Содержание

Методы изучения биологии — Биология

Методы биологии. Биология использует самые различные методы исследования. К традици-онным, но сохранившим свое значение относится описательный метод. Основные методы биологии:
· Наблюдение и описание фактов и явлений (описательный метод) . Метод наблюдения дает возможность анализировать и описывать биологические явления. На методе наблюдения основыва-ется описательный метод. Для того, чтобы выяснить сущность явления, необходимо прежде всего собрать и описать фактический материал. Например, с помощью метода наблюдения можно изучить сезонные изменения в живой природе. Наблюдение — изучение объектов живой природы в естест-венных условиях существования. Это непосредственное наблюдение за поведением, расселением, размножением растение и животных в природе. Для этих целей используются как традиционные средства полевых исследований (бинокль, видеокамеры) , так и сложное лабораторное оборудование (микроскопы, биохимические анализаторы, разнообразная измерительная техника) .

· Сравнение, дающее возможность установить сходство и различие между разными биологиче-скими структурами и явлениями (сравнительный метод) . Сопоставляют анатомическое строение, химический состав, структуру генов и другие признаки у организмов разного уровня сложности. При этом исследуются не только ныне живущие организмы, но и давно вымершие, сохранившиеся в виде окаменелых останков в палеонтологической летописи.
·Эксперимент (лат. experimentum – испытание) , в ходе которого биологические объекты и про-цессы изучаются в искусственно созданных, точно контролируемых условиях (экспериментальный метод) . Экспериментальный метод связан с целенаправленным созданием системы, помогает ис-следовать свойства и явления живой природы. Экспериментальный метод (опыт) — исследования жи-вых объектов в условиях экстремального действия факторов среды – измененной температуры, ос-вещенности или влажности, повышенной нагрузки, токсичности или радиоактивности, измененного режима или места развития (удаление или пересадка генов, клеток, органов и т.
п.) . Эксперименталь-ный метод позволяет выявить скрытые свойства, пределы адаптивных (приспособительных) воз-можностей живых систем, степень их гибкости, надежности, изменчивости.
·Широко используются инструментальные методы: электрография, радиолокация и др.
·Моделирование – построение и изучение моделей (схем, графиков, описаний) процессов и явлений, которое стало все шире применяться с развитием компьютерных технологий. С помощью метода моделирования изучается какое-либо явление через его модель.
·Универсальное значение для всех отраслей биологии имеет исторический метод – изучение всех явлений и процессов, как этапов эволюционного развития природы. Исторический метод выяв-ляет эволюционные преобразования биологических видов и их сообществ. Это один из важнейших методов, служащий основой осмысления получаемых фактов. Исторический метод выясняет зако-номерности появления и развития организмов, становления их структуры и функций.
·Палеонтологический метод – изучение вымерших организмов.
·Системный метод относится к категории новых междисциплинарных методов исследования. Живые объекты рассматриваются как системы, то есть совокупности элементов с определенными отношениями.
·Биохимический метод позволяет выделять и изучать вещества, входящие в состав организ-мов, их превращения, позволяет выявлять наследственные нарушения обмена веществ.
Частные (специальные) методы цитологии используют для изучения строения и функций клеток и тканей:
·
Световая микроскопия
— позволяет обнаружить ядро и некоторые органоиды клетки – мито-хондрии, хлоропласты, аппарат Гольджи, реснички и жгутики.
·Электронная микроскопия – позволяет изучать тонкое строение органоидов (например, хлоропластов) , их ультраструктуру,
·Центрифугирование — позволяет избирательно выделять и изучать органоиды клетки;
·Метод культуры клеток и тканей используют для изучения строения и функций клеток.Источник текста: тут

«Методы исследования в биологии».

9 класс

9 класс.

Урок №2- практикум.

Тема: «Методы исследования в биологии».

Задачи:

Обучающие: Познакомить учащихся с методами исследования в биологии, рассмотреть последовательность проведения эксперимента, выявить, в чем заключается отличие гипотезы от закона или теории.

Развивающие: Способствовать развитию интеллектуальных умений и памяти; продолжить умение сравнивать и анализировать, выделять главное и приводить примеры. Сформировать целостную картину мира.

Воспитательные: Способствовать формированию научного мировоззрения, реализовать экологическое и эстетическое воспитание, половое и трудовое воспитание.

Оборудование: Таблицы с изображением последовательности проведения эксперимента.

Ход работы:

  1. Организационный момент

  2. Актуализация знаний(10 минут).

Работа по карточкам (3 варианта): написать определение.

1 вариант:

  1. Какие царства выделяют в живой природе?

  2. Почему современную биологию считают комплексной наукой?

  3. Напишите определение:

Биология, микология, микробиология, ихтиология, морфология, цитология, биофизика.

2 вариант:

  1. Какие царства выделяют в живой природе?

  2. Почему современную биологию считают комплексной наукой?

  3. Напишите определение:

Ботаника, геоботаника, орнитология, физиология, гистология, экология, биохимия.

3 вариант:

  1. Какие царства выделяют в живой природе?

  2. Почему современную биологию считают комплексной наукой?

  3. Напишите определение:

Зоология, бриология, палеоботаника, этология, анатомия, генетика, биотехнология.

  1. Изучение нового материала (20 минут).

На прошлом уроке мы с вами рассмотрели понятие биологии, как науки в целом. Сегодня мы с вами посмотрим, какие же методы используются в биологии.

Тема нашего сегодняшнего урока: «Методы исследования в биологии» (запись в тетради)

Какие же методы исследования использует эта наука – биология?

Вопрос: Прежде чем начать рассматривать, давайте определимся, что же такое наука?

Наука – один из способов изучения и познания окружающего мира . (Запись в тетради)

Биология помогает понять мир живой природы. Мы уже знаем, что люди с древнейших времен изучают живую природу. Сначала они изучали отдельные организмы, собирали их, составляли списки растений и животных, населяющих разные места. Обычно этот период изучения живых организмов называют описательным, а саму дисциплину — естественной историей.

Естественная история является предшественницей биологии.

Что же такое научный метод? Научный метод – это совокупность приемов и операций, используемых при построении системы научных знаний. – запись в тетради.

Биология многогранна и поэтому нуждается в систематизированных и разносторонних методах изучения. Выделяют следующие методы исследования.

Например, очень многие биологические исследования проходят непосредственно на природе – наблюдение, описание, сравнение. В то же время значительная часть исследований требует лаборатории. В лабораторных условиях биологи ставят эксперименты, осуществляют моделирование. Биологии не чужды и исторические методы исследования, потому что биология изучает живые организмы в развитии, а развитие это может длиться миллионы лет.

Рассмотрим каждое по отдельности: (запись в тетрадь)

Наблюдение

— преднамеренное, целенаправленное восприятие объектов и процессов с целью осознания его существенных свойств. Наблюдение – отправной пункт всякого естественнонаучного исследования. В биологии это особенно хорошо заметно, так как объект ее изучения – человек и окружающая его живая природа. Наблюдение как метод собирания информации – хронологически самый первый прием исследования, появившийся в арсенале биологии, этот метод не утратил своего значения и по сей день. Наблюдения могут быть прямыми или косвенными, они могут вестись с помощью технических приспособлений или без таковых. Так, орнитолог видит птицу в бинокль и может слышать ее, а может фиксировать прибором звуки вне слышимого человеческим ухом диапазона

•    Описательный

Для выяснения сути явления человеку надо сначала насобирать фактическую информацию, а потом описать ее изложить для использования другими поколениями. Суть этого метода, в сборе информации, описании характеристик и поведенческих признаков исследуемого процесса или живого организма и исследование одновременно.
 В ранний период развития биологии именно сбор и описание фактов являлись главными приемами изучения. Эти же методы актуальны и сегодня. Описание — есть результат интерпретации наблюдений. Например, составляя описание найденного скелета, палеонтолог назовет позвонками определенные кости постольку, поскольку он пользуется методом установления аналогии со скелетами уже известных животных. Описание – это основной метод классической биологии, базирующийся на наблюдении. Позже описательный метод лег в основу сравнительного и исторического методов биологии. Правильно составленные описания, произведенные в разных местах, в разное время, можно сравнивать. Это позволяет путем сопоставления изучать сходство и различие организмов и их частей.

Сравнительный метод

В XVIII в. стал популярным сравнительный метод. В его основе лежит сопоставление и изучение схожих и различных черт живых организмов, их строения. Этот метод является основой систематики.  Благодаря ему открыто крупнейшее обобщение и создана клеточная теория. Этот метод популярен и в наше время. Сравнение — сопоставление организмов и их частей, нахождение черт сходства и различий (например , вы наблюдаете насекомых и замечаете, что у многих из них имеются чёрные и жёлтые полоски. Многие считают. Что все это пчёлы и осы, поэтому обращаются с ними осторожно.

•    Исторический

Исторический метод применяется для изучения закономерности появления и развития организмов, становления их структуры и функций.

Эксперимент

-целенаправленное изучение явлений в точно установленных условиях, позволяющее воспроизводить и наблюдать эти явления. Полный цикл экспериментального исследования состоит из нескольких стадий. Как и наблюдение, эксперимент предполагает наличие четко сформулированной цели исследования. Поэтому, приступая к эксперименту, нужно определить его цели и задачи, обдумать возможные результаты. Научный эксперимент должен быть хорошо подготовлен и тщательно проведен.

Итак, в результате наблюдения и эксперимента исследователь получает некоторое знание о внешних признаках, свойствах изучаемого предмета или явления, то есть новые факты. Результаты, полученные в ходе наблюдений и экспериментов, должны быть проверены новыми наблюдениями и экспериментами. Только после этого их можно считать научными фактами. – запись схемы в тетрадь.

Давайте запишем определения этих методов: запись в тетрадь .

Наблюдение — преднамеренное, целенаправленное восприятие объектов и процессов с целью осознания его существенных свойств;

Описательный метод — заключается в описании объектов и явлений;

Сравнение — сопоставление организмов и их частей, нахождение черт сходства и различий;

Исторический метод – сопоставление результатов наблюдений с ранее полученными результатами;

Эксперимент — целенаправленное изучение явлений в точно установленных условиях, позволяющее воспроизводить и наблюдать эти явления.

Как же всё-таки происходит научное исследование? (запись схемы в тетрадь)

Теперь рассмотрим порядок проведение биологического опыта: ( запись в тетрадь)

  1. Закрепление материала

  2. (10 минут).

Распишите поэтапно научное исследование, на примере изучения условий, необходимых для прорастания семян по карточке.

  1. Домашнее задание.

§ 2. Опишите поэтапно проведение биологического опыта на тему:

I вариант: «Влияние загрязнения водоёма на численность животных и растений»;

II вариант: «Влияние различных видов и доз удобрений на определённые сорта культурных растений».

Программа: Пономарева И. Н, Корнилова О.А, Чернова Н.М

Учитель биологии: Антонова С.А

9 класс.

Урок № 1 – лекция.

Тема: «БИОЛОГИЯ — НАУКА О ЖИЗНИ»

Задачи:

Обучающие: показать актуальность биологических знаний, выявить значение общей биологии и ее место в системе биоло­гических знаний.

Развивающие: Способствовать развитию интеллектуальных умений и памяти; продолжить умение сравнивать и анализировать, выделять главное и приводить примеры. Сформировать целостную картину мира.

Воспитательные:Способствовать формированию научного мировоззрения, реализовать экологическое и эстетическое воспитание, половое и трудовое воспитание.

Элементы содержания: биология, биотехнология, биофи­зика, биохимия, микробиология.

  1. Краткое знакомство с новым курсом, обоснование роли и места «Общей биологии» в системе биологических наук. Изучение мето­дического аппарата учебника, разъяснение требо­ваний, предъявляемых к подготовке домашних заданий, к ведению тетрадей, проведение исследовательских работ (реферат)

II. Изучение нового материала.

Биология — наука о жизни, ее закономерностях и формах проявления, о существовании и распространении ее во вре­мени и пространстве. Она исследует происхождение жизни и ее сущность, развитие, взаимосвязи и многообразие. Биология относится к естественным наукам.

Термин «биология» впервые был предложен немецким про­фессором Т. Рузом в 1797 г. Однако общепринятым он стал в 1802 г., после того как его стал употреблять в своих работах французский натуралист Ж.-Б. Ламарк.

Современная биология представляет собой комплексную науку, состоящую из ряда самостоятельных научных дисциплин со своими объектами исследования.

Например:

1. Ботаника — исследует строение, способ существования,
распространение растений и историю их происхождения. Вклю­чает в себя подразделы:

  • микология — наука о грибах;

  • бриология — наука о мхах;

  • геоботаника — изучает закономерности распространения растений по поверхности суши;

  • палеоботаника — изучает ископаемые останки древних рас­тений

и др. науки.

2. Зоология — изучает строение, распространение и историю развития животных.

Подразделы:

  • ихтиология — наука о рыбах;

  • орнитология — наука о птицах и др. науки об определенных группах животных;

этология — наука о поведении животных.

3. Морфология — изучает особенности внешнего строения
живых организмов.

4. Физиология — изучает особенности жизнедеятельности
живых организмов.

  1. Анатомия — изучает внутреннее строение живых орга­низмов.

  2. Цитология — наука о клетке.

  3. Гистология — наука о тканях.

  4. Генетика — наука, изучающая закономерности наследст­венности и изменчивости живых организмов.

9. Микробиология — изучает строение, способ существования и распространение микроорганизмов (бактерий, одноклеточных) и вирусов.

10. Экология — наука о взаимоотношениях организмов между собой и с факторами окружающей среды.

И др. науки.

Возрастающий темп развития науки и накопления знаний привел к необходимости взаимодействия между различными естественными науками. В ходе такого развития на стыке между биологией и другими научными дисциплинами возник ряд пограничных и иных наук:

1) биофизика — исследует биологические структуры и функ­ции организмов физическими методами;

  1. биохимия — исследует основы жизненных процессов и явлений химическими методами на биологических объектах;

  2. биотехнология — изучает возможности использования имеющих хозяйственное значение микроорганизмов (бактерий, дрожжей) в качестве сырья, а также использование их особых crohctb в производстве.

Для чего необходимо изучать биологию? В тексте одной из лекций Томаса Гексли есть такие строки: «Для человека, не зна­комого с естественной историей, пребывание среди природы подобно посещению художественной галереи, где 90 % всех удивительных произведений искусства повернуты лицом к сте­не. Познакомьте его с основами естественной истории — и вы снабдите его путеводителем к этим шедеврам, достойным быть обращенными к жаждущему знания и красоты человече­скому взгляду».

