Использование метода моделирования в биологии

Метод моделирования в биологии — в чем суть

Биология зародилась изначально как описательная наука. Со временем арсенал методов расширялся. В современной биологии используют 5 основных методов.

1. Описание объектов и явлений, выявление их свойств.
2. Сравнение — одновременное сопоставление объектов и явлений, выявление их сходств и различий.
3. Сравнительно-исторический — сопоставление объектов и явлений из разных временных периодов, установление недоступных наблюдению взаимосвязей.
4. Эксперимент — целенаправленное создание ситуации для изучения явления.
5. Моделирование.

Изучение такой упрощенной системы позволяет получить информацию о другой, более сложной реальной системе. В этом изучении и состоит суть моделирования — процесса построения моделей для исследования.

Для чего и в каких случаях используется

Моделирование применяется для изучения абсолютно разных биологических феноменов. Поскольку системы природного мира зачастую являются сложными структурно-функциональными единицами, изучать их с помощью большинства обычных методов довольно тяжело.

С помощью упрощенных моделей можно изучать:

• объекты: клетки и их составляющие, ткани, органы и системы органов, организмы, сообщества, биосферу, космические объекты и т. д;
• явления: сезонные явления природы, особенности поведения животных, корневое давление и т. д.;
• процессы: происходящие в отдельных клетках, процессы жизнедеятельности, разложение и т. д.

Моделирование имеет ряд преимуществ перед другими методами, используемыми в биологии как науке. Она дает ряд возможностей:

1. Сохранять и передавать информацию об объекте наблюдения: репортаж, рисунок, фотографию или копию предмета.
2. Предугадать и наглядно показать, как будет выглядеть объект, которого еще нет, или который еще не удалось обнаружить. К примеру, методом моделирования пользовались физики, предугадывая свойства бозона Хиггса до его открытия.
3. Изучить предмет, которого уже не существует. Например, большинство знаний о динозаврах и живых существах тех времен основаны на изучении останков и окаменелостей. Используя их, были выстроены модели доисторических животных.
4. Изучить характеристики объекта, работа с которым опасна — например, из-за радиоактивности.
5. Узнать свойства конкретного объекта сложной структуры. Так, можно изучать строение сердца на модели отдельно от других систем организма.
6. Исследовать свойства объекта, который слишком велик или мал: Солнечная система или атом.
7. Изучить процесс, который протекает очень быстро или медленно: геологические модели, модель движения частиц воздуха.
8. Избежать реального вмешательства в систему, которое может повлиять на результаты исследования, а также эффекта наблюдателя.
9. Некоторые эксперименты невозможно проводить по этическим соображениям, но их можно провести на модели.

Основы моделирования биологических процессов и систем

Чтобы модель действительно отображала свойства отображаемого объекта или явления и могла рассматриваться как научный метод, необходимо правильно составить ее. Упрощенно алгоритм можно представить следующим образом.

1. Определить и описать цель моделирования: объект, задачи, требования к качеству, критерии оценки.
2. Проанализировать свойства объекта-прототипа, выделить из них существенные.
3. Выбрать вид модели.
4. Построить модель.
5. Исследовать модель.
6. Сделать выводы на основе моделирования, выявить свойства, присущие объекту-прототипу.

Какие виды моделей применяются

Модели в целом можно разделить на две большие категории:

• материальные или предметные: анатомические муляжи, вещественные макеты;
• информационные:
  • образные: рисунки и чертежи;
  • знаковые: словесные описания, формулы;
  • смешанные: таблицы, графики, схемы, диаграммы, блок-схемы и т. д.

Можно также выделить 2 разновидности моделей, в зависимости от фактора времени:

• статические;
• динамические.

Основных типов моделей в биологии 3:

• биологические;
• физико-химические;
• математические и компьютерные.

В биологических моделях используют настоящих животных. На них ученые изучают различные состояния, в т. ч. болезни, встречающиеся как у этого вида животных, так и у человека.

Ученые искусственно вызывают генетические или приобретенные нарушения, чтобы отследить их причины и динамику развития, а также найти способ справиться с ними. Для этого к животным могут подсадить микробов, ввести токсины, изменить работу органов и систем органов, поменять рацион или поместить в искусственную среду обитания.

Такие модели широко распространены в генетике, физиологии и фармакологии.

Сущность физико-химических моделей в том, что они воспроизводят структуру биологических структур или процессов. Это напоминает наблюдение за естественным явлением, но смоделированное. К примеру, немецкий ученый М. Траубе в XIX веке сымитировал рост живой клетки. Современные модели нервной деятельности основаны в основном на принципах электроники и электротехники.

Некоторые растворы (к примеру, растворы Рингера, Тироде, Локка и др.) состоят из органических и неорганических веществ и имитируют внутреннюю среду живого организма.

С развитием IT-технологий большую роль отводят компьютерным моделям. Их возможно применить почти во всех сферах биологии. С помощью компьютерного анализа можно проанализировать исходные данные, в том числе изображения, и получить на выходе необходимые свойства, предсказание явления или поведения объекта.

Компьютерные модели работают как виртуальные эксперименты, в которых исследователь контролирует каждую переменную и фактор воздействия. Это дает виртуальным экспериментам преимущество перед реальными, в которых многие факторы неподконтрольны ученым, а также позволяет рассмотреть тщательно процесс, вне зависимости от времени его протекания в реальной жизни.

Метод моделирования как средство достижения метапредметных результатов

Моделирование в процессе обучения способно не только облегчить понимание биологических процессов, но и развить метапредметные навыки.

Когда обучающийся сам составляет модель, он проходит через все этапы алгоритма. Информация собирается, анализируется и обобщается, прежде чем воплотиться в модель. Такой интерактивный способ способствует лучшему усвоению материала.

Таким образом, применение моделей в обучении позволяет:

• получить комплексное целостное представление об объекте, явлении или процессе;
• провести логическую связь между предыдущими и последующими темами;
• выяснить закономерности между частными понятиями внутри общих;
• систематизировать и структурировать полученные знания, навыки и умения;
• связать навыки, полученные на одном предмете, с другими: обществознанием, физикой, химией и т. д.