Общие методы биологических исследований
Общие методы делятся на две большие группы — теоретические и эмпирические. Теоретический и эмпирический методы практически никогда не используются по отдельности, ведь ни без того, ни без другого исследователю не удастся получить качественное и достоверное знание.
Эмпирические методы
Также эти методы называются практическими. Эмпирические методы предполагают получение знаний опытным путем, либо с использованием различных измерительных приборов (например, линейка, секундомер, циркуль и др.), либо основываясь на чувственном восприятии (с помощью органов чувств).
К эмпирическим методам относятся:
- Наблюдение. Этот метод основывается на целенаправленном восприятием человеком различных биологических процессов и явлений. Пример: наблюдение за поведением диких животных, используя органы чувств
В экологии активно применяется метод мониторинга, заключающийся в непрерывном наблюдении и фиксации его результатов
- Описание. Данный метод основывается на методе наблюдения, в результате которого мы собираем и описываем различные факты и явления. К примеру, в результате наблюдения за дикими животными, мы составляем описание их поведения в различных ситуациях
- Измерение. Данный метод предполагает использование различных измерительных приборов. Пример: измерение уровня насыщения кислородом крови человека при помощи пульсоксиметра, либо измерение частоты сердечных сокращений с использованием секундомера
- Эксперимент. Суть этого метода исследования заключается в том, что мы получаем знания путем эксперимента, в ходе которого процессы и явления изучаются в строго контроллируемых нами условиях. Пример: лабораторный эксперимент, направленный на исследование скорости оседания эритроцитов пациента
Теоретические методы
Теоретические методы исследований предполагают умственную работу, в результате которой мы получаем умозаключение
К теоретическим методам относятся:
Сравнение. Совершая умственную работу, мы можем изучить сходства и различия между различными процессами, объектами или явлениями по какому-либо признаку. Пример: сравнение сходств и различий социального поведения разных видов пчёл
Классификация — это метод разделения крупной группы на более мелкие подгруппы по какому-либо признаку. Классификация подразумевает иерархию между своими элементами. После наблюдения, описания и сравнения различных процессов или явлений, ученый может классифицировать свои знания. Пример: создание классификации ядовитых растений по механизму их воздействия на организм человека
Анализ
Это метод теоретического исследования, в ходе которого человек разделяет целостный объект исследования на составные части, а затем изучает каждую по отдельности, в результате чего появляется возможность рассмотреть какое-либо явление, объект или процесс с разных его сторон
Синтез — это теоретический метод исследования, заключающийся в объединении ранее изученных по отдельности свойств объекта или явлений в единую систему, в результате чего мы получаем возможность изучить эти самые объекты и явления как единое целое, принимая во внимание взаимосвязь ранее разделенных его частей
Обобщение. Также называется индукцией
Используется для установления общих свойств и признаков изучаемых объектов путем перехода от частного к более общему понятию или суждению. Обобщение является крайне важным теоретическим методом при построении фундаментальных теорий. Пример: изучив окраску нескольких представителей пчел одного вида, мы можем предположить, что данный окрас свойственен всем пчелам данного вида.
Исторический метод предполагает изучение истории чего-либо для того, чтобы установить на этой основе общую закономерность процесса или явления. Используется, например, при изучении закономерностей появления какого либо анатомического образования или физиологического процесса, а также для изучения становления структуры и функций организмов
Абстрагирование позволяет не учитывать какие-либо свойства объекта или явления, одновременно с выделением интересующих исследователя других свойств и особенностей этого объекта или явления
Моделирование. Суть моделирования заключется в создании математических, компьютерных и др. моделей для изучения свойств интересующего нас объекта или явления. В биологии чаще используются биологические и физико-химические модели. Пример: врач-эпидемиолог создает компьютерную модель распространения нового вируса среди населения для изучения скорости и широты распространения новой болезни
Гетерозис у домашних животных
Так же как и у растений, у домашних животных наблюдается явление гибридной силы, или гетерозиса. Оно заключается в том, что при скрещивании разных пород (а также при межвидовых скрещиваниях) иногда в первом поколении гибридов наблюдается особенно мощное развитие и поднятие общей жизнеспособности.
Это свойство, однако, не сохраняется в последующих поколениях и затухает. Гетерозис широко применяется в животноводстве и птицеводстве, так как первое поколение гибридов, обнаруживающее явление гибридной силы, непосредственно используется в хозяйственных целях. Например, для получения скороспелых свиней (на мясо и сало) применяется скрещивание дюрокджерсейской и беркширской пород.
