Биология как наука. Часть 2

На этой странице вы узнаете

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

Часто ли вы видели, что в бегущей строке телевизионной программы учёного представляли как “биолога”? Вряд ли — чаще мы встречаем слова “генетик”, “эколог”, “вирусолог”. Так сколько же всего наук внутри столь разносторонней биологии? Ответ на этот вопрос вы найдете ниже. 

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 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.

Но 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; 
• 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.

Ниже представлена сводка биологических дисциплин, которые могут встретиться на экзамене. Поскольку заучить эти термины достаточно сложно, предлагаем вам воспользоваться модулем в Quizlet, составленным одним из наших кураторов — Биология. Науки.

Общие биологические дисциплины

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

Биология — развивающаяся наука, и её 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.

Зоология

Зоология — это наука о животных.

С самого детства нам встречается корень “зоо” в словах “зоомагазин”, “зоопарк”. Всё 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.

(нужно нарисовать, заменить слово «папоротниках» под картинкой 3 на «папоротникообразных») 

Методы исследования в биологии

Учёные-биологи используют общие научные и особые для биологии методы исследования. 

Общие методы исследования могут быть теоретическими и эмпирическими. 

Теоретические связаны с изучением теории по проблеме, работе главным образом с письменной, печатной и числовой информацией. К теоретическим методам относятся, например, анализ, сравнение, восстановление хронологии событий.

Хронология — исторически верная последовательность каких-либо событий. 

Эмпирические 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, моделирование, тестирование.

Специфические биологические методы

1. Биохимический анализ 

Биохимический анализ — проведение нескольких сложных химических реакций с живой тканью (например, с кровью) с целью определить концентрацию каких-либо химических веществ или типов клеток в ней. 

Концентрация — процентное содержание чего-либо в смеси. 

Широко распространен биохимический анализ крови. Он используется для постановки или подтверждения диагнозов.

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.

3. Метод меченых атомов 

Метод меченых атомов — введение в клетку (или в окружающую её 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 «Строение атома и электронные конфигурации 1.0».

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

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

4. 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.

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

5. Хроматография 

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

Хроматографию можно провести с помощью

• фильтровальной или хроматографической бумаги,
• колонки.

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

Хроматография используется для анализа биологических образцов. 

Как почувствовать себя научным сотрудником, приготовляя 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!

6. Радиоуглеродная датировка 

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 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 органическом теле, 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».

7. 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 лёгкие 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. 

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

8. Метод составления родословных 

Родословные используются в генетике для определения особенностей наследования признака. Благодаря этому методу можно определить, доминантный признак или рецессивный, наследуется он сцепленно с полом или нет.

О том, какие признаки считаются доминантными, а какие — рецессивными, вы можете прочитать в статье «Основы генетики».

Фактчек

• Биология — обширная наука, образованная целым комплексом дисциплин.
• Биологические дисциплины представлены фундаментальными и таксономическими подразделениями биологии. 
• Таксоны — систематические категории в биологии. 
• Зоология — наука о животных.
• Ботаника — наука о растениях.
• В биологии применяются общие научные и специфические методы исследования.

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 учёному?

1. метод меченых атомов
2. хроматография
3. составление родословных
4. биохимический

Задание 4. 
Из перечисленных ниже животных выберите объект исследования карцинологии.

1. паукообразные
2. круглые черви
3. ракообразные
4. насекомые

Задание 5.
Ихтиология — наука о…

1. птицах
2. ихтиозаврах
3. рыбах
4. млекопитающих

Задание 6. 
Изучением водорослей занимаются…

1. птеридиологи
2. дендрологи
3. геронтологи
4. альгологи

Ответы: 1 — 3; 2 — 2; 3 — 3; 4 — 3; 5 — 3; 6 — 4.