Биометрия как прикладная наука

Биометрия — прикладная наука, использующая математические методы статистического анализа массовых явлений (результатов наблюдений, учетов) применительно к биологическим объектам.

Содержание

3. Краткий исторический очерк развития биометрии

1. Термин биометрия

В настоящее время можно сказать, что термин биометрия еще не утвердился до конца. Наравне с ним применяются такие названия как математическая статистика в почвоведении, ботанике, методике опытного дела, биологическая статистика, биометрия, вариационная статистика. Это не случайно, потому что содержание всех этих изданий одно и то же, в них излагаются методы математической статистики, применяемые для статистической обработки результатов исследований биологических объектов, полученных при проведении лабораторных, вегетационных и полевых опытов, агрономических наблюдений.

Исходя из изложенного формулировка понятия биометрия может быть следующей: "Биометрия – прикладная наука, использующая математические методы статистического анализа массовых явлений (результатов наблюдений, учетов) применительно к биологическим объектам (растениям, животным и т.п.)".

По мере превращения биологии из науки описательной в науку точную, основанную на измерениях, возникла потребность в применении методов математической статистики для решения биологических задач. Биометрия преследует исключительно биологические цели, приспосабливая методы математической статистики к задачам и специфике биологических исследований.

2. Предмет и основные понятия биометрии

Предметом биометрии служит любой биологический объект, в результате наблюдения за которым получены количественные или качественные показатели. Методы биометрии широко применяются и в опытном деле. Потребность в использовании методов математической статистики обусловлена тем, что однородные биологические объекты исследования индивидуально различны, изменчивы. Например, число зерен в колосьях одного и того же сорта яровой пшеницы на одной и той же опытной делянке будет различным. Все биологические признаки изменчивы, подвержены варьированию. Объективную информацию в таких случаях можно получить, только подвергнув результаты учетов, измерений, анализов статистической обработке.

Свойство условных биологических единиц наблюдения отличаться друг от друга в однородных совокупностях называется изменчивостью или варьированием. Например, у растений пшеницы варьирующими признаками являются число и масса зерен в колосе, высота растения, продуктивная кустистость, стекловидность и содержание сырой клейковины в зерне, площадь листьев и т.п. В полевых опытах урожаи на одноименных вариантах по повторениям всегда получаются разные.

Величина любого варьирующего признака на языке математической статистики называется переменной случайной величиной. Числовое значение варьирующего признака принято называть вариантой. Возможные значения варьирующего признака обозначаются х₁, х₂, … х_n. Вследствие варьирования единиц наблюдения в однородной совокупности объективное суждение по одному результату измерения, наблюдения, учета, анализа недостаточно. Биометрия дает четкий ответ на вопрос какое количество наблюдений необходимо, чтобы с достаточной точностью судить о средних показателях изучаемого объекта.

Изменчивость одних показателей носит явно выраженный количественный характер и легко поддается измерениям, подсчету, взвешиванию. Изменчивость других носит типичный качественный характер. Например, изменение опущенности или окраски различных органов растений.

Количественное варьирование разделяется на непрерывное и прерывистое. Непрерывное варьирование наблюдается в том случае, когда изучаемый показатель измеряется или взвешивается. Величины непрерывного варьирования могут выражаться как целыми, так и дробными цифровыми значениями. Показатели прерывистого варьирования имеют только целые значения, они получаются только счетом.

Всю группу объектов наблюдения, подлежащих счету, анализу называют генеральной совокупностью. Однако в действительности сделать это невозможно, так как численность единиц наблюдения может быть очень большой. Поэтому для учета вынуждены брать только определенную часть единиц наблюдения, которую принято называть выборочной совокупностью или выборкой. Иногда ее называют статистической совокупностью.

Из этого следует, что суждение о генеральной совокупности приходится делать по выборочной совокупности. Отсюда очень важно, чтобы выборка не была односторонней, преднамеренной или очень малочисленной. Она должна быть случайной, обеспечивающей любому члену генеральной совокупности вероятность попасть в эту выборку. Репрезентативность выборки достигается применением специальных методов отбора единиц наблюдения, которые описаны в специальных методиках и объемом выборки.

