Біологічні малюнки Біологія – наука про життя

Науки про життя йдуть шляхом від великого до дрібного. Нещодавно біологія описувала виключно зовнішні риси тварин, рослин, бактерій. Молекулярна біологія вивчає живі організми лише на рівні взаємодій окремих молекул. Біологія структурна - досліджує процеси у клітинах лише на рівні атомів. Якщо хочете дізнатися, як «побачити» окремі атоми, як працює та «живе» структурна біологія та які використовує прилади, вам сюди!

Генеральний партнер циклу - компанія: найбільший постачальник обладнання, реагентів та витратних матеріалів для біологічних досліджень та виробництв.

Одна з головних місій «Біомолекули» - докопатися до самого коріння. Ми не просто розповідаємо, які нові факти виявили дослідники – ми говоримо про те, як вони їх виявили, намагаємось пояснити принципи біологічних методик. Як витягнути ген із одного організму та вставити в інший? Як простежити у величезній клітці за долею кількох крихітних молекул? Як порушити одну крихітну групу нейронів у величезному мозку?

І ось ми вирішили розповісти про лабораторні методи системніше, зібрати воєдино в одній рубриці найголовніші, найсучасніші біологічні методики. Щоб було цікавіше і наочніше, ми густо проілюстрували статті і навіть подекуди додали анімації. Ми хочемо, щоб статті нової рубрики були цікавими та зрозумілими навіть випадковому перехожому. І з іншого боку - щоб вони були такі докладні, що навіть професіонал міг би виявити в них щось нове. Ми зібрали методики до 12 великих груп і збираємося зробити на їх основі біометодичний календар. Чекайте на оновлення!

Навіщо потрібна структурна біологія?

Як відомо, біологія – це наука про життя. З'явилася вона на початку XIX століття і перші сто років свого існування була суто описовою. Головним завданням біології на той час вважали знайти та охарактеризувати якомога більше видів різних живих організмів, трохи пізніше - виявити родинні зв'язки між ними. Згодом і з розвитком інших галузей науки з біології виділилися кілька гілок з приставкою «молекулярний»: молекулярна генетика, молекулярна біологія та біохімія – науки, що вивчають живе на рівні окремих молекул, а не за зовнішнім виглядом організму чи взаєморозташуванням його внутрішніх органів. Зрештою, зовсім недавно (у 50-х роках минулого століття) з'явилася така галузь знання, як структурна біологія- наука, що вивчає процеси в живих організмах на рівні зміни просторової структуриокремих макромолекул. По суті, структурна біологія перебуває в стику різних наук. По-перше, це біологія, оскільки наука вивчає живі об'єкти, по-друге, фізика, оскільки використовується найширший арсенал фізичних експериментальних методів, а по-третє, хімія, оскільки зміна структури молекул - об'єкт саме цієї дисципліни.

Структурна біологія вивчає два основні класи сполук – білки (основне «робоче тіло» всіх відомих організмів) та нуклеїнові кислоти (головні «інформаційні» молекули). Саме завдяки структурній біології ми знаємо, що ДНК має структуру подвійної спіралі, що тРНК потрібно зображати у вигляді вінтажної літери «Г», а в рибосомі є велика та мала субодиниці, що складаються з білків та РНК у певній конформації.

Глобальна метаструктурної біології, як будь-який інший науки, - «зрозуміти, як усе влаштовано». У яку форму згорнуто ланцюг білка, який змушує клітини ділитися, як змінюється упаковка ферменту під час хімічного процесу, що він здійснює, якими місцями взаємодіють гормон зростання та її рецептор - питання, куди відповідає ця наука. Більше того, окремою метою є накопичення такого обсягу даних, щоб на ці питання (щодо ще вивченого об'єкта) можна було відповісти на комп'ютері, не вдаючись до дорогого експерименту.

Наприклад, потрібно зрозуміти, як працює система біолюмінесценції у хробаків чи грибів – розшифрували геном, на підставі цих даних знайшли потрібний білок та передбачили його просторову структуру разом із механізмом роботи. Варто, щоправда, визнати, що такі методи поки що існують лише у зачатковій стадії, і точно передбачити структуру білка, маючи лише його ген, ще неможливо. З іншого боку, результати структурної біології застосовують у медицині. Як сподіваються багато дослідників, знання про структуру біомолекул і механізми їх роботи дозволять розробляти нові ліки на раціональній базі, а не методом проб і помилок (високопродуктивного скринінгу, якщо говорити суворо), як це робиться найчастіше зараз. І це не наукова фантастика: вже є багато ліків, створених чи оптимізованих із застосуванням структурної біології.

Історія структурної біології

Історія структурної біології (рис. 1) досить коротка і стартує на початку 1950-х, коли Джеймс Вотсон і Френсіс Крик, ґрунтуючись на даних Розалінд Франклін з дифракції рентгенівських променів на кристалах ДНК, зібрали з вінтажного конструктора модель відомої зараз усім подвійної спіралі. Трохи раніше Лайнус Полінг побудував першу правдоподібну модель-спіралі, одного з базових елементів вторинної структури білків (рис. 2).

Через п'ять років, у 1958 році, було визначено першу у світі структуру білка - міоглобіну (білка м'язових волокон) кашалоту (рис. 3). Виглядала вона, звісно, ​​негаразд красиво, як сучасні структури, але це була значна віха розвитку сучасної науки.

Малюнок 3б. Перша просторова структура білкової молекули.Джон Кендрю та Макс Перутц демонструють просторову структуру міоглобіну, зібрану із спеціального конструктора.

Через 10 років, у 1984-1985 роках, перші структури визначили методом спектроскопії ядерного магнітного резонансу. З того моменту відбулося кілька ключових відкриттів: у 1985 році отримали структуру першого комплексу ферменту з його інгібітором, у 1994 році визначили структуру АТФ-синтази, головної «машини» електростанцій наших клітин (мітохондрій), а вже у 2000 р. отримали першу просторову структуру «фабрики» білків - рибосоми, що складається з білків та РНК (рис. 6). У 21 столітті розвиток структурної біології пішло семимильними кроками, супроводжуючись вибуховим зростанням кількості просторових структур. Були отримані структури багатьох класів білків: рецепторів гормонів та цитокінів, G-білоксполучених рецепторів, толл-подібних рецепторів, білків імунної системи та багатьох інших.

