Биология как наука. Часть 2

На этой странице вы узнаете

• Что общего у комплекса биологических дисциплин и слоеного пирога? 
• Как почувствовать себя научным сотрудником, готовя чай?
• Как ученые определяют возраст ископаемых останков?

Часто ли вы попадали в ситуации, когда на природе после встречи с какой-нибудь букашкой или птицей друзья начинают задавать вопросы вроде «А какой это вид? Ты же биолог, ты должен знать!». А ведь не любой биолог должен разбираться во всех разделах: кто-то изучает растения, кто-то позвоночных животных, кто-то биохимию… Так сколько же всего наук внутри столь разносторонней биологии? Ответ на этот вопрос вы найдете в этой статье. 

Комплекс биологических дисциплин

Почему в биологии так много разделов? 

Жизнь на нашей планете представлена огромным разнообразием форм. Живые объекты могут достигать до 100 метров в длину или быть микроскопическими, обитать в организменной, водной, почвенной и наземно-воздушной средах.

Суммарное число видов на планете составляет порядка 7-10 миллионов. Уследить за всеми при помощи методов и ученых только одной дисциплины невозможно.  Поэтому биология — обширная наука, образованная целым комплексом дисциплин.

Биологические дисциплины представлены фундаментальными и таксономическими подразделениями биологии. 

Таксоны — систематические категории в биологии. 

К ним относятся, например, царство Грибы, класс Млекопитающие, тип Членистоногие. Каждый таксон изучает отдельная наука: грибы — микология, млекопитающих — териология. Подробнее о таксономических подразделениях мы поговорим ниже.

У каждой группы организмов есть разные признаки, которые можно изучать отдельно от других: 

• внешний вид; 
• внутреннее строение; 
• поведение. 

Эти свойства рассматриваются в рамках фундаментальных подразделений: 

• морфология изучает внешнее строение организмов;
• физиология — процессы жизнедеятельности;
• генетика — особенности наследования признаков; 
• экология — распространение особей в природе и их взаимодействие.

Таким образом, каждое таксономическое подразделение образовано множеством фундаментальных дисциплин. Например, в рамках ботаники (науки о растениях) изучаются морфология, физиология, генетика и биохимия растений.

Что общего у слоеного пирога и комплекса биологических наук? Схематично комплекс биологических дисциплин можно представить в виде слоеного пирога, разрезанного на куски. Каждый слой образован совокупностью нескольких кусочков, а каждый кусок состоит из нескольких слоев.

На примере картинки выше мы можем увидеть фундаментальные и таксономические подразделения биологии. В рамках ботаники, бактериологии (науки о бактериях), орнитологии (науки о птицах), энтомологии (науки о насекомых) изучаются признаки организмов в рамках фундаментальных подразделений: генетики, экологии, молекулярной биологии (науки о хранении и передаче наследственной информации), эмбриологии (науки о развитии зародыша). 

Получается, что один и тот же организм может изучаться учеными-биологами на разных уровнях. Так что теперь мы отлично понимаем, почему же в биологии так много разделов.

А теперь самое время приступить к более детальному знакомству с разными науками, которые могут встретиться на экзамене.

Общие биологические дисциплины

Науки, о которых говорится ниже, как раз и представляют собой фундаментальные и таксономические подразделения биологии.

Биология — развивающаяся наука, и ее новые подразделения появляются с развитием технологий. Недавно появились, например, биоинформатика и биотехнология — области биологии, связанные с инженерией и разработкой полезных для человека продуктов из природных материалов. Но сперва следует запомнить классические биологические дисциплины, представленные на изображении ниже.

Как мы уже поняли, деление биологических дисциплин происходит в том числе по таксонам. Именно поэтому зоология и ботаника будут в свою очередь делиться на более узкие специализации, о которых мы и поговорим ниже.

Зоология

Зоология — это наука о животных.

С самого детства нам встречается корень «зоо» в словах «зоомагазин», «зоопарк». Все это места, связанные с животными. 

