Biologické vedy kráčajú cestou od veľkých k malým. Nedávno biológia opísala výlučne vonkajšie znaky zvierat, rastlín a baktérií. Molekulárna biológia študuje živé organizmy na úrovni interakcií jednotlivých molekúl. Štrukturálna biológia – študuje procesy v bunkách na atómovej úrovni. Ak sa chcete naučiť, ako „vidieť“ jednotlivé atómy, ako funguje a „žije“ štrukturálna biológia a aké nástroje používa, toto je miesto pre vás!

Generálnym partnerom cyklu je spoločnosť: najväčší dodávateľ zariadení, činidiel a spotrebného materiálu pre biologický výskum a výrobu.

Jedným z hlavných poslaní Biomolecules je dostať sa ku samotným koreňom. Nepovieme vám len to, aké nové skutočnosti výskumníci objavili – hovoríme o tom, ako ich objavili, snažíme sa vysvetliť princípy biologických techník. Ako vybrať gén z jedného organizmu a vložiť ho do iného? Ako môžete sledovať osud niekoľkých malých molekúl v obrovskej bunke? Ako vybudiť jednu malú skupinu neurónov v obrovskom mozgu?

A tak sme sa rozhodli hovoriť o laboratórnych metódach systematickejšie, aby sme v jednej časti spojili najdôležitejšie, najmodernejšie biologické techniky. Aby to bolo zaujímavejšie a prehľadnejšie, články sme výrazne ilustrovali a sem-tam dokonca pridali animáciu. Chceme, aby boli články v novej rubrike zaujímavé a zrozumiteľné aj pre náhodného okoloidúceho. A na druhej strane by mali byť také detailné, aby v nich aj profesionál mohol objaviť niečo nové. Metódy sme zhromaždili do 12 veľkých skupín a na ich základe vytvoríme biometodický kalendár. Zostaňte naladení na aktualizácie!

Prečo je potrebná štrukturálna biológia?

Ako viete, biológia je veda o živote. Objavil sa na samom začiatku 19. storočia a prvých sto rokov svojej existencie bol čisto popisný. Hlavnou úlohou biológie v tom čase bolo nájsť a charakterizovať čo najviac druhov rôznych živých organizmov a o niečo neskôr - identifikovať rodinné vzťahy medzi nimi. Postupom času a s rozvojom ďalších vedných odborov sa z biológie vyprofilovalo niekoľko odborov s predponou „molekulárny“: molekulárna genetika, molekulárna biológia a biochémia – vedy, ktoré študujú živé veci na úrovni jednotlivých molekúl, a nie podľa vzhľadu. organizmu alebo relatívnej polohe jeho vnútorných orgánov. Napokon celkom nedávno (v 50. rokoch minulého storočia) vznikla taká oblasť poznania ako štruktúrna biológia- veda, ktorá študuje procesy v živých organizmoch na úrovni zmien priestorová štruktúra jednotlivé makromolekuly. Štrukturálna biológia je v podstate na priesečníku troch rôznych vied. Po prvé, ide o biológiu, pretože veda študuje živé objekty, po druhé o fyziku, pretože sa používa najširší arzenál fyzikálnych experimentálnych metód, a po tretie o chémiu, pretože zmena štruktúry molekúl je predmetom tejto konkrétnej disciplíny.

Štrukturálna biológia študuje dve hlavné triedy zlúčenín - proteíny (hlavné „pracovné telo“ všetkých známych organizmov) a nukleové kyseliny (hlavné „informačné“ molekuly). Vďaka štruktúrnej biológii vieme, že DNA má štruktúru dvojitej špirály, že tRNA by mala byť znázornená ako staré písmeno „L“ a že ribozóm má veľkú a malú podjednotku pozostávajúcu z proteínov a RNA v špecifickej konformácii.

Globálny cieľštrukturálna biológia, ako každá iná veda, je „pochopiť, ako všetko funguje“. V akej forme je zložený reťazec proteínu, ktorý spôsobuje delenie buniek, ako sa mení obal enzýmu počas chemického procesu, ktorý vykonáva, na akých miestach interaguje rastový hormón a jeho receptor – to sú otázky, ktoré tento veda odpovedá. Okrem toho je samostatným cieľom nazhromaždiť taký objem údajov, aby sa tieto otázky (na zatiaľ nepreskúmanom objekte) dali zodpovedať na počítači bez použitia drahého experimentu.

Napríklad musíte pochopiť, ako funguje bioluminiscenčný systém u červov alebo húb – rozlúštili genóm, na základe týchto údajov našli požadovaný proteín a predpovedali jeho priestorovú štruktúru spolu s mechanizmom fungovania. Treba si však uvedomiť, že takéto metódy zatiaľ existujú len v plienkach a stále nie je možné presne predpovedať štruktúru proteínu, ktorý má iba svoj gén. Na druhej strane výsledky štrukturálnej biológie majú uplatnenie v medicíne. Ako mnohí výskumníci dúfajú, poznatky o štruktúre biomolekúl a mechanizmoch ich práce umožnia vývoj nových liekov na racionálnom základe, a nie metódou pokus-omyl (presne povedané, vysokovýkonný skríning), ako sa to najčastejšie robí. teraz. A to nie je sci-fi: už existuje veľa liekov vytvorených alebo optimalizovaných pomocou štrukturálnej biológie.

História štruktúrnej biológie

História štrukturálnej biológie (obr. 1) je pomerne krátka a začína začiatkom 50. rokov 20. storočia, keď James Watson a Francis Crick na základe údajov Rosalind Franklinovej o röntgenovej difrakcii z kryštálov DNA zostavili model dnes už dobre- známa dvojzávitnica z vintage stavebnice. O niečo skôr Linus Pauling zostrojil prvý hodnoverný model -helixu, jedného zo základných prvkov sekundárnej štruktúry proteínov (obr. 2).

O päť rokov neskôr, v roku 1958, bola určená prvá proteínová štruktúra na svete – myoglobín (proteín svalových vlákien) vorvaňa (obr. 3). Samozrejme, nevyzeralo to tak krásne ako moderné stavby, ale bol to významný míľnik vo vývoji modernej vedy.

