Частная школа 10 класс

Читать онлайн: учебник биологии 10 класс Пасечник Базовый уровень страницы 23-31 параграф 3 «Методы научного познания в биологии», для ознакомления перед покупкой. Цитаты из пособия 2023 года использованы также в учебных целях для семейного и домашнего обучения, а также для дистанционного обучения в период невозможности посещения образовательного учреждения. Код материалов: Биология Пасечник Базовый §3.
Вернуться в ОГЛАВЛЕНИЕ учебника.

Биология 10 класс (баз.)
§ 3. Методы научного познания в биологии

Вспомните:
1. Что такое научный метод? Какие научные методы познания вам известны?
2. Охарактеризуйте основные этапы научного исследования.
3. Какими научными методами вы чаще всего пользуетесь в своей учебной и учебно-исследовательской работе?

Методы научного познания.

Ещё одной чертой, характерной для методологии биологических исследований, является использование общих и специальных методов научного познания, или научных методов.

✅ Научный метод — это совокупность основных способов (приёмов и операций), используемых при построении системы научных знаний в ходе научного исследования.

Важной чертой научного метода является требование объективности, исключающее субъективное толкование результатов исследования. Научным сообществом не должны приниматься на веру какие-либо утверждения, даже если они исходят от авторитетных учёных. Для обеспечения независимой проверки во время работы исследователь обязательно проводит документирование наблюдений, а после её завершения обеспечивает доступность для других учёных всех исходных данных, методик и результатов исследований. Это позволяет не только провести дополнительную проверку достоверности полученных данных благодаря возможности воспроизведения экспериментов, но и критически оценить степень адекватности их результатов по отношению к проверяемой теории.

Все существующие методы научных исследований принято делить на общие и специальные. Разумеется, большинство научных проблем и даже отдельные этапы их исследования требуют применения специальных методов решения, но они никогда не бывают произвольными, поскольку определяются характером исследуемого объекта.

Общие методы научного познания также используются на протяжении всего исследовательского процесса и в самых различных областях науки. Их деление на группы связано с тем, что исследователь может получать знания либо опытным (эмпирическим) путём, либо в результате сложных логических операций, т. е. теоретически (рис. 9).

Методы исследования в биологии.

Как бы ни классифицировали научные методы, между ними довольно трудно проводить строгую границу, поскольку исследователи часто применяют их в сочетании друг с другом. При таком подходе они дают возможность более полно и эффективно исследовать живые системы, а также выявлять и оценивать антропогенные изменения в природе.

Наблюдение. Суть данного метода состоит в исследовании внешних признаков и видимых изменений объекта на протяжении некоторого промежутка времени. При этом изучаемый объект не должен подвергаться со стороны наблюдателя (исследователя) никакому воздействию, т. е. он должен находиться в обычных для него (естественных) условиях. Это наиболее простой метод, выступающий, как правило, в качестве одного из элементов в составе других эмпирических методов. Различают прямое наблюдение, когда информацию получают без помощи приборов, и косвенное наблюдение, при котором исследователь наблюдает не сам объект, а различные проявления его жизнедеятельности (например, оставленные на снегу следы лап или погрыз на ветке дерева). Так, когда орнитологи проводят наблюдения за птицами и рассматривают их в бинокль (или слушают издаваемые ими звуки), то это — прямое наблюдение. А если они пытаются выяснить рацион пернатого, исследуя остатки его трапезы или состав его экскрементов, то в данном случае используется косвенное наблюдение.

Описание. Этот метод предполагает фиксирование наблюдаемых признаков объекта исследования. С него начиналась биология как наука, но её развитие было бы невозможно без применения других методов исследования. Составленное описание объекта позволяет исследователю анализировать полученные данные, сравнивать их с другими, в том числе в историческом контексте, и находить определённые закономерности в существовании объекта исследования. Описательные методы начали использоваться ещё в древности, однако они и сегодня не утратили своей актуальности и широко применяются в ботанике, этологии, зоологии и т. д.