Разных животных изучают разные разделы зоологии. Все они имеют свои названия, которые можно увидеть ниже.

Ботаника

Ботаника — наука о растениях. 

По группам изучаемых растений в ней различают 4 основных таксономических подразделения.

Когда мы познакомились с биологическими дисциплинами, попробуем применить знания на практике.

Решим задание ЕГЭ №1. В этой линии необходимо заполнить табличку с пропущенным термином.

Задание. Впишите соответствующий пропущенный термин 

Раздел биологии                      Предмет изучения

Альгология                               Водоросли         
 ?                                      Моллюски

Решение. В примере нам показали раздел, предметом изучения которого являются водоросли, — это альгология. Осталось вспомнить, как называется наука о моллюсках: это будет малакология. 

Ответ: малакология

Науки о человеке

Когда мы записываемся к врачу, мы можем выбрать, к какому специалисту нам нужно пойти — к кардиологу, неврологу или к кому-то еще. Сейчас мы узнаем, чем же занимаются эти врачи и какие вообще существуют науки об организме человека. И начнем мы с базовых наук, которые в том числе изучаются в школьной программе. 

Анатомия — наука, изучающая внешнее строение органов и систем органов. 

Гистология — наука, изучающая ткани.

Физиология — наука, изучающая функционирование организма. 

В чем же разница между этими науками? Рассмотрим на конкретном примере, чтобы разобраться окончательно. Строение органов, например, желудка, можно изучать на разных уровнях: можно рассмотреть его внешнее строение (этим занимается анатомия), можно изучить строение его тканей (этим занимаемся гистология), а можно рассмотреть, какие процессы происходят в желудке (это изучает физиология). 

Медицина — наука обширная, поэтому в основном врач занимается своей определенной областью. Например, если у человека есть проблемы с сердцем и сосудами, он может обратиться к кардиологу или ангиологу. 

Кардиология — раздел медицины, изучающий строение, функции и заболевания сердечно-сосудистой системы. 

Ангиология — раздел медицины, изучающий строение, функции и заболевания сосудов.  

Если у человека есть заболевание дыхательной системы, то он может обратиться к пульмонологу. 

Пульмонология — раздел медицины, изучающий строение, функции и заболевания дыхательной системы. 

В наше время нередко встречаются такие заболевания пищеварительной системы, как гастрит (воспаление слизистой оболочки желудка) и язвенная болезнь. Пациенты с этими заболеваниями наблюдаются у гастроэнтеролога.

Гастроэнтерология — раздел медицины, изучающий строение, функции и заболевания пищеварительной системы. 

Если у человека есть заболевание почек или мочевыделительной системы, то он может обратиться к нефрологу и урологу.

Нефрология — раздел медицины, изучающий строение, функции и заболевания почек. 

Урология — раздел медицины, изучающий строение, функции и заболевания мочевыделительной системы. 

Лечением неврологических заболеваний, логично, занимаются врачи-неврологи.

Неврология — раздел медицины, изучающий строение, функции и заболевания нервной системы. 

Если мы хотим проверить свое зрение, подобрать очки или линзы, мы можем обратиться к офтальмологу.

Офтальмология — раздел медицины, изучающий строение, функции и заболевания органа зрения. 

Наверняка вы слышали про врачей, которых в быту называют «ухо-горло-нос». Правильнее всего их называть оториноларингологами. 

Оториноларингология — раздел медицины, изучающий строение, функции и заболевания уха, горла и носа. 

Заболевания, связанные с балансом гормонов, лечат врачи-эндокринологи. Например, у них наблюдаются пациенты с диабетом и заболеваниями щитовидной железы.

Эндокринология — раздел медицины, изучающий строение, функции и заболевания эндокринной системы. 

Нарушениями работы иммунной системы тоже занимается отдельный врач — врач-иммунолог.

Иммунология — раздел медицины, изучающий строение, функции и заболевания иммунной системы. 

Мы выяснили, что биологические науки бывают разными, а что их объединяет? Конечно же, научный подход и использование биологических методов, о которых мы будем говорить ниже.

