YÊU CẦU CẦN ĐẠT
- Trình bày và vận dụng được một số phương pháp nghiên cứu sinh học: quan sát, một số phương pháp làm việc trong phòng thí nghiệm và phương pháp thực nghiệm khoa học.
- Nêu được một số thiết bị nghiên cứu và học tập môn Sinh học.
- Trình bày, vận dụng được quy trình và các kĩ năng trong tiến trình nghiên cứu khoa học.
- Giới thiệu được phương pháp tin sinh học như là công cụ hữu ích trong nghiên cứu và học tập sinh học.
Để nghiên cứu các đối tượng của sinh học cần có phương pháp và thiết bị phù hợp. Các thiết bị và phương pháp nào thường được dùng trong nghiên cứu và học tập môn Sinh học?
I. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU SINH HỌC
1. Phương pháp quan sát
Bất cứ công trình nghiên cứu sinh học nào cũng được bắt đầu từ các quan sát và được thực hiện qua các bước:
Lựa chọn đối tượng và phạm vi quan sát: Đối tượng quan sát là những sinh vật và các quá trình sống diễn ra trong tự nhiên cũng như trong phòng thí nghiệm (với các điều kiện được kiểm soát chặt chẽ).
Lựa chọn công cụ quan sát: Việc quan sát có thể được thực hiện bằng các giác quan hay thông qua sự hỗ trợ của các công cụ đơn giản hoặc các thiết bị tinh xảo.
Ghi chép số liệu: Số liệu quan sát có thể được thu nhận bởi giác quan hoặc thông qua các thiết bị quan sát như máy ghi âm, ghi hình. Các số liệu ghi chép được phải đủ lớn (được lặp đi lặp lại nhiều lần) và phải khách quan để có thể xử lý bằng phương pháp toán thống kê và xác suất.
2. Phương pháp làm việc trong phòng thí nghiệm
a) Phương pháp đảm bảo an toàn khi làm việc trong phòng thí nghiệm
Người nghiên cứu cần tuân thủ các quy định để giữ an toàn cho bản thân và các thiết bị, tài sản của phòng thí nghiệm.
Các lưu ý về an toàn cháy nổ, an toàn về hoá chất: Khi làm việc với những hoá chất độc hại, dễ bay hơi cần phải thực hiện ở nơi có tủ hút khí độc hoặc ở nơi thoáng khí. Tuân thủ các quy tắc pha hoá chất để tránh xảy ra cháy nổ, đặc biệt khi sử dụng acid hoặc những chất dễ cháy nổ như cồn. Kiểm tra sự vận hành của các thiết bị phòng chống cháy nổ, các máy móc hút mùi, chống độc, các trang thiết bị cấp cứu khi có sự cố.
Vận hành thiết bị: Trước khi sử dụng bất cứ thiết bị nào trong phòng thí nghiệm, người nghiên cứu cần nắm được quy tắc vận hành máy móc, thiết bị để có thể thu được kết quả chính xác nhất và không làm hư hại máy móc, thiết bị. Cần ghi lại nhật ký làm việc và tình trạng hoạt động vận hành của máy móc.
Trang bị cá nhân: Tuỳ theo từng yêu cầu của nghiên cứu mà mỗi người khi làm việc trong phòng thí nghiệm cần phải có các trang thiết bị riêng biệt. Thông thường, để đảm bảo an toàn, người thực hiện nghiên cứu phải mặc áo choàng, găng tay, kính bảo hộ hoặc mặt nạ để tránh tiếp xúc với hoá chất độc hại, vi sinh vật gây bệnh.
Quy tắc làm việc trong phòng thí nghiệm thường được ghi trong nội quy phòng thí nghiệm của mỗi trường và được các thầy cô phổ biến mỗi khi học sinh bước vào phòng thí nghiệm:
Mặc trang phục gọn gàng, nữ buộc tóc cao, đeo găng tay, khẩu trang, kính bảo vệ mắt và thiết bị bảo vệ khác (nếu cần thiết).
Chỉ tiến hành thí nghiệm khi đã được hướng dẫn.
Không ăn uống, đùa nghịch trong phòng thí nghiệm; không nếm hoặc ngửi hoá chất.
Nhận biết các vật liệu nguy hiểm trước khi làm thí nghiệm (vật sắc nhọn, chất dễ cháy nổ, chất độc, nguồn điện nguy hiểm, ...).
Sau khi làm xong thí nghiệm, thu gom chất thải về đúng nơi quy định, lau dọn sạch sẽ chỗ làm việc; sắp xếp dụng cụ gọn gàng, đúng chỗ; rửa sạch tay bằng xà phòng.
b) Một số kĩ thuật phòng thí nghiệm
Phương pháp giải phẫu: Để tìm hiểu cấu trúc của cơ thể hay các bộ phận của tế bào, người ta thường phải tiến hành giải phẫu để quan sát các bộ phận cấu thành. Ví dụ: giải phẫu các bộ phận rễ, thân, lá của cây hay các bộ phận của cơ thể động vật.
