Подготовка к ОГЭ по биологии. Раздел 1. Роль биологии

Баллы

Оценка

0-12

2

13-24

3

25-35

4

36-45

5

Методы познания живой природы

Метод – это путь исследования, который проходит ученый, решая какую-либо научную задачу или проблему

Метод (название)

Описание / Суть метода

Пример

Классические методы исследования в биологии   (в науке вообще).

Эмпирические – основаны на чувственном познании

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.

Классические методы исследования в биологии.

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).

Тут довольно трудно с примерами, но чисто интуитивно каждый понимает, что это такое.

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.

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 археологических/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.

Современные методы изучения биологических объектов.

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.

Метод микроскопирования в темном поле

Мелкие структуры, невидимые при обычном микроскопировании, становятся заметны в отраженных лучах.

Рассматривание мелких структур / объектов (менее 0,2 мкм).

Используется в микробиологической диагностике патогенных микроорганизмов.

Флуоресцентная микроскопия

Некоторые вещества/структуры способны светиться при поглощении световой энергии.

Существуют флуорохромы (см. картинку), способные избирательно связываться с липидами, полисахаридами и некоторыми белками.

Позволяет изучить локализацию различных химических веществ в живой и фиксированной  клетке.

Фазово-контрастная микроскопия

Основана на том, что отдельные структуры, прозрачной, в целом, клетки отличаются друг от друга по светопреломлению и плотности. Проходя через эти структуры, свет изменяет свою фазу, но наш глаз не воспринимает это изменение. Специальный объектив на микроскопе создаёт черно-белое контрастное изображение.

Микробиологическая диагностика патогенных микроорганизмов.

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, основа на распределении компонентов между двумя фазами: неподвижной (нанесенной на колонку) и подвижной, протекающей через неподвижную.

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.

Спектральный анализ

Известно, что каждый элемент поглощает/излучает характерный только для него световой спектр Метод изучает химический состав веществ на основании их способности к поглощению и испусканию света.

Современные методы позволяют определить до миллиардных долей грамма определенного  вещества в пробе.

Метод витального (прижизненного) окрашивания

В низких концентрациях красители малотоксичны для живых клеток.

Этот метод позволяет судить о жизнедеятельности клетки при различных внешних воздействиях.

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.

Теоретической основой селекции является генетика, так как именно знание законов генетики позволяет целенаправленно управлять закреплением мутаций, предсказывать результаты скрещивания, правильно проводить отбор гибридов. В результате применения знаний по генетике удалось создать более 10 тысяч сортов пшеницы на основе нескольких исходных диких сортов, получить новые штаммы микроорганизмов, выделяющих пищевые белки, лекарственные вещества, витамины и т. п.

Скрещивание

Родственное (инбридинг)

Применяется с целью сохранения/закрепления необходимых признаков у сорта/породы.  Для закрепления полезных наследственных свойств необходимо повысить гомозиготность нового сорта.

Иногда для этого применяют самоопыление перекрёстноопыляемых растений.

Неродственное (аутбридинг)

-внутрисортовое (внутрипородное)

-межсортовое (межпородное)

Метод межлинейной гибридизации, при котором часто наблюдается эффект гетерозиса: гибриды первого поколения обладают высокой урожайностью и устойчивостью к неблагоприятным воздействиям. Гетерозис характерен для гибридов первого поколения, которые получаются при скрещивании не только разных линий, но и разных сортов и даже видов. Эффект гетерозиготной (или гибридной) мощности бывает сильным только в первом гибридном поколении, а в следующих поколениях постепенно снижается. Основная причина гетерозиса заключается в устранении в гибридах вредного проявления накопившихся рецессивных генов. Другая причина — объединение в гибридах доминантных генов родительских особей и взаимное усиление их эффектов.

Отдаленная гибридизация

Отдаленная гибридизация домашних животных менее эффективна, чем растений. Межвидовые гибриды животных часто бывают бесплодными. При этом восстановление плодовитости у животных представляет более сложную задачу, поскольку получение полиплоидов на основе умножения числа хромосом у них невозможно. Правда, в некоторых случаях отдаленная гибридизация сопровождается нормальным слиянием гамет, обычным мейозом и дальнейшим развитием зародыша, что позволило получить некоторые породы, сочетающие ценные признаки обоих использованных в гибридизации видов.

Искусственный отбор

Первоначально в основе селекции лежал искусственный отбор, когда человек отбирает растения или животных с интересующими его признаками. До XVI—XVII веков отбор происходил нерегулярно и неметодично: для посева отбирали лучшие плоды (на посадку) или особи (для воспроизводства) просто рассчитывая на повторение результата; забавно, что это соседствовало с теологической убеждённостью неизменности «божьих созданий».

Только в последние столетия, ещё не зная законов генетики, стали использовать отбор сознательно и целенаправленно, скрещивая экземпляры с ярко выраженными полезными свойствами.

Массовый отбор

Отбор особей по фенотипу без проверки генотипа. Для перекрёстноопыляемых растений применяют массовый отбор особей с желаемыми свойствами. В противном случае невозможно получить материал для дальнейшего скрещивания. Таким образом получают, например, новые сорта ржи. Эти сорта не являются генетически однородными.

Индивидуальный отбор

Прием искусственного отбора, который проводится на основе индивидуальной наследственной изменчивости особи. В селекции животных применяют жесткий индивидуальный отбор по хозяйственно ценным признакам, выносливости, экстерьеру. В селекции растений индивидуальный отбор используют при работе с самоопыляющимися растениями, при этом выделяются чистые линии — потомство одной самоопыляющейся особи. Благодаря индивидуальному отбору от одного вида дикого сизого голубя выведено около 150 пород домашних голубей; от одного вида собаки получено все разнообразие пород. Большинство сортов пшеницы, ячменя, овса были получено методом индивидуального отбора.

Полиплоидизация

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.

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.

Искусственный мутагенез

Путём искусственного мутагенеза и последующего отбора мутантов были получены новые высокоурожайные сорта ячменя и пшеницы. Этими же методами удалось получить новые штаммы грибов, выделяющие в 20 раз больше антибиотиков, чем исходные формы. За последние 70 лет выведено более 2250 сортов сельскохозяйственных растений, созданных при помощи физического и химического мутагенеза.

Методы исследования эволюции

Палеонтологические методы

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 методы

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 методы

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.

Молекулярно-генетические методы

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.