Текст книги "Методика и организация биологического исследования"

Таким образом, под системой понимается организация множества взаимодействующих элементов, функционально образующих единое целое.

Теория систем пользуется своей терминологией. Прежде всего, любая система состоит из элементов. Элемент – это любая материальная частица мира: от бесконечно малых, до невероятно больших величин. В каждом конкретном случае элемент может быть множеством, сложностью, упорядоченностью, организацией и подсистемой, входящей по иерархии в более организованную систему. Множество – это простая совокупность элементов. Сложность – уже совокупность разнообразного множества. Если к этому качеству прибавляется разнообразие в отношении порядка, то это объединение рассматривается как упорядоченность. Упорядоченность – представляет собой разнообразие элементов или множеств, сформированных в определенном порядке. Если между элементами или множествами прослеживаются связи, то такое формирование определяется как организация. Организация – это упорядоченное разнообразие отношений и связей элементов множества. И, наконец, если к организации добавляется взаимодействие, определяющее целостность, – это уже система. Система – это организация множества функционально взаимодействующих элементов, образующих единое целое. Структура это инвариант системы в морфологическом масштабе с относительно устойчивыми связями и отношениями.

Теория систем очень тесно связана с теорией информации. Информация – это всеобщее свойство материи, объективно отражающее реальные свойства неживой и живой природы, общества, свойства мышления и познания. Информацию можно разделить на несколько видов: элементарную – в неживой Природе; биологическую – в живой Природе; логическую; антропологическую, социальную.

Как быть, если нам не полностью известны характеристики, определяющие взаимосвязь частей в целом? В научных исследованиях так чаще всего и бывает. Как правило, имеется неполная информация о целом, его частях и о связях между частями, и, тем не менее, необходимо найти целое. Аналитического решения такая задача не имеет. Решение задачи в «лоб» в некоторых случаях может дать метод перебора. Перебор вариантов есть следствие недостаточности информации. Это обменная операция – обменивается неосведомленность на время («чем меньше знаем, тем дольше ищем»).

Основная задача исследований – это борьба с перебором, т.е. поиск ограничивающих «слепой» перебор правил. Законы Природы – это совокупность правил, запрещающих определенные варианты перестановок и сочетаний, получаемых из комбинаторного анализа. При исследовании каждый бит дополнительной информации сокращает перебор. В исследованиях имеют дело с несколькими каналами получения информации (научный эксперимент, известные законы Природы, осведомленный консультант и т.д.). Системный подход в технике состоит в синтезе системы с заданными свойствами на основе известного функционального набора элементов. Такой синтез можно считать «прямой задачей». В биологии и физике фактически ставится «обратная задача» – по поведению уже существующей системы необходимо восстановить ее организацию.

Все эти общие положения теории систем и теории информации («системно-информационная концепция») дают методологическую основу для глубокого понимания всей системы «Природы», а также прогнозирования ее поведения в ближайшем и отдаленном будущем.

Теория циклов (теория цикла, от греч. kyklos – круг) – совокупность взглядов на все природные явления и процессы как постоянные, противоречивые, циклические (генератором данной теории в новейшее время являлся ставропольский ученый – химик и философ Юрий Николаевич Соколов).

В глубокой древности возник взгляд, согласно которому источником самодвижения и саморазвития мира является противоречие. Противоречие – это взаимосвязь двух противоположностей. Этот взгляд получил название диалектики. Согласно диалектике, противоречие – это как бы «душа» реальности. Мы думаем, что именно анализ взаимосвязи противоположностей – в противоречии должен дать нам единый, универсальный принцип строения Природы.

Пусть объект А имеет некоторое противоречие. Противоположность этого противоречия обозначим условно как «+» и «-». Противоречие в процессе жизни объекта А и, следовательно, всей материи. Возникает следующий вопрос – что должно произойти с противоречием, чтобы оно одновременно изменилось и сохранилось? Для выполнения этих условий существует единственный вариант – противоположности противоречия должны перейти друг в друга. Плюс становится минусом, а минус – плюсом. Противоречие объекта А⁺, таким образом, как бы перевернется, перейдет в противоположное, зеркальное.

Изменение противоречия повлечет за собой изменение объекта А^-. Переход противоречия в противоположное будет означать и переход в свою противоположность, или антиобъект. Противоречие антиобъекта, на основе тех же рассуждений, перейдет в противоречие объекта А⁺. Возникает бесконечный процесс колебания противоречия, показанный ниже на рисунке 1.

Рис. 1. Схема процесса колебания противоречия

Сформулируем основные положения теории цикла:

1. Любое взаимодействие в природе построено по единой, универсальной и абсолютной схеме, структуре. Эта структура названа авторами циклом. Мир предстает как система взаимосвязанных циклов, где один включен в другой, более широкий.

2. Цикл имеет два полюса, которые выступают как противоположности. На каждом полюсе сосредоточено противоречие, как взаимоотношение двух противоположностей – направления сил и геометрии сил. Направление сил – определенный вектор силы или совокупность векторов сил. Геометрия сил – это линия, которую описывает основание вектора, когда он меняет свое направление.

3. Цикл имеет строго фиксированную и определенную структуру пространства-времени. Структура времени определяется геометрической фигурой, которая по форме похожа на восьмерку или структуру развернутой ленты Мебиуса. Структура изменяется по двум зеркально-симметричным циклоидам.

4. В цикле самым важным и определяющим его структуру, выступает противоречие, или взаимоотношение между направлением сил и геометрией сил.

5. По мнению авторов теории, цикл может выступать как элементарная составляющая взаимодействия, как инвариант взаимодействия, как единый закон мироздания, а теория цикла может быть использована как метод научного исследования в различных науках.

Каждая из рассмотренных методологий, как мы уже отмечали, стремится к универсализму, абсолютизму, уникальности. Отчасти эти методологии противоречат друг другу (ученый физик-синергетик и верующий-христианин могут до драки спорить о том, кто из них прав), а отчасти взаимодополнимы и способны составлять целое.

§ 1.2. Классификация методов исследования

В современном наукознании существуют различные классификации методов исследования. К примеру, существует классификация, подразделяющая все методы на общие (касающиеся всего естествознания, различные методы диалектики, сравнительный, исторический, сравнительно-исторический), особенные (касаются не предмета в целом, а одной из его сторон, сущности, количественной стороны, структурных связей или же определенного приема исследований анализа, синтеза, индукции, дедукции. К ним относят наблюдение, эксперимент, измерение, методы статистики и теории вероятностей) и частные (как правило, методы, действующие в отдельной отрасли науки) методы познания.

В данном пособии мы приведем наиболее общую из них, подразделив все методы на общенаучные эмпирические, теоретические и, применяемые, как в теоретических, так и эмпирических исследованиях.

Общенаучные методы эмпирического познания

Наблюдение (научное наблюдение) есть чувственное отражение предметов и явлений природы. Особенности данного метода: целенаправленность (для решения поставленной задачи); планомерность (по плану, исходя из задачи исследования); активность (исследователь должен активно искать, выделять нужное, использовать технические средства). Наблюдение всегда сопровождается описанием объекта познания. При наблюдении отсутствует деятельность, направленная на преобразование, изменение объекта. Наблюдение может быть прямое (непосредственное) – с помощью органов чувств человека; опосредованное – с помощью технических средств; косвенное, например, о присутствии организмов можно судить по следам их деятельности.

Эксперимент – это сложный метод эмпирического познания, включающий активное, целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на изучаемый объект для выявления и изучения тех или иных сторон, свойств, связей (эксперимент может быть лабораторный, полевой). Экспериментатор может вмешиваться в естественный ход событий.

«Наблюдение собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берет у природы то, что хочет» (И.П. Павлов). Эксперимент включает в себя наблюдение и измерение. Эксперименты бывают исследовательские, проверочные, качественные и количественные.

Исследовательские эксперименты дают возможность обнаружить у объекта новые, неизвестные свойства.

Проверочные эксперименты служат для проверки, подтверждения тех или иных теоретических построений.

Качественные эксперименты позволяют выявить действие тех или иных факторов на изучаемое явление.

Количественные эксперименты направлены на установление точных количественных зависимостей в исследуемом явлении.

Измерение – процесс, заключающийся в определении количественных значений тех или иных свойств, сторон изучаемого объекта, явления с помощью специальных, в том числе технических устройств. Единица измерения – это эталон, с которым сравнивается измеряемая сторона объекта. Единицы измерения основные (например, система измерений СИ) и производные, выводимые из других единиц (с помощью, например, математического аппарата). Измерения могут быть статические (размер и окраска тела насекомого) и динамические (рождаемость, смертность, популяционные волны), а также прямые (непосредственный подсчет организмов на маршруте, в квадрате или трансекте) и косвенные (искомую величину определяют на основании известной математической зависимости, например, скорость роста популяции насекомых).

Для научно-исследовательской практики важно не только знание тех направлений, в русле которых создаются теоретические конструкции, но и понимание особенностей эмпирического и теоретического знания, которое выступает базовой составляющей специальной подготовки энтомолога (табл. 1).

Таблица 1

Особенности эмпирического и теоретического знания

Общенаучные методы теоретического познания

Абстрагирование. Восхождение от абстрактного к конкретному – мысленное отвлечение от каких-то менее существенных свойств, сторон изучаемого объекта с одновременным выделением, формированием существенных сторон объекта (абстракция). Выделяют абстракцию отождествления (например, объединение животных и растений в роды, семейства на основе определенных общих признаков) и изолирующую абстракцию (выделение отдельных свойств и признаков, например, экологическая валентность отдельных видов организмов). Абстрагирование требует перехода к конкретному, т.е. конкретное → абстрактное → конкретное.

Идеализация, или мысленный эксперимент – мысленное внесение определенных изменений в изучаемый объект в соответствии с целями исследования (например, идеальная экосистема, популяция, виртуальный эксперимент).

Формализация – использование специальной символики, позволяющей отвлечься от изучения реальных объектов (символы, знаки, «языки науки»).

Индукция и дедукция (два взаимосвязанных процесса, метода). Индукция (лат. наведение, побуждение) – умозаключение, которое приводит к получению общего вывода на основании частных посылок (от частного к общему, например, закон гомологических рядов наследственной изменчивости). Дедукция (лат. выведение) – получение частных выводов на основе знания каких-то общих положений (от общего к частному, например, раздражимость общее свойство живого, у простейших оно проявляется в виде таксисов).

Осмысление – осознание, открытие смысла, значения чего-либо, понимание.

Обобщение – общий вывод, выражение основных результатов в общем положении, придание общего значения чему-либо.

Концептуализация (концепция – восприятие, общий замысел, основная мысль чего-либо) – сведение в систему существующих взглядов (≈ понимание).

Общенаучные методы, применяемые на эмпирическом и теоретическом уровнях познания

Анализ и синтез (две стороны процесса). Анализ – разделение объекта (процесса) мысленно или реально на составные части с целью с целью их отдельного изучения. Синтез – объединение, движение от отдельных частей к целому.

Аналогия и моделирование. Аналогия – установление сходства (или различия) между объектами в результате сравнения (например, аналогичные и гомологичные органы животных). Моделирование – создание моделей (реальных, идеальных) развития процессов и явлений. Модели классифицируют на физические (подобные модели и оригиналы, например, аквариум – модель водной экосистемы); символические (схемы, графики, математические модели. В сочетании с физическими моделями – естественно-математическое моделирование); численное моделирование на ЭВМ.

!!! При описании методологии и методов исследования необходимо обращать внимание на то, чтобы не допускать:

− описание метода исследования в слишком общей форме, неясно, двусмысленно;

− перечисления всех известных методологий и групп методов без указания какие из них наилучшим образом отвечают задачам данного исследования, не допускать формального подхода к выбору методологии и методов исследования;

− использования методологии или метода исследования, которые устарели или дискредитировали себя в научных кругах;

− использования методов и приемов научного исследования, не отвечающих заявленным целям работы.

ГЛАВА II.
МЕТОДЫ СБОРА ДАННЫХ О БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ

§ 2.1. Методы сбора биологических объектов

Вводные замечания. Существует несколько моментов, которые необходимо учитывать при сборе организмов.

1. Следует изучить свод законов данного края, района, вышедших за последнее время, касающихся, преждевсего, различных аспектов природопользования вданном районе.

2. Прежде, чем начать биологические (энтомологические) наблюдения, необходимо получить разрешение от владельца данной территории.

3. Нелишне получить консультацию в местном краеведческом обществе, учебном заведении или в обществе охраны природы о том, где и что Вам собирать.

4. Никогда не выносите организмы за пределы местообитания и не уничтожайте их без особой надобности.

