Vědy o živé přírodě sledují cestu od velkých k malým. Nedávno biologie popisovala výhradně vnější rysy zvířat, rostlin a bakterií. Molekulární biologie studuje živé organismy na úrovni interakcí jednotlivých molekul. Strukturní biologie - studuje procesy v buňkách na atomární úrovni. Pokud se chcete naučit, jak „vidět“ jednotlivé atomy, jak funguje a „žije“ strukturní biologie a jaké nástroje používá, toto je místo pro vás!

Generálním partnerem cyklu je společnost: největší dodavatel zařízení, činidel a spotřebního materiálu pro biologický výzkum a výrobu.

Jedním z hlavních poslání Biomolecules je dostat se k samotným kořenům. Neřekneme vám jen, jaká nová fakta výzkumníci objevili – mluvíme o tom, jak je objevili, snažíme se vysvětlit principy biologických technik. Jak vyjmout gen z jednoho organismu a vložit jej do jiného? Jak můžete sledovat osud několika malých molekul v obrovské buňce? Jak vybudit jednu malinkou skupinu neuronů v obrovském mozku?

A tak jsme se rozhodli hovořit o laboratorních metodách systematičtěji, abychom v jedné sekci shromáždili ty nejdůležitější, nejmodernější biologické techniky. Aby to bylo zajímavější a přehlednější, články jsme silně ilustrovali a sem tam dokonce přidali animaci. Chceme, aby články v nové rubrice byly zajímavé a srozumitelné i pro náhodného kolemjdoucího. A na druhou stranu by měly být tak detailní, aby v nich mohl objevit něco nového i profesionál. Metody jsme shromáždili do 12 velkých skupin a na jejich základě vytvoříme biometodický kalendář. Zůstaňte naladěni na aktualizace!

Proč je potřeba strukturní biologie?

Jak víte, biologie je věda o životě. Objevil se na samém počátku 19. století a prvních sto let své existence byl čistě popisný. Za hlavní úkol biologie v té době bylo považováno najít a charakterizovat co nejvíce druhů různých živých organismů a o něco později - identifikovat rodinné vztahy mezi nimi. Postupem času a s rozvojem dalších vědních oborů vzniklo z biologie několik oborů s předponou „molekulární“: molekulární genetika, molekulární biologie a biochemie – vědy, které studují živé věci na úrovni jednotlivých molekul, nikoli na úrovni vzhled organismu nebo jeho relativní polohy vnitřní orgány. Konečně docela nedávno (v 50. letech minulého století) takový obor poznání jako strukturální biologie- věda studující procesy v živých organismech na úrovni změn prostorová struktura jednotlivé makromolekuly. Strukturní biologie je v podstatě na průsečíku tří různých věd. Za prvé je to biologie, protože věda studuje živé objekty, za druhé fyzika, protože se používá nejširší arzenál fyzikálních experimentálních metod, a zatřetí chemie, protože změna struktury molekul je předmětem této konkrétní disciplíny.

Strukturní biologie studuje dvě hlavní třídy sloučenin – proteiny (hlavní „pracovní tělo“ všech známých organismů) a nukleové kyseliny (hlavní „informační“ molekuly). Díky strukturní biologii víme, že DNA má strukturu dvojité šroubovice, že tRNA by měla být zobrazena jako staré písmeno „L“ a že ribozom má velkou a malou podjednotku sestávající z proteinů a RNA ve specifické konformaci.

Globální cíl strukturální biologie, stejně jako jakákoli jiná věda, je „pochopit, jak všechno funguje“. V jaké formě je složený řetězec proteinu, který způsobuje dělení buněk, jak se mění obal enzymu během chemického procesu, který provádí, na jakých místech interaguje růstový hormon a jeho receptor – to jsou otázky, které tento věda odpovídá. Samostatným cílem je navíc nashromáždit takový objem dat, že tyto otázky (na dosud neprozkoumaném objektu) lze zodpovědět na počítači, aniž by se musely uchylovat k drahému experimentu.

Musíte například pochopit, jak funguje bioluminiscenční systém u červů nebo hub – rozluštili genom, na základě těchto údajů našli požadovaný protein a předpověděli jeho prostorovou strukturu spolu s mechanismem fungování. Je však třeba si uvědomit, že takové metody zatím existují pouze v plenkách a je stále nemožné přesně předpovědět strukturu proteinu, který má pouze svůj gen. Na druhou stranu mají výsledky strukturální biologie uplatnění v medicíně. Jak mnozí výzkumníci doufají, znalosti o struktuře biomolekul a mechanismech jejich práce umožní vývoj nových léků na racionálním základě, a nikoli metodou pokusů a omylů (přísně vzato, vysoce výkonným screeningem), jak se to nejčastěji provádí teď. A to není sci-fi: existuje již mnoho léků vytvořených nebo optimalizovaných pomocí strukturální biologie.

Historie strukturální biologie

Historie strukturní biologie (obr. 1) je poměrně krátká a začíná počátkem 50. let, kdy James Watson a Francis Crick na základě dat Rosalind Franklinové o rentgenové difrakci na krystalech DNA sestavili model dnes již dobře- známá dvoušroubovice z historické stavebnice. O něco dříve Linus Pauling sestrojil první věrohodný model -helixu, jednoho ze základních prvků sekundární struktury proteinů (obr. 2).

O pět let později, v roce 1958, byla určena první proteinová struktura na světě – myoglobin (protein svalových vláken) vorvaně (obr. 3). Vypadalo to samozřejmě ne tak krásně jako moderní stavby, ale byl to významný milník ve vývoji moderní vědy.

Obrázek 3b. První prostorová struktura molekuly proteinu. John Kendrew a Max Perutz demonstrují prostorovou strukturu myoglobinu, sestavenou ze speciální stavebnice.

