Задание 1. Методы биологии

***

Методы в науке

Выделяют общенаучные методы (используются в любой науке) и частнонаучные методы (используются в конкретной области: в цитологии, генетике, селекции и прочих). 

***

Общие методы биологии

Примеры картинок из ЕГЭ

1) Эмпирические методы (основаны на практическом опыте):

• Наблюдение - целенаправленное восприятие объектов или явлений, без активного вмешательства наблюдателя.
• Эксперимент - изучение объекта в искусственных, контролируемых условиях, экспериментатор вмешивается в процесс.
• Описание - фиксация признаков и результатов наблюдения.
• Измерение - получение количественных данных с помощью приборов.

2) Теоретические методы (основаны на анализе эмпирических данных):

• Анализ - мыслительный процесс, разделение объекта или явления на отдельные части.
• Синтез - объединение отдельных фактов в единую систему.
• Моделирование - изучение объекта с помощью его упрощенной модели (компьютерной или материальной).
• Классификация - группировка объектов в соответствии с их общими признаками.

***

Частные методы биологии

Методы, применимые для многих разделов биологии: хроматография, электрофорез, метод меченых атомов, рентгеноструктурный анализ, центрифугирование, микроскопия.

Полевые методы: кольцевание птиц.

Методы генетики: цитогенетический, биохимический, генеалогический, близнецовый, популяционно-статистический, молекулярно-генетический (секвенирование), гибридологический (гибридизация).

Также существуют методы селекции, биотехнологии, теории эволюции и прочие. Они будут описаны в других статьях умного справочника.

Примеры картинок из ЕГЭ

***

Кольцевание

Значение: кольцуют птиц для изучения маршрута миграций, выживаемости, для сбора статистики о популяциях. 

Описание процесса: птицу ловят, определяют ее вид, по возможности пол и возраст, измеряют и надевают легкое кольцо с уникальным номером. Дату и место кольцевания записывают в базу данных. При повторной поимке номер кольца считывают, записывают новые сведения и отпускают птицу.

Так были установлены маршруты миграций птиц между Россией и Африкой!

***

Хроматография

Значение: используют для разделения сложных смесей на компоненты (например, пигментов листа растения).

Описание процесса: метод основан на разной скорости движения веществ в смеси через адсорбент (бумагу или другой материал) в зависимости от их молекулярной массы. Чем легче молекула, тем быстрее она движется по адсорбенту при помощи растворителя. 

***

Электрофорез

Значение: используют для разделения и идентификации белков, нуклеиновых кислот и других полимеров. Это необходимо для установления родства, отцовства, идентификации преступников.

Описание процесса: молекулы с разной скоростью продвигаются через гель под действием электрического поля в зависимости от своего размера и заряда.

ДНК-тест на отцовство

***

Метод меченых атомов

Значение: метод позволяет отслеживать распределение и локализацию веществ в клетках и тканях.

Описание процесса: некоторые атомы в составе вещества заменяют на изотопы (атомы того же химического вещества, но с другой атомной массой). По излучению изотопов можно проследить перемещение и накопление веществ в тканях.

Примеры:

1) Радиойод применяется для исследования функций щитовидной железы (йод нужен для синтеза гормона тироксина, поэтому активно накапливается в щитовидной железе).2) Метод применялся при изучении процесса фотосинтеза (чтобы определить из какого вещества образуется тот или иной продукт).3) Изучение механизма репликации ДНК: в эксперименте Мезельсона и Сталя было доказано, что репликация имеет полуконсервативный механизм.

***

Рентгеноструктурный анализ

Фотография структуры ДНК на основе которой построили модель двойной спирали ДНК.

Значение: используют для определения пространственной структуры молекул: ДНК и белков.

Описание процесса: кристаллические вещества обладают способностью рассеивать падающее на него излучение, в том числе рентгеновское. Поэтому за веществом помещают фотопленку и получают изображение, по которому можно определить структуру молекулы.

***

Центрифугирование

Значение: используется в тех случаях, когда нужно разделить клетки, клеточные органоиды и макромолекулы по скорости их оседания под действием центробежной силы. Скорость оседания зависит от массы, размера, формы и плотности частиц.

Описание процесса: раствор с органоидами помещают в центрифугу, при быстром вращении под действием центробежной силы компоненты разделяются на слои (фракции): внизу скапливаются самые тяжелые (ядро, митохондрии, пластиды), наверху - самые легкие (рибосомы).

Коэффициент седиментации характеризует скорость оседания частицы при центрифугировании. Измеряется в сведбергах (S). Например, мелкие рибосомы бактерий - 70S, крупные рибосомы эукариот - 80S. 

***

Микроскопия

Значение: основной метод изучения морфологии (строения) клеток и тканей. Впервые с помощью микроскопа Роберт Гук увидел ячейки в срезе пробковой ткани и назвал их «клетками».

Микроскопы бывают многих типов, но для ЕГЭ важно знать разницу между световым и электронным микроскопом.

***

Цитогенетический метод

На картинке: синдром Дауна (трисомия 21-й хромосомы)

Значение: позволяет изучать кариотип (строение и количество хромосом), так можно обнаружить 2 вида мутаций: хромосомные (изменения строения хромосом) и геномные (изменение количества хромосом). Генные мутации не видны через микроскоп, поэтому их цитогенетическим методом определить нельзя.

Описание процесса: при помощи микроскопа рассматриваются хромосомы клетки в момент метафазы клеточного деления.

Кариотип - это набор хромосом, характерный для клеток организмов определенного вида.

***

Биохимический метод

Значение: выявляет нарушения обмена веществ, в том числе связанных с генетическими заболеваниями: фенилкетонурией, врожденным гипотиреозом, галактоземией, муковисцидозом.

Описание процесса: лаборанты анализируют при помощи реагентов вещества и реакции в биологических жидкостях (кровь, моча и т. д.).

***

Генеалогический метод

Значение: изучает характер наследования признаков (доминантный / рецессивный, сцеплен с полом / аутосомный) и оценивает вероятность его появления в будущем у членов изучаемой семьи.

Описание процесса: основан на анализе родословных.

***

Близнецовый метод

Братья Келли (монозиготные близнецы)

Значение: определение степени влияния наследственных факторов и среды на формирование фенотипа.

Описание процесса: изучают монозиготных (однояйцевых) близнецов (близнецы от одной зиготы), так как они имеют идентичный генотип. Если монозиготные близнецы росли в разных условиях, можно сделать выводы о том, насколько сильно среда влияет на фенотип. Также могут изучать дизиготных (разнояйцевых) близнецов, которые генотипически сходны как обычные братья и сестры. 

Такой подход был применен в исследовании NASA: изменения в организме Скотта Келли, находившегося в космосе, сравнивали с показателями его монозиготного брата Марка, остававшегося на Земле. 

***

Популяционно-статистический метод

Значение: определяет распространение какого-либо признака в популяции.

Описание процесса: для расчетов используется закон Харди-Вайнберга.

***

Секвенирование

Значение: позволяет изучать ДНК, выявлять изменения в генах, устанавливать родство и диагностировать наследственные заболевания.

Описание процесса: из клеток выделяют ДНК и анализируют ее строение. При секвенировании определяют последовательность нуклеотидов в ДНК.

***

Гибридологический метод (гибридизация)

Значение: с его помощью Г. Мендель вывел три основополагающих закона генетики.

Является как методом генетики, так и методом селекции. Не применим к человеку!

Описание процесса: метод основан на скрещивании организмов, при этом ведется целенаправленный подбор родительских особей, которые принадлежат к одному виду, но различны по одной или более парам альтернативных признаков.

***