§ 2. Основні методи біологічних досліджень

Живу матерію на різних рівнях організації досліджують різними методами. Головні з них – порівняльно-описовий, експериментальний, моніторинг і моделювання.

Порівняльно-описовий метод започаткував видатний давньогрецький учений Аристотель. Ним користуються і тепер, описуючи нові для науки види організмів, процеси чи явища. Наприклад, замало просто описати новий вид організмів. Щоб довести унікальність цього виду, його потрібно порівняти з іншими, подібними до нього видами, про які у науці було відомо раніше. Те саме стосується і описання інших об’єктів, процесів чи явищ. Важливо, що порівнювати об’єкти дослідження можна лише в межах певного рівня організації (наприклад, певну молекулу порівнювати з іншими молекулами, клітини – з іншими клітинами тощо).

Експериментальний метод полягає в тому, що дослідники активно втручаються в будову об’єктів досліджень, перебіг різних процесів, явищ і спостерігають наслідки такого втручання. Експерименти бувають польові та лабораторні.

Польові експерименти здійснюють у природних умовах: наприклад, на експериментальних ділянках вивчають дію певних речовин на ріст рослин, випробовують заходи боротьби зі шкідниками, досліджують вплив господарської діяльності людини на природні екосистеми тощо.

Лабораторні експерименти проводять у спеціально обладнаних приміщеннях (лабораторіях). У таких дослідженнях часто використовують піддослідні організми, яких учені штучно розводять та утримують.

Оберіть дві рослини одного виду та приблизно однакових розмірів. Одну рослину поливайте лише відстояною водою, іншу – з додаванням мінеральних добрив (додавати у воду в мінеральні добрива слід згідно з рекомендаціями, які додають до таких добрив). Періодично раз на тиждень вимірюйте висоту рослин і відзначайте їхній стан. Результати досліджень записуйте у зошит. Наприкінці досліду (наприклад, через місяць) зробіть підсумковий висновок, у якому поясніть отримані результати.

Моніторинг – постійне стеження за перебігом певних процесів в окремих популяціях, екосистемах, біосфері в цілому чи за станом певних біологічних об’єктів. Моніторинг дає змогу визначати стан певних об’єктів, популяцій, екосистеми та біосфери в цілому, прогнозувати можливі негативні зміни, аналізувати їхні наслідки і своєчасно розробляти заходи щодо їхньої охорони. Наприклад, здійснюючи моніторинг умісту карбон(ІV) оксиду (вуглекислого газу) в атмосфері, можна припустити, як це впливатиме на зміни клімату нашої планети.

Під керівництвом учительки/вчителя протягом року проведіть моніторинг за змінами видового складу птахів вашої місцевості. З’ясуйте, які види першими відлітають у вирій, які – згодом; зверніть увагу, які види залишаються зимувати, хто з них чисельно переважає. Навесні визначте, які мігруючі види птахів прилітають першими, а які – згодом. Наприкінці досліджень зробить висновки й запишіть їх у зошит.

Моделювання – метод дослідження та демонстрування структур, функцій, процесів за допомогою їхньої спрощеної імітації. Моделювання є обов’язковим етапом багатьох наукових досліджень, оскільки дає змогу вивчати об’єкти та процеси, які неможливо безпосередньо спостерігати чи відтворювати експериментально. За допомого моделювання вчені прогнозують можливі наслідки різних процесів або явищ, створюють певні ідеальні об’єкти чи явища й порівнюють з ними реальні. Результати, отримані за допомогою згаданих методів, обробляють, використовуючи математично-статистичний аналіз.