З появою в 2010-х роках нових технологій реєстрації та обробки зображень кріоелектронної мікроскопії з'явилося безліч складних структур мембранних білків у надвисокій роздільній здатності. Прогрес структурної біології не залишився непоміченим: за відкриття у цій галузі було вручено 14 нобелівських премій, їх п'ять - вже у 21 столітті.

Методи структурної біології

Дослідження у сфері структурної біології ведуть з допомогою кількох фізичних методів, у тому числі лише три дозволяють отримувати просторові структури біомолекул в атомарному дозволі. Методи структурної біології ґрунтуються на вимірі взаємодії досліджуваної речовини з різними видами електромагнітних хвиль або елементарних частинок. Усі методики вимагають значних фінансових ресурсів – вартість обладнання часто вражає уяву.

Історично перший метод структурної біології – рентгеноструктурний аналіз (РСА) (рис. 7). Ще на початку 20 століття з'ясували, що за картиною дифракції рентгенівських променів на кристалах можна вивчати їх властивості - тип симетрії осередку, довжину зв'язків між атомами та ін. , хімічну та просторову структуру цих молекул. Саме так була отримана в 1949 структура пеніциліну, а в 1953 - структура подвійної спіралі ДНК.

Здавалося б все просто, але є нюанси.

По-перше, потрібно якось отримати кристали, причому їх розмір має бути досить великим (рис. 8). Якщо для не дуже складних молекул це можна здійснити (згадайте, як кристалізуються кухонна сіль або мідний купорос!), то кристалізація білків - це складне завдання, що вимагає неочевидної процедури пошуку оптимальних умов. Сьогодні це робиться за допомогою спеціальних роботів, які готують і моніторять сотні різних розчинів у пошуках «пророслих» кристалів білків. Однак на зорі кристалографії отримання кристала білка могло займати роки цінного часу.

По-друге, на основі отриманих даних («сирих» дифракційних картин; рис. 8) потрібно структуру «розрахувати». Зараз це також рутинне завдання, проте 60 років тому, в еру лампової техніки та перфокарт, було далеко не так просто.

По-третє, навіть якщо вийшло виростити кристал, то зовсім не обов'язково, що буде визначена просторова структура білка: для цього у всіх вузлах ґрат білок повинен мати одну й ту саму структуру, що далеко не завжди так.

Ну і по-четверте, кристал – далеко не природний стан білка. Вивчати білки в кристалах - це як вивчати людей, впихнувши їх вдесятьох у малогабаритну прокурену кухню: можна дізнатися, що люди мають руки, ноги і голова, але поведінка може бути не зовсім такою, як у комфортній обстановці. Проте, рентгеноструктурний аналіз - це найпоширеніший метод визначення просторових структур, і 90% вмісту PDB отримано з цього методу.

РСА вимагає потужних джерел рентгенівських променів – прискорювачів електронів чи лазерів на вільних електронах (рис. 9). Такі джерела коштують дорого - кілька мільярдів доларів США, - але зазвичай одне джерело використовують сотні чи навіть тисячі груп у всьому світі за досить символічну плату. У нашій країні потужних джерел немає, тому більшість вчених їздить із Росії до США чи Європи для аналізу отриманих кристалів. Докладніше про ці романтичні дослідження можна прочитати у статті « Лабораторія перспективних досліджень мембранних білків: від гена до ангстрему» .

Як було зазначено, для рентгеноструктурного аналізу необхідне потужне джерело рентгенівського випромінювання. Чим потужніше джерело, тим меншим розміром кристалів можна обійтися, і тим менше мук доведеться зазнати біологів та генних інженерів, які намагаються отримати нещасні кристали. Рентгенівське випромінювання найпростіше отримати, прискорюючи пучок електронів у синхротронах чи циклотронах – гігантських кільцевих прискорювачах. Коли електрон зазнає прискорення, він випромінює електромагнітні хвилі в потрібному діапазоні частот. Останнім часом з'явилися нові надпотужні джерела випромінювання – лазери на вільних електронах (XFEL).

Принцип роботи лазера досить простий (рис. 9). Спочатку електрони розганяються до високих енергій за допомогою надпровідних магнітів (довжина прискорювача 1-2 км), а потім проходять через звані ондулятори - набори магнітів різної полярності.

Рисунок 9. Принцип роботи лазера на вільних електронах.Пучок електронів прискорюється, проходить через ондулятор та випромінює гамма-кванти, які потрапляють на біологічні зразки.

Проходячи через ондулятор, електрони починають періодично відхилятися від напрямку пучка, відчуваючи прискорення та випускаючи рентгенівське випромінювання. Оскільки всі електрони рухаються однаково, то випромінювання посилюється завдяки тому, що інші електрони пучка починають поглинати і перевипромінювати рентгенівські хвилі однієї й тієї частоти. Всі електрони випускають випромінювання синхронно у вигляді надпотужного та дуже короткого спалаху (тривалістю менше 100 фемтосекунд). Потужність рентгенівського променя настільки висока, що один короткий спалах перетворює невеликий кристал на плазму (мал. 10), проте за ті кілька фемтосекунд, поки кристал цілий, можна отримати зображення найвищої якості завдяки високій інтенсивності та когерентності променя. Вартість такого лазера становить 1,5 мільярда доларів, а у світі працює лише чотири такі установки (перебувають у США (рис. 11), Японії, Кореї та Швейцарії). У 2017 році планується введення в експлуатацію п'ятого – європейського – лазера, у будівництві якого брала участь і Росія.

Малюнок 10. Перетворення білків на плазму за 50 фс під впливом імпульсу лазера на вільних електронах.Фемтосекунда = 1/1000000000000000 частки секунди.

