Główna zawartość

Kurs: Biologia w szkole średniej > Rozdział 1

Lekcja 1: Metoda naukowa w biologii

Kontrolowane eksperymenty

Jak naukowcy przeprowadzają eksperymenty oraz wykonują obserwacje by testować hipotezy. Tłumaczenie na polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK"

Wprowadzenie

Biolodzy oraz inni naukowcy wykorzystują metodę naukową w celu zadawania pytań dotyczących świata natury. Metoda ta zaczyna się od obserwacji, co prowadzi naukowca do zadania pytania. Wtedy naukowiec stawia hipotezę, która jest wg niego/niej prawdopodobnym wyjaśnieniem – odpowiedzią na pytanie.

Hipoteza nie zawsze jest słuszna. Jest to "najbardziej prawdopodobna" odpowiedź, dlatego też naukowiec musi wykonać odpowiednie testy, żeby zweryfikować, czy jest słuszna. Naukowcy testują hipotezy poprzez założenia: jeśli hipoteza

X

jest słuszna, wtedy

Y

powinno być prawdą. Następnie wykonują doświadczenia, bądź wykonują obserwacje, żeby określić czy założenia są prawidłowe. Jeśli tak, hipoteza jest słuszna. Jeśli nie, naukowiec tworzy nową hipotezę.

Jak testuje się hipotezy?

Jeśli tylko jest to możliwe, naukowcy testują swoje hipotezy, wykonując eksperyment kontrolowany. Eksperyment kontrolowany jest naukowym testem wykonywanym w warunkach kontrolowanych, co oznacza, że na raz tylko jeden (bądź kilka) czynników zmienianych jest na raz, kiedy inne pozostają stałe. Przyjrzymy się temu bliżej w następnej części.

W niektórych przypadkach nie ma możliwości wykonania testu hipotezy z wykorzystaniem eksperymentu kontrolowanego (wynika to ze względów praktycznych, bądź etycznych). W takiej sytuacji naukowiec może testować hipotezę wykonując założenia biorąc pod uwagę pewne schematy widziane w naturze kiedy dana hipoteza jest poprawna. Wtedy naukowiec zbiera dane aby określić czy faktycznie dostrzega schematy

Eksperymenty kontrolowane

Jakie są kluczowe składniki eksperymentu kontrolowanego? Aby to zilustrować rozważmy prosty przykład.

Załóżmy, że chcę hodować kiełki fasoli w mojej kuchni, blisko okna. Wrzucam nasiona fasoli do doniczki z ziemią, stawiam na parapecie i czekam aż wykiełkują. Jednakże, po kilku tygodniach nie widzę żadnych kiełków. Dlaczego?…okazało się, że zapomniałem o podlewaniu nasion. Więc zakładam hipotezę, że nie wykiełkowały przez brak wody.

Aby sprawdzić moją hipotezę, wykonuję eksperyment kontrolowany. Przygotowuję dwie identyczne doniczki. Obie zawierające dziesięć nasion fasoli, zasianych w gruncie tego samego rodzaju oraz obie umieszczone przy tym samym oknie. Jedynym czynnikiem, którym różnią się procesy w obu doniczkach, jest podlewanie wodą.

Nasiona w pierwszej doniczce podlewam każdego wieczora.
W drugiej nie podlewam wcale.

Po tygodniu, dziewięć z dziesięciu nasion w doniczce podlewanej wykiełkowały, natomiast żadne w doniczce niepodlewanej. Wygląd na to, że hipoteza „nasiona potrzebują wody” jest najprawdopodobniej słuszna.

Zobaczmy jak ten prosty przykład ilustruje elementy eksperymentu kontrolowanego.

Grupa badana i kontrolna

W eksperymencie mamy dwie grupy. Są one identyczne, ale traktujemy je inaczej (woda). Grupa, której dotyczy specjalne traktowanie (podlewanie doniczki wodą), nazywana jest grupą badaną, natomiast grupa, która nie jest specjalnie traktowana (nie podlewamy wodą ziemi w doniczce) nazywana jest grupą kontrolną. Grupa kontrolna zapewnia nam punkt odniesienia, dzięki któremu możemy sprawdzić, czy specjalne traktowanie przynosi efekt.