Основные методы селекции животных
Создание пород домашних животных началось вслед за их приручением и одомашниванием, которое началось 10-12 тыс. лет назад. Содержание в неволе снижает действие стабилизирующей формы естественного отбора. Различные формы искусственного отбора (сначала бессознательный, а затем методический) приводят к созданию всего многообразия пород домашних животных.
В селекции животных, по сравнению с селекцией растений, есть ряд особенностей. Во-первых, для животных характерно в основном половое размножение, поэтому любая порода является сложной гетерозиготной системой. Оценка качеств самцов, которые внешне у них не проявляются (яйценоскость, жирномолочность), оцениваются по потомству и родословной. Во-вторых, у них часто поздняя половозрелость, смена поколений происходит через несколько лет. В-третьих, потомство немногочисленное.
Основными методами селекции животных являются гибридизация и отбор. Различают те же методы скрещивания — близкородственное скрещивание, инбридинг, и неродственное — аутбридинг. Инбридинг, как и у растений, приводит к депрессии. Отбор у животных проводится по экстерьеру (определенным параметрам внешнего строения), т.к. именно он является критерием породы.
1. Внутрипородное разведение направлено на сохранение и улучшение породы. Практически выражается в отборе лучших производителей, выбраковке особей, не отвечающих требованиям породы. В племенных хозяйствах ведутся племенные книги, отражающие родословную, экстерьер и продуктивность животных за много поколений.
2. Межпородное скрещивание используют для создания новой породы. При этом часто проводят близкородственное скрещивание, родителей скрещивают с потомством, братьев с сестрами, это помогает получить большее число особей, обладающих нужными свойствами. Инбридинг сопровождается жестким постоянным отбором, обычно получают несколько линий, затем производят скрещивание разных линий.
Хорошим примером может служить выведенная академиком М.Ф.Ивановым порода свиней — украинская белая степная. При создании этой породы использовались свиноматки местных украинских свиней с небольшой массой и невысоким качеством мяса и сала, но хорошо приспособленных к местным условиям. Самцами-производителями были хряки белой английской породы. Гибридное потомство вновь было скрещено с английскими хряками, в нескольких поколениях применялся инбридинг, были получены чистые линии, при скрещивании которых получены родоначальники новой породы, которые по качеству мяса и массе не отличались от английской породы, по выносливости — от украинских свиней.
3. Использование эффекта гетерозиса. Часто при межпородном скрещивании в первом поколении проявляется эффект гетерозиса, гетерозисные животные отличаются скороспелостью и повышенной мясной продуктивностью. Например, при скрещивании двух мясных пород кур получают гетерозисных бройлерных кур, при скрещивании беркширской и дюрокджерсейской пород свиней получают скороспелых свиней с большой массой и хорошим качеством мяса и сала.
4. Испытание по потомству проводят для подбора самцов, у которых не проявляются некоторые качества (молочность и жирномолочность быков, яйценоскость петухов). Для этого производителей-самцов скрещивают с несколькими самками, оценивают продуктивность и другие качества дочерей, сравнивая их с материнскими и со среднепородными.
5. Искусственное осеменение используют для получения потомства от лучших самцов производителей, тем более что половые клетки можно хранить при температуре жидкого азота любое время.
6. С помощью гормональной суперовуляции и трансплантации у выдающихся коров можно забирать десятки эмбрионов в год, а затем имплантировать их в других коров, эмбрионы так же хранятся при температуре жидкого азота. Это дает возможность увеличить в несколько раз число потомков от выдающихся производителей.
7. Отдаленная гибридизация, межвидовое скрещивание, известно с древних времен. Чаще всего межвидовые гибриды стерильны, у них нарушается мейоз, что приводит к нарушению гаметогенеза. С глубокой древности человек использует гибрид кобылицы с ослом — мула, который отличается выносливостью и долгожительством. Но иногда гаметогенез у отдаленных гибридов протекает нормально, что позволило получить новые ценные породы животных. Примером являются архаромериносы, которые, как и архары, могут пастись высоко в горах, а, как мериносы, дают хорошую шерсть. Получены плодовитые гибриды от скрещивания местного крупного рогатого скота с яками и зебу. При скрещивании белуги и стерляди получен плодовитый гибрид — бестер, хорька и норки — хонорик, продуктивен гибрид между карпом и карасем.