Измерение. Измерение есть процедура определения численного значения некоторой величины посредством единицы измерения. Важнейшим показателем качества измерения и его научной ценности является точность, которая зависит прежде всего от имеющихся в распоряжении учёного измерительных приборов (рис. 10).

Сравнение. Метод позволяет установить сходство и различия между предметами и явлениями. Для того чтобы сравнение было плодотворным, оно должно удовлетворять двум основным требованиям: сравниваться должны лишь такие явления, между которыми может существовать определённая объективная общность; для познания объектов их сравнение должно осуществляться по наиболее важным, существенным (в плане конкретной познавательной задачи) признакам.

Моделирование. В любом эксперименте может принимать участие как сам объект исследования, так и его «заместитель», т. е. модель. Использование моделей позволяет применять экспериментальный метод исследования к таким объектам, непосредственное оперирование с которыми затруднительно или вообще невозможно. Поэтому моделирование так широко распространено в науке.

✅ Моделирование — метод изучения объектов на моделях, позволяющий получать знания при помощи заменителей (моделей) реальных объектов.

Например, именно с помощью метода моделирования голландский учёный Николас Тинберген (1907—1988) выяснил, как самцы трёхиглой колюшки (Gasterosteus aculeatus) во время размножения отличают других самцов, с которыми они стремятся вступить в схватку, от самок, которых они, наоборот, стараются привлечь на свою территорию. Брачный наряд этих рыбок был схож у обоих полов, однако у самцов во время размножения образовывались ярко-красные пятна на груди и брюшке. Может быть, именно они и запускают агрессивную реакцию?

Чтобы выяснить это, в период размножения колюшки учёный опускал в аквариум различно окрашенные модели, имитирующие рыбок. Оказалось, что самцы наиболее агрессивно атакуют модели с красным брюшком — даже если они были внешне совсем не похожи на колюшек. На основании этих опытов Тинберген сделал вывод о том, что красный цвет брюшка представляет собой так называемый стимул-релизер, который всегда вызывает у других самцов реакцию нападения. Таким образом, использование модели помогло исследователю выяснить, что именно провоцирует агрессию самца колюшки по отношению к конкуренту, и при этом не пострадало ни одной рыбки!

Эксперимент. Этот метод применяется для проверки выдвинутой гипотезы с помощью целенаправленного воздействия на объект. В отличие от наблюдения, он предполагает обязательное вмешательство исследователя в естественные условия существования «подопытного» объекта. В ходе эксперимента исследователь может даже специально создавать искусственные условия для изучения отдельных характеристик или свойств изучаемого объекта. Именно это даёт возможность проводить изучение того или иного явления, что называется, «в чистом виде».

Важным условием, указывающим на объективность данных, полученных в ходе эксперимента, является возможность его воспроизведения, т. е. его принципиальная повторяемость. В качестве примера применения экспериментального метода в биологических исследованиях можно привести классические опыты по изучению наследственности и изменчивости организмов, проведённые Г. Менделем. В отличие от своих предшественников, он использовал эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы, сформулированной на основе этих данных.

Сравнительно-исторический метод. Этот метод предполагает сопоставление данных, полученных при помощи перечисленных выше и других методов исследования, с теми, которые были известны ранее. Это позволяет лучше осмыслить установленные научные факты и понять, в каком направлении исследователю следует двигаться дальше.

Этапы научного исследования.

Обычно научное исследование начинается с наблюдения над объектом или явлением. После обобщения полученных в результате данных выдвигаются гипотезы (предположения), которые могут объяснить наблюдения. На следующем этапе исследования разрабатываются и проводятся эксперименты для их проверки. Научный эксперимент должен непременно сопровождаться контрольным опытом, условия которого отличаются от условий эксперимента одним (и только одним) фактором.

