Znanosti o življenju se premikajo od velikih k majhnim. V zadnjem času je biologija opisala le zunanje značilnosti živali, rastlin, bakterij. Molekularna biologija proučuje žive organizme na ravni interakcij med posameznimi molekulami. Strukturna biologija - proučuje procese v celicah na ravni atomov. Če se želite naučiti, kako »videti« posamezne atome, kako strukturna biologija deluje in »živi« ter katere instrumente uporablja, ste tukaj!

Generalni partner cikla je podjetje: največji dobavitelj opreme, reagentov in potrošnega materiala za biološke raziskave in proizvodnjo.

Ena od glavnih nalog "Biomolecule" je priti do samih korenin. Ne povemo le, katera nova dejstva so odkrili raziskovalci - govorimo o tem, kako so jih odkrili, poskušamo razložiti principe bioloških metod. Kako iz enega organizma vzamete gen in ga vstavite v drugega? Kako slediti usodi nekaj drobnih molekul v ogromni celici? Kako vzbuditi eno majhno skupino nevronov v ogromnih možganih?

Zato smo se odločili, da o laboratorijskih metodah spregovorimo bolj sistematično, da v eno rubriko združimo najpomembnejše, najsodobnejše biološke metode. Da bi bilo bolj zanimivo in preglednejše, smo članke na debelo ilustrirali in ponekod dodali celo animacije. Želimo, da bi bili članki nove rubrike zanimivi in ​​razumljivi tudi naključnemu mimoidočemu. Po drugi strani pa bi morali biti tako podrobni, da bi lahko celo strokovnjak v njih odkril nekaj novega. Metode smo zbrali v 12 velikih skupin in na podlagi njih bomo izdelali biometodološki koledar. Počakajte na posodobitve!

Zakaj strukturna biologija?

Kot veste, je biologija znanost o življenju. Pojavila se je na samem začetku 19. stoletja in je bila prvih sto let svojega obstoja zgolj opisna. Za glavno nalogo biologije je takrat veljalo, da je najti in opisati čim več vrst različnih živih organizmov, nekoliko kasneje pa identificirati družinske vezi med njimi. Sčasoma in z razvojem drugih področij znanosti je iz biologije nastalo več vej s predpono "molekularna": molekularna genetika, molekularna biologija in biokemija - vede, ki preučujejo živa bitja na ravni posameznih molekul in ne po videzu. organizem ali relativni položaj njegovih notranjih organov. Končno se je pred kratkim (v 50-ih letih prejšnjega stoletja) pojavilo takšno področje znanja kot strukturna biologija- znanost, ki proučuje procese v živih organizmih na ravni sprememb prostorska struktura posamezne makromolekule. Pravzaprav je strukturna biologija na stičišču treh različnih znanosti. Prvič, to je biologija, ker znanost preučuje žive predmete, drugič, fizika, saj se uporablja najširši arzenal fizikalnih eksperimentalnih metod, in tretjič, kemija, saj je spreminjanje strukture molekul predmet te posebne discipline.

Strukturna biologija preučuje dva glavna razreda spojin - beljakovine (glavno "delovno telo" vseh znanih organizmov) in nukleinske kisline (glavne "informacijske" molekule). Zahvaljujoč strukturni biologiji vemo, da ima DNK strukturo dvojne vijačnice, da je treba tRNA upodobiti kot staro črko "G" in da ima ribosom veliko in majhno podenoto, sestavljeno iz beljakovin in RNA v določeni konformaciji. .

globalni cilj strukturna biologija, tako kot katera koli druga znanost, je »razumeti, kako stvari delujejo«. V kakšni obliki je zložena beljakovinska veriga, zaradi česar se celice delijo, kako se spremeni embalaža encima med kemičnim procesom, ki ga izvaja, na katerih mestih medsebojno delujeta rastni hormon in njegov receptor - to so vprašanja, na katera odgovarja ta znanost . Poleg tega je ločen cilj zbrati tako količino podatkov, da je na ta vprašanja (za predmet, ki še ni bil raziskan) mogoče odgovoriti na računalniku, ne da bi se zatekli k dragemu eksperimentu.

Na primer, razumeti morate, kako deluje bioluminiscenčni sistem pri črvih ali glivah - dešifrirali so genom, na podlagi teh podatkov našli želeni protein in napovedali njegovo prostorsko strukturo skupaj z mehanizmom dela. Res je, vredno je priznati, da so doslej takšne metode obstajale le v povojih in je še vedno nemogoče natančno napovedati strukturo proteina, ki ima samo njegov gen. Po drugi strani pa se rezultati strukturne biologije uporabljajo v medicini. Kot mnogi raziskovalci upajo, bo znanje o strukturi biomolekul in o mehanizmih njihovega delovanja omogočilo razvoj novih zdravil na racionalni osnovi in ​​ne s poskusi in napakami (strogo gledano z visoko zmogljivostjo), kot je najpogosteje opravljeno zdaj. In to ni znanstvena fantastika: že obstaja veliko zdravil, ustvarjenih ali optimiziranih s pomočjo strukturne biologije.

Zgodovina strukturne biologije

Zgodovina strukturne biologije (slika 1) je precej kratka in se začne v zgodnjih petdesetih letih prejšnjega stoletja, ko sta James Watson in Francis Crick na podlagi podatkov Rosalind Franklin o difrakciji rentgenskih žarkov na kristalih DNK sestavila model zdaj znanega dvojnika. helix od vintage oblikovalca. Malo prej je Linus Pauling zgradil prvi verjetni model vijačnice, enega od osnovnih elementov sekundarne strukture beljakovin (slika 2).

Pet let pozneje, leta 1958, je bila ugotovljena prva struktura beljakovin na svetu - mioglobin (beljakovina mišičnih vlaken) kita sperme (slika 3). Seveda ni bil videti tako lep kot sodobne strukture, vendar je bil pomemben mejnik v razvoju sodobne znanosti.

Slika 3b. Prva prostorska struktura beljakovinske molekule. John Kendrew in Max Perutz prikazujeta prostorsko strukturo mioglobina, sestavljenega iz posebnega konstruktorja.

