Mērķi

• Izglītojoši: turpināt zināšanu veidošanos par bioloģiju kā zinātni; sniegt jēdzienus par galvenajām bioloģijas sadaļām un objektiem, ko tās pēta;
• Attīstīt: veidot prasmes strādāt ar literatūras avotiem, veidot prasmes veidot analītiskos savienojumus;
• Izglītojoši: paplašināt redzesloku, veidot holistisku pasaules uztveri.

Uzdevumi

1. Atklājiet bioloģijas lomu citu zinātņu vidū.
2. Atklāt bioloģijas saistību ar citām zinātnēm.
3. Noteikt, kādas dažādas bioloģijas nozares mācās.
4. Definēt bioloģijas lomu dzīvē cilvēks .
5. Zīmēt Interesanti fakti kas saistīti ar tēmu no nodarbībā prezentētajiem video.

Termini un jēdzieni

• Bioloģija ir zinātņu komplekss, kura izpētes objekti ir dzīvās būtnes un to mijiedarbība ar vidi.
• Dzīve ir aktīva matērijas eksistences forma, savā ziņā augstāka salīdzinājumā ar tās fizisko un ķīmiskās formas esamība; šūnā notiekošo fizikālo un ķīmisko procesu kopums, kas ļauj vielmaiņu un tās dalīšanos.
• Zinātne ir cilvēka darbības sfēra, kuras mērķis ir attīstīt un teorētiski sistematizēt objektīvas zināšanas par realitāti.

Nodarbību laikā

Zināšanu atjaunināšana

Atcerieties, ko mācās bioloģija.
Nosauciet zināmās bioloģijas nozares.
Atrodi pareizo atbildi:
1. Botānikas pētījumi:
A) augi
B) dzīvnieki
B) tikai aļģes
2. Sēņu izpēte notiek ietvaros:
A) botānika
B) virusoloģija;
B) mikoloģija.
3. Bioloģijā izšķir vairākas karaļvalstis, proti:
A) 4
B) 5
7
4. Persona bioloģijā atsaucas uz:
A) Dzīvnieku valstība
B) apakšklase Zīdītāji;
C) Homo sapiens ģints.

Ar 1. attēla palīdzību atcerieties, cik bioloģijā ir izdalītas karaļvalstis:

Rīsi. 1 Dzīvo organismu karaļvalstis

Jauna materiāla apgūšana

Pirmo reizi terminu "bioloģija" 1797. gadā ierosināja vācu profesors T. Ruzoms. Bet to sāka aktīvi izmantot tikai 1802. gadā, pēc šī lietošanas termins J-B. Lamarks savos darbos.

Mūsdienās bioloģija ir zinātņu komplekss, kas veido neatkarīgas zinātnes disciplīnas, kas nodarbojas ar noteiktiem studiju objektiem.

Starp bioloģijas "nozarēm" var nosaukt tādas zinātnes kā:
- botānika - zinātne, kas pēta augus un tās apakšnodaļas: mikoloģija, lihenoloģija, brioloģija, ģeobotānika, paleobotānika;
- zooloģija- zinātne, kas pēta dzīvniekus, un tās apakšnodaļas: ihtioloģija, arahnoloģija, ornitoloģija, etoloģija;
- ekoloģija - zinātne par dzīvo organismu attiecībām ar vidi;
- anatomija - zinātne par iekšējā struktūra visas dzīvās būtnes;
- morfoloģija - zinātne, kas pēta dzīvo organismu ārējo uzbūvi;
- Citoloģija - zinātne, kas pēta šūnu;
- kā arī histoloģija, ģenētika, fizioloģija, mikrobioloģija un citi.

Kopumā bioloģijas zinātņu kopumu var redzēt 2. attēlā:

Rīsi. 2 Bioloģijas zinātnes

Tajā pašā laikā viņi piešķir visa rinda zinātnes, kas veidojušās bioloģijas ciešās mijiedarbības rezultātā ar citām zinātnēm, un tās sauc par integrētām. Šīs zinātnes var droši attiecināt: bioķīmija, biofizika, bioģeogrāfija, biotehnoloģija, radiobioloģija, kosmosa bioloģija un citas. 3. attēlā parādītas galvenās integrālās zinātnes ar bioloģiju

Rīsi. 3. Integrālās bioloģijas zinātnes

Cilvēkam svarīgas ir bioloģijas zināšanas.
1.uzdevums: Pamēģini pats noformulēt, kāda īsti ir bioloģisko zināšanu nozīme cilvēkam?
2. darbība. Noskatieties šo video par evolūciju un nosakiet, kādas bioloģijas zinātnes zināšanas bija nepieciešamas, lai to izveidotu

Un tagad atcerēsimies, kādas zināšanas un kāpēc cilvēkam ir vajadzīgas:
- dažādu ķermeņa slimību noteikšanai. To ārstēšanai un profilaksei ir nepieciešamas zināšanas par cilvēka ķermeni, kas nozīmē zināšanas: anatomija, fizioloģija, ģenētika, citoloģija. Pateicoties bioloģijas sasniegumiem, rūpniecība sāka ražot zāles, vitamīnus un bioloģiski aktīvās vielas;

Pārtikas rūpniecībā nepieciešams zināt botāniku, bioķīmiju, cilvēka fizioloģiju;
- lauksaimniecībā nepieciešamas zināšanas botānikā un bioķīmijā. Pateicoties augu un dzīvnieku organismu attiecību izpētei, radās iespēja izveidot bioloģiskas metodes lauksaimniecības kultūru kaitēkļu apkarošanai. Piemēram, kompleksās zināšanas botānikā un zooloģijā izpaužas lauksaimniecībā, un to var redzēt īsā video

Un tas ir tikai īss saraksts ar "bioloģisko zināšanu noderīgo lomu" cilvēka dzīvē.
Šis video palīdzēs jums labāk izprast bioloģijas lomu dzīvē.

Bioloģijas zināšanas nav iespējams izņemt no obligātajām, jo ​​bioloģija pēta mūsu dzīvi, bioloģija dod zināšanas, kas tiek izmantotas lielākajā daļā cilvēka dzīves jomu.

3. uzdevums. Paskaidrojiet, kāpēc mūsdienu bioloģiju sauc par komplekso zinātni.

Zināšanu nostiprināšana

1. Kas ir bioloģija?
2. Nosauciet botānikas apakšnodaļas.
3. Kāda ir anatomijas zināšanu loma cilvēka dzīvē?
4. Zināšanas par to, kādas zinātnes ir nepieciešamas medicīnai?
5. Kurš pirmais noteica bioloģijas jēdzienu?
6. Apskatiet 4. attēlu un nosakiet, kāda zinātne pēta attēloto objektu:

4. att. Kāda zinātne pēta šo objektu

7. Izpētiet 5. attēlu, nosauciet visus dzīvos organismus un zinātni, kas to pēta

Rīsi. 5.Dzīvie organismi

Mājasdarbs

1. Apstrādājiet mācību grāmatas materiālu - 1.punktu
2. Ierakstiet piezīmju grāmatiņā un apgūstiet terminus: bioloģija, dzīve, zinātne.
3. Pierakstiet piezīmju grāmatiņā visas bioloģijas kā zinātnes sadaļas un apakšnodaļas, īsi raksturojiet tās.

Pazemes alās nesen tika atklāta bezacīga zivs Phreaticthys andruzzii, kuras iekšējais pulkstenis ir iestatīts nevis uz 24 (kā citiem dzīvniekiem), bet gan uz 47 stundām. Pie tā vainojama mutācija, kas šo zivju ķermenī izslēdza visus gaismas jutīgos receptorus.