Методы исследования в биологии

Ученые-биологи используют общие научные и частные методы исследования. Общими называют те методы, которые используются не только биологами, но и всеми учеными. Частные методы напротив используются только в отдельных разделах и областях биологии. 

Общие методы исследования могут быть теоретическими (логическими) и практическими (эмпирическими). 

Теоретические связаны с изучением теории по проблеме, работе главным образом с письменной, печатной и числовой информацией. К теоретическим методам относятся:

• анализ;
• сравнение;
• описание;
• абстрагирование;
• обобщение;
• классификация;
• моделирование;
• создание гипотез и теорий.

Разберемся с каждым из этих методов подробнее. 

Анализ — это метод исследования, характеризующийся выделением и изучением отдельных частей объекта исследования.

Вспомним, как мы обычно работаем с новой для нас информацией. Обычно мы разбиваем ее на части, выделяем основные темы и изучаем их по отдельности, чтобы было проще воспринимать неизвестные для нас факты. Такой подход позволяет рассмотреть объект исследования полно со всех сторон. 

Сравнение — это сопоставление свойств объектов.

Иногда перед ученым стоит задача сравнить два или более живых объекта. Для этого рассматриваются их свойства и различия — в этом и состоит смысл метода сравнения.

Описание — это метод, заключающийся в сборе и изложении данных и их характеристик.  

Описание — один из самых древних методов биологии, ведь он максимально прост. Смотря на объект, мы всегда можем описать его форму, цвет, другие внешние признаки. Для современных ученых этот метод важен, например, для определения уже известных биологических видов и описания новых. 

Абстрагирование — это метод, заключающийся в отвлечении от каких-то свойств объекта с целью углубленного изучения одной его характеристики. 

Метод абстрагирования только кажется запутанным, но на самом деле мы используем его постоянно. Если мы хотим изучить, какой цвет глаз у определенной группы людей встречается чаще, мы будем отмечать только их цвет, но не форму, размер и так далее. То есть метод абстрагирования заключается в том, что мы сосредотачиваемся на определенном свойстве объекта, при этом игнорируя остальные признаки. 

Представим, что перед нами, например, стоит задача выучить параграф из учебника биологии. Для этого мы не будем перечитывать весь учебник: мы сосредоточимся только на определенной теме. Если что-то в тексте учебника нам будет непонятно, мы можем использовать дополнительные источники, но опять же они будут касаться четко определенной темы. В этом и заключается смысл абстрагирования.  

Обобщение — это процесс установления общих свойств и признаков.

Например, метод обобщения используется, когда мы обсуждаем признаки каких-то крупных групп. Когда мы говорим, что для животных характерно активное передвижение, то мы не учитываем исключений, ведь существуют немногочисленные животные, которые могут вести малоактивный, прикрепленный образ жизни. Но при обобщении для нас это не так важно, ведь мы рассматриваем признак, характерный для большинства. 

Классификация — это метод распределения объектов исследования на группы на основе их общих признаков. 

Чтобы не запутаться во всем многообразии живых организмов, их необходимо классифицировать. В биологии этим занимается наука под названием систематика. 

Моделирование — это исследование объекта на его модели — специально созданном его аналоге.  

Достаточно часто в биологии мы сталкиваемся с тем, что исследования на реальном объекте невозможны. В таком случае биологи обращаются к методу моделирования. 

Примером модели может служить часто встречающаяся на ЕГЭ модель Дондерса — это макет, демонстрирующий механизм вдоха и выдоха. 

Гипотеза — это научное предположение, которое выдвигается для объяснения явления. 

Другими словами гипотеза — это утверждение, которое нужно проверить ученому. Наблюдая и изучая свой объект, биологу приходят в голову вопросы: почему все устроено именно так и как это объяснить? И тогда ученый постепенно старается ответить на эти вопросы, которые как раз и будут являться гипотезами.

