Методы, основные концепции и законы биологии Тема • Методы биологии • Концепции биологии • Биологические закономерности, законы и теории
МЕТОДЫ БИОЛОГИИ • Наблюдение - изучение объектов живой природы в естественных условиях существования. • Экспериментальный метод (опыт) предполагает исследования живых объектов в условиях действия (экстремального) факторов среды
• in vitro - «в стекле» , в пробирке, то есть в искусственных условиях • in vivo - в живой системе (в организме) • in silico – «в компьютере»
МЕТОДЫ БИОЛОГИИ • Сравнительный (исторический) метод выявляет эволюционные преобразования биологических видов и их сообществ • На основе выявляемых статистических закономерностей можно осуществлять математическое моделирование биологических процессов и прогноз их развития.
Все биологические исследования начинаются с наблюдений. Зоолог видит птицу в бинокль, гистолог – зафиксированный и окрашенный срез ткани, молекулярный биолог – изменение концентрации фермента в пробирке.
ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫ И МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ
физические методы изучения живых систем • рентгеновская кристаллография с использованием синхротронных источников • ядерный магнитный резонанс • масс-спектрометрия высокого разрешения • двумерный электрофорез высокого разрешения в полиакриламидном геле
методы молекулярной биологии Полимеразная цепная реакция (ПЦР) • Принцип ПЦР сформулировал Гобинд Корана в 1971 • В 1983 Кэри Мюллису удалось провести ПЦР • В 1993 за изобретение ПЦР Кэри Мюллису вручена Нобелевская премия по химии
Принцип ПЦР «Проявка» хода реакции Экспоненциальная амплификация Флуоресцентные красители и тушение флуоресценции 5’-экзонуклеазная активность Taqполимеразы
ПЦР-диагностика Выявление патогенов • Инфекции крови (качественное и количественное определение) • Эпидемические инфекции • Исследование биоценозов • и др. …
ПЦР-диагностика Исследование генома • ПЦР позволяет определять вставки, делеции или однонуклеотидные замены в геномной ДНК • Сейчас с помощью ПЦР диагностируют более 200 наследственных заболеваний, таких как: – – – – Фенилкетонурия Муковисцидоз Миодистрофия Дюшенна/Беккера Хорея Гентингтона Гемофилия А, В Болезнь Вильсона-Коновалова и др. …
ПЦР-диагностика Мониторинг живых систем ПЦР позволяет осуществлять: • контроль за использованием ГМ организмов (ГМО) • контроль за наличием и процентным содержанием ГМ ингредиентов (ГМИ) в пище • Определение вида и индивида
ПЦР-диагностика Сравнение к. ДНК для поиска дифференциально экспрессируемых генов
ПЦР-диагностика Сравнение бактериальных геномов для поиска штаммоспецифичных генов
ПЦР-диагностика Сравнение эукариотических геномов для поиска видо- и рассоспецифичных последовательностей • ?
• Все наблюдения нуждаются в описании. Описание – это результат интерпретации наблюдений. Например, палеонтолог, описывая древний скелет, называет кости известными ему именами – бедренная, плечевая – потому что он мысленно установил аналогию со скелетом ныне живущих животных. Сравнение Грамотно составленные описания можно сравнивать, даже если их произвели разные люди в разных странах и в разное время. Например, можно сравнить размеры раковин моллюсков одного биологического вида в наши дни и при Ламарке, поведение лося в Сибири и на Аляске, рост культуры клеток при низкой и высокой температуре, строение плечевой кости у тираннозавра и современного крокодила.
