Оборудование и приборы для изучения природы
Сейчас трудно представить, чтобы человек исследовал природу только с помощью собственных органов чувств. Во время проведения наблюдений, измерений и экспериментов используется разнообразное оборудование — приборы и устройства. Они помогают человеку не только в научных исследованиях, но и в повседневной жизни.
Изучая различные темы, ты сможешь ознакомиться со многими подобными устройствами. О некоторых из приборов ты уже знаешь с начальной школы.
Увеличительные приборы
Возможности органов чувств человека ограничены. Ведь если рассматривать листок растения невооруженным глазом, то можно заметить жилки листа, но не разглядеть на его поверхности волоски. На звездном небе видна Луна, на которой без увеличительных приборов можно увидеть только темные и светлые участки поверхности. Однако чтобы выяснить, что они собой представляют, требуется специальное оборудование.
Итак, чтобы расширить свои возможности вести наблюдение за природой, человек создал различные увеличительные приборы. К ним относятся бинокль, лупа, телескоп, микроскоп.
1 — бинокль, 2 — лупа, 3 — телескоп, 4 — микроскоп
С помощью микроскопа изучают тела наименьших размеров. Лупа увеличивает изображение тел природы в несколько раз, а мощный микроскоп — в сотни тысяч раз. Телескоп дает возможность рассматривать небесные тела, которые находятся на очень больших расстояниях от человека. Так, с помощью телескопа рассматривают Луну, звезды и их скопления.
Измерительные приборы
К измерительным приборам относятся весы, часы, секундомер, термометр, линейка и другие. С начальной школы ты уже знаешь, что такие приборы имеют шкалу с определенной ценой деления. Ее следует обязательно учитывать, выполняя измерения. Например, рассмотри линейку, которой ты пользуешься на уроках, и выясни цену деления на ней.
1 — термометр, 2 — линейка, 3 — секундомер
Для измерения массы тел используют весы. Рассмотри рисунок и ты увидишь, насколько они бывают разные.
Линейные размеры тел — длину, высоту, ширину — измеряют линейкой и угольником или метром или рулеткой.
Температуру воздуха, тела человека, воды измеряют термометрами. Цена деления на них обычно равна 1 °С (один градус Цельсия).
Измерить время помогают такие измерительные приборы, как часы и секундомер. Часами измеряют время в часах, минутах, секундах.
Лабораторное оборудование и работа с ним
Лабораторное оборудование используют для проведения опытов по физике, химии, биологии.
Внимательно рассмотри рисунок.
На нем изображено лабораторное химическое оборудование, а именно: мерный цилиндр, мерный стакан, колба, химический стакан, пробирка, воронка, стеклянная палочка, фарфоровая чашка, лабораторный штатив. Как видишь, преобладает среди этого стеклянное оборудование. Поэтому по правилам безопасности следует работать с ним осторожно, внимательно, не сильно нагревать, ставить на привычное для него место, например пробирку — в штатив для пробирок. Таким оборудованием удобно пользоваться при проведении химических, физических и биологических опытов.
Мерный цилиндр или мерный стакан имеют деления, поэтому ими отмеряют нужный объем жидкости. Химические стаканы, колбы, пробирки делений не имеют. Их используют для хранения жидкостей, приготовления растворов веществ в воде, выполнения опытов с веществами. Пипетками набирают небольшие объемы жидкости. Назначение воронки — наливать жидкость аккуратно без разбрызгивания. Стеклянной палочкой перемешивают вещества в сосуде. В фарфоровой чашке осуществляют выпаривания жидкости из растворов.
Помни! При работе с любыми приборами или устройствами нужно соблюдать правила пользования ими и правила безопасности. Поэтому внимательно слушай объяснения учителя, как правильно пользоваться оборудованием.
Итоги
Для изучения живой и неживой природы используют различные приборы и устройства, лабораторное оборудование.
К увеличительным приборам относятся лупа, бинокль, микроскоп, телескоп.
Массу измеряют с помощью весов, время — с помощью часов и секундомера, а температуру — термометром.
Для определения линейных размеров тел используют линейки, угольники, метры, рулетки.