Deset let pozneje, v letih 1984–1985, so bile prve strukture identificirane s spektroskopijo jedrske magnetne resonance. Od tega trenutka je prišlo do več ključnih odkritij: leta 1985 so pridobili strukturo prvega kompleksa encima z njegovim zaviralcem, leta 1994 so določili strukturo ATP sintaze, glavnega "stroja" elektrarn naših celic. (mitohondrije), že leta 2000 pa so prejeli prve prostorske strukturne "tovarne" beljakovin - ribosomov, sestavljene iz beljakovin in RNA (slika 6). V 21. stoletju je šel razvoj strukturne biologije skokovito, spremljala pa ga je eksplozivna rast števila prostorskih struktur. Dobljene so bile strukture številnih razredov beljakovin: hormonskih in citokinskih receptorjev, receptorjev, vezanih na G-protein, cestninskih receptorjev, proteinov imunskega sistema in mnogih drugih.

S prihodom novih tehnologij za snemanje in obdelavo slik krioelektronske mikroskopije v 2010-ih so se pojavile številne kompleksne strukture membranskih beljakovin v ultra visoki ločljivosti. Napredek strukturne biologije ni ostal neopažen: za odkritja na tem področju je bilo podeljenih 14 Nobelovih nagrad, od tega pet v 21. stoletju.

Metode strukturne biologije

Raziskave na področju strukturne biologije se izvajajo z več fizikalnimi metodami, od katerih le tri omogočajo pridobivanje prostorskih struktur biomolekul v atomski ločljivosti. Metode strukturne biologije temeljijo na merjenju interakcije preskusne snovi z različnimi vrstami elektromagnetnih valov ali elementarnih delcev. Vse tehnike zahtevajo znatna finančna sredstva - stroški opreme so pogosto neverjetni.

Zgodovinsko gledano je prva metoda strukturne biologije analiza rentgenske difrakcije (XRD) (slika 7). Že v začetku 20. stoletja je bilo ugotovljeno, da je mogoče po rentgenskem difrakcijskem vzorcu na kristalih preučevati njihove lastnosti - vrsto celične simetrije, dolžino vezi med atomi itd., kemično in prostorsko strukturo teh molekul. Tako je bila leta 1949 pridobljena struktura penicilina, leta 1953 pa struktura dvojne vijačnice DNK.

Zdi se, da je vse preprosto, vendar obstajajo odtenki.

Najprej je treba nekako pridobiti kristale, njihova velikost pa mora biti dovolj velika (slika 8). Če je to izvedljivo za ne zelo zapletene molekule (ne pozabite, kako kristalizira navadna sol ali modri vitriol!), potem je kristalizacija beljakovin zelo težka naloga, ki zahteva neočiten postopek za iskanje optimalnih pogojev. Zdaj se to izvaja s pomočjo posebnih robotov, ki pripravljajo in spremljajo na stotine različnih raztopin v iskanju "kasnih" beljakovinskih kristalov. Vendar pa je v prvih dneh kristalografije pridobivanje proteinskega kristala lahko trajalo leta dragocenega časa.

Drugič, na podlagi pridobljenih podatkov (»surovi« difrakcijski vzorci; slika 8) je potrebno »izračunati« strukturo. Zdaj je to tudi rutinska naloga, a pred 60 leti, v dobi tehnologije svetilk in luknjanih kartic, še zdaleč ni bilo tako preprosto.

Tretjič, tudi če bi bilo mogoče gojiti kristal, sploh ni nujno, da se določi prostorska struktura proteina: za to mora imeti beljakovina enako strukturo na vseh mestih mreže, kar še zdaleč ni vedno Ovitek.

In četrtič, kristal je daleč od naravnega stanja beljakovin. Proučevanje beljakovin v kristalih je kot preučevanje ljudi tako, da jih deseterico natlačimo v majhno, zadimljeno kuhinjo: ugotovite lahko, da imajo ljudje roke, noge in glavo, vendar vedenje morda ni povsem enako kot v udobnem okolju. Vendar je rentgenska difrakcijska analiza najpogostejša metoda za določanje prostorskih struktur in s to metodo dobimo 90 % vsebine PDB.

SAR zahteva močne vire rentgenskih žarkov – pospeševalnike elektronov ali laserje prostih elektronov (slika 9). Takšni viri so dragi – nekaj milijard ameriških dolarjev –, vendar običajno en vir uporablja na stotine ali celo tisoče skupin po vsem svetu za dokaj nominalno plačilo. Pri nas ni močnih virov, zato večina znanstvenikov odpotuje iz Rusije v ZDA ali Evropo, da analizira pridobljene kristale. Več o teh romantičnih študijah si lahko preberete v članku " Laboratorij za napredne raziskave membranskih beljakovin: od gena do angstroma» .

Kot smo že omenili, analiza difrakcije rentgenskih žarkov zahteva močan vir rentgenskih žarkov. Močnejši kot je vir, manjše so kristali, s katerimi se lahko spopadete, in manj bolečine bodo morali biologi in genski inženirji prenašati, da bi dobili nesrečne kristale. Rentgensko sevanje je najlažje pridobiti s pospeševanjem elektronskega žarka v sinhrotronih ali ciklotronih – velikanskih obročastih pospeševalnikih. Ko elektron doživi pospešek, oddaja elektromagnetno valovanje v želenem frekvenčnem območju. V zadnjem času so se pojavili novi super zmogljivi viri sevanja - laserji prostih elektronov (XFEL).

Načelo delovanja laserja je precej preprosto (slika 9). Najprej se elektroni s pomočjo superprevodnih magnetov pospešijo do visokih energij (dolžina pospeševalnika je 1–2 km), nato pa preidejo skozi tako imenovane ondulatorje - sklope magnetov različne polarnosti.

Slika 9. Princip delovanja laserja s prostimi elektroni. Elektronski žarek se pospešuje, prehaja skozi undulator in oddaja gama žarke, ki padejo na biološke vzorce.

