La biologia come scienza. Il ruolo della biologia

13.03.2024 | Il mondo intorno a noi

Metodi di biologia. La biologia utilizza una varietà di metodi di ricerca. Il metodo descrittivo è tradizionale, ma ha mantenuto il suo significato. Metodi di base della biologia:
· Osservazione E descrizione fatti e fenomeni (metodo descrittivo). Il metodo di osservazione dàla capacità di analizzare e descrivere fenomeni biologici. Il metodo descrittivo si basa sul metodo di osservazione. Per scoprire l'essenza di un fenomeno è necessario innanzitutto raccogliere e descrivere materiale fattuale. Ad esempio, utilizzando il metodo di osservazione, puoi studiare i cambiamenti stagionali nella fauna selvatica. L'osservazione è lo studio degli oggetti della natura vivente nelle condizioni naturali di esistenza. Questa è l'osservazione diretta del comportamento, dell'insediamento e della riproduzione delle piante e degli animali in natura. A tal fine vengono utilizzati sia strumenti tradizionali di ricerca sul campo (binocoli, videocamere) che sofisticate apparecchiature di laboratorio (microscopi, analizzatori biochimici, varie apparecchiature di misurazione).
· Confronto, che consente di stabilire le somiglianze e le differenze tra diverse strutture e fenomeni biologici (metodo comparativo). Confronta la struttura anatomica, la composizione chimica, la struttura genetica e altre caratteristiche di organismi di diversi livelli di complessità. In questo caso, non vengono studiati solo gli organismi viventi, ma anche quelli estinti da tempo conservati come resti fossili nella documentazione fossile.
· Sperimentare (Latino Experimentum - test), durante il quale oggetti e processi biologici vengono studiati in condizioni create artificialmente e controllate con precisione (metodo sperimentale). Il metodo sperimentale è associato alla creazione mirata di un sistema e aiuta a studiare le proprietà e i fenomeni della natura vivente. Metodo sperimentale (esperienza) - ricerca su oggetti viventi in condizioni di fattori ambientali estremi - modifica della temperatura, della luce o dell'umidità, aumento del carico, tossicità o radioattività, modifica della modalità o del luogo di sviluppo (rimozione o trapianto di geni, cellule, organi, ecc. ) . P.) . Il metodo sperimentale ci consente di identificare proprietà nascoste, i limiti delle capacità adattive (adattative) dei sistemi viventi, il grado della loro flessibilità, affidabilità e variabilità.
Ampiamente usato metodi strumentali : elettrografia, radar, ecc.

· Modellazione – costruzione e studio di modelli (diagrammi, grafici, descrizioni) di processi e fenomeni, divenuta sempre più utilizzata con lo sviluppo della tecnologia informatica. Utilizzando il metodo della modellizzazione, un fenomeno viene studiato attraverso il suo modello.
·Il metodo storico è di importanza universale per tutti i rami della biologia: lo studio di tutti i fenomeni e processi come fasi dello sviluppo evolutivo della natura. Il metodo storico rivela le trasformazioni evolutive delle specie biologiche e delle loro comunità. Questo è uno dei metodi più importanti che funge da base per comprendere i fatti ottenuti. Il metodo storico chiarisce i modelli dell'aspetto e dello sviluppo degli organismi, la formazione della loro struttura e funzioni.
· Metodo paleontologico – studio degli organismi estinti.
· Metodo di sistema appartiene alla categoria dei nuovi metodi di ricerca interdisciplinari. Gli oggetti viventi sono considerati sistemi, cioè raccolte di elementi con determinate relazioni.

· Metodo biochimico consente di isolare e studiare le sostanze che compongono gli organismi, le loro trasformazioni e consente di identificare i disturbi metabolici ereditari.
I metodi citologici privati (speciali) vengono utilizzati per studiare la struttura e le funzioni di cellule e tessuti:
· Microscopia ottica - consente di rilevare il nucleo e alcuni organelli cellulari: mitocondri, cloroplasti, apparato di Golgi, ciglia e flagelli.
· Microscopia elettronica – permette di studiare la struttura fine degli organelli (ad esempio,cloroplasti), la loro ultrastruttura,
· Centrifugazione - consente di evidenziare e studiare in modo selettivoorganelli cellulari;
· Metodo della coltura cellulare E tessuti utilizzato per studiare la struttura e le funzioni delle cellule.

A differenza del pettegolezzo, la conoscenza scientifica è verificabile e riguarda cose realmente esistenti ed eventi ricorrenti. Chiunque, se lo desidera, può ripetere qualsiasi esperimento scientifico, cioè assicurarsi che la natura “risponda” a una determinata domanda esattamente in questo modo. Da questa lezione imparerai da dove viene la conoscenza scientifica, cosa sono un fatto scientifico, un'ipotesi e una teoria, conoscerai i concetti di base del metodo scientifico, scoprirai quali metodi utilizza la biologia per ottenere la conoscenza. La lezione si concentra su metodi comparativi descrittivi, storici e sperimentali.

Argomento: Introduzione

Lezione: Metodi di ricerca in biologia

Scienza- questa è una delle sfere dell'attività umana, il cui scopo è studiare e comprendere il mondo circostante. Ogni scienza ha la sua metodi di ricerca, ma il compito di ogni scienza lo è costruire un sistema di conoscenza affidabile basato su fatti E generalizzazione, che potrebbe essere confermato o smentito.

Un fatto scientifico è solo quello che può essere riprodotto o confermato. Le osservazioni che non possono essere riprodotte vengono scartate in quanto non scientifiche. Quando uno scienziato fa una scoperta, pubblica informazioni su di essa in riviste speciali, grazie alla pubblicazione, i risultati possono essere controllati e ricontrollati da altri scienziati - questo serve come incentivo per una verifica e un'analisi più approfondita dei propri esperimenti;

Un'altra forma di diffusione della conoscenza sono i simposi e le conferenze, organizzati da scienziati di varie specialità (botanici, zoologi, genetisti, medici, ecc.). Durante tali eventi, gli scienziati comunicano tra loro, discutono il lavoro dei colleghi e stabiliscono connessioni creative.