Obrázok 3b. Prvá priestorová štruktúra molekuly proteínu. John Kendrew a Max Perutz demonštrujú priestorovú štruktúru myoglobínu, zostavenú zo špeciálnej stavebnice.

O desať rokov neskôr, v rokoch 1984–1985, boli pomocou nukleárnej magnetickej rezonančnej spektroskopie určené prvé štruktúry. Odvtedy došlo k niekoľkým kľúčovým objavom: v roku 1985 bola získaná štruktúra prvého komplexu enzýmu s jeho inhibítorom, v roku 1994 štruktúra ATP syntázy, hlavného „stroja“ elektrární našich buniek ( mitochondrie), bola stanovená a už v roku 2000 bola získaná prvá priestorová štruktúra „tovární“ proteínov – ribozómov, pozostávajúcich z proteínov a RNA (obr. 6). V 21. storočí vývoj štrukturálnej biológie napredoval míľovými krokmi, sprevádzaný explozívnym rastom počtu priestorových štruktúr. Boli získané štruktúry mnohých tried proteínov: receptory hormónov a cytokínov, receptory spojené s G-proteínom, receptory podobné toll, proteíny imunitného systému a mnohé ďalšie.

S príchodom nových zobrazovacích a zobrazovacích technológií pomocou kryoelektrónovej mikroskopie v roku 2010 sa objavilo mnoho zložitých štruktúr membránových proteínov s vysokým rozlíšením. Pokrok štrukturálnej biológie nezostal nepovšimnutý: za objavy v tejto oblasti bolo udelených 14 Nobelových cien, z toho päť v 21. storočí.

Metódy štrukturálnej biológie

Výskum v oblasti štrukturálnej biológie sa realizuje viacerými fyzikálnymi metódami, z ktorých len tri umožňujú získať priestorové štruktúry biomolekúl pri atómovom rozlíšení. Metódy štrukturálnej biológie sú založené na meraní interakcie skúmanej látky s rôznymi typmi elektromagnetických vĺn alebo elementárnych častíc. Všetky metódy vyžadujú značné finančné zdroje - náklady na vybavenie sú často úžasné.

Historicky prvou metódou štruktúrnej biológie je röntgenová difrakčná analýza (XRD) (obr. 7). Začiatkom 20. storočia sa zistilo, že pomocou röntgenového difraktogramu na kryštáloch je možné študovať ich vlastnosti – typ bunkovej symetrie, dĺžku väzieb medzi atómami atď. Ak sú v kryštáloch organické zlúčeniny bunky kryštálovej mriežky, potom je možné vypočítať súradnice atómov, a teda chemickú a priestorovú štruktúru týchto molekúl. Presne tak bola získaná štruktúra penicilínu v roku 1949 av roku 1953 - štruktúra dvojitej špirály DNA.

Zdá sa, že všetko je jednoduché, ale existujú nuansy.

Najprv musíte nejakým spôsobom získať kryštály a ich veľkosť musí byť dostatočne veľká (obr. 8). Aj keď je to možné pre nie príliš zložité molekuly (nezabudnite, ako kryštalizuje kuchynská soľ alebo síran meďnatý!), kryštalizácia proteínov je zložitá úloha, ktorá si vyžaduje nezrejmý postup na nájdenie optimálnych podmienok. Teraz sa to deje pomocou špeciálnych robotov, ktoré pripravujú a monitorujú stovky rôznych riešení pri hľadaní „naklíčených“ proteínových kryštálov. V prvých dňoch kryštalografie však získanie proteínového kryštálu mohlo trvať roky drahocenného času.

Po druhé, na základe získaných údajov („surové“ difrakčné obrazce; obr. 8) je potrebné „vypočítať“ štruktúru. V súčasnosti je to tiež rutinná úloha, ale pred 60 rokmi, v dobe lampovej techniky a diernych štítkov, to ani zďaleka nebolo také jednoduché.

Po tretie, aj keby bolo možné vypestovať kryštál, nie je vôbec potrebné, aby sa určila priestorová štruktúra proteínu: na to musí mať proteín rovnakú štruktúru na všetkých miestach mriežky, čo nie je vždy pravda. .

A po štvrté, kryštál má ďaleko od prirodzeného stavu bielkovín. Štúdium bielkovín v kryštáloch je ako študovať ľudí tak, že ich desať napcháte do malej zadymenej kuchyne: môžete zistiť, že ľudia majú ruky, nohy a hlavu, ale ich správanie nemusí byť úplne rovnaké ako v príjemnom prostredí. Röntgenová difrakcia je však najbežnejšou metódou na určenie priestorových štruktúr a touto metódou sa získa 90 % obsahu PDB.

SAR vyžaduje výkonné zdroje röntgenového žiarenia – elektrónové urýchľovače alebo lasery s voľnými elektrónmi (obr. 9). Takéto zdroje sú drahé - niekoľko miliárd amerických dolárov - ale zvyčajne jeden zdroj používajú stovky alebo dokonca tisíce skupín po celom svete za pomerne malý poplatok. V našej krajine nie sú žiadne silné zdroje, takže väčšina vedcov cestuje z Ruska do USA alebo Európy, aby analyzovali výsledné kryštály. Viac o týchto romantických štúdiách si môžete prečítať v článku “ Laboratórium pre pokročilý výskum membránových proteínov: Od génu po Angstrom» .

Ako už bolo spomenuté, röntgenová difrakčná analýza vyžaduje výkonný zdroj röntgenového žiarenia. Čím silnejší je zdroj, tým menšie môžu byť kryštály a tým menej bolesti budú musieť biológovia a genetickí inžinieri znášať pri pokusoch získať nešťastné kryštály. Röntgenové žiarenie sa najľahšie vyrába zrýchlením zväzku elektrónov v synchrotrónoch alebo cyklotrónoch – urýchľovačoch obrích prstencov. Keď elektrón zažije zrýchlenie, vyžaruje elektromagnetické vlny v požadovanom frekvenčnom rozsahu. Nedávno sa objavili nové zdroje ultravysokého žiarenia - lasery s voľnými elektrónmi (XFEL).