Мал. 2.1. 1 – фрагмент нижньої щелепи хижого динозавра мегалозавра, який пересувався на задніх кінцівках (жили в середині юрського періоду (181169 млн років тому); частини скелетів знайдено в Англії, Франції та Португалії); 2 – стегнова кістка мегалозавра; 3 – один з етапів створення тривимірної моделі мегалозавра; 4 – відтворений вигляд мегалозавра

Про важливість моделювання можуть свідчити такі факти. Під час проведення палеонтологічних досліджень учені часто виявляють лише окремі кістки (або навіть фрагменти кісток) тварин, які мешкали в колишні геологічні епохи. Використовуючи сучасні комп’ютерні технології, учені можуть створювати повні 3D моделі таких істот, які дають змогу отримати уявлення про будову цих тварин (мал. 2.1). Така модель є прикладом статичної моделі, яка, на відміну від динамічної, не дає можливості досліджувати процеси, що відбуваються в біологічних системах, і прогнозувати їхні наслідки. Прикладом динамічних моделей є акваріум, який імітує водну екосистему, та математичні моделі.

У школі знайдіть приклади статичних (наприклад, моделі будови квітки, організму тварини або людини) та динамічних (як-от акваріум) моделей. Зробіть висновки, яку інформацію можна отримати, вивчаючи обрані вами моделі. Висновки запишіть у зошит.

Цікаво знати

Фахівці здатні створювати моделі біологічних систем різного рівня організації: від молекулярного до біосферного. Моделювання структури білкових молекул використовують у фармакології (наприклад, під час створення лікарських препаратів), медицині (виявлення такої структури білкових молекул, яка здатна спричинити захворювання людини), біотехнології (як-от створення ефективних ферментів для забезпечення біотехнологічних процесів) тощо. На клітинному рівні проводять моделювання як будови окремих видів клітин, так і процесів обміну речовин, які в них відбуваються або можуть відбуватись. На організмовому рівні дослідники здатні моделювати будову як окремих органів, так і систем органів та процесів, які в них відбуваються, а також хімічну будову організмів (за допомогою вчительки/вчителя поясніть, яке це має наукове та практичне значення).

Мал. 2.2. Етапи створення математичної моделі

Математичне моделювання в біології – сукупність математичних методів аналізу складних кількісних взаємозв’язків і закономірностей у біологічних системах (мал. 2.2). Його здійснюють за допомогою комп’ютерної техніки, яка дає змогу зберігати величезні обсяги інформації і швидко їх обробляти з використанням спеціальних програм. За допомогою математичного моделювання, наприклад, можна вивчати взаємозв’язки організмів у екосистемах (як-от, залежність чисельності популяції рослиноїдної тварини від чисельності популяції хижака, залежність змін чисельності популяцій від кліматичних змін чи впливу діяльності людини).

Статистичний метод. Маса зібраних фактів, не оброблених статистично, всебічно не проаналізованих, не дає змоги виявити всю інформацію, яка в цих фактах міститься, встановити певні закономірності. Математичне оброблення потрібне для визначення ступеня достовірності отриманих результатів і правильного їхнього узагальнення. Застосування математично-статистичних методів сприяло перетворенню біології з описової науки на точну, яка базується на чіткому математичному аналізі одержаних даних.

Статистично достовірну закономірність у біології можна вважати правилом або науковим законом.

Біологічні закони — закономірності, що зазвичай не мають винятків і можуть тлумачитись лише певним чином.

Пригадайте закони, які ви вивчали з інших предметів.

Ключові терміни і поняття: моніторинг, описовий та експериментальний методи, моделювання, біологічні закони.

Перевірте здобуті знання

1. Які ви знаєте методи досліджень у біології? 2. Чому під час описання нових для науки видів організмів учені обов’язково застосовують порівняльно-описовий метод? 3. Чому сучасні біологічні дослідження не можуть обходитись без застосування методу моделювання?

Поміркуйте. Які винаходи людства сприяли розвитку біології?

§ 38. Розвиток тварин

Кожному виду тварин притаманний індивідуальний розвиток. Це розвиток особини від її народження до завершення життя. Так забезпечується неперервність поколінь, існування як окремих видів, так і життя на нашій планеті загалом. В індивідуальному розвитку тварин виділяють зародковий і післязародковий періоди.