Zinātnieki lēš, ka kopējais uz mūsu planētas dzīvojošo bioloģisko sugu skaits ir 8,7 miljoni, un šobrīd ne vairāk kā 20% no šī skaita ir atklāti un klasificēti.

Ledus zivis jeb sīgas dzīvo Antarktīdas ūdeņos. Šī ir vienīgā mugurkaulnieku suga, kuras asinīs nav sarkano asins šūnu un hemoglobīna - tāpēc leduszivju asinis ir bezkrāsainas. To metabolisms balstās tikai uz skābekli, kas izšķīdināts tieši asinīs.

Vārds "bastards" cēlies no darbības vārda " netikls " un sākotnēji nozīmēja tikai tīršķirnes dzīvnieka nelikumīgos pēcnācējus. Laika gaitā bioloģijā šis vārds tika aizstāts ar terminu "hibrīds", taču tas kļuva aizskarošs attiecībā uz cilvēkiem.

Izmantoto avotu saraksts

1. Nodarbība "Bioloģija - zinātne par dzīvi" Konstantinova E. A., bioloģijas skolotāja, Tveras 3. vidusskola
2. Nodarbība “Ievads. Bioloģija ir zinātne par dzīvi” Titorovs Yu.I., bioloģijas skolotājs, Kemerovas CL direktors.
3. Nodarbība "Bioloģija - zinātne par dzīvi" Ņikitina O.V., bioloģijas skolotāja, SM "8. vidusskola, Čerepoveca.
4. Zaharovs V.B., Kozlova T.A., Mamontovs S.G. "Bioloģija" (4. izdevums) -L .: Akadēmija, 2011.- 512s.
5. Matyash N.Yu., Shabatura N.N. Bioloģija 9. klase - K .: Geneza, 2009. - 253 lpp.

Rediģēja un nosūtīja Borisenko I.N.

Darbs pie nodarbības

Borisenko I.N.

Konstantinova E.A.

Titorova Yu.I.

Ņikitina O.V.

Bioloģija- zinātne par dzīvo dabu.

Bioloģija pēta dzīvo būtņu daudzveidību, to ķermeņa uzbūvi un orgānu darbu, organismu vairošanos un attīstību, kā arī cilvēka ietekmi uz savvaļas dzīvniekiem.

Šīs zinātnes nosaukums cēlies no diviem grieķu vārdiem " bios" - "dzīve un " logotipi- "zinātne, vārds".

Viens no zinātņu par dzīviem organismiem pamatlicējiem bija lielais sengrieķu zinātnieks (384. - 322.g.pmē.). Viņš bija pirmais, kurš vispārināja bioloģiskās zināšanas, ko cilvēce bija ieguvusi pirms viņa. Zinātnieks ierosināja pirmo dzīvnieku klasifikāciju, apvienojot grupās līdzīgus dzīvos organismus un iecēla tajā vietu cilvēkam.

Pēc tam daudzi zinātnieki, kuri pētīja dažādi veidi dzīvi organismi, kas apdzīvo mūsu planētu.

Biozinātņu ģimene

Bioloģija ir dabas zinātne. Biologu pētījumu lauks ir milzīgs: tie ir dažādi mikroorganismi, augi, sēnes, dzīvnieki (arī cilvēki), organismu uzbūve un funkcionēšana u.c.

Tādējādi bioloģija nav tikai zinātne, bet visa ģimene, kas sastāv no daudzām atsevišķām zinātnēm.

Izpētiet interaktīvu diagrammu par bioloģijas zinātņu saimi un uzziniet, kādas ir dažādas bioloģijas nozares.

Anatomija- zinātne par atsevišķu orgānu, sistēmu un ķermeņa formu un uzbūvi kopumā.

Fizioloģija- zinātne par organismu, to sistēmu, orgānu un audu dzīvībai svarīgo darbību, organismā notiekošajiem procesiem.

Citoloģija- zinātne par šūnas uzbūvi un darbību.

Zooloģija ir zinātne, kas pēta dzīvniekus.

Zooloģijas nodaļas:

• Entomoloģija ir zinātne par kukaiņiem.

Tajā ir vairākas sadaļas: koleopteroloģija (pēta vaboles), lepidopteroloģija (pēta tauriņus), mirmekoloģija (pēta skudras).

• Ihtioloģija ir zinātne par zivīm.
• Ornitoloģija ir zinātne par putniem.
• Terioloģija ir zinātne par zīdītājiem.

Botānika zinātne, kas pēta augus.

Mikoloģija zinātne, kas pēta sēnes.

Protistoloģija Zinātne, kas pēta vienšūņus.

Virusoloģija zinātne, kas pēta vīrusus.

Bakterioloģija zinātne, kas pēta baktērijas.

Bioloģijas nozīme

Bioloģija ir cieši saistīta ar daudzām pusēm praktiskās aktivitātes cilvēks - lauksaimniecība, dažādas nozares rūpniecība, medicīna.

Veiksmīga attīstība Lauksaimniecībašobrīd lielā mērā atkarīgi no biologiem-selekcionāriem, kas iesaistīti esošo pilnveidošanā un jaunu kultivēto augu un mājdzīvnieku šķirņu šķirņu veidošanā.

Pateicoties bioloģijas sasniegumiem, ir izveidota un veiksmīgi attīstās mikrobioloģiskā nozare. Piemēram, kefīrs, rūgušpiens, jogurti, sieri, kvass un daudzi citi produkti, ko cilvēks saņem noteikta veida sēnīšu un baktēriju darbības dēļ. Ar moderno biotehnoloģiju palīdzību uzņēmumi ražo medikamentus, vitamīnus, barības piedevas, augu aizsardzības līdzekļus pret kaitēkļiem un slimībām, mēslojumu un daudz ko citu.

Zināšanas par bioloģijas likumiem palīdz ārstēt un novērst cilvēku slimības.

Katru gadu arvien vairāk cilvēku izmanto Dabas resursi. Jaudīgas tehnoloģijas tik ātri pārveido pasauli, ka tagad uz Zemes vairs nav gandrīz neviena stūra ar neskartu dabu.

Saglabāt normāli apstākļi cilvēka dzīvībai nepieciešams atjaunot iznīcināto dabiska vide. To var izdarīt tikai cilvēki, labi zinot likumus dabu. Zināšanas bioloģijā, kā arī bioloģijas zinātnē ekoloģija palīdz mums atrisināt dzīves apstākļu saglabāšanas un uzlabošanas problēmu uz planētas.

Izpildi interaktīvo uzdevumu -

Kas ir bioloģija? Bioloģija ir zinātne par dzīvību, dzīviem organismiem, kas dzīvo uz Zemes.

3. bilde no prezentācijas "Zinātne" uz bioloģijas stundām par tēmu "Bioloģija"

Izmēri: 720 x 540 pikseļi, formāts: jpg. Lai lejupielādētu attēlu bez maksas bioloģijas stunda, ar peles labo pogu noklikšķiniet uz attēla un noklikšķiniet uz "Saglabāt attēlu kā...". Lai nodarbībā rādītu bildes, bez maksas var lejupielādēt arī visu prezentāciju "Science.ppt" ar visām bildēm zip arhīvā. Arhīva izmērs - 471 KB.

Lejupielādēt prezentāciju

Bioloģija

"Pētniecības metodes bioloģijā" - Bioloģijas kā zinātnes attīstības vēsture. Eksperimenta plānošana, metodikas izvēle. Nodarbības plāns: Lai atrisinātu kādas globālas cilvēces problēmas, ir nepieciešamas bioloģijas zināšanas? Tēma: Robeždisciplīnas: Uzdevums: Morfoloģija anatomija fizioloģija sistemātika paleontoloģija. Bioloģijas nozīme. Bioloģija ir par dzīvi.

