Какво е биология? Биологията е наука за живота, за живите организми, живеещи на Земята.

Снимка 3 от презентацията “Наука”за уроци по биология на тема "Биология"

Размери: 720 x 540 пиксела, формат: jpg. За да изтеглите безплатна снимка за урок по биология, щракнете с десния бутон върху изображението и щракнете върху „Запазване на изображението като...“. За да покажете снимки в урока, можете също така да изтеглите безплатно цялата презентация „Science.ppt“ с всички снимки в zip архив. Размерът на архива е 471 KB.

Изтегляне на презентация

Биология

“Методи на изследване в биологията” - История на развитието на биологията като наука. Планиране на експеримент, избор на техника. План на урока: За решаването на какви глобални проблеми на човечеството са необходими познания по биология? Тема: Гранични дисциплини: Задача: Морфология, анатомия, физиология, систематика, палеонтология. Значението на биологията." Биологията е наука за живота.

„Учен Ломоносов“ - Подчерта значението на изследването на Северния морски път и развитието на Сибир. 19 ноември 1711 - 15 април 1765 (53 години). 10 юни 1741 г. Открития. Той развива атомни и молекулярни концепции за структурата на материята. Идеи. Флогистонът е изключен от списъка на химичните агенти. работа. Като привърженик на деизма, той гледа на природните явления материалистично.

"Ботаник Вавилов" - Всесъюзен институт по приложна ботаника. През 1906 г. Николай Иванович Вавилов. През 1924 г. Изпълнили: Бабичева Роксана и Жданова Людмила, ученички от 10 Б клас. Авторитетът на Вавилов като учен и организатор на науката нараства. В Мертън (Англия), в генетичната лаборатория на Института по градинарство. Н. И. Вавилов е роден на 26 ноември 1887 г. в Москва.

„Проектна дейност“ - Алексеева Е.В. План на лекцията. Учителят става автор на проекта. Разгледайте допълнителни ресурси. Технологизация на информационния модел на учебния процес. Проектиране на урок по биология. Проектни дейности. Теория и практика. (Метод на проекта). Етапи от работата на учителя. Теория и практика. Основни блокове в проектите.

„Наука за живата природа” - Дизайн на работни тетрадки. 3. Биология – наука за живата природа. Биологията е наука за живата природа. Бактерии. гъби. Те се състоят от една клетка и нямат ядро. Марк Цицерон. Биологията изучава живите организми. Те имат хлорофил и образуват органични вещества на светлина, отделяйки кислород. Въпрос: Какво изучава биологията?

Биология- наука за живата природа.

Биологията изучава многообразието на живите същества, устройството на телата им и функционирането на техните органи, размножаването и развитието на организмите, както и влиянието на човека върху живата природа.

Името на тази наука идва от две гръцки думи „ биос" - "живот и " лого"-"наука, дума."

Един от основателите на науката за живите организми е великият древногръцки учен (384 - 322 г. пр. н. е.). Той е първият, който обобщава биологичните знания, придобити от човечеството преди него. Ученият предложи първата класификация на животните, комбинирайки живи организми, подобни по структура, в групи и определи място за хората в нея.

Впоследствие много учени, които изучават различни видове живи организми, обитаващи нашата планета, имат принос в развитието на биологията.

Семейство на науките за живота

Биологията е наука за природата. Областта на изследване на биолозите е огромна: включва различни микроорганизми, растения, гъби, животни (включително хора), структурата и функционирането на организмите и др.

По този начин, биологията не е просто наука, а цяло семейство, състоящо се от много отделни науки.

Разгледайте интерактивната диаграма за семейството на биологичните науки и разберете какво изучават различните клонове на биологията.

Анатомия- наука за формата и структурата на отделните органи, системи и тялото като цяло.

Физиология- наука за жизнените функции на организмите, техните системи, органи и тъкани и процесите, протичащи в тялото.

Цитология- наука за структурата и функционирането на клетките.

Зоология - науката, която изучава животните.

Раздели на зоологията:

• Ентомологията е наука за насекомите.

В него има няколко раздела: колеоптерология (изследване на бръмбари), лепидоптерология (изследване на пеперуди), мирмекология (изследване на мравки).

• Ихтиологията е наука за рибите.
• Орнитологията е наука за птиците.
• Териологията е наука за бозайниците.

Ботаника - науката, която изучава растенията.

Микология- науката, която изучава гъбите.

Протистология - науката, която изучава протозоите.

Вирусология - науката, която изучава вирусите.

Бактериология - науката, която изучава бактериите.

Значението на биологията

Биологията е тясно свързана с много аспекти на човешката практическа дейност - селско стопанство, различни индустрии, медицина.

Успешното развитие на селското стопанство днес до голяма степен зависи от биолозите-селекционери, които участват в подобряването на съществуващите и създаването на нови сортове култивирани растения и породи домашни животни.

Благодарение на постиженията на биологията е създадена и успешно се развива микробиологичната индустрия. Например, хората получават кефир, кисело мляко, кисело мляко, сирене, квас и много други продукти благодарение на дейността на някои видове гъбички и бактерии. Използвайки съвременни биотехнологии, предприятията произвеждат лекарства, витамини, фуражни добавки, продукти за растителна защита от вредители и болести, торове и много други.

Познаването на законите на биологията помага за лечението и профилактиката на човешките заболявания.

Всяка година хората използват природните ресурси все повече и повече. Мощната технология трансформира света толкова бързо, че сега на Земята почти не са останали кътчета с недокосната природа.

За да се поддържат нормални условия за живот на хората, е необходимо възстановяване на разрушената природна среда. Това могат да направят само хора, които познават добре природните закони. Познания по биология, както и по биологични науки екологияни помага да решим проблема с опазването и подобряването на условията за живот на планетата.

Изпълнете интерактивната задача -

цели

• Образователни: продължават да развиват знанията за биологията като наука; дават понятия за основните клонове на биологията и обектите, които изучават;
• Развиващи: развиване на умения за работа с литературни източници, развиване на способността за създаване на аналитични връзки;
• Образователни: разширете хоризонтите си, формирайте цялостно възприятие за света.