За допомогою ЯМР-спектроскопії визначено близько 10% просторових структур на основі PDB. У Росії є кілька надпотужних чутливих ЯМР-спектрометрів, де ведуть роботи світового рівня. Найбільша ЯМР-лабораторія не тільки в Росії, але і на всьому просторі на схід від Праги та на захід від Сеула, розташована в Інституті біоорганічної хімії РАН (Москва).

ЯМР-спектрометр – чудовий приклад урочистості технології над розумом. Як ми вже згадували, для використання методу ЯМР-спектроскопії необхідне потужне магнітне поле, тому серцем приладу є надпровідний магніт - котушка зі спеціального сплаву, занурена в рідкий гелій (-269 ° C). Рідкий гелій необхідний досягнення надпровідності. Щоб гелій не випаровувався, навколо нього будують величезну цистерну з рідким азотом (-196 ° С). Хоча це і електромагніт, він не споживає електрики: надпровідна котушка не має опору. Однак, магніт потрібно постійно «підгодовувати» рідким гелієм та рідким азотом (рис. 15). Якщо не встежити, то станеться «квенч»: котушка нагріється, гелій вибухоподібно випарується, а прилад зламається ( див.відео). Також важливо, щоб поле у ​​зразку довжиною 5 см було вкрай однорідним, тому в приладі є пара десятків невеликих магнітів, потрібних для тонкого налаштування магнітного поля.

Відео. Запланований «квенч» 21,14-теслівого ЯМР-спектрометра.

Щоб проводити вимірювання, потрібен датчик - спеціальна котушка, яка генерує як електромагнітне випромінювання, так і реєструє «зворотний» сигнал - осциляцію магнітного моменту зразка. Щоб підвищити чутливість у 2–4 рази, датчик охолоджують до температури –200 °C, тим самим позбавляючись теплових шумів. Для цього будують спеціальну машину – кріоплатформу, яка охолоджує гелій до потрібної температури та прокачує його поряд із детектором.

Є ціла група методів, яка спирається на розсіяння світла, рентгенівських променів або пучка нейтронів. Дані методи інтенсивності розсіювання випромінювання/частинок на різних кутах дозволяють визначати розмір і форму молекул у розчині (рис. 16). За допомогою розсіювання неможливо визначити структуру молекули, однак її можна використовувати як підмогу при використанні іншого методу, наприклад, ЯМР-спектроскопії. Прилади для вимірювання розсіювання світла відносно дешеві і коштують «всього» близько 100 000 доларів, тоді як інші методи вимагають наявності під рукою прискорювача частинок, який може створити нейтронний пучок або потужний потік рентгенівського випромінювання.

Іншим методом, за допомогою якого не можна визначити структуру, але можна отримати деякі важливі дані, є резонансне перенесення енергії флуоресценції(FRET). Метод використовує явище флуоресценції – здатність деяких речовин поглинати світло однієї довжини хвилі, випромінюючи світло іншої довжини хвилі. Можна підібрати пару з'єднань, в одного з яких (донора) світло, що випускається при флуоресценції, буде відповідати характерній довжині хвилі поглинання другого (акцептора). Опромінювати донор лазером потрібної довжини хвилі та вимірювати флуоресценцію акцептора. Ефект FRET залежить від відстані між молекулами, тому якщо ввести донор і акцептор флуоресценції в молекули двох білків або різні домени (структурні одиниці) одного білка, можна вивчати взаємодії між білками або взаємне розташування доменів у білку . Реєстрація здійснюється за допомогою оптичного мікроскопа, тому FRET є дешевим, хоч і малоінформативним методом, використання якого пов'язане зі складнощами в інтерпретації даних.

Зрештою, не можна не згадати про «метод мрії» структурних біологів – комп'ютерне моделювання (рис. 17). Ідея методу полягає в тому, щоб, користуючись сучасним знанням про будову та закони поведінки молекул, моделювати поведінку білка в комп'ютерній моделі. Наприклад, використовуючи метод молекулярної динаміки, можна в реальному часі відстежувати рух молекули або процес «складання» білка (фолдинг) за одним «але»: максимальний час, який можна обрахувати, не перевищує 1 мс, що надзвичайно мало, але до того ж вимагає колосальних обчислювальних ресурсів (рис. 18). Можна дослідити поведінку системи протягом більш тривалого часу, тільки досягається за рахунок неприйнятної втрати точності.

p align="justify"> Комп'ютерне моделювання активно використовується для аналізу просторових структур білків. За допомогою докінгу шукають потенційні ліки, які мають високу схильність до взаємодії з білком-мішенню. На даний момент точність передбачень все ще невелика, проте докінг дозволяє суттєво звузити коло потенційно активних речовин, які необхідно перевірити для розробки нових ліків.

Основним полем практичного застосування результатів структурної біології є розробка ліків або, як зараз модно говорити, драг-дизайн. Існує два способи розробити ліки на основі структурних даних: можна починати від ліганду або білка-мішені. Якщо вже відомо кілька ліків, що діють на білок-мішень, та отримані структури комплексів білок-ліки, можна створити модель «ідеальних ліків» відповідно до властивостей «кишені» зв'язування на поверхні молекули білка, виділити необхідні риси потенційних ліків та провести пошук серед усіх відомих природних і не дуже з'єднань. Можна навіть побудувати залежності між властивостями структури ліків та його активністю. Наприклад, якщо у молекули є зверху бантик, її активність вище, ніж у молекули без бантика. І що більше бантик заряджений, то краще працюють ліки. Отже, зі всіх відомих молекул потрібно знайти з'єднання з найбільшим зарядженим бантиком.

Інший спосіб – використовуючи структуру мішені, на комп'ютері провести пошук з'єднань, які потенційно здатні з нею взаємодіяти у потрібному місці. При цьому зазвичай використовують бібліотеку фрагментів – невеликих шматочків речовин. Якщо знайти кілька хороших фрагментів, які взаємодіють із мішенню в різних місцях, але близько один від одного, можна побудувати з фрагментів ліки, «зшивши» їх між собою. Існує багато прикладів успішної розробки ліків за допомогою структурної біології. Перший успішний випадок датується 1995: тоді був схвалений до застосування дорзоламід - ліки від глаукоми.