"Zinātnieks Lomonosovs" - uzsvēra Ziemeļu jūras ceļa izpētes nozīmi, Sibīrijas attīstību. 1711. gada 19. novembris–1765. gada 15. aprīlis (53 gadi) 1741. gada 10. jūnijs. Atklājumi. Viņš izstrādāja atomu un molekulu idejas par matērijas struktūru. Idejas. Izslēgts flogistons no ķīmisko aģentu skaita. Darbs. Būdams deisma piekritējs, materiālistiski uzskatīja dabas parādības.

"Botāniķis Vavilovs" - Vissavienības Lietišķās botānikas institūts. 1906. gadā Vavilovs Nikolajs Ivanovičs. 1924. gadā pabeidza: Roksana Babičeva un Ludmila Ždanova, 10. B klases skolnieces. Pieauga Vavilova kā zinātnieka un zinātnes organizatora autoritāte. Mertonā (Anglija), Dārzkopības institūta ģenētiskajā laboratorijā. N. I. Vavilovs dzimis 1887. gada 26. novembrī Maskavā.

"Projekta darbība" - Alekseeva E.V. Lekcijas plāns. Skolotājs kļūst par projekta autoru. Pārskats par papildu resursiem. Tehnoloģija informācijas modelis izglītības process. Bioloģijas stundas noformēšana. Projekta darbība. Teorija un prakse. (Dizaina metode). Skolotāja darba posmi. Teorija un prakse. Pamatbloki projektos.

"Zinātne par savvaļas dzīvniekiem" - Darba burtnīcu dizains. 3. Bioloģija – zinātne par savvaļas dzīvniekiem. Bioloģija ir zinātne par dzīvo dabu. baktērijas. Sēnes. Tie sastāv no vienas šūnas un tiem nav kodola. Marks Cicerons. Bioloģija pēta dzīvos organismus. Viņiem ir hlorofils un tie veidojas gaismā organisko vielu izdalot skābekli. Jautājums: Ko pēta bioloģija?

"Matemātika bioloģijā" - "Plakanās pēdas identifikācija." Diagrammu lasīšana. Simetrijas jēdziens; Simetrijas veidi. Funkcijas grafika jēdziens. Vispārējā bioloģija, 10. klase. "Variāciju sērijas un līknes uzbūve". Pieskares punkti būs ausis. Aplis, ovāls. Tas ir vispārpieņemts viedoklis, ka matemātika pieder pie eksaktajām zinātnēm. Proporcionalitāte.

Kopumā tēmā ir 14 prezentācijas

Bioloģiskā modeļa specifika vidusskolēniem

Bioloģiskā zīmēšana ir viens no vispāratzītajiem instrumentiem bioloģisko objektu un struktūru pētīšanai. Par šo jautājumu ir daudz labu pamācību.

Piemēram, Grīna, Stuta, Teilora trīssējumu grāmatā "Bioloģija" ir formulēti šādi bioloģiskās zīmēšanas noteikumi.

1. Zīmēšanai nepieciešams izmantot atbilstoša biezuma un kvalitātes papīru. Zīmuļu līnijas no tā ir labi jāizdzēš.

2. Zīmuļiem jābūt asiem, cietības HB (mūsu sistēmā - TM), ne krāsainiem.

3. Zīmējumam jābūt:

- pietiekami liels - jo vairāk elementu veido pētāmo objektu, jo lielākam jābūt zīmējumam;
- vienkāršs - iekļaujiet struktūras kontūras un citas svarīgas detaļas, lai parādītu atsevišķu elementu atrašanās vietu un savienojumu;
- zīmēts ar plānām un izteiktām līnijām - katra līnija ir jāizdomā un tad jāvelk, nepaceļot zīmuli no papīra; neizšķilties un nekrāsot;
- uzrakstiem jābūt pēc iespējas pilnīgākiem, no tiem nākošās līnijas nedrīkst krustoties; Ap zīmējumu atstājiet vietu parakstiem.

4. Ja nepieciešams, izveidojiet divus rasējumus: shematisku zīmējumu, kurā parādītas galvenās iezīmes, un detalizētu mazu detaļu rasējumu. Piemēram, ar mazu palielinājumu uzzīmējiet auga šķērsgriezuma plānu, bet ar lielu palielinājumu - detalizētu šūnu struktūru (plānā ar ķīli vai kvadrātu iezīmē lielu uzzīmēto zīmējuma daļu).

5. Jums vajadzētu zīmēt tikai to, ko jūs patiešām redzat, nevis to, ko jūs domājat, ka redzat, un, protams, nekopējiet zīmējumu no grāmatas.

6. Katram zīmējumam jābūt nosaukumam, norādei par parauga palielinājumu un projekciju.

Lapa no grāmatas "Ievads zooloģijā" (vācu izdevums XIX beigas gadsimts)

No pirmā acu uzmetiena tas ir diezgan vienkārši un nerada iebildumus. Tomēr mums bija jāpārskata dažas tēzes. Fakts ir tāds, ka šādu rokasgrāmatu autori bioloģiskās zīmēšanas specifiku aplūko jau institūta vai speciālo skolu vecāko klašu līmenī, viņu ieteikumi ir adresēti diezgan pieaugušiem cilvēkiem ar analītisku (jau) domāšanu. Vidējā (6.-8.) klasēs - gan parastajās, gan bioloģiskajās - lietas nav tik vienkārši.

Ļoti bieži laboratorijas skices pārvēršas savstarpējās "mocās". Neglīti un maz saprotami zīmējumi nepatīk pašiem bērniem - viņi vienkārši vēl neprot zīmēt, ne skolotājam - jo tās struktūras detaļas, kuru dēļ viss tika sākts, ļoti bieži pietrūkst lielākajai daļai bērnu. . Tikai mākslinieciski apdāvināti bērni parasti tiek galā ar šādiem uzdevumiem (un nesāk viņus ienīst!) Īsāk sakot, problēma ir tā, ka objekti ir, bet nav atbilstošas ​​tehnikas. Starp citu, zīmēšanas skolotāji dažkārt saskaras ar pretēju problēmu – ir tehnika un grūti ar objektu atlasi. Varbūt mums vajadzētu apvienoties?

57. Maskavas skolā, kurā strādāju, integrēts bioloģiskās zīmēšanas kurss vidējās pakāpes, kuras ietvaros pāros strādā bioloģijas un zīmēšanas skolotāji. Mēs esam izstrādājuši daudzas interesanti projekti. Viņu rezultāti ir vairākkārt izstādīti Maskavas muzejos - Maskavas Valsts Zooloģiskajā universitātē, Paleontoloģijā, Darvinā, dažādos bērnu radošuma festivālos. Bet galvenais ir tas, ka parastie bērni, kas nav izvēlēti ne mākslas, ne bioloģijas nodarbībām, ar prieku izpilda šos dizaina uzdevumus, lepojas ar savu darbu un, kā mums šķiet, sāk ieskatīties dzīvo pasaulē. daudz ciešāk un pārdomātāk. Protams, ne katrā skolā ir iespēja sadarboties bioloģijas un mākslas skolotājiem, taču, iespējams, dažas mūsu atziņas būs interesantas un noderīgas, pat strādājot tikai bioloģijas programmas ietvaros.