Современные достижения
В селекции животных используется широкий спектр методов выведения ценных пород. Применяются старые способы, проверенные испытаниями, и новые, разработанные в 20 ст.. Новейшим и перспективным считается клеточная инженерия. В основе лежит передача наследственной информации через соматические клетки. Зоотехники выращивают клонов, которые могли бы стать точной копией предка, с набором соответствующих качеств. В 1997 году, ученым удалось с помощью клонирования вырастить овечку Долли, и несколько других животных.
Селекция животных помогла получить ряд ценных пород, их примеры:
- Цигайская овца — имеет высокую плодовитость и приноситпримерно 100л молока за четыре месяца;
- чёрно-пёстрый вид крупного рогатого скота — дает до 5 тонн молока в год (жирность — 3,6-3,8%) ;
- асканийская овца — отличается быстрым ростом (за полтора года достигает размеров взрослой особи). Настриг шерсти достигает 20-30кг с одного бapaна.
Виды изменчивости в селекции животных
Изменчивость — различия, которые возникают между представителями одного или разных видов, прародителями и потомством, под воздействием генотипа и окружающей среды.
Выделяют два вида изменчивости:
- наследственная — проявляется как изменение генетической информации потомков.
- ненаследственная — проявляется изменением фенотипа под влиянием внешних факторов.
Наследственная изменчивость делится на мутационную и комбинативную.
Наследственная изменчивость
Мутационная изменчивость — возникает при воздействии на генетический материал мутагенных факторов. Они возникают спонтанно или в результате влияния температуры, радиации, химических веществ.
Комбинативная изменчивость — характеризуется особым сочетанием генов, которые переходят от родителей потомкам. Для получения новой породы изначально берут несколько пород, после скрещивания которых, в запланированной очередности, получают виды с желаемым набором генов.
Принципы селекции животных
Общие принципы селекции животных те же, что и растений. И здесь в основе получения новых и улучшения существующих пород лежат наследственная изменчивость и отбор, протекающие на фоне условий среды, наиболее благоприятствующих фенотипическому проявлению желательных признаков. Однако селекция животных обладает и некоторыми особенностями, вытекающими из самой природы животного организма.
У домашних животных существует только половое размножение. Поэтому полностью отпадают формы селекции, связанные с самооплодотворением и вегетативным размножением.
Вторая важная особенность селекции животных заключается в том, что здесь трудно получить такой массовый материал, как это имеет место у растений, каждая отдельная особь представляет значительную ценность, а число особей в потомстве относительно невелико.
Селекционная (племенная) работа с домашними животными и птицами всегда связана с подбором производителей по хозяйственно ценным признакам.
При селекционной работе с животными очень важное значение приобретает учет экстерьерных признаков. Под экстерьером понимают всю совокупность наружных форм животных, их телосложение, соотношение размеров частей тела
Организм представляет собой целостную систему, все части которой функционально и генетически связаны друг с другом. Развитие многих хозяйственно важных признаков, например молочности, у рогатого скота связано с определенным телосложением, хорошим развитием кровеносной и дыхательной систем и т. п
Поэтому при селекционной работе с животными особенно важно учитывать корреляции (связи) между разными признаками, так как высокая продуктивность по тому, или иному признаку связана с определенными экстерьерными особенностями
Разные породы неодинаково реагируют на изменение внешних условий, кормление. Например, яйценоские куры леггорн на улучшение рациона отвечают повышением яйценоскости, почти не меняя веса. У мясных пород улучшение питания, прежде всего, сказывается на увеличении веса, у молочных — в увеличении удоя.
В племенной селекционной работе важно ясно представлять себе конечную цель, к которой стремится селекционер. Желательно ли увеличить молочную продукцию, повысить жирномолочность или изменить мясные качества скота — все это требует разных направлений отбора и подбора производителей, применения различных систем скрещивания
Испытание производителей по потомству
При селекции домашних животных очень важно бывает определить наследственные качества самцов по признакам, которые непосредственно у самцов не проявляются, как например, по молочности, жирномолочности у быков или по яйценоскости у домашней птицы. От самца можно получить большое потомство, в особенности, если применять методы искусственного осеменения
Поэтому для улучшения породы важно знать, какие гены по хозяйственно важным признакам несет самец
От самца можно получить большое потомство, в особенности, если применять методы искусственного осеменения
Поэтому для улучшения породы важно знать, какие гены по хозяйственно важным признакам несет самец
Для определения этого используется метод определения качества производителей по потомству. Сначала от производителей получают относительно небольшое потомство и сравнивают продуктивность этого потомства с матерями и со средней продуктивностью породы. Если продуктивность дочерей оказывается повышенной, то это указывает на большую ценность производителя, которого следует широко использовать для дальнейшего улучшения породы.