Elektroni, ki prehajajo skozi undulator, začnejo občasno odstopati od smeri žarka, doživljajo pospešek in oddajajo rentgenske žarke. Ker se vsi elektroni gibljejo na enak način, se sevanje ojača zaradi dejstva, da drugi elektroni žarka začnejo absorbirati in ponovno oddajati rentgenske valove enake frekvence. Vsi elektroni sinhrono oddajajo sevanje v obliki super-močne in zelo kratke bliske (s trajanjem manj kot 100 femtosekund). Moč rentgenskega žarka je tako velika, da ena kratka bliskavica spremeni majhen kristal v plazmo (slika 10), vendar je v nekaj femtosekundah, ko je kristal nedotaknjen, mogoče dobiti najvišjo kakovost slike zaradi visoka intenzivnost in koherentnost žarka. Cena takšnega laserja je 1,5 milijarde dolarjev, na svetu pa so le štiri takšne naprave (nahajajo se v ZDA (slika 11), na Japonskem, v Koreji in Švici). V letu 2017 je načrtovana zagon petega - evropskega - laserja, pri gradnji katerega je sodelovala tudi Rusija.

Slika 10. Transformacija beljakovin v plazmo v 50 fs pod delovanjem laserskega impulza prostih elektronov. Femtosekunda = 1/1000000000000000 sekunde.

Približno 10 % prostorskih struktur v bazi podatkov PDB je bilo določenih s pomočjo NMR spektroskopije. V Rusiji obstaja več težkih občutljivih NMR spektrometrov, ki se uporabljajo za delo svetovnega razreda. Največji NMR laboratorij ne le v Rusiji, temveč na celotnem območju vzhodno od Prage in zahodno od Seula, se nahaja na Inštitutu za bioorgansko kemijo Ruske akademije znanosti (Moskva).

NMR spektrometer je čudovit primer zmage tehnologije nad razumom. Kot smo že omenili, je za uporabo metode NMR spektroskopije potrebno močno magnetno polje, zato je srce naprave superprevodni magnet - posebna tuljava iz zlitine, potopljena v tekoči helij (−269 ° C). Za doseganje superprevodnosti je potreben tekoči helij. Da helij ne izhlapi, je okoli njega zgrajen ogromen rezervoar s tekočim dušikom (−196 °C). Čeprav je elektromagnet, ne porablja električne energije: superprevodna tuljava nima upora. Vendar je treba magnet nenehno »krmiti« s tekočim helijem in tekočim dušikom (slika 15). Če temu ne sledite, bo prišlo do "gašenja": tuljava se bo segrela, helij bo eksplozivno izhlapel in naprava se bo zlomila ( cm. video). Pomembno je tudi, da je polje v vzorcu dolžine 5 cm izjemno enakomerno, zato naprava vsebuje nekaj ducatov majhnih magnetov, potrebnih za natančno nastavitev magnetnega polja.

Video. Načrtovano "gašenje" NMR spektrometra 21,14 tesla.

Za izvedbo meritev potrebujete senzor - posebno tuljavo, ki generira elektromagnetno sevanje in registrira "povratni" signal - nihanje magnetnega momenta vzorca. Za izboljšanje občutljivosti za faktor 2-4 se senzor ohladi na -200 °C in se tako znebi toplotnega šuma. Za to zgradijo poseben stroj - krioplatformo, ki helij ohladi na želeno temperaturo in ga črpa v bližino detektorja.

Obstaja cela skupina metod, ki temeljijo na pojavu sipanja svetlobe, rentgenskih žarkov ali nevtronskih žarkov. Te metode na podlagi intenzivnosti sipanja sevanja/delcev pod različnimi koti omogočajo določanje velikosti in oblike molekul v raztopini (slika 16). S sipanjem ne moremo določiti strukture molekule, lahko pa ga uporabimo kot pomoč pri uporabi druge metode, kot je NMR spektroskopija. Instrumenti za merjenje razprševanja svetlobe so razmeroma poceni in stanejo »le« okoli 100.000 $, medtem ko druge metode zahtevajo pri roki pospeševalnik delcev, ki lahko ustvari snop nevtronov ali močan žarek rentgenskih žarkov.

Druga metoda, s katero ni mogoče določiti strukture, lahko pa pridobimo nekaj pomembnih podatkov, je prenos energije resonančne fluorescence(FRET) . Metoda uporablja fenomen fluorescence - sposobnost nekaterih snovi, da absorbirajo svetlobo ene valovne dolžine, pri čemer oddajajo svetlobo druge valovne dolžine. Možno je izbrati par spojin, v eni od katerih (donor) bo svetloba, oddana med fluorescenco, ustrezala značilni absorpcijski valovni dolžini drugega (akceptorja). Darovalca obsevamo z laserjem želene valovne dolžine in izmerimo fluorescenco akceptorja. Učinek FRET je odvisen od razdalje med molekulami, tako da če v molekule dveh proteinov ali različnih domen (strukturnih enot) enega proteina vnesete fluorescenčnega darovalca in akceptorja, lahko preučite interakcije med proteini ali medsebojno razporeditev domen. v beljakovini. Registracija se izvaja z optičnim mikroskopom, zato je FRET poceni, čeprav neinformativna metoda, katere uporaba je povezana s težavami pri interpretaciji podatkov.

Končno je nemogoče ne omeniti »sanjske metode« strukturnih biologov – računalniškega modeliranja (slika 17). Ideja metode je uporabiti sodobno znanje o strukturi in obnašanju molekul za modeliranje obnašanja proteina v računalniškem modelu. Na primer, z uporabo metode molekularne dinamike je mogoče v realnem času slediti gibanju molekule ali procesu "sestavljanja" (zlaganja) beljakovin z enim "ampak": najdaljši čas, ki ga je mogoče izračunati, ne presega 1 ms, kar je izjemno kratko, a poleg tega zahteva ogromne računske vire (slika 18). Obnašanje sistema je mogoče preučevati dlje časa, le da se to doseže za ceno nesprejemljive izgube natančnosti.

Računalniško modeliranje se aktivno uporablja za analizo prostorskih struktur beljakovin. Docking se uporablja za iskanje potencialnih zdravil, ki imajo visoko nagnjenost k interakciji s ciljno beljakovino. Trenutno je natančnost napovedi še vedno nizka, vendar lahko priklop lahko znatno zoži nabor potencialno aktivnih snovi, ki jih je treba testirati za razvoj novega zdravila.