Niekoniecznie. Ogólnie rzecz biorąc, kontrolowany eksperyment musi zawsze posiadać grupę kontrolną jako punkt odniesienia. Jednak może być kilka grup doświadczalnych, każda z nieco odmienną kuracją.

Na przykład, moglibyśmy mieć grupę kontrolną nasion fasoli, które nie byłyby podlewane plus trzy grupy eksperymentalne: pierwsza otrzymywałaby wodę codziennie, druga co dwa dni, zaś trzecia raz w tygodniu.

Zmienne niezależne i zależne

Czynnik, który różni grupę kontrolną od badanej (w tym przypadku – dodatek wody) określany jest jako zmienna niezależna. Zmienna ta jest niezależna ponieważ nie zależy od tego co się dzieje w eksperymencie. Jest to czynnik, który badacz sam wybiera.

Zmienne niezależne

Wyniki doświadczalne są łatwiejsze do interpretacji i analizy, gdy istnieje tylko jedna zmienna niezależna (jeden czynnik, który zmienił się w czasie). Ogólną zasadą jest, zwłaszcza, gdy wykonujesz eksperymenty biologiczne, ograniczenie się do jednej zmiennej niezależnej na eksperyment.

Kiedy masz duże doświadczenie w pracy w laboratorium oraz i podstawy analizy statystycznej, możesz rozważyć wykonywanie eksperymentów z dwoma zmiennymi niezależnych na raz. Na przykład, możesz chcieć zobaczyć, jak wody i poziom światła wpływają na kiełkowanie ziarna fasoli. Dobrze zaprojektowany eksperyment z dwoma zmiennymi niezależnymi może dać Ci odpowiedź, jakie jest wzajemne oddziaływanie pomiędzy zmiennymi (wzajemne wpływanie zmiennych na efekty ich działania). Jednakże wykonując eksperymenty z więcej niż jedną zmienną niezależną, należy powinno się podążać wg określonych wytycznych, a wyniki powinny być analizowane za pomocą specjalnej klasy testów statystycznych w celu określenia skutków obu zmiennych.

Zmienne zależne

Posiadanie więcej niż jednej zmiennej zależnej jest całkiem proste. Aby dodać zmienną zależną, wystarczy wybrać inny rezultat, który chciałbyś zmierzyć dla każdej grupy w eksperymencie. Na przykład oprócz badania ile nasion wykiełkuje w każdej donicy, możemy również zmierzyć wysokość kiełka. W takim przypadku zarówno liczba nasion kiełkujących, jak i wysokość kiełków byłoby zmiennymi zależnymi.

W przeciwieństwie do zmiennej niezależnej, zmienna zależna w eksperymencie jest odpowiedzią, która jest widoczna jeśli eksperyment przynosi efekt. W tym przypadku zmienną zależną nazywamy to, jaka część nasion fasoli wykiełkowała. Zmienna zależna (część nasion, które wykiełkowały) zależy od zmiennej niezależnej (ilość wody) ale nie na odwrót.

Eksperymentalne dane (l.pojedyncza: dana - określenie rzadko stosowane), to obserwacje wykonywane podczas eksperymentu. W tej sytuacji dane, które uzyskaliśmy to liczba nasion, które wykiełkowały w każdej doniczce po tygodniu.

Zmienność i powtarzalność

Z dziesięciu nasion fasoli podlewanych wodą, tylko dziewięć wykiełkowało. Co stało się z dziesiątym nasionem? To nasiono mogło być martwe, niezdrowe bądź jego kiełkowanie mogło być opóźnione. Szczególnie w biologii (która bada skomplikowane, żywe istoty), często występuje zmienność w materiale wykorzystywanym do eksperymentu – tutaj w nasionach fasoli – zmienność, której badacz nie jest w stanie dostrzec gołym okiem.

Z powodu zmienności, doświadczenia biologiczne muszą mieć duży rozmiar próby oraz najlepiej być powtórzone kilka razy. Rozmiar próby odnosi się do liczby indywidualnych elementów badanych w eksperymencie – w tym przypadku

10

nasion na grupę. Wykonanie większej liczby prób oraz powtarzanie doświadczenia powoduje, że wyciągnięcie nieprawidłowych wniosków z powodu przypadkowej zmiennej jest mniej prawdopodobne.