Motivācija: emocijas vispirms

Protams, mēs zīmējam, lai labāk pētītu un saprastu strukturālās iezīmes, iepazīties ar to organismu daudzveidību, ko nodarbībās pētām. Bet, lai arī kādu uzdevumu dotu, atceries, ka šī vecuma bērniem ir ļoti svarīgi pirms darba uzsākšanas emocionāli tvert priekšmeta skaistumu un lietderību. Ar spilgtiem iespaidiem cenšamies sākt darbu pie jauna projekta. Tam vislabāk piemērots īss videoklips vai neliela (ne vairāk kā 7-10!) slaidu izlase. Mūsu komentāri ir vērsti uz priekšmetu neparastumu, skaistumu, pārsteidzošumu, pat ja tas ir kaut kas parasts: piemēram, koku ziemas silueti, pētot dzinumu zarošanos - tie var būt vai nu sals un atgādināt koraļļus, vai arī uzsvērta grafika - melns uz balta sniega. Šādam ievadam nevajadzētu būt garam – tikai dažām minūtēm, taču tas ir ļoti svarīgi motivācijai.

Progress: analītiskā versija

Pēc tam pārejiet pie uzdevuma formulēšanas. Šeit ir svarīgi vispirms izcelt tās struktūras iezīmes, kas nosaka objekta izskatu, un parādīt to bioloģisko nozīmi. Protams, tas viss ir jāuzraksta uz tāfeles un jāieraksta piezīmju grāmatiņā. Patiesībā jūs šobrīd izvirzāt studentiem darba uzdevumu - redzēt un parādīt.

Un tad uz tāfeles otrās puses tu apraksti zīmējuma veidošanas posmus, papildinot tos ar shēmām, t.i. aprakstiet metodiku un procedūru. Būtībā jūs pats ātri pabeidzat uzdevumu bērnu priekšā, turot uz tāfeles visu palīg- un starpkonstrukciju sēriju.

Šajā posmā ir ļoti labi parādīt bērniem gatavus zīmējumus, vai nu tos māksliniekus, kuri attēlojuši vienus un tos pašus objektus, vai arī iepriekšējos skolēnus. Nemitīgi jāuzsver, ka labs un skaists bioloģiskais zīmējums būtībā ir pētījums – t.i. atbildi uz jautājumu, kā objekts darbojas, un laika gaitā iemācīt bērniem pašiem formulēt šos jautājumus.

Proporcijas, palīglīnijas, detalizācija, vadošie jautājumi

Uzbūvē zīmējumu - un izpēti objektu! - jūs sākat, noskaidrojot tā proporcijas: garuma un platuma attiecību, daļas pret visu, noteikti iestatiet attēlam diezgan stingru formātu. Tas ir formāts, kas automātiski noteiks detalizācijas pakāpi: liels skaitlis detaļām, lielai būs nepieciešams piesātinājums ar detaļām un līdz ar to vairāk laika darbam. Iepriekš padomājiet, kas jums katrā gadījumā ir svarīgāks.

1) uzzīmē simetrijas asi;

2) uzbūvēt divus simetrisku taisnstūru pārus - augšējiem un apakšējiem spārniem (piemēram, spārēm), vispirms nosakot to proporcijas;

3) ievietojiet šajos taisnstūros spārnu izliektās līnijas

Rīsi. 1. 7. klase. Tēma "Kukaiņu pulki". Tinte, pildspalva uz zīmuļa, no satīna

(Atceros kādu smieklīgu, skumju un parastu stāstu, kas notika, kad pirmo reizi veicu šo darbu. Septītās klases zēns vārdu “iederas” vispirms saprata kā viegli iekļaujamu iekšā un uzzīmēja izliektus apļus taisnstūru iekšpusē – visi četri ir atšķirīgi! , pēc mana pamudinājuma, ko ievadīt - nozīmē pieskarties palīglīnijām, viņš atnesa tauriņu ar taisnstūrveida spārniem, tikai nedaudz nogludināti stūros.Un tikai tad es uzminēju viņam paskaidrot, ka ierakstītā līkne skar katru taisnstūra malu plkst. tikai viens punkts. Un mums bija jāpārtaisa zīmējums vēlreiz ...)

4) ... Šis punkts var atrasties sānu vidū vai vienas trešdaļas attālumā no stūra, un tas arī ir jānosaka!

Bet cik viņš bija priecīgs, kad viņa zīmējums nokļuva skolas izstādē - pirmo reizi - tas izdevās! Un tagad es izrunāju visus mūsu moku posmus kopā ar viņu “Darba gaitas” aprakstā.

Sīkāka zīmējuma detalizācija noved pie diskusijas par daudzu objekta pazīmju bioloģisko nozīmi. Turpinot piemēru ar kukaiņu spārniem (2. att.), apspriežam, kas ir dzīslas, kā tās ir izkārtojušās, kāpēc tās obligāti saplūst vienotā tīklā, kā atšķiras venācijas raksturs dažādu sistemātisku grupu kukaiņiem (piemēram, senatnē). un jaunspārnu), kāpēc priekšspārnu galējā dzīsla ir sabiezējusi utt. Un mēģiniet sniegt lielāko daļu savu norādījumu jautājumu veidā, uz kuriem bērniem jāatrod atbildes.

Rīsi. 2. "Spāre un skudras." 7. klase, tēma "Kukaiņu pulki." Tinte, pildspalva uz zīmuļa, no satīna

Starp citu, mēģiniet uzņemt vairāk viena veida objektu, dodot puišiem iespēju izvēlēties. Darba noslēgumā klase redzēs gan grupas bioloģisko daudzveidību, gan svarīgas uzbūves kopīgās iezīmes, un, visbeidzot, bērnu atšķirīgās zīmēšanas spējas nebūs tik svarīgas.

Diemžēl skolas skolotāja rīcībā ne vienmēr ir pietiekams skaits dažādu vienas grupas priekšmetu. Iespējams, ka jums noderēs mūsu pieredze: mācoties grupā, mēs vispirms veidojam viegli pieejamā objekta frontālo zīmējumu no dzīves, bet pēc tam individuāli - dažādu objektu zīmējumus no fotogrāfijām vai pat no profesionālu mākslinieku zīmējumiem.

Rīsi. 3. Garneles. 7. klase, tēma "Vēžveidīgie". Zīmulis, no dabas

Piemēram, tēmā “Vēžveidīgie” laboratorijas darbā “Vēžveidīgo ārējā uzbūve” visi vispirms zīmējam pārtikas veikalā saldētas pirktas garneles (vēžu vietā) (3. att.), bet pēc tam, noskatoties īsu video klips, atsevišķi - dažādi planktona vēžveidīgo kāpuri (4. att.), attēloti "Dzīvnieku dzīvē": uz lielām (A3) loksnēm, tonēti ar akvareli auksti pelēkos, zilos, zaļganos toņos; krīts vai balta guaša, ar tinti un pildspalvu apstrādājot smalkas detaļas. (Paskaidrojot, kā nodot planktona vēžveidīgo caurspīdīgumu, varam piedāvāt visvienkāršāko modeli - stikla burku ar tajā ievietotu priekšmetu.)

Rīsi. 4. Planktons. 7. klase, tēma "Vēžveidīgie". Tonēts papīrs (A3 formāts), krīts vai balta guaša, melna tinte, no satīna

8. klasē, pētot zivis, laboratorijas darbā “Kaulzivs ārējā uzbūve” vispirms uzzīmējam parastu raudu, bet pēc tam puiši no krāšņajām krāsu tabulām “Tirdzniecības zivs” zīmē dažādu zivju šķirņu akvareļu pārstāvjus, kas. mums ir skolā.

Rīsi. 5. Vardes skelets. 8. klase, tēma "Abinieki". Zīmulis, ar izglītojošu sagatavošanu

Vispirms pētot abiniekus - laboratorijas darbi"Vardes skeleta uzbūve", zīmējums ar vienkāršu zīmuli (5. att.). Tad pēc īsa video klipa noskatīšanās akvareļa zīmējums ar dažādām eksotiskām lapām kāpjošām vardēm u.c. (Zīmējam no kalendāriem ar kvalitatīvām fotogrāfijām, par laimi, tagad tās nav retums.)