Metodo scientifico- si tratta di un insieme di tecniche e operazioni utilizzate nella costruzione di un sistema di conoscenza scientifica.

Uno dei principi fondamentali del metodo scientifico è lo scetticismo: il rifiuto della fiducia cieca nell'autorità. Uno scienziato mantiene sempre una certa dose di scetticismo e controlla ogni nuova scoperta.

Principale metodi della biologia Sono: descrittivo, comparativo, storico E sperimentale.

Metodo descrittivoè il più antico, perché utilizzato dagli antichi scienziati, si basa sull'osservazione; Fino al XVII secolo circa era centrale per la biologia, poiché gli scienziati si occupavano della descrizione di animali e piante e della loro sistematizzazione primaria, ma non ha perso la sua rilevanza oggi, ad esempio viene utilizzato per descrivere nuove specie (vedi Fig. 1).

Riso. 1. Nuove specie di animali descritte dagli scienziati

Metodo comparativo- consente di identificare somiglianze tra gli organismi e le loro parti. Cominciò ad essere utilizzato dal XVII secolo.

Le informazioni ottenute con questo metodo costituirono la base della tassonomia di Carlo Linneo, permisero a Theodor Schwann e Matthias Schleiden di formulare la teoria cellulare e costituirono la base della legge della somiglianza germinale scoperta da Karl Baer.

Al giorno d'oggi è molto difficile tracciare il confine tra i metodi descrittivi e quelli comparativi, perché vengono utilizzati in modo completo per risolvere problemi biologici.

Metodo storico consente di comprendere fatti precedentemente ottenuti e confrontarli con risultati precedentemente noti. Divenne ampiamente utilizzato nella seconda metà del XIX secolo grazie al lavoro di Charles Darwin, che con il suo aiuto confermò i modelli di comparsa e sviluppo degli organismi, la formazione delle loro strutture e funzioni nel tempo e nello spazio (vedi Fig. 2). L'uso del metodo storico ha permesso di trasformare la biologia da scienza descrittiva in scienza esplicativa.

Riso. 2. Storia dell'evoluzione umana

Metodo sperimentale- l'uso di questo metodo è associato al nome di William Harvey, che lo utilizzò nei suoi esperimenti sullo studio della circolazione sanguigna (vedi Fig. 3). Ma questo metodo cominciò ad essere ampiamente utilizzato proprio nel 20 ° secolo, principalmente nello studio dei processi fisiologici.

Riso. 3 L’esperienza di W. Harvey nello studio della circolazione sanguigna

Metodo sperimentale permette di studiare un particolare fenomeno attraverso l'esperienza. Un grande contributo all'istituzione del metodo sperimentale in biologia è stato dato da Gregor Mendel, il quale, mentre studiava l'ereditarietà e la variabilità degli organismi, fu il primo a utilizzare l'esperimento non solo per ottenere dati sui fenomeni studiati, ma anche per testare l'ipotesi.

Nel 20° secolo, il metodo sperimentale è diventato leader in biologia. Ciò è diventato possibile grazie all'avvento di nuovi strumenti, ad esempio il microscopio elettronico, e all'uso di metodi chimici, fisici e biologici (vedi Fig. 4).

Riso. 4. Esperimenti moderni e attrezzature di laboratorio che simboleggiano il metodo sperimentale di ricerca

Nella ricerca biologica viene spesso utilizzata la modellazione di determinati processi, ovvero vengono utilizzati sia metodi matematici che modellazione computerizzata.

Ricerca si compone delle seguenti fasi: in base a quanto ricevuto fatti, osservazioni o esperimenti vengono formulati problema, per risolverlo stanno proponendo ipotesi. Ipotesi vengono continuamente migliorati e ulteriormente sviluppati. Ipotesi, che è coerente con molte osservazioni diverse diventa teoria. Bene teoria si sviluppa e si espande ulteriormente fatti man mano che diventano famosi.

Bene la teoria può prevedere nuovi fatti, così come trovare nuove connessioni tra i fenomeni, e quindi la teoria diventa una regola o legge.

Compiti a casa

1. Cos'è la scienza?

2. Definire i concetti: fatto, ipotesi, teoria.

3. Quali sono le fasi principali della ricerca scientifica conosci?

4. Qual è l'essenza dei metodi di ricerca descrittiva comparativa?

5. Cos'è un esperimento?

6. Descrivere il metodo storico di studio degli oggetti biologici.

7. Come è avvenuto lo sviluppo dei metodi biologici? Quali sono i più antichi? Quali possono essere definiti nuovi?

3. Educazione biologica al MIPT ().

Riferimenti

1. Kamensky A. A., Kriksunov E. A., Pasechnik V. V. Biologia generale 10-11 grado Bustard, 2005.

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4. Agafonova I. B., Zakharova E. T., Sivoglazov V. I. Biologia 10-11 grado. Biologia generale. Livello base. - 6a edizione, aggiungi. - Otarda, 2010. - 384 pag.

Breve descrizione:

Sazonov V.F. Metodi di ricerca moderni in biologia [risorsa elettronica] // Kinesiologo, 2009-2018: [sito web]. Data di aggiornamento: 22.02.2018..__.201_).

Materiali sui moderni metodi di ricerca in biologia, nei suoi rami e nelle discipline correlate.

Materiali sui moderni metodi di ricerca in biologia, nei suoi rami e nelle discipline correlate Disegno

: Rami fondamentali della biologia.

Attualmente la biologia è convenzionalmente divisa in due grandi gruppi di scienze. Biologia degli organismi

: scienze delle piante (botanica), degli animali (zoologia), dei funghi (micologia), dei microrganismi (microbiologia). Queste scienze studiano i singoli gruppi di organismi viventi, la loro struttura interna ed esterna, lo stile di vita, la riproduzione e lo sviluppo. Biologia generale

La biologia è strettamente correlata alle altre scienze naturali. Così, all'incrocio tra biologia e chimica, apparvero biochimica e biologia molecolare, tra biologia e fisica - biofisica, tra biologia e astronomia - biologia spaziale. L'ecologia, situata all'intersezione tra biologia e geografia, è oggi spesso considerata una scienza indipendente.