Princíp činnosti lasera je pomerne jednoduchý (obr. 9). Najprv sú elektróny urýchľované na vysoké energie pomocou supravodivých magnetov (dĺžka urýchľovača 1–2 km) a potom prechádzajú cez takzvané undulátory – sady magnetov rôznych polarít.

Obrázok 9. Princíp činnosti lasera s voľnými elektrónmi. Elektrónový lúč je zrýchlený, prechádza cez undulátor a vyžaruje gama lúče, ktoré dopadajú na biologické vzorky.

Elektróny sa pri prechode cez undulátor začnú periodicky odchyľovať od smeru lúča, pričom dochádza k zrýchleniu a vyžarovaniu röntgenového žiarenia. Keďže sa všetky elektróny pohybujú rovnakým spôsobom, žiarenie je zosilnené v dôsledku skutočnosti, že ostatné elektróny v lúči začnú absorbovať a znovu vyžarovať röntgenové vlny rovnakej frekvencie. Všetky elektróny vyžarujú žiarenie synchrónne vo forme ultrasilného a veľmi krátkeho záblesku (trvá menej ako 100 femtosekúnd). Sila röntgenového lúča je taká vysoká, že jeden krátky záblesk premení malý kryštál na plazmu (obr. 10), ale za tých pár femtosekúnd, kým je kryštál neporušený, je možné získať snímky najvyššej kvality vďaka vysokej intenzite a súdržnosť lúča. Náklady na takýto laser sú 1,5 miliardy dolárov a na svete sú len štyri takéto inštalácie (nachádzajú sa v USA (obr. 11), Japonsku, Kórei a Švajčiarsku). V roku 2017 sa plánuje uviesť do prevádzky piaty – európsky – laser, na výstavbe ktorého sa podieľalo aj Rusko.

Obrázok 10. Konverzia proteínov na plazmu za 50 fs pod vplyvom voľného elektrónového laserového pulzu. Femtosekunda = 1/10000000000000000 sekundy.

Pomocou NMR spektroskopie bolo určených asi 10 % priestorových štruktúr v PDB. V Rusku existuje niekoľko ultravýkonných citlivých NMR spektrometrov, ktoré vykonávajú prácu na svetovej úrovni. Najväčšie NMR laboratórium nielen v Rusku, ale v celom priestore východne od Prahy a západne od Soulu, sa nachádza v Ústave bioorganickej chémie Ruskej akadémie vied (Moskva).

NMR spektrometer je nádherným príkladom víťazstva technológie nad inteligenciou. Ako sme už spomenuli, na použitie metódy NMR spektroskopie je potrebné silné magnetické pole, preto je srdcom prístroja supravodivý magnet - cievka zo špeciálnej zliatiny ponorená do tekutého hélia (−269 °C). Kvapalné hélium je potrebné na dosiahnutie supravodivosti. Aby sa hélium nevyparovalo, je okolo neho postavená obrovská nádrž s tekutým dusíkom (−196 °C). Hoci ide o elektromagnet, nespotrebováva elektrinu: supravodivá cievka nemá odpor. Magnet však musí byť neustále „kŕmený“ tekutým héliom a tekutým dusíkom (obr. 15). Ak nebudete sledovať, dôjde k „uhaseniu“: cievka sa zahreje, hélium sa explozívne odparí a zariadenie sa rozbije ( cm. video). Dôležité je aj to, že pole v 5 cm dlhej vzorke je mimoriadne rovnomerné, takže zariadenie obsahuje niekoľko desiatok malých magnetov potrebných na jemné doladenie magnetického poľa.

Video. Plánované zhášanie NMR spektrometra 21,14 Tesla.

Na vykonanie meraní potrebujete snímač - špeciálnu cievku, ktorá generuje elektromagnetické žiarenie a zároveň registruje „reverzný“ signál - osciláciu magnetického momentu vzorky. Pre zvýšenie citlivosti 2-4 krát sa snímač ochladí na teplotu -200 °C, čím sa eliminuje tepelný šum. Na to zostrojia špeciálny stroj – kryoplatformu, ktorá hélium ochladzuje na požadovanú teplotu a pumpuje ho vedľa detektora.

Existuje celá skupina metód, ktoré sa opierajú o fenomén rozptylu svetla, röntgenové žiarenie alebo neutrónový lúč. Tieto metódy, založené na intenzite žiarenia/rozptylu častíc pod rôznymi uhlami, umožňujú určiť veľkosť a tvar molekúl v roztoku (obr. 16). Rozptyl nemôže určiť štruktúru molekuly, ale môže byť použitý ako pomôcka pre inú metódu, ako je NMR spektroskopia. Prístroje na meranie rozptylu svetla sú relatívne lacné, stoja „len“ okolo 100 000 dolárov, zatiaľ čo iné metódy vyžadujú po ruke urýchľovač častíc, ktorý dokáže produkovať zväzok neutrónov alebo silný prúd röntgenového žiarenia.

Ďalšou metódou, pomocou ktorej nemožno určiť štruktúru, ale možno získať niektoré dôležité údaje, je prenos rezonančnej fluorescenčnej energie(FRET). Metóda využíva fenomén fluorescencie – schopnosť niektorých látok absorbovať svetlo jednej vlnovej dĺžky a zároveň vyžarovať svetlo inej vlnovej dĺžky. Môžete vybrať pár zlúčenín, z ktorých pre jednu (donor) bude svetlo vyžarované počas fluorescencie zodpovedať charakteristickej absorpčnej vlnovej dĺžke druhej (akceptor). Ožiarte darcu laserom požadovanej vlnovej dĺžky a zmerajte fluorescenciu akceptora. Účinok FRET závisí od vzdialenosti medzi molekulami, takže ak zavediete fluorescenčný donor a akceptor do molekúl dvoch proteínov alebo rôznych domén (štrukturálnych jednotiek) toho istého proteínu, môžete študovať interakcie medzi proteínmi alebo relatívne polohy domén v proteín. Registrácia prebieha pomocou optického mikroskopu, takže FRET je lacná, aj keď málo informatívna metóda, ktorej použitie je spojené s ťažkosťami pri interpretácii údajov.