Помимо познавательной и эстетической стороны, биологи­ческие знания имеют и чисто практическое применение во мно­гих областях человеческой деятельности.

Биологические знания активно используются в пищевой промышленности, фармакологии, производстве товаров народ­ного потребления. В сельском хозяйстве важнейшей проблемой является создание высокоурожайных сортов растений и высоко­продуктивных пород животных, а также разработка на научной основе наиболее оптимальных условий культивирования растений и содержания скота.

Сам человек является живым организмом, поэтому биология является теоретической основой таких наук, как медицина, пси­хология социолога и др.

Домашнее задание: § 1. Термины

Требования к оформлению реферата

1.Реферат оформляется на листах формата А4, в печатном варианте шрифтом Times New Roman 12 пт, с полуторным интервалом и полями: левое — 3 см, правое, верхнее- 1,5 см, нижнее — 2 см. Страницы работы нумеруются начиная с оглавления (номер на станице оглавления не ставиться), внизу или сверху листа по центру.

2.По объему работа должна быть не менее 10 страниц и не более 20 страниц. Каждая новая глава начинается с новой страницы (для этого необходимо установить курсов в конец главы, зайти в меню Вставка и выбрать Разрыв… , в появившемся окне выбрать Новый раздел – Со следующей страницы), отступ от последнего абзаца параграфа до названия следующего параграфа не более 1 — 1,5 см. (36 пт), расстояние до первого абзаца параграфа не менее 0,5см (12пт).

Требования к структуре работы

  • Оглавление — перечисляются названия глав, параграфов, подпунктов с номерами страниц на которых они начинаются.

  • Введение (1-2 страницы) — оговаривается значение и актуальность предложенной темы, цель и задачи работы, так же пути их решения.

  • В основной части (10-15 страниц) раскрывается содержание темы, анализируются источники информации, проводится анализ фактических и статистических материалов, приводятся методики и результаты исследования. В конце каждой главы делаются выводы.

  • Заключение (1-2 страницы) — высказываются предложения, систематизируются выводы, которые сделаны в каждой главе, подводятся итоги работы на основе поставленных целей и задач во введении работы.

  • Список литературы оформляется в алфавитном порядке, сначала публикации на русском языке, затем — иностранные, в конце — другие источники (ссылки на сайты в Интернете). Соблюдайте соответствие ссылок в работе и нумерации в списке литературы.

В списке литературы для каждого источника приводятся: фамилии и инициалы автора, полное название, место издания (город), издательство, год издания и количество страниц, которые обозначаются строчной, то есть маленькой, буквой «с» с точкой.

Ресурсы Интернета.

Например, 5. Смольникова И.А. Рабочий конспект для внедряющих информационные технологии в школе [Электронный ресурс]. – Центр «Информатика». Режим доступа:

http://www.informatika.ru/text/school/its.html (18 фев.1999)

Программа: Пономарева И.Н, Корнилова О.А, Чернова Н.М

Учитель биологии: Антонова С.А

9 класс.

3 – обобщение и систематизация знаний

Тема: «БИОЛОГИЯ — НАУКА О ЖИЗНИ»

Цель урока:

  • Обобщить знания о многообразии форм жизни, доказать,что биология – фундаментальная наука

  • Приобрести навыки работы с таблицами, текстом учебника, выполнением тестов.

  • Освоить умение работать в группе учащихся и самостоятельно оценивать собственные знания.

План урока:

  • Биология – комплексная наука о жизни.

  • Современная биология – комплекс наук, изучающих живую природу.

  • Уровни организации жизни.

  • Царства жизни.

УЭ — 1. Пользуясь учебником “Биология. Общие закономерности жизни. 9 класс” И.Н Пономарева и знаниями курса биологии 6 – 8 классов, заполните таблицу “Биологические науки и объекты ими изучаемые”(время на выполнение – 10 минут).

Таблица “Биологические науки и объекты ими изучаемые”.

Сверьте с классом (время на выполнение — 4 минуты).

Поставьте себе оценку 

УЭ — 2. Пользуясь учебником на странице 8, 1-й абзац, сопоставьте уровни организации жизни и их структурно – функциональные единицы(время на выполнение – 5 минут).

Уровень и его единица:
  1. ________________;

  2. _________________;

  3. _________________;

  4. _________________;

  5. _________________;

  6. _________________.

Ответы сверьте с классом (время на выполнение – 1 минута).

Поставьте себе оценку 

УЭ — 3. Вспомнить, по каким признакам растения, животные, грибы и бактерии относятся к разным царствам.

Задание: пользуясь учебником на странице 10, рисунком 1 параграфа 1 “основные признаки живого – его отличие от неживого”, поставьте плюсы в таблице “сходство и отличие царств живой природы” (время на выполнение – 8 минут).

Таблица “сходство и отличие царств живой природы”.

Ответы сверьте с классом (время на выполнение — 2 минуты).

Поставьте себе оценку 

УЭ — 4. Рефлексия.

Задание: выберите один правильный ответ (время на выполнение — 8 минут).

Тест по теме биологические науки. Уровни организации жизни.

  1. К наукам, изучающим живое на клеточном уровне организации, относят:

  • физиологию

  • цитологию

  • генетику

  • ботанику

  1. Ядерная мембрана характерна для клеток:

  1. Закономерности наследственности и изменчивости организмов изучает наука:

  • морфологию

  • генетику

  • зоологию

  • анатомию

  1. Основная особенность строения прокариотической клетки отсутствие…

  • плазматической мембраны

  • ядра, ограниченного оболочкой

  • клеточной стенки

  • рибосом

  1. Индивидуальное развитие организмов (онтогенез) изучает наука:

  1. Хлоропласты присутствуют в клетках

  • растений

  • животных

  • грибов

  • бактерий

  1. Структурно – функциональной единицей молекулярно – генетического уровня является:

  • организм

  • клетка

  • вид

  • ген

  1. Самым крупным уровнем организации жизни является:

  • молекулярно – генетический

  • популяционно – видовой

  • биосферный

  • биогеоценотический

  1. Самым маленьким уровнем организации жизни является:

  • молекулярно – генетический

  • популяционно – видовой

  • биосферный

  • биогеоценотический

  1. Наука, изучающая ископаемые остатки

Ответы сверьте с классом (время на выполнение — 1 минута)

  1. Поставьте себе оценку 

  2. Ваша итоговая оценка по уроку 

  3. Оценка учителя 

УЭ — 5. Домашнее задание.

Ответьте на вопросы на странице 8. Подготовьтесь к проверочному тесту по уроку № 1.

Методы исследования в биологии | Биология. Реферат, доклад, сообщение, краткое содержание, конспект, сочинение, ГДЗ, тест, книга

Вопрос 1. Какова основная цель науки?

Основная цель науки — изучить и по­знать окружающий мир.

Вопрос 2. Что такое научный метод? В чем его основной принцип?

Научный метод — это совокупность приемов и операций, используемых при построении системы научных знаний.

Основной принцип научного мето­да — ничего не воспринимать на веру. Любое утверждение либо опровержение чего-либо следует проверить.

Вопрос 3. Что такое научный эксперимент?

Научный эксперимент — это один из методов познания, при помощи которого в специально создаваемых и контролируе­мых условиях исследуются явления. Не­пременным условием эксперимента явля­ется то, что он должен сопровождаться контрольным опытом, условия которого отличаются от условий эксперимента только одним фактором.

Отличительной особенностью научного эксперимента служит возможность его по­вторения другими исследователями.

Вопрос 4. Какой факт может считаться на­учным?

Научный факт — это результат, по­лученный в ходе неоднократных наблюде­ний и экспериментов. Научный факт яв­ляется отправной точкой научного иссле­дования.

Вопрос 5. Чем гипотеза отличается от закона или теории?

Гипотеза — научное предположение, объясняющее причины данной совокуп­ности явлений. Если гипотеза выдержива­ет проверку эмпирическими методами, она приобретает статус закона. Закон (ес­тественный закон, или закон природы) описывает неизменные регулярности, ко­торые происходят в природе. Свойствами закона являются периодичность и всеобщ­ность какого-либо класса явлений, т. е. необходимость их возникновения при оп­ределенных, точно формулируемых усло­виях.

Совокупность нескольких законов, от­носящихся к одной области познания, называют теорией. Часто термины «за­кон» и «теория» употребляются как рав­нозначные. Материал с сайта //iEssay.ru

Вопрос 6. Какова роль прикладных и фунда­ментальных исследований в науке?

Фундаментальные научные исследова­ния позволяют понять законы, которые лежат в основе развития природы.

Прикладная наука занимается теми исследованиями, которые находят при­менение на практике, в различных сфе­рах человеческой деятельности. Так, био­логические знания являются базой для практических достижений в медицине, сельском хозяйстве, промышленности, решении экологических проблем.

Методы экологических исследований: наблюдение, моделирование и экспериментирование — видео и стенограмма урока

Наблюдение

Наблюдение именно то, на что это похоже: это когда вы наблюдаете за миром природы, как за растениями, так и за животными, обычно в течение длительного периода времени, чтобы увидеть, какие изменения происходят. Большинство естественных изменений окружающей среды происходят в течение очень длительных периодов времени. Однако по мере того, как мы изучаем воздействие на человека, этот период времени становится короче.

Экологи наблюдают за популяциями разными способами.Они могут отлавливать и выпускать животных, брать образцы крови и оценивать их здоровье, а также надевать на них радиоошейники, чтобы они могли отслеживать их перемещения. Или они могут проводить простые опросы, подсчитывая животных, которых видят.

Прямые исследования — это когда ученые наблюдают за животными напрямую, используя глаза или такие инструменты, как бинокль. Косвенные исследования — это когда ученые ищут признаки животных, такие как их фекалии или останки добычи. Регулярно собирая такие данные, они могут выяснить, как меняется население.

Моделирование

Моделирование включает в себя создание представлений явлений реальной жизни либо физически, либо в наши дни чаще на компьютере. Экологи могут использовать множество моделей. Например, они могут прикрепить GPS-метки к животным, а затем использовать компьютер для создания модели движений животного.

Или они могут создать компьютерную симуляцию пищевой сети, чтобы попытаться предсказать, что изменится в зависимости от судьбы конкретного животного.Ученые в США создали модель экосистемы Йеллоустона, включающую отслеживание перемещений волков, бизонов, лосей и медведей, наблюдение за расположением растительности, количеством снега и вулканической активностью в этом районе. Такое моделирование было особенно важным, когда они впервые рассматривали вопрос о реинтродукции волков в экосистему.

Экспериментирование

Экспериментирование обычно заключается в том, что вы действительно что-то меняете в окружающей среде и смотрите, каков результат.Но в экологии это также может означать наблюдение за конкретным изменением, которое происходит, и анализ результатов, как если бы это было изменение, которое вы сделали в рамках эксперимента.

Экологические эксперименты можно проводить как в лаборатории, так и в дикой природе. Лаборатория обеспечивает большой контроль. Вы можете манипулировать или представить определенное поведение животного и наблюдать за последствиями. Однако результаты могут быть совершенно нереалистичными, если сравнивать их с тем, что может произойти в полевых условиях.

Проведение экспериментов в полевых условиях более точно, особенно с точки зрения того, как животные и растения взаимодействуют друг с другом.Но работа в полевых условиях означает, что иногда трудно понять, что вызвало то или иное событие; часто бывает слишком много переменных.

Резюме урока

Экология — это изучение того, как организмы взаимодействуют друг с другом и с окружающей их средой. Это критически важно сегодня, поскольку люди оказывают огромное влияние на экосистемы, в результате чего многие животные вымирают. Экологи могут изучить, какое влияние эти изменения оказывают на другие части экосистемы. Экологи изучают экосистемы с помощью исследований, среди которых есть три основных метода:

  • Наблюдение , или наблюдение за миром природы с помощью ваших глаз или таких устройств, как бинокль, либо непосредственно путем наблюдения за животными, либо косвенно путем поиска фекалий и добычи.
  • Моделирование или создание представлений, обычно на компьютере, экосистем или перемещений животных, чтобы выяснить, каковы могут быть последствия изменения.
  • Эксперимент : просмотр данных, чтобы увидеть, как изменение повлияло на экосистему, или внесение изменений в лаборатории и отслеживание результатов. Лабораторные эксперименты более контролируемы, но менее реалистичны. Полевые эксперименты более точны, но затрудняют установление причины и следствия.

Комбинируя эти методы, экологи могут многое узнать о том, как работают экосистемы.

Применение методов системной биологии для изучения физиологии человека в экстремальных условиях

Аннотация

Системная биология определяется в этом обзоре как «итеративный процесс построения вычислительной модели и пересмотра экспериментальной модели с целью понимания или моделирования сложных биологических систем». . Мы предполагаем, что на практике системная биология опирается на три столпа: вычисления, дисциплины омики и повторяющиеся экспериментальные возмущения интересующей системы. Количество этически и физиологически значимых возмущений, которые можно использовать в экспериментах на здоровых людях, чрезвычайно ограничено и в основном включает в себя физические упражнения, питание, инфузии (например, Интралипид), некоторые лекарства и измененную среду. Таким образом, мы утверждаем, что системная биология и физиология окружающей среды являются естественными симбионтами для тех, кто интересуется системным пониманием биологии человека. Однако, несмотря на значительный прогресс в высотной генетике и нескольких исследованиях протеомики, исследования системной биологии адаптации человека к экстремальным условиям находятся в зачаточном состоянии.Дается краткое описание и обзор системной биологии в ее нынешнем виде, после чего следует мини-обзор вычислительных методов, используемых для моделирования биологических систем. Особое внимание уделяется высотным исследованиям, реконструкции метаболических сетей и моделированию на основе ограничений.

Обзор

Введение

Термин «системная биология» внезапно появился повсюду. Таким образом, можно было бы простить веру в то, что это что-то новое, но это было бы заблуждением.Применение общей теории систем к живым организмам восходит, по крайней мере, к новаторской работе Людвига фон Берталанфи в 1920-х годах, а возможно, и раньше (см. [1] и ссылки в нем). Чтобы точно понять, что такое системная биология, по крайней мере, в теории и философии, можно было бы сделать хуже, чем собственное описание системы фон Берталанфи и почему общая теория систем приобрела известность в прошлом веке. Он противопоставил теорию систем аналитическому, редукционистскому подходу к науке, который характеризовал научный метод, начиная с Фрэнсиса Бэкона, таким образом, «применение аналитической процедуры зависит от двух условий.Первое состоит в том, что взаимодействия между «частями» должны быть… достаточно слабыми, чтобы ими можно было пренебречь… Только при этом условии части могут быть фактически «выработаны» логически и математически, а затем «собраны». отношения, описывающие поведение частей, будут линейными» [1].