Загальна тенденція в біологічних дослідженнях дедалі більше схиляється як до якісному, а й кількісному опису природи. Структурна біологія - яскравий приклад. І є всі підстави вважати, що вона й надалі приноситиме користь не лише фундаментальній науці, а й медицині та біотехнологіям.

Календар

На основі статей спецпроекту ми вирішили створити календар «12 методів біології» на 2019 рік. Ця стаття представляє березень.

Література

1. Біолюмінесценція: відродження;
2. Урочистість комп'ютерних методів: передбачення будови білків;
3. Heping Zheng, Katarzyna B Handing, Matthew D Zimmerman, Ivan G Shabalin, Steven C Almo, Wladek Minor. (2015).

Біологія- Наука про живу природу.

Біологія вивчає різноманітність живих істот, будову їхніх тіл та роботу їх органів, розмноження та розвиток організмів, а також вплив людини на живу природу.

Назва цієї науки походить від двох грецьких слів « біос" - "життя та " логос- Наука, слово.

Одним із засновників науки про живі організми був великий давньогрецький вчений (384 - 322 до н. Е..). Він першим узагальнив біологічні знання, здобуті до нього людством. Вчений запропонував першу класифікацію тварин, об'єднавши групи живі організми, подібні за будовою, і позначив у ній місце для людини.

Надалі внесок у розвиток біології зробили багато вчених, які вивчали різні види живих організмів, що населяють нашу планету.

Сім'я біологічних наук

Біологія – це наука про природу. Область досліджень вчених-біологів величезна: це різні мікроорганізми, рослини, гриби, тварини (зокрема людина), будову та функціонування організмів тощо.

Таким чином, біологія - це не просто наука, а ціла сім'я, що складається з багатьох окремих наук.

Дослідіть інтерактивну схему про сім'ю біологічних наук та з'ясуйте, що вивчають різні розділи біології.

Анатомія— наука про форму та будову окремих органів, систем та організму в цілому.

Фізіологія- наука про життєдіяльність організмів, їх систем, органів і тканин, про процеси, що йдуть в організмі.

Цитологія— наука про будову та життєдіяльність клітини.

Зоологія - Наука, що вивчає тварин.

Розділи зоології:

• Ентомологія - наука про комах.

У ній виділяють кілька розділів: колеоптерологія (вивчає жуків), лепідоптерологія (вивчає метеликів), мирмекологія (вивчає мурах).

• Іхтіологія - наука про риби.
• Орнітологія - наука про птахів.
• Теріологія - наука про ссавців.

Ботаніка - Наука, що вивчає рослини.

Мікологія- Наука, що вивчає гриби.

Протистологія - Наука, що вивчає найпростіших.

Вірусологія - Наука, що вивчає віруси.

Бактеріологія - Наука, що вивчає бактерії.

Значення біології

Біологія тісно пов'язана з багатьма сторонами практичної діяльності - сільським господарством, різними галузями промисловості, медициною.

Успішний розвиток сільського господарства нині багато в чому залежить від біологів-селекціонерів, які займаються покращенням існуючих та створенням нових сортів культурних рослин та порід домашніх тварин.

Завдяки досягненням біології було створено та успішно розвивається мікробіологічна промисловість. Наприклад, кефір, кисляка, йогурти, сири, квас та багато інших продуктів людина отримує завдяки діяльності певних видів грибів та бактерій. За допомогою сучасних біотехнологій підприємства випускають ліки, вітаміни, кормові добавки, засоби захисту рослин від шкідників та хвороб, добрива та багато іншого.

Знання законів біології допомагає лікувати та попереджати хвороби людини.

З кожним роком людина все ширше використовує природні ресурси. Потужна техніка так швидко перетворює світ, що зараз на Землі майже не залишилося куточків з незайманою природою.

Щоб зберегти нормальні умови для життя людини, доводиться відновлювати зруйноване середовище. Зробити це можуть лише люди, які добре знають закони природи. Знання біології, а також біологічна наука екологіядопомагає нам вирішити проблему збереження та покращення умов життя на планеті.

Виконайте інтерактивне завдання -

Що таке біологія? Біологія - наука про життя, про живі організми, що мешкають на Землі.

Зображення 3 з презентації «Наука»до уроків біології на тему «Біологія»

Розміри: 720 х 540 пікселів, формат: jpg. Щоб безкоштовно скачати картинку для уроку біології, клацніть на зображенні правою кнопкою миші і натисніть «Зберегти зображення як...». Для показу картинок на уроці Ви можете також безкоштовно скачати презентацію «Наука.ppt» повністю з усіма картинками в zip-архіві. Розмір архіву – 471 КБ.

Біологія

«Методи дослідження у біології» - Історія розвитку біології як науки. Планування експерименту, вибір методики. План уроку: Для вирішення яких глобальних завдань людства потрібні знання біології? Тема: Прикордонні дисципліни: Завдання: Морфологія, анатомія, фізіологія, сисмтематика, палеонтологія. Значення біології». Біологія – нука життя.

«Вчений Ломоносов» - наголошував на важливості дослідження Північного морського шляху, освоєння Сибіру. 19 листопада 1711р.- 15квітня 1765 (53 роки). 10 червня 1741 року. Відкриття. Розвивав атомно-молекулярні уявлення про будову речовини. Ідеї. Виключив флогістон із числа хімічних агентів. Робота. Будучи прихильником деїзму, матеріалістично розглядав явища природи.

«Ботанік Вавілов» - Всесоюзний інститут прикладної ботаніки. У 1906 р. Вавілов Микола Іванович. У 1924 р. виконали: Бабичева Роксана та Жданова Людмила, учениці 10 В класу. Авторитет Вавілова як вченого та організатора науки рос. У Мертоні (Англія), у генетичній лабораторії Садівничого інституту. М. І. Вавілов народився 26 листопада 1887 р. у Москві.