Glavno področje praktične uporabe rezultatov strukturne biologije je razvoj zdravil ali, kot je zdaj modno reči, oblikovanje zdravil. Obstajata dva načina za razvoj zdravila, ki temelji na strukturnih podatkih: lahko začnete z liganda ali iz ciljne beljakovine. Če je že znanih več zdravil, ki delujejo na ciljno beljakovino, in so bile pridobljene strukture kompleksov beljakovine in zdravila, je mogoče ustvariti model "idealnega zdravila" v skladu z lastnostmi "žepa" vezave. na površini proteinske molekule poudarite potrebne lastnosti potencialnega zdravila in poiščite med vsemi znanimi naravnimi in ne tako spojinami. Lahko celo zgradite razmerja med lastnostmi strukture zdravila in njegovo aktivnostjo. Na primer, če ima molekula na vrhu lok, potem je njena aktivnost večja kot pri molekuli brez loka. In bolj ko je lok napolnjen, bolje deluje zdravilo. Torej, od vseh znanih molekul morate najti spojino z največjim nabitim lokom.

Drug način je uporaba ciljne strukture v računalniku za iskanje spojin, ki so potencialno sposobne interakcije z njo na pravem mestu. V tem primeru se običajno uporablja knjižnica fragmentov - majhnih kosov snovi. Če najdete več dobrih fragmentov, ki delujejo s tarčo na različnih mestih, vendar blizu drug drugemu, lahko iz drobcev sestavite zdravilo tako, da jih "šijete" skupaj. Obstaja veliko primerov uspešnega razvoja zdravil z uporabo strukturne biologije. Prvi uspešen primer sega v leto 1995, ko je bil odobren za uporabo dorzolamid, zdravilo proti glavkomu.

Splošni trend bioloških raziskav se vse bolj nagiba ne le k kvalitativnemu, temveč tudi kvantitativnemu opisu narave. Strukturna biologija je odličen primer tega. In obstajajo vsi razlogi za domnevo, da bo še naprej koristil ne le temeljni znanosti, temveč tudi medicini in biotehnologiji.

Koledar

Na podlagi člankov posebnega projekta smo se odločili, da za leto 2019 izdelamo koledar »12 metod biologije«. Ta članek predstavlja marec.

Literatura

1. Bioluminiscenca: Oživitev;
2. Zmaga računalniških metod: napoved strukture beljakovin;
3. Heping Zheng, Katarzyna B Handing, Matthew D Zimmerman, Ivan G Shabalin, Steven C Almo, Wladek Minor. (2015).

biologija- znanost o živi naravi.

Biologija proučuje pestrost živih bitij, zgradbo njihovih teles in delo njihovih organov, razmnoževanje in razvoj organizmov ter vpliv človeka na prostoživeče živali.

Ime te znanosti izhaja iz dveh grških besed " bios" - "življenje in" logotipi- "znanost, beseda".

Eden od ustanoviteljev znanosti o živih organizmih je bil veliki starogrški znanstvenik (384 - 322 pr.n.št.). Bil je prvi, ki je posplošil biološko znanje, ki ga je pred njim pridobilo človeštvo. Znanstvenik je predlagal prvo klasifikacijo živali, ki združuje žive organizme, podobne po strukturi v skupine, in v njej določil mesto za osebo.

V prihodnosti so številni znanstveniki, ki so preučevali različne vrste živih organizmov, ki naseljujejo naš planet, prispevali k razvoju biologije.

Bioznanost družina

Biologija je znanost o naravi. Področje raziskovanja biologov je ogromno: to so različni mikroorganizmi, rastline, glive, živali (tudi človek), zgradba in delovanje organizmov itd.

tako, biologija ni samo znanost, ampak cela družina, sestavljena iz številnih ločenih ved.

Raziščite interaktivno tabelo o družini bioloških ved in ugotovite, katere različne veje biologije študirajo.

Anatomija- znanost o obliki in zgradbi posameznih organov, sistemov in telesa kot celote.

fiziologija- znanost o vitalni dejavnosti organizmov, njihovih sistemov, organov in tkiv, procesov, ki se dogajajo v telesu.

citologija- znanost o zgradbi in aktivnosti celice.

Zoologija je znanost, ki preučuje živali.

Sekcije zoologije:

• Entomologija je znanost o žuželkah.

V njem je več oddelkov: koleopterologija (preučuje hrošče), lepidopterologija (proučuje metulje), mirmekologija (proučuje mravlje).

• Ihtiologija je znanost o ribah.
• Ornitologija je znanost o pticah.
• Teriologija je znanost o sesalcih.

botanika znanost, ki preučuje rastline.

mikologija znanost, ki preučuje gobe.

Protistologija Znanost, ki preučuje protozoe.

Virologija znanost, ki preučuje viruse.

Bakteriologija znanost, ki preučuje bakterije.

Pomen biologije

Biologija je tesno povezana s številnimi vidiki človekove praktične dejavnosti - kmetijstvom, različnimi panogami in medicino.

Uspešen razvoj kmetijstva je danes v veliki meri odvisen od biologov rejcev, ki se ukvarjajo z izboljšanjem obstoječih in ustvarjanjem novih sort gojenih rastlin in pasem domačih živali.

Zahvaljujoč dosežkom biologije je nastala in se uspešno razvija mikrobiološka industrija. Na primer, kefir, kislo mleko, jogurti, siri, kvas in številni drugi izdelki, ki jih oseba prejme zaradi delovanja nekaterih vrst gliv in bakterij. S pomočjo sodobnih biotehnologij podjetja proizvajajo zdravila, vitamine, krmne dodatke, fitofarmacevtska sredstva proti škodljivcem in boleznim, gnojila in še veliko več.

Poznavanje zakonov biologije pomaga pri zdravljenju in preprečevanju človeških bolezni.

Ljudje iz leta v leto bolj uporabljajo naravne vire. Zmogljiva tehnologija tako hitro spreminja svet, da zdaj na Zemlji skoraj ni več kotičkov z nedotaknjeno naravo.

Za ohranjanje normalnih pogojev za človekovo življenje je potrebno obnoviti uničeno naravno okolje. To zmorejo le ljudje, ki dobro poznajo zakone narave. Poznavanje biologije, pa tudi biološke znanosti ekologija nam pomaga rešiti problem ohranjanja in izboljšanja pogojev življenja na planetu.

Izpolnite interaktivno nalogo -

Posebnosti biološkega vzorca za srednješolce

Biološka risba je eno od splošno priznanih orodij za preučevanje bioloških objektov in struktur. Obstaja veliko dobrih vadnic o tej temi.