Первое условие достаточно ясно. Второе может быть лучше выражено математически. Если каждую «часть» целого можно описать функцией (скажем, f 1 , f 2 и т.), затем условие два утверждает, что поведение целого (скажем, w ) может быть записано как линейная комбинация частей, т.е. 2 F 2 + 2 + x 3 F 3 … где x 1 , x 2 … и т. Д. — это константы. Для фон Берталанфи нарушение одного или обоих этих условий определяло систему. [1].Немногие, имеющие хоть какой-то опыт биологических исследований, станут утверждать, что эти условия справедливы и для живых существ. Жизнь по своей природе чрезвычайно сложна и хаотична. В последний раз процитируем фон Берталанфи: «Только что упомянутый тогда преобладающий механистический подход, по-видимому, пренебрегал или активно отрицал только то, что существенно в явлениях жизни».

Таким образом, это помогает определить теорию и философию системной биологии. И все же, что это означает на практике? В этом суть и цель данного обзора.В некоторой степени этот обзор будет предвзят из-за собственного опыта совместной работы авторов в этой области. Таким образом, примеры будут взяты из высотных исследований и использования реконструкции метаболической сети. Тем не менее, мы надеемся, что эти точки зрения можно будет широко обобщить, и мы стремимся предоставить базовое введение в системную биологию для неспециалистов. Мы также предлагаем, чтобы системная биология и физиология окружающей среды и физиология упражнений были особенно взаимодополняющими. Мы также кратко обсудим некоторые из предстоящих задач.

Что такое (и не является) системная биология?

Если тогда в этом нет ничего нового, почему системная биология вдруг стала такой заметной? Некоторые неявно утверждают, что системная биология — это мираж, не более чем ребрендинг типа целостного мышления, который некоторые биологи и интегративные физиологи используют на протяжении десятилетий. [2]. Тем не менее, системная биология в ее нынешнем виде отличается от этих более ранних дисциплин. Это связано с достижениями в области технологий, особенно в области секвенирования генома, вычислений и аналитических платформ, таких как масс-спектрометрия и ядерно-магнитный резонанс.Чтобы по-настоящему изучить большую систему целиком, требуется способность моделировать и измерять ее целиком (или, по крайней мере, сделать эффективную попытку сделать это). До появления секвенирования всего генома это было непреодолимой экспериментальной проблемой для биологов. Благодаря достижениям в области вычислительной мощности, геномики, транскриптомики, протеомики, метаболомики и флюксомики становится возможным «профилировать» и моделировать полную биологическую систему или подсистему.

Еще одно распространенное заблуждение состоит в том, что системная биология и так называемая омика дисциплины — это одно и то же.Это тоже заблуждение. Дисциплина омики определяется своими методами как попытка измерить каждый экземпляр вида в определенном классе. Таким образом, протеомика — это попытка измерить каждый белок в клетке или ткани. Системная биология, хотя и использует большую часть данных, генерируемых этими экспериментами, выходит за рамки методов. Реконструкция клеточных метаболических сетей, несомненно, использует данные геномики, протеомики и метаболомики, но также использует данные традиционных ферментных анализов и показателей физиологической функции.Действительно, ключевой тест любой реконструкции заключается в том, способна ли она воспроизвести нормальные физиологические функции интересующей системы. [3]. Еще одна черта, отличающая системную биологию от дисциплин омики, — рекурсивность. Системная биология, как определено здесь (и в других местах [4]) содержит итеративный цикл эксперимента и моделирования, а не один цикл эксперимента и моделирования. В этом отношении системная биология похожа на традиционную биологическую практику, в которой статистика используется для «обработки» экспериментальных данных до того, как «отфильтрованные» наблюдения сравниваются с биологической моделью, что приводит к постепенному пересмотру модели. Это было описано как «модель как гипотеза». [4].

На практике, пожалуй, единственной чертой, которая отличает системную биологию как от омических дисциплин, так и от других родственных дисциплин, таких как интегративная физиология, является центральная роль математического моделирования и компьютерного моделирования — различие, которое было упущено из виду предыдущими комментаторами. [5]. Тем не менее, мы не одиноки в подчеркивании центральной роли вычислений в системной биологии. [6-8]. Поэтому мы предлагаем определить системную биологию (для целей данного обзора) как «итеративный процесс построения вычислительной модели и пересмотра экспериментальной модели с целью понимания или моделирования сложных биологических систем» (рис. ).Хотя ранее существовали существенные различия в том, как определялась системная биология, мы считаем, что наше определение здесь согласуется с формирующимся консенсусом. [4,6,9]. Учитывая огромные объемы данных, генерируемых фирменными методами геномики, транскриптомики, протеомики и метаболомики, интерпретация человеком без посторонней помощи совершенно неадекватна, и системная биология, как определено здесь и в других местах, возникает спонтанно. Тем не менее, типичные эксперименты с омиксами (отдельно) не проходят этот тест; большинство из них предполагает построение многомерных статистических моделей на основе данных каждого изолированного эксперимента, а не постепенное уточнение модели (статистики, специализирующиеся на многомерном моделировании, хорошо осведомлены о проблемах, связанных с этим подходом; вместо этого они рекомендуют такие статистические модели подтверждаются с использованием вновь полученных данных или процедур начальной загрузки [10]).

Итеративный цикл системной биологии (изображение альпиниста предоставлено Caudwell Xtreme Everest).

Многие представители биологических наук продолжают считать, что само словосочетание «биологическое моделирование» является оксюмороном. С их точки зрения, мы утверждаем, что построение модели само по себе является неотъемлемой (хотя и часто неявной) частью биологического мышления. Независимо от того, является ли модель только описательной (как можно найти в разделе обсуждения практически каждой когда-либо опубликованной биологической статьи), графической (т. е. рисунок или рисунок) или полностью количественной, все модели являются не чем иным, как описанием биологической реальности, которую вы считаете действительной. правильный.Добавление чисел к модели просто облегчает оценку ее достоверности; компьютеры необходимы, если сложность количественной (или даже полуколичественной) модели выходит за определенный предел.

Подходы к моделированию биологических систем

Если математическое моделирование и компьютерное моделирование являются отличительными чертами системной биологии, то какие методы используются в настоящее время? Этот обзор является слишком ограниченным форумом для глубокого изучения такой широкой темы; к счастью, уже существует много прекрасных книг и рецензий (см. [4,11-13]).Тем не менее, следует краткое введение, предшествующее более подробному описанию одного конкретного метода: биохимического моделирования в масштабе генома.

Подходы к моделированию биологических систем можно условно разделить на два, часто описываемые как «сверху вниз» и «снизу вверх» (рис. ). Нисходящие методы начинают с данных и подгоняют к ним модели. Таким образом, традиционная статистика — это метод «сверху вниз», как и машинное обучение, распознавание образов и (в широком смысле) биоинформатика. Эти методы могут различать значимые биологические отношения, а иногда даже довольно сложные сети; в таких случаях их часто называют «реверс-инжинирингом».Например, Алгоритм реконструкции точных клеточных сетей (ARACNE) использует статистические методы для реконструкции транскрипционных сетей путем извлечения коррелированных транскриптов из серии биологических возмущений. [14]. ARACNE успешно предсказал 11 из 12 мишеней фактора транскрипции MYC на основе экспериментов по возмущению, которые впоследствии были подтверждены экспериментально. [15]. Из модных в настоящее время многомерных статистических методов, пожалуй, наиболее популярным является анализ основных компонентов (PCA) и его аналоги (например, ортогональная проекция на латентные пространства).Эти методы регулярно используются для обработки данных омики, особенно метаболомики.

Подходы «сверху вниз» и «снизу вверх» к моделированию биологических систем, рассматриваемые в контексте биологических иерархий.

В отличие от нисходящих методов, таких как ARACNE и PCA, это восходящие методы, которые пытаются построить модели на основе существующих или приобретенных знаний о поведении сети и связанности (или топологии). К ним относятся традиционные кинетические модели (основанные на системе дифференциальных уравнений и .[16]) и стохастические методы [17]. Однако оба этих подхода (кинетический и стохастический) в настоящее время ограничены относительно небольшими системами. Захватывающий новый подход к моделированию «снизу вверх» — это реконструкция биохимических сетей в сочетании с набором инструментов моделирования, которые относятся к моделированию на основе ограничений. [18]. Процесс реконструкции хорошо известен для метаболизма и применяется к растущему числу организмов, включая мыши. [19] и человек [20]. Тот же подход можно применить и к другим клеточным функциям, таким как передача сигналов. [21,22] и макромолекулярный синтез [23].Процесс реконструкции был рассмотрен многочисленными группами [24-26], а совсем недавно была сформулирована стандартная операционная процедура, в которой очень подробно описаны необходимые шаги. [3].

Наконец, следует отметить, что различие между моделированием «сверху вниз» и «снизу вверх» не относится к уровню биологической иерархии. Например, можно использовать данные метаболомики, полученные от клеток, и построить на их основе статистическую модель — это будет нисходящее моделирование системы. Точно так же можно построить модель передачи сигнала (от органа к органу) в крови, используя теории потока и диффузии и анатомические измерения.Это будет восходящая модель.

Реконструкция метаболической сети

Мы кратко представим общий подход к реконструкции метаболической сети; более подробное описание можно найти в другом месте [3]. Сначала создается черновик реконструкции на основе аннотированного генома (например, из NCBI). Биохимические базы данных, такие как Киотская энциклопедия генов и геномов (KEGG) [27] и Брауншвейгская база данных ферментов. [28] используются для связывания генов с функционированием и, следовательно, с метаболическими реакциями.Однако получившийся проект реконструкции будет неполным и будет содержать множество отсутствующих или неверных аннотаций. Уточнение и расширение проекта реконструкции осуществляется за счет ручного курирования и широкого использования биохимической литературы, характерной для целевого организма. Особое внимание необходимо уделять субстратной и коферментной специфичности, которая может различаться у разных организмов и может потребовать дополнительных биохимических данных. В качестве третьего шага следует преобразование созданной вручную метаболической реконструкции в математическую модель, которая включает добавление физико-химических и физиологических балансов и границ (или ограничений).Балансами в биохимических сетях могут быть, например, сохранение массы и энергии, и большинство приложений для моделирования метаболических моделей предполагают, что система находится в квазистационарном состоянии. Границы метаболических реакций могут включать максимальные скорости реакций, основанные на свойствах катализирующего фермента (или измеренные in vivo скорости поглощения метаболитов, например, VO 2 max) и термодинамическую информацию (например, направленность реакции). [29,30]). Отладка и оценка сети составляют четвертый этап и гарантируют, что метаболическая модель имеет такие же фенотипические свойства, как и целевой организм.Это включает оценку тупиковых метаболитов (метаболитов, которые либо производятся, либо потребляются в сети, но не оба), чтобы определить, могут ли они быть связаны с оставшейся сетью путем добавления одной или нескольких реакций к реконструкции. Также оценивается способность модели производить собственную биомассу. Этот процесс может привести к выявлению еще большего количества пробелов в сети. Этот этап также включает дальнейшие проверки качества; они будут зависеть от свойств организма-мишени, а также от наличия экспериментальных данных (например, данных фенотипирования, данных нокаута и т. д.).). Пятый и последний этап, несомненно, самый захватывающий: изучение интересующей биологической системы. Сетевые реконструкции нашли широкое применение за последнее десятилетие или около того, включая биологические открытия. [31], метаболическая инженерия [32,33], предсказание результатов адаптивной эволюции [34,35], топология сети [36,37] и оценка фенотипического поведения [38-41]. Некоторые из этих приложений были обобщены в превосходных недавних обзорах. [42-44].

Реконструкция метаболизма человека

Процесс реконструкции метаболизма в масштабе генома, описанный выше, был применен к метаболизму человека, и последующая реконструкция, опубликованная в 2007 г., получила название Recon 1. [20].Recon 1 учитывает функции 1496 открытых рамок считывания, 2766 метаболитов и 3311 реакций, распределенных по восьми клеточным компартментам (цитоплазма, митохондрии, ядро, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы и внеклеточная среда). Эта первая комплексная реконструкция метаболизма человека в масштабе генома охватывает большинство известных центральных метаболических путей, происходящих в любой клетке человека. Эта реконструкция использовалась для многочисленных биомедицинских исследований (рассмотренных в [43]).Кроме того, общая реконструкция метаболизма человека служит отправной точкой для реконструкций, специфичных для тканей и клеток, многие из которых создаются с использованием данных omics (например, транскриптомных и протеомных данных), а также некоторого ручного курирования. Эти реконструкции включают макрофаги [45], гепатоциты [46], миоциты [47] и адипоциты [47]. Недавно также была составлена ​​основная сеть раковых клеток путем сопоставления транскриптомных данных линии раковых клеток NCI-60 с Recon 1. [48].

Следующей неотложной задачей является необходимость создания многосетевых и «трансиерархических» (многомасштабных) моделей. Примерами этого являются недавние модели, описывающие метаболизм двух типов клеток (или тканей) человека и их взаимодействие. [47,49]. В этих случаях модель включает метаболические сети масштаба генома на одном уровне и самую базовую двухузловую модель межклеточного взаимодействия на другом. Сложность даже этих простых моделей выдвигает на первый план грандиозную задачу, стоящую перед нами, если мы хотим смоделировать взаимодействие между несколькими типами клеток, тканями и органами, даже до того, как мы рассмотрели физические сложности анатомии и физиологии.Другими важными мультисистемными моделями являются те, которые пытаются согласовать метаболизм, например, с контролем транскрипции ( cf . [50-52]), и те, которые сочетают грубые модели физиологии с подробными моделями кинетики ферментов. [53]. Опять же, отличный недавний обзор посвящен проблемам, связанным с многомасштабным моделированием. [13].

Два заключительных замечания по восходящим реконструкциям: во-первых, хотя эти модели называются восходящими, они неизбежно являются средними. Это потому, что они опираются на произвольно определенный нижний уровень; почти всегда можно моделировать с более низкого уровня (скажем, атомного или субатомного).Это, однако, поднимает серьезный философский вопрос: возможно ли предсказывать сложные биологические функции с самых нижних иерархических уровней, или нам это вообще недоступно (возможно, из-за формы теоремы полноты Гёделя, предложенной ранее). [4])? Во-вторых, очень важен уровень детализации модели (иногда называемый мелкозернистым или крупнозернистым). Хотя кажется, что увеличение детализации всегда желательно, это может быть не так. [6]. Подгонка параметров (т.е. оценка параметров по данным in vivo ) опасна и может привести к ошибочной достоверности, особенно когда неизвестная и неизмеряемая молекула (или другое влияние) может действовать одновременно на несколько точек в системе (что очень часто может быть дело [7]).Еще одним практическим ограничением степени детализации восходящей модели является вычислительная мощность; нет смысла иметь модель, включающую динамику отдельных молекул, если она совершенно непригодна для использования.