Задачи

1. Разкрийте ролята на биологията сред другите науки.
2. Разкрийте връзката между биологията и другите науки.
3. Определете какво изучават различните клонове на биологията.
4. Определете ролята на биологията в живота човек .
5. Научете интересни факти по темата от видеата, представени в урока.

Термини и понятия

• Биологията е комплекс от науки, чийто обект на изследване са живите същества и тяхното взаимодействие с околната среда.
• Животът е активна форма на съществуване на материята, в известен смисъл по-висша от неговите физически и химически форми на съществуване; набор от физични и химични процеси, протичащи в клетката, които позволяват метаболизма и клетъчното делене.
• Наукатае сфера на човешката дейност, насочена към развиване и теоретично систематизиране на обективни знания за реалността.

По време на часовете

Актуализиране на знанията

Спомнете си какво изучава биологията.
Назовете клоновете на биологията, които познавате.
Намерете верния отговор:
1. Изследвания по ботаника:
а) растения
Б) животни
Б) само водорасли
2. Изследването на гъбите се извършва в рамките на:
А) ботаници;
Б) вирусология;
Б) микология.
3. В биологията се разграничават няколко царства, а именно:
А) 4
Б) 5
НА 7
4. В биологията човек се отнася до:
А) Царството на животните
Б) Подклас Бозайници;
В) Вид Хомо сапиенс.

Използвайки фигура 1, запомнете колко царства се разграничават в биологията:

Ориз. 1 Царства на живите организми

Учене на нов материал

Терминът "биология" е предложен за първи път през 1797 г. от немския професор Т. Русом. Но започва да се използва активно едва през 1802 г., след използването на този термин стоманобетон. Ламарк в неговите произведения.

Днес биологията е комплекс от науки, който се формира от независими научни дисциплини, които се занимават с конкретни обекти на изследване.

Сред „клоновете“ на биологията можем да назовем такива науки като:
- ботаниката е наука, която изучава растенията и нейните подраздели: микология, лихенология, бриология, геоботаника, палеоботаника;
- зоология– науката, която изучава животните и нейните подраздели: ихтиология, арахнология, орнитология, етология;
- екология – наука за връзката между живите организми и външната среда;
- анатомия - наука за вътрешната структура на всички живи същества;
- морфологията е наука, която изучава външния строеж на живите организми;
- цитологията е наука, която се занимава с изучаване на клетките;
- както и хистология, генетика, физиология, микробиология и др.

Като цяло можете да видите съвкупността от биологични науки на фигура 2:

Ориз. 2 Биологични науки

В същото време се разграничават цяла поредица от науки, които са се образували в резултат на тясното взаимодействие на биологията с други науки и се наричат ​​интегрирани. Такива науки могат безопасно да включват: биохимия, биофизика, биогеография, биотехнология, радиобиология, космическа биология и други. Фигура 3 показва основните науки, неразделна част от биологията

Ориз. 3. Интегрални биологични науки

Познаването на биологията е важно за хората.
Задача 1: Опитайте се да формулирате сами какво точно е значението на биологичните знания за човека?
Задача 2: Гледайте следния видеоклип за еволюцията и определете кои биологични науки са били необходими, за да я създадат

Сега нека си припомним какви знания са необходими на човек и защо:
- за определяне на различни заболявания на тялото. Лечението и профилактиката им изисква познания за човешкото тяло, което означава познаване на: анатомия, физиология, генетика, цитология. Благодарение на постиженията на биологията, индустрията започва да произвежда лекарства, витамини и биологично активни вещества;

В хранително-вкусовата промишленост е необходимо познаване на ботаника, биохимия, физиология на човека;
- в селското стопанство се изискват познания по ботаника и биохимия. Благодарение на изучаването на взаимоотношенията между растителни и животински организми стана възможно създаването на биологични методи за борба с вредителите по културите. Така например комплексните познания по ботаника и зоология се проявяват в земеделието и това може да се види в кратко видео

И това е само кратък списък на „полезната роля на биологичното познание“ в човешкия живот.
Следното видео ще ви помогне да разберете повече за ролята на биологията в живота.

Не е възможно да се премахнат знанията по биология от задължителните знания, защото биологията изучава нашия живот, биологията дава знания, които се използват в повечето сфери на човешкия живот.

Задача 3. Обяснете защо съвременната биология се нарича комплексна наука.

Затвърдяване на знанията

1. Какво е биология?
2. Назовете подразделите на ботаниката.
3. Каква е ролята на знанията по анатомия в човешкия живот?
4. Познаването на какви науки е необходимо за медицината?
5. Кой пръв идентифицира понятието биология?
6. Погледнете фигура 4 и определете коя наука изучава изобразения обект:

Фиг.4. Коя наука изучава този обект?

7. Изучете фигура 5, назовете всички живи организми и науката, която ги изучава

Ориз. 5. Живи организми

Домашна работа

1. Обработете материала на учебника - параграф 1
2. Запишете в тетрадка и научете термините: биология, живот, наука.
3. Запишете в тетрадка всички раздели и подраздели на биологията като наука, накратко ги характеризирайте.

Наскоро беше открита риба без очи, Phreatichthys andruzzii, живееща в подземни пещери, чийто вътрешен часовник е настроен не на 24 (както на други животни), а на 47 часа. За това е виновна мутация, която е изключила всички светлочувствителни рецептори по тялото на тези риби.

Общият брой на биологичните видове, живеещи на нашата планета, се оценява от учените на 8,7 милиона, като в момента не повече от 20% от този брой са открити и класифицирани.