Na primer, v tridelni knjigi "Biologija" Greena, Stouta, Taylorja so oblikovana naslednja pravila za biološko risanje.

1. Za risanje je potrebno uporabiti papir ustrezne debeline in kakovosti. Iz njega je treba dobro izbrisati črte svinčnika.

2. Svinčniki morajo biti ostri, trdote HB (v našem sistemu - TM), ne obarvani.

3. Risba mora biti:

- dovolj velik - več elementov sestavlja preučevani predmet, večja mora biti risba;
- preprosta - vključuje obrise strukture in druge pomembne podrobnosti za prikaz lokacije in povezave posameznih elementov;
- narisani s tankimi in izrazitimi črtami - vsako črto je treba premisliti in nato narisati, ne da bi dvignili svinčnik s papirja; ne izvalite ali obarvajte;
- napisi naj bodo čim popolni, črte, ki prihajajo iz njih, se ne smejo križati; Pustite prostor za napise okoli risbe.

4. Po potrebi naredite dve risbi: shematsko risbo, ki prikazuje glavne značilnosti, in podrobno risbo majhnih delov. Na primer, pri majhni povečavi narišite načrt prečnega prereza rastline, pri veliki povečavi pa podrobno strukturo celic (velik narisan del risbe je na načrtu orisan s klinom ali kvadratom).

5. Narisati morate samo tisto, kar resnično vidite, in ne tisto, kar mislite, da vidite, in seveda ne kopirajte risbe iz knjige.

6. Vsaka risba mora imeti naslov, navedbo povečave in projekcije vzorca.

Stran iz knjige "Uvod v zoologijo" (nemška izdaja poznega 19. stoletja)

Na prvi pogled je precej preprosta in ne povzroča zadržkov. Vendar pa smo morali nekatere teze predelati. Dejstvo je, da avtorji takšnih priročnikov upoštevajo posebnosti biološke risbe že na ravni inštituta ali višjih razredov posebnih šol, njihova priporočila so namenjena dokaj odraslim ljudem z analitično (že) miselnostjo. V srednjih (6-8.) razredih - tako navadnih kot bioloških - stvari niso tako preproste.

Zelo pogosto se laboratorijske skice spremenijo v medsebojno "mučenje". Grde in malo razumljive risbe niso všeč otrokom samim - samo še ne znajo risati, niti učiteljem - ker tiste podrobnosti strukture, zaradi katerih se je vse začelo, večina otrok zelo pogosto pogreša. . Samo umetniško nadarjeni otroci se običajno spopadajo s takšnimi nalogami (in jih ne začno sovražiti!) Skratka, problem je v tem, da so predmeti, ni pa ustrezne tehnike. Mimogrede, učitelji risanja se včasih soočajo z nasprotnim problemom - obstaja tehnika in težko je izbrati predmete. Mogoče bi se morali združiti?

V 57. moskovski šoli, kjer delam, že dolgo obstaja in se še razvija celostni tečaj biološkega risanja v srednjih razredih, v okviru katerega učitelji biologije in risanja delajo v parih. Razvili smo veliko zanimivih projektov. Njihovi rezultati so bili večkrat razstavljeni v moskovskih muzejih - Zoološki Moskovski državni univerzi, Paleontološki, Darwin, na različnih festivalih otroške ustvarjalnosti. Glavna stvar pa je, da navadni otroci, ki niso izbrani ne za likovne ne za biološke pouke, z veseljem opravijo te oblikovalske naloge, so ponosni na svoje delo in, kot se nam zdi, začnejo veliko gledati v svet živih. bolj natančno in premišljeno. Seveda nima vsaka šola možnosti sodelovanja učiteljev biologije in likovne kulture, a nekatere naše ugotovitve bodo verjetno zanimive in koristne, tudi če delate le v okviru programa biologije.

Motivacija: najprej čustva

Seveda rišemo, da bi bolje preučili in razumeli značilnosti strukture, da bi se seznanili z raznolikostjo tistih organizmov, ki jih preučujemo v razredu. Toda ne glede na to, kakšno nalogo boste dali, ne pozabite, da je za otroke te starosti zelo pomembno, da pred začetkom dela čustveno ujamejo lepoto in uporabnost predmeta. Trudimo se začeti delati na novem projektu z živimi vtisi. Za to je najbolj primeren kratek video posnetek ali majhen (ne več kot 7-10!) izbor diapozitivov. Naši komentarji so usmerjeni v nenavadnost, lepoto, neverjetnost predmetov, pa četudi gre za nekaj običajnega: na primer zimske silhuete dreves pri preučevanju razvejanosti poganjkov - lahko so bodisi zmrznjene in spominjajo na korale ali poudarjene grafike - črno na belem snegu. Takšen uvod ne sme biti dolg – ​​le nekaj minut, je pa zelo pomemben za motivacijo.

Napredek: analitična izdelava

Nato preidete na oblikovanje naloge. Tukaj je pomembno, da najprej izpostavimo tiste značilnosti strukture, ki določajo videz predmeta, in pokažemo njihov biološki pomen. Seveda je treba vse to zapisati na tablo in zapisati v zvezek. Pravzaprav zdaj postavljate delovno nalogo učencem – videti in prikazati.

In nato na drugi polovici plošče opišete faze gradnje risbe in jih dopolnite z diagrami, t.j. opišite metodologijo in postopek. V bistvu sami hitro opravite nalogo pred otroki, pri čemer obdržite na tabli celo vrsto pomožnih in vmesnih konstrukcij.

V tej fazi je zelo dobro otrokom pokazati dokončane risbe, bodisi umetnikov, ki so upodabljali iste predmete, bodisi z uspešnim delom prejšnjih učencev. Nenehno je treba poudarjati, da je dobra in lepa biološka risba v bistvu študij – t.j. odgovor na vprašanje, kako predmet deluje, in sčasoma naučite otroke, da ta vprašanja oblikujejo sami.

Proporcije, pomožne črte, detajli, vodilna vprašanja

Izdelava risbe - in raziskovanje predmeta! - začnete tako, da ugotovite njena razmerja: razmerje med dolžino in širino, deli in celoto, ne pozabite nastaviti dokaj tog formata za sliko. To je format, ki bo samodejno določil stopnjo podrobnosti: veliko število podrobnosti bo izginilo na majhni, velika bo zahtevala nasičenost s podrobnostmi in zato več časa za delo. Vnaprej razmislite, kaj vam je v posameznem primeru bolj pomembno.