Системная биология в действии — заполнение пробелов в метаболизме человека

Рисунок показывает итеративный цикл системной биологии: построение модели и вычисления генерируют гипотезы, которые проверяются экспериментально, что приводит к дальнейшему уточнению модели. Например, общий и важный вопрос при реконструкции метаболических сетей звучит так: завершена ли реконструкция? Учитывая, что реконструкция метаболической сети использует все доступные в настоящее время данные о человеческом метаболизме, этот вопрос эквивалентен вопросу о том, являются ли наши знания о человеческом метаболизме полными, но при этом полностью тщательными и систематизированными.Можно определить отсутствующие реакции в реконструкции сети, сравнив модельные симуляции с экспериментальными данными. [31]. Этот метод обычно называют заполнением пропусков, и были опубликованы многочисленные вычислительные алгоритмы. [31,54,55]. Точно так же данные метаболомики клеток, тканей и биожидкостей [56-58] можно использовать для выявления недостающих знаний о метаболизме человека; наличие в биожидкости метаболита, отсутствующего на реконструкции, указывает на пробел в знаниях. Существует несколько различных вычислительных подходов [31,55], которые можно было бы использовать в этих случаях для выявления возможных отсутствующих реакций и соответствующих генов. [59,60].Эти вычислительные методы «заимствуют» одну или несколько реакций, о которых известно, что они присутствуют у других видов, из универсальной базы данных реакций (например, базы данных лигандов KEGG). [27]) и добавить их в метаболическую модель, тем самым потенциально восполнив пробел. Если в литературе нельзя найти существующую экспериментальную поддержку, то предсказанные отсутствующие гены и реакции являются гипотезами, требующими экспериментальной проверки.

Исследования в области системной биологии и экстремальной физиологии

Как эти методы могут помочь исследователю экстремальной физиологии (и какая польза от данных о людях в экстремальных условиях для системного биолога)? Центральное место в практике системной биологии, по крайней мере, в клетках, занимает концепция возмущения биологической системы. [6].Таким образом, можно с полным основанием утверждать, что тремя столпами системной биологии являются (1) способность измерять все интересующие переменные (омика), (2) концептуальная структура, в рамках которой можно понять данные (модель) и (3) ) способ возмущения исследуемой системы (эксперимент). Однако список методов, доступных для нарушения биологического гомеостаза здорового человека, относительно невелик и включает физические упражнения, лекарства (с учетом этических ограничений), диетические манипуляции, инфузии (например, липидные эмульсии, такие как Интралипид). [58]) и экологические проблемы, включая экстремальные температуры и гипоксию.Таким образом, экстремальные условия представляют собой один из немногих способов нарушить здоровую человеческую биологию в эксперименте по системной биологии. Как мы заявили вначале, мы считаем, что физиология окружающей среды и системная биология являются естественными симбионтами. Полезность упражнений в этой роли в ограниченной степени уже признана небольшим числом исследователей системной биологии. [61,62]. Те, чьи исследования направлены на адаптацию к окружающей среде, хорошо знают, что закономерности адаптации клеток, органов и физиологии человека к экстремальным условиям удивительно сложны.Редукционистские методы привели к ряду «парадоксов» (например, лактатный парадокс при гипоксии). Как было предложено ранее [63], для разрешения этих парадоксов могут потребоваться методы системной биологии. Например, компьютерное моделирование предполагает, что молекулярная перенаселенность клеток может быть важным, но упускаемым из виду фактором при попытке объяснить ограничения клеточного окислительного метаболизма (и, следовательно, выработки лактата в различных условиях). [61]. Таким образом, сотрудничество между физиологами-экологами и системными биологами (интересующимися физиологией человека) представляется разумным для обеих сторон.

Хотя в настоящее время наблюдается нехватка исследований системной биологии (как определено здесь и в других источниках [4,8]) по физиологии окружающей среды человека, проведены прекрасные работы в области высокогорной генетики и протеомики. Несколько исследований убедительно показали, что человеческие популяции на больших высотах испытали определенную генетическую дивергенцию. Например, два недавних исследования показали, что тибетцы, чьи предки проживали на больших высотах более 10 000 лет, приобрели и сохранили новые мутации в гене, кодирующем молекулу кислородочувствительного фактора, индуцируемого гипоксией (HIF). [64,65].Протеомика на основе двумерного гель-электрофореза, проведенная на биоптатах скелетных мышц, полученных от субъектов, подвергавшихся воздействию в течение 1 недели на высоте 4500 м. [66] показали ряд белков (связанных с транспортом железа и окислительным метаболизмом), содержание которых значительно отличалось у опытных альпинистов после пребывания на экстремально большой высоте. Другие исследователи изучали пептидом мочи человека. [67] и протеом плазмы [68] в ответ на высотное воздействие, в последнем случае уделяя особое внимание выявлению биомаркеров высотного отека легких.Эти и подобные исследования обеспечат строительные блоки для согласованных усилий системной биологии по моделированию и пониманию физиологической реакции человека на большую высоту. Сейчас требуется вычислительная структура, в рамках которой эти разрозненные данные могут быть объединены и исследованы вместе, скорее всего, реконструкция сети, подобная описанной выше. [69]. Существует также обширная литература по экспериментальной гипоксии (и связанным с ней вопросам, таким как передача сигналов HIF) у людей и животных, включая подлинные исследования системной биологии, большая часть которых будет иметь отношение к тем, кто интересуется высотной акклиматизацией ( cf . [70-77]).

Наведение мостов между дисциплинами

Наконец, несколько слов о предстоящих задачах. Растет интерес, обусловленный в некоторой степени программами системной биологии в основных финансирующих агентствах, к налаживанию сотрудничества между учеными из области биологических наук и их коллегами из физических наук (включая физиков, специалистов по информатике, химиков и математиков). Таким образом, собственное сотрудничество авторов между системным биологом/биоинженером и физиологом человека будет становиться все более распространенным явлением.Тем не менее, недостаточно просто поместить ученых-физиков и ученых-биологов «в одной комнате». Ученые-биологи со слабой математикой будут изо всех сил пытаться понять большую часть того, что возможно, в то время как ученые-физики с небольшим опытом или знаниями в области биологии не смогут инстинктивно увидеть как новые приложения, так и потенциальные ограничения. Возможно, игнорируемый аспект этого взаимодействия заключается в том, что незнание дисциплин друг друга ограничивает рамки разговора.

Существует также признание того, что потребуется новое поколение междисциплинарных ученых.В настоящее время основное внимание уделяется переподготовке ученых-физиков и математиков в области наук о жизни, при молчаливом предположении, что это более легкая задача, чем переподготовка ученых-биологов в области математики и вычислений. Мы считаем, что это опасный образ действий. Годы опыта в любой области никогда не пропадают даром, и ученые-биологи приносят с собой врожденное понимание «логики жизни», которое невозможно обрести за несколько коротких недель (или даже лет). Мы не одиноки в этой точке зрения; перефразируя Ideker et al., вклад «междисциплинарных ученых» будет пропорционален их пониманию биологии [6]. Таким образом, физиологи и ученые-биологи должны быть готовы принять вызов, расширив свои знания в области вычислений и (особенно) математики до уровня, который позволит им быть продуктивными системными биологами и взаимодействовать с учеными из других областей на информированной и информированной основе. продуктивная манера. Биология больше не может считаться наукой для тех, кто «не умеет заниматься математикой».

1.1 Биология — Биология для курсов AP®

Цели обучения

В этом разделе вы изучите следующие вопросы:

  • Какие характеристики присущи естественным наукам?
  • Каковы этапы научного метода?

Соединение для AP

® курсов

Биология — это наука, изучающая живые организмы и их взаимодействие друг с другом и с окружающей средой.Научный процесс пытается описать и понять природу вселенной рациональными средствами. Наука имеет много областей; те области, связанные с физическим миром, включая биологию, считаются естественными науками. Все естественные науки подчиняются законам химии и физики. Например, изучая биологию, вы должны помнить, что живые организмы подчиняются законам термодинамики, используя свободную энергию и материю из окружающей среды для осуществления жизненных процессов, которые исследуются в следующих главах, таких как обмен веществ и размножение.

В науке используются два типа логических рассуждений: индуктивное рассуждение и дедуктивное рассуждение. Индуктивное рассуждение использует конкретные результаты для получения общих научных принципов. Дедуктивное рассуждение использует логическое мышление для предсказания результатов, применяя научные принципы или практики. Научный метод представляет собой пошаговый процесс, состоящий из: наблюдения, определения проблемы, выдвижения гипотез, проверки этих гипотез путем планирования и проведения исследований и составления выводов на основе данных и результатов.Затем ученые сообщают о своих результатах научному сообществу. Научные теории подлежат пересмотру по мере сбора новой информации.

Содержимое, представленное в этом разделе, соответствует целям обучения, изложенным в Большой идее 2 структуры учебного плана по биологии AP ® . Цели обучения объединяют содержание основных знаний с одной или несколькими из семи научных практик. Эти цели обеспечивают прозрачную основу для курса биологии AP ® , наряду с лабораторным опытом на основе запросов, учебными мероприятиями и экзаменационными вопросами AP ® .

Большая идея 2 Биологические системы используют свободную энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.
Прочное понимание 2.A Для роста, размножения и поддержания живых систем требуется свободная энергия и материя.
Основные знания 2.А.1 Все живые системы требуют постоянного поступления свободной энергии.
Научная практика 6,4 Студент может делать заявления и прогнозы о природных явлениях на основе научных теорий и моделей.
Цели обучения 2,3 Студент может предсказать, как изменения в доступности свободной энергии влияют на организмы, популяции и экосистемы.

Поддержка учителей

Проиллюстрировать использование научного метода в классе.Разделите учащихся на группы по четыре или пять человек и попросите их разработать эксперименты, чтобы проверить наличие связей, о которых они задавались вопросом. Помогите им решить, есть ли у них рабочая гипотеза, которую можно проверить и опровергнуть. Приведите примеры гипотез, которые невозможно опровергнуть, поскольку они основаны на субъективных оценках. Они не наблюдаемы и не измеримы. Например, птицам нравится классическая музыка, основанная на субъективной оценке. Спросите, можно ли изменить эту гипотезу, чтобы она стала проверяемой гипотезой.Подчеркните необходимость контроля и приведите примеры, такие как использование плацебо в фармакологии.

Биология — это не набор фактов, которые нужно запомнить. Биологические системы подчиняются законам физики и химии. Приведите в качестве примера газовые законы в химии и физиологии дыхания. Многие студенты приходят со взглядами на естественные науки XIX века; каждая дисциплина находится в своей сфере. Приведите в качестве примера биоинформатику, которая использует биологию организма, химию и физику для маркировки ДНК светоизлучающими репортерными молекулами (секвенирование следующего поколения).Затем эти молекулы можно сканировать с помощью светочувствительного оборудования, что позволяет собрать огромное количество информации об их ДНК. Обратите их внимание на тот факт, что анализ этих данных является приложением математики и информатики.

Для получения дополнительной информации о секвенировании нового поколения ознакомьтесь с этим информативным обзором.

Фигура 1,2 Ранее называемые сине-зелеными водорослями, эти (а) цианобактерии, показанные здесь с 300-кратным увеличением под световым микроскопом, являются одними из древнейших форм жизни на Земле.Эти (б) строматолиты вдоль берегов озера Фетида в Западной Австралии представляют собой древние структуры, образованные наслоением цианобактерий на мелководье. (кредит a: модификация работы НАСА; кредит b: модификация работы Рут Эллисон; данные масштабной линейки от Мэтта Рассела)

Что такое биология? Проще говоря, биология — это наука о жизни. Это очень широкое определение, потому что область биологии огромна. Биологи могут изучать что угодно, от микроскопического или субмикроскопического вида клетки до экосистем и всей живой планеты (рис. 1.2). Слушая ежедневные новости, вы быстро поймете, сколько аспектов биологии обсуждается каждый день. Например, недавние темы новостей включают вспышки Escherichia coli (рис. 1.3) в шпинате и заражение Salmonella в арахисовом масле. В глобальном масштабе многие исследователи стремятся найти способы защитить планету, решить экологические проблемы и уменьшить последствия изменения климата. Все эти разнообразные начинания связаны с разными аспектами дисциплины биологии.

Фигура 1,3 Бактерии Escherichia coli ( E. coli ), видимые на этой сканирующей электронной микрофотографии, являются нормальными обитателями нашего пищеварительного тракта, которые помогают всасыванию витамина К и других питательных веществ. Однако вирулентные штаммы иногда вызывают вспышки заболеваний. (кредит: Эрик Эрбе, цифровая раскраска Кристофера Пули, оба из USDA, ARS, EMU)

Процесс науки

Биология — это наука, но что такое наука? Что объединяет изучение биологии с другими научными дисциплинами? Науку (от латинского scientia , что означает «знание») можно определить как знание, охватывающее общие истины или действие общих законов, особенно когда оно получено и проверено научным методом.Из этого определения становится ясно, что применение научного метода играет большую роль в науке. Научный метод — это метод исследования с определенными этапами, который включает эксперименты и тщательное наблюдение.

Шаги научного метода будут подробно рассмотрены позже, но одним из наиболее важных аспектов этого метода является проверка гипотез с помощью повторяющихся экспериментов. Гипотеза – это предполагаемое объяснение события, которое можно проверить.Хотя использование научного метода присуще науке, его недостаточно для определения того, что такое наука. Это связано с тем, что относительно легко применить научный метод к таким дисциплинам, как физика и химия, но когда дело доходит до таких дисциплин, как археология, психология и геология, научный метод становится менее применимым, поскольку становится все труднее повторять эксперименты.

Однако эти области изучения по-прежнему остаются науками. Возьмем археологию — даже если нельзя проводить повторяемые эксперименты, гипотезы все же могут быть подтверждены.Например, археолог может предположить, что существовала древняя культура, на основании найденного куска глиняной посуды. Могут быть выдвинуты дополнительные гипотезы о различных характеристиках этой культуры, и эти гипотезы могут быть признаны правильными или ложными благодаря постоянной поддержке или противоречию других результатов. Гипотеза может стать проверенной теорией. Теория — это проверенное и подтвержденное объяснение наблюдений или явлений. Науку можно лучше определить как области исследований, которые пытаются понять природу Вселенной.

