Основой научного познания является построение системы достоверного знания, основанного на фактах. Фактом является наблюдение или эксперимент, который может быть воспроизведен и подтвержден. Однако, толковать одно и то же наблюдения разные ученые могут по-разному.
Типичная последовательность этапов научного исследования такова:
• накопление определенных фактов;
• постановка проблемы;
• формирование гипотезы, которая объясняет эти факты;
• проверка гипотезы с помощью новых фактов.
Если новые факты не подтверждают выдвинутую гипотезу, то выдвигается новая гипотеза. Если же гипотеза хорошо согласуется с имеющимися фактами и позволяет делать прогнозы, что впоследствии подтверждаются, то она становится научной теорией. Но возникновение научной теории не означает, что она является вечной. Новые данные, полученные в будущем, могут потребовать ее корректировки.
Для получения новых фактов и формирования гипотез и теорий современная биология использует разнообразные научные методы. Их можно разделить на две большие группы - эмпирические и теоретические. В случае применения эмпирических методов биологи работают с природными объектами, определяя их свойства. К таким методам относят наблюдение и эксперимент. В ходе наблюдения исследователь лишь регистрирует ход природных процессов, не вмешиваясь в него. Если наблюдение за биологическим объектом проводится отдельно, то такой тип наблюдения называют описательным. Если же во время наблюдения ученый работает сразу с несколькими объектами, а затем сравнивает результаты, то такой тип наблюдения называют сравнительным. Преимущество описательных исследований в том, что наблюдатель не влияет на объект наблюдений. Но в этом случае ученому трудно определить роль различных факторов на воздействие природных процессов.
В ходе эксперимента исследователь активно вмешивается в природные процессы. Он искусственно формирует условия, в которых происходит эксперимент. Это позволяет создать ситуацию, когда ученый может исследовать воздействие на биологические процессы только одного фактора, оставляя другие факторы неизменными. Недостатком такого подхода является то, что искусственно созданные условия эксперимента могут отражаться на нормальном функционировании биологических объектов.
При теоретических методов исследования ученые не работают с объектом исследования непосредственно. Они исследуют физические или математические модели природных объектов. В теоретических методах выделяют моделирования и математическую обработку данных (статистический метод). Математическая обработка данных происходит по окончании наблюдения или эксперимента. Она позволяет на основе полученных данных определить связи между отдельными параметрами биологических систем, вычленить влияние отдельных факторов на биологические системы и особенности их узаемодии.
Основой моделирования является создание определенной теории относительно той или иной биологической системы, содержащий правила, по которым происходят изменения в биологических системах, анализируются. После создания такой теории задаются начальные параметры (т.е. определяется исходное состояние системы). Затем, обычно с использованием мощных компьютеров, делается анализ - как будет меняться система в случае действия правил выдвинутой теории. Результаты сопоставляются с реальными фактами для существующих биологических систем. Если отклонение от естественных процессов незначительны, то в теорию и модель вносят небольшие правки и продолжают исследования. Если же отклонения являются существенными, то созданную теорию отвергают и предлагают новую.
Моделирование широко используется в тех ситуациях, когда проведение реального эксперимента невозможно. Так, например, исследуют эволюционные процессы, изменения экосистем в планетарном масштабе и т.д..