O deset let později, v letech 1984–1985, byly nukleární magnetickou rezonanční spektroskopií určeny první struktury. Od té doby došlo k několika zásadním objevům: v roce 1985 byla získána struktura prvního komplexu enzymu s jeho inhibitorem, v roce 1994 struktura ATP syntázy, hlavního „stroje“ elektráren našich buněk ( mitochondrie), byla stanovena a již v roce 2000 byla získána první prostorová struktura „továrny“ proteinů – ribozomy, skládající se z proteinů a RNA (obr. 6). Ve 21. století vývoj strukturální biologie pokročil mílovými kroky, doprovázený explozivním růstem počtu prostorových struktur. Byly získány struktury mnoha tříd proteinů: hormonální a cytokinové receptory, receptory spřažené s G-proteiny, toll-like receptory, proteiny imunitní systém a mnoho dalších.

S příchodem nových zobrazovacích a zobrazovacích technologií pomocí kryoelektronové mikroskopie v roce 2010 se objevilo mnoho složitých superrozlišovacích struktur membránových proteinů. Pokrok strukturální biologie nezůstal bez povšimnutí: za objevy v této oblasti bylo uděleno 14 Nobelových cen, z toho pět v 21. století.

Metody strukturní biologie

Výzkum v oblasti strukturní biologie je prováděn několika fyzikálními metodami, z nichž pouze tři umožňují získat prostorové struktury biomolekul v atomárním rozlišení. Metody strukturní biologie jsou založeny na měření interakce zkoušené látky s různé typy elektromagnetické vlny nebo elementární částice. Všechny metody vyžadují značné finanční prostředky - náklady na vybavení jsou často úžasné.

Historicky první metodou strukturní biologie je rentgenová difrakční analýza (XRD) (obr. 7). Ještě na počátku 20. století bylo zjištěno, že pomocí rentgenového difrakčního obrazce na krystalech lze studovat jejich vlastnosti – typ symetrie buňky, délku vazeb mezi atomy atd. Pokud existují organické sloučeniny v buňkách krystalové mřížky pak lze vypočítat souřadnice atomů a tím i chemickou a prostorovou strukturu těchto molekul. Přesně tak byla získána struktura penicilinu v roce 1949 a v roce 1953 - struktura dvojité šroubovice DNA.

Zdá se, že vše je jednoduché, ale existují nuance.

Nejprve je potřeba krystaly nějak získat a jejich velikost musí být dostatečně velká (obr. 8). Zatímco u nepříliš složitých molekul je to proveditelné (vzpomeňte si, jak krystalizuje kuchyňská sůl nebo síran měďnatý!), krystalizace proteinů je složitý úkol, který vyžaduje nesrozumitelný postup pro nalezení optimálních podmínek. Nyní se to děje pomocí speciálních robotů, které připravují a monitorují stovky různých řešení při hledání „naklíčených“ proteinových krystalů. V počátcích krystalografie však získání proteinového krystalu mohlo trvat roky drahocenného času.

Za druhé, na základě získaných dat („surové“ difrakční obrazce; obr. 8) je potřeba „vypočítat“ strukturu. V dnešní době je to také rutinní úkol, ale před 60 lety, v době lampové techniky a děrných štítků, to zdaleka tak jednoduché nebylo.

Za třetí, i kdyby bylo možné vypěstovat krystal, není vůbec nutné, aby byla určena prostorová struktura proteinu: k tomu musí mít protein stejnou strukturu na všech místech mřížky, což není vždy případ. .

A za čtvrté, krystal má daleko k přirozenému stavu bílkovin. Studovat proteiny v krystalech je jako studovat lidi tak, že jich deset nacpete do malé zakouřené kuchyně: můžete zjistit, že lidé mají ruce, nohy a hlavu, ale jejich chování nemusí být úplně stejné jako v příjemném prostředí. Rentgenová difrakce je však nejběžnější metodou pro určování prostorových struktur a touto metodou se získá 90 % obsahu PDB.

SAR vyžaduje výkonné zdroje rentgenového záření – urychlovače elektronů nebo lasery s volnými elektrony (obr. 9). Takové zdroje jsou drahé – několik miliard amerických dolarů – ale obvykle jeden zdroj používají stovky nebo dokonce tisíce skupin po celém světě za poměrně nominální poplatek. Výkonné zdroje u nás nejsou, a tak většina vědců jezdí z Ruska do USA nebo Evropy, aby výsledné krystaly analyzovali. Více o těchto romantických studiích si můžete přečíst v článku “ Laboratoř pokročilého výzkumu membránových proteinů: Od genu k Angstromu» .

Jak již bylo zmíněno, rentgenová difrakční analýza vyžaduje výkonný zdroj rentgenového záření. Čím silnější je zdroj, tím menší mohou být krystaly a tím méně bolesti budou muset biologové a genetickí inženýři vytrpět ve snaze získat nešťastné krystaly. Rentgenové záření se nejsnáze vyrábí urychlením svazku elektronů v synchrotronech nebo cyklotronech – obřích prstencových urychlovačích. Když elektron zažije zrychlení, vysílá elektromagnetické vlny v požadovaném frekvenčním rozsahu. V poslední době se objevily nové ultravýkonné zdroje záření – lasery s volnými elektrony (XFEL).

Princip činnosti laseru je poměrně jednoduchý (obr. 9). Nejprve jsou elektrony urychlovány na vysoké energie pomocí supravodivých magnetů (délka urychlovače 1–2 km) a poté procházejí tzv. undulátory – soubory magnetů různé polarity.

Obrázek 9. Princip činnosti laseru s volnými elektrony. Elektronový paprsek je urychlován, prochází undulátorem a emituje gama paprsky, které dopadají na biologické vzorky.