Например, человеку всегда было интересно, как на нашей планете появилась жизнь. Наверняка ответить на этот вопрос сложно, поэтому эволюционисты стараются создать теорию на основе тех данных, что мы можем получить. Биологическое сообщество сейчас придерживается гипотезы биохимической эволюции, но когда-то ученые думали, что жизнь могла быть занесена из космоса или вообще появляться сама по себе из неживой материи… А чтобы познакомиться с теориями возникновения жизни, можно прочитать статью «Гипотезы происхождения жизни на Земле».

Когда мы обсудили все теоретические методы, давайте перейдем к практическим методам. 

Эмпирические (практические) методы исследования предполагают непосредственную работу с объектом или (при невозможности видеть его «лицом к лицу») его моделью. То есть при их использовании мы будем видеть, слышать, трогать наш объект исследования. 

То есть если вы сидите дома с чашечкой чая и читаете о скорости гепарда и его инстинктах хищника, вы используете теоретический метод. А если бежите от того же гепарда, засекая по трекеру время и расстояние, то вы занимаетесь эмпирическими исследованиями.

Наиболее известные эмпирические методы: эксперимент, наблюдение, тестирование.

Эксперимент — это научно поставленный опыт, необходимый для подтверждения или опровержения гипотезы. 

До этого мы с вами обсуждали гипотезы. После того, как ученый сформулировал гипотезу, ее нужно опровергнуть или подтвердить, для чего и используют эксперименты. 

Представим себя учеными и предположим, что рост клеток зависит от температуры окружающей среды, — это будет наша гипотеза. Чтобы ее подтвердить, мы проведем эксперимент: возьмем пробирки и будем выращивать в них клетки при разных температурах, чтобы посмотреть, изменяются ли темпы роста в зависимости от температуры. Это и будет экспериментом, который подтвердит нашу гипотезу.

Наблюдение — это метод, с помощью которого исследователь собирает информацию об объекте с помощью органов чувств. 

При обсуждении метода обсуждения на ум сразу приходит программа «В мире животных» и известная фраза оттуда: «А теперь, друзья, давайте просто молча понаблюдаем за ними». И правда, наблюдение позволяет проследить особенности, характерные для живого организма. 

Тестирование — это метод, заключающийся в измерении и оценке определенных качеств. 

Часто с тестированиями мы можем встретиться в психологии: например, тестирования используют для того, чтобы оценить психологические качества человека, его темперамент, устойчивость нервной системы.

Когда мы обсудили общие методы, перейдем к частным биологическим методам.

Специфические (частные) биологические методы

1. Биохимический метод  

Биохимический метод заключается в анализе состава веществ, изучении биохимических реакций. Мы часто можем столкнуться со словосочетанием «биохимический анализ крови» — это метод исследования, позволяющий оценить общее состояние человека по составу его крови и концентрации определенных соединений в ней. Например, врач может поставить сахарный диабет своему пациенту по концентрации глюкозы в его крови. 

Концентрация — процентное содержание вещества в смеси. 

2. Микроскопия 

Микроскопия — рассмотрение очень маленьких и невидимых невооруженным глазом объектов с помощью микроскопа. Метод часто применяется для изучения строения и поведения бактерий, простейших животных, используется в гистологии.

Микроскопия бывает двух основных видов: световая и электронная. Световая микроскопия позволяет рассматривать живые объекты под небольшим увеличением при воздействии пучка света. Достоинством световой микроскопии является тот факт, что при ее помощи можно наблюдать живые, движущиеся объекты. При этом данный метод не требует больших затрат, а полученное изображение будет цветным. 

Световой микроскоп

Альтернативой световой микроскопии является электронная микроскопия. Можно логично предположить, что этот метод использует электронный микроскоп, в котором вместо пучка света используется пучок электронов. Достоинства этого вида микроскопии заключаются в том, что электронный микроскоп позволяет добиться более высокого увеличения, можно рассматривать более мелкие клеточные структуры. Например, электронный микроскоп дает возможность увидеть самые мелкие органоиды клеток — рибосомы, которые отвечают за образование белка. А те объекты, что мы можем увидеть и при помощи светового микроскопа, можно наблюдать при высоком увеличении. Так можно разглядеть более детальное строение хлоропласта (органоида, отвечающего за фотосинтез), хотя его можно найти и под световым микроскопом.