Ледените риби или бялата риба живеят в антарктическите води. Това е единственият вид гръбначни животни, в които няма червени кръвни клетки или хемоглобин в кръвта - следователно кръвта на ледените риби е безцветна. Техният метаболизъм се основава само на кислород, разтворен директно в кръвта

Думата "копеле" идва от глагола "блудствам" и първоначално е означавала само незаконно потомство на чистокръвно животно. С течение на времето в биологията тази дума беше изместена от термина „хибрид“, но стана обидна по отношение на хората.

Списък на използваните източници

1. Урок „Биология - науката за живота” Константинова Е. А., учител по биология в средно училище № 3, Твер
2. Урок „Въведение. Биологията е наука за живота” Титоров Ю.И., учител по биология, директор на KL в Кемерово.
3. Урок „Биология - наука за живота” Никитина О.В., учител по биология в Общинска образователна институция „Средно училище № 8, Череповец.
4. Захаров В.Б., Козлова Т.А., Мамонтов С.Г. “Биология” (4-то издание) -L .: Академия, 2011.- 512 с.
5. Матяш Н.Ю., Шабатура Н.Н. Биология 9. клас – К.: Генеза, 2009. – 253 с.

Редактирано и изпратено от Борисенко I.N.

Работихме върху урока

Борисенко И.Н.

Константинова Е.А.

Титорова Ю.И.

Никитина О.В.

Специфика на биологичното рисуване за ученици от средното училище

Биологичното рисуване е един от общоприетите инструменти за изучаване на биологични обекти и структури. Има много добри техники за справяне с този проблем.

Например в тритомната книга „Биология“ на Грийн, Стаут и Тейлър са формулирани следните правила за биологично рисуване.

1. Необходимо е да се използва хартия за рисуване с подходяща дебелина и качество. Линиите с молив трябва лесно да се изтриват от него.

2. Моливите трябва да са остри, твърдост HB (по нашата система - ТМ), не цветни.

3. Чертежът трябва да бъде:

– достатъчно голям – колкото повече елементи изграждат изследвания обект, толкова по-голям трябва да бъде чертежът;
– прости – включват контури на структурата и други важни детайли, за да покажат местоположението и връзката на отделните елементи;
– рисува се с тънки и отчетливи линии – всяка линия трябва да се обмисли и след това да се рисува, без да се вдига моливът от хартията; не щриховайте и не боядисвайте;
– надписите да са максимално пълни, линиите, идващи от тях, да не се пресичат; Оставете място около чертежа за подписи.

4. Ако е необходимо, направете два чертежа: схематичен чертеж, показващ основните характеристики, и подробен чертеж на малки части. Например, при малко увеличение начертайте план на напречното сечение на растение, а при голямо увеличение, нарисувайте подробна структура от клетки (голямата нарисувана част от чертежа е очертана върху плана с клин или квадрат).

5. Трябва да рисувате само това, което наистина виждате, а не това, което мислите, че виждате, и, разбира се, не копирайте рисунка от книга.

6. Всеки чертеж трябва да има заглавие, указание за увеличението и проекцията на образеца.

Страница от книгата "Въведение в зоологията" (немско издание от края на 19 век)

На пръв поглед е доста просто и не предизвиква никакви възражения. Наложи се обаче да преосмислим някои тези. Факт е, че авторите на такива ръководства разглеждат спецификата на биологичното рисуване вече на ниво институт или старши класове на специални училища; техните препоръки са адресирани до доста възрастни хора с (вече) аналитично мислене. В средните (6–8-ми) клас – както обикновените, така и биологичните – нещата не са толкова прости.

Много често лабораторните скици се превръщат във взаимно „мъчение“. Грозните и неразбираеми рисунки не се харесват нито на самите деца - те просто още не знаят как да рисуват - нито на учителя - защото онези детайли от структурата, заради които всичко е започнато, много често се пропускат от повечето деца. Само артистично надарените деца се справят добре с подобни задачи (и не започвайте да ги мразите!). Накратко, проблемът е, че има съоръжения, но няма адекватна технология. Между другото, учителите по изобразително изкуство понякога се сблъскват с обратния проблем - имат техниката и трудно подбират предмети. Може би трябва да се обединим?

В 57-мо московско училище, където работя, от доста време съществува и продължава да се развива интегриран курс по биологично рисуване в средните класове, в който учителите по биология и рисуване работят по двойки. Разработили сме много интересни проекти. Техните резултати са многократно излагани в московските музеи - Зоологическия Московски държавен университет, Палеонтологичния, Дарвин и на различни фестивали на детското творчество. Но основното е, че обикновените деца, които не са избрани нито за часовете по изкуство, нито за биология, изпълняват тези проектни задачи с удоволствие, гордеят се със собствените си произведения и, както ни се струва, започват да се вглеждат в живия свят много по-отблизо и замислено. Разбира се, не всяко училище има възможност учителите по биология и рисуване да работят заедно, но някои от нашите открития вероятно ще бъдат интересни и полезни, дори ако работите само в рамките на програмата по биология.

Мотивация: емоциите са на първо място

Разбира се, ние рисуваме, за да изучим и разберем по-добре структурните особености, да се запознаем с разнообразието на организмите, които изучаваме в клас. Но каквато и задача да дадете, не забравяйте, че е много важно децата на тази възраст да бъдат емоционално завладени от красотата и целесъобразността на обекта, преди да започнат работа. Опитваме се да започнем работа по нов проект с ярки впечатления. Най-добрият начин да направите това е или кратък видеоклип, или малка (не повече от 7-10!) селекция от слайдове. Нашите коментари са насочени към необичайността, красотата, невероятността на обектите, дори ако това е нещо обикновено: например зимни силуети на дървета при изучаване на разклоненията на издънките - те могат да бъдат или мразовити и напомнящи на корали, или подчертано графични - черни върху бял сняг. Това въведение не трябва да е дълго – само няколко минути, но е много важно за мотивацията.

Ход на работата: аналитична конструкция

След това преминавате към формулировката на задачата. Тук е важно първо да се подчертаят онези структурни характеристики, които определят външния вид на обекта и показват тяхното биологично значение. Разбира се, всичко това трябва да се запише на дъската и да се запише в тетрадка. Всъщност сега поставяте на учениците работна задача - да видят и покажат.