Elektrony se při průchodu undulátorem začnou periodicky odchylovat od směru paprsku, přičemž dochází ke zrychlení a vyzařování rentgenového záření. Vzhledem k tomu, že se všechny elektrony pohybují stejným způsobem, je záření zesíleno tím, že ostatní elektrony ve svazku začnou pohlcovat a znovu vysílat rentgenové vlny stejné frekvence. Všechny elektrony vyzařují záření synchronně ve formě ultrasilného a velmi krátkého záblesku (trvajícího méně než 100 femtosekund). Síla rentgenového paprsku je tak vysoká, že jeden krátký záblesk promění malý krystal v plazmu (obr. 10), ale za těch pár femtosekund, kdy je krystal neporušený, lze díky vysoké intenzitě získat snímky nejvyšší kvality. a koherence paprsku. Náklady na takový laser jsou 1,5 miliardy dolarů a na světě existují pouze čtyři takové instalace (nacházejí se v USA (obr. 11), Japonsku, Koreji a Švýcarsku). V roce 2017 se plánuje zprovoznění pátého – evropského – laseru, na jehož výstavbě se podílelo i Rusko.

Obrázek 10. Přeměna proteinů na plazmu za 50 fs pod vlivem laserového pulzu volných elektronů. Femtosekunda = 1/1000000000000000 sekundy.

Pomocí NMR spektroskopie bylo určeno asi 10 % prostorových struktur v PDB. V Rusku existuje několik ultravýkonných citlivých NMR spektrometrů, které provádějí prvotřídní práci. Největší NMR laboratoř nejen v Rusku, ale v celém prostoru východně od Prahy a západně od Soulu se nachází v Ústavu bioorganické chemie Ruské akademie věd (Moskva).

NMR spektrometr je nádherným příkladem triumfu technologie nad inteligencí. Jak jsme již zmínili, pro použití metody NMR spektroskopie je potřeba silné magnetické pole, proto je srdcem zařízení supravodivý magnet - cívka ze speciální slitiny ponořená do kapalného helia (−269 °C). K dosažení supravodivosti je potřeba kapalné helium. Aby se zabránilo vypařování helia, je kolem něj postavena obrovská nádrž kapalného dusíku (−196 °C). Přestože jde o elektromagnet, nespotřebovává elektřinu: supravodivá cívka nemá odpor. Magnet však musí být neustále „napájen“ kapalným héliem a kapalným dusíkem (obr. 15). Pokud nebudete sledovat, dojde k „uhasení“: cívka se zahřeje, helium se explozivně odpaří a zařízení se rozbije ( cm. video). Důležité také je, že pole v 5 cm dlouhém vzorku je extrémně rovnoměrné, takže zařízení obsahuje několik desítek malých magnetů potřebných k jemnému doladění magnetického pole.

Video. Plánované zhášení NMR spektrometru 21,14 Tesla.

K provádění měření potřebujete senzor – speciální cívku, která generuje elektromagnetické záření a zároveň registruje „reverzní“ signál – oscilaci magnetického momentu vzorku. Pro 2–4násobné zvýšení citlivosti je snímač ochlazen na teplotu −200 °C, čímž se eliminuje tepelný šum. K tomu staví speciální vůz- kryoplatforma, která chladí helium na požadovanou teplotu a pumpuje ho vedle detektoru.

Existuje celá skupina metod, které spoléhají na fenomén rozptylu světla, rentgenové záření nebo neutronový paprsek. Tyto metody založené na intenzitě záření/rozptylu částic pod různými úhly umožňují určit velikost a tvar molekul v roztoku (obr. 16). Rozptyl nemůže určit strukturu molekuly, ale může být použit jako pomůcka pro jinou metodu, jako je NMR spektroskopie. Přístroje na měření rozptylu světla jsou relativně levné, stojí „jen“ asi 100 000 dolarů, zatímco jiné metody vyžadují mít po ruce urychlovač částic, který dokáže vytvořit svazek neutronů nebo silný proud rentgenového záření.

Další metodou, kterou nelze určit strukturu, ale lze získat některá důležitá data, je přenos rezonanční fluorescenční energie(FRET). Metoda využívá fenoménu fluorescence – schopnosti některých látek absorbovat světlo jedné vlnové délky a zároveň vyzařovat světlo jiné vlnové délky. Můžete vybrat dvojici sloučenin, z nichž pro jednu (donor) bude světlo emitované během fluorescence odpovídat charakteristické vlnové délce absorbce druhé (akceptoru). Ozařte dárce laserem požadované vlnové délky a změřte fluorescenci akceptoru. Účinek FRET závisí na vzdálenosti mezi molekulami, takže pokud zavedete fluorescenční donor a akceptor do molekul dvou proteinů nebo různých domén (strukturních jednotek) stejného proteinu, můžete studovat interakce mezi proteiny nebo relativní polohy domén v protein. Registrace probíhá pomocí optického mikroskopu, takže FRET je levná, i když málo vypovídající metoda, jejíž použití je spojeno s obtížemi při interpretaci dat.

Nakonec nelze nezmínit „metodu snů“ strukturálních biologů – počítačové modelování (obr. 17). Myšlenkou metody je využít moderní poznatky o struktuře a zákonitostech chování molekul k simulaci chování proteinu v počítačovém modelu. Například pomocí metody molekulární dynamiky můžete v reálném čase sledovat pohyby molekuly nebo proces „skládání“ proteinu (skládání) s jedním „ale“: maximální doba, kterou lze vypočítat, nepřesahuje 1 ms. , který je extrémně krátký, ale zároveň vyžaduje kolosální výpočetní zdroje (obr. 18). Chování systému je možné zkoumat v delším časovém období, ale toho je dosaženo na úkor nepřijatelné ztráty přesnosti.

Počítačové modelování se aktivně využívá k analýze prostorových struktur proteinů. Pomocí dokování hledají potenciální léky, které mají vysokou tendenci interagovat s cílovým proteinem. V tuto chvíli je přesnost předpovědí stále nízká, ale dokování může výrazně zúžit okruh potenciálně účinných látek, které je potřeba otestovat pro vývoj nového léku.