1) narišite simetrično os;

2) zgradite dva para simetričnih pravokotnikov - za zgornja in spodnja krila (na primer kačji pastirji), pri čemer najprej določite njihova razmerja;

3) v te pravokotnike vstavite ukrivljene črte kril

riž. 1. 7. razred. Tema "Ekipe žuželk." Črnilo, pero na svinčnik, iz satena

(Spomnim se smešne, žalostne in navadne zgodbe, ki se je zgodila, ko sem prvič opravil to delo. Sedmošolec je besedo »prilegati« najprej razumel kot enostavno notranjost in je znotraj pravokotnikov narisal ukrivljene kroge – vsi štirje so različni! Potem je po mojem navodilu, kaj vnesti - pomeni dotikanje pomožnih črt, prinesel metulja s pravokotnimi krili, le rahlo zglajenimi v vogalih. In šele potem sem mu uganil razložiti, da se vpisana krivulja dotika vsake strani pravokotnika samo v eni točki. In risbo smo morali ponovno narediti ...)

4) ... Ta točka se lahko nahaja na sredini stranice ali na razdalji ene tretjine od vogala in to je treba tudi določiti!

A kako vesel je bil, ko je njegova risba prišla na šolsko razstavo – prvič – je uspelo! In zdaj v opisu »Napredka dela« izgovarjam vse stopnje našega mučenja z njim.

Nadaljnja podrobnost risbe nas le pripelje do razprave o biološkem pomenu številnih značilnosti predmeta. V nadaljevanju primera s krili žuželk (slika 2) razpravljamo o tem, kaj so žile, kako so razporejene, zakaj se nujno združijo v eno mrežo, kako se narava žičenja razlikuje pri žuželkah različnih sistematičnih skupin (npr. in nova krila), zakaj je skrajna žila prednjih kril zadebeljena itd. In poskusite dati večino svojih navodil v obliki vprašanj, na katera morajo otroci najti odgovore.

riž. 2. "Kačji pastir in mravljinček." 7. razred, tema "Ekipe žuželk." Črnilo, pero na svinčnik, iz satena

Mimogrede, poskusite pobrati več predmetov iste vrste, tako da fantom omogočite izbiro. Ob koncu dela bo razred videl tako biološko raznolikost skupine kot pomembne skupne značilnosti strukture, končno pa različne risarske sposobnosti otrok ne bodo tako pomembne.

Žal učitelj nima vedno na voljo zadostnega števila različnih predmetov iste skupine. Morda vam bodo naše izkušnje koristile: pri študiju skupine najprej naredimo čelno risbo lahko dostopnega predmeta iz življenja, nato pa individualno - risbe različnih predmetov s fotografij ali celo iz risb profesionalnih umetnikov.

riž. 3. Kozice. 7. razred, tema "Raki". Svinčnik, iz narave

Na primer, v temi »Raki« v laboratoriju »Zunanja zgradba rakov« vsi najprej narišemo kozice (namesto rakov), kupljene zamrznjene v trgovini (slika 3), nato pa po ogledu kratkega videa posnetek, posamezno - različne ličinke planktonskih rakov (slika 4), upodobljene v "Življenje živali": na velikih (A3) listih, obarvanih z akvarelom v hladno sivih, modrih, zelenkastih tonih; kreda ali bel gvaš, obdelava drobnih detajlov s črnilom in peresom. (Ko pojasnjujemo, kako prenesti preglednost planktonskih rakov, lahko ponudimo najpreprostejši model - steklen kozarec s predmetom, ki je v njem zaprt.)

riž. 4. Plankton. 7. razred, tema "Raki". Toniran papir (format A3), kreda ali bel gvaš, črno črnilo, iz satena

V 8. razredu pri preučevanju rib v laboratorijskem delu "Zunanja zgradba kostnih rib" najprej narišemo navadnega ščurka, nato pa fantje z akvareli narišejo predstavnike različnih vrst rib iz čudovitih barvnih tabel "Komercialne ribe", ki imamo v šoli.

riž. 5. Okostje žabe. 8. razred, tema "Duživke". Svinčnik, z vzgojno pripravo

Pri preučevanju dvoživk najprej - laboratorijsko delo "Struktura žabjega okostja", risba s preprostim svinčnikom (slika 5). Nato po ogledu kratkega video posnetka akvarelna risba različnih eksotičnih žab, ki plezajo po listih itd. (Rišemo iz koledarjev s kakovostnimi fotografijami, na srečo zdaj niso redkost.)

S to shemo se precej dolgočasne risbe s svinčnikom istega predmeta dojemajo kot običajna pripravljalna faza za svetla in individualna dela.

Pomembno: tehnika

Za uspešen zaključek dela je zelo pomembna izbira tehnike. V klasični različici bi morali vzeti preprost svinčnik in bel papir, vendar .... Naše izkušnje pravijo, da bo z vidika otrok takšna risba videti nedokončana, ostali bodo nezadovoljni z delom.

Medtem je dovolj, da naredite skico s svinčnikom s črnilom in celo vzamete toniran papir (pogosto uporabljamo barvni papir za tiskalnike) - in rezultat bo zaznan precej drugače (sl. 6, 7). Občutek nepopolnosti se pogosto ustvari ravno zaradi pomanjkanja podrobnega ozadja, najlažje pa to težavo rešite s pomočjo toniranega papirja. Poleg tega lahko z navadno kredo ali belim svinčnikom skoraj v trenutku dosežete učinek bleščanja ali prosojnosti, kar je pogosto potrebno.

riž. 6. Radiolarija. 7. razred, tema "Najenostavnejši". Toniran papir (format A3) za akvarel (z grobo teksturo), črnilo, pastel ali kredo, iz satena

riž. 7. Čebela. 7. razred, tema "Ekipe žuželk." Črnilo, pero na svinčniku, volumen - s čopičem in razredčenim črnilom, majhni detajli s peresom, iz satena