Compiti degli studenti per il corso di formazione Metodi moderni della ricerca biologica

1. Familiarizzazione con una varietà di metodi di ricerca in vari campi della biologia.

Decisione e reporting:
1) Scrivere un saggio didattico di revisione sui metodi di ricerca in vari campi della biologia. Requisiti minimi per il contenuto dell'abstract: descrizione di 5 metodi di ricerca, 1-2 pagine (font 14, spaziatura 1,5, margini 3-2-2-2 cm) per ciascun metodo.
2) Fornire una relazione (preferibilmente sotto forma di presentazione) su uno dei moderni metodi di biologia: volume 5±1 pagina.
Risultati di apprendimento attesi:
1) Familiarità superficiale con un'ampia gamma di metodi di ricerca in biologia.
2) Comprensione approfondita di uno dei metodi di ricerca e trasferimento di questa conoscenza al gruppo di studenti.

2. Condurre ricerca educativa e scientifica dalla definizione degli obiettivi alle conclusioni utilizzando i requisiti necessari per la preparazione di un rapporto di ricerca scientifica.

Soluzione:
Ottenere dati primari nelle lezioni di laboratorio e a casa. È consentito condurre parte di tale ricerca al di fuori dell'aula.

3. Introduzione ai metodi generali della ricerca in biologia.

Soluzione:
Corso di lezioni frontali e lavoro indipendente con fonti di informazione. Rapporto sull'esempio di fatti della storia della biologia: volume 2±1 pagina.

4. Applicazione delle conoscenze, abilità e abilità acquisite per condurre e formalizzare la propria ricerca sotto forma di lavoro di ricerca, lavoro di corso e/o lavoro finale di qualificazione.

Definizione dei concetti

Metodi di ricerca - questi sono modi per raggiungere l'obiettivo del lavoro di ricerca.

Metodo scientifico è un insieme di tecniche e operazioni utilizzate nella costruzione di un sistema di conoscenza scientifica.

Fatto scientifico è il risultato di osservazioni ed esperimenti che stabilisce le caratteristiche quantitative e qualitative degli oggetti.

Base metodologica La ricerca scientifica è un insieme di metodi di conoscenza scientifica utilizzati per raggiungere l'obiettivo di questa ricerca.

Metodi scientifici generali, sperimentali, basi metodologiche -.

La biologia moderna utilizza una combinazione di approcci metodologici; utilizza “l'unità di approcci descrittivo-classificanti ed esplicativi-nomotetici; l’unità della ricerca empirica con il processo di teorizzazione intensiva della conoscenza biologica, compresa la sua formalizzazione, matematizzazione e assiomatizzazione” [Yarilin A.A. “Cenerentola” diventa una principessa, ovvero il posto della biologia nella gerarchia delle scienze. // "Ecologia e vita" n. 12, 2008. P. 4-11. P.11].

Obiettivi dei metodi di ricerca:

1. "Rafforzare le capacità cognitive naturali dell'uomo, nonché la loro espansione e continuazione".

2. “Funzione comunicativa”, ovvero mediazione tra soggetto e oggetto di ricerca [Arshinov V.I. La sinergetica come fenomeno della scienza post-non classica. M.: Istituto di Filosofia RAS, 1999. 203 p. P.18].

Metodi generali di ricerca in biologia

Osservazione

Osservazione - questo è lo studio dei segni esterni e dei cambiamenti visibili in un oggetto durante un certo periodo di tempo. Ad esempio, monitorare la crescita e lo sviluppo di una piantina.

L’osservazione è il punto di partenza di ogni ricerca scientifica.

In biologia, ciò è particolarmente evidente, poiché l'oggetto del suo studio è l'uomo e la natura vivente che lo circonda. Già a scuola, nelle lezioni di zoologia, botanica e anatomia, ai bambini viene insegnato a condurre le più semplici ricerche biologiche osservando la crescita e lo sviluppo di piante e animali e lo stato del proprio corpo.

L'osservazione come metodo di raccolta delle informazioni è cronologicamente la primissima tecnica di ricerca apparsa nell'arsenale della biologia, o meglio, nel suo predecessore, la storia naturale. E questo non sorprende, poiché l'osservazione si basa sulle capacità sensoriali umane (sensazione, percezione, rappresentazione). La biologia classica è principalmente biologia osservativa. Tuttavia, questo metodo non ha perso il suo significato fino ad oggi.

Le osservazioni possono essere dirette o indirette, possono essere effettuate con o senza accorgimenti tecnici. Quindi, un ornitologo vede un uccello attraverso un binocolo e può ascoltarlo, oppure può registrare suoni con il dispositivo fuori dalla portata dell'orecchio umano. L'istologo osserva la sezione di tessuto fissata e colorata utilizzando un microscopio. E per un biologo molecolare, un'osservazione può registrare i cambiamenti nella concentrazione di un enzima in una provetta.

È importante capire che l'osservazione scientifica, a differenza dell'osservazione ordinaria, non è semplice, ma propositivo lo studio di oggetti o fenomeni: viene effettuato per risolvere un dato problema, e l’attenzione dell’osservatore non deve essere distratta. Ad esempio, se il compito è studiare le migrazioni stagionali degli uccelli, noteremo i tempi della loro comparsa nei siti di nidificazione e nient'altro. Quindi l'osservazione è allocazione selettiva dalla realtà certa parte, in altre parole, aspetto, e l'inclusione di questa parte nel sistema oggetto di studio.

Nell'osservazione, non è importante solo l'accuratezza, l'accuratezza e l'attività dell'osservatore, ma anche la sua imparzialità, la sua conoscenza ed esperienza e la corretta scelta dei mezzi tecnici. La formulazione del problema presuppone anche l'esistenza di un piano di osservazione, ovvero la loro pianificazione. [Kabakova D.V. Osservazione, descrizione e sperimentazione come principali metodi di biologia // Problemi e prospettive per lo sviluppo dell'istruzione: materiali dell'internazionale. scientifico conf. (Perm, aprile 2011).T. I. Perm: Mercurio, 2011. pp. 16-19].

