КЭС 1.3 Методы биологической науки. Наблюдение, измерение, эксперимент, систематизация, метаанализ. Понятие о зависимой и независимой переменной. Планирование эксперимента. Постановка и проверка гипотез. Нулевая гипотеза. Понятие выборки и её достоверность. Разброс в биологических данных. Оценка достоверности полученных результатов. Причины искажения результатов эксперимента. Понятие статистического теста.
Часть КЭС 2.1 Методы молекулярной и клеточной биологии: микроскопия, хроматография, электрофорез, метод меченых атомов, дифференциальное центрифугирование, культивирование клеток
Теория соответствует ключам ФИПИ.
Общенаучные методы
Эмпирические (практические, физиологические)
- наблюдение (примеры: сезонные изменения в природе; изучение поведения животных в естественных условиях; смена дня и ночи)
- описание (сбор, анализ и изложение информации о процессах, объектах)
- измерение (подсчёт)
- эксперимент (Пример: влияние недостатка витамина D на развитие рахита)
Теоретические
- сравнение (пример: изучение отличий между процессом фотосинтеза и синтеза белка)
- классификация (систематизация - распределение организмов по группам в связи с их принадлежностью)
- анализ, синтез, метаанализ
- обобщение
- моделирование (пример: создание 3д модели хлоропласта)
Методы цитологии и биохимии
1. Микроскопирование (микроскопия) – изучение под микроскопом
• Световая микроскопия
- увеличение относительно невелико;
- позволяет увидеть ткани, клетки, ядра, органоиды;
- позволяет изучать процессы, происходящие в живой клетке (митоз, мейоз, движение органоидов, фагоцитоз и т.д.)
- относительно низкая стоимость микроскопа, не требует особых навыков для работы.
• Электронная микроскопия
- увеличение очень большое;
- позволяет увидеть микроструктуру органоидов и мембран;
- не позволяет работать с живыми объектами, т.к. подготовка препарата очень сложная и долгая;
- высокая стоимость микроскопа, высокая сложность работы.
Примеры: Определение структуры митохондрий; изучение особенностей фаз митоза на фиксированном препарате
2. Центрифугирование – осаждение компонентов клетки по массе и плотности
- клетки помещаются в центрифугу, крутятся, самые тяжелые компоненты первыми оседают на дно
- метод позволяет выделять и избирательно изучать разные органоиды (например, можно разделить крупные рибосомы цитоплазмы (80S) и мелкие рибосомы митохондрий (70S))
Примеры: определение числа хромосом в кариотипе; избирательное выделение органоидов клетки для дальнейшего изучения
3. Хроматография – разделение смесей по массе (или заряду)
- компоненты смеси помещаются на вязкий субстрат (бумага, гель) и начинают двигаться через него
- крупные компоненты застревают раньше, а мелкие продвигаются дальше
Пример: разделение основных пигментов из экстракта листьев
4. Метод меченых атомов – использование различных изотопов в качестве метки какого-либо элемента, что позволяет проследить за движением и превращением этого элемента: в определенном веществе заменяют нормальные атомы элемента на более тяжёлые (например, N14 на N15). Химические свойства элемента не меняются, но местонахождение этого атома в организме (в клетке) можно будет отслеживать
5. Культивирование клеток – выращивание клеток в специальных питательных средах
6. Рентгеноструктурный анализ – изучение картины рассеивания рентгеновских лучей при прохождении их через кристалл, позволяет выявить взаимное расположение атомов в молекуле (например, так изучается третичная структура белка или спиральная структура ДНК)
7. Электрофорез – разделение смеси веществ при помощи электрического тока
Методы генетики
1. Генеалогический / родословных – изучение закономерностей наследования признака в ряду поколений
• позволяет определить тип наследования признака по родословной, сцепленность признака с полом
можно использовать в генетике человека.
2. Гибридологический – целенаправленное скрещивание, подбор родительских пар для скрещивания и анализа потомства, скрещивание особей с определенными признаками
• позволяет определить тип наследования признака по результатам скрещивания.
нельзя использовать в генетике человека (запрещено законом скрещивать людей в научных целях).
Пример: скрещивание жёлтого и зелёного гороха
3. Цитогенетический – изучение кариотипа (количество, форма и размеры, структура хромосом)
• позволяет выявить геномные и хромосомные мутации.
4. Молекулярно-генетический (секвенирование) – изучение последовательности нуклеотидов в ДНК
• позволяет выявить генные мутации.
5. Биохимический – анализ белков
• Многие болезни зависят от биохимической активности белков (ферментов), а эти белки кодируются определёнными генами. Метод позволяет определить белки, изучить их количество, активность.
Пример: определение количества сахара в крови
6. Популяционно-статистический – изучение распространённости генов в популяции
• позволяет установить частоту встречаемости каждого аллеля в популяции.