• Гипотеза Различия, выявленные при сравнении описаний, можно интерпретировать при помощи предположений о причинах различий – гипотез. Например, можно предположить, увидев разный темп роста клеток при разных температурах, что температура влияет на скорость роста клеток. Эксперимент Гипотезы проверяют, искусственно изменяя условия протекания биологических процессов и проводя повторные наблюдения и описания. Например, можно выращивать клетки при разных температурах, выявляя оптимум, при котором рост максимально быстрый
Научный метод – построение системы научных знаний на основе комплекса приемов и операций: Наблюдение Гипотеза Эксперимент Контрольные опыты Теория (закон)
Концепция (от лат. conceptio - понимание, система), определённый способ понимания, трактовки какоголибо предмета, явления, процесса, основная точка зрения на предмет
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ • 1. Концепция системной многоуровневой организации жизни: все живые объекты являются системами разного уровня сложности. Биологические системы образуют непрерывную иерархию уровней структурно-функциональной организации.
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ • 2. Концепция материальной сущности жизни: жизнь материальна, ее физико-химическую основу составляет обмен веществ и энергии. В философском смысле это означает первичность материи и вторичность сознания (материализм).
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ • 3. Концепция биологической информации и самовоспроизведения жизни: живые организмы воспроизводятся на основе собственной (генетической) информации при взаимодействии с внешней (эпигенетической) информацией. Результатом этого взаимодействия является индивидуальное развитие организмов (онтогенез).
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ • 4. Концепция саморегуляции живых систем: живые системы поддерживают относительное постоянство своих внутренних связей и условий функционирования (гомеостаз) на основе сочетания прямых положительных и обратных отрицательных связей.
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ • 5. Концепция самоорганизации и биологической эволюции: живой мир возник в результате самоорганизации из неживых химических систем и претерпевает необратимое историческое развитие (филогенез) на основе наследственной изменчивости и естественного отбора популяций организмов, наиболее приспособленных к меняющимся условиям среды
Понятия «закономерность» и «закон» Закономерность отражает объективные, общие, устойчивые и повторяющиеся при определенных условиях взаимосвязи. Строго зафиксированные закономерности являются законами. Закономерности определяются как научные законы только в том случае, когда: 1) четко зафиксированы объекты, между которыми устанавливается связь; 2) исследованы вид, форма и характер этой связи; 3) установлены пределы действия (проявления) связи.
Законы и закономерности отражают существенные, устойчивые, повторяющиеся связи и отношения между фактами, процессами, объектами исследования. Законы становятся основой для формулировки научных теорий.
Биологическая теория – обобщенное научное знание, в структуру которого входят биологические понятия, явления, научные факты, закономерности и законы. Теория строится на основе результатов наблюдений, подтвержденных гипотез, проверенных и доказанных фактов и сформулированных законов. Важнейшей характеристикой научной теории является ее прогностическая функция. Теория Ч. Дарвина позволила предсказать и объяснить механизмы возникновения разнообразных приспособлений у живых существ.
Биогенетический закон Онтогенез организма есть краткое повторение признаков зародышевых стадий предков Немецкий естествоиспытатель и философ Эрнст Геккель Ernst Heinrich Philipp August Немецкий зоолог Российский зоолог и Фриц Мюллер теоретик-эволюционист Fritz Müller (1821 -1897) Алексей Николаевич Северцов (1866 -1936)
Закон зародышевого сходства ( БЭР Карл Максимович / фон, Карл-Эрнст) 1792 -1876 «В каждой большой группе общее образуется раньше, чем специальное» "Из всеобщего образуется менее общее и т. д. , На ранних стадиях зародыши всех пока, наконец, не выступает позвоночных сходны между самое специальное". собой, более развитые формы проходят "Каждый эмбрион этапы развития более примитивных определенной животной формы вместо форм того, чтобы проходить Последнюю через другие определенные закономерность, формы, напротив, отходит от ссылаясь на Бэра, них" использовал Ч. Дарвин в качестве одного из "Эмбрион высшей формы никогда не походит доказательств на другую животную эволюции и дал ей название "закона форму, но только на ее зародышевого эмбрионы" сходства".