Анализ результатов эксперимента позволит решить, какая из гипотез верна. Та из них, которая была проверена и оказалась лучшим объяснением наблюдаемых фактов, а также способна служить основой для верных предсказаний, может быть названа теорией или законом. Называя какое-либо положение законом, учёные как бы подчёркивают его универсальность, неоспоримость и большую достоверность. Однако часто термины «закон» и «теория» употребляются как равнозначные.

Исследование всегда совершается сначала от общего к частному — анализ, а потом от частного к общему, но на новом уровне познания этого общего — синтез (подробнее см. с. 27). Применяя аналитический подход в биологии, учёные смогли открыть химическую и микроструктурную организацию живых объектов, выяснить причины видового разнообразия среди животных, растений и микроорганизмов, выявить генетическую неоднородность организмов внутри популяций, а также другие внутренние характеристики живых систем.

В настоящее время у биологов имеются исключительные возможности в изучении жизни. Они определяются использованием всего спектра научных методов, в том числе основанных на применении специализированного оборудования:

• микроскопии различных типов, включая электронную, с техникой ультратонких срезов;
• биохимических;
• высокоразрешающего генетического анализа;
• иммунологических;
• разнообразных методов культивирования и прижизненного наблюдения в культурах клеток, тканей и органов;
• маркировки эмбрионов;
• оплодотворения в пробирке;
• меченых атомов;
• рентгеноструктурного анализа;
• ультрацентрифугирования;
• спектрофотометрии;
• хроматографии;
• электрофореза;
• секвенирования;
• конструкции биологически активных рекомбинантных молекул ДНК, а также многих других.

Методы теоретического исследования.

Для обобщения и анализов результатов экспериментов учёные используют теоретические методы исследований. Познакомимся с наиболее важными из них.

Абстрагирование. Этот метод представляет собой отвлечение от некоторых свойств изучаемых объектов, а также выделение тех их свойств, которые изучаются в данном исследовании. Абстрагирование имеет универсальный характер, поскольку каждый момент мысленного процесса связан с этим процессом или с использованием его результата. Сущность данного метода состоит в мысленном отвлечении от несущественных свойств, связей, отношений предметов и одновременном выделении, фиксировании одной или нескольких интересующих исследователя сторон этих предметов.

Анализ и синтез. Методы анализа и синтеза в научном творчестве органически связаны между собой. Они могут принимать различные формы в зависимости от свойств изучаемого объекта и цели исследования. Анализ — это метод, в основе которого лежит процесс разложения предмета на составные части. Когда учёный использует его, он мысленно разделяет изучаемый объект, т. е. выясняет, из каких частей он состоит, каковы его свойства и признаки. Синтез представляет собой соединение полученных при анализе частей в нечто целое. В результате применения этого метода происходит объединение знаний в единую систему.

Идеализация. Это мысленное создание представлений об объектах, которые не существуют в природе, однако имеют прообразы в реальном мире. Примерами представлений, которые возникли в процессе использования метода идеализации, являются идеальный газ, идеальный раствор, точка. Метод идеализации широко применяется не только в естественных науках, но и в общественных дисциплинах.

Индукция и дедукция. Индукция — это вывод, полученный путём рассуждения от частного к общему. Можно также охарактеризовать этот метод как умозрительное заключение, строящее на основе разрозненных фактов некоторую общую гипотезу. Дедуктивный метод основан на получении выводов в процессе рассуждения от общего к частному, т. е. новое знание о предмете получают путём изучения свойств всех предметов данного класса.

Восхождение от абстрактного к конкретному. Восхождение от абстрактного к конкретному представляет собой всеобщую форму протекания процесса научного познания, а также закон отображения действительности в мышлении. Согласно этому методу, процесс познания как бы разбивается на два относительно самостоятельных этапа. На первом из них происходит переход от чувственно-конкретного восприятия объекта к его абстрактным определениям. Единый объект расчленяется и описывается при помощи множества понятий и суждений. Он как бы испаряется, превращаясь в совокупность зафиксированных мышлением абстракций, односторонних определений.