7. Близнецовый – изучение влияния окружающей среды на проявление фенотипа у однояйцевых близнецов
• При одинаковом генотипе фенотип у близнецов может сильно отличаться в зависимости от условий, в которых они жили. Метод позволяет понять, как определённые условия среды влияют на генетически идентичных особей (близнецов, клонов).
Еще методы, которые попадались на ЕГЭ по биологии
| Методы | Применение метода |
| Эмбриологический/сравнительно-анатомический/сравнительно-эмбриологический | Изучение зародышей организмов для установления их филогенетического родства |
| Палеонтологический | Изучение ископаемых остатков организмов. Составление филогенетических рядов организмов |
| Биогеографический | Изучение реликтовых форм для установления эволюции организмов |
| Статистический | Изучение распространение признака в популяции |
| Популяционно-статистический | Изучение распространения признака в популяции. Частота рождения детей с синдромом Дауна |
| Эмбриологический | Изучение развития зародыша |
| Микроклональный | Выращивание различных клеток и тканей вне организма на искусственных питательных средах |
| Секвенирование | Определение последовательности нуклеотидов в ДНК с использованием флуоресцентных меток |
| Клонирование | Получение эмбрионов животных, генетически идентичных материнскому организму. Получение нескольких генетически идентичных организмов |
Биологический эксперимент
Зависимая переменная – то, что учёный измеряет.
Независимая переменная:
- то, что ученый меняет сам (под её влиянием меняется зависимая переменная);
- если на графике или в таблице два параметра, то один параметр там будет зависимая переменная (её мы уже нашли), а другой – независимая;
- единственный параметр, по которому отличаются опыт и контроль (или разные варианты опыта).
Нулевая гипотеза: [зависимая переменная] не зависит от [независимая переменная]. Это принимаемое по умолчанию предположение о том, что не существует связи между двумя наблюдаемыми событиями, феноменами.
Отрицательный контроль – это экспериментальный контроль (опыт), при котором изучаемый объект не подвергается экспериментальному воздействию при сохранении всех остальных условий). Это такой вариант эксперимента, в котором отсутствует результат эксперимента (изменение зависимой переменной). Для этого:
- воздействие независимой переменной нужно обнулить (не воздействовать);
- если такой возможности нет, то нужно оставить независимую переменную в ее нормальном (природном) состоянии.
Заклинания
1) После того, как вы написали отрицательный контроль, нужно написать заклинание Все остальные параметры необходимо оставить без изменений. Последнее время в заданиях 23 спрашивают «Какие два условия должны выполняться при постановке отрицательного контроля в этом эксперименте?» – Первое условие см. выше, а второе условие – заклинание.
2) Если спрашивают «зачем нужен отрицательный контроль», то нужно написать заклинание Такой контроль позволяет установить, насколько [зависимая переменная] зависит от факторов, не связанных с [независимая переменная].
3) Если спрашивают «Почему результаты эксперимента будут недостоверными, если меняется [параметр]?», то надо сначала написать, как изменение этого параметра повлияет на зависимую переменную, а потом начертать заклинание Это не позволит в явном виде установить зависимость между [независимая переменная] и [зависимая переменная].
Пример
1) Зависимая переменная – скорость фотосинтеза. В задаче написано «с помощью датчиков учёный фиксировал показатели скорости фотосинтеза», т.е., ученый измерял скорость фотосинтеза.
2) Независимая переменная – концентрация углекислого газа. В задаче написано «закачивался воздух с разной концентрацией углекислого газа», т.е. ученый сам менял этот параметр. Это второй параметр на графике.
3) Нулевая гипотеза: скорость фотосинтеза не зависит от концентрации углекислого газа.
4) Отрицательный контроль: растения томата необходимо посадить в теплицу с нормальной (природной) концентрацией углекислого газа. Все остальные параметры нужно оставить без изменений.
5) Такой контроль позволяет установить, насколько скорость фотосинтеза зависит от факторов, не связанных с концентрацией углекислого газа.
6) Например, если опыты с разной концентрацией углекислого газа проводить в дни с разной температурой, то результаты эксперимента будут недостоверными, т.к. температура тоже влияет на скорость фотосинтеза. Это не позволит в явном виде установить зависимость между концентрацией углекислого газа и скоростью фотосинтеза.
КАЛЛУС - метод КУЛЬТУРЫ ТКАНЕЙ
Каллусом называет особую ткань растения, состоящую из СЛАБО дифференцированных РАСТИТЕЛЬНЫХ клеток. На примере каллуса обычно демонстрируют эффект ФИТОГОРМОНОВ: например АУКСИН способствует дифференцировке клеток: влияет на развитие КОРНЕВОЙ системы. Под влиянием гормонов клетки каллусной ткани немножко сходят с ума: прямо в чашке Петри начинается развитие корня и побегов.