И след това, на втората половина на дъската, описвате етапите на изграждане на чертежа, допълвайки ги с диаграми, т.е. очертайте методологията и реда на работа. По същество вие сами бързо изпълнявате задачата пред децата, като запазвате цялата поредица от спомагателни и междинни конструкции на дъската.

На този етап е много добре да показвате на децата завършени рисунки или от художници, изобразяващи същите обекти, или успешни творби на предишни ученици. Необходимо е непрекъснато да се подчертава, че добрата и красива биологична рисунка по същество е изследване – т.е. отговорете на въпроса как работи обектът и с течение на времето научете децата сами да формулират тези въпроси.

Пропорции, спомагателни линии, детайли, водещи въпроси

Конструиране на чертеж - и изучаване на обекта! – започвате, като измислите пропорциите му: съотношението на дължината към ширината, частите към цялото, като не забравяйте да зададете формата на чертежа доста строго. Това е форматът, който автоматично ще определи нивото на детайлност: малък ще загуби голям брой детайли, голям ще изисква насищане с детайли и следователно повече време за работа. Помислете предварително какво е по-важно за вас във всеки конкретен случай.

1) начертайте оста на симетрия;

2) изградете две двойки симетрични правоъгълници - за горните и долните крила (например водно конче), като първо определите техните пропорции;

3) поставете извитите линии на крилата в тези правоъгълници

Ориз. 1. 7 клас. Тема: „Разреди насекоми“. Мастило, химикал върху молив, от сатен

(Спомням си една забавна, тъжна и обикновена история, която се случи, когато правех тази работа за първи път. Едно момче от седми клас за първи път разбра думата „подходящ“ като лесна за поставяне вътре и нарисува криви кръгове вътре в правоъгълниците – и четирите различни !Тогава, след подсказката ми, какво да пасне - означава докосване на помощните линии, той донесе пеперуда с правоъгълни крила, само леко изгладени в ъглите. И едва тогава се сетих да му обясня, че вписаната крива докосва всяка страна на правоъгълника само в една точка. И трябваше да повторим чертежа отново...)

4) ... Тази точка може да се намира в средата на страната или на разстояние една трета от ъгъла и това също трябва да се определи!

Но колко щастлив беше, когато рисунката му попадна в училищната изложба - за първи път - успя! И сега обяснявам всички етапи на нашето мъчение с него в описанието на „Напредъка на работата“.

По-нататъшното детайлизиране на рисунката ни води до обсъждане на биологичното значение на много от характеристиките на обекта. Продължавайки примера с крилата на насекомите (фиг. 2), обсъждаме какви са вените, как са структурирани, защо непременно се сливат в една мрежа, как естеството на жилките се различава при насекоми от различни систематични групи (например в древни и нови крилати насекоми), защо крайната жилка на предните крила е удебелена и др. И се опитайте да дадете повечето от вашите инструкции под формата на въпроси, на които децата трябва да намерят отговори.

Ориз. 2. „Водно конче и лъв“. 7 клас, тема „Разреди насекоми“. Мастило, химикал върху молив, от сатен

Между другото, опитайте се да изберете повече предмети от същия вид, като дадете възможност на децата да избират. В края на работата класът ще види биологичното разнообразие на групата и важни общи структурни характеристики и накрая различните способности за рисуване на децата няма да бъдат толкова важни.

За съжаление, учителят не винаги има на разположение достатъчен брой разнообразни предмети от една група. Може да ви бъде полезен нашият опит: когато изучавате група, първо правим фронтална рисунка на леснодостъпен обект от живота, а след това индивидуално - рисунки на различни обекти от снимки или дори от рисунки на професионални художници.

Ориз. 3. Скариди. 7 клас, тема „Ракообразни”. Молив, от живота

Например, в темата „Ракообразни“ в лабораторната работа „Външна структура на ракообразни“ всички първо рисуваме скариди (вместо раци), закупени замразени в магазин за хранителни стоки (фиг. 3), а след това, след като гледаме кратко видео клип, индивидуално нарисувайте различни ларви на планктонни ракообразни (фиг. 4), изобразени в „Животът на животните“: ​​на големи (A3) листове, оцветени с акварели в студени сиви, сини, зеленикави тонове; тебешир или бял гваш, изработване на фини детайли с мастило и химикал. (Когато обясняваме как да предадем прозрачността на планктонните ракообразни, можем да предложим най-простия модел - стъклен буркан с предмет, поставен в него.)

Ориз. 4. Планктон. 7 клас, тема „Ракообразни”. Тонирана хартия (формат А3), креда или бял гваш, черно мастило, от сатен

В 8 клас, когато изучаваме риби, в лабораторната работа „Външна структура на костните риби“ първо рисуваме обикновена хлебарка, а след това децата с акварел рисуват представители на различни разреди риби от великолепните цветни таблици „Промишлени риби ”, които имаме в училище.

Ориз. 5. Скелет на жаба. 8 клас, тема „Земноводни”. Молив, с учебна подготовка

При изучаване на земноводни, първо - лабораторна работа „Структура на скелета на жаба“, рисунка с обикновен молив (фиг. 5). След това, след гледане на кратък видео фрагмент, акварелна рисунка на различни екзотични жаби - катерачи на листа и т.н. (Копирахме от календари с висококачествени снимки, за щастие сега не са рядкост.)

С тази схема доста скучните рисунки с молив на един и същи обект се възприемат като нормален подготвителен етап за ярки и индивидуални произведения.

Също толкова важно: технология

Изборът на технология е много важен за успешното изпълнение на работата. В класическата версия ще трябва да вземете обикновен молив и бяла хартия, но... . Нашият опит показва, че от гледна точка на децата такава рисунка ще изглежда недовършена и те ще останат недоволни от работата.

