【澳门威尼斯三生物】生物学中常见的科学研究方法

作者:吴苹 来源: 发布时间:2018年06月25日
 

在生物学史上我们经历了描述性生物学阶段、实验生物学阶段和分子生物学阶段的发展,得到了前人留下的很多宝贵的生物学研究方法,在中学生物学教学中应将这些方法进行渗透。总体来说大致有八种方法,即:观察法、实验法、调查法、假说演绎法、类比推理法、模型法、系统分析法、同位素标记法。现将这些内容进行总结,如有不当之处,还望批评指正。

1、观察法:指人们在自然发生的条件下,通过感官或借助于仪器,有目的、有计划的考察研究对象,从而获得有关经验性材料的方法。可以直接用肉眼,也可以借助放大镜、显微镜、望远镜等仪器,或利用照相机、录音机、摄像机等工具,有时还需要测量。观察时要全面、细致和实事求是,并及时记录下来。

生物学发展过程中用到观察法的研究成果有:

①林奈【瑞典】研究生物分类

②施莱登、施旺【德国】创立的细胞学说

③达尔文【英国】生物的自然进化理论

2、实验法:是指实验者有目的、有意识的通过改变某些社会环境的实践活动来认识实验对象的本质及其发展变化规律的方法,其一般思路和过程为:提出问题、作出假设、制定计划、进行实验、得出结论、表达与交流。

生物学发展过程中用到实验法的研究成果有:

①孟德尔【奥地利】遗传规律

②摩尔根【美国】基因位于染色体上

③达尔文父子、温特【荷兰】生长素的发现过程

④格里菲斯【英国】、艾弗里【美国】肺炎双球菌转化实验

⑤郝尔希、蔡斯噬菌体侵染细菌的实验

⑥巴甫洛夫【俄国】条件反射实验

3、调查法:为了达到设想的目的,制定某一计划全面或比较全面的收集研究对象的某一方面情况的各种材料,并作出分析、综合,得到某一结论的研究方法。

生物学发展过程中用到调查法的研究成果有:

①人口普查

②种群数量调查

③群落中物种丰富度调查

④人类遗传病的发病率和遗传方式的调查

⑤林德曼【美国】赛达伯格湖能量传递的特点;奥德姆【美国】佛罗里达州银泉水域生态系统能流分析

4、假说演绎法:在观察和分析基础上提出问题后,通过推理和想象提出解释问题的假说,根据假说进行演绎推理,再通过实验验证演绎推理的结论。如果实验结果与与其结论相符,就证明假说是正确的,反之,则说明假说是错误的。一般过程包括:提出问题、作出假设、演绎推理、检验推理、得出结论。

生物学发展过程中用到假说演绎法的研究成果有:

①孟德尔的豌豆杂交试验

②摩尔根通过果蝇杂交实验证实萨顿假说:基因位于染色体上

DNA复制方式的提出与证实(沃森、克里克提出遗传物质自我复制假说:半保留复制,后来的科学家以大肠杆菌作为实验材料,运用同位素标记法证实了这一假说)

④中心法则的提出与证实(美籍苏联物理学家伽莫夫提出三个碱基编码一个氨基酸的设想,克里克等以T4噬菌体为材料,研究其中某个基因的碱基的增加或减少对其所编码的蛋白质的影响,证实确实是三个碱基编码一个氨基酸,后来美国生物学家尼伦伯格和马太破译第一个遗传密码,之后科学家们努力将密码全部破译)。

5、类比推理法:是指根据两个研究对象的相同或相似方面来推断它们在其他方面的一致性的一种思维方法和推理形式,是提出假说的重要途径,往往可以导致新发现新理论,但需要通过观察或实验证实或证伪。

生物学发展过程中用到类比推理的研究成果有:

①施旺在观察动物细胞结构,完善细胞学说的过程。(施莱登观察到细胞是组成植物体的基本单位而把这个信息告诉了施旺,施旺意识到既然植物体如此,动物体也很可能如此。因此,他广泛地对动物各种组织进行研究,发现动物体也是由细胞构成的,验证了上述推理的正确性,在此基础上,对上述事实材料进行归纳概括,建立了细胞学说。)

②沃森、克里克建立DNA模型。(沃森和克里克根据前人的研究成果,认识到蛋白质的空间结构呈螺旋型,于是他们推想: DNA结构或许也是螺旋型的。根据这样的类比推理,他们对原来构建的DNA模型进行了修改,并与DNA分子的X射线照片进行对照,证实了该推理的正确性。)

