Таблица методы изучения биологии: Методы исследования в биологии (5 класс) – наблюдение и эксперимент в таблице

Ответ §3. Методы изучения природы

1) Объясните, зачем люди изучают природу.

 

• Ответ: чтобы сохранить живую природу во всём ее многообразии, знать, в чём ценность каждого вида для людей. В конце концов, человек – это часть живой природы.

 

2) Заполните таблицу.

 

• Ответ:

   

  Методы изучения природы
  Метод	С какой целью применяется
  Наблюдение	Чтобы изучать природу поведения живого организма, не вмешиваясь в процесс
  Измерение	Установить нормальное числовое значение чего-либо
  эксперимент	Искусственно смоделировать ситуацию и наблюдать за поведением
  Моделирование	Воссоздание предметов подобных живой природе с целью исследования
  Сравнение	Сравнить признаки и свойства двух и более организмов

 

3) Укажите, какие методы применяют в природе, а какие в лаборатории.

 

• Ответ: 1. В природе используют методы: наблюдение, сравнение, описание.

  2. В лаборатории используют методы: измерение, эксперимент, моделирование.

 

4) Укажите методы, с помощью которых можно изучать следующие явления природы.

 

 

5)*В выходной день понаблюдайте за поведением домашнего животного (кошки, собаки, хомячка, крысы или любого др.). Что оно делает в тот или иной отрезок времени? Все виды деятельности записывайте в таблицу в краткой форме, например: в период с 10:00 до 12:00 спит, ест, умывается, играет.

 

  

Ответ:

Время	Что делает животное?
8:00-10:00	играет
10:00-12:00	ест
12:00-14:00	спит
14:00-16:00	умывается

 

6)* Проанализируйте заполненную таблицу. Укажите, в какой отрезок времени животное наиболее активно ведёт себя. В какое время в основном спит? Когда питается? Сравните результаты своих наблюдений с результатами одноклассников. Запишите вывод о поведении животного в течения дня, сделанный по результатам наблюдений.

 

Методы исследования в биологии

Цели:

• Создать представления о науке как важнейшей сферы человеческой деятельности.
• Познакомить учащихся с особенностями и разнообразием методов познания живого.
• Основные понятия:научный факт, научный метод, методы биологических наук (описательный, сравнительный, исторический, экспериментальный).

Средства обучения:

презентация, различные приборы или их схемы.

Этапы урока

I. Проверка знаний и умений.

Фронтальная беседа по вопросам.

1) Какие направления в развитии биологии вы можете выделить?

2) Какие великие учёные древности внесли заметный вклад в развитие биологических знаний?

3) Почему в средние века о биологии как науке можно было говорить лишь условно?

4) Почему современную биологию считают комплексной наукой?

5) Какова роль биологии в современном обществе?

II. Изучение нового материала.

1. Рассказ учителя с элементами беседы о науке как одной из сфер человеческой деятельности, её целях и методах; об особенностях научных знаний, научных фактах.

Наука – одна из сфер человеческой деятельности, цель которой – изучение и познание окружающего мира. Для научного познания необходим выбор определённых объектов исследования, проблем и методов их изучения. Каждая наука имеет свои методы исследования. Однако независимо от того, какие методы используются, для каждого учёного важнейшим остаётся принцип “Ничего не принимай на веру”. Главная задача науки – построение системы достоверного знания, основанного на фактах и обобщениях, которые можно подтвердить или опровергнуть. Научные знания постоянно берутся под сомнение и принимаются лишь при достаточных доказательствах.

Научным фактом является лишь тот, который можно воспроизвести и подтвердить.

Научный метод – это совокупность приёмов и операций, используемых при построении системы научных знаний.

Вся история развития биологии наглядно свидетельствует о том, что она определялась разработкой и применением новых методов исследования.

2. Основными методами исследования, применяемые в биологических науках, являются:

• Наблюдение
• Описание
• Систематизация
• Сравнение
• Эксперимент
• Аналитический метод
• Исторический метод
• Моделирование

Беседа об этих методах с элементами самостоятельной работы учащихся по изучению текста учебника (п.2 стр.10-11) и с использованием презентации.

Фиксирование в тетрадях характерных особенностей методов исследования в биологии.

Итоговая беседа об этапах научного исследования. Может выступить заранее подготовленный ученик с сообщением об этих этапах, сборе фактов, выдвижении гипотезы, проведении экспериментов, оформлении теории с определёнными правилами и законами.

III. Подведение итогов урока в процессе обобщающей беседе:

— о задачах и целях науки

— о значении методов, для развития науки биологии

— о наибольшем распространении экспериментального метода

— о применении метода моделирования и т.д.

IV. Домашнее задание:

Изучить параграф 2.Ответить на вопросы на странице 11.Выполнить одно из заданий на странице 12.

Дополнительная информация.

Некоторые учёные осуществляют серьёзные исследования в поисках живых организмов, пока неизвестных и не признанных официальной наукой, таких, как реликтовый гоминид, которого нередко называют снежным человеком. Эти исследования лежат в основе новой отрасли биологической науки – криптозоологии.

Вопросы линии 1 — науки, методы, уровни организации

Науки, методы, уровни организации (вопросы линии 1) Некоторые методы, встречающиеся в ЕГЭ по биологии, отличаются от методов, описанных в школьных учебниках. В вопросах линии 1 ЕГЭ по биологии требуется написать методы, науки или уровни

1. Рассмотрите таблицу «Методы биологических исследований» и заполните пустую ячейку, вписав соответствующий термин

Методы	Применение методов
популяционно-статистический	изучение распространения признака в популяции
________________________	определение количества сахара в крови

 

2. Рассмотрите таблицу «Биология как наука» и заполните пустую ячейку, вписав соответствующий термин

Разделы биологии	Объекты изучения
экология	взаимодействие организмов с окружающей средой
________________________	строение внутренних органов человека

 

3. Рассмотрите таблицу «Уровни организации живой природы» и заполните пустую ячейку, вписав соответствующий термин

Уровни	Примеры
________________________	симбиоз корней дерева и шляпочного гриба
популяционно-видовой	борщевик сосновского

 

4. Рассмотрите таблицу «Биология как наука» и заполните пустую ячейку, вписав соответствующий термин

Разделы биологии	Объекты изучения
гигиена	условия сохранения здоровья человека
________________________	окаменелости и отпечатки ископаемых организмов

 

5. Рассмотрите таблицу «Уровни организации живой природы» и заполните пустую ячейку, вписав соответствующий термин

Уровни	Примеры
________________________	эритроцит
популяционно-видовой	коровяк медвежье ухо

 

6. Рассмотрите таблицу «Методы биологических исследований» и заполните пустую ячейку, вписав соответствующий термин

Методы	Применение методов
________________________	определение структуры митохондрии
биохимический	изучение активности фермента

 

7. Рассмотрите таблицу «Биология как наука» и заполните пустую ячейку, вписав соответствующий термин

Разделы биологии	Объекты изучения
________________________	механизм сокращения бицепса
биогеография	распространение сумчатых млекопитающих

 

8. Рассмотрите таблицу «Методы биологических исследований» и заполните пустую ячейку, вписав соответствующий термин

Методы	Применение методов
цитогенетический	исследование хромосомных и геномных мутаций
________________________	изучение характера наследования признаков человека

 

9. Рассмотрите таблицу «Уровни организации живой природы» и заполните пустую ячейку, вписав соответствующий термин

Уровни	Примеры
________________________	многослойный эпителий
молекулярный	нуклеиновые кислоты, белки клетки

 

10. Рассмотрите таблицу «Методы биологических исследований» и заполните пустую ячейку, вписав соответствующий термин

Методы	Применение методов
молекулярно-генетический	изучение молекулы ДНК
________________________	разделение клеточных структур

 

11. Рассмотрите таблицу «Методы биологических исследований» и заполните пустую ячейку, вписав соответствующий термин

Методы	Применение методов
________________________	разделение основных пигментов из экстракта листьев
центрифугирование	разделение клеточных структур

 

12. Рассмотрите таблицу «Биология как наука» и заполните пустую ячейку, вписав соответствующий термин

Разделы биологии	Объекты изучения
антропология	происхождение и развитие человека
________________________	строение клетки и ее структур

 

13. Рассмотрите таблицу «Уровни организации живой природы» и заполните пустую ячейку, вписав соответствующий термин

Уровни	Примеры
биосферный	оболочка Земли, преобразованная деятельностью живых организмов
________________________	нуклеиновые кислоты, белки

 

14. Рассмотрите таблицу «Биология как наука» и заполните пустую ячейку, вписав соответствующий термин

Разделы биологии	Объекты изучения
________________________	Систематика, морфология и экология грибов
селекция	получение новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов

 

15. Рассмотрите таблицу «Уровни организации живой природы» и заполните пустую ячейку, вписав соответствующий термин

Уровни	Примеры
________________________	оболочка Земли, преобразованная деятельностью живых организмов
биоценотический (экосистемный)	сосновый бор

Просмотров: 61292

Методы научного исследования: классификация, характеристика

Применение грамотной исчерпывающей методологии позволит избежать отклонения или доработки текста. Научные методы — это комплекс средств, принципов, которые подобраны, чтобы построить дальнейшую теоретическую и практическую часть статьи.

Содержание:

1. Понятие метода научного исследования
2. Какие бывают теоретические методы научного исследования
3. Какие методы исследования относятся к эмпирическим
4. Классификация методов научного познания
5. Примеры использования методов научного познания

Чтобы в совершенстве владеть современными методами научного исследования, нужно изучить множество источников, самостоятельно проанализировать всю информацию.

Публикации в авторитетных зарубежных журналах важны для подтверждения компетентности ее автора, научного признания, дальнейшей защиты на соискание степени, пополнения портфолио.

Современные методы научного исследования

На сегодня существуют несколько понятий метода научного исследования, однако они незначительно отличаются друг от друга. В переводе с греческого само слово означает «путь или прослеживание», термин на основе этого и рассматривается как способ познания, который помогает достижению поставленной цели при помощи определенной последовательности действий.

Основные теоретические методы научного исследования

1. Индукция – движение мысли от частного к общему, зная отдельные факты можно прийти к закону, лежащему в их основе. Ее особенность – то, что полученные сведения, как правило, носят вероятностный характер, а не заведомо истинный.
2. Дедукция прямо противоположна, частное вытекает из общего. Эта цепочка умозаключений, в отличие от предыдущей, логична, ее звенья приводят к неопровержимому выводу.
3. Аксиоматический, специфика метода – в начале процесса задается набор базовых положений, они не требуют доказательств и принимаются за явные, по сути, являются аксиомой.
4. Анализ, в основе – мысленное разложение предмета на части, которые его составляют.
5. Синтез объединяет умозаключения, полученные в ходе предыдущего метода исследования, в единое целое.

Основные эмпирические методы научного исследования

1. Наблюдение пользуется заслуженной популярностью. Для него характерно восприятие тех или иных явлений в целостности и динамике. Метод относится к практическим.
2. Эксперимент носит комплексный характер, он часто используется в педагогике, психологии.
3. Анкетирование удобно тем, что за сравнительно короткий промежуток времени помогает собрать солидное количество данных.
4. Беседа, интервью. Опросные методы, которые относятся к практическим.