Ar šādu shēmu diezgan garlaicīgi viena un tā paša objekta zīmuļu zīmējumi tiek uztverti kā parasts sagatavošanās posms spilgtiem un individuāliem darbiem.

Svarīgi: tehnika

Veiksmīgai darba pabeigšanai ļoti svarīga ir tehnikas izvēle. Klasiskajā versijā jāņem vienkāršs zīmulis un balts papīrs, bet .... Mūsu pieredze vēsta, ka no bērnu viedokļa šāds zīmējums izskatīsies nepabeigts, viņi paliks neapmierināti ar darbu.

Tikmēr pietiek ar tinti izveidot zīmuļa skici un pat paņemt tonētu papīru (mēs bieži lietojam krāsains papīrs printeriem) - un rezultāts tiks uztverts pavisam savādāk (6., 7. att.). Nepilnības sajūtu bieži rada tieši detalizēta fona trūkums, un visvieglāk šo problēmu atrisināt ar tonēta papīra palīdzību. Turklāt, izmantojot parasto krītu vai baltu zīmuli, jūs gandrīz uzreiz varat sasniegt atspīdumu vai caurspīdīguma efektu, kas bieži vien ir nepieciešams.

Rīsi. 6. Radiolārija. 7. klase, tēma "Vienkāršākais". Tonēts papīrs (A3 formātā) akvareļiem (ar raupju tekstūru), tintei, pasteļam vai krītam, no satīna

Rīsi. 7. Bite. 7. klase, tēma "Kukaiņu pulki." Tinte, pildspalva uz zīmuļa, tilpums - ar otu un atšķaidītu tinti, sīkas detaļas ar pildspalvu, no satīna

Ja jums ir grūti organizēt darbu ar skropstu tušu, izmantojiet mīkstus melnus lainerus vai rullīšu bumbiņas (sliktākajā gadījumā gēla pildspalvas) - tās dod tādu pašu efektu (8., 9. att.). Izmantojot šo paņēmienu, noteikti parādiet, cik daudz informācijas tiek sniegts, izmantojot dažāda biezuma un spiediena līnijas - gan lai izceltu svarīgāko, gan radītu apjoma efektu (priekšplāns un fons). Varat arī izmantot mērenu un vieglu ēnojumu.

Rīsi. 8. Auzas. 6. klase, tēma "Ziedaugu daudzveidība, dzimtas graudaugi." Tinte, tonēts papīrs, no herbārija

Rīsi. 9. Zirgaste un klubu sūnas. 6. klase, tēma "Sporu augi". Tinte, balts papīrs, no herbārija

Turklāt, atšķirībā no klasiskajiem zinātniskajiem zīmējumiem, mēs bieži veicam darbu krāsaini vai izmantojam gaismas tonējumu, lai parādītu apjomu (10. att.).

Rīsi. 10. Elkoņa locītava. 9. klase, tēma "Muskuļu un skeleta sistēma". Zīmulis, ar ģipša palīglīdzekli

No krāsu tehnikām mēs izmēģinājām daudzas - akvareli, guašu, pasteļus un galu galā nokārtojāmies uz mīkstiem krāsainiem zīmuļiem, bet vienmēr uz raupja papīra. Ja nolemjat izmēģināt šo tehniku, ir jāņem vērā dažas svarīgas lietas.

1. Paņemiet mīkstus kvalitatīvus zīmuļus no labas firmas, piemēram, Kohinoor, bet nedodiet bērniem lielu krāsu klāstu (pietiekami pamata): šajā gadījumā viņi parasti cenšas izvēlēties gatavu krāsu, kas, protams, neizdodas. Parādiet, kā iegūt pareizo toni, sajaucot 2-3 krāsas. Lai to izdarītu, jums jāstrādā ar paleti - papīra lapu, uz kuras viņi izvēlas vajadzīgās kombinācijas un spiedienu.

2. Rupjš papīrs ievērojami atvieglos uzdevumu izmantot vājas un spēcīgas krāsas.

3. Viegliem īsiem sitieniem it kā jāizveido objekta forma: t.i. atkārtojiet galvenās līnijas (un nekrāsojiet, pretēji formai un kontūrām).

4. Tad vajag pēdējos sulīgos un spēcīgus triepienus, kad jau ir izvēlētas pareizās krāsas. Bieži vien ir vērts pievienot izcēlumus, kas ievērojami atdzīvinās zīmējumu. Vienkāršākais veids ir šim nolūkam izmantot parasto krītu (uz tonēta papīra) vai iet cauri ar mīkstu dzēšgumiju (uz balta). Starp citu, ja izmanto vaļīgos paņēmienus – krītu vai pasteļtoņu – pēc tam darbu vari salabot ar matu laku.

Apgūstot šo paņēmienu, ar laika trūkumu to varēsi izmantot dabā, burtiski “uz ceļgala” (tikai neaizmirstiet par tabletēm - pietiek ar iepakojuma kartona gabalu!).

Un, protams, lai darbs būtu veiksmīgs, mēs noteikti iekārtojam izstādes – citreiz klasē, citreiz skolas gaiteņos. Diezgan bieži uz izstādi tiek ieplānoti bērnu referāti par vienu un to pašu tēmu – gan mutiski, gan rakstiski. Kopumā šāds projekts jums un bērniem atstāj liela un skaista darba sajūtu, kam ir vērts sagatavoties. Iespējams, sazinoties un abpusēji interesējoties ar zīmēšanas skolotāju, var sākt strādāt bioloģijas stundās: analītiski sagatavošanās posms pētot objektu, veidojot zīmuļa skici un pabeidzot to jūsu kopīgi izvēlētajā tehnikā - viņa nodarbībās.

Šeit ir piemērs. Botānika, tēma "Bēgšana - pumpurs, zarošanās, dzinuma struktūra". Zars ar pumpuriem - priekšplānā lieli, fonā - koku vai krūmu silueti uz balta sniega un melnu debesu fona. Tehnika - melna tinte, balts papīrs. Zari - no dabas, koku silueti - no fotogrāfijām vai grāmatu zīmējumiem. Nosaukums ir "Koki ziemā" vai "Ziemas ainava".

Vēl viens piemērs. Apgūstot tēmu “Kukaiņu pulki”, veicam īsu darbu “Vaboļu forma un apjoms”. Jebkurš paņēmiens, kas nodod chiaroscuro un izceļ (akvarelis, tinte ar ūdeni, ota), bet vienkrāsains, lai nenovērstu uzmanību un formas tēlu (11. att.). Detaļas labāk izstrādāt ar pildspalvu vai gēla pildspalvu (ja izmantosit palielināmo stiklu, labāk iznāks ķepas un galva).

Rīsi. 11. Vaboles. Tinte, pildspalva uz zīmuļa, tilpums - ar otu un atšķaidītu tinti, sīkas detaļas ar pildspalvu, no satīna

Pietiek ar 1-2 skaistiem darbiem ceturksnī - un dzīvas būtnes uzzīmēšana iepriecinās visus šī grūtā procesa dalībniekus.

Dzīvības zinātnes virzās no lielām uz mazām. Pavisam nesen bioloģija aprakstīja tikai dzīvnieku, augu, baktēriju ārējās pazīmes. Molekulārā bioloģija pēta dzīvos organismus atsevišķu molekulu mijiedarbības līmenī. Strukturālā bioloģija - pēta procesus šūnās atomu līmenī. Ja vēlaties uzzināt, kā “redzēt” atsevišķus atomus, kā darbojas un “dzīvo” strukturālā bioloģija un kādus instrumentus tā izmanto, esi šeit!

Cikla galvenais partneris ir uzņēmums: lielākais iekārtu, reaģentu un palīgmateriālu piegādātājs bioloģiskajai izpētei un ražošanai.