5. Оставляйте местообитание по возможности ненарушенным, верните, например, на прежнее местокамни, дерн, бревна и т.д.

6. При необходимости отобрать организмы для определения берите как можно меньшее число особейи, если это возможно, верните их на прежнее место.

7. Животных во время доставки в лабораторию дляопределения держите отдельно друг от друга длятого, чтобы предотвратить их порчу или поеданиехищниками. Например, не помещайте в один сосудмалощетинковых червей и жужелиц.

8. Во время исследования и сбора образцов всегда записывайте как можно больше сведений о прохождении эксперимента, топографии местообитания, климатических условиях и др., так как эта информация может иметь отношение к собранному материалу.

Пример того, как следует записывать информацию об эксперименте и местообитании, приведен в правилах ведения дневника и таблице 2.

Правила ведения дневника исследования (описание эксперимента)

Описание эксперимента в специальном дневнике (журнале) необходимо вести по следующему плану:

1) название (должна быть ясно сформулированасуть исследуемой проблемы), например: «Эксперимент по изучению влияния рН почвенной среды на развитие личинок майского жука»;

2) гипотеза или цель: «изучить влияние рН почвенной среды на размеры личинок майского жука и определить оптимум рН для разных фаз развития личинок»;

3) методика и организация эксперимента. Этоперечень действий, производимых во время эксперимента. Краткий, проводится в том же порядке, в котором устанавливались приборы и производились действия во время эксперимента. Указываются точки и время сбора насекомых во время эксперимента.

Методика описывается в прошедшем времени и не от первого лица (необходимо сделать описание эксперимента таким, чтобы другие исследователи могли повторить эксперимент);

4) результаты и наблюдения. Могут быть качественные и количественные, в виде словесного описания, а также в виде таблиц, графиков, карт, диаграмм и пр., если несколько измерений, то среднее значение;

5) обсуждение. Краткое и проводится в форме ответов на возможные вопросы или в форме подтверждения цели. Не должно быть повторением результатов, а в нем попытаться связать теорию с полученным результатом;

6) заключение: «между величиной рН почвенной среды и размерами личинок майского жука существует определенная зависимость, оптимальное значение рН равно x. Природа реакции и другие физические и химические аспекты влияния рН на другие показатели биологии развития личинок».

Таблица 2

Бланк полевого дневника для записи эдафических, топографических и климатических особенностей 1. Дата

При исследовании организмов, населяющих данное местообитание (биотический компонент экосистемы), необходимо охарактеризовать структуру сообщества, т.е. определить встречающиеся в местообитании виды и численность популяции каждого вида. Совершенно очевидно, что выявить и подсчитать все организмы данного вида невозможно, поэтому применяется такой метод сбора образцов, который позволяет определить присутствующие виды и их численность. Всегда необходимо использовать достоверные методы отбора и регистрации образцов и, как говорится, «ни один камень не должен остаться нетронутым» (при условии, что его вернут на место), потому что организмы занимают почти все доступные микроместообитания.

При записи данных все виды животных, поддающиеся определению, необходимо определить прямо в поле, пользуясь, если нужно, определителями. Собирать надо только те виды, о которых известно, что они широко распространены в данной местности и не относятся к редким видам. Массовый сбор видов может иметь серьезные последствия для местных сообществ. Организмы необходимо определять с максимально возможной точностью, т.е. до видов. Часто это сделать невозможно, тогда надо постараться установить их принадлежность к определенному классу, отряду, семейству. Полученные качественные и количественные данные о местообитании зависят от особенностей методов отбора образцов и оценки численности организмов. Метод выбирают в соответствии с образом жизни, поведением и размерами организма.

Существует множество методов сбора образцов. Эти методы и их применение суммированы в табл. 3.

Таблица 3

Сводная таблица различных методов сбора организмов

Методы сбора образцов на исследуемой территории

Для того чтобы унифицировать участки, на которых проводятся исследования абиотического и биотического компонентов экосистемы, обычно закладывают трансекты и (или) квадраты и сбор образцов ограничивают их площадью.

Линейная трансекта. Она может быть использована для сбора образцов на однородной площади. Натянутая над землей между двумя столбами тесьма или веревка показывает положение трансекты. Собирают только те виды, которые действительно соприкасаются с линией трансекты.