Hlavní oblastí praktického uplatnění výsledků strukturální biologie je vývoj léčiv nebo, jak se dnes v módě říká, drag design. Existují dva způsoby, jak navrhnout lék na základě strukturálních dat: můžete začít od ligandu nebo od cílového proteinu. Pokud je již známo několik léků působících na cílový protein a byly získány struktury komplexů protein-lék, můžete vytvořit model „ideálního léku“ v souladu s vlastnostmi vazebné „kapsy“ na povrchu proteinovou molekulu, identifikovat potřebné vlastnosti potenciálního léku a hledat mezi všemi známými přírodními i méně známými sloučeninami. Je dokonce možné vytvořit vztahy mezi strukturními vlastnostmi léčiva a jeho aktivitou. Pokud má například molekula navrchu oblouk, pak je její aktivita vyšší než aktivita molekuly bez oblouku. A čím více je luk nabitý, tím lépe lék funguje. To znamená, že ze všech známých molekul musíte najít sloučeninu s největším nabitým obloukem.

Dalším způsobem je použít strukturu cíle k vyhledání na počítači sloučenin, které jsou potenciálně schopné s ním interagovat na správném místě. V tomto případě se obvykle používá knihovna fragmentů - malých kousků látek. Pokud najdete několik dobrých úlomků, které interagují s cílem na různých místech, ale blízko sebe, můžete z úlomků sestavit lék tak, že je „spojíte“. Existuje mnoho příkladů úspěšného vývoje léků pomocí strukturální biologie. První úspěšný případ se datuje do roku 1995: tehdy byl schválen k použití dorzolamid, lék na glaukom.

Obecný trend biologického výzkumu se stále více přiklání nejen ke kvalitativnímu, ale i kvantitativnímu popisu přírody. Strukturní biologie je toho zářným příkladem. A jsou všechny důvody se domnívat, že bude i nadále přínosem nejen pro základní vědu, ale také pro medicínu a biotechnologie.

Kalendář

Na základě článků speciálního projektu jsme se rozhodli vytvořit kalendář „12 metod biologie“ na rok 2019. Tento článek představuje březen.

Literatura

1. Bioluminiscence: Znovuzrození;
2. Triumf počítačových metod: predikce struktury proteinů;
3. Heping Zheng, Katarzyna B Handing, Matthew D Zimmerman, Ivan G Shabalin, Steven C Almo, Wladek Minor. (2015).

Biologie- věda o živé přírodě.

Biologie studuje rozmanitost živých bytostí, stavbu jejich těl a fungování jejich orgánů, rozmnožování a vývoj organismů a také vliv člověka na živou přírodu.

Název této vědy pochází ze dvou řeckých slov „ bios" - "život" a " logo"-"věda, slovo."

Jedním ze zakladatelů vědy o živých organismech byl velký starověký řecký vědec (384 - 322 př.nl). Byl prvním, kdo zobecnil biologické znalosti, které před ním lidstvo nabylo. Vědec navrhl první klasifikaci zvířat, kombinující živé organismy podobné struktury do skupin a určil místo pro lidi v ní.

Následně mnoho vědců, kteří studovali různé typyživé organismy obývající naši planetu.

Rodina biologických věd

Biologie je věda o přírodě. Oblast výzkumu biologů je obrovská: zahrnuje různé mikroorganismy, rostliny, houby, zvířata (včetně člověka), strukturu a fungování organismů atd.

Tedy, biologie není jen věda, ale celá rodina sestávající z mnoha samostatných věd.

Prozkoumejte interaktivní diagram o rodině biologických věd a zjistěte, co studují různá odvětví biologie.

Anatomie- nauka o podobě a stavbě jednotlivých orgánů, soustav a těla jako celku.

Fyziologie- nauka o životních funkcích organismů, jejich systémech, orgánech a tkáních a o procesech probíhajících v těle.

Cytologie- nauka o stavbě a fungování buněk.

Zoologie - věda, která studuje zvířata.

Sekce zoologie:

• Entomologie je věda o hmyzu.

Je v ní několik sekcí: koleopterologie (studuje brouky), lepidopterologie (studuje motýly), myrmekologie (studuje mravence).

• Ichtyologie je věda o rybách.
• Ornitologie je věda o ptácích.
• Teriologie je věda o savcích.

Botanika - věda, která studuje rostliny.

Mykologie- věda, která studuje houby.

Protistologie - věda, která studuje prvoky.

Virologie - věda, která studuje viry.

Bakteriologie - věda, která studuje bakterie.

Smysl biologie

Biologie úzce souvisí s mnoha aspekty lidské praktické činnosti – zemědělství, různá průmyslová odvětví, lékařství.

Úspěšný rozvoj zemědělství dnes do značné míry závisí na biologech-chovatelích podílejících se na zlepšování stávajících a vytváření nových odrůd kulturních rostlin a plemen domácích zvířat.

Díky úspěchům biologie vznikl a úspěšně se rozvíjí mikrobiologický průmysl. Například kefír, jogurt, jogurt, sýr, kvas a mnoho dalších produktů získávají lidé díky aktivitě některých druhů plísní a bakterií. Pomocí moderních biotechnologií podniky vyrábějí léky, vitamíny, přísady do krmiv, přípravky na ochranu rostlin před škůdci a chorobami, hnojiva a mnoho dalšího.

Znalost zákonů biologie pomáhá léčit a předcházet lidským nemocem.

Každým rokem lidé využívají přírodní zdroje více a více. Výkonná technologie přeměňuje svět tak rychle, že nyní na Zemi nezbývají téměř žádná zákoutí nedotčené přírody.

Pro zachování normálních podmínek pro život člověka je nutné obnovit zničené přírodní prostředí. To dokážou jen lidé, kteří dobře znají přírodní zákony. Znalosti z biologie i biologických věd ekologie nám pomáhá řešit problém zachování a zlepšení životních podmínek na planetě.