Естественные науки

Что вы ожидаете увидеть в музее естествознания? Лягушки? Растения? Скелеты динозавров? Экспонаты о том, как работает мозг? Планетарий? Драгоценные камни и минералы? Или, может быть, все вышеперечисленное? Наука включает в себя такие разнообразные области, как астрономия, биология, информатика, геология, логика, физика, химия и математика (рис. 1.4). Однако те области науки, которые связаны с физическим миром и его явлениями и процессами, считаются естественными науками.Таким образом, музей естественных наук может содержать любой из перечисленных выше предметов.

Фигура 1,4 Разнообразие научных областей включает астрономию, биологию, информатику, геологию, логику, физику, химию, математику и многие другие области. (кредит: «Редактор изображений»/Flickr)

Однако нет полного согласия, когда речь заходит об определении того, что включают в себя естественные науки. Для некоторых специалистов естественными науками являются астрономия, биология, химия, науки о Земле и физика.Другие ученые предпочитают делить естественные науки на науки о жизни, которые изучают живые существа и включают биологию, и физические науки, которые изучают неживую материю и включают астрономию, геологию, физику и химию. Некоторые дисциплины, такие как биофизика и биохимия, основаны как на науках о жизни, так и на физических науках и являются междисциплинарными. Естественные науки иногда называют «точной наукой», потому что они полагаются на использование количественных данных; социальные науки, которые изучают общество и человеческое поведение, чаще используют качественные оценки для проведения исследований и выводов.

Неудивительно, что естествознание биологии имеет множество ответвлений или поддисциплин. Клеточные биологи изучают структуру и функции клеток, а биологи, изучающие анатомию, исследуют структуру всего организма. Однако те биологи, которые изучают физиологию, сосредотачиваются на внутреннем функционировании организма. Некоторые области биологии сосредоточены только на определенных типах живых существ. Например, ботаники изучают растения, а зоологи специализируются на животных.

Научное мышление

Одна вещь является общей для всех форм науки: конечная цель «познать».«Любопытство и исследование — движущие силы развития науки. Ученые стремятся понять мир и то, как он устроен. Для этого они используют два метода логического мышления: индуктивное рассуждение и дедуктивное рассуждение.

Индуктивное рассуждение — это форма логического мышления, которая использует связанные наблюдения, чтобы прийти к общему заключению. Этот тип рассуждений распространен в описательной науке. Специалист по жизни, такой как биолог, делает наблюдения и записывает их.Эти данные могут быть качественными или количественными, а необработанные данные могут быть дополнены рисунками, картинками, фотографиями или видео. Из многих наблюдений ученый может сделать выводы (индукции), основанные на доказательствах. Индуктивное рассуждение включает в себя формулирование обобщений, сделанных на основе тщательного наблюдения и анализа большого количества данных. Исследования мозга дают пример. В этом типе исследований многие живые мозги наблюдают, когда люди занимаются определенной деятельностью, например рассматривают изображения еды.Предполагается, что часть мозга, которая «загорается» во время этой деятельности, будет частью, контролирующей реакцию на выбранный стимул, в данном случае на изображения еды. «Вспышка» различных областей головного мозга вызвана избыточным поглощением радиоактивных производных сахаров активными областями мозга. Результирующее увеличение радиоактивности наблюдают с помощью сканера. Затем исследователи могут стимулировать эту часть мозга, чтобы увидеть, будут ли в результате аналогичные реакции.

Дедуктивное рассуждение или дедукция — это тип логики, используемый в науке, основанной на гипотезах.В дедуктивном разуме модель мышления движется в противоположном направлении по сравнению с индуктивным. Дедуктивное рассуждение — это форма логического мышления, использующая общий принцип или закон для предсказания конкретных результатов. Исходя из этих общих принципов, ученый может вывести и предсказать конкретные результаты, которые будут верны до тех пор, пока верны общие принципы. Исследования в области изменения климата могут проиллюстрировать этот тип рассуждений. Например, ученые могут предсказать, что если климат в определенном регионе станет теплее, то должно измениться распределение растений и животных.Эти прогнозы были сделаны и проверены, и было обнаружено много таких изменений, таких как изменение пахотных земель для сельского хозяйства с изменением, основанным на средних температурах.

Оба типа логического мышления связаны с двумя основными направлениями научного исследования: описательной наукой и наукой, основанной на гипотезах. Описательная (или исследовательская) наука, которая обычно является индуктивной, направлена ​​на наблюдение, исследование и открытие, в то время как наука, основанная на гипотезах, которая обычно является дедуктивной, начинается с конкретного вопроса или проблемы и потенциального ответа или решения, которые можно проверить. Граница между этими двумя формами исследования часто размыта, и в большинстве научных начинаний сочетаются оба подхода. Нечеткая граница становится очевидной, если подумать о том, как легко наблюдение может привести к конкретным вопросам. Например, в 1940-х годах один джентльмен заметил, что семена репейника, прилипшие к его одежде и шерсти его собаки, имеют структуру крошечного крючка. При ближайшем рассмотрении он обнаружил, что заусенцы более надежны, чем застежка-молния. В конце концов он создал компанию и произвел застежку-липучку, часто используемую в кроссовках без шнурков и спортивных подтяжках.Описательная наука и наука, основанная на гипотезах, находятся в постоянном диалоге.

Научный метод

Биологи изучают живой мир, задавая вопросы о нем и ища научно обоснованные ответы. Этот подход характерен и для других наук, и его часто называют научным методом. Научный метод применялся еще в древние времена, но впервые он был задокументирован английским сэром Фрэнсисом Бэконом (1561–1626) (рис. 1.5), который разработал индуктивные методы для научных исследований.Научный метод используется не только биологами, но может быть применен почти ко всем областям исследования как логический, рациональный метод решения проблем.

Фигура 1,5 Сэр Фрэнсис Бэкон (1561–1626) считается первым, кто дал определение научному методу. (кредит: Пол ван Сомер)

Научный процесс обычно начинается с наблюдения (часто проблемы, которую нужно решить), которая приводит к вопросу. Давайте подумаем о простой задаче, которая начинается с наблюдения, и применим научный метод для ее решения.Однажды утром в понедельник ученик приходит в класс и быстро обнаруживает, что в классе слишком жарко. Это наблюдение также описывает проблему: в классе слишком тепло. Затем ученик задает вопрос: «Почему в классе так тепло?»

Предложение гипотезы

Напомним, что гипотеза — это предполагаемое объяснение, которое можно проверить. Для решения проблемы можно предложить несколько гипотез. Например, одна из гипотез может быть такой: «В классе тепло, потому что никто не включал кондиционер.Но могли быть и другие ответы на вопрос, а значит, могут быть предложены и другие гипотезы. Второй гипотезой может быть: «В классе тепло, потому что отключилось электричество, и поэтому кондиционер не работает».

После выбора гипотезы учащийся может сделать прогноз. Прогноз похож на гипотезу, но обычно имеет формат «Если . . . тогда . . . ». Например, прогноз для первой гипотезы может быть таким: « Если учащийся включит кондиционер, затем , в классе не будет слишком жарко.

Проверка гипотезы

Верная гипотеза должна быть проверяемой. Он также должен быть фальсифицируемым, то есть его можно опровергнуть экспериментальными результатами. Важно отметить, что наука не претендует на «доказательство» чего-либо, потому что научное понимание всегда может быть изменено дополнительной информацией. Этот шаг — открытость к опровержению идей — и отличает науку от не-науки. Присутствие сверхъестественного, например, невозможно ни проверить, ни опровергнуть.Чтобы проверить гипотезу, исследователь проведет один или несколько экспериментов, направленных на устранение одной или нескольких гипотез. Каждый эксперимент будет иметь одну или несколько переменных и один или несколько элементов управления. Переменная — это любая часть эксперимента, которая может варьироваться или изменяться в ходе эксперимента. Контрольная группа содержит все черты экспериментальной группы, за исключением того, что ей не даются манипуляции, о которых выдвигается гипотеза. Следовательно, если результаты экспериментальной группы отличаются от результатов контрольной группы, это различие должно быть связано с предполагаемой манипуляцией, а не с каким-то внешним фактором.Найдите переменные и элементы управления в следующих примерах. Чтобы проверить первую гипотезу, студент должен выяснить, включен ли кондиционер. Если кондиционер включен, но не работает, причина должна быть в другом, и эту гипотезу следует отвергнуть. Чтобы проверить вторую гипотезу, ученик может проверить, работает ли свет в классе. Если да, то сбоя питания нет, и эту гипотезу следует отвергнуть. Каждая гипотеза должна быть проверена путем проведения соответствующих экспериментов.Имейте в виду, что отказ от одной гипотезы не определяет, могут ли быть приняты другие гипотезы; он просто исключает одну неверную гипотезу (см. этот рисунок). С помощью научного метода отвергаются гипотезы, противоречащие экспериментальным данным.

Хотя этот пример «теплого класса» основан на результатах наблюдений, другие гипотезы и эксперименты могут иметь более четкий контроль. Например, студентка может прийти на занятие в понедельник и понять, что ей трудно сосредоточиться на лекции.Одним из наблюдений, объясняющих это явление, может быть: «Когда я завтракаю перед уроком, я лучше концентрирую внимание». Затем студент может разработать эксперимент с контролем, чтобы проверить эту гипотезу.

В науке, основанной на гипотезах, конкретные результаты предсказываются на основе общей предпосылки. Этот тип рассуждения называется дедуктивным умозаключением: дедукция идет от общего к частному. Но возможен и обратный процесс: иногда ученые делают общий вывод из ряда частных наблюдений.Этот тип рассуждений называется индуктивным, и он идет от частного к общему. Индуктивное и дедуктивное мышление часто используются в тандеме для продвижения научных знаний (см. этот рисунок). В последние годы в результате экспоненциального роста данных, хранящихся в различных базах данных, развился новый подход к проверке гипотез. Используя компьютерные алгоритмы и статистический анализ данных в базах данных, новая область так называемых «исследований данных» (также называемых «исследованиями in silico») предоставляет новые методы анализа данных и их интерпретации.Это повысит спрос на специалистов как в области биологии, так и в области компьютерных наук, что открывает многообещающие возможности для карьерного роста.

Связь с научной практикой для курсов AP®

Подумай об этом

Почти все растения используют воду, углекислый газ и энергию солнца для производства сахаров. Подумайте о том, что произойдет с растениями, у которых нет солнечного света в качестве источника энергии или достаточного количества воды. Что произойдет с организмами, выживание которых зависит от этих растений?

Предскажите, что произойдет с организмами, живущими в тропическом лесу, если 50% его деревьев будут уничтожены.Как бы вы проверили свой прогноз?

Поддержка учителей

Используйте этот пример в качестве модели для прогнозирования. Подчеркните, что нет жесткой схемы научного метода. Активная наука — это сочетание наблюдений и измерений. Приведите пример экологии, где традиционный научный метод не всегда применим, поскольку исследователи не всегда могут ставить эксперименты в лаборатории и контролировать все переменные.

Возможные ответы:

Спросите учащихся: «Что происходит с растениями, если интенсивность света низкая или темно?» Ответ заключается в том, что растения скоро умрут, если у них не будет источника энергии. Спросите учащихся: «Что произойдет, если у растений не будет воды?» Общие ответы будут разными, от «Растения высыхают» до «Растения умирают», что является одним и тем же конечным результатом. Что будет с животными, питающимися растениями, без растений? Возможные ответы: «животные будут голодать» или «животные уйдут». Что происходит с теми животными, которые питаются животными, которые питаются этими животными? Они либо умрут, либо мигрируют по «пищевому следу». Это хорошая возможность показать, что экосистема взаимосвязана, и распространить понятия на продуцентов (растения, поглощающие световую энергию), первичных консументов (травоядных) и вторичных консументов (хищников).

Уничтожение тропических лесов затрагивает деревья, животных, питающихся растительностью, укрывающихся на деревьях, и крупных хищников, питающихся более мелкими животными. Кроме того, поскольку деревья положительно влияют на дождь посредством массового испарения и конденсации водяного пара, за вырубкой лесов следует засуха.

Сообщите учащимся, что подобный крупномасштабный эксперимент мог иметь место в прошлом, и предложите следующее задание «Что убило динозавров?»

Некоторые предсказания могут быть сделаны, а последующие наблюдения могут подтвердить или опровергнуть предсказание.

Спросите: «Что убило динозавров?» Объясните, что многие ученые указывают на крушение массивного астероида на полуострове Юкатан в Мексике. Одним из последствий было создание облаков дыма и обломков, которые заблокировали Солнце, уничтожили многие растения и, как следствие, вызвали массовое вымирание. Как это принято в научном сообществе, многие другие исследователи предлагают различные объяснения.

Посетите этот сайт, чтобы увидеть хороший пример сложности научного метода и научных дебатов.

Визуальная связь

Фигура 1,6 Научный метод состоит из ряда четко определенных шагов. Если гипотеза не подтверждается экспериментальными данными, может быть предложена новая гипотеза.

В приведенном ниже примере научный метод используется для решения повседневной проблемы. Упорядочить этапы научного метода (пронумерованные пункты) с процессом решения повседневной проблемы (буквенные пункты). Верна ли гипотеза по результатам эксперимента? Если это неверно, предложите несколько альтернативных гипотез.

  Научный метод   Повседневный процесс
1 Наблюдение А Что-то не так с электрической розеткой.
2 Вопрос Б Если что-то не так с розеткой, моя кофеварка тоже не будет работать при подключении к ней.
3 Гипотеза (ответ) С Мой тостер не поджаривает мой хлеб.
4 Предсказание Д Я включаю кофеварку в розетку.
5 Эксперимент Э Моя кофеварка работает.
6 Результат Ф Что мешает работе моего тостера?
  1. Исходная гипотеза верна.Что-то не так с розеткой, поэтому тостер не работает.

  2. Исходная гипотеза неверна. Альтернативная гипотеза предполагает, что тостер не был включен.

  3. Исходная гипотеза верна. Кофеварка и тостер не работают при подключении к розетке.

  4. Исходная гипотеза неверна. Альтернативная гипотеза включает в себя то, что и кофеварка, и тостер были сломаны.

Визуальная связь

Фигура 1,7 Ученые используют два типа рассуждений, индуктивное и дедуктивное, для продвижения научных знаний. Как и в этом примере, вывод индуктивного рассуждения часто может стать предпосылкой дедуктивного рассуждения.