Če vam je težko organizirati delo z maskaro, uporabite mehke črne podloge ali kroglice (v najslabšem primeru gel peresa) - dajejo enak učinek (sl. 8, 9). S to tehniko se prepričajte, da pokažete, koliko informacij je podanih z uporabo črt različnih debelin in pritiska – tako za poudarjanje najpomembnejše stvari kot za ustvarjanje učinka glasnosti (ospredje in ozadje). Uporabite lahko tudi zmerno in rahlo senčenje.

riž. 8. Oves. 6. razred, tema "Sorte cvetočih rastlin, družina žit." Črnilo, toniran papir, iz herbarija

riž. 9. Preslica in klubski mah. 6. razred, tema "Spore rastline". Črnilo, bel papir, iz herbarija

Poleg tega, za razliko od klasičnih znanstvenih risb, delo pogosto opravimo v barvah ali uporabimo svetlo toniranje za prikaz volumna (slika 10).

riž. 10. Komolčni sklep. 9. razred, tema "Mišično-skeletni sistem". Svinčnik, s pomočjo mavca

Od barvnih tehnik smo preizkusili marsikaj – akvarel, gvaš, pastel, na koncu pa smo se odločili za mehke barvne svinčnike, a vedno na grob papir. Če se odločite preizkusiti to tehniko, morate upoštevati nekaj pomembnih stvari.

1. Vzemite mehke kakovostne svinčnike dobrega podjetja, kot je Kohinoor, vendar otrokom ne dajajte široke palete barv (dovolj osnovnih): v tem primeru običajno poskušajo pobrati že pripravljeno barvo, kar seveda ne uspe. Pokažite, kako dobiti pravi odtenek z mešanjem 2-3 barv. Če želite to narediti, morate delati s paleto - kos papirja, na katerem izberejo želene kombinacije in pritisk.

2. Grobi papir bo močno olajšal nalogo uporabe šibkih in močnih barv.

3. Lahke kratke poteze naj bi tako rekoč izklesale obliko predmeta: t.j. ponovite glavne črte (in ne barve, v nasprotju z obliko in obrisi).

4. Potem potrebujete končne sočne in močne poteze, ko so že izbrane prave barve. Pogosto je vredno dodati poudarke, ki bodo močno poživili risbo. Najlažji način je, da za to uporabite navadno kredo (na toniranem papirju) ali pa z mehko radirko (na belem). Mimogrede, če uporabljate ohlapne tehnike - kredo ali pastel - lahko potem popravite delo z lakom za lase.

Ko boste obvladali to tehniko, jo boste lahko uporabljali v naravi, s pomanjkanjem časa, dobesedno "na kolenu" (ne pozabite le na tablete - dovolj je le kos embalažnega kartona!).

In seveda za uspeh našega dela vsekakor prirejamo razstave – včasih v učilnici, včasih na hodnikih šole. Neredko so na razstavo tempirana otroška poročila na isto temo – ustna in pisna. Nasploh tak projekt pušča vam in otrokom občutek odličnega in lepega dela, na katerega se je vredno pripraviti. Verjetno lahko s stikom in vzajemnim zanimanjem z učiteljem risanja začnete z delom pri pouku biologije: analitična pripravljalna faza preučevanja predmeta, ustvarjanje skice s svinčnikom in jo dokončate v tehniki, ki ste jo izbrali skupaj - v njegovih urah.

Tukaj je primer. Botanika, tema "Pobeg - brsti, razvejanje, struktura poganjka." Veja z brsti - velika v ospredju, v ozadju - silhuete dreves ali grmovnic na ozadju belega snega in črnega neba. Tehnika - črno črnilo, bel papir. Veje - iz narave, silhuete dreves - s fotografij ali knjižnih risb. Ime je "Drevesa pozimi" ali "Zimska pokrajina".

Še en primer. Pri preučevanju teme "Ekipe žuželk" izvedemo kratko delo "Oblika in prostornina hroščev". Vsaka tehnika, ki prenaša chiaroscuro in poudarke (akvarel, črnilo z vodo, čopič), vendar enobarvno, da se ne odvrnemo od premisleka in podobe oblike (slika 11). Bolje je, da podrobnosti obdelate s peresom ali gelnim peresom (če uporabite povečevalno steklo, se bodo tace in glava bolje izkazale).

riž. 11. Hrošči. Črnilo, pero na svinčniku, volumen - s čopičem in razredčenim črnilom, majhni detajli s peresom, iz satena

1-2 lepa dela v četrtini sta dovolj - in risanje žive stvari bo navdušilo vse udeležence tega težkega procesa.

Cilji

• Vzgojno: nadaljevati oblikovanje znanja o biologiji kot znanosti; podati pojme o glavnih delih biologije in predmetih, ki jih preučujejo;
• Razvijanje: oblikovanje veščin dela z literarnimi viri, oblikovanje veščin analitičnega povezovanja;
• Vzgojno: razširiti obzorja, oblikovati celostno dojemanje sveta.

Naloge

1. Razkriti vlogo biologije med drugimi vedami.
2. Razkriti povezanost biologije z drugimi vedami.
3. Ugotovite, katere različne veje biologije preučujejo.
4. Opredelite vlogo biologije v življenju človek.
5. Naučite se zanimivih dejstev o temi iz videoposnetkov, predstavljenih v lekciji.

Pogoji in koncepti

• Biologija je kompleks znanosti, katerega predmet preučevanja so živa bitja in njihova interakcija z okoljem.
• Življenje je aktivna oblika obstoja materije, v nekem smislu višja od njenih fizičnih in kemičnih oblik obstoja; niz fizikalnih in kemičnih procesov, ki se odvijajo v celici in omogočajo presnovo in njeno delitev.
• Znanost je sfera človeške dejavnosti, katere cilj je razvoj in teoretično sistematizacijo objektivnega znanja o resničnosti.

Med poukom

Posodobitev znanja

Spomnite se, kaj preučuje biologija.
Poimenujte veje biologije, ki jih poznate.
Poiščite pravilen odgovor:
1. Študije botanike:
AMPAK) rastline
B) živali
B) samo alge
2. Proučevanje gob poteka v okviru:
A) botanika
B) virologija;
B) mikologija.
3. V biologiji ločimo več kraljestev, in sicer:
A) 4
B) 5
OB 7
4. Oseba se v biologiji nanaša na:
A) Živalsko kraljestvo
B) Sesalci podrazreda;
C) Rod Homo sapiens.