Но, к сожалению, этот вид микроскопии позволяет рассматривать только мертвые объекты, так как при приготовлении микропрепарат используются красители с тяжелыми металлами, которые нарушают функционирование клеток. Кроме этого, работа с электронным микроскопом имеет свои важные нюансы: он очень дорогой, громоздкий, поэтому далеко не все лаборатории могут их себе позволить.

• 

• 

Клетки крови под электронным микроскопом. Как мы видим, изображение черно-белое, но зато достаточно четкое и имеет большое увеличение. 

Виды микроскопии достаточно часто попадаются на ЕГЭ, поэтому давайте попробуем решить задание по этой теме.

Перед нами задание ЕГЭ №25. 

Задание. При помощи какого метода получено изображение клеточной структуры, представленное ниже? Какие преимущества и недостатки имеет данный метод по сравнению с альтернативным? 

Решение. Первое, на что стоит обратить внимание, — это черно-белое изображение. Также мы видим достаточно мелкие клеточные структуры (на картинке показаны аппарат Гольджи и лизосомы), что говорит о том, что это электронная микроскопия. Альтернативой электронной микроскопии является световая, поэтому в своем ответе нам нужно сравнить два этих метода.

Ответ: Метод — электронная микроскопия.Преимущества электронной микроскопии по сравнению со световой: большое увеличение и высокое разрешение, возможность рассмотреть более мелкие структуры.Недостатки электронной микроскопии: возможность получить только черно-белое изображение, изучение только мертвых неподвижных объектов, дороговизна и сложность использования.  

4. Метод меченых атомов 

Метод меченых атомов — введение в клетку (или в окружающую ее среду) изотопов различных химических элементов. Это делается для того, чтобы отследить, куда «путешествуют» разные атомы по организму. 

Изотопы — элементы с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов в ядре. 

Подробнее об изотопах можно узнать в статье по химии «Электронная конфигурация атома».

Изотопы не отличаются зарядом ядра, но имеют разную массу, что позволяет отследить их.

Пример: после введения в культуру бактерий тяжелого атома азота N¹⁵, его концентрация в чашке Петри уменьшается, а внутри бактериальных клеток увеличивается. Это значит, что бактерии поглощают азот из внешней среды.

5. Электрофорез 

Электрофорез позволяет разделить положительно и отрицательно заряженные компоненты смеси веществ. Метод основан на миграции заряженных частиц под действием электрического поля. Положительно заряженные частицы движутся к катоду, отрицательно заряженные — к аноду. Чтобы познакомиться с этими понятиями поближе, можно прочитать статью «Электролиз расплавов и растворов (солей, щелочей, кислот)».

При этом сам катод заряжен отрицательно, а анод — положительно! Например, электрофорез используется в молекулярной биологии для разделения фрагментов ДНК и РНК.

6. Хроматография 

Хроматография используется для разделения смеси пигментов и основана на различной плотности веществ. 

Хроматографию можно провести с помощью:

• фильтровальной или хроматографической бумаги;
• колонки.

Хроматографической колонка — это устройство для хроматографии, по которой движется изучаемая смесь.

Более плотные частицы осаждаются быстрее, поэтому их слой будет первым. Менее плотные компоненты смеси будут оседать медленно.

Хроматография используется для анализа биологических образцов. Например, при помощи этого метода можно разделить пигменты листа растения.

Как почувствовать себя научным сотрудником, готовя чай? Представьте себе, что вы опустили в стакан чая плотный кубик сахара и ложку сахара-песка. Быстрее на дно опустится кубик, потому что он более плотный. Поздравляем, вы только что провели разделение смеси по принципу хроматографии! Более плотное вещество (сахар) быстрее опустился на дно, а вода, как менее плотное вещество, осталась выше.