③萨顿的假说。但此处现认为有待商榷:萨顿先是结合自己对于蝗虫减数分裂的研究成果,将染色体和孟德尔学说预测的基因及其行为进行了比较,结果意识到这二者之间的平行关系。然后开始破题,提出了“基因在染色体上”的假说。可以看出,萨顿假说的提出,分成几个阶段:归纳累积染色体行为变化的实验事实→比较染色体和基因的行为,发现二者的共变性→提出“基因在染色体上”的假说。根据这一过程,萨顿的假说更类似于共变法归纳推理。共变法归纳推理的意思是:通过考察被研究对象情况的变化,从而确认这个变化着的先行条件是被研究现象变化的原因。因此通过共变法直接推出的结论应是“染色体(基因)的行为变化是基因(染色体)行为变化的原因”。但这跟萨顿最后提出的“基因在染色体上”假说本身还有一段距离,因为染色体和基因行为变化的时序难以考察,谁是先行条件尚难明确。结合当时染色体的结构已可在光镜下观察,而基因还是看不见的逻辑推理的产物,借助合理的想象,“(看不见的)基因位于(看得见的)染色体上”的假说已是呼之欲出了。 因此,提出萨顿假说的思维过程,兼有逻辑思维和非逻辑思维的成分。逻辑思维的推理方式是运用共变法的科学归纳推理,非逻辑思维是指假说诞生的助产婆——大胆合理的想象。从以上分析来看,萨顿假说的提出更类似于一种比较而非类比。比较和类比是有区别的,它们虽然都是将两个或两类事物的某些属性或关系进行对照。但这种对照在三者之间却有性质、目的或作用方面的差别。类比是一种思维形式(推理形式),它通过两个或两类事物的对照类推,要从一个或一类事物的已知推出另一个或另一类事物的未知,使人们获得新的认识结论。比较则是通过两个或两类事物的优劣与异同等方面的对照相比,用具体事实说明这两个或两类事物中孰优孰劣、孰好孰坏,本身也不具有推出新知识的性质。在将基因和染色体的两相对比中,并不是从基因(染色体)的某项已知属性推知染色体(基因)也具有某项属性,而是对基因和染色体这两个被对比主体的关系性质作出了推断,因而不符合类比推理的内涵。

6、模型法:以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法,是以简化和直观的形式来显示复杂事物或过程的手段,分为物理模型、概念模型和数学模型三类。

生物学发展过程中用到模型法的研究成果有:

①物理模型:沃森和克里克的DNA双螺旋结构

②概念模型:达尔文自然选择学说的解释模型

③数学模型:J型种群增长曲线Nt=N0λt

7、系统分析法:是明确系统的边界后,在分析系统组成要素、层次结构的基础上,分析系统各组分间相互影响的定量关系,建立系统的数学模型,并利用计算机对系统结构优化,使系统具有功能整合作用的问题分析方法,一般分为四个阶段:第一阶段是定性分析,包括划分系统边界、分析层次、明确问题及研究目标;第二阶段为定量研究阶段,包括定量研究各组分间的影响关系、建立系统数学模型;第三阶段为模型分析阶段,是在认识系统动态规律的基础上,确定系统模型的参数,进行模型试验,优化系统功能;第四阶段为系统结构优化阶段,是通过模型分析,优化系统结构,实行系统调控,使系统具有系统功能整合特性,实现优化的系统功能。

生物教材中用到系统分析法的研究成果主要就是赛达伯格湖生态系统能量和物质的研究。

8、同位素标记法:借助同位素原子以研究有机反应历程的方法。可用于追踪物质的运行和变化规律,即用示踪元素标记的化合物,其化学性质不变,科学家通过追踪示踪元素标记的化合物,可以弄清化学反应的详细过程。具有灵敏度澳门威尼斯、方法简便、定位定量准确、符合生理条件等特点。

生物学发展过程中用到同位素标记法的研究成果有:

①利用15N3H标记氨基酸研究生物膜系统的连续性。

②用 14C标记CO2,研究光合作用中卡尔文循环过程。

③用3H标记胸腺嘧啶核苷和尿嘧啶核苷检测DNA复制、转录的部位、时间、过程。

④用18O分别标记CO2H2O,探究光合作用O2的来源。

⑤用15N标记DNA,探究DNA的复制方式是半保留复制。

⑥用35S32P分别标记蛋白质和DNA,探究噬菌体的遗传物质。

在生物学研究过程中,还有一种类似同位素标记法的研究方式是荧光分子标记,区别是同位素标记法通常采用放射性同位素标记物质中的分子原子,荧光标记法通常是借助荧光分子来标记蛋白质。一个属于元素标记,另一个属于分子标记。比如:用荧光分子标记细胞膜上的蛋白质说明细胞膜具有流动性,以及用荧光分子标记的DNA分子探针检测DNA的碱基序列。

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