3. Краткий исторический очерк развития биометрии

Биометрия, как самостоятельная научная дисциплина, возникла в XIX веке, однако первые попытки применить математику к биологическим объектам наблюдения были гораздо раньше. Толчком к этому было установление Декартом (1596-1650) понятия переменная величина. В середине XVII века зародились две ветви точных наук – теория вероятностей и математическая статистика. Теория вероятностей возникла на базе азартных игр, а математическая статистика положена в основу теории выборочного метода.

Основная задача, которую ставили перед собой исследователи, сводилась к тому, чтобы теоретически доказать возможность по части (выборке) судить о состоянии целого, то есть всей совокупности. Большая работа в этом направлении была проделана бельгийским ученым А.Кетле (1796-1874). Из его работ вытекало, что при помощи математических методов возможно вскрытие статистических закономерностей, действующих в среде массовых явлений.

Пирсон развил учение о типах кривых распределения, встречающихся в биологии. Им введено понятие среднего квадратического отклонения. Совместно с Гальтоном и Уэльдоном он обосновал в 1901 году выпуск научного журнала «Биометрика». Гальтон и Пирсон по праву считаются основателями биометрии.

Большим вкладом в дальнейшее развитие биометрии была теория «малой выборки», обоснованная В.Госсетом (1876-1937), печатавшегося под псевдонимом «Стьюдент». Оперируя с выборками небольшого объема, взятыми из нормального распределения генеральной совокупности Стьюдент открыл закон распределения выборочных средних в зависимости от объема выборки. Описанный им закон оказался применимым к малым выборкам, содержащим в своем составе не более 25-30 вариант.

Существенный вклад в дальнейшее развитие биометрии внес Р.Э.Фишер (1890-1962), проработавший ряд лет научным сотрудником знаменитой Ротамстедской сельскохозяйственной опытной станции, а с 1933 года профессором кафедры прикладной математики Лондонского университета. Он разработал метод дисперсионного анализа, ввел понятие «степени свободы».

В России биометрические методы описаны А.В.Леонтовичем (1869-1943) и А.И.Чупровым (1874-1926). С работами Р.А. Фишера читателей первым ознакомил Н.Ф.Деревицкий (1933). Позднее изданы «Статистические методы для исследователей» Р.А. Фишера в переводе В.Н. Перегудова (1958). В 60-х-80-х годах вышло несколько книг по биометрии: Н.А.Плохинский (1961,1970), П.Ф.Рокицкий (1973,1974), Г.Ф.Лакин (1968,1973,1980,1990).

В Казахстане заметный вклад в пропаганду и внедрение методов математической статистики в области биологии и агрономии внесли: А.И.Федоров (1957), Н.Л.Удольская (1976), В.П.Томилов (1983).

Опубликовано значительное количество книг с изложением методов математической статистики применительно к отдельным отраслям биологии и другим наукам: методика полевого опыта (Вольф В.Г.,1966; Доспехов Б.А.,1985), почвоведение (Дмитриев Е.А.,1972, 1995), ботаника (Зайцев Г.Н., 1984), фитопатология (Минкевич Н.И., Захаров Т.И., 1977), защита растений (Пересыпкин В.Ф и др., 1989), генетика (Рокицкий П.Ф.,1974), агрометеорология (Уланова Е.С., Сиротенко О.Д., 1968), гидрология (Рождественский А.В.,Чеботарёв А.И., 1974), география (М.К.Бочаров, 1971), лесокультурные исследования (Жигунов А.В. и др., 2002), экономика (Эконометрика, 2002).

По мнению В.П. Терентьева (1978) биометрия перерастает в биоматематику. В настоящее время роль методов математической статистики в биологических и агрономических исследованиях существенно возросла, а в связи с компьютеризацией и разработкой компьютерных программ возможности биометрии многократно увеличились, а необходимость в её изучении при подготовке специалистов биологического профиля стала насущной необходимостью и велением времени.

Комментарии: