Частные методы биологии

Каждая частная биологическая наука (ботаника, зоология, анатомия и физиология, цитология, эмбриология, генетика, селекция, экология и другие) пользуется своими методами исследования.

1. Микроскопия – изучения объектов с помощью различных микроскопов. С их помощью получают изображения с различным увеличением. Микроскопия широко используется в цитологии.

По устройству микроскопы делят на:

• В световой микроскоп ведется наблюдение за живыми и неживыми объектами. Можно увидеть: клетки, вакуоли растений, ядро, хлоропласты, клеточную стенку. Изображения – цветные и ч\б. Недорогостоящий и нетрудоемкий метод.

• В электронный микроскоп ведется наблюдение за неживыми объектами с большим увеличением. Через объект проходит поток электронов и создается изображение на фотопластинке. Можно увидеть: рибосомы, микротрубочки, мембраны ЭПС, вирусы. Изображения – ч\б. Дорогостоящий и трудоемкий метод.

2. Окрашивание (=цитохимический метод) – способ подготовки материала для морфологического, гистологического и цитологического исследования для повышения информативности световой микроскопии. Например, чтобы выявить изменения в шейке матки опухолевой природы, применяют йодный раствор. Опухолевые и нормальные клетки по-разному воспринимают краситель, что позволяет врачу определить наличие заболевания.

3. Центрифугирование – разделение смесей на составные части под действием центробежной силы.

Применяется при разделении органоидов клетки, легких и тяжелых фракций (составляющих) органических веществ и т. д. Органоиды клетки разделяются по плотности и молекулярной массе (от тяжелого к легкому): ядро → митохондрии и хлоропласты → лизосомы → рибосомы

4. Хроматография – разделение смесей веществ или частиц, основанное на различиях в скоростях их перемещения в специальной среде.

Чтобы смесь разделить на компоненты мы заливаем ее в эту колонну, частицы двух компонентов двигаются вниз. Так как размеры частиц компонентов различаются, чем меньше размер и разветвленность молекул, тем дальше они продвигаются, так происходит разделение. Это мы видим на рисунке и можем сделать вывод, что частицы компонента А меньше частиц компонента В.

Таким методом смогли разделить компоненты сложного растительного пигмента – хлорофилла.

На рисунке: 1) Колонна с вязким субстратом, 2) Некая смесь, которая состоит из двух компонентов (A+B).

5. Электрофорез – близкий к хроматографии метод: разделение веществ происходит в специальном геле, через который пропускают электрический ток, отрицательно заряженные компоненты вещества начинают двигаться в сторону положительно заряженного электрода с разной скоростью и происходит их разделение. Используется для разделения смесей белков, ДНК и др., имеющих разные заряды.

6. Рентгеноструктурный анализ – метод, основанный на дифракции рентгеновских лучей. Можно изучить строение молекул белков, нуклеиновых кислот, других веществ, входящих в состав цитоплазмы.

На рисунке рентгеноструктурный анализ структуры ДНК

7. Метод меченых атомов (=радиоизотопный метод) применяется при изучении биохимических процессов, происходящих в живых клетках. Чтобы проследить за превращениями какого-либо вещества, в него вводят радиоактивную метку (радиоактивный изотоп), т. е. заменяют в его молекуле один из атомов соответствующим радиоактивным изотопом.

Например, для позвоночных йод является важным метаболитом, так как он составляет часть гормонов щитовидной железы. Его концентрация в щитовидной железе в 10 000 раз больше, чем в любом другом органе. Человеку ежедневно необходимо лишь очень малое количество йода (приблизительно 100 мкг). Если, однако, он содержится в пище в меньшем количестве, то у человека возникают различные заболевания щитовидной железы.

Радиоактивный Jl3l используют для того, чтобы проследить прохождение йода, начиная с момента его заглатывания, попадания в щитовидную железу, распределения в гормонах, по всему организму и до окончательного выделения. Особенно важным примером является изучение поглощения щитовидной железой йода, введенного внутривенно.

На рисунке метод меченых атомов

1. Гибридологический – один из методов генетики, способ изучения наследственных свойств организма путём скрещивания его с родственной формой и последующим анализом признаков потомства.

В основе гибридологического анализа лежит способность к рекомбинации, то есть перераспределению генов при образовании гамет, что приводит к возникновению новых сочетаний генов.

На рисунке скрещивание растений ночной красавицы

2. Генеалогический метод – применяется при составлении родословных людей, выявлении характера наследования некоторых признаков. Генеалогический метод применяется в генетике.

На рисунке родословная семьи королевы Виктории. Наследование гемофилии

3. Цитогенетический метод (=кариотипирование) – применяется в генетике. С помощью микроскопа изучаются качественные и количественные характеристики хромосомного набора организма. Хромосомы можно предварительно окрасить, чтобы их было проще разделить на гомологичные пары.