Второй этап процесса познания и есть восхождение от абстрактного к конкретному. Суть его состоит в движении мысли от абстрактных определений объекта к конкретному в познании. На этом этапе как бы восстанавливается исходная целостность объекта, он воспроизводится во всей своей многогранности, но уже в мышлении.

Оба этапа познания теснейшим образом взаимосвязаны. Этот метод невозможно применить без предварительного «анатомирования» объекта мыслью, а также без восхождения от конкретного в действительности объекта к абстрактным его определениям. Таким образом, можно сказать, что рассматриваемый метод представляет собой процесс познания, согласно которому мышление восходит от конкретного в действительности к абстрактному в мышлении и от него к конкретному в мышлении.

---

НАУЧНЫЙ МЕТОД • МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ: НАБЛЮДЕНИЕ, ЭКСПЕРИМЕНТ, ОПИСАНИЕ, ИЗМЕРЕНИЕ, СРАВНЕНИЕ, МОДЕЛИРОВАНИЕ • СРАВНИТЕЛЬНО-ИСТОРИЧЕСКИЙ МЕТОД • АБСТРАГИРОВАНИЕ • АНАЛИЗ • СИНТЕЗ • ИДЕАЛИЗАЦИЯ • ИНДУКЦИЯ • ДЕДУКЦИЯ • ВОСХОЖДЕНИЕ ОТ АБСТРАКТНОГО К КОНКРЕТНОМУ

ПОДУМАЙТЕ
В чём заключается отличие современных биологических исследований от классических исследований, описанных в трудах биологов, живших в прошлых веках (до XX столетия)?

Моя лаборатория (стр. 28)

Тренируемся

1. Приведите примеры общих и специальных методов, применяющихся в биологии.
2. Охарактеризуйте основные этапы научного исследования.
3. Какое значение имеет сбор фактического материала для проведения исследования?
4. Можно ли провести научное исследование без формулирования гипотезы?
5. Всегда ли по результатам исследования возможно провести теоретическое обобщение?
6. Какая теория может претендовать на возведение в ранг закона?

Совершенствуемся

Используя материал статьи «Классическая модель научного метода», составьте схему, раскрывающую этапы проведения научного исследования и их взаимосвязь. Для выполнения данной работы вы можете использовать графические редакторы, установленные на вашем компьютере.

Классическая модель научного метода. Отдельные части научного метода применялись ещё философами Древней Греции. В частности, ими были разработаны правила логики и принципы ведения спора. Однако их целью чаще всего была не столько истина, сколько победа в судебных процессах, где главенствовал формализм. В XX в. была сформулирована гипотетически-дедуктивная модель научного метода, состоящая в последовательном применении следующих шагов:

• Шаг 1. Используйте опыт: рассмотрите проблему и попытайтесь осмыслить её. Найдите известные ранее объяснения. Если это новая для вас проблема, переходите к шагу 2.
• Шаг 2. Сформулируйте предположение. Если ничего из прежде известного не подходит, попробуйте сформулировать объяснение, изложите его кому-то другому или в своих записях.
• Шаг 3. Сделайте выводы из предположения. Если оно (шаг 2) истинно, какие из него следствия, выводы, прогнозы можно сделать по правилам логики?
• Шаг 4. Проведите проверку: найдите факты, противоречащие каждому из этих выводов, с тем чтобы опровергнуть гипотезу (шаг 2).

Имейте в виду, что использование выводов (шаг 3) в качестве доказательств гипотезы (шаг 2) является логической ошибкой. Эта ошибка называется «подтверждение следствием». Постарайтесь её избежать!

Обсуждаем

1. Используя доступные интернет-ресурсы, найдите научную статью в интересующей вас области биологии или реферат исследования и проведите анализ содержащегося в ней/нём методологического аппарата. Обсудите с учителем или одноклассниками обоснованность выбора автором методов проведения данного исследования.
2. Прочитайте статью «Тайна светящегося червя» на с. 32—33. Разберите её с точки зрения методов, которые использовали исследователи. Ответ обоснуйте.