Що відбувається під час зародкового розвитку тварин? Зародковий період індивідуального розвитку – це час, коли новий організм (зародок) розвивається всередині материнського або всередині яйця. Він завершується народженням: виходом з материнського організму або з оболонок яйця поза ним. У процесі зародкового розвитку тварин виділяють кілька послідовних етапів. Спочатку відбувається послідовний поділ зиготи та формування одношарового багатоклітинного зародка (мал. 203, 2-4).

Мал. 202. Запліднення та формування зародку у хордових тварин: 1 – сперматозоїд; 2 – яйцеклітина; 3 – послідовні етапи поділу зиготи; 4 – одношаровий зародок; 5 – двошаровий зародок; 6 – тришаровий зародок

У подальшому в зародка закладаються два або три шари клітин – зародкових листків. Спочатку утворюються два шари клітин: зовнішній та внутрішній (мал. 203, 5). На цьому етапі завершується ембріональний розвиток кишковопорожнинних. У більшості тварин згодом настає етап формування третього (середнього) зародкового листка (мал. 203, 6).

Отже, подібні між собою клітини одношарового зародка згодом дають початок різним типам клітин різних зародкових листків. Це відбувається внаслідок диференціації клітин.

Які особливості післязародкового розвитку тварин? Післязародковий розвиток тварин починається після народження або виходу з оболонок, що вкривають зародок, і триває до смерті. За цей час організм росте, розвивається, набуває здатності до розмноження. В організмів деяких видів після розмноження настає смерть (комахи-одноденки, лососеві риби – кета, горбуша тощо). В інших організмів (більшість хребетних тварин, річковий рак, деякі комахи, павукоподібні, молюски) здатність до розмноження зберігається певний час. Після її втрати смерть у таких організмів настає не відразу, а через деякий час (від кількох днів у комах до кількох років і десятків років у великих ссавців тощо). Цей час має назву період старіння, коли знижується рівень обміну речовин, в організмі відбуваються необоротні зміни.

У плацентарних ссавців, деяких сумчастих, акул одна із зародкових оболонок, які оточують зародок, зростається зі стінками розширеної частини статевих проток – матки. Таким чином, через кров матері до зародка потрапляють поживні речовини та кисень і виводяться продукти обміну речовин та вуглекислий газ. Процес появи на світ такого зародка має назву справжнього живородіння.

Якщо розвиток зародка відбувається за рахунок запасних поживних речовин яйця всередині материнського організму і зародок звільняється від яйцевих оболонок ще в материнському організмі, таке явище має назву яйцеживородіння (ящірка живородна, деякі змії, акваріумні рибки – гупі та мечоносці й ін.).

Якщо зародок розвивається у яйці поза материнським організмом і молода особина виходить з нього безпосередньо в зовнішнє середовище, то таке явище називають яйценародженням (більшість рептилій, комах, птахи, першозвірі тощо).

Післязародковий розвиток тварин може бути прямим або непрямим. Пригадайте, за прямого розвитку щойно народжена тварина загалом нагадує дорослу (мал. 204). Це відбувається тоді, коли зародковий період триває довше за рахунок живлення зародка поживними речовинами материнського організму (плацентарні ссавці, деякі хрящові риби, скорпіони) або яйця (рептилії, птахи, першозвірі). За прямого розвитку тварина народжується досить розвинена, що зменшує її вразливість до зовнішніх чинників.

Мал. 204. Тварини, яким властивий прямий розвиток: 1 – акула з акуленям; 2 – самка каракурта з павучатами; 3 – змії вилуплюються з яєць; 4 – птах з пташенятами; 5 – ведмедиця з ведмежатами

Прямий розвиток характерний для деяких кишковопорожнинних (гідри), малощетинкових червів (дощового черв’яка), деяких ракоподібних (річкового рака), павуків, прісноводних і наземних черевоногих молюсків, хрящових риб, рептилій, птахів, ссавців.

Непрямий розвиток характеризується тим, що особина, яка народжується (личинка), за своєю будовою відрізняється від статевозрілих (мал. 205) особин. Він має кілька послідовних фаз. На кожній з них тварина відрізняється певними особливостями будови та життєвих функцій.