Metodo descrittivo

Metodo descrittivo - questa è la registrazione dei segni esterni osservati degli oggetti di studio, evidenziando l'essenziale e scartando ciò che non è importante. Questo metodo è stato all'origine della biologia come scienza, ma il suo sviluppo sarebbe stato impossibile senza l'utilizzo di altri metodi di ricerca.

I metodi descrittivi consentono prima di descrivere e poi analizzare i fenomeni che si verificano nella natura vivente, confrontarli, trovare determinati modelli e anche generalizzare, scoprire nuove specie, classi, ecc. I metodi descrittivi iniziarono ad essere utilizzati nei tempi antichi, ma oggi non hanno perso la loro rilevanza e sono ampiamente utilizzati in botanica, etologia, zoologia, ecc.

Metodo comparativo

Metodo comparativo è uno studio delle somiglianze e delle differenze nella struttura, nel corso dei processi vitali e nel comportamento di vari oggetti. Ad esempio, il confronto tra individui di sesso diverso appartenenti alla stessa specie biologica.

Consente di studiare gli oggetti di ricerca confrontandoli tra loro o con un altro oggetto. Consente di identificare somiglianze e differenze tra gli organismi viventi, nonché le loro parti. I dati ottenuti consentono di combinare gli oggetti studiati in gruppi in base a somiglianze nella struttura e nell'origine. Sulla base del metodo comparativo, ad esempio, viene costruita una tassonomia di piante e animali. Questo metodo è stato utilizzato anche per creare la teoria cellulare e per confermare la teoria dell'evoluzione. Attualmente è utilizzato in quasi tutte le aree della biologia.

Questo metodo è stato stabilito in biologia nel XVIII secolo. e si è dimostrato molto fruttuoso nel risolvere molti problemi importanti. Utilizzando questo metodo e in combinazione con il metodo descrittivo si sono ottenute informazioni che lo hanno reso possibile nel XVIII secolo. gettare le basi per la tassonomia delle piante e degli animali (C. Linnaeus), e nel XIX secolo. formulare la teoria cellulare (M. Schleiden e T. Schwann) e la dottrina dei principali tipi di sviluppo (K. Baer). Il metodo era ampiamente utilizzato nel 19° secolo. nel sostenere la teoria dell'evoluzione, nonché nel ristrutturare un certo numero di scienze biologiche sulla base di questa teoria. Tuttavia, l’uso di questo metodo non è stato accompagnato dal fatto che la biologia sia andata oltre i confini della scienza descrittiva.
Il metodo comparativo è ampiamente utilizzato in varie scienze biologiche nel nostro tempo. Il confronto acquista un valore speciale quando è impossibile definire un concetto. Ad esempio, un microscopio elettronico produce spesso immagini il cui vero contenuto è sconosciuto in anticipo. Solo confrontandole con immagini al microscopio ottico è possibile ottenere i dati desiderati.

Metodo storico

Consente di identificare modelli di formazione e sviluppo dei sistemi viventi, le loro strutture e funzioni e confrontarli con fatti precedentemente noti. Questo metodo, in particolare, fu utilizzato con successo da Charles Darwin per costruire la sua teoria evoluzionistica e contribuì alla trasformazione della biologia da scienza descrittiva a scienza esplicativa.

Nella seconda metà del XIX secolo. Grazie alle opere di Charles Darwin, il metodo storico ha posto su base scientifica lo studio dei modelli di comparsa e sviluppo degli organismi, la formazione della struttura e delle funzioni degli organismi nel tempo e nello spazio. Con l'introduzione di questo metodo, si sono verificati cambiamenti qualitativi significativi nella biologia. Il metodo storico ha trasformato la biologia da una scienza puramente descrittiva in una scienza esplicativa, che spiega come si sono formati i diversi sistemi viventi e come funzionano. Attualmente, il metodo storico, o “approccio storico”, è diventato un approccio universale allo studio dei fenomeni della vita in tutte le scienze biologiche.

Metodo sperimentale

Sperimentare - questa è una verifica della correttezza dell'ipotesi avanzata con l'aiuto di un'influenza mirata sull'oggetto.

Un esperimento (esperienza) è una creazione artificiale in condizioni controllate di una situazione che aiuta a rivelare le proprietà profondamente nascoste degli oggetti viventi.

Il metodo sperimentale per studiare i fenomeni naturali è associato all'influenza attiva su di essi conducendo esperimenti (esperimenti) in condizioni controllate. Questo metodo consente di studiare i fenomeni isolatamente e ottenere la ripetibilità dei risultati quando si riproducono le stesse condizioni. L'esperimento fornisce una visione più profonda dell'essenza dei fenomeni biologici rispetto ad altri metodi di ricerca. È stato grazie agli esperimenti che le scienze naturali in generale e la biologia in particolare sono arrivate alla scoperta delle leggi fondamentali della natura.
I metodi sperimentali in biologia servono non solo per condurre esperimenti e ottenere risposte a domande di interesse, ma anche per determinare la correttezza dell'ipotesi formulata all'inizio dello studio del materiale, nonché per correggerla nel processo di lavoro. Nel XX secolo, questi metodi di ricerca sono diventati leader in questa scienza grazie all'avvento delle moderne attrezzature per condurre esperimenti, come ad esempio un tomografo, un microscopio elettronico, ecc. Attualmente, nella biologia sperimentale, sono ampiamente utilizzate tecniche biochimiche, analisi di diffrazione di raggi X, cromatografia, nonché la tecnica delle sezioni ultrasottili, vari metodi di coltivazione e molti altri. I metodi sperimentali combinati con un approccio sistemico hanno ampliato le capacità cognitive della scienza biologica e aperto nuove strade per l'applicazione della conoscenza in quasi tutti i settori dell'attività umana.