Классификация методов научного познания

Выбор эффективных методов научного познания необходим для успешного выполнения исследования. В зависимости от направления науки способы достижения цели могут различаться. Методы исследования подразделяются на несколько групп: наблюдение, сравнение, эксперимент, измерение, абстрагирование.

Наблюдение

Данный процесс предполагает использование органов чувств для получения знаний. В большинстве случаев применяется в составе других методов.

Сравнение

В результате сравнения удается установить общие черты или различия с другим явлением или предметом. Сравниваться должны существенные признаки, которые помогут ответить на основные вопросы познавательной задачи. Выявление общего, присущего двум объектам, есть путь к познанию закономерностей.

Измерение

Процедура проводится с целью получения конкретной величины при помощи общепринятых единиц измерения. Данный метод познания дает точные цифры, которые позволяют получить сведения об изучаемом объекте. На эффективность измерений влияет используемое измерительное оборудование.

Эксперимент

Данный метод предполагает систематическое изучение объекта в определенных условиях. Эксперимент позволяет изучать явление в экстремальных или изолированных от окружающей среды условиях. Ученый всегда может вмешаться в процесс, менять ход явления. Эксперимент проводится как с самим объектом, так и с его искусственно созданной моделью.

Абстрагирование

Суть данного метода состоит в отвлечении от неважных параметров, которыми наделен объект, фиксировании явлений, представляющих интерес для исследователя. В результате абстрагирования ученый получает информацию о некоторых особенностях объекта.

Применение методов научного исследования

В работе все они взаимосвязаны, органично дополняют друг друга, обязательно отвечают поставленным задачам. Использовать их следует с учетом специфики каждого, имеющихся плюсов и минусов.

Отдельное внимание можно обратить на сравнительно-исторический анализ, он позволяет выделить причинно-следственные связи, выстроить логическую цепочку. Собственные выводы можно строить на базе объективных сведений или полученных самостоятельно с помощью методов, которые являются научными, общепризнанными. Знакомство с историей вопроса обогащает дополнительными фактами, может натолкнуть на рассмотрение проблемы с новой точки зрения.

У беседы и интервью основной недостаток – значительные временные затраты, даже если их проводить не индивидуально, а в группах. Важно четко определить цель, вытекающую из задачи исследования.

Рекомендуется предварительно набросать план вопросов, а в ходе деятельности его придерживаться, не отвлекаясь на ненужные детали. Следует заранее предусмотреть возможности фиксирования информации и создать комфортную эмоциональную, психологическую обстановку.

В анкетировании часто анонимность – основа достоверности. Нужно учитывать ряд требований:

• использовать прямые и косвенные вопросы;
• делать предварительную проверку их понимания на малом количестве респондентов, базируясь на этом, вносить коррективы;
• обеспечить репрезентативность выборки как действенного средства получения сведений.

Отметим также, что за последние годы можно заметить рост популярности в гуманитарных науках квалиметрических или количественных методов, характерных ранее исключительно для естественнонаучных исследований. Однако основное требование – использовать комплекс методов, которые подобраны в соответствии с отличительными чертами, особенностями того или иного научного исследования.

§11. Методы изучения клетки. Общий план строения клетки

 

1. Какие организмы относятся к эукариотам? К прокариотам?

Растения, грибы, протисты, бактерии, животные.

К эукариотам относятся растения, грибы, протисты и животные.

К прокариотам относятся бактерии.

 

2. Какие понятия пропущены в биологических «уравнениях» и заменены вопросительными знаками?

Поверхностный аппарат клетки + ? + ядро = эукариотическая клетка

Цитоплазма = органоиды + включения + цитоскелет + ?

Надмембранный комплекс + ? = поверхностный аппарат клетки

В первом «уравнении» вопросительным знаком заменено понятие «цитоплазма», во втором – «гиалоплазма», в третьем – «цитоплазматическая мембрана (плазмалемма)».

 

3. Назовите и охарактеризуйте основные методы изучения клетки.

● Световая микроскопия основана на том, что через прозрачный или полупрозрачный объект исследования проходят лучи света, попадающие затем в систему линз объектива и окуляра. Линзы увеличивают объект исследования. С помощью световых микроскопов была открыта клетка и некоторые её структуры (ядро, клеточная стенка, пластиды, вакуоли).

● Электронная микроскопия даёт возможность детального изучения клеточных структур. Этот метод позволяет увидеть составные компоненты клеток размером до 0,1 нм, например, биологические мембраны (толщина 6–10 нм), рибосомы (диаметр около 20 нм).

● Метод дифференциального (разделительного) центрифугирования применяется для выделения и изучения отдельных компонентов клетки. Разрушенные клетки помещают в центрифугу, где пробирки с клеточным материалом вращаются на очень высокой скорости. Разные клеточные структуры имеют различные массу, размеры и плотность, поэтому под действием центробежной силы в растворах определённых веществ (например, сахарозы или хлорида цезия) они оседают с разной скоростью и останавливаются в определённом слое жидкости, что даёт возможность отделить одни компоненты клетки от других.

● Методы цитохимии и гистохимии используются для изучения локализации отдельных химических веществ в клетках. Эти методы основаны на избирательном действии реактивов и красителей на определённые химические вещества, содержащиеся в той или иной клеточной структуре.

● Метод авторадиографии позволяет проследить за каким-либо химическим веществом в клетке. Для этого в молекулы вещества вводят радиоактивную метку (заменяют один из атомов на радионуклид), а затем устанавливают локализацию вещества с помощью счётчика радиоактивных частиц или по засвечиванию фотоплёнки.

● Метод рентгеноструктурного анализа даёт возможность определять пространственное расположение атомов и их группировок в молекулах (например, ДНК, белков), входящих в состав клеточных структур.

● Метод клеточных культур представляет собой выращивание клеток многоклеточных организмов на питательных средах в контролируемых условиях и используется для изучения процессов деления клеток, их дифференцировки и специализации.

● Методы микрохирургии (удаление отдельных клеточных компонентов, их пересаживание из одних клеток в другие, микроинъекции различных веществ и т. д.) применяется для исследования живых клеток, выяснения функций отдельных органоидов и др.

● Замедленная кино- или видеосъёмка через мощные световые микроскопы позволяет проследить за процессами, происходящими в живой клетке в течение длительного времени.

 

4. Каков общий принцип строения клеток? О чём свидетельствует тот факт, что клетки различных организмов имеют общий план строения?

Клетка состоит из трёх основных частей: поверхностного аппарата, цитоплазмы и ядра (только у эукариот).

Проверхностный аппарат представлен цитоплазматической мембраной и надмембранным комплексом. Цитоплазма включает гиалоплазму (внутреннюю среду клетки) и погружённые в неё цитоскелет, органоиды и включения. Ядро содержит ДНК, обеспечивая хранение и реализацию наследственной информации, а также её передачу дочерним клеткам.

Единый план строения клеток свидетельствует о родстве живых организмов, общности их происхождения.

 

5. Как устроен поверхностный аппарат клеток?

Поверхностный аппарат клеток образован цитоплазматической мембраной (плазмалеммой) и надмембранным комплексом. Поверхностный аппарат ограничивает внутреннее содержимое клеток, защищает его от внешних воздействий, осуществляет обмен веществ между клеткой и внеклеточной средой. Надмембранный комплекс клеток растений, грибов и многих протистов представлен плотной, часто многослойной, разнообразной по строению клеточной стенкой (оболочкой).

Примечание: Надмембранный комплекс животных клеток представлен гликокаликсом (этот материал будет рассмотрен в §12).

 

6. Чем органоиды отличаются от включений? В клетках каких тканей и органов растений содержится больше всего включений?

Органоиды – постоянные структуры цитоплазмы, т.е. они всегда присутствуют в клетке. Включения – непостоянные внутриклеточные образования, которые могут появляться в процессе жизнедеятельности, исчезать и вновь образовываться. Много включений содержат клетки запасающей паренхимы растений. Эта ткань хорошо развита в семенах, сочных плодах, корневищах, клубнях и луковицах.

 

7. Подберите методы, подходящие для каждого цитологического исследования. Объясните свой выбор.

а) Определение толщины цитоплазматической мембраны клетки.

б) Выделение из нейронов ядер и их сбор в отдельную пробирку для дальнейшего изучения.

в) Подсчёт числа лейкопластов (бесцветных пластид) в клетках клубня картофеля.

г) Определение формы молекулы белка и построение её объемного изображения.

д) Размножение в лаборатории лейкоцитов человека и определение, смогут ли они выполнять свои функции без ядра.

е) Подсчёт числа эритроцитов в 1 мм³ крови человека.

а) Электронная микроскопия, т.к. цитоплазматическая мембрана очень тонкая и увидеть её в световой микроскоп невозможно.

б) Дифференциальное центрифугирование, поскольку именно этот метод используется для выделения отдельных компонентов клеток.

в) Световая микроскопия в сочетании с окрашиванием (методами цито- и гистохимии). Лейкопласты – достаточно крупные органоиды. Однако они бесцветные и для того, чтобы хорошо различать лейкопласты под световым микроскопом, необходимо окрашивание.

г) Рентгеноструктурный анализ. Крупные белковые молекулы можно увидеть под электронным микроскопом, однако для детального изучения формы молекулы, выяснения её пространственной конфигурации и построения объёмного изображения больше подходит метод рентгеноструктурного анализа.

д) Размножить лейкоциты можно с помощью метода клеточных культур. Для выяснения того, смогут ли они выполнять свои функции без ядра, нужно удалить ядро, т.е. осуществить оперативное воздействие на клетку (микрохирургия).

е) Световая микроскопия, причём окрашивание проводить не обязательно, т.к. красные кровяные тельца будут достаточно хорошо различимы под микроскопом.

 

8*. В связи с чем некоторые клетки достигают сравнительно крупных размеров (яйцеклетки птиц и акул, клетки мякоти плодов и эндосперма семян, нейроны с отростками более 1 м)? Есть ли пределы увеличению (уменьшению) размеров клеток? Чем они обусловлены?

Потребности клетки в питательных веществах и кислороде, в выведении конечных продуктов обмена зависят от её объёма, а интенсивность транспорта веществ в клетку и из неё – от площади поверхности. Увеличение размеров клеток сопровождается отставанием интенсивности транспорта веществ (пропорциональна квадрату линейного размера) от потребностей клеток (пропорциональны кубу линейного размера). Следовательно, увеличение размеров приводило бы к замедлению процессов жизнедеятельности и в конечном итоге – к гибели клеток.

Поэтому крупных размеров могут достигать, например, те клетки, которые не принимают активного участия в метаболизме, а служат хранилищами запасных веществ (яйцеклетки, клетки мякоти плодов, эндосперма семян и т. п.) или клетки, имеющие отростки (нейроны), поскольку это увеличивает площадь поверхности.

