Живую материю на разных уровнях организации исследуют также различными методами, основные из которых - сравнительно-описательный, экспериментальный, мониторинг и моделирование. Полученные результаты обрабатывают с помощью математико-статистического анализа.
С помощью сравнительно-описательного метода описывающих новые для науки виды организмов, процессы или явления. Его основал древнегреческий ученый Аристотель. Однако часто недостаточно просто описать новый вид организмов, процесс, явление и т.д.. Чтобы установить своеобразие объекта исследований, его необходимо сравнить с другими подобными объектами, процессами или явлениями. Например, открытие новых для науки видов невозможно без анализа их сходства и отличий от близких форм. То же касается органических соединений, биохимических процессов, строения и функций клеток, тканей, организмов, экосистем и т.д..
Для научного исследования любой биологический объект классифицируется, т.е. определить его принадлежность к той или иной группе (например, органических веществ - до белков, липидов, углеводов или нуклеиновых кислот и т.д., живых существ - к соответствующему виду, рода, семьи и т. д.). Сравнение объектов исследования возможно только в пределах определенного уровня организации (например, сравнение определенной молекулы с другими молекулами, клетки - с другими клетками, вида - с другими видами т.п.).
Экспериментальный метод заключается в том, что исследователи активно вмешиваются в строении объектов исследований, ход тех или иных процессов, явлений и наблюдают за последствиями такого вмешательства. Эксперименты бывают полевые и лабораторные. Полевые эксперименты осуществляют в естественных условиях: на экспериментальных участках изучают действие определенных веществ на рост растений, испытывают меры борьбы с вредителями, исследуют влияние хозяйственной деятельности человека на природные экосистемы и т.д.. Лабораторные эксперименты проводятся в специально оборудованных помещениях (лабораториях) (рис. 3.1). В таких исследованиях часто используют подопытные организмы, которых исследователи искусственно разводят и содержат. Некоторые лабораторные культуры дали начало промышленным культурам, которые используют для получения необходимых человеку продуктов. Это одно из направлений исследований в биотехнологии (например, использования дрожжей в хлебопекарной деле, виноделии; бактерий и грибов - для получения антибиотиков и т.д.).
Мониторинг - постоянное наблюдение за ходом определенных процессов в отдельных популяциях, экосистемах, биосфере в целом или по состоянию определенных биологических объектов. Его осуществляют в основном на популяционно-видовом, биогеоце-нотичному или биосферном уровнях. Он позволяет не только определять состояние определенных объектов, но и прогнозировать возможные изменения, анализировать их последствия. Например, изменения климата на нашей планете возможны в связи с накоплением в атмосфере углекислого газа. Осуществляя мониторинг его содержания в атмосфере, можно предположить, как это будет влиять на изменение климата нашей планеты. Таким образом, мониторинг дает возможность своевременно выявлять негативные изменения в структуре и функционировании отдельных популяций, биогео-ценозов или биосфере в целом и своевременно разрабатывать меры их охраны.
Моделирование - метод исследования и демонстрации структур, функций, процессов посредством их упрощенной имитации. Моделирование является обязательным этапом многих научных исследований, поскольку дает возможность изучать объекты и процессы, которые невозможно непосредственно наблюдать или воспроизводить экспериментально. Любая модель неизбежно упрощена. Она не может выявить всю сложность объектов, процессов или явлений, которые наблюдают в природе, а отражает лишь их общие черты или вероятный ход. С помощью моделирования ученые прогнозируют возможные последствия тех или иных процессов или явлений, создают определенные идеальные объекты или явления и сравнивают с ними реальные. Например, для исследования многих опасных болезней человека создают модели этих процессов у подопытных животных.
Модели могут быть статическими и динамическими. Примеры статических моделей вам не раз демонстрировали на уроках биологии, например модели строения цветка, головного мозга или других органов. Их можно рассматривать, не вмешиваясь в их структуру. А вот с помощью аквариума (рис. 3.2) можно создать динамическую модель водной экосистемы. Изменяя видовой состав организмов, химический состав воды и т.д., можно наблюдать по результатам такого вмешательства.
Теоретические основы математических моделей биологических процессов и явлений разрабатывает математическая биология. Математическая модель - это численное выражение парных связей (в виде системы дифференциальных уравнений) в пределах определенного объекта, процесса или явления. Изменяя числовое значение одного из показателей, введенных в модель, можно наблюдать, как будут изменяться и другие, то есть как вести себя данная система при определенных условиях. Например, можно создать модель пищевых связей в экосистеме, описывая связи между отдельными видами: растение - растительноядный вид, растительноядный вид - хищник и т. д. (рис. 3.3).
Математическое моделирование в биологии - совокупность математических методов анализа сложных количественных взаимосвязей и закономерностей в биологических системах. Его осуществляют с помощью компьютерной техники, которая позволяет хранить огромные объемы данных и быстро их обрабатывать с помощью специальных программ. Математическое моделирование дает возможность наблюдать за возможными вариантами развития событий, выделять отдельные связи, комбинировать их и т.д.. Предпосылкой создания правильной математической модели служат накопления данных наблюдений или экспериментов об определенных явления или процессы.
Математическую модель создают в несколько этапов. Последовательно выдвигают рабочую гипотезу и формулируют вопросы, ответы на которые должна дать модель; разрабатывают соответствующий математический аппарат, на его основе вычисляют определенные данные; сравнивают их с результатами наблюдений и экспериментов, проверяя правильность модели. В случае существенных различий результатов моделирования с реальными данными модель коренным перерабатывают или отвергают, поскольку это свидетельствует об ошибочности рабочей гипотезы или неправильно разработан математический аппарат.
Гипотеза - научно обоснованное предположение, выдвинутое для объяснения того или иного факта, процесса или явления. Гипотеза, подтвержденная практикой, становится научной теорией.
Математические модели, например, могут определять, какое количество особей промысловых животных можно изымать из природных популяций, чтобы это не сказалось на их численности; прогнозировать массовые размножения вредителей, последствия антропогенного воздействия на отдельные экосистемы и биосферу (например, как увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере влияет на отдельные группы организмов и климат планеты в целом) и т.д..
Статистический метод. Любой накопленный материал, полученный в результате наблюдений, экспериментов или моделирования, требует статистической (математической) обработки. Масса собранных фактов, не проанализированных и не обработанных статистически, не дает возможности выявить весь объем информации, установить определенные закономерности. Перед обработкой результатов исследователи определяют задачи, которые нужно решить, и в зависимости от этого выбирают тот или иной метод математической статистики. Математическая обработка необходима для определения степени достоверности и правильного обобщения полученных результатов.
Статистически достоверную закономерность в биологии можно считать правилом или научным законом. Биологические законы - это статистически выверенные закономерности, обычно не имеют исключений и могут быть истолкованы только определенным образом (вспомните законы, которые вы изучали по другим предметам). Со временем вы ознакомитесь с основными биологическими законами, в частности экологическими и законами наследственности.