Закон необратимости эволюции "Организм ни целиком, ни даже отчасти не может вернуться к состоянию, уже осуществленному в ряду его предков". Организм (вид, популяция) не может вернуться полностью к прежнему состоянию, уже осуществленному в ряду его предков, даже вернувшись в среду их обитания 1893 г. Бельгийский палеонтолог Луи Долло (1857 -1931)
Закон эволюционного развития Естественный отбор на основе наследственной изменчивости является основной движущей силой эволюции органического мира Чарльз Дарвин
Законы наследования Первый закон Менделя (закон доминирования, закон единообразия гибридов первого поколения. Второй закон Менделя (закон расщепления) Третий закон Менделя (закон независимого комбинирования) Труды: – Автобиография (Gregorii Mendel autobiographia iuvenilis, 1850) - ряд статей, включая Эксперименты по гибридизации растений (Versuche über Pflanzenhybriden, в «Трудах Брюннского общества естествоиспытателей» , том 4, 1866). Грегор Иоганн Мендель (Gregor Johann Mendel)
Первый закон Менделя (закон доминирования, закон единообразия гибридов первого поколения) При скрещивании двух гомозиготных организмов, отличающихся по альтернативным вариантам одного и того же признака, все потомство окажется единообразным и будет нести признак одного из родителей Единообразие гибридов первого поколения В — аллель, отвечающий за синтез черного пигмента b — аллель, отвечающий за синтез коричневого пигмента
Второй закон Менделя (закон расщепления) При скрещивании двух потомков первого поколения (двух гетерозиготных особей) между собой во втором поколении наблюдается расщепление в определенном числовом соотношении: по фенотипу 3: 1, по генотипу 1: 2: 1
Третий закон Менделя (закон независимого комбинирования) При скрещивании двух гомозиготных особей, отличающихся друг от друга по двум и более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях расщепление по каждой паре генов идет независимо от других пар генов
Закон гомологических рядов наследственной изменчивости Николай Иванович Вавилов Виды и роды генетически близкие характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости У мягкой, твердой пшеницы и ячменя существуют остистые, короткоостные, вздутые и безостные колосья
Закон сохранения энергии Энергия не создается и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую. При переходе материи из одной формы в немецкий врач и физик другую Юлиус Роберт Майер немецкий естествоиспытатель изменение её физик, физиолог и психолог Julius Robert von Mayer Герман Людвиг Фердинанд энергии строго (1814 -1878) соответствует фон Гельмгольц возрастанию или Hermann von Helmholtz убыванию (1821 -1894) энергии взаимодействую щих с ней тел английский физик Джеймс Прескотт Джоуль Joule, James Prescott (1818 -1889)
Закон минимума Выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, т. е. фактором или ресурсом, который находится в минимуме с точки зрения потребностей организма. немецкий химик Юстус ЛИБИХ Justus von Liebig (1803 -1873) Правило взаимодействия факторов: Организм способен заменить дефицитное вещество или другой действующий фактор иным, функционально близким, веществом или фактором
Закон биогенной миграции атомов Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время составляет биосферу, так и тем, которое существовало на земле в течение всей геологической истории Академик, основатель геохимии Владимир Иванович Вернадский (1863 -1945)
Теория возникновения жизни на Земле (А. И. Опарин, Дж. Холдейн, С. Фокс, С. Миллер, Г. Миллер) Жизнь на Земле возникла абиогенным путём, в результате формирования органического вещества из неорганического, происходившего под действием абиотических факторов среды в условиях первобытной Земли, и длительной эволюции органических соединений, простейших структур, энергетических процессов и биохимических функций
Клеточная теория Немецкий врач, цитолог, археолог, антрополог и палеонтол Немецкий ботаник Рудольф Людвиг Карл Вирхов Маттиас Якоб Шлейден Rudolf Ludwig Karl Virchow Matthias Jacob Schleiden (1821 -1902) (1804 -1881) Немецкий цитолог, гистолог и физиолог Теодор Шванн Theodor Schwann (1810 -1882) Все живые организмы состоят из клеток и их производных. Кле не только единица строения, но и единица развития любого жив существа. Для всех клеток характерно сходство в строении, химическом составе и обмене веществ. Активность организмов слагается из активности и взаимодействия составляющих его самостоятельных клеточных единиц. Все живые клетки возника из живых клеток
Теория эволюции Все существующие ныне многочисленные формы живых организмов произошли от существовавших ранее более простых организмов путём постепенных изменений, накапливающихся в последовательных поколениях Английский натуралист и путешественник Чарльз Роберт Дарвин Charles Robert Darwin (1809 -1882)
Теория естественного отбора В борьбе за существование в естественных условиях выживают наиболее приспособленные. Ч. Дарвин Естественным отбором сохраняются любые жизненно важные признаки, способствующие процветанию организма и вида в целом. В результате этого образуются новые формы и виды.