Уменьшение размеров клеток также имеет предел. Любая клетка должна иметь объём, достаточный для содержания хотя бы минимального количества нуклеиновых кислот, ферментов и других макромолекул, необходимых для поддержания жизнедеятельности и для размножения. Самые мелкие из известных клеток имеют диаметр 0,1-0,15 мкм (микоплазмы). Учёные подсчитали, что в такой клетке может содержаться порядка 1200 молекул белка и осуществляться около 100 ферментативных реакций.

* Задания, отмеченные звёздочкой, предполагают выдвижение учащимися различных гипотез. Поэтому при выставлении отметки учителю следует ориентироваться не только на ответ, приведённый здесь, а принимать во внимание каждую гипотезу, оценивая биологическое мышление учащихся, логику их рассуждений, оригинальность идей и т. д. После этого целесообразно ознакомить учащихся с приведённым ответом.

Дашков М. Л.

Сайт: dashkov.by

Вернуться к оглавлению

 

< Предыдущая		Следующая >

Создание таблиц данных в биологии: типы и примеры

Таблицы данных

Во-первых, позвольте мне начать с того, что таблицы данных в биологии не должны вас беспокоить или пугать. Таблицы — это просто метод, который люди используют для систематизации информации (обычно числовой). За последнее десятилетие я видел, как многие студенты боролись с этим навыком. Однако, как только вы освоитесь, таблицы станут отличным организационным инструментом.

В конечном итоге тип таблицы, которую вы хотите создать, определяется данными, которые вы собираете или пытаетесь отобразить. Иногда вы увидите таблицы, классифицированные как текстовые или статистические таблицы, но все они похожи по формату (в основном строки и столбцы). Основное отличие заключается в типе отображаемых данных: текст или числа. Все таблицы данных, как правило, следуют этому формату строк и столбцов, но различаются по сложности.

В качестве первого примера предположим, что вы собираете данные о росте людей в классе.В этом случае простая T-диаграмма будет отличным выбором для сбора и отображения ваших данных. Этот тип таблицы организует информацию в два столбца. Первый столбец содержит название вашего предмета, а второй — их высоту.

Образец т-диаграммы

Другой способ представления T-диаграммы состоит в том, чтобы рассматривать первый столбец как список известной информации (или независимая переменная ).В приведенном выше примере это люди в вашем классе. Правый столбец — это неизвестная/обнаруженная информация (или зависимая переменная ). Это высота.

Обратите внимание, что я также включил единицы измерения роста (сантиметры или см). Единицы действительно важны в таблицах биологических данных. Без них ваша информация не будет четко представлена. Поэтому нам нужно убедиться, что они всегда включены.

Сложность здания

T-диаграммы — это простой способ отображения основных данных.Но что, если вы хотите организовать более сложную информацию? Для этого вы построите таблицу немного большего размера. В этом примере давайте представим, что вы проверяете, как температура влияет на частоту дыхания золотых рыбок. Мы будем называть одно «дыхание» «колебанием». Как и в приведенном выше примере, у вас все еще есть известный элемент (независимая переменная) и неизвестный элемент (зависимая переменная). Тем не менее, вы также должны включить рыбу на свой стол. Итак, теперь у вас есть три предмета. Как лучше показать эти данные?

В этом случае Т-диаграмма просто не появится.У вас есть три части информации для отображения, а T-диаграммы эффективны только для двух. Поэтому вам нужно добавить больше столбцов. В этом случае будет работать одна дополнительная колонка.

Обратите внимание, что эта таблица данных выглядит немного по-другому, но в основном это просто Т-диаграмма с дополнительным столбцом. Он по-прежнему включает вашу известную информацию (рыба и температура), недавно обнаруженную информацию (колебания) и ваши единицы измерения (градусы Цельсия, граммы и минуты).Понимание этой таблицы имеет большое значение. Я помню, как лабораторные работы такого рода проводились как в средней школе, так и в университете. Таким образом, независимо от того, где вы находитесь, такие таблицы могут помочь.

При необходимости мы можем добавить больше столбцов. Например, давайте представим, что нас также интересует масса каждой рыбы. Тогда наша таблица будет выглядеть примерно так:

Все, что мы здесь делаем, это добавляем дополнительные столбцы, чтобы поделиться дополнительной информацией.Как я уже говорил ранее, тип создаваемой вами таблицы будет определяться информацией, которую вы хотите собрать или отобразить. В биологии мы часто собираем большие объемы информации, поэтому наши таблицы обычно выглядят запутанными или пугающими. Но часто они просто проявления базовой Т-диаграммы.

Краткий обзор урока

Когда мы понимаем основы таблиц данных, они действительно не пугают и не пугают. Помните, что таблицы — это просто метод, который люди используют для упорядоченной организации информации.Кроме того, они часто основаны на простой t-диаграмме . Если вы не забудете включить известный элемент (, независимая переменная ), неизвестный элемент (, зависимая переменная ) и единицы измерения, то вы уже на пути к созданию превосходной таблицы данных.

1.1C: Научный метод — биология LibreTexts

Научный метод — это процесс, посредством которого наблюдения подвергаются сомнению; гипотезы создаются и проверяются; и результаты анализируются.

Цели обучения

• Обсуждение гипотез и компонентов научного эксперимента как части научного метода

Ключевые моменты

• В научном методе наблюдения приводят к вопросам, требующим ответов.
• В научном методе гипотеза представляет собой проверяемое утверждение, предложенное для ответа на вопрос.
• В научном методе эксперименты (часто с контролем и переменными) разрабатываются для проверки гипотез.
• В научном методе анализ результатов эксперимента приводит к принятию или отклонению гипотезы.

Основные термины

• научный метод : способ обнаружения знаний, основанный на выдвижении фальсифицируемых предсказаний (гипотез), их проверке и разработке теорий на основе собранных данных
• гипотеза : обоснованное предположение, которое обычно встречается в формате «если…то…»
• контрольная группа : группа, которая включает в себя все признаки экспериментальной группы, за исключением того, что не подвергается манипуляциям, которые предполагаются

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 использовался еще в древние времена, но впервые он был задокументирован английским сэром Фрэнсисом Бэконом (1561–1626), который разработал индуктивные методы для научных исследований. Научный метод может быть применен почти ко всем областям исследования как логический, рациональный метод решения проблем.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Сэр Фрэнсис Бэкон : Сэр Фрэнсис Бэкон (1561–1626) считается первым, кто определил научный метод.

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. Подросток замечает, что его друг очень высокий, и удивляется, почему. Поэтому его вопрос может звучать так: «Почему мой друг такой высокий?

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Научный метод : Научный метод состоит из ряда четко определенных шагов. Если гипотеза не подтверждается экспериментальными данными, может быть предложена новая гипотеза.

Предложение гипотезы

Напомним, что гипотеза — это обоснованное предположение, которое можно проверить. Гипотезы часто также включают объяснение обоснованного предположения. Для решения одной задачи может быть предложено несколько гипотез. Например, ученик может подумать, что его друг высокий, потому что пьет много молока. Так что его гипотеза может быть такой: «Если человек пьет много молока, он вырастет очень высоким, потому что молоко полезно для костей.Как правило, гипотезы имеют формат «Если… то…». Имейте в виду, что на вопрос могут быть и другие ответы; следовательно, могут быть предложены другие гипотезы. Вторая гипотеза может быть такой: «Если у человека высокие родители, то они тоже будут высокими, потому что у них есть гены высокого роста.

После выбора гипотезы учащийся может сделать прогноз. Предсказание похоже на гипотезу, но на самом деле это предположение. Например, они могут предсказать, что их друг высокий, потому что пьет много молока.

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 признаки экспериментальной группы, за исключением того, что ей не даются предполагаемые манипуляции. Например, контрольная группа может быть группой разных подростков, которые не пьют молоко, и их можно сравнить с экспериментальной группой, группой разных подростков, которые пьют молоко.Таким образом, если результаты экспериментальной группы отличаются от результатов контрольной группы, это различие должно быть связано с предполагаемой манипуляцией, а не с каким-то внешним фактором. Чтобы проверить первую гипотезу, студент должен выяснить, влияет ли употребление молока на рост. Если питье молока не влияет на рост, то должна быть другая причина роста друга. Чтобы проверить вторую гипотезу, студент может проверить, есть ли у его друга высокие родители. 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. С помощью научного метода отвергаются гипотезы, противоречащие экспериментальным данным.

Хотя этот пример «высоты» 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.Одной из гипотез, объясняющих это явление, может быть: «Если я завтракаю перед уроком, я лучше концентрирую внимание». Затем студент может разработать эксперимент с контролем, чтобы проверить эту гипотезу.

Научный метод может показаться слишком жестким и структурированным. Важно иметь в виду, что, хотя ученые часто следуют этой последовательности, существует гибкость. Во многих случаях наука не работает линейным образом. 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.

1.1A: Введение в изучение биологии

Биология – это изучение жизни и живых существ с помощью строго проверенных и рецензируемых научных методов исследования.

Цели обучения

• Описать область биологических наук

Ключевые моменты

• Биология развивалась как область науки с тех пор, как ее начали изучать в древних цивилизациях, хотя современная биология появилась относительно недавно.
• Наука — это процесс, требующий проверки идей с использованием данных, собранных в естественном мире. Наука носит итеративный характер и включает в себя критическое мышление, тщательный сбор данных, тщательную экспертную оценку и сообщение результатов.
• Наука также относится к совокупности знаний, полученных в результате научных исследований.
• Псевдонаука — это убеждение, преподносимое как научное, хотя и не являющееся результатом научного исследования.

Основные термины

• псевдонаука : Любое убеждение, претендующее на научность или поддерживаемое наукой, но не являющееся результатом научных исследований.
• Наука : Процесс изучения мира природы, который проверяет идеи, используя доказательства, собранные в природе.
• Биология : Естествознание, связанное с изучением жизни и живых организмов.

Исследование жизни

Биология — это естественная наука, занимающаяся изучением жизни и живых организмов. Современная биология представляет собой обширную и эклектичную область, состоящую из множества специализированных дисциплин, изучающих структуру, функции, рост, распространение, эволюцию и другие особенности живых организмов.Однако, несмотря на широкий охват биологии, существуют определенные общие и объединяющие понятия, которыми руководствуются все исследования и исследования:

• клетка — основная единица жизни
• генов (состоящих из ДНК или РНК) являются основной единицей наследственности
• эволюция объясняет единство и разнообразие живых организмов
• все организмы выживают за счет потребления и преобразования энергии
• все организмы поддерживают стабильную внутреннюю среду

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Биология: изучение жизни : Набор организмов по часовой стрелке сверху слева: бактерии, коала, папоротник, поганка, древесная лягушка, тарантул.

Биологические исследования показывают, что первыми формами жизни на Земле были микроорганизмы, существовавшие за миллиарды лет до появления более крупных организмов. Млекопитающие, птицы и цветы, столь знакомые нам, появились относительно недавно, за последние 200 миллионов лет. Современные люди, Homo sapiens , являются относительно новым видом, населявшим эту планету только последние 200 000 лет (приблизительно).