Как можно увидеть на картинке, на колонке мы увидим «полоски» — так распределяются отдельные компоненты по плотности. Так мы можем узнать состав изучаемой смеси и определить соотношение веществ, которые входят в ее состав.

7. Радиоуглеродное датирование 

Смотрели фильмы о палеонтологических раскопках? Довольно часто в них можно услышать фразы вроде «Этой кости мамонта уже 77400 лет». Как же ученые могут так точно определить возраст ископаемой находки? В этом им помогает метод радиоуглеродного датирования!

Как ученые определяют возраст ископаемых останков? В основе радиоуглеродной датировки лежит известный период полураспада атома (время, за которое радиоактивный атом теряет половину своей радиоактивности) углерода, который равен 5360 лет. Именно за это время распадается ровно половина всех имеющихся атомов 14C образца. Проходит еще столько же времени — распадается половина от оставшихся атомов и так далее. Зная, в какой концентрации атом углерода содержится в организме, можно определить возраст находки.

Период полураспада — время, за которое половина радиоактивных атомов распадается.

Период полураспада более полно описан в статье по физике «Радиоактивность. Виды распадов».

8. Центрифугирование

Как работает центрифуга? 

Если вы когда-нибудь подолгу смотрели на то, как крутится белье в стиральной машинке, то понять суть метода будет гораздо проще. Когда барабан раскручивается, тяжелые вещи почти моментально прилипают к его стенке, а легкие продолжают плавать в толще воды. Точно так же работает центрифугирование!

Центрифугирование используется для разделения клеточных компонентов. Под действием центробежной силы более тяжелые органоиды осаждаются на дно пробирки, а легкие образуют среднюю и высокую фракции, то есть группы структур с примерно одинаковой массой.

Метод активно применяется для разделения крови на эритроцитарную, тромбоцитарно-лейкоцитарную фракции и плазму.

9. Метод составления родословных 

Родословные (графические изображения, отражающие наследование признаков) используются в генетике для определения особенностей наследования признака. Благодаря этому методу можно определить, доминантный признак или рецессивный, наследуется он сцепленно с полом или нет.

В родословной каждый человек обозначен отдельной фигурой. Когда две фигуры объединены горизонтальной полоской, это означает брак между людьми. Вертикальные линии, спускающиеся вниз, обозначают детей. Закрашенные фигуры обозначают людей с изучаемым признаком. 

Каждый раздел биологии использует особенные частные методы. Знакомство с ними можно начать с методов генетики, о которых можно прочитать в статье «Общие понятия генетики». Но, естественно, не обходится и без общих методов, так что наше сегодняшнее знакомство с ними точно будет полезно при изучении следующих разделов. 

Термины

Плазма — жидкая часть крови. 

Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды при участии солнечного света у растений и цианобактерий. 

Фактчек

• Биология — обширная наука, образованная целым комплексом дисциплин.
• Биологические дисциплины представлены фундаментальными и таксономическими подразделениями биологии. 
• В биологии применяются общие научные и специфические методы исследования.
• Общие методы делятся на теоретические и практические (эмпирические).

Проверь себя

Задание 1.
Какой метод используется для определения возраста ископаемых останков?

1. Центрифугирование
2. Электрофорез
3. Радиоуглеродная датировка
4. Биохимический

Задание 2.
Какой метод лежит в основе разделения крови на лейкоцитарно-тромбоцитарную и эритроцитарную фракции?

1. Биохимический
2. Центрифугирование
3. Электрофорез
4. Составление родословных

Задание 3.
Необходимо установить характер наследования признака, какой метод стоит использовать ученому?

1. Метод меченых атомов
2. Хроматография
3. Составление родословных
4. Биохимический

Задание 4.
Какие организмы изучает карцинология?

1. Паукообразных
2. Круглых червей
3. Ракообразных
4. Насекомых

Задание 5.
Что изучает наука ихтиология?

1. Птиц
2. Ихтиозавров
3. Рыб
4. Млекопитающих

Ответы: 1. — 3; 2. — 2; 3. — 3; 4. — 3; 5. — 3.