Решите, является ли каждое из следующего примером индуктивного или дедуктивного рассуждения.
  1. Все летающие птицы и насекомые имеют крылья. Птицы и насекомые взмахивают крыльями при движении по воздуху. Следовательно, крылья позволяют летать.
  2. Насекомые обычно лучше переживают мягкие зимы, чем суровые. Следовательно, насекомые-вредители станут более проблематичными, если глобальные температуры повысятся.
  3. Хромосомы, носители ДНК, разделяются на дочерние клетки во время клеточного деления. Таким образом, ДНК является генетическим материалом.
  4. Такие разнообразные животные, как насекомые и волки, демонстрируют социальное поведение.Следовательно, социальное поведение должно иметь эволюционное преимущество для людей.
  1. 1- индуктивный, 2- дедуктивный, 3- дедуктивный, 4- индуктивный

  2. 1- Дедуктивный, 2- Индуктивный, 3- Дедуктивный, 4- Индуктивный

  3. 1- индуктивный, 2- дедуктивный, 3- индуктивный, 4- дедуктивный

  4. 1-индуктивная, 2-индуктивная, 3-индуктивная, 4-дедуктивная

Научный метод может показаться слишком жестким и структурированным. Важно иметь в виду, что, хотя ученые часто следуют этой последовательности, существует гибкость. Иногда эксперимент приводит к выводам, благоприятствующим изменению подхода; часто эксперимент ставит перед головоломкой совершенно новые научные вопросы. Во многих случаях наука не работает линейно; вместо этого ученые постоянно делают выводы и делают обобщения, находя закономерности в ходе своих исследований. Научное рассуждение сложнее, чем предполагает сам по себе научный метод.Заметьте также, что научный метод можно применять к решению проблем, которые не обязательно носят научный характер.

Два типа науки: фундаментальная наука и прикладная наука

Последние несколько десятилетий в научном сообществе ведутся споры о ценности различных видов науки. Стоит ли заниматься наукой просто ради получения знаний, или научные знания имеют ценность только в том случае, если мы можем применить их для решения конкретной проблемы или для улучшения нашей жизни? Этот вопрос фокусируется на различиях между двумя типами науки: фундаментальной наукой и прикладной наукой.

Фундаментальная наука или «чистая» наука стремится расширить знания независимо от краткосрочного применения этих знаний. Он не ориентирован на разработку продукта или услуги, представляющих немедленную общественную или коммерческую ценность. Непосредственной целью фундаментальной науки является знание ради знания, хотя это не означает, что в конечном итоге оно не может привести к практическому применению.

Напротив, прикладная наука или «технология» направлена ​​на использование науки для решения реальных проблем, что позволяет, например, повысить урожайность, найти лекарство от конкретной болезни или спасти животных, которым угрожает естественная опасность. катастрофа (рис. 1.8). В прикладной науке проблема обычно определяется для исследователя.

Фигура 1,8 После того, как ураган Айк обрушился на побережье Мексиканского залива в 2008 году, Служба рыболовства и дикой природы США спасла этого коричневого пеликана. Благодаря прикладной науке ученые знали, как реабилитировать птицу. (кредит: Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям)

Некоторые люди могут воспринимать прикладную науку как «полезную», а фундаментальную науку как «бесполезную». Вопрос, который эти люди могут задать ученому, выступающему за приобретение знаний, будет звучать так: «Зачем?» Однако внимательное изучение истории науки показывает, что базовые знания привели к множеству замечательных применений, имеющих большое значение.Многие ученые считают, что перед разработкой приложения необходимо иметь базовое понимание науки; поэтому прикладная наука опирается на результаты, полученные с помощью фундаментальной науки. Другие ученые считают, что пора отходить от фундаментальной науки и вместо этого искать решения актуальных проблем. Оба подхода действительны. Это правда, что есть проблемы, которые требуют немедленного внимания; однако немногие решения были бы найдены без помощи широкой базы знаний, созданной благодаря фундаментальной науке.

Один из примеров того, как фундаментальная и прикладная наука могут работать вместе для решения практических задач, произошел после того, как открытие структуры ДНК привело к пониманию молекулярных механизмов, управляющих репликацией ДНК. Нити ДНК, уникальные для каждого человека, находятся в наших клетках, где они дают инструкции, необходимые для жизни. Во время репликации ДНК ДНК создает новые копии незадолго до деления клетки. Понимание механизмов репликации ДНК позволило ученым разработать лабораторные методы, которые сейчас используются для выявления генетических заболеваний.Без фундаментальной науки вряд ли могла бы существовать прикладная наука.

Другим примером связи между фундаментальными и прикладными исследованиями является проект «Геном человека», исследование, в ходе которого была проанализирована и нанесена на карту каждая хромосома человека для определения точной последовательности субъединиц ДНК и точного местоположения каждого гена. (Ген — это основная единица наследственности, представленная определенным сегментом ДНК, который кодирует функциональную молекулу.) Другие менее сложные организмы также изучались в рамках этого проекта, чтобы лучше понять хромосомы человека.Проект «Геном человека» (рис. 1.9) основывался на фундаментальных исследованиях, проведенных с простыми организмами, а затем и с геномом человека. Важной конечной целью в конечном итоге стало использование данных для прикладных исследований, поиска лекарств и ранней диагностики генетически связанных заболеваний.

Фигура 1,9 Проект «Геном человека» — это 13-летняя совместная работа исследователей, работающих в нескольких различных областях науки. Проект по секвенированию всего генома человека был завершен в 2003 году.(кредит: Геномные программы Министерства энергетики США (http://genomics.energy.gov))

В то время как исследовательские усилия как в фундаментальной, так и в прикладной науке обычно тщательно планируются, важно отметить, что некоторые открытия делаются по счастливой случайности, то есть благодаря счастливой случайности или счастливому сюрпризу. Пенициллин был открыт, когда биолог Александр Флеминг случайно оставил чашку Петри с бактериями Staphylococcus открытой. На блюде выросла нежелательная плесень, убивающая бактерии.Плесень оказалась Penicillium , и был открыт новый антибиотик. Даже в высокоорганизованном мире науки удача — в сочетании с наблюдательным и любопытным умом — может привести к неожиданным прорывам.

Отчет о научной работе

Независимо от того, является ли научное исследование фундаментальной наукой или прикладной наукой, ученые должны делиться своими открытиями, чтобы другие исследователи могли расширять и развивать свои открытия. Сотрудничество с другими учеными — при планировании, проведении и анализе результатов — важно для научных исследований.По этой причине важными аспектами работы ученого являются общение с коллегами и распространение результатов среди коллег. Ученые могут делиться результатами, представляя их на научном собрании или конференции, но такой подход может быть достигнут только избранными, присутствующими. Вместо этого большинство ученых представляют свои результаты в рецензируемых рукописях, которые публикуются в научных журналах. Рецензируемые рукописи — это научные статьи, которые рецензируются коллегами или коллегами ученого. Эти коллеги являются квалифицированными специалистами, часто экспертами в той же области исследований, которые судят о том, подходит ли работа ученого для публикации.Процесс рецензирования помогает гарантировать, что исследование, описанное в научной статье или заявке на получение гранта, является оригинальным, значимым, логичным и тщательным. Предложения о грантах, которые представляют собой запросы на финансирование исследований, также подлежат экспертной оценке. Ученые публикуют свои работы, чтобы другие ученые могли воспроизвести свои эксперименты в аналогичных или других условиях, чтобы расширить результаты.

Научная статья сильно отличается от творческого письма. Хотя для разработки экспериментов требуется творческий подход, существуют фиксированные правила, когда дело доходит до представления научных результатов.Во-первых, научный текст должен быть кратким, лаконичным и точным. Научная статья должна быть краткой, но достаточно подробной, чтобы коллеги могли воспроизвести эксперименты.

Научная статья состоит из нескольких специфических разделов — введения, материалов и методов, результатов и обсуждения. Эту структуру иногда называют форматом «IMRaD». Обычно в начале статьи есть разделы с благодарностью и ссылками, а также аннотация (краткое изложение). Могут быть дополнительные разделы в зависимости от типа статьи и журнала, в котором она будет опубликована; например, некоторые обзорные документы требуют плана.

Введение начинается с краткой, но широкой справочной информации о том, что известно в этой области. Хорошее введение также дает обоснование работы; он оправдывает проделанную работу, а также кратко упоминает конец статьи, где будет представлена ​​гипотеза или исследовательский вопрос, лежащий в основе исследования. Введение относится к опубликованным научным работам других авторов и поэтому требует цитирования в соответствии со стилем журнала. Использование работы или идей других без надлежащего цитирования считается плагиатом.

Раздел «Материалы и методы» включает полное и точное описание используемых веществ, а также методов и приемов, используемых исследователями для сбора данных. Описание должно быть достаточно подробным, чтобы другой исследователь мог повторить эксперимент и получить аналогичные результаты, но оно не должно быть подробным. Этот раздел также будет включать информацию о том, как проводились измерения и какие типы расчетов и статистического анализа использовались для изучения необработанных данных.Хотя раздел «Материалы и методы» дает точное описание экспериментов, он не обсуждает их.

Некоторые журналы требуют, чтобы раздел результатов сопровождался разделом обсуждения, но чаще всего они объединяются. Если журнал не позволяет сочетать оба раздела, в разделе результатов просто излагаются результаты без какой-либо дальнейшей интерпретации. Результаты представляются в виде таблиц или графиков, но не должно быть дублирующейся информации. В разделе обсуждения исследователь интерпретирует результаты, описывает, как переменные могут быть связаны, и пытается объяснить наблюдения. Необходимо провести обширный поиск литературы, чтобы поместить результаты в контекст ранее опубликованных научных исследований. Поэтому в этот раздел также включены надлежащие цитаты.

Наконец, в разделе «Выводы» резюмируется важность экспериментальных данных. Хотя научная статья почти наверняка ответила на один или несколько поставленных научных вопросов, любое хорошее исследование должно привести к большему количеству вопросов.Таким образом, хорошо сделанная научная статья оставляет двери открытыми для исследователя и других, чтобы продолжить и расширить результаты.

Обзорные статьи не соответствуют формату IMRAD, поскольку в них не представлены оригинальные научные результаты или первичная литература; вместо этого они обобщают и комментируют результаты, которые были опубликованы в качестве основной литературы, и обычно включают обширные справочные разделы.

Как написать свои методы

Обеспечение понимания, воспроизводимости и воспроизводимости

Что следует включить в раздел методов и насколько подробно?

Почему важны методы

Когда-то раздел методов был наиболее вероятной частью статьи, которая была несправедливо сокращена, чрезмерно обобщена или даже помещена в труднодоступные разделы веб-сайта издателя.В то время как некоторые журналы могут ответственно включать более подробные элементы методов в дополнительные разделы, движение за повышение воспроизводимости и строгости в науке восстановило важность раздела методов. Методы в настоящее время рассматриваются как ключевой элемент в установлении достоверности исследования, о котором сообщается, наряду с открытой доступностью данных и результатов.

Четкий раздел методов влияет на редакционную оценку и понимание читателями, а также является основой прозрачности и воспроизводимости.

Например, проект «Проект воспроизводимости: биология рака» был запущен в 2013 году для воспроизведения экспериментов из 50 высококлассных работ по раку, но изменил свою цель до 18 статей, как только они поняли, сколько методологических деталей не содержится в исходных статьях.

Что включить в раздел методов

То, что вы включаете в свои разделы методов, зависит от того, в какой области вы работаете и какие эксперименты проводите. Тем не менее, общий принцип, принятый в большинстве журналов, хорошо резюмируется в руководящих принципах PLOS ONE : «Раздел «Материалы и методы» должен содержать достаточно деталей , чтобы позволить исследователям с соответствующей квалификацией полностью воспроизвести ваше исследование. ” Акценты здесь сделаны намеренно: методы должны позволить читателям понять вашу статью и воспроизвести ваше исследование. Тем не менее, нет необходимости вдаваться в уровень детализации, который потребовался бы неспециалисту — основное внимание уделяется читателю, который также обучен в вашей области, с соответствующими навыками и знаниями, чтобы попытаться воспроизвести.

Постоянный принцип строгой науки

Раздел методов, который позволяет другим исследователям понять и воспроизвести ваши результаты, является постоянным принципом строгой, прозрачной и открытой науки. Старайтесь быть тщательным, даже если конкретный журнал не требует такого же уровня детализации. Воспроизводимость является нашей ответственностью. Вы не можете создать никаких проблем, превысив минимальный стандарт информации. Если в журнале все еще есть ограничения на количество слов — либо для всей статьи, либо для отдельных разделов — и требуется, чтобы некоторые методологические детали были в дополнительном разделе, это нормально, если дополнительные детали доступны для поиска и доступны для поиска .

Представьте, что вы копируете свою собственную работу через несколько лет

В рамках презентации PLOS о воспроизводимости и открытых публикациях (часть серии воспроизводимости UCSF) мы рекомендуем планировать уровень детализации в разделе методов, представляя, что вы пишете для себя в будущем, копируя свою собственную работу.Когда вы понимаете, что можете находиться в другом учреждении, с другими учетными записями, приложениями, ресурсами и уровнями доступа, вы можете помочь себе представить уровень конкретности, который вам потребуется для повторения точного эксперимента. Рассмотрим:

  • Какие детали вам необходимо напомнить?
  • Какую клеточную линию, или антитело, или программное обеспечение, или реагент вы использовали, и есть ли у них идентификатор исследовательского ресурса (RRID), который вы можете указать?
  • Какую версию вопросника вы использовали в своем опросе?
  • Какой именно визуальный стимул вы показывали участникам, и есть ли он в открытом доступе?
  • Каких участников вы решили исключить?
  • Какой процесс вы наладили в процессе работы?

Совет. Не забудьте зафиксировать любые изменения в ваших протоколах

Вы сами хотели бы знать о каких-либо корректировках, если когда-нибудь воспроизведете работу, так что можете предположить, что кто-то другой тоже захочет.Даже если сделанная вами необходимая корректировка не была идеальной, прозрачность является ключом к тому, чтобы это не рассматривалось как проблема в будущем. Гораздо лучше прозрачно сообщать о любых неоптимальных методах или методологических ограничениях, чем скрывать их, что может привести к воспроизводимости или этическим проблемам в дальнейшем.

Наглядные пособия по методам помощи при чтении всей статьи

Подумайте, может ли визуальное представление ваших методов быть уместным или помочь понять ваш процесс.Визуальный справочник, к которому читатели могут легко вернуться, например блок-схема, дерево решений или контрольный список, может помочь читателям лучше понять всю статью, а не только раздел методов.

