Yêu cầu cần đạt:
- Trình bày một số phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu sinh học.
- Vận dụng được phương pháp: quan sát, thực nghiệm và làm việc tại phòng thí nghiệm.
- Nêu được một số thiết bị nghiên cứu và học tập môn sinh học.
- Vận dụng được quy trình và các kỹ thuật trong tiến trình nghiên cứu khoa học.
- Giới thiệu được công cụ tin sinh học và các ứng dụng trong nghiên cứu sinh học.
TÓM TẮT LÝ THUYẾT
1. Các phương-tiện nghiên cứu và học tập môn Sinh học
Để học tập và nghiên cứu sinh học cần trang bị:
- Mẫu vật và hoá chất: mẫu vật là đối tượng trực tiếp để thực hiện thí nghiệm, tùy theo thí nghiệm mà mẫu vật và hoá chất để thực hiện sẽ khác nhau như: rễ hành, tính hoàn châu chấu, thuốc nhuộm, cồn,...
- Dụng cụ: bộ ống nghiệm, bộ đồ mổ, lam kính, lamen, micropipette,...
- Thiết bị: cân điện tử, kính hiển vi, kính lúp, máy li tâm, máy điện di, tủ đông,...
- Mô hình và tranh ảnh: thay đổi khác nhau theo mục đích giảng dạy và học tập,...
- Phần mềm: thí nghiệm ảo, phần mềm dạy học, phần mềm thống kê,...
- Các thiết bị an toàn: găng tay, kính bảo vệ mắt, áo bảo hộ, bình chữa cáy,...
Hình 2.1: Một số thiết bị sử dụng trong nghiên cứu và học tập môn sinh học
2. Phương pháp nghiên cứu và học tập môn sinh học
2.1. Phương pháp quan sát
Phương pháp quan sát được xem như tiền đề cho các nghiên cứu khoa học, thực hiện theo các bước sau:
Bước 1: Xác định đối tượng và phạm vi quan sát (sinh vật hoặc các quá trình sống).
Bước 2: Lựa chọn phương tiện cho phù hợp (bằng mắt thường, kính hiển vi, kính lúp máy, kính lúp cầm tay, ông nhòm,...).
- Bước 3: Thu thập thông tin (ghi chép, ghi âm hay ghi hình).
Để kết quả nghiên cứu chính xác cần có: các số liệu ghi chép phải đủ lớn, được lặp lại nhiều lần, khách quan và xử lý số liệu bằng xác suất thống kê.
2.2. Phương pháp làm việc trong phòng thí nghiệm
Khi học tập và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cần phải đảm bảo an toàn cho bản thân, thiết bị và tài sản của phòng thí nghiệm:
- Cần lưu ý về an toàn cháy nổ và an toàn về sử dụng hóa chất.
- Hiểu rõ cách vận hành các thiết bị trước khi sử dụng.
- Trang bị đồ bảo hộ cá nhân.
Một số phương pháp đơn giản được sử dụng trong phòng thí nghiệm sinh học phổ thông gồm:
- Phương pháp giải phẫu: để tìm hiểu cấu trúc của cơ thể, hệ cơ quan, các cơ quan,...
- Phương pháp làm tiêu bản hiển vi: để quan sát các mẫu vật có kích thước hiển vi như vi khuẩn, mô, tế bào, nhiễm sắc thể,...
Hình 2.2: Phương pháp giải phẫu và làm tiêu bản hiển vi
2.3. Phương pháp thực nghiệm khoa học
Thực nghiệm khoa học là phương pháp thu thập thông tin trên đối tượng nghiên cứu trong những điều kiện tác động có chủ đích.
Phương pháp thực nghiệm có thể tiến hành tại thực địa hoặc phòng thí nghiệm với các điều kiện được kiểm soát chặt chẽ. Một số phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm:
- Phương pháp phân loại: xác định tên khoa học và sắp xếp các loài vào hệ thống phân loại,...
- Phương pháp tách chiết: tách chiết enzyme, DNA hoặc các chất có hoạt tính sinh học,...
- Phương pháp nuôi cấy: nuôi cấy vi khuẩn, mô động vật và thực vật, nuôi động vật,...
Một số khái niệm cơ bản trong phương pháp thực nghiệm khoa học:
- Biển độc lập: là yếu tố mà nhà nghiên cứu chủ động thay đổi trong thí nghiệm để quan sát tác động của nó.
- Biển phụ thuộc: là kết quả bị ảnh hưởng bởi biển độc lập và là thứ mà nhà nghiên cứu đo lường hoặc quan sát.
