Основно съдържание

Курс: Биологична библиотека > Раздел 1

Урок 2: Биологията като наука

Контролирани експерименти

Как учените провеждат експерименти и правят наблюдения, за да проверят хипотези.

Въведение

Биолози и други учени използват научния метод за да задават въпроси за природния свят. Научният метод започва с наблюдение, което води ученият да зададе въпрос. Тя или той след това предлага хипотеза, проверимо обяснение, което се отнася за въпроса.

Една хипотеза не е задължително вярна. Тя е по-скоро "най-добрата догадка" и учените трябва да проверят дали наистина е вярна. Учените проверяват хипотезата чрез предположения: ако хипотезата

X

е вярна, тогава

Y

би трябвало да е вярно. След това се правят експерименти или наблюдения, за да се види дали предположението е вярно. Ако е, значи хипотезата е подкрепена. Ако не е, значи е време за нова хипотеза.

Как се проверяват хипотезите?

Когато е възможно, учените проверяват хипотезите си чрез контролирани експерименти. Контролиран експеримент е научен експеримент, проведен в контролирани условия, което означава, че само един или няколко фактора се променят във времето, докато всички останали са константни. В следващия раздел ще разгледаме по-отблизо контролираните експерименти.

Понякога няма начин да проверим една хипотеза чрез контролиран експеримент (поради практически или етични причини). В този случай ученият може да провери хипотезата, като прави предположения за закономерностите, които би трябвало да се наблюдават в бъдеще, ако хипотезата е вярна. Тогава тя или той може да събере информация, за да види дали закономерността наистина съществува.

Контролирани експерименти

Какво всъщност е един контролиран експеримент? За да стане ясно, нека разгледаме следния прост пример.

Да предположим, че искам да отгледам бобени кълнове в кухнята си, близо до прозореца. Поставям бобени зърна в саксия или съд с почва, оставям ги на перваза и чакам да покълнат. Обаче след няколко седмици няма покълнали зърна. Защо ли? Ами... оказва се, че съм забравил да поливам зърната. Така правя хипотезата, че те не са поникнали заради липсата на вода.

За да проверя хипотезата си, провеждам контролиран експеримент: приготвям две идентични саксии, в които има по десет бобени зърна и еднаква почва и ги поставям на един и същ прозорец. Всъщност има само едно нещо, което ще направя различно при двете саксии:

Едната саксия ще поливам всеки следобед.
Другата няма да бъде напоявана изобщо.

След седмица девет от десет зърна от поливаната саксия са поникнали, докато нито едно от зърната в сухата саксия не е. Изглежда, че хипотезата "семената имат нужда от вода" е правилна!

Нека да проследим как този прост пример илюстрира частите на един контролиран експеримент.

Контролни и експериментални групи

Има две групи в експеримента и те са идентични, освен по това, че едната получава дадена манипулация (получава вода), а другата не получава. Групата, която манипулираме в експеримента (т.е. поливаната саксия), се нарича експериментална група, а другата, която не манипулираме (в случая, неполиваната саксия) - контролна група. Контролната група дава изходното ниво, което ни позволява да видим дали манипулацията е имала ефект.

Не задължително. Като цяло в един контролиран експеримент трябва винаги да има контролна група като изходно ниво. Обаче може да има няколко експериментални групи, всяка различаваща се малко по манипулацията, която се прилага.

Например, може да имаме контролна група от бобени семена, които не са били поливани, плюс три експериментални групи: една, която е била поливана всеки ден, една, която е била поливана на всеки два дена, и една, която е била поливана един път седмично.

Независими и зависими променливи

Факторът, който е различен при контролните и експерименталните групи (в случая, количеството вода), се нарича независима променлива. Тази променлива е независима, защото не зависи от това какво се случва в експеримента. Вместо това тези, които извършват експеримента, я избират или прилагат сами.

Независими променливи

Експерименталните резултати са много по-прости за интерпретация и анализ, когато има само една независима променлива (само един фактор, който се променя). Особено когато започваш да се занимаваш с биология, е добре да се ограничиш до една независима променлива на експеримент.

Когато събереш много лабораторен опит и някои познания по статистика, може да опиташ да направиш експеримент с две независими променливи наведнъж. Например може да искаш да разбереш как водата и светлината заедно влияят на покълването на бобените зърна. Добре проектиран експеримент с две независими променливи може да ти каже дали променливите си взаимодействат (дали всяка променя ефекта на другата). Въпреки това експериментите с повече от една независима променлива трябва да следват специфични насоки за проектиране, и резултатите от тях трябва да се анализират със специален клас статистически тестове, за да се разплетат ефектите на двете променливи.

Зависими променливи

Да имаме повече от една зависима променлива е доста лесно. За да добавим зависима променлива, трябва просто да изберем още един резултат от манипулацията, който да измерим за всяка група от експеримента. Например освен процента покълнали бобени зърна във всяка саксия, можем да измерим и височината на кълновете. В този случай и процентът покълнали зърна, и височината на кълновете ще са зависими променливи.

Обратно, зависимата променлива в даден експеримент е резултатът, който се измерва, за да се провери дали манипулацията е имала ефект. В този случай процентът покълнали бобени зърна е зависимата променлива. Зависимата променлива (частта от семената, които са покълнали) зависи от независимата променлива (количеството вода), а не обратното.

Експерименталните данни са наблюдения, направени по време на експеримента. В този случай данните, които сме събрали, са броят на бобените кълнове във всяка саксия след една седмица.