Этические соображения

В дополнение к описанию того, что вы сделали, не менее важно заверить читателей, что вы также следовали всем соответствующим этическим принципам при проведении своего исследования. Хотя этические стандарты и рекомендации по отчетности часто представлены в отдельном разделе документа, убедитесь, что ваши методы и протоколы действительно соответствуют этим рекомендациям.Подробнее об этике.

Существующие стандарты, контрольные списки, руководства, партнеры

Хотя уровень детализации, содержащийся в разделе методов, должен определяться универсальными принципами строгой науки, изложенными выше, различные дисциплины, области и проекты усердно работали над проектированием и разработкой согласованных стандартов, руководств и инструментов, помогающих сообщать обо всех виды эксперимента. Ниже вы найдете некоторые из ключевых инициатив. Убедитесь, что вы прочитали руководство по подаче материалов для конкретного журнала, в который вы отправляете материалы, чтобы узнать о каких-либо дополнительных правилах для журнала или области, которым нужно следовать, или об инициативах/инструментах для использования.

Совет: Продолжайте продвигать свою газету, предоставляя надлежащие документы заранее

Обязательно ознакомьтесь с правилами журнала и предоставьте необходимые документы при подаче рукописи. Сбор необходимой документации может значительно замедлить первый раунд рецензирования или привести к задержкам при отправке вашей версии.

Рандомизированные контролируемые исследования — CONSORT
Проект «Консолидированные стандарты отчетности об испытаниях» (CONSORT) охватывает различные инициативы, направленные на предотвращение проблем с неадекватной отчетностью о рандомизированных контролируемых испытаниях. Основная инициатива — это минимальный набор рекомендаций, основанных на фактических данных, для составления отчетов о рандомизированных испытаниях, известный как Заявление CONSORT.

Систематические обзоры и метаанализы — PRISMA
Предпочтительные элементы отчетности для систематических обзоров и метаанализов (PRISMA) — это минимальный набор элементов, основанный на фактических данных, с акцентом на отчеты о обзорах оценок рандомизированных испытаний и других типов исследование.

Исследования с использованием животных – ПРИБЫТИЕ
Руководство по исследованиям на животных: отчеты об экспериментах in vivo (ARRIVE) поощряет максимальное использование информации, сообщаемой в исследованиях с использованием животных, тем самым сводя к минимуму ненужные исследования.(Исходное исследование и предложение, а также обновленные рекомендации в PLOS Biology .)

Лабораторные протоколы
Protocols.io разработала платформу специально для обмена и обновления лабораторных протоколов , которым присвоены собственные DOI и которые можно связывать из разделов, посвященных методам, для повышения воспроизводимости. Контекстуализируйте свой протокол и улучшите обнаружение с помощью сопроводительной статьи Lab Protocol в PLOS ONE .

Непротиворечивая отчетность по материалам, дизайну и анализу – контрольный список MDAR
Группа редакторов и экспертов из нескольких издателей разработала, протестировала и выпустила контрольный список, чтобы помочь установить и согласовать стандарты отчетности в области наук о жизни.Контрольный список, доступный для использования авторами для компиляции своих методов и редакторами/рецензентами для проверки методов, устанавливает минимальный набор требований к прозрачной отчетности и может быть адаптирован к любой дисциплине в области наук о жизни, охватывая широкий спектр потенциально актуальных вопросов. методологические вопросы и соображения. Если вы находитесь в разделе «Науки о жизни» и пишете свои методы, попробуйте поработать с контрольным списком MDAR и посмотрите, поможет ли он вам включить все важные детали в ваши методы и не напомнит ли он вам о чем-то, что вы могли бы пропустить в противном случае.

Резюме Советы по написанию

Основная проблема, с которой вы можете столкнуться при написании своих методов, заключается в обеспечении удобочитаемости И охвата всех деталей, необходимых для воспроизводимости и воспроизводимости. Хотя это сложно, не идите на компромисс со строгими стандартами доверия!

До
  • Не забывайте о воспроизводимости в будущем, а также о понимании и удобочитаемости.
  • Следуйте контрольным спискам, а также руководствам для конкретных областей и журналов.
  • Считайте приверженность строгой и прозрачной науке личной ответственностью, а не просто соблюдением правил журнала.
  • Определите, существуют ли постоянные идентификаторы для любых используемых вами исследовательских ресурсов, которые можно конкретно указать в разделе ваших методов.
  • Разместите свои лабораторные протоколы в Protocols.io, установив к ним постоянную ссылку. Вы можете обновить свои протоколы позже, если улучшите их, как и будущие ученые, которые будут следовать вашим протоколам.
  • Используйте наглядные пособия, такие как блок-схемы, списки, чтобы облегчить чтение других разделов документа.
  • Будьте точны во всех решениях, принятых во время экспериментов, которые должны быть известны тому, кто воспроизведет вашу работу.

Не
  • Обобщайте или сокращайте методы без предоставления полной информации в доступном для поиска дополнительном разделе.
  • Предположим, вы всегда сможете вспомнить, как вы проводили эксперименты, или иметь доступ к личным или институциональным записным книжкам и ресурсам.
  • Попытка скрыть ограничения или неоптимальные решения, которые вам приходилось принимать – прозрачность является ключом к обеспечению достоверности вашего исследования.

Биология

Биология, также называемая биологическими науками, представляет собой изучение живых организмов с использованием научного метода.

Биология исследует структуру, функции, рост, происхождение, эволюцию и распространение живых существ.

Он классифицирует и описывает организмы, их функции, происхождение видов и их взаимодействие друг с другом и с окружающей средой.

Четыре объединяющих принципа составляют основу современной биологии: клеточная теория, эволюция, генетика и гомеостаз.

Биология как отдельная наука возникла в девятнадцатом веке, когда ученые обнаружили, что организмы имеют общие фундаментальные характеристики.

Биология в настоящее время является стандартным предметом обучения в школах и университетах по всему миру, и ежегодно публикуется более миллиона статей в самых разных журналах по биологии и медицине.

Большинство биологических наук являются специализированными дисциплинами.

Традиционно их группируют по типу изучаемого организма: ботаника, изучение растений; зоология, изучение животных; и микробиология, изучение микроорганизмов.

Области биологии подразделяются в зависимости от масштаба изучения организмов и методов, используемых для их изучения: биохимия исследует фундаментальную химию жизни; молекулярная биология изучает сложные взаимодействия систем биологических молекул; клеточная биология исследует основной строительный блок всего живого — клетку; физиология изучает физические и химические функции тканей и систем органов организма; а экология исследует, как взаимодействуют различные организмы.

Прикладные области биологии, такие как медицина и генетические исследования, включают множество специализированных дисциплин.

Центральная организующая концепция биологии состоит в том, что жизнь изменяется и развивается в процессе эволюции и что все известные формы жизни имеют общее происхождение.

Чарльз Дарвин установил эволюцию как жизнеспособную теорию, сформулировав ее движущую силу, естественный отбор (Альфред Рассел Уоллес признан одним из первооткрывателей этой концепции).

Дарвин предположил, что виды и породы возникли в результате процессов естественного отбора, а также путем искусственного отбора или селекционного разведения.

Генетический дрейф был воспринят как дополнительный механизм эволюционного развития в современном синтезе теории.

Биологическая форма и функция создаются и передаются следующему поколению генами, которые являются первичными единицами наследования.

Физиологическая адаптация организма к окружающей среде не может быть закодирована в его генах и не может быть унаследована его потомством.

Примечательно, что самые разные организмы, включая бактерии, растения, животных и грибы, используют один и тот же базовый механизм, который копирует и транскрибирует ДНК в белки.

Например, бактерии со встроенной ДНК человека будут правильно давать соответствующий белок человека.

Основные методы микроскопии. Протоколы и концепции клеток: лабораторное руководство

   

Нажмите, чтобы увеличить

Основные методы микроскопии

Протоколы и концепции Клетки: лабораторное руководство
Предметная(ые) область(и):   Микроскопия и визуализация; клеточная биология; Лабораторные методы; Нейробиология

Дэвид Л. Спектор, Лаборатория Колд-Спринг-Харбор; Роберт Д. Голдман, Медицинская школа Северо-Западного университета, Чикаго

Посмотреть примеры страниц из книги можно здесь.


© 2006 • 382 стр., ил., индекс
Мягкая обложка • 97,00 $ 48,50
ISBN 978-087969751-8
Вы экономите: 50%

  •     Описание    
  •     Содержание    
  •     Отзывы    
  •     Похожие заголовки    
Описание
Визуализация стала жизненно важным инструментом для исследователей во всех аспектах биологии. Недавние достижения в технологии микроскопии, методах маркировки и методах манипулирования генами и белками привели к прорыву в нашем понимании биологических процессов. Чтобы воспользоваться преимуществами этих методов, биологам необходимо понять основные методы микроскопии. Приведенные здесь методы взяты из популярного стандартного лабораторного руководства Клетки: Лабораторное руководство, , и представляют собой надежный курс по основам использования микроскопа в биологической лаборатории.

Основные методы микроскопии представляет собой важное руководство по световой микроскопии, флуоресцентной микроскопии, конфокальной микроскопии, многофотонной микроскопии и электронной микроскопии, подготовке тканей и клеток, маркировке образцов и анализу клеточных событий.

Это руководство является важным инструментом для любого исследователя-биолога, использующего визуализацию в качестве метода исследования.

Содержимое
предисловие
1. легкая микроскопия
2. Конфокальная микроскопия, деконволюция и структурированные методы освещения
3. Многофотона и мультиспектральная лазерная сканирующая микроскопия
4. Приготовление клеток и ткани для флуоресцентной микроскопии
5. Неиммунологическая флуоресцентная маркировка клеточных конструкций
6. Введение в иммунофлуоресцентный микроскопию
7. ИММУНОСТЬ МИКРОТОБУЛОВ, СМОТРЕННЫХ СОЕДИНЕННЫХ БЕСПЛАТНЫХ БЕСПЛАТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МИКРОТУБУЛЯТЫ, а также промежуточные белки с микротрубочками
8. Иммунофлуоресцентная локализация актина
9. Иммунофлуоресцентная локализация ядерных белков
10. Методы иммунофлуоресценции для Saccharomyces cerevisiae
11. иммунофлюоресценция Метода Drosophila
ТКАНЕЙ 12. иммунофлюоресценция Методы Caenorhabditis Элеганс
13. Анализа ДНК-репликация: неизотопная Этикетировочные
14. Анализ РНК Синтез: неизотопная Этикетировочные
15. Флуоресцентная гибридизация in situ с ДНК
16. Флуоресцентная гибридизация in situ цельного препарата с Drosophila Хромосомная ДНК
17. in situ hybridization к РНК
18. Всего на месте Обнаружение rnas в эмбрионах позвоночных и изолированных органах
19. Производство изображений с использованием электронной микроскопии с использованием электронной микроскопии
20. Подготовительные методы передачи электронной микроскопии
21. Иммуноэлектронная микроскопия
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Микроскопия: линзы, фильтры и спектры излучения/возбуждения
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Предостережения
Алфавитный указатель
отзывов

  «Подводя итог, можно сказать, что эта книга является полезным справочником для учебной лаборатории или лаборатории микроскопии с очень общими интересами к различным методам микроскопии, в первую очередь для фиксированных тканей».
Microbiology Today

  «Любая исследовательская лаборатория, использующая микроскопию, получит огромную пользу, имея этот том под рукой.Компоненты, от основных оптических принципов и теорий, лежащих в основе самого простого светового микроскопа, до высокотехнологичного просвечивающего электронного микроскопа, четко описаны в тексте, рисунках и легендах. Представлены различные методы флуоресцентной микроскопии, в том числе протоколы подготовки образцов, подготовка слайдов и покровных стекол, а также надлежащий уход, техническое обслуживание и очистка оптического оборудования. Удобный раздел устранения неполадок содержит рекомендации по устранению проблем с изображением.
Ежеквартальный обзор биологии

Философия биологии: анализ живых систем может порождать как знания, так и иллюзии

[Мы повторяем здесь замечания рецензентов курсивом, а наши ответы приводим по пунктам, а также описание внесенных изменений римским шрифтом.]

Рецензент #1

В этом эссе рассматриваются методологические и философские аспекты биологии в широком понимании. Автор задает важные вопросы, в том числе: «Как сторонний наблюдатель может оценить прогресс [биологов]?» (хотя я не уверен, что здесь предлагается надежный ответ), и дает классификацию (систематизацию) основных подходов в этой области. Обсуждаются этот и ряд других важных метанаучных вопросов, включая воспроизводимость и справедливость обзора.В целом, это важный подход, и я думаю, что он будет ценным, но он кажется немного скудным в отношении практических предложений (за исключением хорошей и новой идеи, которая должна быть явно выражена в статьях о выводах и методах в отношении общей таксономии) или в отношении глубоких идеи, которые не были сделаны в более длинных частях в прошлом (по общему признанию, в журналах, которые читают немногие биологи). Я предлагаю несколько моментов, которые повысят ценность для читателей.

Я благодарю рецензента за положительные слова и за одобрение явного включения утверждений о выводах в раздел «Методы».Там, где это возможно, я сделал предложения о том, как можно решить проблемы. Однако возможно, что некоторые проблемы в настоящее время не так просто решить, возможно, из-за неразвитости методов (например, оценка влияния объединенных поисковых и подтверждающих исследований). В таких случаях я просто привлекал внимание к проблеме и выделял текущую трудность.

Над названием можно немного поработать — я не уверен, что все поймут значение слова «иллюзии» (не прочитав сначала статью), но это может привлечь людей, так что, возможно, это нормально.В целом я нахожу аргументы убедительными.

Я упростил название до «Знания и иллюзии, полученные при анализе живых систем».

Примечание редактора: позже название было изменено на: «Анализ живых систем может порождать как знания, так и иллюзии».

Несколько мелких замечаний:

В совокупности приведенные ниже комментарии предполагают расширение сферы охвата статьи, включив в нее анализ живых систем в нескольких масштабах.Хотя таксономия может применяться в нескольких масштабах (причина представления живых систем в виде абстрактной сети на рис. 1), в предыдущей версии этот аспект не выделялся и для простоты был сфокусирован на одном масштабе — молекулярном. Я подчеркнул многоуровневый характер предлагаемой таксономии в начале статьи и предоставил конкретные примеры для работы с другими шкалами на протяжении всей статьи, как это было предложено рецензентом.