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Строматолиты : Строматолиты, осадочные образования, образованные в результате деятельности цианобактерий, представляют собой ископаемые свидетельства жизни на Земле около 3.5 миллиардов лет назад.

История биологических наук

Хотя современная биология возникла относительно недавно, науки, связанные с ней и входящие в ее состав, изучались с древних времен. Натурфилософия изучалась еще в древних цивилизациях Месопотамии, Египта, Индийского субконтинента и Китая. Однако истоки современной биологии и ее подхода к изучению природы чаще всего восходят к Древней Греции. (Биология происходит от греческого слова «био», означающего «жизнь», и суффикса «ология», означающего «изучение». »)

Успехи микроскопии также оказали глубокое влияние на биологическое мышление. В начале 19 века ряд биологов указывали на центральное значение клетки, а в 1838 году Шлейден и Шванн начали продвигать ставшие универсальными идеи клеточной теории. Жан-Батист Ламарк был первым, кто представил последовательную теорию эволюции, хотя именно британский натуралист Чарльз Дарвин распространил теорию естественного отбора в научном сообществе. В 1953 году открытие двойной спиральной структуры ДНК ознаменовало собой переход в эру молекулярной генетики.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Френология: разделение органов френологии доктора Спурцгейма с внешней пометкой : Френология — это лженаука, которая пыталась определить функции мозга и личность путем анализа черепа человека.

Наука и псевдонаука

Наука — это процесс изучения мира природы. Большинство научных исследований связаны с проверкой потенциальных ответов на важные исследовательские вопросы. Например, онкологов (врачей-онкологов) интересует, почему одни виды рака хорошо реагируют на химиотерапию, а другие остаются незатронутыми. Основываясь на своих растущих знаниях в области молекулярной биологии, некоторые врачи подозревают связь между генетикой пациента и его реакцией на химиотерапию. В результате многолетних исследований было опубликовано множество научных работ, подтверждающих наличие связи между раком, генетикой и реакцией на лечение. После публикации научная информация становится доступной для всех, кто может читать, учиться или даже задавать вопросы/оспаривать. Это делает науку итеративным или кумулятивным процессом, в котором предыдущие исследования используются в качестве основы для новых исследований.Наше нынешнее понимание любого научного вопроса является кульминацией всей предыдущей работы.

Псевдонаука — это убеждение, преподносимое как научное, хотя и не являющееся результатом научного исследования. Псевдонауку часто называют маргинальной или альтернативной наукой. Обычно в ней отсутствуют тщательно контролируемые и вдумчиво интерпретируемые эксперименты, которые составляют основу естественных наук и способствуют их развитию.

Научные методы биологии, начиная с Чарльза Дарвина | Американский учитель биологии

Поппер часто ассоциируется с представлением о том, что теория Дарвина — это «не проверяемая научная теория, а метафизическая исследовательская программа» (Popper, 1976).Однако в 1978 году Поппер признал, что теорию эволюции трудно проверить, но можно проверить, сказав: «Я изменил свое мнение о возможности проверки и логическом статусе теории естественного отбора…». Что касается возможных тестов, он упомянул промышленный меланизм как наблюдаемое природное явление и несколько простых экспериментальных тестов, включающих адаптацию бактерий к новой среде с помощью пенициллина (Popper, 1978).

Теперь можно проверить несколько особенностей теории Дарвина.Недавно Васик и соавт. (2014) провели первый искусственный отбор по структурному цвету крыльев бабочки, и их исследование является отличным примером для обсуждения в классе континуума между манипулятивным описанием (описательное исследование) и манипулятивной проверкой гипотезы (экспериментальное исследование). Эти авторы использовали бабочек рода Bicyclus из рода Bicyclus , которые имеют преимущественно коричневую окраску вдоль краевых глазных пятен, в то время как некоторые другие виды рода имеют поперечные полосы яркого фиолетово-синего цвета на дорсальной поверхности передних крыльев. Bicyclus anynana , изучаемый вид, не имеет фиолетовой окраски в естественных условиях, поэтому Wasik et al. (2014) проверили, можно ли заставить его развить тот же фиолетово-синий цвет, что и у других видов, путем искусственного отбора, а затем проверили, как возникает этот цвет и как он эволюционировал. Они искусственно отобрали наиболее экстремальных особей каждого пола, измерив их спектры отражения в области дорсального переднего крыла, связанного с фиолетово-синим цветом у других видов Bicyclus , а затем скрестили особей, демонстрирующих пики отражения ультрафиолетового (УФ) излучения, ближайшие к 400 нм. в течение шести последовательных поколений (т.д., <1 года). Эта процедура привела к постепенному увеличению длины волны пика отражения в выбранной популяции. Исследование показало, что лабораторные популяции B. anynana имеют значительные аддитивные генетические вариации, которые контролируют длину волны пика отражения, что позволяет быстро развить новый цвет шкалы. Эта окраска играет важную роль в приспособленности и разнообразии природных популяций двух других видов того же рода с пиками отражения 400–450 нм (Wasik et al., 2014).

Во второй части исследования для изучения эволюции фиолетового цвета были отобраны люди, у которых значительно увеличилась отражательная способность в диапазоне длин волн 400–500 нм. Результаты показали, что изменения в наземных чешуях, вызванные увеличением толщины нижней пластинки этих чешуек, были в первую очередь ответственны за эволюцию фиолетовой окраски в этом эксперименте по искусственному отбору. А в описательной части исследования Wasik et al.(2014) с помощью сканирующей электронной микроскопии наблюдали наличие фиолетовой окраски в естественных популяциях определенных видов Bicyclus и показали, что естественная эволюция этой окраски была вызвана одним и тем же механизмом через аналогичные масштабные модификации; следовательно, фиолетовый цвет, по-видимому, представляет собой эволюционную тенденцию от предков с коричневым пигментом и структурным УФ-цветом.

Васик и др. (2014) пришли к выводу, что в естественных популяциях этих бабочек можно обнаружить генетические вариации, в том числе возможность фиолетового цвета крыльев, и что естественный или половой отбор может быть в первую очередь ответственен за наличие или отсутствие этого цвета.Структурно окрашенные узоры крыльев были описаны как сигналы распознавания видов и как сигналы полового диморфизма, участвующие в выборе самками самок, и было показано, что в условиях низкой освещенности некоторые беспозвоночные хищники бабочек (например, пауки) воспринимают сигналы в УФ-диапазоне. диапазон (Стивенс, 2005).

Текущий эксперимент, начатый Lenski (2014) в 1988 г., начался с 12 популяций (от одного и того же предка) Escherichia coli , живущих в колбах, содержащих 10 мл DM25, минимальной среды, содержащей 25 мг/л глюкозы в качестве ограничивающего ресурса. Каждый день по 0,1 мл каждой культуры переносили в новую колбу с 0,9 мл среды. Эти бактерии эволюционировали на протяжении более 60 000 поколений в одинаковых, контролируемых и постоянных условиях окружающей среды. Штамм-основатель строго бесполый; таким образом, популяции эволюционировали в результате естественного отбора, действовавшего на изменчивость, порожденную спонтанными мутациями, произошедшими во время этого длительного эксперимента (Blount et al., 2008). Как вид E. coli характеризуется тем, что не может расти на цитрате в кислородных условиях; однако в этом эксперименте авторы подтвердили свою гипотезу о том, что эти клетки при размножении в среде, содержащей большое количество цитрата, разовьют новую характеристику: некоторые особи одной популяции научились эффективно использовать большое количество цитрата в своей среде, продолжая при этом используют глюкозу и показали огромное увеличение плотности популяции после 31 500 поколений (Blount et al., 2008, 2012).

Биология в колледже: 3 «ключа к обучению» к успеху

Персонал связи

Опубликовано 25 сентября 2017 г.

То, как работает человеческое тело, восхищает тех, кто имеет склонность к научным предметам. Это стремление понять механизмы жизни и изучить живые организмы часто приводит к курсовой работе по биологии. Чтобы добиться успеха, необходимо точно знать, как изучать биологию в колледже.Биология — сложный предмет для изучения, потому что открытия в биологии происходят быстро.

В Кливлендском университете в Канзас-Сити (CUKC) улучшение учебных навыков для более быстрого темпа изучения биологии в колледже охватывает три области:

Выбирайте правильные учебники

Учебники по биологии часто меняются, поэтому вам нужно отметить конкретные издания. Обязательно получите все перечисленные сопутствующие материалы. В большинстве учебников по биологии есть ссылки на веб-сайты или ресурсы, которые улучшат ваше обучение.Есть многое, что нужно освоить, и эти предметы включают в себя:

• Карты
• Графики
• Анимации
• Викторины
• Области внимания.

Сегодня есть много мест, где можно купить или взять напрокат учебники, но не все варианты одинаковы. Одним из проверенных онлайн-вариантов является ecampus.com. Преимущества включают возврат учебника в течение 25 дней, продление или покупку аренды и мгновенный доступ к электронным учебникам.

Умело относитесь к классному времени

Несмотря на предыдущие успехи в научных предметах, сложность биологии в колледже может удивить.Основой того, как изучать биологию в колледже, являются хорошие конспекты в классе. Если ваш преподаватель говорит «это важно», рисует диаграмму или рисунок или упоминает страницы в учебнике, ожидайте, что эти вопросы будут частью викторины или теста.

Чтобы усвоить то, что важно, делайте заметки таким образом, чтобы детали отображались с отступом по конкретным темам — не пытайтесь писать полные предложения. После занятий потратьте время на более полную переработку своих заметок, пока концепции свежи. Перед следующим занятием просмотрите записи предыдущего дня, чтобы новые идеи соединились с уже имеющимися знаниями.

Имейте смелость задавать вопросы в классе. Записывайте вопросы по мере их поступления, чтобы вы могли упорядочить свои мысли и получить четкие ответы после занятий. Помните: вопросы, которые у вас есть, скорее всего, те же, что и у 10 других одноклассников.

Знать лучшие практики для достижения успеха

Отсутствие успеха в колледже чаще всего связано с плохими привычками в учебе и управлением временем, а не со способностями. Часть секрета заключается в том, чтобы уделять достаточное количество времени обучению, но не менее важным является овладение концепциями и принципами, а не быстрое запоминание.

Умные стратегии обучения:

• Планируйте от двух до трех часов занятий на каждый час занятий в классе
• Прочитайте заданный текст перед каждым уроком и перепишите записи из урока своими словами
• Используйте карточки с вопросами на одной стороне и ответами на другой для терминов и фраз
• Воспользуйтесь преимуществами мнемоники для сложных идей
• Объясните кому-нибудь понятия и определения вслух
• Вступить в учебную группу. Понимание других людей часто дает ответы, которые вы изо всех сил пытаетесь найти.

Наконец, как изучать биологию в колледже означает избегать зубрежки перед тестами. Небольшое количество времени каждый день более эффективно, чем ночные марафоны. Если необходима более продолжительная и интенсивная учебная сессия, проведите ее за две ночи до теста, чтобы гарантировать полноценный ночной отдых.