Лабораторное оборудование используют для проведения опытов по физике, химии, биологии.
Какие применяются инструменты в биологии
Прогресс науки биологии 21 века зависит от изучения того, как особь (генотип) порождает конкретные признаки (фенотипы), как эти отношения изменяются в зависимости от условий окружающей среды и как эти отношения эволюционировали. Инструменты в биологии должны помочь наблюдать эти организмы в их среде.
Исследователям нужны инструменты в биологии, позволяющие получать фенотипическую и эксплуатационную информацию, которая может быть сопоставлена с генотипической и экологической информацией на всех уровнях биологической организации.
Эта информация может быть получена с помощью инструментов в широком спектре природных и биологических условий, в которых живут и эволюционировали организмы, и в биологически значимых пространственных и временных масштабах.
Аппаратура наблюдения
На микроуровне биологи нуждаются в устройствах для непрерывной регистрации активности клеточных компонентов, поскольку они взаимодействуют естественно в живых клетках; на макроуровне им нужны устройства для непрерывной регистрации активности и производительности организмов и их компонентных систем, поскольку они взаимодействуют естественно в своей среде.
Это оборудование должно быть экономичным, миниатюрным и развертываемым в больших количествах для непрерывного сбора и передачи данных в различных средах, в малых и больших пространственных масштабах.
Автоматизированное программное обеспечение для сбора и распознавания изображений может позволить развернуть «умные» датчики, которые получают информацию от конкретных организмов, как микроскопических, так и макроскопических, и их среды в режиме реального времени.
Изотопный анализ
Стабильные изотопы уже используются в качестве «естественных сенсоров», поскольку некоторые ферменты и биогеохимические процессы (включая температуру и осадки) оказывают характерное влияние на изотопные профили организмов. «Изоскейпы», полученные на основе изотопного анализа в сочетании с географическими информационными системами, начинают выявлять относительную важность ключевых физических и биологических процессов в континентальных масштабах.
Но изотопный анализ биологических материалов является медленным и трудоемким, и для полного раскрытия его потенциала необходимы высокопроизводительные методы.
Технологии радиотелескопа
Передовые технологии радиотелескопа помогут в изучении расселения и миграции мелких животных, таких как летучие мыши, насекомые и певчие птицы.
Ожидается, что крупные инновации в технологиях радиотелеграфного слежения позволят по-новому взглянуть на природоохранную биологию, последствия изменения климата и распространение инфекций. Разнообразная окружающая среда Земли также нуждается в более интенсивном мониторинге, если ученые хотят соответствующим образом контекстуализировать новые знания о физиологических и поведенческих реакциях организма.
Мониторинг параметров окружающей среды
Исследователи требуют новой технологии для дешевого мониторинга и измерения многих параметров окружающей среды, включая рН, температуру, проводимость, силу ветра, скорость и направление потока воды, растворенный кислород и содержание минеральных питательных веществ, в биологически значимых масштабах в режиме реального времени.
Эта информация поможет ответить на фундаментальные вопросы биологии, связанные с генотип-фенотипическими связями; она также имеет решающее значение для понимания и прогнозирования антропогенного воздействия на природные ресурсы и последствий изменения климата.
Мини-масс-спектрометры
Многие формы сложных сенсорных приборов и технологий уже существуют, но они не полезны для обнаружения связей между генотипами, фенотипами и окружающей средой из-за проблем масштаба. Многие биологические процессы в окружающей среде намного меньше, чем может измерить современная технология. Миниатюризация приборов имеет решающее значение для нашего понимания основных жизненных процессов.
Отдельные инструменты в биологии уже начинают трансформировать анализы геномов, клеток и тканей в лаборатории. Эти устройства должны быть адаптированы для более широкого использования в различных условиях, в том числе в естественных условиях. Например, уже существуют «мини-масс-спектрометры», которые могут быть размещены ниже уровня моря для изучения адаптации различных форм жизни к экстремальным условиям окружающей среды.
Дальнейшее развитие этих технологий для широкого спектра полевых применений может революционизировать мониторинг организмов, популяций, сообществ и экосистем в реальном времени.
Изображения
Биологи нуждаются в портативных персональных системах визуализации, которые могут быть использованы или развернуты в полевых условиях. Такие технологии визуализации позволят ученым детально исследовать организмы в природе, что имеет важное значение для достижения прорывов в таких областях, как устойчивое сельское хозяйство, лесное хозяйство и охрана природы. Эти устройства теперь возможны, благодаря достижениям в области визуализации в реальном времени.
Новые методы, такие как мультилинзовые камеры, которые позволяют осуществлять пост-специальную настройку фокуса и глубины резкости, а также трехмерную реконструкцию изображений. Эти инструменты в биологии позволяют получать изображения способами, качественно отличающимися от того, что можно сделать с помощью бытовых устройств.
В микроизображении дальнейшее развитие могло бы позволить непрерывно контролировать трехмерную структуру развивающегося организма или записывать точное местоположение и структуру каждого организма в среде, видимой в поле зрения.
В макроизображении более удобное дистанционное зондирование позволит биологам получить доступ к геопривязанным данным всех типов. Одним из широко используемых картографических инструментов являются Яндекс карты, Google Maps, которые продемонстрируют возможности использования технологий дистанционного зондирования для различных исследовательских целей. Технологии дистанционного зондирования могут быть улучшены в плане пространственного разрешения и качества изображений, а также за счет возможности интеграции различных типов наборов данных, включая биологическую, геологическую и топографическую информацию. Эти нововведения позволят повысить эффективность пространственного моделирования и алгоритмов прогнозирования местообитаний для более точного прогнозирования распространения инвазивных или патогенных видов и последствий изменений в землепользовании.
Усовершенствованное картографирование может также помочь ученым предсказать, когда и где может возникнуть новая болезнь, выявить места, где человеческие хозяева и некоторые виды животных-переносчиков находятся в непосредственной близости с высокой плотностью.
Рамановская спектроскопия
Рамановская спектроскопия как инструмент в биологии используется в лабораториях для детального химического анализа образцов древних костей, раковин и зубов.
Эти и другие технологии визуализации должны быть миниатюрными, простыми в использовании, портативными и экономически эффективными.
Такие инструменты в биологии позволят ученым детально исследовать организмы в природе, что имеет важное значение для достижения прорывов в таких областях, как устойчивое сельское хозяйство, лесное хозяйство и охрана природы. Кроме того, можно было бы выборочно отбирать образцы представляющих интерес организмов и осуществлять в режиме реального времени неразрушающий мониторинг популяции, например измерение распространения инвазивных видов и видов вредителей, в том числе переносчиков болезней человека.
На основании этих знаний можно было бы открыть механизмы, которые стимулируют устойчивость систем и населения перед лицом природных и антропогенных нарушений или изменения климата.
12 методов в картинках: микроскопия
Авторы
Редакторы
Один из старейших научных приборов — микроскоп — появился практически одновременно с наукой в ее современном виде. Этот канонический инструмент биолога более 400 лет был важнейшим средством для познания живого, и дал львиную долю наших знаний об устройстве жизни. Все это время эволюция микроскопа продолжалась, расширяя возможности увидеть неразличимое глазом.
12 биологических методов в картинках
Генеральный партнер цикла — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Одна из главных миссий «Биомолекулы» — докопаться до самых корней. Мы не просто рассказываем, какие новые факты обнаружили исследователи — мы говорим о том, как они их обнаружили, стараемся объяснить принципы биологических методик. Как вытащить ген из одного организма и вставить в другой? Как проследить в огромной клетке за судьбой нескольких крошечных молекул? Как возбудить одну крохотную группу нейронов в огромном мозге?
И вот мы решили рассказать о лабораторных методах более системно, собрать воедино в одной рубрике самые главные, самые современные биологические методики. Чтоб было интереснее и нагляднее, мы густо проиллюстрировали статьи и даже кое-где добавили анимации. Мы хотим, чтобы статьи новой рубрики были интересны и понятны даже случайному прохожему. И с другой стороны — чтобы они были так подробны, что даже профессионал мог бы обнаружить в них что-то новое. Мы собрали методики в 12 больших групп и собираемся сделать на их основе биометодический календарь. Ждите обновлений!
История микроскопии
На пороге микромира
Собирающие (увеличивающие) линзы были известны с XI века, и очки распространились по Европе уже в XIV веке. Традиционно изобретение первого составного микроскопа приписывают отцу и сыну — Хансу и Захарию Янсенам в 1595 году (рис. 1). Этот первый микроскоп мог увеличивать изображение всего в 3–9 раз. Есть версия, что первый микроскоп создал Корнелиус Дреббель. Среди изобретателей первых микроскопов был и Галилей, создавший свой микроскоп в 1609 году. Так или иначе, ни один из изобретателей не оставил подробных описаний микромира. Микроскопия как наука началась с Роберта Гука, который в 1665 году издал Micrographia — книгу, в которой подробно описывались устройство микроскопа, основы оптики и первые наблюдения за биологическими объектами, иллюстрированные подробными рисунками [1]. Микроскоп Гука (рис. 2) состоял из трех линз и источника света — эта основа сохраняется и в современной микроскопии. Однако достичь больших увеличений удалось с помощью более простой конструкции — Антони ван Левенгук использовал, казалось бы, примитивный микроскоп всего с одной линзой (рис. 2). Однако благодаря высочайшему качеству этой линзы ему удалось достичь 200-кратного увеличения и описать клетки простейших и даже крупные бактерии. Использование всего одной линзы не создавало оптических аберраций, которые только множились при конструировании более сложной оптической системы.
Генеральный партнер цикла «12 методов» — компания «Диаэм»
«Диаэм» — крупнейшая российская компания, специализирующаяся на поставке оборудования и реагентов ведущих мировых производителей в области микроскопии: от микроскопов начального уровня до исследовательских, конфокальных и мультифотонных систем, а также автоматизированных биоимиджинговых систем, способных поддерживать жизнеспособность клеток при постановке длительных экспериментов.
Материал предоставлен партнёром — компанией «Диаэм»
Рисунок 1. Микроскопия: этапы большого пути. 1590 г. — Захарий и Ханс Янсены создают первый микроскоп. 1665 г. — первое издание книги Роберта Гука Micrographia: описание и иллюстрации первых микроскопических исследований. 1674 г. — Антони ван Левенгук с помощью своего микроскопа описывает инфузории, а в дальнейшем — бактерии, сперматозоиды, вакуоли внутри клетки и т.п. 1858 г. — Йозеф фон Герлах разрабатывает окрашивание кармином — одной из первых гистологических красок. 1878 г. — Эрнст Аббе выводит формулу Аббе, позволяющую вычислить максимальное разрешение, исходя из длины волны. 1911 г. — Оскар Хеймштадт изобретает первый флуоресцентный микроскоп. 1929 г. — Филипп Эллингер и Август Хирт конструируют эпифлуоресцентный микроскоп, в котором эффективно отфильтровывалось излучение от источника света. 1932 г. — Фриц Цернике изобретает фазовый контраст, позволяя рассматривать живые неокрашенные объекты с большим контрастом. 1933 г. — Эрнст Руска совместно с Максом Кноллем создает первый электронный микроскоп. В 1939 году с его помощью выпустили первый коммерческий электронный микроскоп. 1934 г. — Джон Маррак получает первый конъюгат антитела с красителем. Первое практическое использование Альбертом Кунсом, усовершенствовавшим технику конъюгацией с флуоресцентной меткой. 1942 г. — Эрнст Руска создает сканирующий электронный микроскоп. 1962 г. — первое описание GFP Осамой Симомурой. 1967 г. — первое использование конфокальной микроскопии Моймиром Петраном, Дэвидом Эггером и Робертом Галамбосом. 1969 и 1971 гг. — первое описание конфокальной лазерной микроскопии. 1981 г. — Герд Бинниг и Генрих Рорер создают первый сканирующий туннельный микроскоп. 1986 г. — Герд Бинниг, Келвин Куэйт и Кристофер Гербер изобретают атомно-силовую микроскопию. 1990 г. — Винфрид Денки и Джеймс Стиклер разрабатывают первый двухфотонный микроскоп. 1994 г. — Штефан Хелл: суперразрешающая электронная микроскопия на основе подавления спонтанного испускания (STED). 2006 г. — изобретение PALM/STROM-микроскопии. Чтобы увидеть рисунок в полном размере, нажмите на него.
Рисунок 2а. Первые «ласточки». Микроскоп Гука (реконструкция).
ГДЗ биология 5 класс Пасечник, Суматохин, Калинова Просвещение 2019-2020 Задание: 6 Увеличительные приборы
Стр. 24. Вспомните
№ 1. Какие увеличительные приборы вы знаете?
Я знаю, что увеличительные приборы бывают двух видов: микроскопы и лупа. С их помощью можно получать более четкие и точные изображения для изучения клеточного строения организмов всего живого на нашей планете.
№ 2. Для чего их применяют?
С помощью увеличительных приборов (микроскоп, лупа) можно получать более четкие и точные изображения для изучения клеточного строения организмов всего живого на нашей планете. То есть, всего того, что невозможно разглядеть невооруженным глазом.
Стр. 25. Вопросы после параграфа
№ 1. С помощью каких приборов изучают клетки?
Для изучения клеток используют световой микроскоп. Он позволяет получить большее увеличение, а значит, дает возможность изучить размеры и строение мелких структур клеток.
№ 2. Что представляют собой лупы и какое увеличение они могут дать?
Лупа – это оптическая система, которая состоит из одной и более линз. Она предназначена для наблюдения за мелкими предметами, которые расположены на конечном расстоянии, путем их увеличения.
Лупа является самым простым увеличительным пробором. Его главная часть – это увеличительное стекло, вставленное в оправу и выпуклое с двух сторон. Основными параметрами лупы является фокусное расстояние и диаметр лупы.
Бывают лупы двух видов: ручная и штативная. Ручная лупа состоит из рукоятки, за которую берут прибор и приближают его к изучаемому предмету на такое расстояние, которое позволяет получить максимально четкое изображение. Она позволяет увеличить предмет в 2 – 20 раз.
Штативная лупа состоит из оправы, в которую вставлены два увеличенных стекла, прикрепленных на штативе. К штативу также крепится предметный столик с зеркалом и отверстием. Штативная лупа позволяет увеличить предметы в 10 – 25 раз.
№ 3. Из каких частей состоит световой микроскоп?
Световой микроскоп – это оптический прибор, который используется для исследования объектов, невидимых невооруженным взглядом. Световые микроскопы делятся на две группы: биологические (медицинские, лабораторные) – используются для исследования прозрачных тонких образцов в проходящем свете, и стереоскопические – используются для исследования объемных непрозрачных объектов, например, кристаллов, монет или минералов.
Корпус светового микроскопа состоит из основания и штатива. К штативу присоединён тубус и предметный столик, к которому крепится при помощи зажимов рассматриваемый объект. В центре предметного столика есть отверстие и под ним зеркало.
Освещенность регулируется диафрагмой, а для перемещения предметного столика предназначены микровинт и макровинт. В верхней части тубуса находится окуляр, через который и просматривают изучаемый предмет. В нижней части – объективы.
№ 4. Как определить увеличение, которое даёт световой микроскоп?
Чтобы определить увеличение, которое дает световой микроскоп, нужно умножить число, указанное на его окуляре, на число, которое указано на используемом объективе.
Стр. 25. Задание
Найдите в энциклопедиях или Интернете, какие ещё увеличительные приборы используют современные учёные. Подготовьте короткое сообщение.
В современной науке для исследований используется множество приспособлений и специального оборудования. Не являются исключением и увеличительные приборы, которые позволяют максимально точно изучить строение живых организмов путем увеличения их изображения в несколько сотен раз.
Современные ученые используют в своей научной деятельности разные увеличительные приборы: лупу, микроскоп, телескоп. Лупа является наиболее простым увеличительным прибором, который позволяет получить увеличенное в 20 раз изображение изучаемого предмета. Микроскоп – это более сложное оборудование по сравнению с лупой, позволяющее рассмотреть и изучить самые мелкие предметы путем их увеличения до нескольких тысяч раз. Впервые микроскопы появились еще в XVI веке и состояли только из двух линз. Уже в 1665 году английский ученый Роберт Гук первым использовал усовершенствованный вид микроскопа для ознакомления со строением среза дубовой пробки. На ее поверхности при помощи увеличительного прибора он увидел поры. Такие же поры были и в сердцевине бузины. Это позволило ученому сделать вывод, что такие поры являются клетками. А уже во второй половине XVII века голландским ученым Левенгуком был сконструирован прибор, который смог увеличивать изучаемые объекты в 270 раз. С его помощью и были открыты микроорганизмы.
На сегодняшний день ученые используют оптические, электронные, сканирующие зондовые и рентгеновские микроскопы. Оптический микроскоп – это самое простое и бюджетное устройство, позволяющее получить увеличение изображения в 2000 раз. Более совершенной конструкцией является электронный микроскоп, обеспечивающий увеличение изучаемого предмета минимум в 20 000 раз. Его особенность в том, что вместо луча света, как у оптических приборов, в нем направляется пучок электронов. А получение изображения происходит благодаря специальным магнитным линзам, которые реагируют на движение электронов в колоне прибора.
При помощи сканирующего зондового микроскопа удается получать изображение с изучаемого объекта специальным зондом. В результате исследованию подлежит трехмерное изображение с максимально точными данными характеристики этого объекта. А вот рентгеновские микроскопы относятся к лабораторному оборудованию, которое используется для изучения объектов, чьи размеры сопоставимы с длиной рентгеновской волны. Эффективность увеличения такими устройствами находится между электронными и оптическими. Получить изображение с помощью рентгеновского микроскопа можно благодаря рентгеновским лучам, которые отправляются на изучаемый объект, после чего на их преломление реагируют чувствительные датчики. Таким образом, и создаётся картинка поверхности исследуемого предмета.
Стр. 25. Подумайте
Почему с помощью светового микроскопа нельзя изучать непрозрачные предметы?
Световой микроскоп является достаточно сложным оптическим прибором, который предназначен для изучения мельчайших по размеру предметов, организмов и строения клеток в сильно увеличенном изображении. Он называется световым, потому что обеспечивает возможность исследовать объект в проходящем свете в темном и светлом поле зрения, проводить люминесцентную, фазово-контрастную и другие виды микроскопии.
Через предмет, который располагается на предметном столике, проходят лучи, попадающие на систему линз объектива и увеличивающие изображение. Если же предмет будет непрозрачным, то лучи света не смогут пройти, а значит, получить нужное изображение не удастся.
Стр. 26. Моя лаборатория. Рассматривание клеточного строения растений с помощью лупы.
Рассматриваем невооруженным глазом мякоть плодов томата, арбуза, яблока. Определяем, что характерно для их строения?
Невооруженным глазом мы можем определить, что структура мякоти плодов томата, арбуза и яблока рыхлая, с мелкими вкраплениями – частичками, которые являются клетками. Также можно увидеть и отличия в строении мякоти разных плодов. Например, мякоть томата отличается зернистым строением, имеет прожилки. Мякоть яблока более плотная, рыхлая, сочная. Клетки в ее строении мелкие, расположены очень близко друг к другу. У арбуза мякоть состоит из большого количества разных по размеру и располагающихся на разном расстоянии друг от друга клеток, наполненных соком.
Рассматриваем кусочки мякоти плодов под лупой. Сравниваем увиденное с рисунком 11, зарисовываем в тетрадь, рисунки подписываем. Определяем, какую форму имеют клетки мякоти плодов?
Под лупой мы можем видеть более детальное строение мякоти плодов томата, яблока и арбуза. Она состоит из клеточек, которые похожи на круглые зернышки, наполненные цитоплазмой. Эти клеточки мягкие, каждая из них окружена клеточной стенкой, но легко разрушаются при прикосновении препаровальной иглой.