«Проектна діяльність» – Алексєєва Є.В. План лекції. Вчитель стає автором проекту. Огляд додаткових ресурсів. Технологізація інформаційної моделі навчального процесу. Проектуємо урок біології. Проектна діяльність. Теорія та практика. (Проектний метод). Етапи роботи вчителя. Теорія та практика. Основні блоки у проектах.

"Наука про живу природу" - Оформлення робочих зошитів. 3. Біологія – наука про живу природу. Біологія - наука про живу природу. Бактерії. Гриби. Складаються з однієї клітини та не мають ядра. Марк Цицерон. Біологія вивчає живі організми. Мають хлорофіл і утворюють на світлі органічні речовини, виділяючи кисень. Запитання: Що вивчає біологія?

Специфіка біологічного малюнку для школярів середніх класів

Біологічний малюнок – один із загальновизнаних інструментів вивчення біологічних об'єктів та структур. Є чимало хороших методичок, які торкаються цієї проблеми.

Наприклад, у тритомнику «Біологія» Гріна, Стаута, Тейлора сформульовано такі правила біологічного малюнка.

1. Необхідно користуватися папером для малювання відповідної товщини та якості. З неї повинні добре стиратися лінії олівця.

2. Олівці мають бути гострими, твердості НВ (у нашій системі – ТМ), не кольоровими.

3. Малюнок має бути:

- Досить великим - чим більше елементів складають досліджуваний об'єкт, тим більше повинен бути малюнок;
– простим – включати контури структури та інших важливих деталей, щоб показати розташування та зв'язок окремих елементів;
– намальований тонкими та виразними лініями – кожну лінію необхідно продумати і потім намалювати без відриву олівця від паперу; не штрихувати та не розфарбовувати;
- написи повинні бути по можливості повними, лінії, що йдуть від них, не повинні перетинатися; залишайте навколо малюнка місце для підписів.

4. Робити при необхідності два малюнки: схематичний рисунок, що показує основні риси, та детальний рисунок дрібних частин. Наприклад, при малому збільшенні намалювати план поперечного перерізу рослини, а при великому збільшенні – детальну будову клітин (велико намальовану частину малюнка обводять на плані клином чи квадратом).

5. Малювати слід тільки те, що ви дійсно бачите, а не те, що вам здається, що ви бачите, і, звичайно, не копіювати малюнок із книги.

6. Кожен малюнок повинен мати назву, вказівку про збільшення та проекцію зразка.

Сторінка з книги «Вступ до зоології» (німецьке видання кінця XIX століття)

На перший погляд досить просто і не викликає заперечень. Проте деякі тези нам довелося переглянути. Справа в тому, що автори подібних посібників розглядають специфіку біологічного малюнка вже на рівні інституту або старших класів спецшкіл, їх рекомендації звернені до досить дорослих людей з аналітичним складом розуму. У середніх (6-8-х) класах - як звичайних, так і біологічних - справи не так просто.

Дуже часто лабораторні замальовки перетворюються на взаємне «мучительство». Некрасиві і мало зрозумілі малюнки не подобаються ні самим дітям – вони просто ще не вміють малювати, ні вчителю – тому, що ті деталі будови, через які все починалося, часто пропускаються більшістю дітей. Нормально справляються з такими завданнями (і не починають їх ненавидіти!) лише художньо обдаровані діти. Коротше кажучи, проблема полягає в тому, що є об'єкти, але немає адекватної техніки. До речі, перед учителями малювання іноді стоїть зворотна проблема – є техніка і важко з підбором об'єктів. Можливо, варто об'єднатися?

У 57-й московській школі, де я працюю, досить давно існує і продовжує розвиватись в даний час інтегрований курс біологічного малювання в середніх класах, у рамках якого працюють у парі вчителя біології та малювання. Нами було розроблено багато цікавих проектів. Результати їх неодноразово виставлялися у московських музеях – Зоологічному МДУ, Палеонтологічному, Дарвінівському на різних фестивалях дитячої творчості. Але головне – звичайні, не відібрані ні на художні, ні на біологічні класи, діти із задоволенням виконують ці проектні завдання, пишаються власними роботами і, як нам здається, починають вдивлятися у світ живого набагато пильніше і вдумливіше. Звичайно, не в кожній школі є можливість для спільної роботи вчителів біології та малювання, але частина наших знахідок, напевно, буде цікавою та корисною, навіть якщо ви працюєте тільки в рамках програми з біології.

Мотивація: спочатку емоції

Зрозуміло, ми малюємо для того, щоб краще вивчити та зрозуміти особливості будови, познайомитись із різноманітністю тих організмів, які ми вивчаємо на уроках. Але, хоч би яке завдання ви давали, пам'ятайте, що дітей цього віку дуже важливо перед початком роботи емоційно захопити красою та доцільністю об'єкта. Роботу над новим проектом ми намагаємося розпочати з яскравих вражень. Найкраще підходить для цього або короткий відеофрагмент або невелика (не більше 7–10!) добірка слайдів. Наші коментарі спрямовані на незвичність, красу, дивовижність об'єктів, навіть якщо це щось повсякденне: наприклад, зимові силуети дерев при вивченні розгалуження пагонів – вони можуть бути або заіндевілими і коралами, що нагадують, або підкреслено графічними – чорними на білому снігу. Таке введення не повинно бути тривалим – лише кілька хвилин, але воно дуже важливе для мотивації.

Хід роботи: аналітична побудова

Потім ви переходите до формулювання завдання. Тут важливо спочатку виділити ті особливості будови, які визначають вигляд об'єкта, та показати їхній біологічний зміст. Зрозуміло, все це необхідно виписати на дошці та записати у зошиті. Власне, саме тепер ви ставите перед учнями робоче завдання – побачити і відобразити.

А далі, другої половини дошки, ви розписуєте етапи побудови малюнка, доповнюючи їх схемами, тобто. викладаєте методику та порядок роботи. По суті, ви самі швидко виконуєте завдання на очах у дітей, зберігаючи на дошці весь ряд допоміжних і проміжних побудов.

На цьому етапі дуже добре показати дітям закінчені малюнки або художників, що зображували ті ж об'єкти, або успішні роботи попередніх школярів. Необхідно постійно наголошувати, що гарний і гарний біологічний малюнок по суті є дослідження – тобто. відповідь на питання про те, як влаштований об'єкт, а згодом навчити дітей самих формулювати ці питання.

Побудова малюнка – та дослідження об'єкта! - Ви починаєте з з'ясування його пропорцій: відношення довжини до ширини, частин до цілого, обов'язково задаючи досить жорстко формат малюнка. Саме формат автоматично визначить ступінь деталізації: на дрібному пропаде велика кількість деталей, великий вимагатиме насичення деталями і, отже, більшого часу на роботу. Продумайте заздалегідь, що вам важливіше у кожному даному випадку.

1) провести вісь симетрії;

2) побудувати дві пари симетричних прямокутників – для верхніх та нижніх крил (наприклад, бабки), визначивши спочатку їх пропорції;

3) вписати в ці прямокутники криві лінії крил

Мал. 1. 7-й клас. Тема «Загони комах». Туш, перо по олівцю, з атласу

(Пам'ятаю смішну, сумну та звичайну історію, що трапилася, коли я вперше проводила цю роботу. Хлопчик-семикласник спочатку зрозумів слово «вписати» як просто вмістити всередині і намалював криві кружечки всередині прямокутників – усі чотири різні! Потім, після моєї підказки, що вписати – означає торкнутися допоміжних ліній, він приніс метелика з прямокутними крилами, лише трохи згладженими по кутах.

4) ... Ця точка може розташовуватися всередині сторони або на відстані однієї третини від кута, і це теж треба визначити!

Зате як він був щасливий, коли його малюнок потрапив на шкільну виставку – вперше – вийшло! А я тепер усі етапи наших із ним мук промовляю в описі «Ходу роботи».

Подальша деталізація малюнка якраз і призводить до обговорення біологічного сенсу багатьох особливостей об'єкта. Продовжуючи приклад із крилами комах (рис. 2), ми обговорюємо, що таке жилки, як вони влаштовані, чому обов'язково зливаються в єдину мережу, чим характер жилкування відрізняється у комах різних систематичних груп (наприклад, у давньо- та новокрилих), чому крайня жилка передніх крил потовщена і т.п. І постарайтеся більшу частину своїх інструкцій дати у формі питань, на які дітям потрібно знайти відповіді.

Мал. 2. «Стрекоза та мурашиний лев». 7-й клас, тема «Загони комах». Туш, перо по олівцю, з атласу

До речі, постарайтеся підібрати більше об'єктів одного типу, надавши хлопцям можливість вибору. Після закінчення роботи клас побачить і біологічну різноманітність групи, і важливі загальні риси будови, і, нарешті, негаразд будуть важливі різні здібності до малювання в дітей віком.

На жаль, не завжди у розпорядженні шкільного вчителя перебуває достатня кількість різноманітних об'єктів однієї групи. Можливо, вам стане в нагоді наш досвід: при вивченні групи ми спочатку робимо фронтально малюнок легкодоступного об'єкта з натури, а потім індивідуально - малюнки різних об'єктів з фотографій або навіть з малюнків професійних художників.

Мал. 3. Креветка. 7-й клас, тема «Ракоподібні». Олівець, з натури

Наприклад, у темі «Ракоподібні» на лабораторній роботі «Зовнішня будова ракоподібного» ми всі спочатку малюємо креветок (замість раків), куплених замороженими у продовольчому магазині (мал. 3), а потім, після перегляду короткого відеофрагменту, індивідуально – різних планктонних личинок раку (рис. 4), зображених у «Життя тварин»: на великих (А3) листах, тонованих аквареллю в холоднуваті сірі, блакитні, зелені тони; крейдою або білою гуашшю, опрацьовуючи тонкі деталі тушшю та пером. (Пояснюючи, як передати прозорість планктонних рачків, можна запропонувати найпростішу модель – скляну банку із вкладеним у неї предметом.)

Мал. 4. Планктон. 7-й клас, тема «Ракоподібні». Тонований папір (формат А3), крейда або біла гуаш, чорна туш, з атласу

У 8-му класі, при вивченні риб, на лабораторній роботі «Зовнішня будова кісткової риби» малюємо спочатку звичайну воблу, а потім хлопці аквареллю малюють представників різних загонів риб з чудових кольорових таблиць «Промислові риби», які є у нас у школі.

Мал. 5. Скелет жаби. 8-й клас, тема "Амфібії". Олівець, з навчального препарату

Під час вивчення земноводних спочатку – лабораторна робота «Будова скелета жаби», малюнок у простому олівці (рис. 5). Потім, після перегляду короткого відеофрагменту, – акварельний малюнок різних екзотичних жаб – листолазів та ін.

При такій схемі досить нудні малюнки олівця одного і того ж об'єкта сприймаються як нормальний підготовчий етап до яскравих і індивідуальних робіт.

Важливо: техніка

Вибір техніки дуже важливий для успішного завершення роботи. У класичному варіанті треба взяти простий олівець і білий папір, але... . Наш досвід каже, що з погляду дітей такий малюнок виглядатиме незакінченим, вони залишаться незадоволеними роботою.

Тим часом досить олівцевий ескіз виконати в туші, та ще й взяти тонований папір (ми часто використовуємо кольоровий папір для принтерів) – і результат сприйматиметься зовсім інакше (рис. 6, 7). Відчуття незавершеності часто створює саме відсутність опрацьованого фону, і найпростіше вирішити цю проблему за допомогою тонованого паперу. Крім того, використовуючи звичайну крейду або білий олівець, можна практично миттєво досягти ефекту відблиску чи прозорості, що часто буває потрібно.

Мал. 6. Радіолярія. 7-й клас, тема «Найпростіші». Тонований папір (формат А3) для акварелі (з шорсткою фактурою), туш, пастель або крейда, з атласу

Мал. 7. Бджола. 7-й клас, тема «Загони комах». Туш, перо по олівцю, об'єм – пензлем та розбавленою тушшю, дрібні деталі пером, з атласу

Якщо організувати роботу з тушшю вам складно, використовуйте м'які чорні лайнери або ролери (на крайній край – гелеві ручки) – вони дають той самий ефект (рис. 8, 9). Використовуючи цю техніку, обов'язково покажіть, як багато інформації дає використання ліній різної товщини та натиску – і виділення найважливішого, й у створення ефекту обсягу (передній і задній план). Також можна використовувати помірну та легку штрихування.

Мал. 8. Овес. 6-й клас, тема «Різноманітність квіткових рослин, сімейство Злаки». Туш, тонований папір, з гербарію

Мал. 9. Хвощ та плаун. 6-й клас, тема «Спорові рослини». Туш, білий папір, з гербарію

Крім того, на відміну від класичних наукових малюнків, ми часто робимо кольорові роботи або використовуємо легке тонування для показу обсягу (рис. 10).

Мал. 10. Локтьовий суглоб. 9-й клас, тема "Опорно-рухова система". Олівець, з гіпсової допомоги

З кольорових технік ми перепробували багато - акварель, гуаш, пастель і зрештою зупинилися на м'яких кольорових олівцях, тільки обов'язково по шорсткому папері. Якщо ви вирішите випробувати цю техніку, потрібно мати на увазі кілька важливих нюансів.

1. Підберіть м'які якісні олівці хорошої фірми, наприклад «Кохінор», але не давайте дітям велику гаму кольорів (досить основних): у цьому випадку вони зазвичай намагаються підібрати готовий колір, що звичайно не вдається. Покажіть, як досягти правильного відтінку, змішуючи 2-3 кольори. Для цього необхідно працювати з палітрою – листком паперу, на якому вони підбирають потрібні поєднання та силу натиску.

2. Шорсткий папір сильно полегшить завдання використання слабкого та сильного кольору.

3. Легкі короткі штрихи повинні ліпити форму об'єкта: тобто. повторювати основні лінії (а не розфарбовувати, суперечать формі та контурам).

4. Потім потрібні завершальні соковиті та сильні штрихи, коли вірні кольори вже підібрані. Часто варто додати відблиски, що дуже пожвавить малюнок. Найпростіше - використовувати для цього звичайну крейду (на тонованому папері) або пройтися м'якою гумкою (на білому). До речі, якщо ви використовуєте сипучу техніку – крейду чи пастель – можна потім закріпити роботу лаком для волосся.

При освоєнні цієї техніки ви зможете її використовувати і в природі, за браком часу, буквально «на коліні» (тільки не забудьте про планшети – достатньо шматка пакувального картону!).

І, звичайно, для успішності роботи ми обов'язково влаштовуємо виставки – іноді в класі, іноді в коридорах школи. Досить часто до виставки присвячені дитячі доповіді з тієї ж тематики – як усні, так і письмові. Загалом такий проект залишає у вас та у дітей відчуття великої та красивої роботи, до якої варто готуватися. Напевно, при контакті та взаємної зацікавленості з учителем малювання можна розпочинати роботу на уроках біології: аналітичний підготовчий етап вивчення об'єкта, створення олівцевого ескізу, а закінчувати її в обраній вами спільно техніці – на його уроках.

Ось приклад. Ботаніка, тема «Втеча – нирка, розгалуження, будова втечі». Гілка з нирками – крупно на передньому плані, на задньому – силуети дерев або чагарників на тлі білого снігу та чорного неба. Техніка – чорна туш, білий папір. Гілки – з натури, силуети дерев – з фотографій чи книжкових малюнків. Назва - "Дерева взимку", або "Зимовий пейзаж".

Інший приклад. Під час вивчення теми «Загони комах» ми виконуємо невелику за часом роботу «Форма та об'єм жуків». Будь-яка техніка, що передає світлотіні та відблиски (акварель, туш з водою, кисть), – але монохромна, щоб не відволікатися від розгляду та зображення форми (рис. 11). Деталі краще пропрацювати пером або гелевою ручкою (якщо скористатися лупою – лапки та голова вийдуть краще).

Мал. 11. Жуки. Туш, перо по олівцю, об'єм – пензлем та розбавленою тушшю, дрібні деталі пером, з атласу

Достатньо 1–2 гарних робіт у чверті – і малювання живого радуватиме всіх учасників цього нелегкого процесу.

Цілі

• Навчальні: продовжити формування знань про біологію, як науку; дати поняття про основні розділи біології та досліджувані ними об'єкти;
• Розвиваючі: - формувати навички роботи з літературними джерелами, формування умінь проводити аналітичні зв'язки;
• Виховні: розширити світогляд, формувати цілісне сприйняття світу.

Завдання

1. Розкрити роль біології серед інших наук.
2. Розкрити зв'язок біології коїться з іншими науками.
3. Визначити, що вивчають різноманітні розділи біології.
4. Визначити роль біології у житті людини .
5. Почерпнути цікаві факти щодо теми з відеороликів, представлених в уроці.

Терміни та поняття

• Біологія - це комплекс наук, об'єктами вивчення якого є живі істоти та їх взаємодія з навколишнім середовищем.
• Життя – це активна форма існування матерії, у сенсі вища проти її фізичної і хімічної формами існування; сукупність фізичних і хімічних процесів, які у клітині, дозволяють здійснювати обмін речовин та її розподіл.
• Наука- Це сфера людської діяльності, спрямована на вироблення та теоретичну систематизацію об'єктивних знань про дійсності.

Хід уроку

Актуалізація знань

Згадайте, що вивчає біологію.
Назвіть відомі розділи біології.
Знайдіть правильну відповідь:
1. Ботаніка вивчає:
а) рослини
Б) тварин
В) тільки водорості
2. Вивчення грибів відбувається у рамках:
А) ботаніки;
б) вірусології;
в) мікології.
3. У біології виділяють кілька царств, саме:
А) 4
Б) 5
О 7
4. Людина належить у біології до:
А) Царству Тварини
Б) Підкласу Ссавці;
В) Роду Людина Розумна.

За допомогою малюнка 1 згадайте, скільки царств виділяють у біології:

Мал. 1 Царства живих організмів

Вивчення нового матеріалу

Вперше термін «біологія» 1797 року запропонував німецький професор Т. Рузом. Але активно використовуватися він почав лише 1802 року, після вживання цього терміна Ж-Б. Ламарком у своїх роботах.

Сьогодні біологія – це комплекс наук, що утворюють самостійні наукові дисципліни, які займаються певними об'єктами дослідження.

Серед «відгалужень» біології можна назвати такі науки, як:
- ботаніка - наука, що вивчає рослини та її підрозділи: мікологія, ліхенологія, бриологія, геоботаніка, палеоботаніка;
- зоологія– наука, що вивчає тварин, та її підрозділи: іхтіологія, арахнологія, орнітологія, етологія;
- екологія – наука, про взаємозв'язок живих організмів із зовнішнім середовищем;
- анатомія - наука про внутрішню будову всього живого;
- морфологія - наука, що вивчає зовнішню будову живих організмів;
- Цитологія - наука, що займається вивченням клітини;
- а також гістологія, генетика, фізіологія, мікробіологія та інші.

Загалом побачити сукупність біологічних наук Ви можете побачити на малюнку 2:

Мал. 2 Біологічні науки

При цьому виділяють ще цілу низку наук, які утворилися внаслідок тісної взаємодії біології з іншими науками, і називаються вони інтегрованими. До таких наук можна сміливо віднести: біохімію, біофізику, біогеографію, біотехніку, радіобіологію, космічну біологію та інші. На малюнку 3 відображено основні інтегральні з біологією науки

Мал. 3. Інтегральні біологічні науки

Знання біології є важливими для людини.
Завдання 1: Спробуйте самі сформулювати, у чому важливість біологічних знань для людини?
Завдання 2: Перегляньте наступне відео про еволюцію і визначте, знання яких біологічних наук були потрібні для його створення

А тепер пригадаємо, які саме знання і в чому потрібні людині:
- визначення різних захворювань організму. Їх лікування та профілактики необхідні знання про організм людини, а значить знання з: анатомії, фізіології, генетики, цитології. Завдяки досягненням біології у промисловості стали виробляти медичні препарати, вітаміни, біологічно активні речовини;

У харчовій промисловості потрібно знати ботаніку, біохімію, фізіологію людини;
- у сільському господарстві необхідні знання ботаніки та біохімії. Завдяки вивченню взаємовідносин між рослинними та тваринними організмами стало можливим створювати біологічні методи боротьби зі шкідниками сільськогосподарських культур. Наприклад, комплекс знань ботаніки та зоології проявляється у сільському господарстві, і це можна побачити у короткому відеоролику

І це лише короткий список «корисної ролі біологічних знань» у житті.
Більше зрозуміти роль біології у житті Вам допоможе наступний відеоролик

Вилучити знання біології з обов'язкових неможливо, адже біологія вивчає наше життя, біологія дає знання, що використовуються в більшості сфер життєдіяльності людини.

3. Поясніть, чому сучасну біологію називають комплексною наукою.

Закріплення знань

1. Що таке біологія?
2. Назвіть підрозділи ботаніки.
3. Яка роль знань з анатомії у житті людини?
4. Знання яких наук необхідні медицини?
5. Хто вперше виділив поняття біологія?
6. Подивіться малюнок 4 і визначте, яка наука займається вивченням зображеного об'єкта:

Рис.4. Яка наука вивчає цей об'єкт

7. Вивчіть малюнок 5, назвіть усі живі організми та науку, що її вивчає

Мал. 5. Живі організми

Домашнє завдання

1. Обробіть матеріал підручника – параграф 1
2. Запишіть у зошит та вивчіть терміни: біологія, життя, наука.
3. Запишіть у зошит усі розділи та підрозділи біології, як науки, коротко характеризуйте їх.

Нещодавно була виявлена ​​безока риба Phreatichthys andruzzii, що живе в підземних печерах, у якої внутрішній годинник налаштований не на 24 (як у решти тварин), а на 47 годин. Винна в цьому мутація, яка відключила всі світлочутливі рецептори на тілі цих риб.

Загальна кількість біологічних видів, що мешкають нашій планеті, оцінюється вченими в 8,7 млн., а відкрито і класифіковано їх нині трохи більше 20% від цього числа.

У водах Антарктики мешкають крижані риби, чи білокровки. Це єдиний вид хребетних, у крові які немає еритроцитів і гемоглобіну - тому кров крижаних риб безбарвна. Їхній метаболізм заснований тільки на кисні, розчиненому безпосередньо в крові.

Слово «ублюдок» походить від дієслова «блудити» і спочатку означало лише незаконнонародженого нащадка чистокровної тварини. Згодом у біології це слово було витіснене терміном «гібрид», зате стало лайливим щодо людей.

Список використаних джерел

1. Урок «Біологія – наука про життя» Константинова Є. А., вчитель біології ЗОШ № 3 м. Тверь
2. Урок «Вступ. Біологія - наука про життя »Тіторов Ю.І., вчитель біології, директор КЛ м. Кемерів.
3. Урок «Біологія – наука про життя» Нікітіна О.В., учитель біології МОУ «ЗОШ № 8 м. Череповець.
4. Захаров В.Б., Козлова Т.А., Мамонтов С.Г. «Біологія» (4-те видання) – Л.: Академія, 2011. – 512с.
5. Матяш Н.Ю., Шабатура Н.М. Біологія 9 клас-К.: Генеза, 2009. – 253с.

Відредаговано та надіслано Борисенка І.М.

Над уроком працювали

Борисенко І.М.

Константінова Є.А.

Титорова Ю.І.

Нікітіна О.В.