Освоение современных методов микроскопического исследования в рамках программ углубленного изучения биологии на среднем уровне общего образования

Автор: Мужиченко М.В., Степанчук Н.А., Степанчук О.М.

Журнал: Учебный год.

Рубрика: Повышение качества и совершенствование математического и естественно-научного образования

Статья в выпуске: 1 (79), 2025 года.

Бесплатный доступ

В статье приводятся основные группы методов микроскопии биологических объектов, дается краткое описание принципов, на которых основаны эти методы, описываются границы их применимости, преимущества и недостатки. Приводятся примеры сфер применения методов.

Микроскопия, микроскопическое исследование, виды микроскопии, группы методов микроскопии

Короткий адрес: https://sciup.org/14133681

IDR: 14133681

Текст обзорной статьи Освоение современных методов микроскопического исследования в рамках программ углубленного изучения биологии на среднем уровне общего образования

Одной из задач биологического образования является освоение методов познания живой природы. Некоторые методы должны быть освоены учащимся непосредственно при освоении программ общего образования, другая часть методов изучается лишь обзорно, в форме общего ознакомления. Элементы содержания биологического образования, связанные с методами исследования, определены в Федеральном государственном образовательном стандарте основного общего образования, среднего общего образования, конкретизированы в Федеральных рабочих программах (ФРП) по биологии для среднего уровня общего образования.

ФРП по биологии углубленного уровня так определяет содержание этого образовательного элемента: «Изучение живых систем. Методы биологической науки. Наблюдение, измерение, эксперимент, систематизация, метаанализ. Понятие о зависимой и независимой переменной. Планирование эксперимента. Постановка и проверка гипотез. Нулевая гипотеза. Понятие выборки и ее достоверность. Разброс в биологических данных. Оценка достоверности полученных результатов. Причины искажения результатов эксперимента. Понятие статистического теста».

Как видно из текста ФРП, элемент «Методы биологической науки» не конкретизирован. Далее идет перечисление общенаучных методов: наблюдение, измерение, эксперимент, систематизация, метаанализ. Однако это методы не только биологической науки. Они универсальны и неспецифичны, изучаются в составе мето- дологической компетенции учащегося внутри функциональной (естественно-научной) грамотности. Частные методы биологических исследований, вопросы по которым часто встречаются в структуре контрольно-измерительных материалов Единого государственного экзамена (КИМ ЕГЭ) по биологии, в действующих учебниках охарактеризованы информационно не полно, не раскрыты сущность методов микроскопического исследования и границы их применимости. Вместе с тем оцениваемым показателем уровня сформированности естественно-научной грамотности в рамках мониторинга уровня функциональной грамотности, является умение выпускников оценивать достоверность научной информации. Для этого необходимо понимание физического смысла метода и его возможностей.

Рассмотрим подробнее содержание, позволяющее при углубленном изучении биологии на среднем уровне общего образования рассмотреть виды и специфику методов микроскопии, часто и широко применяемых в биологической науке и в соответствующих исследованиях.

Микроскопии в биологических исследованиях подвергаются нативные препараты, т.е. естественные, натуральные, не обработанные специальными методами, а также специально приготовленные препараты. Различные способы микроскопии определяют характер обработки материала, а это, в свою очередь, определяет цели и границы микроскопии.

Наиболее распространенным микроскопическим методом является световая микроскопия . В учебниках проведен анализ световой микроскопии в сравнении с электронной . Однако, как показали мониторинговые исследования по естественно-научной грамотности, больше половины тестируемых связывают ограничительные возможности световой микроскопии не с длиной волны света, а с ограничением увеличивающей силы линз и с небольшими размерами объекта

( типичное мнение: вирус не виден в оптический микроскоп, потому что он очень маленький ). Некоторые считают, что если «сделать хорошие линзы, то и вирус можно увидеть в обычный микроскоп». Этот пример отражает проблемы в методологической грамотности выпускников, которые связаны с дискретным восприятием учебной информации, непониманием сути метода, неумением объяснить факты в одной научной области, используя знания из другой.

Если учащиеся демонстрируют сложности в понимании световой микроскопии как базового метода в биологии, хорошо описанного в учебниках, и к окончанию 9-го класса, подчас не уверен- но пользуются микроскопом для решения учебных задач по биологии, то объяснения сущности других методов микроскопии вызывают у них еще большие сложности. Этим и определяется необходимость охарактеризовать в настоящей статье виды микроскопии, которые используются в различных направлениях биологических исследований.

Основываясь на природе лучей, которые используются для получения изображения, а также особенностей получаемого изображения, все виды микроскопии можно разделить на большие группы, в пределах которых выделяют несколько подвидов (рис. 1).

Микроскопия

Рис. 1. Обобщенные группы микроскопических методов

Ι. Оптическая микроскопия. Как уже отмечено выше, наиболее традиционным методом является оптическая микроскопия , где источник луча – видимый свет. В зависимости от свойств изучаемого объекта (в первую очередь, его оптических характеристик) используют различные виды микроскопических методов.

  • 1.    Метод светлого поля в проходящем свете

  • 2.    Метод светлого поля в отраженном свете

  • 3.    Метод темного поля в проходящем свете

  • 4.    Метод темного поля в отраженном свете

  • 5.    Поляризационная микроскопия

  • 6.    Метод фазового контраста

  • 7.    Люминесцентная микроскопия

Используется в тех случаях, когда объект прозрачен, проницаем для световых лучей и имеет в своей структуре светопоглощающие частицы. Примерами таких объектов могут служить окрашенные срезы растительных и животных тканей, неокрашенные тонкие препараты. Это традиционный школьный метод микроскопии.

Применяется при изучении непрозрачных объектов, которые могут иметь довольно крупные размеры. Этот метод удобен при изучении структур, например, иксодовых клещей, насекомых, морфологии мелких цветков или морфологических деталей растений. Структура препарата видна вследствие различия отражательной способности его элементов. На светлом фоне наблюдаются темные изображения неоднородностей структуры поверхности.

Этот метод применяют для получения изображения прозрачных, как правило, живых объектов. Для этого применяется дополнительное устройство – конденсор темного поля. Таким методом удобно изучать, например, инфузорий, церкарий, личиночных стадий моллюсков.

Используется для изучения непрозрачных препаратов с высоким коэффициентом отражения. При этом источник света устанавливается, как и в случае применения метода светлого поля в отраженном свете. Метод позволяет видеть на темном фоне светлые изображения частиц структуры поверхности. Например, для изучения хе-тотаксии (расположение щетинок на теле) у блох успешно используется этот метод.

Позволяет исследовать объект в проходящем и отраженном поляризованном свете. Применяется для исследования анизотропных объектов. Это такие объекты, у которых оптические свойства не одинаковы по различным направлениям. В биологии примерами таких объектов могут быть все возможные включения в клетках (белковые, углеводные, жировые и т.д.).

Служит для получения изображений прозрачных и бесцветных объектов (например, живых неокрашенных животных тканей), невидимых при наблюдении методом светлого поля. Даже при малом различии показателей преломления объекта и среды или их толщин световая волна, прошедшая сквозь них, претерпевает различные изменения по фазе и приобретает так называемый фазовый рельеф. Метод широко используется для изучения выделительной системы трематод. При использовании данного метода необходима специальная насадка.

Основана на явлении люминесценции, либо свойственной самому микрообъекту, либо полученной им после специальной окраски. Изучается зелено-оранжевое свечение объекта, возникающее при его освещении сине-фиолетовым или ультрафиолетовым светом. Для этой цели перед конденсором и после объектива микроскопа вводят соответствующие светофильтры. Метод широко используется в вирусологии, например, для посмертной диагностики бешенства.

ΙΙ. Электронная микроскопия. Это совокупность методов исследования микроструктур, где источник луча – это пучок электронов. Суть метода в том, что через исследуемый образец подается электронный пучок разной энергии. Под воздействием электромагнитного поля он фокусируется на поверхности в виде пятна, которое, по большому счету, и видит исследователь.

Существует два основных направления электронной микроскопии: трансмиссионная (просвечивающая) и сканирующая. В первом случае тонкослойный объект просвечивается пучком электронов, во втором – поверхность объекта сканируется.

ΙΙΙ. Флуоресцентная микроскопия основана на способности молекул поглощать кванты света и переходить в электронно-возбужденное состояние. Возвращение молекулы в «обычное» (основное) состояние, сопровождающееся излучением света, и есть флуоресценция. Современный метод флуоресцентной микроскопии полного внутреннего отражения (TIRFM) основан на явлении отражения электромагнитных волн от границы раздела двух прозрачных сред – наноскопия. В биологии этот метод используется для визуализации плазматической мембраны и при-мембранных структур клеток.

ΙV. Рентгеновская микроскопия предназначена для исследования объектов, величина которых сопоставима с длиной волны рентгеновского излучения. Существуют два типа рентгеновских микроскопов: отражательные и проекционные. В отражательных микроскопах использует- ся явление преломления рентгеновских лучей при скользящем падении. Проекционные микроскопы используют высокую проникающую способность рентгеновских лучей. Рентген-микроскопия получила широкое распространение при исследовании ботанических объектов на срезах с толщиной до 200 мкм. Важным достоинством рентгеновских микроскопов является то, что с их помощью можно наблюдать не препарированные живые клетки.

В заключение подчеркнем, что понимание видов и специфики методов микроскопии позволяет учащимся освоить методологические принципы биологической науки в части правильного соотнесения исследовательской задачи с используемым методом. Это выступает условием формирования целостной естественно-научной картины мира учащегося. Иначе говоря, способом решения ключевой задачи естественно-научного, в т.ч. биологического, образования в рамках освоения программ углубленного изучения биологии на среднем уровне общего образования. Это конкретизирует требования ФРП по биологии углубленного уровня в части изучения живых систем различными методами биологической науки; дополняет их состав, включающий наблюдение, измерение, эксперимент, систематизацию, метаанализ, а также планирование эксперимента.