La questione dell'esperimento come uno dei fondamenti della conoscenza della natura fu sollevata già nel XVII secolo. Filosofo inglese F. Bacon (1561-1626). La sua introduzione alla biologia è associata alle opere di V. Harvey nel XVII secolo. sullo studio della circolazione sanguigna. Tuttavia, il metodo sperimentale entrò ampiamente nella biologia solo all'inizio del XIX secolo, e attraverso la fisiologia, in cui iniziarono ad utilizzare un gran numero di tecniche strumentali che consentirono di registrare e caratterizzare quantitativamente l'associazione delle funzioni con la struttura. Grazie alle opere di F. Magendie (1783-1855), G. Helmholtz (1821-1894), I.M. Sechenov (1829-1905), così come i classici dell'esperimento C. Bernard (1813-1878) e I.P. La fisiologia di Pavlova (1849-1936) fu probabilmente la prima delle scienze biologiche a diventare scienza sperimentale.
Un'altra direzione in cui il metodo sperimentale è entrato nella biologia è stata lo studio dell'ereditarietà e della variabilità degli organismi. Qui il merito principale va a G. Mendel, che, a differenza dei suoi predecessori, ha utilizzato l'esperimento non solo per ottenere dati sui fenomeni studiati, ma anche per verificare le ipotesi formulate sulla base dei dati ottenuti. Il lavoro di G. Mendel è stato un classico esempio della metodologia della scienza sperimentale.

A suffragare il metodo sperimentale fu utile il lavoro svolto in microbiologia da L. Pasteur (1822-1895), che introdusse prima l'esperimento per studiare la fermentazione e confutare la teoria della generazione spontanea dei microrganismi, e poi per sviluppare la vaccinazione contro le malattie infettive. importante. Nella seconda metà del XIX secolo. Dopo L. Pasteur, contributi significativi allo sviluppo e alla convalida del metodo sperimentale in microbiologia furono apportati da R. Koch (1843-1910), D. Lister (1827-1912), I.I. Mechnikov (1845-1916), D.I. Ivanovsky (1864-1920), S.N. Vinogradsky (1856-1890), M. Beyernik (1851-1931), ecc. Nel XIX secolo. anche la biologia è stata arricchita dalla creazione di basi metodologiche per la modellizzazione, che è anche la forma più alta di esperimento. L'invenzione da parte di L. Pasteur, R. Koch e altri microbiologi di metodi per infettare animali da laboratorio con microrganismi patogeni e studiare la patogenesi delle malattie infettive su di essi è un classico esempio di modellizzazione che è stata portata avanti nel XX secolo. e integrato nel nostro tempo modellando non solo varie malattie, ma anche vari processi vitali, inclusa l'origine della vita.
A partire, ad esempio, dagli anni '40. XX secolo Il metodo sperimentale in biologia ha subito un miglioramento significativo grazie all'aumento della risoluzione di molte tecniche biologiche e allo sviluppo di nuove tecniche sperimentali. Pertanto, la risoluzione dell'analisi genetica e di una serie di tecniche immunologiche è stata aumentata. Nella pratica della ricerca furono introdotti la coltivazione di cellule somatiche, l'isolamento di mutanti biochimici di microrganismi e cellule somatiche, ecc. Il metodo sperimentale cominciò ad essere ampiamente arricchito con metodi fisici e chimici, che si rivelarono estremamente preziosi non solo come metodi indipendenti , ma anche in combinazione con metodi biologici. Ad esempio, la struttura e il ruolo genetico del DNA sono stati chiariti attraverso l'uso combinato di metodi chimici per isolare il DNA, metodi chimici e fisici per determinarne la struttura primaria e secondaria e metodi biologici (trasformazione e analisi genetica dei batteri) per dimostrarne la struttura. ruolo di materiale genetico.
Attualmente, il metodo sperimentale è caratterizzato da eccezionali capacità nello studio dei fenomeni della vita. Queste capacità sono determinate dall'uso di vari tipi di microscopia, inclusa la microscopia elettronica con tecniche di sezione ultrasottile, metodi biochimici, analisi genetica ad alta risoluzione, metodi immunologici, una varietà di metodi di coltivazione e osservazione intravitale in colture di cellule, tessuti e organi , marcatura dell'embrione, fecondazione in vitro, metodo dell'atomo marcato, analisi di diffrazione dei raggi X, ultracentrifugazione, spettrofotometria, cromatografia, elettroforesi, sequenziamento, progettazione di molecole di DNA ricombinante biologicamente attive, ecc. La nuova qualità insita nel metodo sperimentale ha causato cambiamenti qualitativi nella modellistica. Oltre alla modellizzazione a livello di organo, è attualmente in fase di sviluppo la modellizzazione a livello molecolare e cellulare.

Metodo di simulazione

La modellazione si basa su una tecnica come analogia - questa è un'inferenza sulla somiglianza degli oggetti sotto un certo aspetto basata sulla loro somiglianza sotto una serie di altri aspetti.

Modello - questa è una copia semplificata di un oggetto, fenomeno o processo, sostituendoli in determinati aspetti.

Un modello è qualcosa con cui è più comodo lavorare, cioè qualcosa che è più facile da vedere, ascoltare, ricordare, registrare, elaborare, trasferire, ereditare e che è più facile da sperimentare, rispetto all'oggetto di modellazione (prototipo, originale).
Karkishchenko N.N. Nozioni di base sulla biomodellazione. - M.: VPK, 2005. - 608 p. Pag. 22.

Modellazione - si tratta, di conseguenza, della creazione di una copia semplificata di un oggetto, fenomeno o processo.

Modellazione:

1) creazione di copie semplificate di oggetti di conoscenza;

2) studio degli oggetti di conoscenza sulle loro copie semplificate.

Metodo di simulazione - questo è lo studio delle proprietà di un determinato oggetto studiando le proprietà di un altro oggetto (modello), che è più conveniente per risolvere problemi di ricerca e si trova in una certa corrispondenza con il primo oggetto.