Dokonči interaktivní úkol -

Specifika biologické kresby pro středoškoláky

Biologická kresba je jedním z obecně uznávaných nástrojů pro studium biologických objektů a struktur. Existuje mnoho dobrých technik, které tento problém řeší.

Například v třídílné knize „Biology“ od Greena, Stouta a Taylora jsou formulována následující pravidla biologické kresby.

1. Je nutné použít kreslicí papír odpovídající tloušťky a kvality. Linky tužky by se z ní měly snadno vymazat.

2. Tužky musí být ostré, tvrdosti HB (v našem systému - TM), nebarvené.

3. Výkres by měl být:

– dostatečně velké – čím více prvků tvoří zkoumaný objekt, tím větší by měla být kresba;
– jednoduchý – obsahuje obrysy struktury a další důležité detaily, které ukazují umístění a vztah jednotlivých prvků;
– kreslené tenkými a zřetelnými čarami – každá čára musí být promyšlena a poté nakreslena, aniž by se zvedla tužka z papíru; nelíhni ani nebarvi;
– nápisy by měly být co nejúplnější, linie z nich vycházející by se neměly protínat;

4. V případě potřeby vytvořte dva výkresy: schematický výkres s hlavními rysy a podrobný výkres malých dílů. Například při malém zvětšení nakreslete plán průřezu rostliny a při velkém zvětšení podrobnou strukturu buněk (velká nakreslená část výkresu je na plánu obkreslena klínem nebo čtvercem).

5. Měli byste kreslit pouze to, co skutečně vidíte, a ne to, co si myslíte, že vidíte, a samozřejmě nekopírujte kresbu z knihy.

6. Každý výkres musí mít nadpis, údaj o zvětšení a projekci ukázky.

Stránka z knihy "Úvod do zoologie" (německé vydání) konec XIX století)

Na první pohled je celkem jednoduchý a nevzbuzuje žádné námitky. Některé teze jsme však museli přehodnotit. Faktem je, že autoři těchto příruček zvažují specifika biologické kresby již na úrovni ústavu nebo vyšších tříd speciálních škol, jejich doporučení jsou určena spíše dospělým lidem s (již) analytickým myšlením. Ve středních (6–8) třídách – běžných i biologických – to není tak jednoduché.

Laboratorní náčrty se velmi často mění ve vzájemné „mučení“.

Ošklivé a nesrozumitelné kresby se nelíbí ani dětem samotným - prostě ještě neumí kreslit - ani učiteli - protože ty detaily struktury, kvůli kterým se všechno začalo, většině dětí velmi často uniká. S takovými úkoly se dobře vyrovnávají pouze děti výtvarně nadané (a nezačínejte je nenávidět!). Zkrátka problém je v tom, že zázemí je, ale chybí adekvátní technologie. Mimochodem, učitelé výtvarné výchovy se někdy potýkají s opačným problémem – mají techniku ​​a je těžké vybrat předměty. Možná bychom se měli sjednotit?. Jejich výsledky byly opakovaně vystaveny v moskevských muzeích - Zoologické Moskevské státní univerzitě, Paleontologické, Darwinově a na různých festivalech dětské kreativity. Ale hlavní věc je, že obyčejné děti, které nejsou vybrány ani do hodin výtvarné výchovy, ani do biologie, plní tyto projektové úkoly s radostí, jsou hrdé na svá vlastní díla a, jak se nám zdá, začínají mnohem blíže nahlížet do živého světa. a zamyšleně. Samozřejmě ne každá škola má možnost spolupráce učitelů biologie a výtvarné výchovy, ale některé naše poznatky budou pravděpodobně zajímavé a užitečné, i když budete pracovat pouze v rámci programu biologie.

Motivace: emoce jsou na prvním místě

Samozřejmě kreslíme, abychom lépe studovali a porozuměli strukturním znakům, abychom se seznámili s rozmanitostí organismů, které ve třídě studujeme. Ale bez ohledu na to, jaký úkol dáte, pamatujte, že pro děti tohoto věku je velmi důležité, aby byly před zahájením práce emocionálně uchváceny krásou a účelností předmětu.

Snažíme se začít pracovat na novém projektu s jasnými dojmy. Nejlepší způsob, jak toho dosáhnout, je buď krátký fragment videa, nebo malý (ne více než 7–10!) výběr snímků. Naše komentáře směřují k nevšednosti, kráse, úžasnosti předmětů, i když jde o něco obyčejného: například zimní siluety stromů při studiu větvení výhonů - mohou být buď mrazivé a připomínají korály, nebo důrazně grafické - černé na bílém sněhu.

Tento úvod nemusí být dlouhý – stačí pár minut, ale je velmi důležitý pro motivaci.

Postup prací: analytická konstrukce

V této fázi je velmi dobré ukázat dětem hotové kresby buď od umělců, kteří znázorňovali stejné předměty, nebo zdařilá díla předchozích studentů. Je třeba neustále zdůrazňovat, že dobrá a krásná biologická kresba je ve své podstatě výzkumná – tzn. odpovědět na otázku, jak předmět funguje, a časem naučit děti, aby tyto otázky samy formulovaly.

Proporce, pomocné čáry, detaily, vodící otázky

Konstrukce výkresu - a studium objektu! – začněte tím, že zjistíte jeho proporce: poměr délky k šířce, částí k celku, přičemž nezapomeňte nastavit formát výkresu poměrně pevně. Je to formát, který automaticky určí úroveň detailů: malý ztratí velké množství detailů, velký bude vyžadovat nasycení detaily, a tedy více času na práci. Předem si promyslete, co je pro vás v každém konkrétním případě důležitější.