Viena no galvenajām "Biomolekulas" misijām ir nokļūt līdz pašām saknēm. Mēs ne tikai stāstām, kādus jaunus faktus atklājuši pētnieki – mēs runājam par to, kā viņi tos atklāja, cenšamies izskaidrot bioloģisko metožu principus. Kā izņemt gēnu no viena organisma un ievietot citā? Kā sekot līdzi dažu sīku molekulu liktenim milzīgā šūnā? Kā satraukt vienu niecīgu neironu grupu milzīgās smadzenēs?

Un tāpēc mēs nolēmām sistemātiskāk runāt par laboratorijas metodēm, apkopot vienā rubrikā svarīgākās, modernākās bioloģiskās metodes. Lai būtu interesantāk un skaidrāk, rakstus esam biezi ilustrējuši un šur tur pat pievienojuši animācijas. Vēlamies, lai jaunās rubrikas raksti būtu interesanti un saprotami arī nejaušam garāmgājējam. Un, no otras puses, tiem jābūt tik detalizētiem, lai pat profesionālis tajos varētu atrast ko jaunu. Mēs esam apkopojuši metodes 12 lielās grupās un, pamatojoties uz tām, veidosim biometodisko kalendāru. Gaidiet atjauninājumus!

Kāpēc strukturālā bioloģija?

Kā zināms, bioloģija ir zinātne par dzīvi. Viņa parādījās iekšā XIX sākums gadsimtiem, un pirmie simts tās pastāvēšanas gadi bija tikai aprakstoši. Bioloģijas galvenais uzdevums tajā laikā tika uzskatīts pēc iespējas atrast un raksturot liels daudzums dažādu dzīvo organismu sugas, nedaudz vēlāk - identificēt ģimenes saites starp viņiem. Laika gaitā un attīstoties citām zinātnes jomām, no bioloģijas parādījās vairākas nozares ar priedēkli "molekulārā": molekulārā ģenētika, molekulārā bioloģija un bioķīmija - zinātnes, kas pēta dzīvās būtnes atsevišķu molekulu līmenī, nevis pēc izskats organismu vai tā iekšējo orgānu relatīvo stāvokli. Beidzot pavisam nesen (pagājušā gadsimta 50. gados) parādījās tāds zināšanu lauks kā strukturālā bioloģija- zinātne, kas pēta procesus dzīvajos organismos pārmaiņu līmenī telpiskā struktūra atsevišķas makromolekulas. Faktiski strukturālā bioloģija atrodas trīs dažādu zinātņu krustpunktā. Pirmkārt, tā ir bioloģija, jo zinātne pēta dzīvos objektus, un, otrkārt, fizika, jo ir plašākais fizisko arsenāls. eksperimentālās metodes, un, treškārt, ķīmija, jo molekulu struktūras maiņa ir šīs konkrētās disciplīnas priekšmets.

Strukturālā bioloģija pēta divas galvenās savienojumu klases - olbaltumvielas (visu zināmo organismu galvenais "darba ķermenis") un nukleīnskābes(galvenās "informācijas" molekulas). Pateicoties strukturālajai bioloģijai, mēs zinām, ka DNS ir dubultspirāles struktūra, ka tRNS ir jāattēlo kā vintage burts "G" un ka ribosomā ir liela un maza apakšvienība, kas sastāv no olbaltumvielām un RNS noteiktā konformācijā. .

globālais mērķis strukturālā bioloģija, tāpat kā jebkura cita zinātne, ir "saprast, kā lietas darbojas". Kādā formā ir salocīta olbaltumvielu ķēde, kas izraisa šūnu dalīšanos, kā mainās fermenta iepakojums laikā ķīmiskais process, ko tā veic, kādās vietās mijiedarbojas augšanas hormons un tā receptori – uz šiem jautājumiem atbild šī zinātne. Turklāt atsevišķs mērķis ir uzkrāt tādu datu apjomu, lai uz šiem jautājumiem (par objektu, kas vēl nav izpētīts) varētu atbildēt datorā, neizmantojot dārgu eksperimentu.

Piemēram, jums ir jāsaprot, kā darbojas bioluminiscences sistēma tārpos vai sēnēs - viņi atšifrēja genomu, pamatojoties uz šiem datiem, atrada vēlamo proteīnu un paredzēja tā telpisko struktūru kopā ar darbības mehānismu. Tiesa, ir vērts atzīt, ka līdz šim šādas metodes pastāv tikai sākumstadijā, un joprojām nav iespējams precīzi paredzēt proteīna struktūru, kam ir tikai tā gēns. No otras puses, strukturālās bioloģijas rezultātiem ir pielietojums medicīnā. Kā cer daudzi pētnieki, zināšanas par biomolekulu uzbūvi un viņu darba mehānismiem ļaus izstrādāt jaunas zāles racionāli, nevis izmēģinājumu un kļūdu ceļā (stingri sakot, augstas caurlaidības skrīnings), kā tas visbiežāk notiek. tagad darīts. Un tā nav Zinātniskā fantastika: Jau ir daudz zāļu, kas radītas vai optimizētas, izmantojot strukturālo bioloģiju.

Strukturālās bioloģijas vēsture

Strukturālās bioloģijas vēsture (1. att.) ir diezgan īsa un sākas 1950. gadu sākumā, kad Džeimss Vatsons un Frensiss Kriks, pamatojoties uz Rozalindas Franklinas datiem par rentgenstaru difrakciju DNS kristālos, samontēja tagad zināmā dubultā modeli. helix no vintage dizainera. Nedaudz agrāk Linuss Polings izveidoja pirmo ticamo spirāles modeli, kas ir viens no proteīnu sekundārās struktūras pamatelementiem (2. att.).

Pēc pieciem gadiem, 1958. gadā, tika noteikta pasaulē pirmā proteīna struktūra - kašalotu mioglobīns (muskuļu šķiedru proteīns) (3. att.). Protams, tas neizskatījās tik skaisti kā mūsdienu struktūras, taču tas bija nozīmīgs pavērsiens mūsdienu zinātnes attīstībā.

3.b attēls. Pirmā proteīna molekulas telpiskā struktūra. John Kendrew un Max Perutz demonstrē mioglobīna telpisko struktūru, kas samontēta no īpaša konstruktora.

Desmit gadus vēlāk, 1984.–1985. gadā, ar kodolmagnētiskās rezonanses spektroskopiju tika identificētas pirmās struktūras. Kopš tā brīža ir notikuši vairāki galvenie atklājumi: 1985. gadā viņi ieguva pirmā enzīma kompleksa struktūru ar tā inhibitoru, 1994. gadā viņi noteica mūsu šūnu spēkstaciju galvenās “mašīnas” ATP sintāzes struktūru. (mitohondriji), un jau 2000. gadā tās saņēma pirmās proteīnu telpiskās struktūras "fabrikas" - ribosomas, kas sastāv no olbaltumvielām un RNS (6. att.). 21. gadsimtā strukturālās bioloģijas attīstība ir gājusi lēcieniem un robežām, ko pavada sprādzienbīstams skaita pieaugums. telpiskās struktūras. Ir iegūtas daudzu proteīnu klašu struktūras: hormonu un citokīnu receptori, G-proteīnu saistītie receptori, nodevām līdzīgi receptori, proteīni imūnsistēma un daudzi citi.

Līdz ar jaunu tehnoloģiju parādīšanos krioelektronu mikroskopijas attēlu ierakstīšanai un apstrādei 2010. gados parādījās daudzas sarežģītas membrānas proteīnu struktūras īpaši augstā izšķirtspējā. Strukturālās bioloģijas progress nepalika nepamanīts: 14 Nobela prēmijas, no kuriem piecas jau ir 21. gs.