Biolodzy I inni naukowcy wykorzystują także testy statystyczne dzięki którym są w stanie rozróżnić rzeczywiste różnice od tych, które powstały z powodu przypadkowej zmiennej (na przykład porównując grupy badane i kontrolne).

Przykład kontrolowanego eksperymentu: ${CO}_{2}$ ‍ i blaknięcie koralowców

Jako bardziej realistyczny przykład kontrolowanego eksperymentu, rozpatrzmy ostatnie badania nad blaknięciem koralowców. Koralowce w warunkach prawidłowych posiadają małe fotosyntetyzujące organizmy, żyjące wewnątrz nich. Proces blaknięcia ma miejsce, kiedy te organizmy opuszczają wnętrza koralowców. Dzieje się to zazwyczaj w wyniku stresu środowiskowego. Zdjęcie poniżej pokazuje wyblakły oraz zdrowy koralowiec.

Wiele badań skupiających się na przyczynie blaknięcia skupiało się na temperaturze wody

^{1}

. Jednakże grupa australijskich naukowców założyła hipotezę, że inne czynniki także mogą być istotne. Mówiąc konkretniej badali hipotezę, że wysokie stężenie

{CO}_{2}

, które czyni pH wody w oceanie bardziej kwaśnym może wpływać na blaknięcie koralowców

^{2}

Jaki rodzaj eksperymentu Ty wykonałbyś żeby sprawdzić tę hipotezę? Zastanów się:

Jaka byłaby Twoja grupa kontrolna, a jaka badana
Jakie byłyby Twoje niezależne i zależne zmienne
Jakich wyników dla obu grup mógłbyś się spodziewać?

Spróbowałeś?

Układ doświadczalny

Grupa z Australii zebrała wiele fragmentów pewnego gatunku koralowca (Acropora intermedia) z Wielkiej Rafy Koralowej. Następnie fragmenty podzielono na trzy grupy, kładąc każdą grupę do wody z innym

pH

(poziomem kwasowości). Po ośmiu tygodniach, naukowcy zbadali każdy fragment aby sprawdzić jak mocno wyblakł.

Niektóre koralowce umieszczono w zbiornikach z normalną wodą morską, która nie jest bardzo kwaśna ( $pH$ ‍ ok. $8, 2$ ‍). Koralowce w tych zbiornikach służyły jako grupa kontrolna.
Inne koralowce umieszczono w zbiornikach z wodą morską o kwasowości zwiększonej na skutek dodania ${CO}_{2}$ ‍. Jedna grupa zbiorników zawierała wodę o średniej kwasowości ( $pH$ ‍ około $7, 9$ ‍), podczas gdy druga - wodę o wysokiej kwasowości( $pH$ ‍ około $7, 65$ ‍). Obie te grupy stanowiły grupy badane.
W tym doświadczeniu zmienną niezależną była kwasowość ( $pH$ ‍) wody morskiej. Zmienną zależną był natomiast stopień wybielenia korali.
Badacze użyli dużej próbki i powtarzali swoje doświadczenie. Wykorzystano $5$ ‍ zbiorników dla każdej grupy (kontrolnej, o średniej kwasowości, o wysokiej kwasowości), a każdy zbiornik zawierał $5$ ‍ fragmentów koralowca.
Układ doświadczalny do badania wpływu kwasowości wody na stopień wybielenia koralowców.
Grupa kontrolna: fragmenty koralowców umieszczone w zbiorniku z normalną wodą morską (pH 8.2).
Grupa badana 1: Fragmenty koralowców umieszczone w zbiorniku z lekko zakwaszoną wodą morską (pH 7.9).
Grupa badana 2: Fragmenty koralowców umieszczone w zbiorniku z mocno zakwaszoną wodą morską (pH 7.65).
Kwasowość wody jest zmienną niezależną.
W każdym zbiorniku doświadczenie prowadzone było 8 tygodni...
Grupa kontrolna: Koralowce są średnio o 10% bielsze.
Grupa badana 1 (średnia kwasowość): Koralowce są średnio o 20% bielsze.
Grupa badana 2 (wyższa kwasowość): Koralowce są średnio o 40% bielsze.
Stopień wybielenia koralowców jest zmienną zależną.
Zauważ: Zgodnie ze skalą $pH$ ‍ woda w żadnym zbiorniku nie była "kwasowa". Wartość $pH$ ‍ była zawsze wyższa od neutralnej, równej $7, 0$ ‍. Woda w zbiornikach grup badanych była jednak średnio lub silnie kwasowa jak na koralowce, to znaczy w porównaniu z ich naturalnym środowiskiem.

Analiza wyników

Po przeanalizowaniu wyników, badacze zauważyli, że koralowce w wodzie o średniej kwasowości straciły średnio około

20 %

koloru, podczas gdy te w wodzie o wysokiej kwasowości - średnio około

40 %

. Próbki kontrolne straciły jedynie niewiele ponad

10 %

swojego koloru.

Przykład pokazuje, dlaczego tak ważna jest obecność grupy kontrolnej w doświadczeniu: dzięki niej badacze wiedzieli, że koralowce nieznacznie wybielają się w normalnej wodzie, ale znacznie bardziej w wodzie z dodatkiem kwasu. Wykorzystując testowanie statystyczne naukowcy zauważyli, że poziom kwasowości ma znaczący wpływ na wybielanie (wyższy poziom wybielania prawdopodobnie nie wynikał ze zmienności losowej.

Testowanie hipotez nieeksperymentalnie

Niektóre rodzaje hipotez nie mogą być badane w kontrolowanych doświadczeniach z powodów etycznych, bądź praktycznych. Na przykład, hipoteza dotycząca infekcji wirusowej nie może zostać zbadana poprzez podzielenie zdrowej grupy ludzi na dwie grupy i zakażeniu jednej z grup: zakażenie zdrowych ludzi byłoby niebezpieczne i nieetyczne. Podobnie, ekolodzy badający efekty opadów deszczu nie mogą sprawić, że deszcz będzie padał na jedną część kontynentu, zaś na inną nie tratując ją jako kontrolę.

W takich przypadkach, biolodzy mogą wykorzystywać formy nieeksperymentalne do badania swoich hipotez. W nieeksperymentalnym badaniu hipotezy, badacz przewiduje obserwacje lub schematy, które powinny być widoczne w naturze, jeśli dana hipoteza jest właściwa. Wtedy badacz lub badaczka analizuje dane, określając czy dane schematy są faktycznie zauważalne.

Przykład: Blaknięcie koralowców i temperatura

Dobry przykład badania hipotezy opartego na obserwacji możemy zaczerpnąć z wczesnych badań blaknięcia koralowców. Jak wspomnieliśmy wcześniej, blaknięcie następuje wtedy, kiedy koralowce tracą fotosyntetyzujące mikroorganizmy, które żyją wewnątrz nich. Naukowcy przypuszczali, że wysoka temperatura wody może powodować blaknięcie i badali swoją hipotezę na małą skalę (używając wyizolowanych fragmentów koralowca w zbiornikach)

^{3, 4}

Jednakże, to czego ekolodzy najbardziej chcieli się dowiedzieć, to to czy temperatura wody powoduje blaknięcie koralowców w przypadku innych gatunków w ich naturalnym środowisku. Na to szersze pytanie nie można było odpowiedzieć doświadczalnie, ponieważ to nie byłoby etyczne (lub nawet możliwe) aby sztucznie zmienić temperaturę wody otaczającej całe rafy koralowe.

Zamiast testować hipotezę przypadków naturalnego blaknięcia wywołanych przez podwyższenie temperatury wody, grupa naukowców napisała program komputerowy, żeby przewidywać przypadki blaknięcia oparte na danych dotyczących temperatury wody w czasie rzeczywistym. Przykładowo, program ten zazwyczaj przewidywał blaknięcie koralowców, gdy średnia maksymalnej temperatury miesięcznej zwiększyła się o co najmniej

1

^{\circ} C

^{1}

Program komputerowy był zdolny do przewidzenia przypadków blaknięcia kilka tygodni lub nawet miesięcy przed faktycznym zdarzeniem, włączając w to poważne zjawisko blaknięcia Wielkiej Rafy Koralowej w 1998 roku

^{1}

. Model oparty na zmianie temperatury mógł przewidzieć przypadki blaknięcia, co potwierdza hipotezę, że wysoka temperatura wody powoduje blaknięcie w naturalnie występujących rafach koralowych.

