химических элементов Земли и энергии Солнца в биосистемы

Организменный

Организм

Системы органов

Обмен веществ; раздражимость; размножение; онтогенез. Нервно-гуморальная регуляция процессов жизнедеятельности. Обеспечение гармоничного соответствия организма его среде обитания

Популяционно-видовой

Популяция

Группы родственных особей, объединенных определенным генофондом и специфическим взаимо-действием с окружающей средой

Генетическое своеобразие; взаимодействие между особями и популяциями; накопление элементарных эволюционных преобразований; выработка адаптации к меняющимся условиям среды

Биогеоценотический

Биогеоценоз

Популяции разных видов; факторы среды; пространство с комплексом условий среды обитания

Биологический круговорот веществ и поток энергии, поддерживающие жизнь; подвижное равновесие между живым населением и абиотической средой; обеспечение живого населения условиями обитания и ресурсами

Биосферный

Биосфера

Биогеоценозы и антропогенное воздействие

Активное взаимодействие живого и неживого (косного) вещества планеты; биологический глобальный круговорот; активное биогеохимическое участие человека во всех процессах биосферы

Свойство

Характеристика

Адаптация

Способность приспосабливаться к условиям окружающей среды

?

Способность воспроизводить себе подобных

Свойство

Характеристика

Саморегуляция

Способность живых организмов поддерживать постоянство физико-химического состава, интенсивность физиологических процессов в меняющихся условиях окружающей среды

 _____________

Периодические изменения интенсивности физиологических процессов и функций с различными периодами колебаний

Свойство

Характеристика

Рост

Увеличение размеров, массы и объёма организма

Необратимое направленное закономерное изменение живых и неживых систем, в результате которого появляются качественно новые состояния систем

Признаки живых систем

Примеры

Ритмичность

Чередование сна и бодрствования

?

Появление птенцов в колонии пингвинов

Признаки живого

Примеры

Эволюция

Филогенез рода Человек

?

Миграция деревенских ласточек как реакция на уменьшение длины светового дня

Признаки живого

Примеры

Обмен веществ

Фотосинтез в листе растения

?

Деление клетки бактерии

Признаки живого

Примеры

Клеточное строение

Эритроциты, миоциты, нейроны человека

?

Поддержание нормальных значений температуры тела, уровней артериального давления и глюкозы у человека

Метод

Применение метода

Генеалогический

Изучение наследования аномальных признаков в поколениях человека

?

Целенаправленное длительное изучение объекта или явления без вмешательства извне

Метод

Применение метода

Гибридологический

Скрещивание организмов с альтернативными признаками

?

Систематизация организмов на основе их сравнения и объединения в группы

Признаки живых систем

Примеры

Историческое развитие / филогенез

Образование новых видов живых организмов и усложнение жизненных форм

?

Расщепление высокоэнергетических молекул

А

Б

В

Г

Д

А

Б

В

Г

Д

А

Б

В

Г

Д

А

Б

В

Г

Д

А

Б

В

Г

Д

А

Б

В

Г

Д

Е

А

Б

В

Г

Д

Примеры самовоспроизведения

Уровни биосистем

А) размножение смородины отводками

Б) редупликация (самоудвоение) ДНК

В) почкование пресноводной гидры

Г) самосборка митохондрий и хлоропластов

Д) образование спор у гриба мукора

Е) дробление зиготы

1) организменный

2) молекулярно-генетический

3) органоидно-клеточный

А

Б

В

Г

Д

Примеры самовоспроизведения

Уровни биосистем

А) развитие наружных жабр у головастика

Б) появление подвидов у белки обыкновенной

В) превращение гусеницы в бабочку

Г) появление лишайников на голых скалах

Д) гибель самцов уток во время зимовки

Е) заболачивание пруда

1) организменный

2) популяционно-видовой

3) биогеоценотический (экосистемный)

А

Б

В

Г

Д

Характеристика живого

Свойства живого

А) использование внешних источников энергии в виде пищи и света.

Б) увеличение размеров и массы.

В) постепенное и последовательное проявление всех свойств организма в процессе индивидуального развития.

Г) в основе сбалансированные процессы ассимиляции и диссимиляции.

Д) обеспечение относительного постоянства химического состава всех частей организма.

Е) в результате этого свойства возникает новое качественное состояние объекта.

1) способность к росту и развитию;

2) обмен веществ и энергии.

А

Б

В

Г

Д

А

Б

В

А

Б

В