1) nakreslete osu symetrie;

2) postavte dva páry symetrických obdélníků - pro horní a spodní křídlo (například vážka), nejprve určete jejich proporce;

3) vložte zakřivené linie křídel do těchto obdélníků

Rýže. 1. 7. třída. Téma: "Řády hmyzu." Inkoust, pero na tužce, ze saténu

(Vzpomínám si na legrační, smutný a obyčejný příběh, který se stal, když jsem poprvé prováděl tuto práci. Chlapec ze sedmé třídy nejprve pochopil slovo „vhodné“ jako jednoduše pasující dovnitř a nakreslil do obdélníků křivé kruhy – všechny čtyři různé! po mé nápovědě, co se má vejít - to znamená dotýkat se pomocných čar, přinesl motýla s obdélníkovými křídly, jen v rozích mírně vyhlazenými, a teprve potom mi došlo, abych mu vysvětlil, že vepsaná křivka se dotýká pouze každé strany obdélníku v jednu chvíli a museli jsme kresbu předělat znovu...)

4) ... Tento bod může být umístěn uprostřed strany nebo ve vzdálenosti jedné třetiny od rohu, a to je také potřeba určit!

Ale jak byl šťastný, když se jeho kresba dostala na školní výstavu – poprvé – fungovala! A nyní vysvětluji všechny fáze našeho trápení s ním v popisu „Pokroku práce“.

Další detaily kresby nás vedou k diskusi o biologickém významu mnoha znaků objektu. V návaznosti na příklad s hmyzími křídly (obr. 2) diskutujeme o tom, co jsou žilky, jak jsou strukturované, proč nutně splývají do jediné sítě, jak se liší povaha žilnatosti u hmyzu různých systematických skupin (např. a nový okřídlený hmyz), proč je extrémně zesílená žíla předních křídel atd. A snažte se dávat většinu svých pokynů formou otázek, na které děti potřebují najít odpovědi.

Rýže. 2. "Vážka a mravenec." 7. třída, téma „Řády hmyzu“. Inkoust, pero na tužce, ze saténu

Mimochodem, zkuste vybrat více předmětů stejného typu a dejte dětem možnost vybrat si. Na konci práce třída uvidí biologickou diverzitu skupiny a důležité společné strukturální rysy a nakonec rozdílné kreslířské schopnosti dětí nebudou tak důležité.

Bohužel ne vždy k dispozici učitel školy existuje dostatečný počet různých objektů stejné skupiny.

Možná se vám bude hodit naše zkušenost: při skupinovém studiu nejprve zhotovíme frontální kresbu snadno dostupného předmětu ze života a poté individuálně – kresby různých předmětů z fotografií nebo i z kreseb profesionálních umělců.

Rýže. 3. Krevety. 7. třída, téma „Korýši“. Tužka, ze života

Například v tématu „Korýši“ v laboratorní práci „Vnější struktura korýše“ všichni nejprve nakreslíme krevety (místo raků) koupené zmrazené v obchodě s potravinami (obr. 3) a poté, po zhlédnutí krátkého videa klip, jednotlivě - různé larvy planktonických korýšů (obr. 4), vyobrazené v „Životě zvířat“: ​​na velkých (A3) listech, tónovaných vodovými barvami v chladných šedých, modrých, nazelenalých tónech; křída nebo bílý kvaš, vypracování jemných detailů inkoustem a perem.

(Při vysvětlování, jak zprostředkovat průhlednost planktonních korýšů, můžeme nabídnout nejjednodušší model - skleněnou nádobu, v níž je umístěn předmět.)

Rýže. 5. Kostra žáby. 8. třída, téma „Obojživelníci“. Tužka, s výchovnou přípravou

Při studiu obojživelníků nejprve - laboratorní práce„Struktura kostry žáby“, kresba jednoduchou tužkou (obr. 5). Poté, po zhlédnutí krátkého fragmentu videa, akvarelová kresba různých exotických žab - listolezců atd. (Okopírovali jsme z kalendářů s kvalitními fotografiemi, dnes už naštěstí nejsou neobvyklé.)

S tímto schématem jsou spíše nudné kresby tužkou stejného objektu vnímány jako běžná přípravná fáze pro jasná a individuální díla.

Neméně důležité: technologie

Pro úspěšné dokončení zakázky je velmi důležitý výběr technologie. V klasické verzi byste si museli vzít jednoduchou tužku a bílý papír, ale... . Naše zkušenost říká, že z pohledu dětí bude taková kresba vypadat nedokončená a zůstanou s prací nespokojené.

Mezitím stačí tužkou načrtnout tužkou, a ještě vzít tónovaný papír (často používáme barevný papír do tiskáren) - a výsledek bude vnímán úplně jinak (obr. 6, 7). Pocit neúplnosti často vytváří nedostatek detailního pozadí a nejsnáze tento problém vyřešíte pomocí tónovaného papíru. Navíc pomocí běžné křídy nebo bílé tužky můžete téměř okamžitě dosáhnout efektu oslnění nebo průhlednosti, což je často potřeba.

Rýže. 6. Radiolaria. 7. třída, téma „Nejjednodušší“. Tónovaný papír (formát A3) pro akvarely (s hrubou texturou), inkoust, pastel nebo křída, ze saténu

Rýže. 7. Včela. 7. třída, téma „Řády hmyzu“. Inkoust, pero na tužce, objem - štětcem a ředěným inkoustem, jemné detaily perem, ze saténu

Pokud je pro vás obtížné organizovat práci s řasenkou, použijte měkké černé linky nebo válečky (v nejhorším případě gelová pera) - poskytují stejný efekt (obr. 8, 9). Při použití této techniky nezapomeňte ukázat, kolik informací poskytuje pomocí čar různé tloušťky a tlaku - jak pro zvýraznění nejdůležitějších věcí, tak pro vytvoření efektu objemu (popředí a pozadí). Můžete také použít mírné až světlé stínování.

