生物学研究方法

生物学研究方法（一）【把握宏观与微观的关系、表面现象与本质的关系】宏观的生命现象，本质原理是微观的，也就是说：生命现象的本质是分子机制，要搞清生命现象，就要搞清其分子机制。表面现象是本质的外部体现。表面现象是丰富多彩和多变的，能直接观察到，而本质是单纯的、稳定的，需要间接观察到。科学研究就是先观察表面现象，然后研究其本质原理，从而使认识从感性上升到理性，从主观上升到客观。一个小事物虽然效果很弱，但是一传十、十传百的级联方式，就可以扩大效果。例如：细胞信号转导和核裂变就用到这种放大方式。【把握共性与个性的关系、普遍性与特异性的关系】共性：很多有个性的事物，可以归纳出共同性质。例如：所有生物共用一套遗传密码子，使基因在生物之间的传递成为可能。再例如“相似相溶”原理和“物以类聚”原理。个性：例如目的基因与质粒基因、待检测基因与探针，都是特异性的互补结合，生物学上很多技术都基于分子间特异性的互补结合（怎样得知已经特异性结合？结合的一方带有放射性标记或荧光标记，一旦结合，就无法洗脱掉，可被观察到，如果无法结合，就洗脱掉了）。再例如：分离混合的物质，主要看个性的差别（特异性）：根据颗粒的沉降系数不同而离心分离，根据颗粒大小不同而过滤，根据颗粒溶解度不同而萃取或沉淀，根据吸附力、亲和力、颗粒大小不同而色谱分离，根据颗粒的电荷、质量不同而电泳分离。只有共性而没有个性，怎么分离？可以分散：例如平板划线法和稀释涂布法，可以将相同的微生物分离。【把握矛盾双方的关系】哲学上讲矛盾无处不在，无时不有，古人也提出“阴阳生万物”的理论。矛盾双方：相互对立斗争（好与坏）、相互补充配合（男与女）、相互依存（冷热相对而言）、相互包含（安全中潜伏者危险）、相互转化（热变冷）。例如：正与负、正与反、是与否、对与错、黑与白、开与关、冷与热、有与无、大与小、长与短、轻与重、增与减、强与弱、实与虚、静与动、快与慢、内与外、入与出、合与分、前与后、上与下、直与曲、善与恶、乐与悲。方圆：宇宙制造的自然存在的事物都趋向于圆，例如：星球和细胞都趋向于圆形，生物肢体趋向于圆柱。而人类制造的事物，趋向于方形，例如：家电和家具都是方的，楼房、房间、窗户、门也都是方的。这个世界是方圆结合的。【把握偶然与必然的关系】偶然中蕴含着必然。例如：遗传学上，某个性状看似偶然出现，其实是由基因控制的必然。有些必然，难以被清楚的观察和分析，所以视其为偶然。例如：抛出一枚硬币，落地时的正反面是偶然的，其实由抛出时的力度、角度等因素必然决定落地的正反面。任何结果的产生，都有原因和前提条件，没有绝对的偶然。混沌系统：事情时而发生，时而不发生，系统中物质不规则的运动，感觉没有固定的规律，存在很大的不确定性和不可预测性。混沌系统可要用概率来描述。取样统计时，如果有主观倾向，就可能取到特殊部分，而不是随机取样。取样太少，统计概率时，就可能失真。（二）【假说】科研过程：观察现象-提出假说-验证假说。1.直接证明：获得可直观看到的事实依据。实验是为了证实假说或驳斥假说，实验最终要能获取到一定的数据，实验必须能被其他科学家所重复。不一定要做实验来证明自己的观点，牛顿说自己站在巨人的肩上，就是说很多观点已经被前人做实验证明了，只要找到相关的资料文献，就可以作为证据。2.间接证明：（1）A事物存在，就能引发B事物，无法判断A事物是否存在，就去看B事物是否存在。生物专业搞的就是间接证明，因为生命现象的本质是分子机制，可是人的肉眼和显微镜都看不到分子和原子，以及它们的活动，只能用间接证明的方式。虽然看不到分子和原子，但是不同的官能团对红外线的吸收不同，所以通过不同的吸收峰，来判断不同的官能团。把目的基因和荧光素基因连带在一起，导入细胞，如果细胞中观察到荧光蛋白，那么目的基因也就成功导入细胞了。