Żródła:

Artykuł ten powstał na bazie "The science of biology,"OpenStax College, Biology (CC BY 4.0). Pobierz oryginalny artykuł za opłatą na http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10.4.

Zmodyfikowany artykuł może być używany zgodnie z licencją CC BY-NC-SA 4.0.

Cytowane prace:

Hoegh-Guldberg, O. (1999). Zmiany klimatyczne, blaknięcie koralowców i przyszłość raf koralowych na świecie. Mar. Freshwater Res., 50, 839-866. Retrieved from www.reef.edu.au/climate/Hoegh-Guldberg%201999.pdf.
Anthony, K. R. N., Kline, D. I., Diaz-Pulido, G., Dove, S., and Hoegh-Guldberg, O. (2008). Zakwaszenie oceanu powoduje blaknięcie i utratę produktywności budowniczych rafy koralowej. PNAS, 105(45), 17442-17446. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0804478105.
University of California Museum of Paleontology. (2016). Błędne wyobrażenia na temat nauki. W Understanding science. Źródło http://undsci.berkeley.edu/teaching/misconceptions.php.
Hoegh-Guldberg, O. and Smith, G. J. (1989). Efekt nagłych zmian w temperaturze, oświetleniu i zasoleniu na gęstość i ucieczkę zooksanteli z raf koralowych. Stylophora pistillata (Esper, 1797) and Seriatopora hystrix (Dana, 1846). J. Exp. Mar. Biol. Ecol., 129, 279-303. Retrieved from http://www.reef.edu.au/ohg/res-pic/HG%20papers/HG%20and%20Smith%201989%20BLEACH.pdf.

Dodatkowe źródła

Coral bleaching. (2016, Feburary 28). Źródło: 6 marzec, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Coral_bleaching.

Hassler, M. (2014, 19 luty). Różnica pomiędzy zmiennymi zależnymi i niezależnymi. [Web log post] In Udemy blog. Retrieved from https://blog.udemy.com/difference-between-independent-and-dependent-variables/.

Zmienna niezależna. (2004). In LabWrite. Retrieved from https://www.ncsu.edu/labwrite/po/independentvar.htm.

Wiele zmiennych niezależnych. (2012, 29 grudnia). W Psychology research methods: Core skills and concepts. Źródło http://2012books.lardbucket.org/books/psychology-research-methods-core-skills-and-concepts/s12-02-multiple-independent-variables.html.

National Center for Education Statistics. (n.d.). What are independent and dependent variables? W Graphing tutorial. Źródło https://nces.ed.gov/nceskids/help/user_guide/graph/variables.asp.

National Ocean Service. (2015, 8 październik). What is coral bleaching? W Ocean facts. Źródło http://oceanservice.noaa.gov/facts/coral_bleach.html.

Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H., and Heller, H.C. (2003). Biology is a science. W Life: The science of biology (wydanie 7, strony: 10-13). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). Science practice 3: Questioning scientifically. W Biology (wydanie 10, AP ed., strona 9). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). W studying nature, scientists make observations and form and test hypotheses. W Campbell biology (wydanie 10, strony: 16-21). San Francisco, CA: Pearson.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się

Sortuj według

Natalia Dzikoń
Opublikowane 6 lat temu. Odnosi się do postu Natalia Dzikoń's o treści “Witam. Jestem w 1 liceum ...”
Witam. Jestem w 1 liceum i nauczyciel kazal znalezc sobie temat doswiadczenia. Jednak kompletnie nie wiem o czym moglabym zrobic, gdyz nie moga to byc jakies proste i oczywiste, opisywane w książkach. Chcialam o wplywie nacl na wodniczke tetniaca pantofelka jednak wedlug mojego nauczyciela to za proste. Zwracam sie z prosba o pomoc, gdyz moja wiedza jest zbyt mala abym mogla wymyslic jakie ciekawe i nietypowe doświadczenie. Moze wplyw jakiejś substancji na rosliny albo cos tego typu?
Kliknij, aby przejść do strony rejestracjiSkomentuj wpis użytkownika Natalia Dzikoń o treści „Witam. Jestem w 1 liceum ...”
(1 głos)
Odpowiedź

Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.

Biologia w szkole średniej