Phương pháp làm tiêu bản tế bào/nhiễm sắc thể (NST): Có nhiều cách khác nhau để có thể quan sát được các tế bào hay các cấu trúc bên trong tế bào như NST. Để quan sát tế bào, mẫu mô cần cắt thành lát mỏng, các lát cắt phải đủ mỏng để có thể quan sát tế bào hoặc cấu trúc của tế bào dưới kính hiển vi.
Để quan sát NST của tế bào, có thể quan sát bằng phương pháp làm tiêu bản tươi theo các bước: mẫu vật sống được cố định bằng hóa chất và nhuộm màu, chia nhỏ mẫu, dầm ép để phá vỡ tế bào, giải phóng các NST.
3. Phương pháp thực nghiệm khoa học
Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm sinh học có thể tiến hành ngay tại thực địa hoặc trong phòng thí nghiệm với các điều kiện môi trường được kiểm soát một cách chặt chẽ. Sinh học là môn khoa học thực nghiệm, vì vậy có nhiều phương pháp thực nghiệm được sử dụng trong nghiên cứu sinh học, một số phương pháp thường được sử dụng như:
Nghiên cứu, phân loại sinh vật: định danh dựa trên hình thái của sinh vật, phân tích gene, phân lập (đối với vi khuẩn).
Tách chiết: tách enzyme, gene, các chất có hoạt tính sinh học.
Nuôi cấy: nuôi cấy vi khuẩn; nuôi cấy mô tế bào động vật, thực vật; nuôi động vật, thực vật trong phòng thí nghiệm và ngoài thực địa;...
II. CÁC THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU VÀ HỌC TẬP MÔN SINH HỌC
Có rất nhiều thiết bị khác nhau từ đơn giản đến phức tạp và tinh vi được sử dụng trong nghiên cứu sinh học. Dưới đây là một số thiết bị chính liên quan đến nghiên cứu sinh học ở cấp độ tế bào.
1. Kính hiển vi
Dựa trên nguồn sáng được sử dụng, kính hiển vi được chia thành hai loại: kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử. Kính hiển vi quang học sử dụng nguồn sáng điện hoặc ánh sáng mặt trời chiếu lên mẫu vật, còn kính hiển vi điện tử sử dụng nguồn sáng là các chùm electron chiếu qua hoặc lên bề mặt của mẫu vật. Ba thông số quan trọng của kính hiển vi là: độ phóng đại, độ phân giải và độ tương phản. Độ phóng đại của kính hiển vi quang học tối đa là 1500 lần và độ phân giải chỉ khoảng 200 nm. Trong khi đó, độ phóng đại của kính hiển vi điện tử (TEM) có thể lên tới 50 triệu lần và độ phân giải nhỏ hơn 1Å. Kính hiển vi điện tử giúp con người nghiên cứu cấu trúc siêu hiển vi của tế bào cũng như cấu trúc phân tử.
2. Máy li tâm
Máy li tâm được sử dụng trong kĩ thuật phân đoạn tế bào. Đây là kĩ thuật tách các loại bào quan dựa trên khối lượng của chúng. Để tách và phân lập các bào quan, cần phá vỡ các tế bào, sau đó cho vào ống nghiệm đem li tâm trong máy li tâm. Lực li tâm ở các tốc độ vòng quay khác nhau làm cho các bộ phận tế bào có khối lượng khác nhau được tách riêng và nằm ở các vùng khác nhau của ống li tâm.
3. Các thiết bị khác
Ở môn Sinh học bậc Trung học phổ thông, các thiết bị đơn giản khác mà chúng ta hay sử dụng là các loại kính lúp, ống hút đơn giản hay pipet, một số loại ống hút có thể điều chỉnh định lượng dung dịch cần lấy một cách rất chính xác.
Khi sử dụng bất cứ loại thiết bị thí nghiệm nào dù đơn giản hay phức tạp, chúng ta cần hiểu rõ cấu trúc, cách vận hành và sử dụng thiết bị để tránh làm hư hỏng dụng cụ, máy móc thiết bị cũng như thu được kết quả chính xác và đảm bảo an toàn.
III. CÁC KĨ NĂNG TRONG TIẾN TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tiến trình nghiên cứu khoa học có thể tóm lược bằng quy trình khái quát như hình 2.4.
1. Quan sát, thu thập dữ liệu
Mọi nghiên cứu đều bắt đầu từ những quan sát để thu thập dữ liệu. Điều quan trọng trong khi quan sát là cần rèn luyện đức tính kiên trì, thận trọng. Việc sử dụng các công cụ nghiên cứu thích hợp cũng giúp các nhà khoa học thu được các số liệu chính xác và nhanh chóng. Dữ liệu thu được sau khi quan sát được dùng để hình thành các giả thuyết khoa học.
2. Đặt câu hỏi
Sau khi thu được số liệu, các nhà khoa học thường đặt ra các câu hỏi và tìm cách lý giải (đưa ra giả thuyết).
3. Hình thành giả thuyết
Những cách giải thích có thể kiểm chứng được bằng thực nghiệm cho các câu hỏi được gọi là giả thuyết khoa học.