Изучение биологии человека в CUKC

Кливлендский университет в Канзас-Сити (CUKC) — это некоммерческий частный университет, специализирующийся на здравоохранении, который предлагает несколько степеней, в том числе степень бакалавра наук в области биологии человека.Студенты часто получают B.S. в степени биологии человека, поскольку они завершают программу доктора хиропрактики.

Чтобы узнать больше о степени бакалавра наук в области биологии человека в Колледже медицинских наук Кливлендского университета в Канзас-Сити (CUKC), запросите информацию сегодня!

Инструменты клеточной биологии — Клетка

Как и во всех экспериментальных науках, исследования в области клеточной биологии зависят от лабораторных методов, которые можно использовать для изучения клеточной структуры и функций. Многие важные достижения в понимании клеток последовали непосредственно за развитием новых методов, открывших новые направления исследований. Таким образом, оценка экспериментальных инструментов, доступных клеточному биологу, имеет решающее значение для понимания как текущего состояния, так и будущих направлений этой быстро развивающейся области науки. Некоторые важные общие методы клеточной биологии описаны в следующих разделах. Другие экспериментальные подходы, включая методы биохимии и молекулярной биологии, будут обсуждаться в последующих главах.

Световая микроскопия

Поскольку большинство клеток слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, изучение клеток в значительной степени зависело от использования микроскопов. Действительно, само открытие клеток произошло благодаря развитию микроскопа: Роберт Гук впервые ввел термин «клетка» после своих наблюдений за кусочком пробки с помощью простого светового микроскопа в 1665 г. (). Используя микроскоп, который увеличивал объекты примерно в 300 раз по сравнению с их реальным размером, Антоний ван Левенгук в 1670-х годах смог наблюдать множество различных типов клеток, включая сперматозоиды, эритроциты и бактерии. Предложение клеточной теории Маттиасом Шлейденом и Теодором Шванном в 1838 году можно рассматривать как рождение современной клеточной биологии. Микроскопические исследования растительных тканей Шлейденом и животных тканей Шванном привели к одному и тому же выводу: все организмы состоят из клеток. Вскоре после этого было установлено, что клетки не образуются de novo , а возникают только в результате деления ранее существовавших клеток. Таким образом, клетка получила свое нынешнее признание в качестве основной единицы всех живых организмов благодаря наблюдениям, сделанным с помощью светового микроскопа.

Рисунок 1.23

Ячеистая структура пробки. Репродукция рисунка Роберта Гука, на котором тонкий срез пробки исследуется под световым микроскопом. «Клетки», которые наблюдал Гук, на самом деле были только клеточными стенками, оставшимися от клеток, которые были давно (далее…)

Световой микроскоп остается основным инструментом клеточных биологов, а его технические усовершенствования позволяют визуализировать постоянно увеличивающиеся детали. клеточной структуры. Современные световые микроскопы способны увеличивать объекты примерно в тысячу раз.Поскольку диаметр большинства клеток составляет от 1 до 100 мкм, их можно наблюдать с помощью световой микроскопии, как и некоторые более крупные субклеточные органеллы, такие как ядра, хлоропласты и митохондрии. Однако световой микроскоп недостаточно мощен, чтобы выявить мелкие детали клеточного строения, для которых разрешение — способность микроскопа различать объекты, разделенные небольшими расстояниями, — даже важнее, чем увеличение. Изображения можно увеличивать сколь угодно сильно (например, путем проецирования на большой экран), но такое увеличение не увеличивает уровень наблюдаемой детализации.

Предел разрешения светового микроскопа составляет примерно 0,2 мкм; два объекта, разделенные меньшим расстоянием, чем это расстояние, выглядят как единое изображение, а не отличаются друг от друга. Это теоретическое ограничение световой микроскопии определяется двумя факторами — длиной волны (λ) видимого света и светосилой объектива микроскопа (числовая апертура, NA ) — в соответствии со следующим уравнением:

Длина волны видимый свет равен 0. 4 до 0,7 мкм, поэтому для светового микроскопа значение λ зафиксировано на уровне примерно 0,5 мкм. Числовую апертуру можно представить как размер конуса света, попадающего в объектив микроскопа после прохождения через образец (). Он определяется уравнением

, где η — показатель преломления среды, через которую свет проходит между образцом и линзой. Значение η для воздуха равно 1,0, но оно может быть увеличено примерно до 1,4 при использовании масляной иммерсионной линзы для наблюдения за образцом через каплю масла.Угол α соответствует половине ширины конуса света, собираемого линзой. Максимальное значение α равно 90°, при котором sin α = 1, поэтому максимально возможное значение числовой апертуры равно 1,4.

Рисунок 1.24

Числовая апертура. Свет фокусируется на образце линзой конденсора, а затем собирается линзой объектива микроскопа. Числовая апертура определяется углом конуса света, попадающего в линзу объектива (α), и (подробнее…)

Таким образом, теоретический предел разрешения светового микроскопа можно рассчитать следующим образом:

Микроскопы, способные достижения такого уровня разрешения были сделаны уже к концу девятнадцатого века; дальнейших улучшений в этом аспекте световой микроскопии ожидать нельзя.

Несколько различных типов световой микроскопии обычно используются для изучения различных аспектов клеточной структуры. Самым простым является светлопольная микроскопия , при которой свет проходит непосредственно через клетку и способность различать разные части клетки зависит от контраста, возникающего в результате поглощения видимого света компонентами клетки. Во многих случаях клетки окрашивают красителями, реагирующими с белками или нуклеиновыми кислотами, чтобы усилить контраст между различными частями клетки.Перед окрашиванием образцы обычно обрабатывают фиксаторами (например, спиртом, уксусной кислотой или формальдегидом) для стабилизации и сохранения их структуры. Исследование фиксированных и окрашенных тканей с помощью светлопольной микроскопии является стандартным подходом к анализу образцов тканей в гистологических лабораториях. Однако такие процедуры окрашивания убивают клетки и поэтому не подходят для многих экспериментов, в которых желательно наблюдать за живыми клетками.

Рис. 1.25

Микрофотография окрашенной ткани в светлом поле.Поперечный срез волосяного фолликула в коже человека, окрашенный гематоксилином и эозином. (G. W. Willis/ Biological Photo Service.)

Без окрашивания прямое прохождение света не обеспечивает достаточного контраста, чтобы различить многие части клетки, что ограничивает полезность светлопольной микроскопии. Однако оптические вариации светового микроскопа можно использовать для усиления контраста между световыми волнами, прошедшими через участки клетки с разной плотностью. Двумя наиболее распространенными методами визуализации живых клеток являются фазово-контрастная микроскопия и дифференциальная интерференционно-контрастная микроскопия ().В обоих видах микроскопии используются оптические системы, которые преобразуют различия в плотности или толщине между различными частями клетки в различия в контрасте, которые можно увидеть на конечном изображении. В светлопольной микроскопии прозрачные структуры (например, ядро) малоконтрастны, поскольку плохо поглощают свет. Однако свет замедляется при прохождении через эти структуры, так что его фаза изменяется по сравнению со светом, прошедшим через окружающую цитоплазму. Фазово-контрастная и дифференциальная интерференционно-контрастная микроскопия преобразуют эти различия в фазе в различия в контрасте, тем самым обеспечивая улучшенные изображения живых неокрашенных клеток.

Рисунок 1.26

Микроскопическое исследование живых клеток. Микрофотографии клеток щеки человека, полученные с помощью (А) светлопольной, (В) фазово-контрастной и (С) дифференциальной интерференционно-контрастной микроскопии. (С любезного разрешения Морта Абрамовица, Olympus America, Inc.)

Возможности светового микроскопа значительно расширились за счет использования видеокамер и компьютеров для анализа и обработки изображений. Такие электронные системы обработки изображений могут существенно повысить контрастность изображений, получаемых с помощью светового микроскопа, позволяя визуализировать мелкие объекты, которые иначе невозможно было бы обнаружить. Например, видеоусиленная дифференциальная интерференционно-контрастная микроскопия позволила визуализировать движение органелл по микротрубочкам, которые представляют собой белковые филаменты цитоскелета диаметром всего 0,025 мкм (). Однако это улучшение не превышает теоретического предела разрешения светового микроскопа, составляющего примерно 0,2 мкм. Таким образом, хотя усиление видео позволяет визуализировать микротрубочки, микротрубочки выглядят как размытые изображения диаметром не менее 0,2 мкм, и индивидуальную микротрубочку нельзя отличить от пучка соседних структур.

Рисунок 1.27

Дифференциальная интерференционно-контрастная микроскопия с видеоусилением. Электронная обработка изображений позволяет визуализировать отдельные микротрубочки. (С любезного разрешения Э. Д. Сэлмона, Университет Северной Каролины, Чапел-Хилл.)

Световая микроскопия была доведена до уровня молекулярного анализа благодаря методам мечения конкретных молекул, чтобы их можно было визуализировать внутри клеток. Конкретные гены или транскрипты РНК могут быть обнаружены путем гибридизации с зондами нуклеиновых кислот комплементарной последовательности, а белки могут быть обнаружены с использованием соответствующих антител (см. главу 3).Как зонды нуклеиновых кислот, так и антитела могут быть помечены различными метками, которые позволяют визуализировать их в световом микроскопе, что позволяет определить расположение конкретных молекул внутри отдельных клеток.

Флуоресцентная микроскопия — широко используемый и очень чувствительный метод изучения внутриклеточного распределения молекул (). Флуоресцентный краситель используется для маркировки интересующей молекулы в фиксированных или живых клетках. Флуоресцентный краситель представляет собой молекулу, которая поглощает свет на одной длине волны и излучает свет на второй длине волны.Эта флуоресценция обнаруживается путем освещения образца светом с длиной волны, которая возбуждает флуоресцентный краситель, а затем с использованием соответствующих фильтров для определения определенной длины волны света, излучаемого красителем. Флуоресцентную микроскопию можно использовать для изучения различных молекул внутри клеток. Одним из частых применений является маркировка антител, направленных против определенного белка, флуоресцентными красителями, чтобы можно было определить внутриклеточное распределение белка. Белки в живых клетках можно визуализировать, используя зеленый флуоресцентный белок (GFP) медузы в качестве флуоресцентной метки.GFP может быть слит с широким спектром белков с использованием стандартных методов рекомбинантной ДНК, а затем белок, помеченный GFP, может быть введен в клетки и обнаружен с помощью флуоресцентной микроскопии.