Na záver nemôžeme nespomenúť „metódu snov“ štrukturálnych biológov – počítačové modelovanie (obr. 17). Myšlienkou metódy je využiť moderné poznatky o štruktúre a zákonitostiach správania molekúl na simuláciu správania proteínu v počítačovom modeli. Napríklad pomocou metódy molekulárnej dynamiky môžete v reálnom čase sledovať pohyby molekuly alebo proces „skladania“ proteínu (skladanie) s jedným „ale“: maximálny čas, ktorý je možné vypočítať, nepresahuje 1 ms. , ktorý je extrémne krátky, no zároveň si vyžaduje kolosálne výpočtové zdroje (obr. 18). Správanie systému je možné skúmať v dlhšom časovom období, ale dosahuje sa to na úkor neprijateľnej straty presnosti.

Počítačové modelovanie sa aktívne používa na analýzu priestorových štruktúr proteínov. Pomocou dokovania hľadajú potenciálne lieky, ktoré majú vysokú tendenciu interagovať s cieľovým proteínom. V súčasnosti je presnosť predpovedí stále nízka, ale dokovanie môže výrazne zúžiť okruh potenciálne účinných látok, ktoré je potrebné testovať na vývoj nového lieku.

Hlavnou oblasťou praktickej aplikácie výsledkov štrukturálnej biológie je vývoj liečiv alebo, ako sa dnes v móde hovorí, drag design. Existujú dva spôsoby, ako navrhnúť liek na základe štrukturálnych údajov: môžete začať od ligandu alebo od cieľového proteínu. Ak je už známych niekoľko liečiv pôsobiacich na cieľový proteín a získali sa štruktúry komplexov proteín-liečivo, môžete vytvoriť model „ideálneho lieku“ v súlade s vlastnosťami väzbového „vrecka“ na povrchu molekulu proteínu, identifikovať potrebné vlastnosti potenciálneho lieku a hľadať medzi všetkými známymi prírodnými a menej známymi zlúčeninami. Je dokonca možné vybudovať vzťahy medzi štrukturálnymi vlastnosťami liečiva a jeho aktivitou. Napríklad, ak má molekula navrchu oblúk, potom je jej aktivita vyššia ako aktivita molekuly bez oblúka. A čím viac je luk nabitý, tým lepšie liek účinkuje. To znamená, že zo všetkých známych molekúl musíte nájsť zlúčeninu s najväčším nabitým oblúkom.

Ďalším spôsobom je použiť štruktúru cieľa na vyhľadanie zlúčenín, ktoré sú potenciálne schopné s ním na správnom mieste interagovať. V tomto prípade sa zvyčajne používa knižnica fragmentov - malých kúskov látok. Ak nájdete niekoľko dobrých úlomkov, ktoré interagujú s cieľom na rôznych miestach, ale blízko seba, môžete z úlomkov „zošiť“ liek. Existuje mnoho príkladov úspešného vývoja liekov pomocou štrukturálnej biológie. Prvý úspešný prípad sa datuje do roku 1995: vtedy bol schválený na použitie dorzolamid, liek na glaukóm.

Všeobecný trend v biologickom výskume sa čoraz viac prikláňa nielen ku kvalitatívnemu, ale aj kvantitatívnemu opisu prírody. Štrukturálna biológia je toho najlepším príkladom. A existuje dôvod domnievať sa, že bude aj naďalej prínosom nielen pre základnú vedu, ale aj pre medicínu a biotechnológiu.

Kalendár

Na základe článkov špeciálneho projektu sme sa rozhodli zostaviť kalendár „12 metód biológie“ na rok 2019. Tento článok predstavuje marec.

Literatúra

1. Bioluminiscencia: Znovuzrodenie;
2. Triumf počítačových metód: predikcia štruktúry proteínov;
3. Heping Zheng, Katarzyna B Handing, Matthew D Zimmerman, Ivan G Shabalin, Steven C Almo, Wladek Minor. (2015).

Biológia- náuka o živej prírode.

Biológia študuje rozmanitosť živých bytostí, stavbu ich tiel a fungovanie ich orgánov, rozmnožovanie a vývoj organizmov, ako aj vplyv človeka na živú prírodu.

Názov tejto vedy pochádza z dvoch gréckych slov „ bios"-"život a" logo"-"veda, slovo."

Jedným zo zakladateľov vedy o živých organizmoch bol veľký starogrécky vedec (384 - 322 pred Kristom). Bol prvým, kto zovšeobecnil biologické poznatky získané ľudstvom pred ním. Vedec navrhol prvú klasifikáciu zvierat, kombinujúcich živé organizmy podobnej štruktúry do skupín a určil v nej miesto pre ľudí.

Následne mnohí vedci, ktorí študovali rôzne druhy živých organizmov obývajúcich našu planétu, prispeli k rozvoju biológie.

Life Sciences Family

Biológia je veda o prírode. Oblasť výskumu biológov je obrovská: zahŕňa rôzne mikroorganizmy, rastliny, huby, živočíchy (vrátane človeka), štruktúru a fungovanie organizmov atď.

teda biológia nie je len veda, ale celá rodina pozostávajúca z mnohých samostatných vied.

Preskúmajte interaktívny diagram o rodine biologických vied a zistite, čo študujú rôzne odvetvia biológie.

Anatómia- náuka o podobe a stavbe jednotlivých orgánov, sústav a tela ako celku.

Fyziológia- náuka o životných funkciách organizmov, ich sústavách, orgánoch a tkanivách a o procesoch prebiehajúcich v tele.

Cytológia- náuka o stavbe a fungovaní buniek.