Мал. 205. Тварини, яким властивий непрямий розвиток: 1 – метелик (а – яйця, б – гусениця, в – лялечка, г – доросла особина); 2 – лососева риба (а – ікра, б – личинка, в – доросла риба)

Личинка виконує кілька важливих біологічних функцій, спрямованих на забезпечення існування виду. Живильна функція полягає в тому, що тварина на цій фазі отримує багато поживних речовин, потрібних для завершення розвитку. Дорослі особини деяких видів комах не живляться взагалі, використовуючи запаси поживних речовин, накопичені личинкою (наприклад, шовковичний шовкопряд, оводи).

Функція раціонального використання ресурсів полягає в тому, що різні фази розвитку можуть бути розділені просторово і за способом та об’єктами живлення. Пригадайте, гусінь метеликів переважно живиться рослинами, тоді як дорослі особини – нектаром.

Ще одна функція – розселення. Личинки багатьох тварин, які ведуть малорухомий чи прикріплений спосіб життя (коралові поліпи, двостулкові молюски), здатні активно чи пасивно (за допомогою течій, вітру, інших організмів) розселятись на значні відстані, забезпечуючи поширення виду. Личинки паразитичних видів забезпечують зараження нових особин хазяїв.

Як ростуть тварини? Усім тваринам притаманний ріст.

Ріст організмів – це поступове збільшення їхньої маси і розмірів.

Ріст, який здійснюється протягом індивідуального розвитку, буває обмеженим і необмеженим. Обмежений ріст спостерігають у тих випадках, коли особина, сягаючи певних розмірів, його припиняє (зазвичай набувши здатності до розмноження: комахи, птахи, ссавці тощо). У разі необмеженого росту розміри і маса організмів збільшуються до їхньої смерті (молюски, хрящові та кісткові риби та ін.).

Залежно від будови покривів тіла, особливостей індивідуального розвитку та умов довкілля, ріст буває безперервним або періодичним. За безперервного росту організм поступово збільшується, доки не сягає певних розмірів або не настає його смерть. Періодичний ріст спостерігають у тих випадках, коли періоди збільшення розмірів чергуються з періодами, коли ріст припиняється. Наприклад, членистоногі ростуть під час линяння, коли скидаються старі покриви і ще не затверділи нові. Ріст припиняється також у тих тварин, які впадають у сплячку чи заціпеніння під дією несприятливих чинників.

ДОВЕДЕМО НА ПРАКТИЦІ

Лабораторне дослідження визначення віку тварин (на прикладі двостулкових молюсків і кісткових риб)

Обладнання, матеріали та об’єкти дослідження: мушлі двостулкових молюсків; луска кісткових риб (бажано великих екземплярів коропових риб), ручні лупи.

1. Візьміть до рук мушлю жабурниці (перлівниці тощо). Поверніть роговим шаром до себе. На темному тлі знайдіть смуги річного приросту.

2. За допомогою ручної лупи дослідіть кільця річного приросту, порахуйте їхню кількість. Використовуючи спеціальну літературу, визначте вік молюска.

3. За допомогою ручної лупи розгляньте кільцеві структури на лусці коропових риб. Рахуючи кільця попарно, визначте вік риби, луску якої ви досліджуєте.

Біологічний словничок: індивідуальний розвиток, зародковий і післязародковий періоди розвитку, ріст і розвиток тварин.

ПЕРЕВІРТЕ ЗДОБУТІ ЗНАННЯ

1. Які періоди виділяють у розвитку багатоклітинних тварин? 2. Які етапи проходить зародок тварини під час зародкового розвитку? 3. Чим характеризується післязародковий розвиток багатоклітинних тварин? 4. Що таке непрямий тип післязародкового розвитку? Яким тваринам він притаманний? 5. Чим характеризується прямий тип післязародкового розвитку? Для яких тварин він характерний? 6. Які функції можуть виконувати личинки?

Для допитливих і кмітливих

Яке біологічне значення того, що на фазі лялечки організм зазнає докорінної перебудови?

Творче завдання

Порівняйте особливості післязародкового розвитку багатоклітинних тварин і вищих рослин.