— «Вывод с использованием подходов [возмущения] требует предварительных моделей того, как построена живая система.«Я не уверен, что это правильно — многие эксперименты с возмущениями (например, классические работы по биологии развития с использованием трансплантации, тератологии и т. д.) были выполнены без какой-либо модели механизма, и даже современные скрининговые (высокопроизводительные) подходы часто выполняются. «независимой от модели манере. В целом, я предлагаю, чтобы раздел «Возмущения» не был сосредоточен исключительно на генетике, так как это всего лишь один из инструментов возмущений в наборе инструментов биологов. Он слишком узко понимается в том виде, в каком он написан, чтобы соответствовать названию статьи. который относится к «живым системам» (т.д., а не только на молекулярном уровне).

Благодарю рецензента за указание на эту ошибку. Это утверждение предназначалось для привлечения внимания к предшествующей концепции живой системы, необходимой для вывода о том, что означает возмущенный результат или о том, что возмущение действительно произошло. Я согласен с тем, что слово «модель» не подходит для передачи этой идеи, потому что оно означает молекулярный механизм в контексте остальной части статьи (предыдущая версия). Теперь я расширил утверждение, чтобы сделать предполагаемый смысл более ясным.Я также включил несколько примеров различных видов возмущений, предложенных рецензентом, и проиллюстрировал конкретные предшествующие концепции, которые влияют на вывод после эксперимента с возмущениями. Например, в знаменитых экспериментах Шпемана и Мангольда с органайзером в эмбриологии интерпретация результатов требует представления о том, что кусок эмбриональной ткани может быть источником неизвестных факторов, помогающих паттернировать весь эмбрион. Современный скрининг выбирает конкретные возмущенные результаты на основе предварительного ожидания того, как будет выглядеть возмущенная интересующая система, или того, что конкретная манипуляция является возмущением, что иногда приводит к неожиданным результатам.Например, генетическая компенсация может исказить вывод (El-Brolosy and Stainier, PLoS Genetics , 2017). Известным недавним случаем, подчеркивающим эту проблему, является несоответствие между возмущениями, вызванными морфолино, и редактированием генома, опосредованным Cas-9, у рыбок данио (Kok et al., Dev. Cell , 2015), некоторые из которых в настоящее время считаются объясненными. путем транскрипционной адаптации (Ma et al., Nature , 2019, El-Brolosy et al. , Nature , 2019).

— «Визуализация» также полностью ориентирована на молекулярную маркировку.Я думаю, что если автор хочет придерживаться этого уровня анализа, возможно, следует сделать название более конкретным — прямо сейчас оно обещает более всесторонний взгляд на биологию. Многие аспекты визуализации систем на анатомическом, метаболическом, нейробиологическом, поведенческом и популяционном уровнях здесь даже не упоминаются.

Теперь я использовал примеры из нескольких шкал, чтобы проиллюстрировать возможные виды визуализации и виды ограничений, которые могут затруднить вывод.Например, в анатомическом масштабе ограничения разрешения измерения в сочетании с предубеждениями, поддерживаемыми преобладающими теориями, могут привести к упущению функций системы — например, рассмотреть оценки размера опухоли и разработки, которые были необходимы для улучшения их визуализации. В масштабах популяции трудности с подсчетом отдельных видов могут исказить предполагаемый состав и трофические отношения в экосистеме. На поведенческом уровне неспособность визуализировать аспекты поведения может привести к глубоким заблуждениям об организме.Например, недавняя способность наблюдать за поведением животных ночью в дикой природе, не беспокоясь об этом, меняет наше понимание наземных животных. В глубоком океане недавняя способность получать изображения без помех выявила связь между бентосными организмами на основе света.

— «Восстановление» также рассматривается чисто на молекулярном уровне, не включая, например, важные инструменты восстановления, такие как трансплантаты / химеры, органоиды, биоботы и т. Д., И другие примеры синтетической биоинженерии.

Теперь я расширил этот раздел, включив в него восстановление в дополнительных весах. Например, человеческие эмбрионы могут быть образованы из сперматозоидов и яйцеклеток in vitro (Edwards, et al., 1969), что подтверждает достаточность этих двух типов клеток для образования человеческих эмбрионов.

— Приложения. Автор прав, сосредоточив некоторое внимание на исследовательском анализе, который часто скрывается в пользу повествования с «жестким выводом», но здесь мало говорится о том, что с этим делать.

Сложности, возникающие из-за смешения поисковых и подтверждающих исследований, когда упор делается на рассказывание историй, требуют более глубокого анализа и обсуждения научным сообществом, которые выходят за рамки этой статьи. К сожалению, простое решение этой проблемы может быть недоступно. Тем не менее, широкое осознание проблемы является отправной точкой для коллективной работы над ее решением. Таким образом, основными целями этой статьи остаются введение единой классификации подходов к пониманию живых систем и приглашение научного сообщества к обсуждению способов реализации такого системного и метанаучного мышления для улучшения научной практики.

В целом, попытка систематизировать биологию таким образом ценна, и я аплодирую автору за то, что он взялся за это. Однако в том виде, в каком она написана, она толкуется очень узко, и я не уверен, что она дает представление обо всей биологии, которое предлагается во вступительном тексте или которое захотят читатели eLife. Один из способов решить эту проблему — указать в названии «Молекулярная биология» или что-то подобное и просто решить, что речь пойдет только об этом уровне исследований. С другой стороны, если есть место, я был бы счастлив увидеть большую часть, которая соответствовала бы гораздо более фундаментальной и всеобъемлющей цели, предложенной в реферате: «приобрести знания о живых системах».В нынешнем виде он слишком узок для этого (какая бы большая цель ни была).

Теперь я расширил объем статьи, чтобы осветить применение таксономии к дополнительным шкалам, и включил иллюстративные примеры по шкалам по всей статье.

Рецензент #2

Мне очень трудно рецензировать эту статью. Обычно, как рецензент, я пытаюсь оценить, насколько строги методология и результаты, и насколько основательно исследована литература, а также обоснованы ли выводы (или, по крайней мере, разумны предположения) на основе представленной информации. Но эта рукопись — не научная статья, а эссе по эпистемологии, следовательно, «мнение». Поэтому я не могу использовать свой обычный метод для его оценки. Я могу только ответить более «мнением», и я обычно уклоняюсь от этого, поскольку это сфера религии и политики, а не науки.

Как отмечает рецензент №1, в этой статье рассматриваются методологические и философские аспекты науки, в частности, применительно к пониманию живых систем. Дух статьи соответствует убеждению, что философские соображения могут иметь практическое применение для науки (т.г., Лаплан и др., PNAS, 2019). С методологической точки зрения эта статья развивает всеобъемлющую классификацию и приглашает к будущим дебатам о таких общих классификациях. С философской точки зрения, эта статья выдвигает на первый план всегда присутствующее неизвестное неизвестное при использовании любого подхода, который может поставить под сомнение наиболее горячо поддерживаемые известные.

В целом, я чувствую, что эта статья поднимает некоторые интересные вопросы, которые заслуживают дальнейшего обсуждения и рассмотрения многими учеными. Я не уверен, что согласен с тем, что это окончательная классификация подходов (например, простое «описание» системы на выбранном уровне или уровнях явно не включено, и многие исследования начинаются именно так, и существуют различные типы построения теоретической модели). которые нелегко включить в «моделирование»), но шесть выбранных для функционального анализа являются общими.

Как указано в статье, будущие периодические дебаты о классификации помогут обогатить и уточнить наше понимание методов, которые у нас есть и которые мы приобретем. Предыдущая версия статьи не распространялась на применение таксономии по нескольким шкалам, что делает неясным, какое место в классификации занимает «описание». Как предложил рецензент №1, теперь я расширил многомасштабное приложение, и «описание» в любом масштабе по сути является «визуализацией», т.е.е., посмотреть, что там есть и сообщить об этом. Например, при описании экосистемы мы подсчитываем количество организмов, смотрим на их форму, размер и любые другие характеристики, которые можем увидеть (невооруженным глазом или с помощью дополнительных приборов). В текущий расширенный раздел о «моделировании» включены методы, начиная от набросков идей на листе бумаги для имитации того, как система может работать, и заканчивая выполнением вычислений in silico для исследования виртуального воссоздания системы.

Вопрос о том, какую статью хочет опубликовать eLife и под каким заголовком, зависит от редакторов.Я думаю, что это больше подходит для редакционной статьи в журнале, таком как Nature или Science, или, возможно, как эссе в BioEssays или подобном. В любом случае его нужно написать гораздо более плавно, чтобы сделать его более привлекательным и доступным для ученых-экспериментаторов, которые иначе не склонны думать об этих более крупных философских и эпистемологических проблемах. Мне довольно трудно это читать, даже если я уже некоторое время размышлял над этими вопросами.

Я стремился упростить предложения во всей рукописи и ценю редакционную помощь, предложенную журналом для улучшения ясности и удобочитаемости. Я надеюсь, что эти усилия сделают статью более привлекательной.

Мне не нравится предписывающий тон в отношении того, что должны делать рецензенты — он придает эссе излишне высокомерный тон. Хотя верно то, что знание сильных сторон и ограничений конкретных типов подходов необходимо для определения того, обоснованы ли выводы серии экспериментов, у рецензентов есть много разных способов добиться этого, и эта классификация из шести частей слишком удобна. жесткая основа для защиты общего использования.Я думаю, что статья выиграла бы, если бы комментарии о рецензировании были удалены. Где эта классификация (или другие способы оценки доказательств и выводов), вероятно, особенно важна, так это при написании обзоров, которые обобщают работу ряда статей в области — многие обзоры не являются достаточно аналитическими или интегративными и, следовательно, часто не предпринимают никаких действий. критическая оценка, которая могла бы позволить читателям более четко увидеть сильные и слабые стороны различных исследований.

Цель предложений состоит не в том, чтобы быть запретительными, а в том, чтобы добавить конкретное предложение, которое можно либо принять, либо проигнорировать после обсуждения его достоинств.Теперь я переформулировал этот раздел, чтобы смягчить любое кажущееся высокомерие в тоне. Как подчеркивается в статье, процесс рецензирования в настоящее время подвергается многочисленным экспериментам, и это предложение способствует обсуждению наилучшего способа проведения рецензирования, которое, на мой взгляд, является бесценной частью науки. Я считаю, что конструктивная экспертная оценка может улучшить работу автора, что, безусловно, и произошло с этой статьей.

Я согласен с превосходным мнением рецензента о том, что эта классификация поможет при написании более аналитических и комплексных обзоров, и теперь в пересмотренной рукописи есть предложение, чтобы выделить это использование в разделе рецензирования.

Рецензент #3

Это необычная для меня статья, и я предлагаю свои реакции на нее — я не уверен, правильно или неправильно то, что я должен сказать. Автор делает несколько интересных наблюдений о том, как ученые используют возмущение, визуализацию, замену, характеристику, восстановление и моделирование некоторых аспектов живой системы, пытаясь понять, как она работает. Автор подчеркивает, как каждый из этих подходов в отдельности в сочетании с социологическими нормами ученых способствовал ошибочным или вводящим в заблуждение выводам, обычно используя один эффектный пример, чтобы подчеркнуть суть каждого подхода в этом эссе.

Благодарю рецензента за положительные слова.

Неясно, в какой степени эти примеры репрезентативны для более широкого предприятия науки о жизни, хотя ясно, что они долгое время играли роль в поддержании некоторых неправильных представлений. Можно ли каким-то образом оценить значимость и частоту используемых примеров?

Рецензент поднимает отличный и сложный вопрос, ответ на который требует обширного изучения, выходящего за рамки данной статьи. В частности, для ответа требуется всесторонний исторический (и прогнозный?) обзор науки, который был сделан (и будет сделан?). Одним из источников, в котором представлен частичный исторический обзор примеров возникновения, существования в течение длительного времени, а затем ниспровержения заблуждений, является книга Томаса Куна «Структура научных революций». Однако даже такое исследование не позволяет оценить частоту. Оценка частоты становится все более сложной из-за растущего объема научной литературы.

В исправленной версии статьи выделено применение таксономии к дополнительным шкалам и субдисциплинам, чтобы подчеркнуть широкое использование такой таксономии методов в науках о жизни (и, возможно, во всех науках).

Вопросы, которые поднимает автор, безусловно, заслуживают внимания, и важно, чтобы эссе привлекло к ним внимание читателя. Однако неясно, насколько эффективным будет предлагаемое решение явного изложения предполагаемой парадигмы.Другие предложения для редактора по фиксации дискуссий и повышению прозрачности процесса хороши и уже являются стандартной практикой для eLife!

Четкое изложение предполагаемой парадигмы может помочь авторам и читателям определить допущения/основы, необходимые для того, чтобы выводы были достоверными. Часто они остаются неустановленными и могут привести к поиску понятий и сущностей, которые могут не существовать — исторические примеры включают поиск светоносного эфира как среды, передающей свет, и флогистона как переносчика тепла.Тем не менее, предложения, представленные в статье, являются отправной точкой для будущих дискуссий. Основная цель статьи — привлечь внимание к этим вопросам, влияющим на то, как делается, представляется и оценивается наука.

В отличие от eLife , многие журналы еще не имеют активных сводок процесса рецензирования редакторами. Я надеюсь, что аргументы, представленные в этой статье, дополнят аргументы, представленные в другом месте, чтобы способствовать более широкому распространению этой практики.

Также было бы полезно и интересно рассказать больше о предыстории исследования, включая тупики, альтернативные гипотезы, а иногда и случайное обнаружение соответствующей основы.Большинство ученых вполне осознают надуманный характер повествования, которое часто создается для того, чтобы сделать краткую блестящую статью с несколькими нерешенными открытыми вопросами. Сыграли ли какую-то роль ограниченность места и предполагаемые желания некоторых «ведущих» журналов (по крайней мере, в прошлом) в поощрении эволюции этого надуманного нарратива? Возможно, цифровая публикация дает возможность более легко ответить на вопросы, подчеркнутые в этом эссе, с возможностью обеспечить прозрачность и множество возможностей для более глубокого изучения дополнительных материалов в предысторию, альтернативные гипотезы, статистический анализ и т. д.

Я согласен с рецензентом в том, что цифровая публикация может облегчить четкое определение часто извилистого пути к открытию. Однако наша коллективная неспособность оценить статистическую точность выводов в исследовании останется. Кроме того, погоня за сегодняшней «полной» историей при игнорировании или запутывании неполноты намеренно делает научное понимание более скачкообразным, чем оно должно быть, переходя от одной ложной картины к другой и снижая доверие к опубликованным моделям.Поэтому в статье подчеркивается эта трудность, чтобы вызвать обсуждение наиболее продуктивных направлений действий для научного сообщества.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.