Метод испытания по потомству широко применяется в племенной селекционной работе с животными.
У животных возможно только половое размножение, отсутствует массовость в потомстве от одной пары. В селекции животных необходимо учитывать экстерьер и продуктивность.
На продуктивность большое влияние оказывают условия содержания, корма, уход, количество особей в потомстве невелико
Поэтому в селекционной работе с животными важное значение приобретает анализ совокупности внешних признаков, или экстерьера, характерного для той или иной породы
Человек приручил и одомашнил почти 10 тыс. видов животных.
В селекции животных используют два метода скрещивания: родственное (инбридинг) и неродственное (аутбридинг). При подборе пары учитывают родословную и характерные признаки.
Родственное скрещивание проводится внутри породы и используется для получения чистых линий. При этом могут иметь место снижение жизнеспособности и появление мутаций, поэтому необходим строгий отбор по нужным признакам.
Например, при выращивании таких ценных зверьков, как норка, выдра, лиса и др., отбираются животные с таким генотипом, который наиболее соответствует постоянно меняющейся моде в отношении окраски и оттенков меха.
Виды изменчивости в селекции животных
Изменчивость — различия, которые возникают между представителями одного или разных видов, прародителями и потомством, под воздействием генотипа и окружающей среды.
Выделяют два вида изменчивости:
- наследственная — проявляется как изменение генетической информации потомков.
- ненаследственная — проявляется изменением фенотипа под влиянием внешних факторов.
Наследственная изменчивость делится на мутационную и комбинативную.
Мутационная изменчивость — возникает при воздействии на генетический материал мутагенных факторов. Они возникают спонтанно или в результате влияния температуры, радиации, химических веществ.
Комбинативная изменчивость — хаpaктеризуется особым сочетанием генов, которые переходят от родителей потомкам. Для получения новой породы изначально берут несколько пород, после скрещивания которых, в запланированной очередности, получают виды с желаемым набором генов.
Методы цитологии
Методы цитологических исследований применяются для изучения строения, физиологии и структур клеток.
Существуют следующие методы цитологии:
- Микроскопия
- Центрифугирование
- Метод культуры клеток и тканей
- Хроматография
- Метод меченых атомов
Микроскопия
Микроскопия — это изучение объектов при помощи светового или электронного микроскопа. Во время световой микроскопии можно увидеть основные структуры клетки, такие как ядро и клеточная стенка. Также можно увидеть расположение тканей на срезах. При электронной микроскопии можно различить мельчайшие структуры и органеллы клетки, к примеру, рибосомы.
Микроскопия обширно применяется в медицине для диагностики заболеваний и для исследования различных тканей и органов человека. Например, методом микроскопии можно определить количество лейкоцитов в крови.
Центрифугирование
Метод центрифугирования основывается на возникновении центробежных сил, возникающих во время работы центрифуги. Центрифугирование позволяет разделить неоднородные субстанции на фракции.
В биологии центрифугирование используется для фракционирования клеточных структур. Этот метод позволяет выделить отдельные клеточные структуры и органеллы, которые во время центрифугирования формируют разные фракции: самые тяжелые и плотные элементы клетки оседают внизу, а самые легкие — наверху. Фракционирование клеточных структур начинается с гомогенизации, позволяющей исследователю предварительно освободить органеллы и биомолекулы из клеток.
Порядок оседания органоидов: ядро (самое тяжелое и плотное), митохондрии (хлоропласты), лизосомы, рибосомы, субъединицы рибосом.
Центрифуга
Фракции крови
Хроматография
Метод хроматографии применяется для разделения и анализа белков и пигментов. Рассматривая, например, растение, исследователю сложно сказать, какие пигменты в нём содержатся. Хроматография решает эту проблему, ведь в результате применения хроматографического метода мы получаем хроматограмму, на которой пигменты разделены в зависимости от их скорости движения в растворителе.
Хроматография
Метод меченых атомов
Во время исследования методом меченых атомов ученые заменяют обычные атомы на их изотопы. Для этого могут использоваться как радиоактивные, так и нерадиоактивные изотопы. В результате этого, регистрируя поведение меченых атомов, исследователь может изучать какие-либо явления в живых клетках, например скорость прохождения вещества через клеточную мембрану или процесс синтеза белков.