不透光的密闭容器微小漏液，难以发现，那么给溶液中加入荧光剂，黑暗中观察荧光溢出，则容易发现漏液。有的实验，判断电路是否有电，就看电路上的灯泡是否亮。（2）A事物存在，就能消除B事物，无法判断A事物是否存在，就去看B事物是否消除。把目的基因插入到细菌的抗药基因上，使抗药基因插入失活。如果细菌不再抗药，说明目的基因已经成功插入到细菌的基因上，而如果细菌依然抗药，说明目的基因没插入成功。3.排除法证明：福尔摩斯说过：“当排除了所有其它的可能性，还剩一个时，不管有多么的不可能，那都是真相。”排除法还能缩小研究范围，如果研究范围太大，就会研究无用的问题而走弯路和浪费时间。4.资料证明：可靠的资料文献可以作为证据，或为验证假说提供指导帮助。5.小技巧：把原有事物等效转换为容易被观察和分析的事物，使证明过程变得容易。曹冲称象的故事中，无法直接称量大象，可先把大象放到船上，记录船下沉的程度，然后用使船下沉同样程度的石块来代替大象，分别称重石块。染色：显微镜中看不出某种物质，就根据其染色特异性进行染色观察。标记追踪：用放射性原子代替普通原子，根据放射性来追踪原子。荧光标记蛋白质，来追踪蛋白质。标记检测：DNA探针放射性杂交。模式生物：长寿药物用人做实验，需要观察的时间太长，而用线虫这种模式生物代替人体实验，能显著缩短实验观察时间。6.想象力：爱因斯坦的相对论假说发表很多年后，才被证实了。如果步步都讲求严谨的逻辑推理和实验证明，天马行空的想象力就无法前进了。【对照实验】对照实验：变化后，与未变化时的状态进行对比，从而发现变化程度。对照组：各种性质都是初始的、不变化的基准性质，作为参照物，就是记录着变化前的性质状态。实验组：改变某一个基准性质，来看变化后的效果，作为研究物。变量：改变的基准性质。一个实验组只能设置一个变量，否则就说不清是哪一个变量造成的结果。自变量：人为设置的变量，作为原因。因变量：随自变量而改变的变量，作为结果。无关变量：这些变量虽然与实验目的无关，但会影响到实验，无关变量应维持恒定不变，在所有实验组中保持一致。例如：研究酶的性质，自变量是温度，因变量是酶的催化活性。实验组改变某一个自变量，来观察因变量的变化，和对照组做对比，得知因变量的变化程度。（三）【基本关联】1.包含关联：系统从大到小看是包含关系。例如：人体由八大系统组成，其中消化系统又分为消化腺系统和消化管系统这两个子系统，消化管系统又分为食管、胃、小肠、大肠等，于是系统划分出多个层次。系统从小到大看是相互协作的组织关系。例如：食管、胃、肠相互协作，组成消化管系统。2.流程关联：把一个流程，分成多个阶段，阶段之间是先后顺序。例如：小学、中学、大学。流程中的事物，组成系统。3.因果关联：原因决定结果，因果推理是科研中常用的方法。正向推理是由原因推理结果，逆向推理是由结果推理原因。因果链：原因产生结果，而这个结果又作为另一件事的原因，继续引发下去。4.条件关联：任何事情的产生，都需要一定的原因和前提条件。条件触发：这是一种被动等待的方式，达到一定条件，才会触发事件。例如：细胞膜上的受体，一直等待着配体，一旦配体和受体结合，受体就被激活，激活的受体开始细胞信号转导。5.对比关联：通过对比，找出相同处（共性）、相似处、不同处（特异性）、相反处。此外，关联的结构：线状（一对一，例如一因一果，以及一阶段完成，开始固定的二阶段）、树状（一对多，例如一因多果，以及一阶段完成，根据完成情况来选择二阶段。多对一，例如多因一果）、星状（一对多，由中心发出星射线，所有事物都围绕这个中心）、环状（首尾相接）、网状（多对多，显得复杂和混乱）。【系统】1.系统主要分为两种：（1）包含系统：事物以包含关系，形成的系统，可逐层分解到不能分解为止。（2）流程系统：事物以流程关系，形成的系统，既事物组成先后顺序的阶段流程。2.