S pomočjo slike 1 se spomnite, koliko kraljestev se razlikuje v biologiji:

riž. 1 Kraljestva živih organizmov

Učenje nove snovi

Prvič je izraz "biologija" leta 1797 predlagal nemški profesor T. Ruzom. Toda začel se je aktivno uporabljati šele leta 1802, po uporabi tega izraza J-B. Lamarck v svojih delih.

Danes je biologija kompleks znanosti, ki tvorijo samostojne znanstvene discipline, ki se ukvarjajo z določenimi predmeti študija.

Med "vejami" biologije lahko imenujemo takšne znanosti, kot so:
- botanika - veda, ki preučuje rastline in njene pododdelke: mikologija, lihenologija, briologija, geobotanika, paleobotanika;
- zoologija- znanost, ki preučuje živali, in njene pododdelke: ihtiologija, arahnologija, ornitologija, etologija;
- ekologija - veda o odnosu živih organizmov z okoljem;
- anatomija - znanost o notranji zgradbi vseh živih bitij;
- morfologija - veda, ki proučuje zunanjo zgradbo živih organizmov;
- citologija - veda, ki preučuje celico;
- pa tudi histologija, genetika, fiziologija, mikrobiologija in drugi.

Na splošno lahko vidite celotno biološko vede na sliki 2:

riž. 2 Biološke vede

Hkrati se izpostavijo številne znanosti, ki so nastale kot posledica tesne interakcije biologije z drugimi vedami in jih imenujemo integrirane. Te znanosti lahko varno pripišemo: biokemijo, biofiziko, biogeografijo, biotehnologijo, radiobiologijo, vesoljsko biologijo in druge. Slika 3 prikazuje glavne integralne znanosti z biologijo

riž. 3. Integralne biološke vede

Za človeka je pomembno znanje biologije.
1. naloga: Poskusite sami oblikovati, kakšen je pomen biološkega znanja za človeka?
2. dejavnost: Oglejte si naslednji videoposnetek o evoluciji in ugotovite, kakšno biološko znanje je bilo potrebno za njegovo ustvarjanje

In zdaj se spomnimo, kakšno znanje in zakaj človek potrebuje:
- za ugotavljanje različnih bolezni telesa. Njihovo zdravljenje in preprečevanje zahtevata poznavanje človeškega telesa, kar pomeni poznavanje: anatomije, fiziologije, genetike, citologije. Zahvaljujoč dosežkom biologije je industrija začela proizvajati zdravila, vitamine in biološko aktivne snovi;

V živilski industriji je treba poznati botaniko, biokemijo, fiziologijo človeka;
- v kmetijstvu je potrebno znanje botanike in biokemije. Zahvaljujoč preučevanju razmerja med rastlinskimi in živalskimi organizmi je postalo mogoče ustvariti biološke metode za zatiranje škodljivcev kmetijskih pridelkov. Na primer, kompleksno znanje botanike in zoologije se kaže v kmetijstvu, kar je razvidno iz kratkega videa

In to je le kratek seznam "koristne vloge biološkega znanja" v človeškem življenju.
Naslednji video vam bo pomagal bolje razumeti vlogo biologije v življenju.

Znanja biologije ni mogoče odstraniti iz obveznih, saj biologija preučuje naše življenje, biologija daje znanje, ki se uporablja na večini področij človekovega življenja.

3. naloga. Pojasni, zakaj sodobno biologijo imenujemo kompleksna znanost.

Utrjevanje znanja

1. Kaj je biologija?
2. Poimenujte pododdelke botanike.
3. Kakšna je vloga znanja anatomije v človekovem življenju?
4. Poznavanje, katere znanosti je potrebno za medicino?
5. Kdo je prvi identificiral pojem biologije?
6. Poglejte sliko 4 in ugotovite, katera znanost preučuje upodobljeni predmet:

sl.4. Katera znanost preučuje ta predmet

7. Preučite sliko 5, poimenujte vse žive organizme in znanost, ki to proučuje

riž. 5. Živi organizmi

Domača naloga

1. Obdelaj gradivo učbenika – 1. odstavek
2. Zapišite v zvezek in se naučite izrazov: biologija, življenje, znanost.
3. Zapišite v zvezek vse oddelke in pododdelke biologije kot znanosti, jih na kratko okarakterizirajte.

Pred kratkim je bila odkrita brezočna riba Phreaticthys andruzzii, ki živi v podzemnih jamah, v katerih notranja ura ni nastavljena na 24 (kot druge živali), ampak na 47 ur. Za to je kriva mutacija, ki je izklopila vse svetlobno občutljive receptorje na telesu teh rib.

Skupno število bioloških vrst, ki živijo na našem planetu, znanstveniki ocenjujejo na 8,7 milijona in trenutno ni več kot 20% tega števila odprto in razvrščenih.

Ledene ribe ali bele ribe živijo v vodah Antarktike. To je edina vrsta vretenčarjev, ki v krvi nima rdečih krvnih celic in hemoglobina – zato je kri ledenih rib brezbarvna. Njihov metabolizem temelji le na kisiku, raztopljenem neposredno v krvi.

Beseda "bastard" izvira iz glagola "preljubiti" in je prvotno pomenila samo nezakonsko potomstvo čistokrvne živali. Sčasoma je v biologiji to besedo nadomestil izraz "hibrid", vendar je v odnosu do ljudi postala žaljiva.

Seznam uporabljenih virov

1. Lekcija "Biologija - znanost o življenju" Konstantinova E. A., učiteljica biologije, srednja šola št. 3, Tver
2. Lekcija »Uvod. Biologija je znanost o življenju" Titorov Yu.I., učitelj biologije, direktor CL Kemerovo.
3. Lekcija "Biologija - znanost o življenju" Nikitina O.V., učiteljica biologije, MOU "Srednja šola št. 8, Cherepovets.
4. Zakharov V.B., Kozlova T.A., Mamontov S.G. "Biologija" (4. izdaja) -L .: Akademija, 2011.- 512s.
5. Matyash N.Yu., Shabatura N.N. Biologija 9. razred - K .: Geneza, 2009. - 253 str.

Uredil in poslal Borisenko I.N.

Delo na lekciji

Borisenko I.N.

Konstantinova E.A.

Titorova Yu.I.

Nikitina O.V.