Một giả thuyết chỉ được gọi là khoa học khi nó có thể kiểm chứng bằng thực nghiệm. Để kiểm chứng giả thuyết, các nhà khoa học sử dụng suy luận logic ngược với quy nạp (đi từ cái chung tới cái riêng), gọi là diễn giải. Suy luận diễn giải giúp suy diễn từ giả thuyết hay nguyên lý chung ra những điều tất yếu sẽ xảy ra nếu giả thuyết hay nguyên lý đó là đúng. Những điều tất yếu này gọi là các dự đoán, thường được diễn đạt dưới dạng "nếu ... thì ...".
4. Thiết kế và tiến hành thí nghiệm kiểm chứng
Thí nghiệm kiểm chứng thường được thiết kế thành hai lô: lô đối chứng và lô thí nghiệm. Đối tượng nghiên cứu ở cả hai lô phải giống nhau về số lượng và đặc điểm sinh học; môi trường nuôi dưỡng và các yếu tố môi trường cũng phải giống nhau, ngoại trừ yếu tố cần nghiên cứu.
Ví dụ: Để nghiên cứu tác động của một nguyên tố khoáng đến sự sinh trưởng của cây trồng, cần thiết kế hai lô thí nghiệm: cả hai lô cùng trồng một loài cây, cùng tuổi sinh lý, số lượng cây như nhau, đặt trong cùng điều kiện môi trường. Lô thí nghiệm sẽ bón đầy đủ các nguyên tố khoáng thiết yếu, lô đối chứng bón đầy đủ các nguyên tố khoáng ngoại trừ nguyên tố cần nghiên cứu. So sánh sự khác biệt giúp rút ra ảnh hưởng của nguyên tố khoáng.
5. Phân tích kết quả nghiên cứu và xử lý dữ liệu
Dữ liệu thu được từ các quan sát hoặc thí nghiệm cần được xử lý cẩn thận để rút ra kết luận phù hợp. Dữ liệu thường được trình bày dưới dạng bảng biểu, đồ thị (đường thẳng, đường cong, cột...).
Đồ thị có hai thông số trên trục tung và trục hoành, gọi là biến. Trục hoành thường thể hiện biến độc lập (do nhà nghiên cứu chủ động thay đổi); trục tung biểu hiện biến phụ thuộc.
Phân tích đồ thị cần xác định rõ biến độc lập, biến phụ thuộc và đơn vị đo trên từng trục; giải thích sự thay đổi của biến; rút ra kết luận, xem kết quả có ủng hộ giả thuyết không.
Phân tích thống kê giúp xác định cỡ mẫu thích hợp và kiểm chứng sự khác biệt giữa các nhóm có ý nghĩa thống kê hay chỉ là ngẫu nhiên.
6. Rút ra kết luận
Kết quả nghiên cứu thường được kiểm định và công bố trên các tạp chí khoa học. Các nhà khoa học khác có thể lặp lại thí nghiệm trên đối tượng khác để tìm bằng chứng bổ sung cho giả thuyết. Khi giả thuyết được kiểm nghiệm rộng rãi và thừa nhận, nó sẽ trở thành học thuyết khoa học.
IV. TIN SINH HỌC - CÔNG CỤ NGHIÊN CỨU VÀ HỌC TẬP MÔN SINH HỌC
Tin sinh học (Bioinformatics) là ngành khoa học sử dụng các phần mềm máy tính chuyên dụng, thuật toán, mô hình nhằm lưu trữ, phân loại, phân tích bộ dữ liệu sinh học quy mô lớn để sử dụng hiệu quả trong nghiên cứu và thực tiễn.
Tin sinh học đòi hỏi sự cộng tác liên ngành giữa sinh học phân tử, hóa học, vật lý, toán học và công nghệ thông tin.
Một số ứng dụng cụ thể của tin sinh học:
Tìm kiếm gen trong hệ gen, so sánh hệ gen của các loài để nghiên cứu mối quan hệ tiến hoá giữa sinh vật.
Hỗ trợ nghiên cứu sinh học, phát triển các ngành như sinh học hệ thống.
Áp dụng trí tuệ nhân tạo trong nghiên cứu y sinh để xử lý thông tin bệnh nhân, giúp bác sĩ tìm liệu pháp chữa bệnh hiệu quả cho từng cá nhân.
Trong học tập, học sinh có thể sử dụng tin học để:
Tra cứu, khai thác thông tin trên internet.
Sử dụng các phần mềm hoặc tự lập trình để mô phỏng quá trình sinh học phức tạp (như tái bản DNA, phiên mã, dịch mã).
Sử dụng phần mềm xây dựng sơ đồ tư duy để hệ thống hóa kiến thức.
Việc áp dụng tin sinh học giúp học tập và nghiên cứu sinh học hiệu quả hơn, đồng thời yêu cầu trang bị kiến thức nền chắc về toán học, vật lý, hóa học.
Sinh học là ngành khoa học thực nghiệm, nghiên cứu bản chất vật lý, hóa học tạo nên sự sống kì diệu.