Рисунок 1.28

Флуоресцентная микроскопия. (A) Свет проходит через фильтр возбуждения, чтобы выбрать свет с длиной волны (например, синей), которая возбуждает флуоресцентный краситель. Затем дихроичное зеркало отклоняет свет возбуждения вниз к образцу. Испускаемый флуоресцентный свет (подробнее…)

Конфокальная микроскопия объединяет флуоресцентную микроскопию с электронным анализом изображений для получения трехмерных изображений. Небольшая точка света, обычно испускаемая лазером, фокусируется на образце на определенной глубине. Испускаемый флуоресцентный свет затем собирается с помощью детектора, такого как видеокамера. Однако перед тем, как излучаемый свет достигнет детектора, он должен пройти через апертуру-обскуру (называемую конфокальной апертурой), расположенную точно в той точке, где свет, излучаемый с выбранной глубины образца, попадает в фокус (). Следовательно, только свет, излучаемый из плоскости фокуса, может достичь детектора.Сканирование образца создает двумерное изображение плоскости фокуса, гораздо более четкое, чем изображение, полученное с помощью стандартной флуоресцентной микроскопии. Более того, серия изображений, полученных на разной глубине, может быть использована для восстановления трехмерного изображения образца.

Рисунок 1.29

Конфокальная микроскопия. Точка света фокусируется на образце на определенной глубине, а испускаемый флуоресцентный свет улавливается детектором. Прежде чем достичь детектора, флуоресцентный свет, излучаемый образцом, должен пройти через конфокальное (см…)

Рисунок 1.30

Конфокальная микрофотография клеток эмбриона мыши. Ядра окрашены в красный цвет, а актиновые филаменты, лежащие под плазматической мембраной, окрашены в зеленый цвет. (С любезного разрешения Дэвида Альбертини, Медицинский факультет Университета Тафтса.)

Микроскопия с двухфотонным возбуждением является альтернативой конфокальной микроскопии, которую можно применять к живым клеткам. Образец освещают светом с такой длиной волны, что для возбуждения флуоресцентного красителя требуется одновременное поглощение двух фотонов (1).Вероятность одновременного возбуждения флуоресцентного красителя двумя фотонами значительна только в той точке образца, на которой сфокусирован входной лазерный луч, поэтому флуоресценция испускается только из плоскости фокуса входного света. Это сильно локализованное возбуждение автоматически обеспечивает трехмерное разрешение без необходимости пропускания излучаемого света через точечное отверстие, как в конфокальной микроскопии. Более того, локализация возбуждения сводит к минимуму повреждение образца, позволяя получать трехмерные изображения живых клеток.

Рис. 1.31

Микроскопия с двухфотонным возбуждением. Для возбуждения флуоресцентного красителя требуется одновременное поглощение двух фотонов. Это происходит только в той точке образца, на которой сфокусирован входной свет, поэтому флуоресцентный свет излучается только выбранным (далее…)

Электронная микроскопия

Из-за ограниченного разрешения светового микроскопа анализ изучение деталей клеточной структуры потребовало использования более мощных микроскопических методов, а именно электронной микроскопии, которая была разработана в 1930-х годах и впервые применена к биологическим образцам Альбертом Клодом, Китом Портером и Джорджем Палейдом в 1940-х и 1950-х годах.Электронный микроскоп позволяет достичь гораздо большего разрешения, чем световой микроскоп, потому что длина волны электронов короче длины волны света. Длина волны электронов в электронном микроскопе может составлять всего 0,004 нм — примерно в 100 000 раз меньше длины волны видимого света. Теоретически эта длина волны могла бы дать разрешение 0,002 нм, но на практике такое разрешение получить невозможно, так как разрешение определяется не только длиной волны, но и числовой апертурой объектива микроскопа.Числовая апертура является ограничивающим фактором для электронной микроскопии, потому что врожденные свойства электромагнитных линз ограничивают их угол апертуры примерно до 0,5 градуса, что соответствует числовой апертуре всего около 0,01. Так, в оптимальных условиях разрешающая способность электронного микроскопа составляет примерно 0,2 нм. Более того, разрешение, которое может быть получено с биологическими образцами, еще больше ограничивается отсутствием у них естественного контраста. Следовательно, для биологических образцов практический предел разрешения электронного микроскопа составляет от 1 до 2 нм.Хотя это разрешение намного меньше, чем то, которое предсказывается просто исходя из длины волны электронов, оно представляет собой более чем стократное улучшение по сравнению с разрешающей способностью светового микроскопа.

Два типа электронной микроскопии — просвечивающая и сканирующая — широко используются для изучения клеток. В принципе, просвечивающая электронная микроскопия аналогична наблюдению окрашенных клеток с помощью светлопольного светового микроскопа. Образцы фиксируют и окрашивают солями тяжелых металлов, которые обеспечивают контраст за счет рассеяния электронов.Затем через образец проходит пучок электронов, который фокусируется для формирования изображения на флуоресцентном экране. Электроны, которые сталкиваются с ионами тяжелых металлов при прохождении через образец, отклоняются и не влияют на окончательное изображение, поэтому окрашенные участки образца кажутся темными.

Образцы для исследования с помощью просвечивающей электронной микроскопии могут быть приготовлены как с положительным, так и с отрицательным окрашиванием. При положительном окрашивании образцы тканей разрезают на тонкие срезы и окрашивают солями тяжелых металлов (такими как четырехокись осмия, уранилацетат и цитрат свинца), которые реагируют с липидами, белками и нуклеиновыми кислотами. Эти ионы тяжелых металлов связываются с различными клеточными структурами, поэтому на конечном изображении они выглядят темными (). Альтернативные процедуры положительного окрашивания также можно использовать для идентификации специфических макромолекул внутри клеток. Например, антитела, меченные электронно-плотными тяжелыми металлами (например, частицами золота), часто используются для определения субклеточного расположения специфических белков в электронном микроскопе. Этот метод аналогичен использованию антител, меченных флуоресцентными красителями, в флуоресцентной микроскопии.

Рисунок 1.32

Положительное окрашивание. Трансмиссионная электронная микрофотография положительно окрашенного лейкоцита. (Don W. Fawcett/Visuals Unlimited.)

Негативное окрашивание полезно для визуализации интактных биологических структур, таких как бактерии, изолированные субклеточные органеллы и макромолекулы (). В этом методе биологический образец наносится на поддерживающую пленку, и вокруг его поверхности дают высохнуть пятну тяжелого металла. Затем неокрашенный образец окружают пленкой электронно-плотного красителя, создавая изображение, на котором образец кажется светлым на окрашенном темном фоне.

Рис. 1.33

Отрицательное окрашивание. Трансмиссионная электронная микрофотография отрицательно окрашенных актиновых филаментов. (С любезного разрешения Роджера Крейга, Медицинский центр Массачусетского университета.)

Затенение металлом — еще один метод, используемый для визуализации поверхности изолированных субклеточных структур или макромолекул в просвечивающем электронном микроскопе (). Образец покрывают тонким слоем напыленного металла, например платины. Металл напыляется на образец под углом, так что поверхности образца, обращенные к источнику испаряемых молекул металла, покрываются более сильно, чем другие.Это дифференциальное покрытие создает эффект тени, придавая образцу трехмерный вид на электронных микрофотографиях.

Рисунок 1.34

Металлическая тень. Электронная микрофотография актиновых/миозиновых филаментов цитоскелета, полученных с помощью металлического затенения. (Don W. Fawcett, J. Heuser/ Photo Researchers, Inc.)

Подготовка образцов методом замораживания в сочетании с металлическим затенением особенно важна при изучении структуры мембраны. Образцы замораживают в жидком азоте (при -196°С), а затем разламывают лезвием ножа.Этот процесс часто расщепляет липидный бислой, обнажая внутренние поверхности клеточной мембраны (14). Затем образец затеняют платиной, а биологический материал растворяют в кислоте, создавая металлическую копию поверхности образца. Исследование таких реплик в электронном микроскопе выявляет множество поверхностных выпуклостей, соответствующих белкам, которые охватывают липидный бислой. Разновидность заморозки, называемая , заморозка-травление , позволяет визуализировать внешние поверхности клеточных мембран в дополнение к их внутренним поверхностям.

Рисунок 1.35

Ледяной излом. (A) Разрушение при замораживании расщепляет липидный бислой, оставляя белки, встроенные в мембрану, связанные с одной из двух половин мембраны. (B) Микрофотография плазматических мембран двух соседних клеток, подвергнутых замораживанию. Белки, охватывающие (подробнее…)

Второй тип электронной микроскопии, сканирующая электронная микроскопия, используется для получения трехмерного изображения клеток (). В сканирующей электронной микроскопии электронный луч не проходит через образец.Вместо этого поверхность ячейки покрыта тяжелым металлом, и для сканирования образца используется пучок электронов. Электроны, рассеянные или испущенные с поверхности образца, собираются для создания трехмерного изображения по мере того, как электронный пучок движется по ячейке. Поскольку разрешение сканирующей электронной микроскопии составляет всего около 10 нм, ее использование обычно ограничивается изучением целых клеток, а не субклеточных органелл или макромолекул.

Рисунок 1.36

Сканирующая электронная микроскопия.Сканирующая электронная микрофотография макрофага. (David Phillips/Visuals Unlimited.)

Субклеточное фракционирование

Хотя электронный микроскоп позволяет детально визуализировать клеточную структуру, одной микроскопии недостаточно для определения функций различных компонентов эукариотических клеток. Для решения многих вопросов, касающихся функции субклеточных органелл, оказалось необходимым выделить органеллы эукариотических клеток в форме, пригодной для биохимических исследований.Обычно это достигается с помощью дифференциального центрифугирования — метода, разработанного преимущественно Альбертом Клодом, Кристианом де Дювом и их коллегами в 1940-х и 1950-х годах для разделения компонентов клеток на основе их размера и плотности.

Первым этапом субклеточного фракционирования является разрушение плазматической мембраны в условиях, не разрушающих внутренние компоненты клетки. Используется несколько методов, в том числе обработка ультразвуком (воздействие высокочастотным звуком), измельчение в механическом гомогенизаторе или обработка высокоскоростным блендером.Все эти процедуры разрушают плазматическую мембрану и эндоплазматический ретикулум на мелкие фрагменты, оставляя нетронутыми другие компоненты клетки (такие как ядра, лизосомы, пероксисомы, митохондрии и хлоропласты).

Суспензию разрушенных клеток (называемую лизатом или гомогенатом) затем фракционируют на компоненты путем серии центрифугирований в ультрацентрифуге , которая вращает образцы с очень высокой скоростью (до 100 000 об/мин) для создания усилия до 500 000 раз больше силы тяжести.Эта сила заставляет клеточные компоненты двигаться ко дну центрифужной пробирки и образовывать осадок (процесс, называемый седиментацией) со скоростью, которая зависит от их размера и плотности, при этом самые большие и тяжелые структуры осаждаются быстрее всего (1). Обычно гомогенат клеток сначала центрифугируют при низкой скорости, при которой осаждаются только неразорвавшиеся клетки и наиболее крупные субклеточные структуры — ядра. Таким образом, обогащенная фракция ядер может быть извлечена из осадка при таком низкоскоростном центрифугировании, в то время как другие клеточные компоненты остаются взвешенными в супернатанте (оставшемся растворе).Затем супернатант центрифугируют на более высокой скорости для осаждения митохондрий, хлоропластов, лизосом и пероксисом. Повторное центрифугирование супернатанта при еще более высокой скорости осаждает фрагменты плазматической мембраны и эндоплазматического ретикулума. Четвертое центрифугирование при еще более высокой скорости осаждает рибосомы, оставляя в супернатанте только растворимую часть цитоплазмы (цитозоль).

Рисунок 1.37

Субклеточное фракционирование. Клетки лизируют, а субклеточные компоненты отделяют серией центрифугирований при возрастающих скоростях.После каждого центрифугирования органеллы, осевшие на дно пробирки, извлекаются в (подробнее…)

Фракции, полученные в результате дифференциального центрифугирования, соответствуют обогащенным, но еще не чистым препаратам органелл. Более высокая степень очистки может быть достигнута с помощью центрифугирования в градиенте плотности , при котором органеллы разделяются седиментацией через градиент плотного вещества, такого как сахароза. При скоростном центрифугировании исходный материал наслаивают поверх градиента сахарозы (). Частицы разных размеров оседают по градиенту с разной скоростью, двигаясь дискретными полосами. После центрифугирования сбор отдельных фракций градиента обеспечивает достаточное разрешение для разделения органелл одинакового размера, таких как митохондрии, лизосомы и пероксисомы.

Рисунок 1.38

Центрифугирование по скорости в градиенте плотности. Образец наслаивают поверх градиента сахарозы, и частицы разного размера оседают через градиент в виде дискретных полос.Отделенные частицы затем можно собрать в отдельные фракции (подробнее…)

Равновесное центрифугирование в градиентах плотности можно использовать для разделения субклеточных компонентов на основе их плавучей плотности, независимо от их размера и формы. В этой процедуре образец центрифугируют в градиенте, содержащем высокую концентрацию сахарозы или хлорида цезия. Вместо разделения на основе скорости их осаждения частицы образца центрифугируют до тех пор, пока они не достигнут положения равновесия, при котором их плавучая плотность равна плотности окружающего раствора сахарозы или хлорида цезия. Такое равновесное центрифугирование полезно для отделения различных типов мембран друг от друга и является достаточно чувствительным для разделения макромолекул, меченных разными изотопами. Классическим примером, обсуждаемым в главе 3, является анализ репликации ДНК путем разделения молекул ДНК, содержащих тяжелые и легкие изотопы азота ( ¹⁵ N и ¹⁴ N), путем равновесного центрифугирования в градиентах хлорида цезия.

Рост клеток животных в культуре

Возможность изучения клеток во многом зависит от того, насколько легко их можно выращивать и манипулировать ими в лаборатории.Хотя этот процесс технически намного сложнее, чем культивирование бактерий или дрожжей, в культуре можно выращивать самые разные клетки животных и растений и манипулировать ими. Такие системы культивирования клеток in vitro позволили ученым изучать рост и дифференцировку клеток, а также выполнять генетические манипуляции, необходимые для понимания структуры и функции генов.

Культуры клеток животных инициируются диспергированием кусочка ткани в суспензию составляющих ее клеток, которую затем добавляют в чашку для культивирования, содержащую питательную среду.Большинство типов животных клеток, таких как фибробласты и эпителиальные клетки, прикрепляются и растут на пластиковой поверхности чашек, используемых для культивирования клеток (4). Поскольку они содержат быстрорастущие клетки, в качестве исходного материала часто используют эмбрионы или опухоли. Эмбриональные фибробласты особенно хорошо растут в культуре и, следовательно, являются одним из наиболее широко изученных типов клеток животных. Однако при соответствующих условиях некоторые специализированные типы клеток также можно выращивать в культуре, что позволяет изучать их дифференцированные свойства в контролируемой экспериментальной среде.

Рисунок 1.39

Клетки животных в культуре. Сканирующая электронная микрофотография фибробластов человека, прикрепленных к поверхности чашки для культивирования. (David M. Phillips/Visuals Unlimited.)

Питательные среды, необходимые для размножения клеток животных, намного сложнее, чем минимальные среды, достаточные для поддержания роста бактерий и дрожжей. Ранние исследования клеточных культур использовали среды, состоящие из неопределенных компонентов, таких как плазма, сыворотка и экстракты эмбрионов. Таким образом, большой прогресс был сделан в 1955 году, когда Гарри Игл описал первую определенную среду, которая поддерживала рост клеток животных.Помимо солей и глюкозы, среды, используемые для культур животных клеток, содержат различные аминокислоты и витамины, которые клетки не могут производить сами. Питательная среда для большинства животных клеток в культуре также включает сыворотку, которая служит источником полипептидных факторов роста, необходимых для стимуляции клеточного деления. Было идентифицировано несколько таких факторов роста. Они служат важными регуляторами клеточного роста и дифференцировки в многоклеточных организмах, обеспечивая сигналы, с помощью которых разные клетки общаются друг с другом. Например, важной функцией фибробластов кожи у интактных животных является пролиферация, когда это необходимо для восстановления повреждений, полученных в результате пореза или раны. Их деление запускается фактором роста, высвобождаемым из тромбоцитов при свертывании крови, тем самым стимулируя пролиферацию фибробластов по соседству с поврежденной тканью. Идентификация индивидуальных факторов роста сделала возможным культивирование различных клеток в бессывороточных средах (средах, в которых сыворотка заменена специфическими факторами роста, необходимыми для пролиферации рассматриваемых клеток).

Первичные культуры клеток, полученные из ткани, называются первичными культурами (). Клетки в первичной культуре обычно растут до тех пор, пока не покроют поверхность чашки для культивирования. Затем их можно удалить из чашки и повторно посеять с меньшей плотностью для образования вторичных культур. Этот процесс можно повторять много раз, но большинство нормальных клеток нельзя выращивать в культуре бесконечно. Например, нормальные фибробласты человека обычно можно культивировать в течение 50–100 удвоений популяции, после чего они перестают расти и погибают.Напротив, клетки, происходящие из опухолей, часто неограниченно пролиферируют в культуре и называются иммортализованными клеточными линиями . Кроме того, из культур нормальных фибробластов был выделен ряд иммортализованных клеточных линий грызунов. Вместо того, чтобы умирать, как это делает большинство их аналогов, несколько клеток в этих культурах продолжают размножаться бесконечно, образуя клеточные линии, подобные тем, которые происходят из опухолей. Такие постоянные клеточные линии были особенно полезны для многих типов экспериментов, потому что они обеспечивают непрерывный и однородный источник клеток, которыми можно манипулировать, клонировать и неограниченно размножать в лаборатории.

Даже в оптимальных условиях время деления наиболее активно растущих клеток животных составляет порядка 20 часов — в десять раз больше, чем время деления дрожжей. Следовательно, эксперименты с культивируемыми клетками животных более трудны и занимают гораздо больше времени, чем эксперименты с бактериями или дрожжами. Например, рост видимой колонии животных клеток из одной клетки занимает неделю и более, тогда как колонии E . coli или дрожжи развиваются из одиночных клеток в течение ночи.Тем не менее, генетические манипуляции с клетками животных в культуре были незаменимы для нашего понимания клеточной структуры и функций.

Культура растительных клеток

Растительные клетки также можно культивировать в питательных средах, содержащих соответствующие молекулы, регулирующие рост. В отличие от полипептидных факторов роста, которые регулируют пролиферацию большинства клеток животных, регуляторы роста растительных клеток представляют собой небольшие молекулы, способные проходить через клеточную стенку растений. При наличии соответствующих смесей этих регуляторных молекул роста многие типы растительных клеток пролиферируют в культуре, образуя массу недифференцированных клеток, называемую каллюсом (4).

Рисунок 1.41

Растительные клетки в культуре. Недифференцированная масса растительных клеток (каллюс), растущая на твердой среде. (John N. A. Lott/Biological Photo Service.)

Поразительной особенностью растительных клеток, которая резко контрастирует с поведением клеток животных, является явление, называемое тотипотентностью . Дифференцированные животные клетки, такие как фибробласты, не могут развиваться в другие типы клеток, например нервные клетки. Однако многие растительные клетки способны образовывать любые типы клеток и тканей, которые в конечном итоге необходимы для регенерации всего растения.Следовательно, посредством соответствующих манипуляций с питательными веществами и молекулами, регулирующими рост, недифференцированные растительные клетки в культуре можно индуцировать для образования различных растительных тканей, включая корни, стебли и листья. Во многих случаях из одной культивируемой клетки можно регенерировать даже целое растение. В дополнение к своему теоретическому интересу, способность производить новое растение из одной клетки, которая подвергалась манипуляциям в культуре, позволяет легко вносить генетические изменения в растения, открывая важные возможности для сельскохозяйственной генной инженерии.

Вирусы

Вирусы — это внутриклеточные паразиты, которые не могут воспроизводиться самостоятельно. Они размножаются, заражая клетки-хозяева и узурпируя клеточный механизм, чтобы производить больше вирусных частиц. В своих простейших формах вирусы состоят только из геномной нуклеиновой кислоты (либо ДНК, либо РНК), окруженной белковой оболочкой. Вирусы важны в молекулярной и клеточной биологии, потому что они представляют собой простые системы, которые можно использовать для исследования функций клеток. Поскольку репликация вируса зависит от метаболизма инфицированных клеток, исследования вирусов выявили многие фундаментальные аспекты клеточной биологии.Исследования бактериальных вирусов внесли существенный вклад в наше понимание основных механизмов молекулярной генетики, а эксперименты с растительным вирусом (вирусом табачной мозаики) впервые продемонстрировали генетический потенциал РНК. Вирусы животных предоставили особенно чувствительные зонды для исследования различной активности эукариотических клеток.

Рисунок 1.42

Структура вируса животных. (A) Частицы папилломавируса содержат небольшую кольцевую молекулу ДНК, заключенную в белковую оболочку (капсид).(B) Электронная микрофотография частиц вируса папилломы человека. Добавлен искусственный цвет. (B, Alfred Pasieka/Science (далее…)

Быстрый рост и небольшой размер генома бактерий делают их отличными объектами для экспериментов в области молекулярной биологии, а бактериальные вирусы (бактериофаги) еще больше упростили изучение бактериальной генетики. Одним из наиболее важных бактериофагов является Т4, который инфицирует и размножается в E . coli . Заражение одной частицей Т4 приводит к образованию примерно 200 дочерних вирусных частиц за 20-30 минут.Затем первоначально инфицированная клетка разрывается (лизируется), высвобождая потомство вирусных частиц в среду, где они могут инфицировать новые клетки. В культуре бактерий, растущих на агаризованной среде, репликация Т4 приводит к образованию четкого участка лизированных клеток (бляшки) на газоне бактерий (). Точно так же, как инфекционные вирусные частицы легко выращивать и анализировать, вирусные мутанты — например, вирусы, которые будут расти в одном штамме E . coli , но не другой, легко выделить. Таким образом, с T4 манипулируют даже легче, чем с E . coli для исследований в области молекулярной генетики. Более того, геном Т4 в 20 раз меньше, чем у E . coli — , примерно 0,2 миллиона пар оснований, что еще больше облегчает генетический анализ. У некоторых других бактериофагов геном еще меньше — простейший из них состоит из молекул РНК, состоящих всего из примерно 3600 нуклеотидов. Таким образом, бактериальные вирусы предоставили чрезвычайно простые экспериментальные системы для молекулярной генетики. Исследования этих вирусов во многом привели к выяснению многих фундаментальных принципов молекулярной биологии.

Рисунок 1.43

Бактериофаговые бляшки. Бляшки Т4 видны на газоне E . кишечная палочка . Каждая бляшка возникает в результате репликации одной вирусной частицы. (E.C.S. Chen/ Visuals Unlimited.)

Из-за возросшей сложности генома клеток животных вирусы играют даже более важную роль в исследованиях клеток животных, чем в исследованиях бактерий. Многие вирусы животных реплицируются и могут быть проанализированы по образованию бляшек в клеточных культурах, так же как и бактериофаги.Более того, геномы вирусов животных аналогичны по сложности геномам бактериальных вирусов (приблизительно от 3000 до 300 000 пар оснований), поэтому вирусы животных гораздо более управляемы, чем их клетки-хозяева.

Существует много разнообразных вирусов животных, каждый из которых содержит ДНК или РНК в качестве генетического материала (). Одно семейство вирусов животных — ретровирусов — содержит РНК-геномы в своих вирусных частицах, но синтезирует ДНК-копию своего генома в инфицированных клетках.Эти вирусы служат хорошим примером важности вирусов как моделей, потому что исследования ретровирусов впервые продемонстрировали синтез ДНК из матриц РНК — фундаментальный способ передачи генетической информации, который, как теперь известно, происходит как в прокариотических, так и в эукариотических клетках. Другие примеры, в которых вирусы животных предоставили важные модели для исследований своих клеток-хозяев, включают исследования репликации ДНК, транскрипции, процессинга РНК, а также транспорта и секреции белков.

Следует особо отметить, что заражение некоторыми вирусами животных не убивает клетку-хозяина, а превращает нормальную клетку в раковую. Исследования таких вызывающих рак вирусов, впервые описанных Пейтоном Роусом в 1911 г., не только заложили основу для современного понимания рака на уровне клеточной и молекулярной биологии, но и привели к выяснению многих молекулярных механизмов. которые контролируют рост и дифференцировку клеток животных.

Коробка

Ключевой эксперимент: Культура клеток животных.

Коробка

Молекулярная медицина: вирусы и рак.

Биологи построили «периодическую таблицу» ядер клеток и открыли нечто странное, непонятное и неожиданное

В статье, опубликованной в журнале Science, биологи из Медицинского колледжа Бейлора, Нидерландского института рака и Университета Райса, изучающие древо жизни, представили новую систему классификации клеточных ядер и открыли метод преобразования одного типа клеточного ядра в другой. .На этой иллюстрации показан целый зверинец паттернов контактов хромосом в ядрах различных животных и растений. Авторы и права: Графика Адама Фотоса, Ольги Дудченко, Бенджамина Роуленда и Эреза Либермана Эйден/Медицинский колледж Бейлора

Сто пятьдесят лет назад Дмитрий Менделеев создал периодическую таблицу, систему классификации атомов на основе свойств их ядер. На этой неделе группа биологов, изучающих древо жизни, представила новую систему классификации клеточных ядер и открыла метод превращения одного типа клеточного ядра в другой.

Исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Science, появилось в результате нескольких когда-то отдельных усилий. Один из них был посвящен ДНК-зоопарку, международному консорциуму, в который входят десятки учреждений, включая Медицинский колледж Бэйлора, Центр теоретической биологической физики (CTBP), поддерживаемый Национальным научным фондом, в Университете Райса, Университет Западной Австралии и SeaWorld.

Ученые из команды ДНК-зоопарка вместе работали над классификацией того, как хромосомы, длина которых может достигать нескольких метров, складываются, чтобы поместиться в ядрах разных видов со всего древа жизни.

«Смотрели ли мы на червей или ежей, асцидий или кораллы, мы продолжали видеть одни и те же модели складывания», — сказала Ольга Дудченко, соавтор нового исследования и член Центра архитектуры генома в Бэйлоре. и ЦТБП.

Биологи из Медицинского колледжа Бейлора, Нидерландского института рака и Университета Райса в исследовании, опубликованном в журнале Science, показывают, что расположение ядер в клетке человека можно превратить в типичное для мухи. Фото: Иллюстрация Евгения Громова

В конце концов, команда поняла, что они просто рассматривали варианты двух ядерных конструкций.«У некоторых видов хромосомы организованы как страницы печатной газеты, с внешними полями на одной стороне и загнутой серединой на другой», — пояснил Дудченко, который также является содиректором ДНК-зоопарка. «А у других видов каждая хромосома скомкана в маленький шарик».

«Итак, у нас была головоломка», — сказал Эрез Либерман Эйден, доцент и почетный стипендиат Макнейра в Бэйлоре, содиректор ДНК-зоопарка и старший автор нового исследования. «Данные подразумевают, что в ходе эволюции виды могут переключаться с одного типа на другой.Мы задались вопросом: каков механизм контроля? Возможно ли превратить один тип ядра в другой в лаборатории?» Эйден также является директором Центра архитектуры генома и старшим исследователем CTBP.

Художественная интерпретация хроматина, свернутого внутри ядра. Исследование чрезвычайно длинного контура свернутой ДНК под руководством биологов из Медицинского колледжа Бейлора, Нидерландского института рака и Университета Райса выявило природный метод превращения одного типа клеточного ядра в другой.Кредит: Мэри Эллен Шерл

Тем временем независимая команда из Нидерландов обнаружила нечто неожиданное. «Я проводила эксперименты с белком под названием конденсин II, который, как мы знали, играет роль в делении клеток», — сказала Клэр Хенкамп, соавтор исследования и сотрудник лаборатории Бенджамина Роуленда в Нидерландском институте рака. «Но мы заметили самую странную вещь: когда мы мутировали белок в клетках человека, хромосомы полностью перестраивались. Это было сбивающе с толку!»

Две команды встретились на конференции в австрийских горах, где Роуленд представил последнюю работу своей лаборатории.Вскоре они поняли, что Хенкамп нашел способ преобразовать клетки человека из одного типа ядер в другой.

Художественная интерпретация эволюции от приматов через современных людей к комарам. Это произведение представляет собой обыгрывание данных, собранных биологами из Медицинского колледжа Бэйлора, Нидерландского института рака и Университета Райса, которые показывают, что организация генома человека может измениться на нечто, напоминающее организацию генома комаров. Предоставлено: Йорис Костер/Нидерландский институт рака

«Когда мы посмотрели на геномы, изучаемые в ДНК-зоопарке, мы обнаружили, что эволюция уже проводила наш эксперимент много-много раз! Когда мутации у вида разрушают конденсин II, они обычно переворачивают всю архитектуру ядра», — сказал Роуленд, старший автор исследования.«Всегда немного разочаровывает, когда тебя ловят на эксперименте, но у эволюции была очень долгая фора».

Команда решила работать вместе, чтобы подтвердить роль конденсина II. Но затем разразилась пандемия COVID-19, и большая часть мира закрылась.

«Без доступа к нашим лабораториям у нас оставался только один способ установить, что делает конденсин II», — сказал Хенкамп. «Нам нужно было создать компьютерную программу, которая могла бы имитировать воздействие конденсина II на цепочку из сотен миллионов генетических букв, составляющих каждую хромосому человека.

На изображении показана подобная оригами последовательность 14 хромосом человека, сложенная в трехмерный узор. Биологи из Медицинского колледжа Бэйлора изучают, как геномы различных организмов на древе жизни складываются в 3D. Авторы и права: Джейсон Ку, Эрик Демейн/Медицинский колледж Бейлора,

Команда обратилась к Хосе Онучичу, заведующему кафедрой физики Университета Райса имени Гарри К. и Ольги К. Висс. «Наше моделирование показало, что, разрушив конденсин II, можно заставить ядро ​​человека реорганизоваться, чтобы оно напоминало ядро ​​мухи», — сказал Онучич, содиректор CTBP, в который входят сотрудники Райс, Бэйлор, Северо-восточного университета и других учреждений в Хьюстоне и Бостоне. .

Моделирование было выполнено группой в лаборатории Онучича в CTBP во главе с постдокторантом и соавтором Сумитабхой Брахмачари, работавшей с Винисиусом Контессото, бывшим постдоком в CTBP, и Микеле Ди Пьерро, старшим исследователем CTBP и в настоящее время доцентом. в Северо-восточном университете.

«Мы начали с невероятно широкого обзора эволюции ядра за два миллиарда лет, — сказал Брахмачари. «И мы обнаружили, что так много сводится к одному простому механизму, который мы можем моделировать, а также повторять самостоятельно в пробирке.Это захватывающий шаг на пути к новому виду геномной инженерии — в 3D!»

Ссылка: «Трехмерная геномика на древе жизни показывает конденсин II как детерминант архитектурного типа» Клэр Хоэнкамп, Ольга Дудченко, Ахмед М.О. Эльбатш, Сумитабха Брахмачари, Йонн А. Рааймакерс, Том ван Шайк, Анхела Седеньо Каччиаторе, Винисиус Г. Контессото, Рой ГХП ван Хисбин, Брэм ван ден Брук, Адитья Н. Мхаскар, #, Ханс Теуниссен, Брайан Гленн Сент-Илер, Дэвид Вайс, Арина Д. Омер, Мелани Фам, Зейн Коларик, Чжэньчжэнь Янг, Сухас С.П. Рао, Намита Митра, Кристофер Луи, Вейджи Яо, Рукайя Хан, Леонид Л. Мороз, Андреа Кон, Джуди Сент-Леже, Александрия Мена, Карен Холкрофт, Мария Кристина Гамбетта, Фабиан Лим, Эмма Фарли, Нильс Стейн, Александр Хаддад , Дэниел Чаусс, Айше Сена Мутлу, Мэн С. Ван, Нил Д. Янг, Эвин Хильдебрандт, Ханс Х. Ченг, Кристофер Дж. Найт, Тереза ​​Л. Бернхэм, Кевин А. Ховел, Эндрю Дж. Бил, Пьер-Жан Маттеи, Роджер Д. Корнберг, Уэсли С. Уоррен, Грегори Кэри, Хосе Луис Гомес-Скармета, Вероника Хинман, Керстин Линдблад-То, Федерика Ди Пальма, Казухиро Маэсима, Аша С.Мултани, Сен Патхак, Лизл Нел-Темаат, Ричард Р. Берингер, Парвиндер Каур, Рене Х. Медема, Бас ван Стенсел, Эльзо де Вит, Хосе Н. Онучич, Мишель Ди Пьерро, Эрез Либерман Эйден и Бенджамин Д. Роуленд, 28 лет Май 2021, Наука .
DOI: 10.1126/science.abe2218

Работа

в Райсе, Бэйлоре и Северо-Востоке была поддержана Национальным научным фондом (NSF), Институтом Уэлча, Национальными институтами здравоохранения, Научно-исследовательским институтом поведенческой пластичности при поддержке NSF, IBM, Суперкомпьютерным центром Pawsey и Illumina Inc.