Rýže. 8. Oves. 6. třída, téma „Rozmanitost kvetoucích rostlin, čeleď obilnin“. Inkoust, tónovaný papír, z herbáře

Rýže. 9. Přeslička a kyjový mech. 6. třída, téma " Výtrusné rostliny" Inkoust, bílý papír, z herbáře

Na rozdíl od klasických vědeckých kreseb navíc často provádíme práci barevně nebo k naznačení hlasitosti používáme světlé tónování (obr. 10).

Rýže. 10. Loketní kloub. 9. ročník, téma „Pohybový systém“. Tužka, ze sádry pomůcky

Vyzkoušeli jsme mnoho barevných technik - akvarel, kvaš, pastel a nakonec jsme se usadili na měkkých barevných tužkách, ale vždy na hrubém papíře. Pokud se rozhodnete tuto techniku ​​vyzkoušet, je třeba mít na paměti několik důležitých věcí.

1. Vybírejte měkké, kvalitní tužky od dobré firmy, např. Kohinoor, ale nedávejte dětem širokou škálu barev (dost základní): v tomto případě se většinou snaží vybrat již hotovou barvu, která z kurz selže. Ukažte, jak dosáhnout správného odstínu smícháním 2-3 barev. K tomu potřebují pracovat s paletou – kusem papíru, na kterém vybírají požadované kombinace a tlak.

2. Hrubý papír výrazně usnadní použití slabých a silných barev.

3. Lehké krátké tahy by měly jakoby tvarovat tvar předmětu: tzn. opakujte hlavní linie (spíše než barvu, v rozporu s tvarem a obrysy).

4. Pak potřebujete konečné úpravy, syté a výrazné, když už byly vybrány správné barvy.

Často se vyplatí přidat melír, který kresbu výrazně oživí. Nejjednodušší je použít běžnou křídu (na tónovaný papír) nebo použít měkkou gumu (na bílý papír). Mimochodem, pokud použijete volné techniky - křídu nebo pastel - můžete pak práci opravit lakem na vlasy.

Jakmile si tuto techniku ​​osvojíte, budete ji moci používat v přírodě, pokud vám nezbude čas, doslova „na koleně“ (jen nezapomínejte na tablety – stačí kousek balícího kartonu!). A samozřejmě pro úspěch naší práce určitě pořádáme výstavy - někdy ve třídě, někdy na chodbách školy. Poměrně často jsou reportáže dětí na stejné téma načasovány tak, aby se kryly s výstavou – ústní i písemné. Celkově takový projekt ve vás i v dětech zanechá pocit velké a krásné práce, na kterou stojí za to se připravit. Pravděpodobně s kontaktem a společným zájmem s učitelem výtvarné výchovy můžete začít pracovat v hodinách biologie: analytické přípravná fáze

Zde je příklad. Botanika, téma "Únik - pupen, větvení, struktura výhonků." Větev s poupaty je velká v popředí, v pozadí jsou siluety stromů nebo keřů na pozadí bílého sněhu a černé oblohy. Technika: černý inkoust, bílý papír. Větve - ze života, siluety stromů - z fotografií nebo knižních kreseb. Název je „Stromy v zimě“ nebo „Zimní krajina“.

Další příklad. Při studiu tématu „Řády hmyzu“ děláme krátkou práci na téma „Tvar a objem brouků“. Jakákoli technika, která zprostředkovává světlo a stín a melíry (akvarel, inkoust s vodou, štětec), ale monochromatická, aby nebyla rušena zkoumáním a zobrazováním formy (obr. 11). Je lepší detaily vypracovat propiskou nebo gelovkou (pokud použijete lupu, lépe dopadnou nohy a hlava).

Rýže. 11. Brouci. Inkoust, pero na tužce, objem - štětcem a zředěným inkoustem, jemné detaily perem, ze saténu

Stačí 1-2 krásná díla za čtvrtinu - a kreslení živého tvora potěší všechny účastníky tohoto obtížného procesu.

Cíle

• Vzdělávací: nadále rozvíjet znalosti o biologii jako vědě; poskytnout představy o hlavních odvětvích biologie a předmětech, které studují;
• Rozvojové: rozvíjet dovednosti práce s literárními prameny, rozvíjet schopnost analytických souvislostí;
• Vzdělávací: rozšiřte si obzory, vytvořte si holistické vnímání světa.

Úkoly

1. Odhalte roli biologie mezi ostatními vědami.
2. Odhalit propojení biologie s ostatními vědami.
3. Určete, jaké různé obory biologie studují.
4. Určete roli biologie v životě osoba.
5. Nakreslete zajímavá fakta související s tématem z videí prezentovaných v lekci.

Termíny a pojmy

• Biologie je komplex věd, jejichž předmětem studia jsou živé bytosti a jejich interakce s prostředím.
• Život je aktivní forma existence hmoty, v jistém smyslu vyšší než její fyzikální a chemické formy existence; soubor fyzických a chemické procesy, vyskytující se v buňce, umožňující metabolismus a dělení.
• Věda je sféra lidské činnosti zaměřená na rozvíjení a teoretickou systematizaci objektivních znalostí o realitě.

Postup lekce

Aktualizace znalostí

Pamatujte, co studuje biologie.
Vyjmenujte obory biologie, které znáte.
Najděte správnou odpověď:
1. Botanické studie:
A) rostliny
B) zvířata
B) pouze řasy
2. Studium hub probíhá v rámci:
A) botanici;
B) virologie;
B) mykologie.
3. V biologii se rozlišuje několik království, a to:
A) 4
B) 5
B) 7
4. V biologii osoba označuje:
A) Království zvířat
B) podtřída savci;
C) Druh Homo sapiens.

Pomocí obrázku 1 si pamatujte, kolik království se v biologii rozlišuje:

Rýže. 1 Království živých organismů

Učení nového materiálu

Termín „biologie“ poprvé navrhl v roce 1797 německý profesor T. Rusom. Aktivně se však začal používat až v roce 1802, po použití tohoto termín železobeton. Lamarck ve svých dílech.