Пример: По кариотипу на рисунке ниже мы можем увидеть количество хромосом, определить пол данного организма (мужской, так как есть Y- хромосома) и заметить мутации (геномные)

4. Близнецовый метод – метод сопоставления особенностей членов однояйцевой близнецовой пары, позволяющий определить степень влияния наследственных факторов и среды на формирование тех или иных свойств человека.

5. Биохимический – исследование химических процессов, происходящих в организме. С помощью биохимического метода можно определить концентрацию различных веществ в полученном материале.

Например, врач может определить количество глюкозы в крови у пациента, у которого он подозревает сахарный диабет.

6. Популяционно-статистический метод дает возможность рассчитать в популяции частоту встречаемости нормальных и патологических генов, определить соотношение гетерозигот – носителей аномальных генов. С помощью данного метода определяется генетическая структура популяции.

7. Молекулярно-генетические методы – группа методов по выявлению изменений в структуре участка ДНК (гена, аллелей), определение нуклеотидных последовательностей.

• Секвенирование биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) – определение их аминокислотной или нуклеотидной последовательности. Применяется в молекулярной генетике (также см. протеомику и геномику). В результате секвенирование можно получить последовательность мономеров молекулы белка или нуклеиновой кислоты в текстовом виде. Секвенировать можно как отдельные участки, так и полные геномы организмов.

1. Методы генной инженерии — методы, направленные на получение рекомбинантных РНК и ДНК, выделение генов из организма (клеток), осуществление манипуляций с генами, введение их в другие организмы и выращивание искусственных организмов после удаления выбранных генов из ДНК. Методом генной инженерии является создание рекомбинантных ДНК.

2. Метод рекомбинантных ДНК – метод заключается во встраивании фрагментов ДНК, среди которых находится интересующий нас участок, в так называемые векторные молекулы ДНК (или просто векторы) – плазмидные (маленькие кольцевые ДНК бактерии) или вирусные ДНК, которые могут быть перенесены в клетки про- или эукариот и там реплицироваться. На следующем этапе проводится отбор тех клеток, которые несут в себе рекомбинантные ДНК (с помощью маркерных признаков, которыми обладает сам вектор), и затем индивидуальных клонов с интересующим нас сегментом ДНК (используя признаки или пробы, специфичные для данного гена или участка ДНК).

3. Хромосомная инженерия – это совокупность методов, позволяющая осуществлять манипуляции с хромосомами. Применяется в селекции растений. Это может быть введение в генотип дополнительных хромосом либо замещение одних хромосом на другие.

4. Методы клеточной инженерии – это методы конструирования (создания) клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции. Получение и изучение гибридных клеток позволяет решать многие теоретические вопросы биологии. Также данные методы используются в селекции растений для получения новых сортов. В медицине применяется клеточная инженерия для создания моноклональных антител (для борьбы с раковыми клетками).

5. Благодаря методам клеточной инженерии становится возможным клонирование (создание генетических копий животных).

6. Метод культуры тканей – метод, который также применяется в нескольких науках и относится к области биотехнологии. Метод заключается в выращивании вне организма культуры полученных от него клеток. Селекционеры могут применить этот метод для бесполого размножения растения, которое не дает семян (например, арбуз без косточек). В медицине пытаются воссоздавать из клеток целые органы для их дальнейшей трансплантации.

1. Исторический – установление взаимосвязей между фактами, процессами, явлениями, происходившими на протяжении исторически длительного времени (несколько миллиардов лет).

2. Биоиндикация – метод, позволяющий оценить численность и состояние видов-биоиндикаторов, по которым можно судить о степени загрязненности воздуха, воды, почвы.

3. Родственное скрещивание (инбридинг). Применяется с целью сохранения/ закрепления необходимых признаков у сорта/породы. Для закрепления полезных наследственных свойств необходимо повысить гомозиготность нового сорта.

4. Неродственное скрещивание (аутбридинг) – неродственное скрещивание между особями одной породы или разных пород животных в пределах одного вида.

5. Отдаленная гибридизация – получение межвидовых и межродовых гибридов.

6. Палеонтологический – метод, позволяющий выяснить родство между древними организмами, останки которых находятся в земной коре, в разных геологических слоях.

7. Эмбриологический – изучение зародышей.

На рисунке развитие зародышей разных классов

8. Метод радиоуглеродного датирования (радиоизотопный). Метод основан на том, что организмы с пищей могут поглощать радиоактивные изотопы углерода. После гибели животного или растения радиоактивный изотоп постепенно распадается. По его остаточной удельной активности можно оценить время гибели организмов. Данный метод применятся для определения возраста ископаемых останков.