Zoológia - veda, ktorá študuje zvieratá.

Sekcie zoológie:

• Entomológia je veda o hmyze.

Je v nej viacero sekcií: koleopterológia (študuje chrobáky), lepidopterológia (študuje motýle), myrmekológia (študuje mravce).

• Ichtyológia je veda o rybách.
• Ornitológia je veda o vtákoch.
• Teriológia je veda o cicavcoch.

Botanika - veda, ktorá študuje rastliny.

Mykológia- veda, ktorá študuje huby.

Protistológia - veda, ktorá študuje prvoky.

Virológia - veda, ktorá študuje vírusy.

Bakteriológia - veda, ktorá študuje baktérie.

Význam biológie

Biológia úzko súvisí s mnohými aspektmi praktickej činnosti človeka – poľnohospodárstvo, rôzne priemyselné odvetvia, medicína.

Úspešný rozvoj poľnohospodárstva dnes do značnej miery závisí od biológov-chovateľov, ktorí sa podieľajú na zlepšovaní existujúcich a vytváraní nových odrôd kultúrnych rastlín a plemien domácich zvierat.

Vďaka úspechom biológie vznikol a úspešne sa rozvíja mikrobiologický priemysel. Napríklad kefír, jogurt, jogurt, syr, kvas a mnohé ďalšie produkty získavajú ľudia vďaka aktivite niektorých druhov húb a baktérií. Pomocou moderných biotechnológií podniky vyrábajú lieky, vitamíny, kŕmne prísady, prípravky na ochranu rastlín pred škodcami a chorobami, hnojivá a mnohé ďalšie.

Znalosť zákonov biológie pomáha pri liečbe a prevencii ľudských chorôb.

Každým rokom ľudia čoraz viac využívajú prírodné zdroje. Výkonná technológia mení svet tak rýchlo, že na Zemi už nezostali takmer žiadne kúty nedotknutej prírody.

Na udržanie normálnych podmienok pre život človeka je potrebné obnoviť zničené prírodné prostredie. To dokážu len ľudia, ktorí dobre poznajú zákony prírody. Vedomosti z biológie aj biologickej vedy ekológia nám pomáha riešiť problém zachovania a zlepšenia životných podmienok na planéte.

Dokončite interaktívnu úlohu -

Špecifiká biologickej kresby pre stredoškolákov

Biologické kreslenie je jedným zo všeobecne akceptovaných nástrojov na štúdium biologických objektov a štruktúr. Existuje veľa dobrých techník, ktoré riešia tento problém.

Napríklad v trojzväzkovej knihe „Biológia“ od Greena, Stouta a Taylora sú formulované nasledujúce pravidlá biologickej kresby.

1. Je potrebné použiť papier na kreslenie vhodnej hrúbky a kvality. Linky ceruzky by sa mali z nej ľahko vymazať.

2. Ceruzky musia byť ostré, tvrdosti HB (v našom systéme - TM), nefarbené.

3. Výkres by mal byť:

– dostatočne veľké – čím viac prvkov tvorí skúmaný objekt, tým väčší by mal byť výkres;
– jednoduchý – obsahuje obrysy štruktúry a ďalšie dôležité detaily, ktoré ukazujú umiestnenie a vzťah jednotlivých prvkov;
– kreslené tenkými a zreteľnými čiarami – každá čiara musí byť premyslená a potom nakreslená bez toho, aby ste zdvihli ceruzku z papiera; neliahni ani nenatieraj;
– nápisy by mali byť čo najkompletnejšie, čiary z nich vychádzajúce by sa nemali pretínať; Nechajte okolo kresby priestor pre podpisy.

4. Ak je to potrebné, urobte dva výkresy: schematický výkres s hlavnými vlastnosťami a podrobný výkres malých častí. Napríklad pri malom zväčšení nakreslite plán prierezu rastliny a pri veľkom zväčšení nakreslite detailnú štruktúru buniek (veľká nakreslená časť kresby je na pláne ohraničená klinom alebo štvorcom).

5. Mali by ste kresliť len to, čo naozaj vidíte, a nie to, čo si myslíte, že vidíte, a samozrejme nekopírujte kresbu z knihy.

6. Každý výkres musí mať názov, údaj o zväčšení a priemete vzorky.

Stránka z knihy „Úvod do zoológie“ (nemecké vydanie z konca 19. storočia)

Na prvý pohľad je celkom jednoduchý a nevzbudzuje žiadne námietky. Niektoré tézy sme však museli prehodnotiť. Faktom je, že autori takýchto príručiek zvažujú špecifiká biologickej kresby už na úrovni inštitútu alebo vyšších ročníkov špeciálnych škôl, ich odporúčania sú určené skôr dospelým ľuďom s (už) analytickým myslením. V stredných (6. – 8.) ročníkoch – bežných aj biologických – to nie je také jednoduché.

Laboratórne náčrty sa veľmi často menia na vzájomné „mučenie“. Škaredé a nezrozumiteľné kresby sa nepáčia ani samotným deťom - jednoducho ešte nevedia kresliť - ani učiteľom - pretože tie detaily štruktúry, kvôli ktorým sa všetko začalo, väčšine detí veľmi často unikajú. Len umelecky nadané deti sa s takýmito úlohami dobre vyrovnávajú (a nezačnite ich nenávidieť!). Problém je skrátka v tom, že zariadenia sú, ale chýba adekvátna technika. Mimochodom, učitelia výtvarnej výchovy sa niekedy stretávajú s opačným problémom – majú techniku ​​a je ťažké vybrať predmety. Možno by sme sa mali zjednotiť?

V 57. moskovskej škole, kde pôsobím, už pomerne dlho existuje a naďalej sa rozvíja integrovaný kurz biologickej kresby pre stredné ročníky, v ktorom učitelia biológie a kreslenia pracujú vo dvojiciach. Vypracovali sme veľa zaujímavých projektov. Ich výsledky boli opakovane vystavené v moskovských múzeách - Zoologická Moskovská štátna univerzita, Paleontologická, Darwinova a na rôznych festivaloch detskej tvorivosti. Ale hlavná vec je, že bežné deti, ktoré nie sú vybrané na hodiny umenia ani biológie, tieto projektové úlohy s radosťou plnia, sú hrdé na svoje vlastné diela a, ako sa nám zdá, začínajú oveľa bližšie nahliadať do živého sveta. a premyslene. Samozrejme, nie každá škola má možnosť spolupracovať pre učiteľov biológie a výtvarnej výchovy, no niektoré z našich zistení budú pravdepodobne zaujímavé a užitočné, aj keď budete pracovať len v rámci programu biológia.

Motivácia: emócie sú na prvom mieste

Samozrejme, kreslíme, aby sme lepšie študovali a pochopili štrukturálne znaky, aby sme sa zoznámili s rozmanitosťou organizmov, ktoré na hodinách študujeme. Ale bez ohľadu na to, akú úlohu zadáte, nezabudnite, že pre deti tohto veku je veľmi dôležité, aby boli pred začatím práce emocionálne uchvátené krásou a účelnosťou objektu. Snažíme sa začať pracovať na novom projekte s jasnými dojmami. Najlepší spôsob, ako to urobiť, je buď krátky fragment videa, alebo malý (nie viac ako 7-10!) výber snímok. Naše komentáre smerujú k nevšednosti, kráse, úžasnosti predmetov, aj keď ide o niečo obyčajné: napríklad zimné siluety stromov pri štúdiu vetvenia výhonkov - môžu byť buď mrazivé a pripomínajúce koraly, alebo dôrazne grafické - čierne na bielom snehu. Tento úvod nemusí byť dlhý – stačí pár minút, no pre motiváciu je veľmi dôležitý.

Postup prác: analytická konštrukcia

Potom prejdete na vyhlásenie o úlohe. Tu je dôležité najprv zdôrazniť tie štrukturálne znaky, ktoré určujú vzhľad objektu a ukazujú ich biologický význam. To všetko si samozrejme treba zapísať na tabuľu a zapísať do zošita. V skutočnosti je to teraz, keď nastavíte študentom pracovnú úlohu - vidieť a zobraziť.

A potom na druhej polovici tabule opíšete fázy konštrukcie výkresu, doplníte ich schémami, t.j. načrtnúť metodiku a poradie práce. V podstate vy sami rýchlo dokončíte úlohu pred deťmi, pričom celú sériu pomocných a medzikonštrukcií udržíte na hracej ploche.

V tejto fáze je veľmi dobré ukázať deťom hotové kresby buď od umelcov, ktorí zobrazovali rovnaké predmety, alebo vydarené práce predchádzajúcich žiakov. Je potrebné neustále zdôrazňovať, že dobrá a krásna biologická kresba je v podstate výskum – t.j. odpovedať na otázku, ako objekt funguje, a časom naučiť deti, aby tieto otázky formulovali samy.

Proporcie, pomocné čiary, detaily, vodiace otázky

Vytvorenie kresby - a štúdium objektu! – začnete tým, že zistíte jeho proporcie: pomer dĺžky k šírke, častí k celku, pričom nezabudnite nastaviť formát výkresu dosť pevne. Je to formát, ktorý automaticky určí úroveň detailov: malý stratí veľké množstvo detailov, veľký bude vyžadovať nasýtenie detailmi, a teda aj viac času na prácu. Vopred si premyslite, čo je pre vás v každom konkrétnom prípade dôležitejšie.

1) nakreslite os symetrie;

2) postavte dva páry symetrických obdĺžnikov - pre horné a spodné krídlo (napríklad vážka), najprv určte ich proporcie;

3) vložte zakrivené čiary krídel do týchto obdĺžnikov

Ryža. 1. 7. ročník. Téma: "Rád hmyzu." Atrament, pero na ceruzke, zo saténu

(Pamätám si na vtipný, smutný a obyčajný príbeh, ktorý sa mi stal, keď som prvýkrát robil túto prácu. Chlapec zo siedmej triedy najprv pochopil slovo „vhodné“, že sa ľahko zmestí dovnútra a nakreslil do obdĺžnikov krivé kruhy – všetky štyri rôzne Potom, po mojej nápovede, čo sa hodí - znamená dotýkať sa pomocných línií, priniesol motýľa s obdĺžnikovými krídlami, len mierne uhladenými v rohoch, a až potom som si uvedomil, že som mu vysvetlil, že napísaná krivka sa dotýka každej strany obdĺžnik len v jednom bode a museli sme kresbu prerobiť znova...)

4) ... Tento bod môže byť umiestnený v strede strany alebo vo vzdialenosti jednej tretiny od rohu, a to je tiež potrebné určiť!

Ale aký bol šťastný, keď sa jeho kresba dostala na školskú výstavu - prvýkrát - fungovala! A teraz vysvetľujem všetky fázy nášho trápenia s ním v popise „Pokroku práce“.

Ďalšie detaily kresby nás vedú k diskusii o biologickom význame mnohých znakov objektu. V pokračovaní príkladu s krídlami hmyzu (obr. 2) diskutujeme o tom, čo sú žily, ako sú štruktúrované, prečo sa nevyhnutne spájajú do jednej siete, ako sa líši povaha žilnatosti u hmyzu rôznych systematických skupín (napríklad v staroveku a nový okrídlený hmyz), prečo je extrémne zhrubnutá žilka predných krídel atď. A skúste dať väčšinu svojich pokynov vo forme otázok, na ktoré deti potrebujú nájsť odpovede.

Ryža. 2. "Vážka a mravec." 7. ročník, téma „Rady hmyzu“. Atrament, pero na ceruzke, zo saténu

Mimochodom, pokúste sa vybrať viac predmetov rovnakého typu, aby si deti mohli vybrať. Na konci práce trieda uvidí biologickú diverzitu skupiny, dôležité spoločné štrukturálne znaky a napokon rozdielne kresliarske schopnosti detí nebudú až také dôležité.