La modellazione (in senso lato) è il principale metodo di ricerca in tutti i campi della conoscenza. I metodi di modellazione vengono utilizzati per valutare le caratteristiche di sistemi complessi e prendere decisioni su base scientifica in varie aree dell'attività umana. Un sistema esistente o progettato può essere studiato efficacemente utilizzando modelli matematici (analitici e di simulazione) al fine di ottimizzare il processo di funzionamento del sistema. Il modello di sistema è implementato sui computer moderni, che in questo caso fungono da strumento per sperimentare il modello di sistema.

La modellazione consente di studiare qualsiasi processo o fenomeno, nonché le direzioni dell'evoluzione, ricreandoli sotto forma di un oggetto più semplice utilizzando tecnologie e attrezzature moderne.

Teoria dei modelli – la teoria della sostituzione dell'oggetto originale con il suo modello e lo studio delle proprietà dell'oggetto sul suo modello.
Modellazione – un metodo di ricerca basato sulla sostituzione dell'oggetto originale in studio con il suo modello e sul lavoro con esso (al posto dell'oggetto).
Modello (oggetto originale) (dal latino modus - "misura", "volume", "immagine") - un oggetto ausiliario che riflette i modelli più significativi per la ricerca, l'essenza, le proprietà, le caratteristiche della struttura e il funzionamento dell'oggetto originale .
Quando si parla di modellazione, di solito si intende modellare un sistema.
Sistema – un insieme di elementi interconnessi uniti per raggiungere un obiettivo comune, isolati dall’ambiente e interagendo con esso come un tutto integrale e presentando proprietà sistemiche di base. Il documento identifica 15 principali proprietà del sistema, che includono: emergenza (emergenza); integrità; struttura; integrità; subordinazione all'obiettivo; gerarchia; infinito; ergacità; apertura; irreversibilità; unità di stabilità e instabilità strutturale; nonlinearità; potenziale multivarianza delle strutture reali; criticità; imprevedibilità in un’area critica.
Quando si modellano i sistemi, vengono utilizzati due approcci: classico (induttivo), che si è sviluppato storicamente per primo, e sistemico, che è stato sviluppato recentemente.

Approccio classico. Storicamente, l’approccio classico allo studio di un oggetto e alla modellazione di un sistema è stato il primo ad emergere. L'oggetto reale da modellare viene suddiviso in sottosistemi, vengono selezionati i dati iniziali (D) per la modellazione e vengono fissati gli obiettivi (T), che riflettono i singoli aspetti del processo di modellazione. Sulla base di un insieme separato di dati iniziali, viene fissato l'obiettivo di modellare un aspetto separato del funzionamento del sistema, sulla base di questo obiettivo viene formato un determinato componente (K) del modello futuro; Un insieme di componenti viene combinato in un modello.
Quello. i componenti sono riassunti, ogni componente risolve i propri problemi ed è isolato dalle altre parti del modello. Applichiamo l'approccio solo a sistemi semplici, dove le relazioni tra i componenti possono essere ignorate. Si possono notare due aspetti distintivi dell'approccio classico: 1) c'è un movimento dal particolare al generale durante la creazione di un modello; 2) il modello (sistema) creato si forma sommando le sue singole componenti e non tiene conto dell'emergere di un nuovo effetto sistemico.

Approccio sistematico – un concetto metodologico basato sul desiderio di costruire un quadro olistico dell’oggetto in studio, tenendo conto degli elementi dell’oggetto che sono importanti per il problema da risolvere, delle connessioni tra loro e delle connessioni esterne con altri oggetti e l’ambiente. Con la crescente complessità della modellazione degli oggetti, è nata la necessità di osservarli da un livello più alto. In questo caso, lo sviluppatore considera questo sistema come un sottosistema di rango superiore. Ad esempio, se il compito è progettare un sistema di controllo automatizzato per un'impresa, dal punto di vista di un approccio sistemico non dobbiamo dimenticare che questo sistema è parte integrante del sistema di controllo automatizzato integrato. L'approccio sistemico si basa sulla considerazione del sistema come un tutto integrato, e questa considerazione durante lo sviluppo inizia con la cosa principale: la formulazione dello scopo dell'operazione. È importante che l'approccio sistemico determini la struttura del sistema: l'insieme delle connessioni tra gli elementi del sistema, che riflettono la loro interazione.

Esistono approcci strutturali e funzionali per studiare la struttura di un sistema e le sue proprietà.

A approccio strutturale viene rivelata la composizione degli elementi selezionati del sistema e le connessioni tra loro.

A approccio funzionale Vengono considerati gli algoritmi del comportamento del sistema (funzioni - proprietà che portano al raggiungimento dell'obiettivo).

Tipi di modellazione

1. Modellazione del soggetto , in cui il modello riproduce le caratteristiche geometriche, fisiche, dinamiche o funzionali di un oggetto. Ad esempio, modello di ponte, modello di diga, modello di ala
aereo, ecc.
2. Modellazione analogica , in cui il modello e l'originale sono descritti da un'unica relazione matematica. Un esempio sono i modelli elettrici utilizzati per studiare fenomeni meccanici, idrodinamici e acustici.
3. Modellazione iconica , in cui diagrammi, disegni e formule fungono da modelli. Il ruolo dei modelli iconici è aumentato soprattutto con l'espansione dell'uso dei computer nella costruzione di modelli iconici.
4. Strettamente legato all'iconico simulazione mentale , in cui i modelli acquisiscono un carattere mentalmente visivo. Un esempio in questo caso è il modello dell'atomo, proposto una volta da Bohr.
5. Esperimento modello. Infine, un tipo speciale di modellazione è l'inclusione in un esperimento non dell'oggetto stesso, ma del suo modello, per cui quest'ultimo acquisisce il carattere di un esperimento modello. Questo tipo di modellizzazione indica che non esiste una linea netta tra i metodi di conoscenza empirica e teorica.
Organicamente connesso con la modellazione idealizzazione - costruzione mentale di concetti, teorie su oggetti che non esistono e non sono realizzabili nella realtà, ma quelli per i quali esiste un prototipo o un analogo vicino nel mondo reale. Esempi di oggetti ideali costruiti con questo metodo sono i concetti geometrici di punto, linea, piano, ecc. Tutte le scienze operano con oggetti ideali di questo tipo: un gas ideale, un corpo assolutamente nero, una formazione socioeconomica, uno Stato, ecc.