Biologie je dnes komplexem věd, který je tvořen samostatnými vědními disciplínami, které se zabývají konkrétními předměty výzkumu.

Mezi „odvětví“ biologie můžeme jmenovat takové vědy jako:
- botanika je věda, která studuje rostliny a její podsekce: mykologie, lichenologie, bryologie, geobotanika, paleobotanika;
- zoologie– věda, která studuje zvířata a její podsekce: ichtyologie, arachnologie, ornitologie, etologie;
- ekologie je věda o vztahu mezi živými organismy a vnějším prostředím;
- anatomie - nauka o vnitřní stavbě všeho živého;
- morfologie je věda, která studuje vnější stavbu živých organismů;
- cytologie je věda, která se zabývá studiem buněk;
- dále histologie, genetika, fyziologie, mikrobiologie a další.

Obecně můžete vidět souhrn biologických věd na obrázku 2:

Rýže. 2 Biologické vědy

Zároveň se rozlišuje celá řada věd, které vznikly v důsledku úzké interakce biologie s jinými vědami, a nazývají se integrované. Mezi takové vědy lze bezpečně zařadit: biochemii, biofyziku, biogeografii, biotechnologii, radiobiologii, vesmírnou biologii a další. Obrázek 3 ukazuje hlavní vědní obory, které jsou součástí biologie

Rýže. 3. Integrální biologické vědy

Znalost biologie je pro člověka důležitá.
Úkol 1: Pokuste se sami formulovat, v čem přesně spočívá význam biologických znalostí pro člověka?
Úkol 2: Podívejte se na následující video o evoluci a určete, jaké biologické vědy byly zapotřebí k jejímu vytvoření

Nyní si připomeňme, jaké znalosti člověk potřebuje a proč:
- určit různé nemoci tělo. Jejich léčba a prevence vyžaduje znalosti o lidském těle, což znamená znalost: anatomie, fyziologie, genetiky, cytologie. Díky úspěchům biologie začal průmysl vyrábět léky, vitamíny a biologicky aktivní látky;

V potravinářském průmyslu je nutné znát botaniku, biochemii, fyziologii člověka;
- V zemědělství Vyžaduje se znalost botaniky a biochemie. Díky studiu vztahů mezi rostlinnými a živočišnými organismy se podařilo vytvořit biologické metody pro hubení škůdců plodin. Například v zemědělství se projevuje komplexní znalost botaniky a zoologie a je to vidět na krátkém videu

A to je jen krátký výčet „užitečné role biologických znalostí“ v lidském životě.
Následující video vám pomůže lépe pochopit roli biologie v životě.

Z povinných znalostí není možné odstranit znalosti biologie, protože biologie studuje náš život, biologie poskytuje znalosti, které se využívají ve většině sfér lidského života.

Úkol 3. Vysvětlete, proč je moderní biologie nazývána komplexní vědou.

Upevňování znalostí

1. Co je biologie?
2. Vyjmenujte podsekce botaniky.
3. Jakou roli hrají znalosti anatomie v životě člověka?
4. Znalost jakých věd je pro medicínu nezbytná?
5. Kdo jako první identifikoval pojem biologie?
6. Podívejte se na obrázek 4 a určete, jaká věda studuje zobrazený objekt:

Obr.4. Jaká věda tento objekt studuje?

7. Prostudujte Obrázek 5, pojmenujte všechny živé organismy a vědu, která je studuje

Rýže. 5. Živé organismy

Domácí úkol

1. Zpracujte učebnicový materiál - odstavec 1
2. Zapište si do sešitu a naučte se pojmy: biologie, život, věda.
3. Zapište si do sešitu všechny oddíly a pododdíly biologie jako vědy, stručně je charakterizujte.

Nedávno byla objevena v podzemních jeskyních žijící bezoká ryba Phreatichthys andruzzii, jejíž vnitřní hodiny nejsou nastaveny na 24 (jako u jiných živočichů), ale na 47 hodin. Může za to mutace, která vypnula všechny receptory citlivé na světlo na těle těchto ryb.

Celkový počet biologických druhů žijících na naší planetě vědci odhadují na 8,7 milionu a v tuto chvíli není objeveno a klasifikováno více než 20 % z tohoto počtu.

Ledové ryby neboli síh žijí v antarktických vodách. Jde o jediný druh obratlovců, u kterého v krvi nejsou žádné červené krvinky ani hemoglobin – krev ledových ryb je proto bezbarvá. Jejich metabolismus je založen pouze na kyslíku rozpuštěném přímo v krvi

Slovo "bastard" pochází ze slovesa "smilnit" a původně znamenalo pouze nemanželské potomstvo čistokrevného zvířete. Postupem času bylo v biologii toto slovo nahrazeno pojmem „hybrid“, ale ve vztahu k lidem se stalo urážlivým.

Seznam použitých zdrojů

1. Lekce „Biologie – věda o životě“ Konstantinová E. A., učitelka biologie na střední škole č. 3, Tver
2. Lekce „Úvod. Biologie je věda o životě“ Titorov Yu.I., učitel biologie, ředitel KL v Kemerovu.
3. Lekce „Biologie – věda o životě“ Nikitina O.V., učitelka biologie na Městském vzdělávacím ústavu „Střední škola č. 8, Čerepovec.
4. Zacharov V.B., Kozlová T.A., Mamontov S.G. “Biologie” (4. vydání) -L.: Akademie, 2011.- 512 s.
5. Matyash N.Yu., Shabatura N.N. Biologie 9. ročník - K.: Geneza, 2009. - 253 s.

Upravil a odeslal Borisenko I.N.

Pracovali jsme na lekci

Borisenko I.N.

Konstantinová E.A.

Titorová Yu.I.

Nikitina O.V.