Žiaľ, nie vždy má učiteľ školy k dispozícii dostatočné množstvo rôznorodých predmetov jednej skupiny. Možno sa vám budú hodiť naše skúsenosti: pri skupinovom štúdiu najskôr urobíme čelnú kresbu ľahko dostupného predmetu zo života a potom individuálne – kresby rôznych predmetov z fotografií alebo aj z kresieb profesionálnych umelcov.

Ryža. 3. Krevety. 7. ročník, téma „Kôrovce“. Ceruzka, zo života

Napríklad v téme „Kôrovce“ v laboratórnej práci „Vonkajšia štruktúra kôrovca“ všetci najprv nakreslíme krevety (namiesto rakov) kúpené mrazené v potravinách (obr. 3) a potom po zhliadnutí krátkeho videa klip, jednotlivo nakreslite rôzne larvy planktonických kôrovcov (obr. 4), zobrazené v „Živote zvierat“: ​​na veľké listy (A3), tónované vodovými farbami v chladných šedých, modrých, zelenkavých tónoch; krieda alebo biely kvaš, vypracovanie jemných detailov atramentom a perom. (Pri vysvetľovaní, ako sprostredkovať priehľadnosť planktónových kôrovcov, môžeme ponúknuť najjednoduchší model - sklenenú nádobu, v ktorej je umiestnený predmet.)

Ryža. 4. Planktón. 7. ročník, téma „Kôrovce“. Tónovaný papier (formát A3), krieda alebo biely gvaš, čierny atrament, zo saténu

V 8. ročníku, pri štúdiu rýb, v laboratórnej práci „Vonkajšia štruktúra kostnatých rýb“ najprv nakreslíme obyčajnú ploticu a potom deti pomocou akvarelov nakreslia predstaviteľov rôznych rádov rýb z veľkolepých farebných tabuliek „Komerčné ryby“. “, ktorý máme v škole.

Ryža. 5. Kostra žaby. 8. ročník, téma „Obojživelníky“. Ceruzka, s výchovnou prípravou

Pri štúdiu obojživelníkov najskôr laboratórna práca „Štruktúra kostry žaby“, kresba jednoduchou ceruzkou (obr. 5). Potom, po zhliadnutí krátkeho fragmentu videa, akvarelom rôznych exotických žiab - listolezcov a pod. (Skopírovali sme z kalendárov s kvalitnými fotografiami, našťastie už nie sú ničím výnimočným.)

S touto schémou sú skôr nudné kresby ceruzkou toho istého objektu vnímané ako bežná prípravná fáza pre svetlé a individuálne diela.

Rovnako dôležité: technológie

Pre úspešné dokončenie práce je veľmi dôležitý výber technológie. V klasickej verzii by ste si potrebovali vziať jednoduchú ceruzku a biely papier, ale... . Naša skúsenosť hovorí, že z pohľadu detí bude takáto kresba vyzerať nedokončená a zostanú s prácou nespokojné.

Medzitým si stačí urobiť náčrt ceruzkou atramentom a dokonca si vziať tónovaný papier (často používame farebný papier do tlačiarní) - a výsledok bude vnímaný úplne inak (obr. 6, 7). Pocit neúplnosti často vytvára nedostatok detailného pozadia a najjednoduchší spôsob, ako tento problém vyriešiť, je pomocou tónovaného papiera. Okrem toho pomocou bežnej kriedy alebo bielej ceruzky môžete takmer okamžite dosiahnuť efekt oslnenia alebo priehľadnosti, ktorý je často potrebný.

Ryža. 6. Rádiolária. 7. ročník, téma „Najjednoduchšie“. Tónovaný papier (formát A3) na vodové farby (s hrubou textúrou), atrament, pastel alebo kriedu, zo saténu

Ryža. 7. Včela. 7. ročník, téma „Rady hmyzu“. Atrament, pero na ceruzke, objem - štetcom a riedeným atramentom, jemné detaily perom, zo saténu

Ak je pre vás ťažké organizovať prácu s maskarou, použite mäkké čierne linky alebo valčeky (v najhoršom prípade gélové perá) - poskytujú rovnaký efekt (obr. 8, 9). Pri používaní tejto techniky nezabudnite ukázať, koľko informácií poskytuje pomocou čiar rôznej hrúbky a tlaku – na zvýraznenie najdôležitejších vecí a na vytvorenie efektu objemu (popredia a pozadia). Môžete tiež použiť mierne až svetlé tieňovanie.

Ryža. 8. Ovos. 6. ročník, téma „Rozmanitosť kvitnúcich rastlín, čeľaď obilnín“. Atrament, tónovaný papier, z herbára

Ryža. 9. Praslička a mach. 6. ročník, téma „Výtrusné rastliny“. Atrament, biely papier, z herbára

Navyše, na rozdiel od klasických vedeckých kresieb, často robíme prácu farebne alebo používame svetlé tónovanie na označenie hlasitosti (obr. 10).

Ryža. 10. Lakťový kĺb. 9. ročník, téma „Pohybový systém“. Ceruzka, zo sadry pomôcky

Vyskúšali sme veľa farebných techník - akvarel, gvaš, pastel a nakoniec sme sa usadili na jemných farebných ceruzkách, ale vždy na hrubom papieri. Ak sa rozhodnete vyskúšať túto techniku, je potrebné mať na pamäti niekoľko dôležitých vecí.

1. Vyberajte mäkké, kvalitné ceruzky od dobrej firmy, ako je Kohinoor, ale nedávajte deťom širokú škálu farieb (dostatočne základné): v tomto prípade sa väčšinou snažia vybrať už hotovú farbu, ktorá z kurz zlyhá. Ukážte, ako dosiahnuť správny odtieň zmiešaním 2-3 farieb. Na to potrebujú pracovať s paletou – kusom papiera, na ktorom vyberú požadované kombinácie a tlak.

2. Hrubý papier výrazne uľahčí použitie slabých a silných farieb.

3. Ľahké krátke ťahy by mali akoby vytvarovať tvar predmetu: t.j. opakujte hlavné čiary (skôr ako farbu, v rozpore s tvarom a obrysmi).