Ленточная трансекта. Это проложенная через изучаемое местообитание полоса заданной ширины, образованная двумя линейными трансектами, протянутыми на расстоянии 0,5 м или 1,0 м друг от друга, между которыми производится учет видов.

Квадрат. Этот инструмент представляет собой металлическую или деревянную квадратную раму определенной площади, например, 0,25 м² или 1 м². Раму кладут по одну сторону трансекты и исследуют площадь, заключенную внутри рамы. Потом раму переносят вдоль линейной трансекты в другие точки. В зависимости от характера исследования можно либо регистрировать находящиеся внутри рамы виды, либо оценивать их численность.

Постоянный квадрат. При длительных экологических исследованиях, включающих изучение смен сообществ (сукцессии) или сезонных изменений, используют постоянный квадрат или трансекту. Натянутой на колышки нейлоновой веревкой отмечают участок, на котором периодически исследуют абиотические и биотические факторы.

Методы оценки размеров популяции

Выбор метода зависит от размеров и образа жизни организма и площади исследуемой территории. На небольшом участке можно непосредственно подсчитать число медленно передвигающихся животных. На больших же открытых пространствах для оценки численности быстро передвигающихся животных необходимы косвенные методы учета.

Объективные методы.

Квадрат. Если установлено число организмов в пределах некоторого числа квадратов, занимающих известную часть общей площади, то простым умножением можно подсчитать численность организмов на всей территории. Используя этот метод, можно определить следующие параметры распределения видов:

− плотность вида – это число организмов определенного вида на данной площади, например, на 10м²;

− частота вида – это вероятность обнаружения определенного вида в пределах любого случайным образом брошенного квадрата в данном районе.

Например, если вид встречается в одном из каждых десяти квадратов, то его встречаемость равна 10 %. Чтобы получить эту величину, отмечают наличие или отсутствие вида в каждом квадрате, брошенном случайным образом. (Число присутствующих особей не имеет значения).

Прямое наблюдение. Такой подсчет особей применим не только к сидячим или медленно передвигающимся животным, но и ко многим подвижным организмам.

Фотографирование. Прямым подсчетом особей на фотоснимках можно установить размеры популяций животных.

Метод изъятия. Животных отлавливают, записывают число пойманных и не выпускают до конца исследования. Затем еще трижды повторяют отлов, при этом с каждым разом число пойманных животных уменьшается.

Субъективные методы.

Эти методы включают в себя определенный способ оценки частоты, шкалу частоты или оценку обилия. Например, в условной шкале:

А – обильный 50 %

С – обычный 10-50 %

F – часто встречающийся 1-10 %

0 – редкий 1 %

R – единичный – за 30 минут поисков обнаружено лишь несколько особей.

Главный недостаток этого метода состоит в том, что он необъективен и при использовании его наблюдается тенденция к уменьшению величины покрытия для мелких невзрачных видов по сравнению с крупными, бросающимися в глаза.

Составление карты местности (вид сверху)

Описанный ниже простой метод предназначен для картирования небольших площадей, например, участка луга размером 10x10 м или небольшого водоема, но его можно использовать также на больших площадях, например, при картировании скалистого берега залива.

1. Выберите приблизительно участок для изучения и натяните рулетку вдоль одной из его сторон (можно использовать длину собственного шага). Рулеткой (или шагами) отмечается базовая линия АБ (рис. 2).

2. В направлении, перпендикулярном базовой линии, отмерьте расстояние до определенных естественных ориентиров, находящихся в пределах изучаемого участка или до ограничивающих участок колышков. Запишите эти значения.

3. На листе миллиметровой бумаги в соответствующем масштабе начертите линию АБ и перенесите все отмеренные в перпендикулярном направлении расстояния.

4. Приняв за основу уже начерченную базовую линию АБ и отложенные в перпендикулярном направлении расстояния до естественных ориентиров, закончите карту от руки.

5. Отметьте положение участков, ясно различающихся по структуре и растительности.

6. В зависимости от характера изучаемой территории с помощью линейной, ленточной трансект или воздушного сачка планомерно исследуйте участок, скажем, слева направо и запишите все встречающиеся виды, их численность или обилие; отметьте на карте места отлова животных, их наибольшей или наименьшей плотности.

Рис. 2. Пример составления карты местности: АБ – базовая линия; 1-15 – точки естественных ориентиров