Metodi di modellazione

1. Modellazione in scala reale - un esperimento sull'oggetto in studio stesso, che, in condizioni sperimentali appositamente selezionate, funge da modello di se stesso.
2. Modellazione fisica – un esperimento su installazioni speciali che preservano la natura dei fenomeni, ma riproducono i fenomeni in una forma in scala quantitativamente modificata.
3. Modellazione matematica – l'utilizzo di modelli di natura fisica che differiscono dagli oggetti simulati, ma hanno una descrizione matematica simile. La modellazione su scala reale e quella fisica possono essere combinate in un'unica classe di modelli di somiglianza fisica, poiché in entrambi i casi il modello e l'originale sono identici in natura fisica.

I metodi di modellazione possono essere classificati in tre gruppi principali: analitici, numerici e di simulazione.

1. Analitico metodi di modellazione. I metodi analitici consentono di ottenere le caratteristiche di un sistema come alcune funzioni dei suoi parametri operativi. Pertanto, il modello analitico è un sistema di equazioni, la cui soluzione produce i parametri necessari per calcolare le caratteristiche di output del sistema (tempo medio di elaborazione delle attività, produttività, ecc.). I metodi analitici forniscono valori accurati delle caratteristiche del sistema, ma vengono utilizzati per risolvere solo una classe ristretta di problemi. Le ragioni di ciò sono le seguenti. In primo luogo, a causa della complessità della maggior parte dei sistemi reali, la loro descrizione matematica completa (modello) non esiste oppure non sono stati ancora sviluppati metodi analitici per risolvere il modello matematico creato. In secondo luogo, nel ricavare le formule su cui si basano i metodi analitici, vengono fatte alcune ipotesi che non sempre corrispondono al sistema reale. In questo caso, l'uso di metodi analitici deve essere abbandonato.

2. Numerico metodi di modellazione. I metodi numerici implicano la trasformazione del modello in equazioni che possono essere risolte utilizzando la matematica computazionale. La classe di problemi risolti con questi metodi è molto più ampia. Come risultato dell'applicazione di metodi numerici, si ottengono valori approssimativi (stime) delle caratteristiche di uscita del sistema con una determinata precisione.

3. Imitazione metodi di modellazione. Con lo sviluppo della tecnologia informatica, i metodi di modellazione della simulazione sono diventati ampiamente utilizzati per l'analisi di sistemi in cui predominano le influenze stocastiche.
L'essenza della modellazione di simulazione (IM) è quella di simulare il processo di funzionamento del sistema nel tempo, osservando gli stessi rapporti di durata operativa del sistema originale. Allo stesso tempo, vengono simulati i fenomeni elementari che compongono il processo, preservandone la struttura logica e la sequenza del loro verificarsi nel tempo. Come risultato dell'utilizzo dell'MI, si ottengono stime delle caratteristiche di output del sistema, necessarie per risolvere problemi di analisi, controllo e progettazione.

In biologia, ad esempio, è possibile costruire un modello dello stato di vita in un bacino dopo un certo periodo di tempo quando cambiano uno, due o più parametri (temperatura, concentrazione salina, presenza di predatori, ecc.). Tali tecniche sono diventate possibili grazie alla penetrazione nella biologia delle idee e dei principi della cibernetica, la scienza del controllo.

La classificazione dei tipi di modellazione può essere basata su varie caratteristiche. A seconda della natura dei processi studiati nel sistema, la modellazione può essere suddivisa in deterministica e stocastica; statico e dinamico; discreto e continuo.
deterministico La modellazione viene utilizzata per studiare sistemi il cui comportamento può essere previsto con assoluta certezza. Ad esempio, la distanza percorsa da un'auto durante un movimento uniformemente accelerato in condizioni ideali; un dispositivo che quadra un numero, ecc. Di conseguenza, in questi sistemi avviene un processo deterministico, che è adeguatamente descritto da un modello deterministico.

Stocastico Il modello (teorico della probabilità) viene utilizzato per studiare un sistema il cui stato dipende non solo da influenze controllate, ma anche incontrollate, o in cui esiste una fonte di casualità. I sistemi stocastici includono tutti i sistemi che includono esseri umani, ad esempio fabbriche, aeroporti, sistemi e reti informatiche, negozi, servizi ai consumatori, ecc.
Statico la modellazione serve a descrivere i sistemi in qualsiasi momento.