Междувременно е достатъчно да направите скица с молив с мастило и дори да вземете тонирана хартия (често използваме цветна хартия за принтери) - и резултатът ще се възприема съвсем различно (фиг. 6, 7). Усещането за непълнота често се създава от липсата на подробен фон и най-лесният начин за решаване на този проблем е с помощта на тонирана хартия. Освен това, използвайки обикновен тебешир или бял молив, можете почти мигновено да постигнете ефекта на отблясъци или прозрачност, което често е необходимо.

Ориз. 6. Радиолария. 7 клас, тема „Най-простото”. Тонирана хартия (формат А3) за акварел (с груба текстура), мастило, пастел или креда, от сатен

Ориз. 7. Пчела. 7 клас, тема „Разреди насекоми“. Туш, химикал върху молив, обем - с четка и разреден туш, фини детайли с химикал, от сатен

Ако ви е трудно да организирате работа със спирала, използвайте меки черни лайнери или ролки (в най-лошия случай гел химикалки) - те дават същия ефект (фиг. 8, 9). Когато използвате тази техника, не забравяйте да покажете колко информация се предоставя чрез използване на линии с различна дебелина и натиск - както за подчертаване на най-важните неща, така и за създаване на ефект на обем (преден и заден план). Можете също да използвате умерено до леко засенчване.

Ориз. 8. Овесени ядки. 6 клас, тема „Разнообразие от цъфтящи растения, семейство Житни.“ Мастило, тонирана хартия, от хербарий

Ориз. 9. Полски хвощ и клубен мъх. 6 клас, тема „Спорови растения“. Мастило, бяла хартия, от хербарий

Освен това, за разлика от класическите научни рисунки, ние често правим работата в цвят или използваме светло тониране, за да посочим обем (фиг. 10).

Ориз. 10. Лакътна става. 9 клас, тема „Опорно-двигателен апарат“. Молив, от гипсова помощ

Пробвахме много цветни техники – акварел, гваш, пастел и накрая се спряхме на меки цветни моливи, но винаги на груба хартия. Ако решите да опитате тази техника, трябва да имате предвид няколко важни неща.

1. Изберете меки, висококачествени моливи от добра компания, като Kohinoor, но не давайте на децата широка гама от цветове (достатъчно основни): в този случай те обикновено се опитват да изберат готов цвят, който от курсът се проваля. Покажете как да постигнете правилния нюанс чрез смесване на 2-3 цвята. За целта трябва да работят с палета – лист хартия, върху който избират желаните комбинации и натиск.

2. Грубата хартия ще направи много по-лесна задачата за използване на слаби и силни цветове.

3. Леките къси удари трябва сякаш да извайват формата на обекта: т.е. повторете основните линии (а не цвят, противоречащ на формата и контурите).

4. След това се нуждаете от финалните щрихи, богати и силни, когато правилните цветове вече са избрани. Често си струва да добавите акценти, което значително ще оживи рисунката. Най-простото нещо е да използвате обикновена креда (върху тонирана хартия) или да използвате мека гума (върху бяла хартия). Между другото, ако използвате свободни техники - креда или пастел - можете след това да фиксирате работата с лак за коса.

След като овладеете тази техника, ще можете да я използвате в природата, ако нямате достатъчно време, буквално „на колене“ (само не забравяйте за таблетките - парче картонена опаковка е достатъчно!).

И, разбира се, за успеха на нашата работа непременно организираме изложби - понякога в класната стая, понякога в училищните коридори. Доста често докладите на децата по една и съща тема са насрочени да съвпаднат с изложбата - както устни, така и писмени. Като цяло такъв проект оставя у вас и децата усещането за голяма и красива работа, за която си струва да се подготвите. Вероятно при контакт и взаимен интерес с учител по рисуване можете да започнете работа в уроците по биология: аналитичният подготвителен етап на изучаване на обект, създаване на скица с молив и да го завършите в техниката, която сте избрали заедно - в неговите уроци.

Ето един пример. Ботаника, тема „Бягство - пъпка, разклонение, структура на издънка.“ На преден план е голям клон с пъпки, на заден план има силуети на дървета или храсти на фона на бял сняг и черно небе. Техника: туш, бяла хартия. Клони - от живота, силуети на дървета - от снимки или рисунки от книги. Заглавието е „Дървета през зимата“ или „Зимен пейзаж“.

Друг пример. Когато изучаваме темата „Разреди насекоми“, правим кратка работа върху „Форма и обем на бръмбари“. Всяка техника, която предава светлина и сянка и акценти (акварел, мастило с вода, четка), но монохромна, за да не се разсейва от разглеждане и изобразяване на формата (фиг. 11). По-добре е да изработите детайлите с писалка или гел химикал (ако използвате лупа, краката и главата ще се окажат по-добре).

Ориз. 11. Бръмбари. Туш, химикал върху молив, обем - с четка и разреден туш, фини детайли с химикал, от сатен

Достатъчни са 1-2 красиви творби на четвърт - и рисуването на живо същество ще зарадва всички участници в този труден процес.

Науките за живота следват пътя от големи към малки. Съвсем наскоро биологията описва изключително външните характеристики на животните, растенията и бактериите. Молекулярната биология изучава живите организми на ниво взаимодействие на отделни молекули. Структурна биология – изучава процесите в клетките на атомно ниво. Ако искате да научите как да „виждате“ отделни атоми, как работи и „живее“ структурната биология и какви инструменти използва, това е мястото за вас!

Генерален партньор на цикъла е компанията: най-големият доставчик на оборудване, реактиви и консумативи за биологични изследвания и производство.

Една от основните мисии на Biomolecules е да стигнем до самите корени. Ние не просто ви казваме какви нови факти са открили изследователите - ние говорим за това как са ги открили, ние се опитваме да обясним принципите на биологичните техники. Как да извадим ген от един организъм и да го вмъкнем в друг? Как можете да проследите съдбата на няколко малки молекули в огромна клетка? Как да възбудим една малка група неврони в огромен мозък?