推测物质在系统中的作用：（1）从关联看物质：系统中，想要了解一个不明的物质是干嘛的，就看它的来源和去向，以及它与其它物质的相互作用。例如：一个物质，由高尔基体分泌到细胞膜上，其它分子跟它结合后，就被运出了细胞，可以推测该物质为转运蛋白。（2）失去了它，才知道它的作用：无法知道有了它会怎样，就去想没有它会怎样。例如：不知道某种分子对生物体起到的作用，就去除掉这种分子或使其失活，然后观察生物体缺少这种分子后会怎样。（3）结构与功能相适应：生物的结构和分子的结构，都是为了方便实现一定的功能。例如：肋巴骨的环绕结构，明显是为了保护内脏。细胞膜上发现一种物质，其中心还有孔道，推测其为通道蛋白。推论：不明物质与系统中某个功能已知的物质结构相似，其功能往往也相似。例如：发现一种蛋白质，不知道其理化性质和功能，可在数据库中找结构序列相似的蛋白质，其理化性质和功能也往往相似。3.系统涌现的新功能：分子组成细胞，细胞却拥有分子所不具备的功能。也就是说：物质组成系统，这个系统涌现出原有物质所不具备的新功能，而不是原有物质功能累加之和，涌现的新功能其实是原有物质相互协作（关联）而产生的效果。4.输入、处理、输出：把系统作为一个盒子来看，这个盒子有输入、处理、输出。例如：发酵罐和酶反应器就是输入（底物）、处理（转化）、输出（产物）。A系统的输出，作为B系统的输入，B系统处理后，又产生新的输出，而作为C系统的输入，这样A、B、C系统就关联在一起。5.检测和筛选、开关、反馈、正负调控：（1）检测和筛选：两个系统的连接处是系统接口，负责物质的输入输出（好比入境关口），不是任何事物都可以进出系统，要经过检测和筛选（好比入境检查）。如果系统没有接口，系统就孤立封闭了，如果系统接口上没有检测和筛选，有益有害的物质都能进入系统，系统就崩溃了。然而系统普遍存在系统漏洞，有害物质可通过漏洞进入系统，还有些有害物质是系统自己产生的，而不是进入的。（2）开关：系统根据情况，开启或关闭些某部分，使系统能灵活应对处境变化。例如：人体几乎所有的化学反应都需要酶的催化才能进行，而酶作为蛋白质，是基因表达的产物，只要关闭基因，就关闭了酶，从而关闭了该酶所催化的化学反应。（3）反馈：负反馈是系统的输出物，又回到该系统中，来抑制系统产生输出物，从而抑制输出物过多。正反馈则相反，输出物回到系统中，是刺激系统产生更多的输出物。（4）正调控（从无到有）：事件原本没有发生，得到某个事物（激活物），事件就会发生。负调控（从有到无）：事件原本就发生，得到某个事物（抑制物），事件就停止。6.系统的运行状态：对于一些系统，大多数时间，处于正常状态，极少数时间，处于异常状态。为了防止系统出现异常状态，需要监测，监测分为实时监测和阶段监测。阶段监测就是每完成一个阶段，就检查一下是否正常，而温度控制系统需要实时监测，否则等到了温度监测时间，系统可能已经烧坏了。有些性质，只有系统处于极端条件下，才能表现出来（或表现的清楚突出），而平时看不到。为了让这个性质表现出来（或清楚突出），就要营造极端条件。7.简化系统：（1）建立模型：建立模型使事物简化、突出重点、生动形象、容易理解和记忆。如果具体表现，信息量就太大了，有些不用去思考的信息，也呈现出来了。（2）“黑盒法”只关心系统的输入和输出是否合理，而不关心系统内部的具体结构和怎样处理输入输出。把系统比喻成一个盒子，不管内部怎样，于是像个黑盒。8.改造系统：生物、医学、药学专业，都是研究“生命系统”的专业。阴阳矛盾构造的世界，就是好坏参半、冷热并存、破破烂烂、凑合能用，而不是完美的。因为“生命系统”不完美，存在缺陷和系统漏洞，需要改造，所以才有生物医药类专业。改造分为两种：由不好变好、由好变更好，对“生命系统”的改造主要是前者，毕竟现在衰老和疾病问题还没有解决。改造形式分为：增、删、改。“增