- Nhóm thí nghiệm là nhóm được áp dụng biển độc lập trong một thí nghiệm, nhằm quan sát và đo lường tác động của yếu tố đó lên biển phụ thuộc.
- Nhóm đổi chứng: là nhóm không được áp dụng biển độc lập (tức là không có sự can thiệp), dùng để so sánh với nhóm thí nghiệm, nhằm đánh giá xem kết quả trong nhóm thí nghiệm là do biển độc lập gây ra hay do các yếu tố ngẫu nhiên.
Ví dụ: Đối với câu hỏi nghiên cứu: Phân bón có ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây hay không? Thí nghiệm kiểm chứng được thiết kế với các thành phần như sau:
| Khái niệm | Ví dụ |
|---|---|
| Nhóm thí nghiệm | Trồng cây với đất có bổ sung hàm lượng phân bón ở các mức khác nhau. |
| Nhóm đổi chứng | Trồng cây trong đất không có phân bón |
| Biển độc lập | Hàm lượng phân bón khác nhau trong đất |
| Biển phụ thuộc | Chiểu cao hoặc khối lượng cây sau một khoảng thời gian nhất định |
3. Quy trình thực hiện nghiên cứu khoa học
Một nghiên cứu khoa học thường được thực hiện theo quy trình sau:
- Bước 1. Quan sát và đặt câu hỏi nghiên cứu: mọi nghiên cứu đều được bắt đầu từ quan sát để nhận ra vấn đề cần nghiên cứu (câu hỏi nghiên cứu).
- Bước 2. Hình thành giả thuyết khoa học: là giả định sơ bộ về bản chất của sự vật và hiện tượng cần nghiên cứu (dự đoán có căn cứ khoa học để trả lời của câu hỏi nghiên cứu).
- Bước 3. Kiểm tra giả thuyết khoa học: thiết kế và làm các thí nghiệm thực nghiệm để chứng minh hoặc bác bỏ giả thuyết. Nếu bác bỏ giả thuyết thì cần phải kiểm tra lại quá trình thực nghiệm hoặc sửa đổi giả thuyết.
Bước 4. Làm báo cáo nghiên cứu: phân tích số liệu, rút ra kết luận. Nội dung của 1 báo cáo khoa học thường như sau:
Tên nghiên cứu
- Mẫu vật và dụng cụ
- Phương pháp nghiên cứu
- Kết quả và thảo luận
- Kết luận và đề nghị
Ví dụ: Dựa vào kết quả quan sát hình thái hạt đậu xanh có thể hình thành một nghiên cứu đơn giản theo các bước sau:
- Đặt câu hỏi nghiên cứu: hình thái của hạt đậu xanh có liên quan gì đến khả năng nảy mầm hay không?
- Hình thành giả thuyết khoa học: hạt đậu to, chắc có khả năng nảy mầm tốt hơn những hạt nhỏ, lép.
Hình 2.3: Quy trình thực hiện nghiên cứu khoa học
Hình 2.4: Thí nghiệm khảo sát khả năng nảy mầm của hạt đậu xanh (A. Bố trí thí nghiệm; B. Kết quả thí nghiệm)
- Thiết kế thí nghiệm kiểm tra giả thuyết khoa học (Hình 2.4A), ghi nhận số liệu (Hình 2.4B) $\rightarrow$ rút ra kết luận.
4. Giới thiệu tin sinh học
Tin sinh học (Bioinformatics) là lĩnh vực nghiên cứu liên ngành, kết hợp dữ liệu sinh học vơi khoa học máy tính và thống kê. Một số ứng dụng của tin sinh học như:
- So sánh trình nucleotide trên gene, giúp xác định huyết thống hay mối quan hệ họ hàng giữa các loài....
- Phát hiện dột biến gene gây ra các bệnh di truyền ở người.
- Xây dựng ngân hàng gene giúp lưu trữ trình tự các gene ơ các loài khác nhau được giải mã thành công.
Hiện nay, việc áp dụng trí tuệ nhân tạo trong nghiên cứu y
Hình 2.5: Sơ đồ các lĩnh vực hình thành tin sinh học sinh đem lại nhiều ứng dụng khác nhau: quản lý hồ sơ y tế và cơ sở dữ liệu, phân tích hình ảnh, hỗ trợ chẩn đoán lâm sàng, phẫu thuật với sự hỗ trợ của robot có công nghệ $\mathrm{Al}, \ldots$