Хромосомная теория наследственности Хромосомы с локализованными в них генами – основные материальные носители наследственности. Гены находятся в хромосомах и в пределах одной хромосомы образуют группы сцепления. Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом. В хромосоме гены расположены линейно. В мейозе между гомологичными хромосомами может произойти кроссинговер, Американский зоолог и генетик приводящий к Томас Хант Морган рекомбинации между Thomas Hunt Morgan сцепленными генами, частота которой (1866 – 1945) пропорциональна В 1933 г. Нобелевская премия по расстоянию между этими физиологии и медицине «за открытия, связанные с ролью хромосом в наследственности» генами на хромосоме.
Биологические закономерности: Симметрия Закономерное правильное расположение частей тела относительно прямой линии (оси) или центра (радиальная симметрия) либо относительно плоскости (двусторонняя симметрия) Дорсальный – спинной Вентральный – брюшной Латеральный – боковой
Биологические закономерности: Полярность специфическая ориентация процессов и структур в пространстве, приводящая к возникновению морфофизиологических различий на противоположных концах (или сторонах) клеток, тканей, органов и организма в целом. У животных различают передний (головной) и задний (хвостовой) отделы, у растений – верхний (гелиотропический) и нижний (геотропический). Полярность присуща организму, его частям и клеткам.
Биологические закономерности: Метамерия Расположение вдоль продольной оси тела или плоскости симметрии сходных по строению участков тела или органа. Её проявление у животных - членистое тело червей, членистоногих, у растений – узлы и междоузлия стебля
Биологические закономерности: Цикличность Повторение определённых периодов жизни: Сезонная, суточная цикличность, цикличность в чередовании ядерных фаз – диплоидной и гаплоидной. Цикличность онтогенезов Цикличность солнечной активности
Биологические закономерности: Детерминированность Формирование из каждой клетки определённой ткани, определённого органа. Детерминированность обусловлена влиянием генотипа и факторов внешней среды, в том числе и соседних клеток.
Биологические закономерности: Приспособленность Относительная целесообразность строения и функций организма, явившаяся результатом естественного отбора.
Биологические закономерности: Зональность Закономерное расположение на Земном шаре природных зон, отличающихся климатом, почвами, растительным и животным миром.
Биологические закономерности: Единство живого вещества Неразрывная молекулярнобиохимическая совокупность живого вещества (биомассы), системное целое с характерными для каждой геологической эпохи чертами. Уничтожение видов, разрушение природных экосистем нарушает природное равновесие, что приводит к изменению молекулярно-биохимических свойств живого вещества и невозможности существования ныне процветающих видов.
Биологические закономерности: Закономерность экологической пирамиды С одного трофического уровня экологической пирамиды на другой, более высокий её уровень переходит в среднем около 10% энергии.
Биологические закономерности: Закономерность географического распределения центров происхождения культурных растений (Н. И. Вавилов) Сосредоточение очагов формообразования культурных растений в тех районах Земного шара, где наблюдается наибольшее генетическое разнообразие этих растений
Скачать презентацию Методы, основные концепции и законы биологии Тема
л_2_МетодыКонцепцииБиологии_заочное.ppt