Это интересно (стр. 30)

Не важно, сколько статей написано, важно, сколько прочитано. Как узнать, кто из учёных в своей области самый авторитетный? В прежние времена авторитет учёного определялся количеством опубликованных им работ — чем больше их было, тем более авторитетным в данной области считался исследователь. Однако позже выяснилось, что это весьма ненадёжный критерий — бывает так, что некоторые недобросовестные учёные публикуют множество статей, содержащих непроверенные сведения и даже грубые ошибки.

Поэтому в конце XX в. стали обращать куда больше внимания не на то, сколько статей написал учёный, а на то, сколько раз его работы процитировали коллеги. Ведь именно цитирование означает то, что полученные учёным результаты интересны другим исследователям, а также то, что они верны (на статью с ошибками никто не будет ссылаться). То есть, чем больше цитируется работа учёного, тем больше его вклад в мировую науку и, следовательно, тем выше его авторитет. Таким образом, более авторитетным учёным будет считаться не доктор наук N, опубликовавший сто статей, каждую из которых процитировали всего один раз, а доктор наук К, опубликовавший всего двадцать статей, но при этом на каждую из которых сослались по 50 раз.

Этот критерий авторитетности учёных математически обосновал в 2005 г. американский исследователь Хорхе Хирш. Поэтому отношение количества работ к числу цитирования каждой из них называют индексом Хиршо. Считается, что у обычного учёного этот показатель примерно равен продолжительности его научной карьеры в годах, тогда как у выдающегося учёного индекс Хирша как минимум вдвое выше.

Тайна светящегося червя. Современные учёные практически никогда не используют в своей работе только один метод исследования. Они пользуются максимально возможным для них набором методик. Хорошей иллюстрацией этого правила может послужить выполненная в 2014 г. работа отечественных учёных из Института биофизики СО РАН и Института биоорганической химии им. академиков Шемякина и Овчинникова РАН, в ходе которой была установлена формула люциферина — белка, вызывающего свечение у почвенного червя фридериция хелиота (Fridericia heliota).

Началось всё с того, что исследователи из Института биофизики заметили любопытное свечение, которое возникало на их следах во время прогулок по ночному лесу. Пронаблюдав за этим феноменом (метод наблюдения), они выяснили, что это свечение генерирует микроскопический почвенный червь фридериция (рис. 11). После этого исследователи собрали некоторое количество этих животных и выделили из них светящееся вещество, которое оказалось пигментом люциферином. Это вещество при окислении с помощью кислорода в присутствии фермента люциферазы способно испускать квант света. Такие пигменты часто встречаются у разных светящихся животных (например, у жуков-светлячков), однако они всегда имеют разную структуру и соответственно разную формулу. Химическая формула данного вещества была неизвестна учёным, и они решили её выяснить с помощью коллег из Института биоорганической химии.

Сотрудники этого института сначала изучили люциферин при помощи ЯМР-спектрографа — прибора, измеряющего магнитные колебания, испускаемые ядрами атомов вещества. Таким образом они установили, из каких именно атомов состоит вещество и как они располагаются в молекуле. На основе этих данных при помощи компьютера были построены вероятные модели люциферина, и оказалось, что искомый пигмент может иметь четыре варианта строения.

Учёные синтезировали все эти варианты, после чего окислили каждое получившееся вещество в присутствии люциферазы фридериции. В результате только один из белков при окислении испустил квант света. Это и был тот самый люциферин, чью структуру пытались выяснить исследователи.

Так, используя различные методы, учёные смогли открыть и описать неизвестный прежде науке светящийся пигмент.

 

---

Вы смотрели: учебник биологии 10 класс Пасечник Базовый уровень для ознакомления перед покупкой. Цитаты из пособия 2023 года использованы также в учебных целях для семейного и домашнего обучения. Код материалов: Биология Пасечник Базовый §3.

Вернуться в ОГЛАВЛЕНИЕ учебника.