Strukturālās bioloģijas metodes

Pētījumi strukturālās bioloģijas jomā tiek veikti ar vairāku palīdzību fiziskās metodes, no kuriem tikai trīs ļauj iegūt biomolekulu telpiskās struktūras atomu izšķirtspējā. Strukturālās bioloģijas metodes ir balstītas uz testējamās vielas mijiedarbības mērīšanu ar dažādi veidi elektromagnētiskie viļņi vai elementārdaļiņas. Visas metodes prasa ievērojamus finanšu resursus - aprīkojuma izmaksas bieži vien ir pārsteidzošas.

Vēsturiski pirmā strukturālās bioloģijas metode ir rentgenstaru difrakcijas analīze (XRD) (7. att.). Jau 20. gadsimta sākumā tika noskaidrots, ka pēc rentgenstaru difrakcijas parauga uz kristāliem var pētīt to īpašības - šūnu simetrijas veidu, saišu garumu starp atomiem uc Ja tomēr , tur ir organiskie savienojumi, tad ir iespējams aprēķināt atomu koordinātas un līdz ar to arī šo molekulu ķīmisko un telpisko uzbūvi. Tā 1949. gadā tika iegūta penicilīna struktūra, bet 1953. gadā – DNS dubultspirāles struktūra.

Šķiet, ka viss ir vienkārši, taču ir nianses.

Pirmkārt, ir nepieciešams kaut kādā veidā iegūt kristālus, un to izmēriem jābūt pietiekami lieliem (8. att.). Ja ne pārāk sarežģītām molekulām tas ir iespējams (atcerieties, kā kristalizēties sāls vai zilais vitriols!), tad proteīnu kristalizācija ir grūtākais uzdevums, kas prasa nepārprotamu procedūru optimālu apstākļu atrašanai. Tagad tas tiek darīts ar īpašu robotu palīdzību, kas sagatavo un uzrauga simtiem dažādu risinājumu, meklējot “dīgušos” proteīna kristālus,. Tomēr pirmajās kristalogrāfijas dienās proteīna kristāla iegūšana varētu aizņemt vairākus gadus ilgu vērtīgu laiku.

Otrkārt, pamatojoties uz iegūtajiem datiem (“neapstrādātie” difrakcijas modeļi; 8. att.), ir nepieciešams “aprēķināt” struktūru. Tagad arī tas ir ikdienišķs uzdevums, taču pirms 60 gadiem, lampu tehnoloģiju un perfokaršu laikmetā, tas nebūt nebija tik vienkārši.

Treškārt, pat ja būtu iespējams izaudzēt kristālu, nav obligāti jānosaka proteīna telpiskā struktūra: šim proteīnam jābūt vienādai struktūrai visās režģa vietās, kas ne vienmēr ir lietu.

Un, ceturtkārt, kristāls ir tālu no proteīna dabiskā stāvokļa. Pētīt olbaltumvielas kristālos ir kā pētīt cilvēkus, ievietojot desmit no tiem mazā, dūmakainā virtuvē: jūs varat uzzināt, ka cilvēkiem ir rokas, kājas un galva, bet uzvedība var nebūt tāda pati kā ērtā vidē. Tomēr rentgenstaru difrakcijas analīze ir visizplatītākā metode telpisko struktūru noteikšanai, un 90% no PBP satura tiek iegūti, izmantojot šo metodi.

SAR nepieciešami spēcīgi rentgenstaru avoti – elektronu paātrinātāji vai brīvo elektronu lāzeri (9. att.). Šādi avoti ir dārgi – vairāki miljardi ASV dolāru –, taču parasti vienu avotu par diezgan nominālu samaksu izmanto simtiem vai pat tūkstošiem grupu visā pasaulē. Mūsu valstī nav spēcīgu avotu, tāpēc lielākā daļa zinātnieku dodas no Krievijas uz ASV vai Eiropu, lai analizētu iegūtos kristālus. Vairāk par šiem romantiskajiem pētījumiem varat lasīt rakstā " Membrānas proteīnu progresīvu pētījumu laboratorija: no gēna līdz angstromam» .

Kā jau minēts, rentgenstaru difrakcijas analīzei ir nepieciešams spēcīgs rentgena starojuma avots. Jo jaudīgāks ir avots, jo mazāka izmēra kristāli jūs varat iztikt, un jo mazāk sāpju būs jācieš biologiem un gēnu inženieriem, mēģinot iegūt nelaimīgos kristālus. Rentgena starojumu visvieglāk iegūt, paātrinot elektronu staru sinhrotronos vai ciklotronos – milzu gredzenu paātrinātājos. Kad elektrons piedzīvo paātrinājumu, tas izstaro elektromagnētiskos viļņus vēlamajā frekvenču diapazonā. Pēdējā laikā ir parādījušies jauni superjaudīgi starojuma avoti - brīvo elektronu lāzeri (XFEL).

Lāzera darbības princips ir diezgan vienkāršs (9. att.). Pirmkārt, elektroni tiek paātrināti līdz augsta enerģija ar supravadošu magnētu palīdzību (paātrinātāja garums ir 1–2 km), un pēc tam tie iziet cauri tā sauktajiem undulatoriem - dažādas polaritātes magnētu komplektiem.

9. attēls. Brīvo elektronu lāzera darbības princips. Elektronu stars tiek paātrināts, iziet cauri viļņotājam un izstaro gamma starus, kas nokrīt uz bioloģiskajiem paraugiem.

Izejot cauri undulatoram, elektroni sāk periodiski novirzīties no stara virziena, piedzīvo paātrinājumu un izstaro rentgenstari. Tā kā visi elektroni pārvietojas vienādi, starojums tiek pastiprināts tādēļ, ka citi staru elektroni sāk absorbēt un atkārtoti izstarot tādas pašas frekvences rentgena viļņus. Visi elektroni sinhroni izstaro starojumu superjaudīgas un ļoti īsas zibspuldzes veidā (kuras ilgums ir mazāks par 100 femtosekundēm). Rentgena stara jauda ir tik liela, ka viena īsa zibspuldze pārvērš mazu kristālu par plazmu (10. att.), tomēr tajās pāris femtosekundēs, kamēr kristāls ir neskarts, var iegūt attēlu. augstākā kvalitāte lielās staru intensitātes un saskaņotības dēļ. Šāda lāzera izmaksas ir 1,5 miljardi dolāru, un pasaulē ir tikai četras šādas instalācijas (atrodas ASV (11. att.), Japānā, Korejā un Šveicē). 2017. gadā plānots nodot ekspluatācijā piekto - Eiropas - lāzeru, kura būvniecībā piedalījās arī Krievija.

10. attēls. Olbaltumvielu transformācija plazmā 50 fs laikā brīvo elektronu lāzera impulsa iedarbībā. Femtosekunde = 1/1000000000000000 sekundes.

Apmēram 10% no PBP datubāzē esošajām telpiskajām struktūrām tika noteiktas, izmantojot KMR spektroskopiju. Krievijā ir vairāki lieljaudas jutīgie KMR spektrometri, kurus izmanto pasaules līmeņa darbam. Lielākā KMR laboratorija ne tikai Krievijā, bet visā apgabalā uz austrumiem no Prāgas un uz rietumiem no Seulas atrodas Krievijas Zinātņu akadēmijas Bioorganiskās ķīmijas institūtā (Maskava).

NMR spektrometrs ir brīnišķīgs piemērs tehnoloģiju triumfam pār saprātu. Kā jau minējām, lai izmantotu KMR spektroskopijas metodi, ir nepieciešams spēcīgs magnētiskais lauks, tāpēc ierīces sirds ir supravadošs magnēts – speciāla sakausējuma spole, kas iegremdēta šķidrā hēlijā (-269 °C). Šķidrais hēlijs ir nepieciešams supravadītspējas sasniegšanai. Lai hēlijs neiztvaikotu, ap to ir uzbūvēta milzīga tvertne ar šķidro slāpekli (-196 °C). Lai gan tas ir elektromagnēts, tas nepatērē elektrību: supravadošai spolei nav pretestības. Taču magnēts nepārtraukti "jāpabaro" ar šķidro hēliju un šķidro slāpekli (15. att.). Ja jūs to neievērosit, notiks “dzēš”: spole uzkarsīs, hēlijs eksplozīvi iztvaiko un ierīce salūzīs ( cm. video). Ir arī svarīgi, lai lauks 5 cm garā paraugā būtu ārkārtīgi viendabīgs, tāpēc ierīcē ir pāris desmiti mazu magnētu, kas nepieciešami magnētiskā lauka precīzai noregulēšanai.

Video. Plānotā 21,14 tesla KMR spektrometra "dzēšana".

Lai veiktu mērījumus, nepieciešams sensors - speciāla spole, kas gan rada elektromagnētisko starojumu, gan reģistrē "reverso" signālu - parauga magnētiskā momenta svārstības. Lai uzlabotu jutību par koeficientu 2-4, sensors tiek atdzesēts līdz -200 °C, tādējādi atbrīvojoties no termiskā trokšņa. Lai to izdarītu, viņi izveido īpašu mašīnu - krioplatformu, kas atdzesē hēliju līdz vajadzīgajai temperatūrai un sūknē to detektora tuvumā.

Ir vesela metožu grupa, kuras pamatā ir gaismas izkliedes fenomens, rentgena stari vai neitronu stari. Pamatojoties uz starojuma/daļiņu izkliedes intensitāti dažādos leņķos, šīs metodes dod iespēju noteikt šķīdumā esošo molekulu izmērus un formu (16. att.). Ar izkliedi nevar noteikt molekulas struktūru, taču to var izmantot kā palīglīdzekli, izmantojot citu metodi, piemēram, KMR spektroskopiju. Gaismas izkliedes mērīšanas instrumenti ir salīdzinoši lēti, maksājot "tikai" apmēram 100 000 USD, savukārt citām metodēm ir nepieciešams daļiņu paātrinātājs, kas var radīt neitronu staru kūli vai spēcīgu rentgena staru.

Vēl viena metode, ar kuru nevar noteikt struktūru, bet var iegūt dažus svarīgus datus, ir rezonanses fluorescences enerģijas pārnešana(FRET) . Metode izmanto fluorescences fenomenu – dažu vielu spēju absorbēt viena viļņa garuma gaismu, izstarojot dažāda viļņa garuma gaismu. Ir iespējams izvēlēties savienojumu pāri, no kuriem vienā (donorā) fluorescences laikā izstarotā gaisma atbildīs otrajam (akceptoram) raksturīgajam absorbcijas viļņa garumam. Apstaro donoru ar vajadzīgā viļņa garuma lāzeru un izmēra akceptora fluorescenci. FRET efekts ir atkarīgs no attāluma starp molekulām, tāpēc, ja divu olbaltumvielu molekulās vai viena proteīna dažādos domēnos (struktūrvienībās) ievadāt fluorescences donoru un akceptoru, varat izpētīt proteīnu mijiedarbību vai domēnu savstarpējo izvietojumu. proteīnā. Reģistrācija tiek veikta, izmantojot optisko mikroskopu, tāpēc FRET ir lēta, lai arī neinformatīva metode, kuras izmantošana ir saistīta ar datu interpretācijas grūtībām.

Visbeidzot, nevar nepieminēt strukturālo biologu "sapņu metodi" - datormodelēšanu (17. att.). Metodes ideja ir izmantot mūsdienu zināšanas par molekulu struktūru un uzvedību, lai modelētu proteīna uzvedību datormodelī. Piemēram, izmantojot metodi molekulārā dinamika, iespējams izsekot molekulas kustībām vai proteīna “salikšanas” (locīšanas) procesam reāllaikā vienam “bet”: maksimālais aprēķināmais laiks nepārsniedz 1 ms, kas ir ārkārtīgi īss, bet , turklāt prasa milzīgus skaitļošanas resursus (18. att.) . Sistēmas uzvedību iespējams pētīt ilgāku laiku, tikai tas tiek panākts uz nepieņemama precizitātes zuduma rēķina.

Datormodelēšana tiek aktīvi izmantota, lai analizētu proteīnu telpiskās struktūras. Docking tiek izmantots, lai meklētu iespējamās zāles, kurām ir augsta tieksme mijiedarboties ar mērķa proteīnu. Šobrīd prognožu precizitāte joprojām ir zema, taču dokstacija var būtiski sašaurināt potenciāla diapazonu aktīvās vielas kas ir jāpārbauda, ​​lai izstrādātu jaunu medikamentu.

Galvenais lauks praktisks pielietojums strukturālās bioloģijas rezultāti ir zāļu izstrāde vai, kā tagad ir modē teikt, zāļu dizains. Ir divi veidi, kā izstrādāt zāles, pamatojoties uz strukturālajiem datiem: jūs varat sākt no liganda vai mērķa proteīna. Ja jau ir zināmas vairākas zāles, kas iedarbojas uz mērķa proteīnu, un ir iegūtas proteīna-zāļu kompleksu struktūras, ir iespējams izveidot "ideālās zāles" modeli atbilstoši saistīšanās "kabatas" īpašībām. uz proteīna molekulas virsmas iezīmējiet potenciālās zāles nepieciešamās īpašības un meklējiet starp visiem zināmajiem dabiskajiem un ne tik savienojumiem. Jūs pat varat izveidot attiecības starp zāļu struktūras īpašībām un tās darbību. Piemēram, ja molekulai ir loks augšpusē, tad tās aktivitāte ir augstāka nekā molekulai bez loka. Un jo vairāk loks tiek uzlādēts, jo labāk zāles iedarbojas. Tātad no visām zināmajām molekulām jums jāatrod savienojums ar lielāko uzlādēto loku.

Vēl viens veids ir izmantot mērķa struktūru datorā, lai meklētu savienojumus, kas potenciāli spēj mijiedarboties ar to pareizajā vietā. Šajā gadījumā parasti tiek izmantota fragmentu bibliotēka - mazi vielu gabaliņi. Ja atrodat vairākus labus fragmentus, kas mijiedarbojas ar mērķi dažādās vietās, bet tuvu viens otram, no fragmentiem var izveidot narkotiku, tos “sašujot” kopā. Ir daudz piemēru veiksmīgai zāļu izstrādei, izmantojot strukturālo bioloģiju. Pirmais veiksmīgais gadījums ir datēts ar 1995. gadu, kad tika apstiprināts dorzolamīds, glaukomas zāles.

Vispārējā tendence bioloģiskajos pētījumos arvien vairāk sliecas uz ne tikai kvalitatīvu, bet arī kvantitatīvu dabas aprakstu. Strukturālā bioloģija ir lielisks piemērs tam. Un ir pamats uzskatīt, ka tas arī turpmāk dos labumu ne tikai fundamentālajai zinātnei, bet arī medicīnai un biotehnoloģijai.

Kalendārs

Pamatojoties uz īpašā projekta rakstiem, nolēmām izveidot kalendāru "12 bioloģijas metodes" 2019. gadam. Šis raksts atspoguļo martu.

Literatūra

1. Bioluminiscence: Atdzimšana;
2. Datormetožu triumfs: proteīnu struktūras prognozēšana;
3. Hepings Džens, Katažina B Hendinga, Metjū D Cimmermans, Ivans G Šabalins, Stīvens K Almo, Vladeks Minors. (2015).