И така решихме да говорим за лабораторните методи по-систематично, да съберем в един раздел най-важните, най-модерните биологични техники. За да стане по-интересно и по-ясно, ние обилно илюстрирахме статиите и дори добавихме анимация тук-там. Искаме статиите в новия раздел да са интересни и разбираеми дори за случаен минувач. И от друга страна, те трябва да бъдат толкова детайлни, че дори и професионалист да открие нещо ново в тях. Събрахме методите в 12 големи групи и въз основа на тях ще направим биометодологичен календар. Очаквайте актуализации!

Защо е необходима структурна биология?

Както знаете, биологията е наука за живота. Появява се в самото начало на 19 век и през първите сто години от съществуването си има чисто описателен характер. Основната задача на биологията по това време се смяташе за откриване и характеризиране на възможно най-много видове различни живи организми, а малко по-късно - за идентифициране на семейни връзки между тях. С течение на времето и с развитието на други области на науката от биологията се обособиха няколко клона с представката „молекулярно“: молекулярна генетика, молекулярна биология и биохимия – науки, които изучават живите същества на ниво отделни молекули, а не чрез появата на организма или относителното разположение на вътрешните му органи. И накрая, съвсем наскоро (през 50-те години на миналия век) такава област на знанието като структурна биология- наука, която изучава процесите в живите организми на ниво промяна пространствена структураотделни макромолекули. По същество структурната биология е в пресечната точка на три различни науки. Първо, това е биологията, защото науката изучава живите обекти, второ, физиката, тъй като се използва най-широкият арсенал от физически експериментални методи, и трето, химията, тъй като промяната на структурата на молекулите е обект на тази конкретна дисциплина.

Структурната биология изучава два основни класа съединения - протеини (основното "работно тяло" на всички известни организми) и нуклеинови киселини (основните "информационни" молекули). Благодарение на структурната биология знаем, че ДНК има структура на двойна спирала, че тРНК трябва да бъде изобразена като старинна буква "L" и че рибозомата има голяма и малка субединица, състояща се от протеини и РНК в специфична конформация.

Глобална целструктурната биология, както всяка друга наука, е да „разберем как работи всичко“. Под каква форма е сгъната веригата на протеина, който кара клетките да се делят, как се променя опаковката на ензима по време на химичния процес, който извършва, на кои места си взаимодействат растежният хормон и неговият рецептор - това са въпросите, които това науката отговаря. Освен това, отделна цел е да се натрупа такъв обем данни, че на тези въпроси (на все още неизследван обект) да може да се отговори на компютър, без да се прибягва до скъп експеримент.

Например, трябва да разберете как работи системата за биолуминесценция в червеите или гъбите - те дешифрираха генома, въз основа на тези данни намериха желания протеин и предсказаха неговата пространствена структура заедно с механизма на действие. Струва си да се признае обаче, че засега такива методи съществуват само в начален стадий и все още е невъзможно точно да се предскаже структурата на протеин, като се има само неговия ген. От друга страна, резултатите от структурната биология имат приложение в медицината. Както много изследователи се надяват, познанията за структурата на биомолекулите и механизмите на тяхната работа ще позволят разработването на нови лекарства на рационална основа, а не чрез проба и грешка (високопроизводителен скрининг, строго погледнато), както най-често се прави сега. И това не е научна фантастика: вече има много лекарства, създадени или оптимизирани с помощта на структурна биология.

История на структурната биология

Историята на структурната биология (фиг. 1) е доста кратка и започва в началото на 50-те години на миналия век, когато Джеймс Уотсън и Франсис Крик, въз основа на данни от Розалинд Франклин за рентгенова дифракция от ДНК кристали, сглобиха модел на сега добре- известна двойна спирала от ретро строителен комплект. Малко по-рано Линус Полинг изгражда първия правдоподобен модел на -спиралата, един от основните елементи на вторичната структура на протеините (фиг. 2).

Пет години по-късно, през 1958 г., е определена първата в света протеинова структура - миоглобин (протеин от мускулни влакна) на кашалота (фиг. 3). Разбира се, не изглеждаше толкова красиво като съвременните структури, но беше важен крайъгълен камък в развитието на съвременната наука.

Фигура 3b. Първата пространствена структура на протеинова молекула.Джон Кендрю и Макс Перуц демонстрират пространствената структура на миоглобина, сглобен от специален конструктивен комплект.

Десет години по-късно, през 1984–1985 г., първите структури са определени чрез ядрено-магнитна резонансна спектроскопия. От този момент се случиха няколко ключови открития: през 1985 г. беше получена структурата на първия комплекс от ензим с неговия инхибитор, през 1994 г. структурата на АТФ синтазата, основната „машина“ на електроцентралите на нашите клетки ( митохондриите), беше определена и още през 2000 г. беше получена първата пространствена структура „фабрики“ от протеини - рибозоми, състоящи се от протеини и РНК (фиг. 6). През 21-ви век развитието на структурната биология напредва скокообразно, придружено от експлозивен растеж на броя на пространствените структури. Получени са структурите на много класове протеини: хормонални и цитокинови рецептори, G-протеин-свързани рецептори, toll-подобни рецептори, протеини на имунната система и много други.

С появата на нови криоелектронни микроскопични изображения и технологии за изображения през 2010 г. се появиха много сложни структури със супер разделителна способност на мембранни протеини. Напредъкът на структурната биология не остава незабелязан: 14 Нобелови награди са присъдени за открития в тази област, пет от които през 21 век.

Методи на структурната биология

Изследванията в областта на структурната биология се извършват с помощта на няколко физични метода, от които само три позволяват да се получат пространствените структури на биомолекулите при атомна разделителна способност. Методите на структурната биология се основават на измерване на взаимодействието на изследваното вещество с различни видове електромагнитни вълни или елементарни частици. Всички методи изискват значителни финансови ресурси - цената на оборудването често е невероятна.