Dinamico la modellizzazione riflette i cambiamenti nel sistema nel tempo (le caratteristiche di output del sistema in un dato momento sono determinate dalla natura delle influenze di input nel passato e nel presente). Esempi di sistemi dinamici sono i sistemi biologici, economici, sociali; sistemi artificiali come una fabbrica, un’impresa, una linea di produzione, ecc.
Discreto la modellazione viene utilizzata per studiare sistemi in cui le caratteristiche di input e output vengono misurate o modificate in modo discreto nel tempo, altrimenti viene utilizzata la modellazione continua. Ad esempio, un orologio elettronico, un contatore elettrico sono sistemi discreti; meridiane, apparecchi di riscaldamento - sistemi continui.
A seconda della forma di rappresentazione dell'oggetto (sistema), si può distinguere la modellazione mentale da quella reale.
A vero modellazione (a grandezza naturale), lo studio delle caratteristiche del sistema viene effettuato su un oggetto reale, o su parte di esso. La modellazione reale è la più adeguata, ma le sue capacità, tenendo conto delle caratteristiche degli oggetti reali, sono limitate. Ad esempio, l'esecuzione di una modellazione reale con un sistema di controllo automatizzato aziendale richiede, in primo luogo, la creazione di un sistema di controllo automatizzato; in secondo luogo, condurre esperimenti con l'impresa, il che è impossibile. La modellazione reale comprende esperimenti di produzione e test complessi, che hanno un alto grado di affidabilità. Un altro tipo di modellazione reale è fisica. Nella modellistica fisica si ricercano installazioni che preservino la natura del fenomeno e abbiano una somiglianza fisica.
mentale la modellazione viene utilizzata per simulare sistemi praticamente impossibili da implementare in un dato intervallo di tempo. La base della modellazione mentale è la creazione di un modello ideale basato su un'analogia mentale ideale. Esistono due tipi di modellazione mentale: figurativa (visiva) e simbolica.
A figurato Nella modellazione, sulla base delle idee umane sugli oggetti reali, vengono creati vari modelli visivi che mostrano i fenomeni e i processi che si verificano nell'oggetto. Ad esempio, i modelli di particelle di gas nella teoria cinetica dei gas sotto forma di sfere elastiche che agiscono l'una sull'altra durante una collisione.
A iconico la modellazione descrive il sistema simulato utilizzando segni convenzionali, simboli, in particolare, sotto forma di formule matematiche, fisiche e chimiche. La classe più potente e sviluppata di modelli iconici è rappresentata dai modelli matematici.
Modello matematico è un oggetto creato artificialmente sotto forma di formule matematiche e simboliche che mostra e riproduce la struttura, le proprietà, le interconnessioni e le relazioni tra gli elementi dell'oggetto studiato. Inoltre, vengono presi in considerazione solo i modelli matematici e, di conseguenza, la modellazione matematica.
Modellazione matematica – un metodo di ricerca basato sulla sostituzione dell’oggetto originale in studio con il suo modello matematico e sul lavoro con esso (al posto dell’oggetto). La modellazione matematica può essere suddivisa in analitico (AM) , imitazione (IM) , combinato (CM) .
A SONO viene creato un modello analitico dell'oggetto sotto forma di equazioni algebriche, differenziali e alle differenze finite. Il modello analitico viene studiato sia con metodi analitici che con metodi numerici.
A LORO viene creato un modello di simulazione e il metodo di modellazione statistica viene utilizzato per implementare il modello di simulazione su un computer.
A KM viene effettuata la scomposizione del processo di funzionamento del sistema in sottoprocessi. Per questi ultimi, ove possibile, vengono utilizzati metodi analitici, altrimenti vengono utilizzati metodi di simulazione.

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Creare un sistema di conoscenza accurato e verificato basato su fatti che possono essere confermati o, al contrario, confutati, è il compito principale di ogni scienza. Anche in biologia: i dati ottenuti vengono costantemente messi in discussione e ammessi solo quando esistono prove significative a sostegno di essi.

Oggi questa scienza considera tutti i sistemi viventi. Per studiare in dettaglio la loro organizzazione e attività, origine, distribuzione, nonché sviluppo e connessione tra loro, al fine di comprendere ed evidenziare determinati modelli, vengono utilizzati i seguenti metodi di ricerca in biologia:

1. Comparativo: consente di studiare confrontando le somiglianze e le differenze degli organismi viventi, nonché delle loro parti. I dati ottenuti consentono di combinare piante e animali in gruppi. Questo metodo è stato utilizzato per creare una sistematica e per confermare la teoria dell'evoluzione. Attualmente è utilizzato in quasi tutte le aree di questa scienza.

2. Metodi di ricerca descrittiva in biologia (osservazione, statistica): consentono di analizzare e descrivere i fenomeni che si verificano nella natura vivente, confrontarli, trovare determinati modelli, nonché generalizzare, scoprire nuove specie, classi, ecc. Questi metodi iniziarono ad essere utilizzati nei tempi antichi, ma oggi non hanno perso la loro rilevanza e sono ampiamente utilizzati in botanica, etologia, zoologia, ecc.

3. Storico: consente di identificare modelli di formazione e sviluppo dei sistemi viventi, delle loro strutture e funzioni e confrontarli con fatti precedentemente noti. Questo metodo fu utilizzato da Charles Darwin per costruire la sua teoria e contribuì alla trasformazione della biologia da scienza descrittiva a scienza esplicativa.

4. Sperimentale in biologia:

a) modellazione: consente di studiare qualsiasi processo o fenomeno, nonché le direzioni di evoluzione ricreandoli sotto forma di modello utilizzando tecnologie e attrezzature moderne;

b) esperimento (esperienza) - una creazione artificiale in condizioni controllate di una situazione che aiuta a rivelare le proprietà profondamente nascoste degli oggetti viventi. Questo metodo facilita lo studio dei fenomeni isolatamente, grazie al quale è possibile ottenere la ripetizione dei risultati riproducendo gli stessi fenomeni nelle stesse condizioni.

I metodi sperimentali in biologia servono non solo per condurre esperimenti e ottenere risposte a domande di interesse, ma anche per determinare la correttezza dell'ipotesi formulata all'inizio dello studio del materiale, nonché per correggerla nel processo di lavoro.

Nel XX secolo, questi metodi di ricerca sono diventati leader in questa scienza grazie all'avvento delle moderne attrezzature per condurre esperimenti, come ad esempio un tomografo, un microscopio elettronico, ecc.

Attualmente, nella biologia sperimentale, sono ampiamente utilizzate tecniche biochimiche, cromatografia, nonché la tecnica delle sezioni ultrasottili, vari metodi di coltivazione e molti altri.

I metodi sperimentali combinati con un approccio sistemico hanno ampliato le capacità cognitive e aperto nuove strade per l’applicazione della conoscenza in quasi tutti gli ambiti dell’attività umana.

Quelli elencati in biologia non esauriscono l'intero arsenale di modi per ottenere conoscenza nella scienza, quindi non è possibile tracciare un confine rigoroso tra loro. Utilizzati in combinazione tra loro, consentono di scoprire nuovi fenomeni e proprietà nei sistemi viventi in un breve periodo di tempo, nonché di stabilire i modelli della loro comparsa, sviluppo e funzionamento.