4. Potom potrebujete konečné úpravy, sýte a výrazné, keď už boli vybraté správne farby. Často sa oplatí pridať melír, ktorý kresbu výrazne oživí. Najjednoduchšie je použiť bežnú kriedu (na tónovaný papier) alebo použiť mäkkú gumu (na biely papier). Mimochodom, ak použijete voľné techniky - kriedu alebo pastel - potom môžete opraviť prácu lakom na vlasy.

Keď si túto techniku ​​osvojíte, budete ju môcť používať v prírode, ak nemáte dostatok času, doslova „na kolene“ (len nezabúdajte na tablety – stačí kúsok baliaceho kartónu!).

A, samozrejme, pre úspech našej práce určite organizujeme výstavy – raz v triede, inokedy na chodbách školy. Pomerne často sú reportáže detí na rovnakú tému načasované tak, aby sa zhodovali s výstavou – ústne aj písomné. Celkovo takýto projekt zanechá vo vás a deťoch pocit veľkej a krásnej práce, na ktorú sa oplatí pripraviť. Pravdepodobne s kontaktom a vzájomným záujmom s učiteľom umenia môžete začať pracovať na hodinách biológie: analytická prípravná fáza štúdia objektu, vytvorenie náčrtu ceruzkou a dokončenie v technike, ktorú ste si vybrali spoločne - na jeho hodinách.

Tu je príklad. Botanika, téma "Únik - púčik, vetvenie, štruktúra výhonkov." V popredí je veľká vetva s púčikmi, v pozadí sú siluety stromov alebo kríkov na pozadí bieleho snehu a čiernej oblohy. Technika: čierny atrament, biely papier. Vetvy - zo života, siluety stromov - z fotografií či knižných kresieb. Názov je „Stromy v zime“ alebo „Zimná krajina“.

Ďalší príklad. Pri štúdiu témy „Rady hmyzu“ robíme krátku prácu na tému „Tvar a objem chrobákov“. Akákoľvek technika, ktorá prenáša svetlo a tieň a melír (akvarel, tuš s vodou, štetec), ale monochromatická, aby sa nerozptyľovala od skúmania a zobrazovania formy (obr. 11). Je lepšie vypracovať detaily perom alebo gélovým perom (ak použijete lupu, nohy a hlava sa ukážu lepšie).

Ryža. 11. Chrobáky. Atrament, pero na ceruzke, objem - štetcom a riedeným atramentom, jemné detaily perom, zo saténu

Stačia 1-2 krásne diela za štvrtinu - a kresba živého tvora poteší všetkých účastníkov tohto náročného procesu.

čo je biológia? Biológia je veda o živote, o živých organizmoch žijúcich na Zemi.

Obrázok 3 z prezentácie „Veda“ na hodiny biológie na tému "Biológia"

Rozmery: 720 x 540 pixelov, formát: jpg. Ak si chcete stiahnuť bezplatný obrázok na hodinu biológie, kliknite pravým tlačidlom myši na obrázok a kliknite na „Uložiť obrázok ako...“. Ak chcete zobraziť obrázky na lekcii, môžete si tiež bezplatne stiahnuť celú prezentáciu „Science.ppt“ so všetkými obrázkami v archíve zip. Veľkosť archívu je 471 kB.

Stiahnite si prezentáciu

Biológia

"Výskumné metódy v biológii"- História vývoja biológie ako vedy. Plánovanie experimentu, výber techniky. Plán lekcie: Na vyriešenie akých globálnych problémov ľudstva je potrebná znalosť biológie? Téma: Hraničné disciplíny: Zadanie: Morfológia, anatómia, fyziológia, systematika, paleontológia. Zmysel biológie." Biológia je veda o živote.

"Vedec Lomonosov"- Zdôraznil význam preskúmania Severnej morskej cesty a rozvoja Sibíri. 19. novembra 1711 - 15. apríla 1765 (53 rokov). 10. júna 1741. Objavy. Vyvinul atómové a molekulárne koncepty o štruktúre hmoty. Nápady. Vylúčený flogistón zo zoznamu chemických látok. Job. Keďže bol zástancom deizmu, na prírodné javy sa díval materialisticky.

"Botanik Vavilov"- Celoúniový inštitút aplikovanej botaniky. V roku 1906 Nikolaj Ivanovič Vavilov. V roku 1924 Dokončili: Babicheva Roxana a Zhdanova Lyudmila, študenti ročníka 10B. Vavilovova autorita ako vedca a organizátora vedy rástla. V Mertone (Anglicko), v genetickom laboratóriu Záhradníckeho inštitútu. N. I. Vavilov sa narodil 26. novembra 1887 v Moskve.

"Projektová činnosť"- Alekseeva E.V. Plán prednášok. Učiteľ sa stáva autorom projektu. Prehľadávať ďalšie zdroje. Technologizácia informačného modelu vzdelávacieho procesu. Navrhovanie hodiny biológie. Projektové aktivity. Teória a prax. (metóda projektu). Etapy práce učiteľa. Teória a prax. Hlavné bloky v projektoch.

"Veda o divočine"- Príprava pracovných zošitov. 3. Biológia – náuka o živej prírode. Biológia je veda o živej prírode. Baktérie. Huby. Pozostávajú z jednej bunky a nemajú jadro. Mark Cicero. Biológia študuje živé organizmy. Majú chlorofyl a na svetle vytvárajú organické látky, ktoré uvoľňujú kyslík. Otázka: Čo študuje biológia?

"Matematika v biológii"- "Identifikácia plochých nôh." Čítanie grafov. Pojem symetria; Typy symetrie. Pojem graf funkcie. Všeobecná biológia, 10. ročník. "Konštrukcia série variácií a krivky." Na miestach kontaktu budú uši. Kruh, ovál. Existuje všeobecne uznávaný názor, podľa ktorého matematika patrí medzi exaktné vedy. Proporcionalita.

V téme je spolu 14 prezentácií