Исторически първият метод на структурната биология е рентгеновият дифракционен анализ (XRD) (фиг. 7). Още в началото на 20-ти век е открито, че с помощта на рентгенова дифракционна картина върху кристали могат да се изследват техните свойства - тип клетъчна симетрия, дължина на връзките между атомите и т.н. Ако в тях има органични съединения клетки на кристална решетка, тогава могат да се изчислят координатите на атомите и следователно химичната и пространствена структура на тези молекули. Точно така през 1949 г. е получена структурата на пеницилина, а през 1953 г. – структурата на двойната спирала на ДНК.

Изглежда, че всичко е просто, но има нюанси.

Първо, трябва по някакъв начин да получите кристали, като размерът им трябва да е достатъчно голям (фиг. 8). Докато това е осъществимо за не много сложни молекули (помнете как кристализират трапезната сол или медния сулфат!), кристализацията на протеин е сложна задача, която изисква неочевидна процедура за намиране на оптимални условия. Сега това става с помощта на специални роботи, които подготвят и наблюдават стотици различни разтвори в търсене на „покълнали“ протеинови кристали. Въпреки това, в ранните дни на кристалографията, получаването на протеинов кристал може да отнеме години ценно време.

Второ, въз основа на получените данни („сурови“ дифракционни модели; фиг. 8), структурата трябва да бъде „изчислена“. Днес това също е рутинна задача, но преди 60 години, в ерата на ламповата технология и перфокартите, далеч не беше толкова просто.

Трето, дори и да е възможно да се отгледа кристал, изобщо не е необходимо да се определи пространствената структура на протеина: за това протеинът трябва да има една и съща структура във всички места на решетката, което не винаги е така .

И четвърто, кристалът е далеч от естественото състояние на протеина. Изучаването на протеини в кристали е като изучаване на хора, като натъпчете десет от тях в малка, опушена кухня: можете да разберете, че хората имат ръце, крака и глава, но поведението им може да не е точно същото като в удобна среда. Рентгеновата дифракция обаче е най-разпространеният метод за определяне на пространствени структури и 90% от съдържанието на PDB се получава с помощта на този метод.

SAR изисква мощни източници на рентгенови лъчи - електронни ускорители или лазери на свободни електрони (фиг. 9). Такива източници са скъпи - няколко милиарда щатски долара - но обикновено един източник се използва от стотици или дори хиляди групи по целия свят срещу доста номинална такса. В нашата страна няма мощни източници, така че повечето учени пътуват от Русия до САЩ или Европа, за да анализират получените кристали. Можете да прочетете повече за тези романтични изследвания в статията “ Лаборатория за напреднали изследвания на мембранни протеини: от гена до ангстрьома» .

Както вече беше споменато, рентгеновият дифракционен анализ изисква мощен източник на рентгеново лъчение. Колкото по-мощен е източникът, толкова по-малки могат да бъдат кристалите и толкова по-малко болка ще трябва да понесат биолозите и генните инженери, опитвайки се да получат злощастните кристали. Рентгеновото лъчение се получава най-лесно чрез ускоряване на сноп от електрони в синхротрони или циклотрони – гигантски пръстеновидни ускорители. Когато един електрон изпитва ускорение, той излъчва електромагнитни вълни в желания честотен диапазон. Напоследък се появиха нови свръхмощни източници на радиация - лазери на свободни електрони (XFEL).

Принципът на работа на лазера е доста прост (фиг. 9). Първо, електроните се ускоряват до високи енергии с помощта на свръхпроводящи магнити (дължина на ускорителя 1–2 km), след което преминават през така наречените ондулатори - набори от магнити с различни полярности.

Фигура 9. Принцип на работа на лазер със свободни електрони.Електронният лъч се ускорява, преминава през ондулатора и излъчва гама лъчи, които попадат върху биологични проби.

Преминавайки през ондулатора, електроните започват периодично да се отклоняват от посоката на лъча, изпитвайки ускорение и излъчвайки рентгеново лъчение. Тъй като всички електрони се движат по един и същи начин, радиацията се усилва поради факта, че други електрони в лъча започват да абсорбират и повторно излъчват рентгенови вълни със същата честота. Всички електрони излъчват радиация синхронно под формата на изключително мощна и много кратка светкавица (с продължителност под 100 фемтосекунди). Мощността на рентгеновия лъч е толкова висока, че една кратка светкавица превръща малък кристал в плазма (фиг. 10), но за тези няколко фемтосекунди, докато кристалът е непокътнат, могат да се получат изображения с най-високо качество поради високия интензитет и кохерентност на лъча. Цената на такъв лазер е 1,5 милиарда долара, а в света има само четири такива инсталации (разположени в САЩ (фиг. 11), Япония, Корея и Швейцария). През 2017 г. се планира пускането в експлоатация на петия – европейски – лазер, в изграждането на който участва и Русия.

Фигура 10. Превръщане на протеини в плазма за 50 fs под въздействието на свободен електронен лазерен импулс.Фемтосекунда = 1/1000000000000000 от секундата.

С помощта на ЯМР спектроскопия са определени около 10% от пространствените структури в PDB. В Русия има няколко свръхмощни чувствителни ЯМР спектрометри, които извършват работа на световно ниво. Най-голямата лаборатория за ЯМР не само в Русия, но и в цялото пространство на изток от Прага и западно от Сеул, се намира в Института по биоорганична химия на Руската академия на науките (Москва).

ЯМР спектрометърът е чудесен пример за триумфа на технологията над интелекта. Както вече споменахме, за използване на метода ЯМР спектроскопия е необходимо мощно магнитно поле, така че сърцето на устройството е свръхпроводящ магнит - намотка, изработена от специална сплав, потопена в течен хелий (−269 °C). Течният хелий е необходим за постигане на свръхпроводимост. За да се предотврати изпаряването на хелия, около него е изграден огромен резервоар с течен азот (−196 °C). Въпреки че е електромагнит, той не консумира електричество: свръхпроводящата намотка няма съпротивление. Въпреки това, магнитът трябва постоянно да се „захранва“ с течен хелий и течен азот (фиг. 15). Ако не следите, ще настъпи „гасене“: намотката ще се нагрее, хелият ще се изпари експлозивно и устройството ще се счупи ( см.видео). Също така е важно полето в пробата с дължина 5 cm да е изключително равномерно, така че устройството съдържа няколко дузини малки магнити, необходими за фина настройка на магнитното поле.