В медицине метод меченых атомов применяется при исследовании щитовидной железы. Пациент принимает внутрь радиоактивный изотоп йода, который накапливается в щитовидной железе, после чего меченые атомы регистрируются с помощью специальных приборов, например, гамма-камеры. Несмотря на то, что изотоп йода отличается от обычного йода по физическим свойствам, он может участвовать во всех обменных процессах так же, как и стабильный йод. По полученным данным можно выявить, как щитовидная железа поглощает йод, и как он перемещается внутри неё.
В биологии метод меченых атомов активно применяется для исследования процессов фотосинтеза
Современная гамма-камера
Типы скрещивания и методы разведения в животноводстве
Типы скрещивания при селекционной работе с животными разнообразны. Мы рассмотрим некоторые из них. Можно различать два основных типа скрещивания: неродственное (аутбридинг) и родственное (инбридинг).
Важный момент в подборе производителей представляет учет их родословных. В племенных хозяйствах всегда ведутся племенные книги, в которых подробно учитываются экстерьерные особенности и продуктивность родительских форм в течение ряда поколений.
По признакам предков можно судить с известной вероятностью о генотипе производителей, которые участвуют в скрещивании. Например, выбирая быка-производителя для улучшения породы по признаку жирномолочности, нужно учитывать содержание жира в молоке его предков по материнской линии.
Неродственное скрещивание в пределах породы или между породами при строгом отборе приводит к поддержанию свойств или улучшению их в ряде следующих поколений.
Близкородственное скрещивание применяется в тех случаях, когда желают перевести большинство генов породы в гомозиготное состояние.
Инбридингом в животноводстве называют скрещивание между братьями и сестрами или между родителями и потомством. Оно до известной степени аналогично самоопылению у растений и, так же как последнее, приводит к повышению гомозиготности. Инбридинг должен сопровождаться очень строгим отбором особей, обладающих нужными хозяйственными признаками
Однако инбридингом следует пользоваться с осторожностью, ясно сознавая поставленную цель
При инбридинге часто наблюдается ослабление животных, потеря устойчивости к действию внешних факторов, в том числе к заболеваниям. Все эти отрицательные проявления инбридинга называются депрессией. Ряд следующих друг за другом инбредных поколений носит название инбредной линии. Причины неблагоприятного влияния инбридинга уже были рассмотрены выше в отношении растений.
При селекционной работе инбридинг обычно является лишь одним из этапов улучшения породы.
За ним следует скрещивание разных инбредных линий, которое устраняет вредное влияние близкородственного разведения, переводя неблагоприятно действующие гены в гетерозиготное состояние.
Положительной стороной инбридинга является закрепление благоприятных, хозяйственно ценных признаков, которые при дальнейшем разведении сохраняются, если они оказываются общими для обоих производителей.
Методы
Селекционеры используют следующие способы получения новых видов: внутрипородное разведение (инбридинг), межпородное скрещивание (аутбритинг), гетерозис, испытание производителей по потомству и искусственное осеменение.
Инбридинг (близкородственное скрещивание) — в селекции животных применяют с целью сохранения и улучшения качеств породы. На практике проводится отбор лучших по производительности видов, и выбраковка не соответствующих требованиям пород.
Для инбридинга подбирают пары для скрещивания с тесными родственными связями: братья и сестры, родители и их потомство. Так получают гомозиготные виды, обладающие ценными качествами. Недостаток метода заключается в ослаблении животных, ухудшении адаптивных возможностей и устойчивости к заболеваниям.
Аутбритинг — неродственное скрещивание животных, относящихся к разным породам и видам. Этот способ скрещивания приводит к гетерозису. Цель метода – создание новых пород, которые поддаются в дальнейшем строгому отбору.
С помощью аутбритинга получена немецкая овчарка, которая используется во всех видах служб, отлично сложенная, легко поддается дрессировке.
Гетерозис — наблюдается при скрещивании представителей разных пород в первом поколении. Полученные животные имеют ряд преимуществ по сравнению с родительскими формами. Быстрее растут, дают больше молока или мяса. К примеру, после скрещивания 2 мясных видов кур получают бройлерных кур, способных эффективно набирать массу.
Испытание производителей по потомству — выбирают самцов у которых не проявляются определенные качества и скрещивают их с дочерями. Так проводится оценка качества полученного потомства в сравнении с материнскими.
Искусственное осеменение — метод применяют для оплодотворения самок семенем самых производительных самцов. Половые клетки сохраняют жизнеспособность при низкой температуре длительное время.