Видео. Планирано охлаждане на 21.14 Tesla NMR спектрометър.

За да извършите измервания, ви е необходим сензор - специална бобина, която едновременно генерира електромагнитно излъчване и регистрира "обратния" сигнал - колебание на магнитния момент на пробата. За да се увеличи чувствителността 2–4 пъти, сензорът се охлажда до температура от −200 °C, като по този начин се елиминира топлинният шум. За да направят това, те изграждат специална машина - криоплатформа, която охлажда хелия до необходимата температура и го изпомпва до детектора.

Има цяла група методи, които разчитат на явлението разсейване на светлината, рентгенови лъчи или неутронен лъч. Тези методи, базирани на интензитета на радиация/разсейване на частици под различни ъгли, правят възможно определянето на размера и формата на молекулите в разтвора (фиг. 16). Разсейването не може да определи структурата на една молекула, но може да се използва като помощно средство за друг метод, като например ЯМР спектроскопия. Инструментите за измерване на разсейването на светлината са сравнително евтини, струвайки "само" около 100 000 долара, докато други методи изискват ускорител на частици под ръка, който може да произведе лъч неутрони или мощен поток от рентгенови лъчи.

Друг метод, чрез който не може да се определи структурата, но могат да се получат някои важни данни, е резонансен флуоресцентен трансфер на енергия(ГРЕС). Методът използва явлението флуоресценция - способността на някои вещества да абсорбират светлина с една дължина на вълната, докато излъчват светлина с друга дължина на вълната. Можете да изберете двойка съединения, за едно от които (донор) светлината, излъчвана по време на флуоресценция, ще съответства на характерната дължина на вълната на поглъщане на втората (акцептор). Облъчете донора с лазер с необходимата дължина на вълната и измерете флуоресценцията на акцептора. Ефектът FRET зависи от разстоянието между молекулите, така че ако въведете донор и акцептор на флуоресценция в молекулите на два протеина или различни домени (структурни единици) на един и същ протеин, можете да изучавате взаимодействията между протеините или относителните позиции на домейните в протеин. Регистрацията се извършва с помощта на оптичен микроскоп, така че FRET е евтин, макар и нискоинформативен метод, чието използване е свързано с трудности при интерпретирането на данните.

И накрая, не можем да не споменем „метода на съня“ на структурните биолози – компютърното моделиране (фиг. 17). Идеята на метода е да използва съвременните знания за структурата и законите на поведение на молекулите, за да симулира поведението на протеин в компютърен модел. Например, използвайки метода на молекулярната динамика, можете да наблюдавате в реално време движенията на молекулата или процеса на „сглобяване“ на протеин (сгъване) с едно „но“: максималното време, което може да бъде изчислено, не надвишава 1 ms , което е изключително кратко, но в същото време изисква колосални изчислителни ресурси (фиг. 18). Възможно е да се изследва поведението на системата за по-дълъг период от време, но това се постига за сметка на недопустима загуба на точност.

Компютърното моделиране се използва активно за анализ на пространствените структури на протеините. Използвайки докинг, те търсят потенциални лекарства, които имат висока склонност да взаимодействат с целевия протеин. В момента точността на прогнозите е все още ниска, но докингът може значително да стесни кръга от потенциално активни вещества, които трябва да бъдат тествани за разработването на ново лекарство.

Основната област на практическо приложение на резултатите от структурната биология е разработването на лекарства или, както сега е модерно да се казва, драг дизайн. Има два начина за проектиране на лекарство въз основа на структурни данни: можете да започнете от лиганд или от целеви протеин. Ако вече са известни няколко лекарства, действащи върху целевия протеин и са получени структурите на комплексите протеин-лекарство, можете да създадете модел на „идеалното лекарство“ в съответствие със свойствата на свързващия „джоб“ на повърхността на протеинова молекула, идентифициране на необходимите характеристики на потенциалното лекарство и търсене сред всички известни природни и не толкова известни съединения. Възможно е дори да се изградят връзки между структурните свойства на лекарството и неговата активност. Например, ако една молекула има лък отгоре, тогава нейната активност е по-висока от тази на молекула без лък. И колкото повече се зарежда лъкът, толкова по-добре действа лекарството. Това означава, че от всички известни молекули трябва да намерите съединението с най-голям зареден лък.

Друг начин е да използвате структурата на мишената, за да търсите на компютър съединения, които са потенциално способни да взаимодействат с нея на правилното място. В този случай обикновено се използва библиотека от фрагменти - малки части от вещества. Ако намерите няколко добри фрагмента, които взаимодействат с целта на различни места, но близо един до друг, можете да изградите лекарство от фрагментите, като ги „зашиете“ заедно. Има много примери за успешно разработване на лекарства с помощта на структурна биология. Първият успешен случай датира от 1995 г.: тогава дорзоламидът, лекарство за глаукома, е одобрен за употреба.

Общата тенденция в биологичните изследвания все повече клони към не само качествени, но и количествени описания на природата. Структурната биология е отличен пример за това. И има всички основания да се смята, че ще продължи да бъде от полза не само за фундаменталната наука, но и за медицината и биотехнологиите.

Календар

Въз основа на статиите от специалния проект решихме да направим календар „12 метода на биологията“ за 2019 г. Тази статия представлява март.

Литература

1. Биолуминесценция: Прераждане;
2. Триумфът на компютърните методи: прогнозиране на протеинова структура;
3. Heping Zheng, Katarzyna B Handing, Matthew D Zimmerman, Ivan G Shabalin, Steven C Almo, Wladek Minor. (2015).