Вариативност и повторения

От десет поливани бобени зърна само девет са поникнали. Какво се е случило с десетото? Това зърно може да е било мъртво, болно или просто да му е трябвало повече време да покълне. В биологията, която изучава сложни живи организми, често има вариации в материалите, които се използват в даден експеримент, които експериментаторът не може да оцени, както в случая са бобените зърна.

Поради възможността за вариации биологичните експерименти трябва да използват много на брой проби и опитите да се повтарят по няколко пъти. Броят на пробите означава колко отделни елемента са тествани в един експеримент – в този случай

10

бобени зърна във всяка група. Наличието на повече проби и повторения на експеримента намалява вероятността да стигнем до грешно заключение заради случайни вариации.

Биолозите, както и другите учени, използват статистически тестове, които им помагат да разграничат истинските разлики от разликите породени от случайна вариация (например, когато сравняват експериментална и контролна група).

Контролиран експеримент като практическо проучване: ${CO}_{2}$ ‍ и избелване на коралите

Да разгледаме скорошно проучване за избеляването на коралите като по-реалистичен пример за контролиран експеримент. По принцип в коралите живеят малки фотосинтезиращи организми, но когато те напуснат корала, казваме, че е протекло избелване, това обикновено се случва поради неблагоприятното влияние на околната среда. На снимката по-долу виждаме избелен корал отпред и здрав корал отзад.

Много изследвания за причините на избелването са съсредоточени върху температурата на водата

^{1}

. Въпреки това екип от австралийски учени изказва хипотеза, че други фактори също може да са от значение. По-конкретно, те тестват хипотезата, че високите нива на

{CO}_{2}

, които правят океанските води по-киселинни, може също да допринасят за избелването

^{2}

Какъв експеримент ще направиш ти, за да провериш тази хипотеза? Помисли за това:

Какви ще са контролната и експерименталната група?
Какви ще са независимите и зависимите променливи?
Какви резултати очакваш от всяка група?

Опита ли?

Експериментална постановка

Австралийският екип събира много фрагменти от определен вид корали (Acropora intermedia) от Големия бариерен риф. След това те разделят фрагментите на три групи, като слагат всяка група във вода с различно

pH

(ниво на киселинност). След осем седмици изследователите проверяват всеки фрагмент, за да видят колко се избелил.

Някои корали се отглеждат в съдове с нормална морска вода, която не е много киселинна ( $pH$ ‍ около $8, 2$ ‍). Коралите в тези съдове служат като контролна група.
Други корали са отглеждани в съдове с морска вода, която е по-киселинна от обикновено, тъй като в нея е добавен още ${CO}_{2}$ ‍. Едни от съдовете са с вода със средна киселинност ( $pH$ ‍ около $7, 9$ ‍), докато други са с висока киселинност ( $pH$ ‍ около $7, 65$ ‍). Двете групи - със средна и с висока киселинност, са експериментални групи.
В този експеримент независимата променлива е киселинността ( $pH$ ‍) на морската вода. Зависимата променлива е степента на избелване на коралите.
Учените използват много проби и повтарят експеримента си. Всеки съд съдържа $5$ ‍ коралови фрагмента, а във всяка експериментална група (контролна, средна киселинност, висока киселинност) има по $5$ ‍ идентични съда.

Забележка: Никой от съдовете не е "киселинен" по абсолютната скала. Т.е. всички

pH

стойности са над неутралното

pH

от

7, 0

. Въпреки това двете експериментални групи са средно или силно киселинни спрямо коралите в техния естествен хабитат на чиста морска вода.

Анализ на резултатите

Когато анализират получените резултати, учените откриват, че коралите в средно киселата вода са изгубили средно около

20 %

от цвета си, докато тези в силно киселинната вода да изгубили средно около

40 %

от цвета си. За разлика от това контролните проби са изгубили само малко над

10 %

от цвета си.

Този пример показва защо е важно да имаме контролна група: благодарение на контролата изследователите разбират, че коралите се избелват малко дори и в нормална вода, когато са отглеждани в съдове, но се избелват повече във вода, която е по-киселинна. Използвайки статистически тестове, изследователите откриват, че нивото на киселинност има значителен ефект върху избелването (т.е. е малко вероятно по-високите нива на избелване в експерименталните съдове да се дължат на случайни разлики между групите).

Неекспериментално тестване на хипотеза

Някои видове хипотези не могат да бъдат проверени чрез контролирани експерименти по етични или практически причини. Например хипотеза за вирусна инфекция не може да бъде тествана като разделим здрави хора в две групи и заразим едната група, инфектирането на здрави хора няма да бъде безопасно, нито е етично. Аналогично еколог, който изучава въздействието на валежите, не може да накара дъжда да вали в една част на даден континент и да остави друга част суха като контрола.

В такива ситуации биолозите използват неекспериментални начини за тестване на хипотези. При неекспериментален тест изследователят предвижда наблюдения или модели, които трябва да са налице в природата, ако хипотезата е вярна. Ученият събира и анализира данни, за да установи дали предвиденият модел се вижда в природата.

Практическо проучване: избелване на коралите и температурата

Добър пример за проверка на хипотеза чрез наблюдение са ранните изследвания на избелването на коралите. Както споменахме по-горе, избелването се случва, когато коралите изгубят фотосинтезиращите микроорганизми, които живеят в тях, така коралите побеляват. Изследователите подозират, че високата температура на водата може да е причината за избелването и проверяват тази хипотеза експериментално в малък мащаб, като използват коралови фрагменти в съдове с вода

^{3, 4}

Това, което еколозите наистина искат да разберат, е дали температурата на водата води до избелване на много различни видове корали в естествената им среда. Този въпрос е по-широк и те не могат да му отговорят експериментално, тъй като не би било етично (нито възможно) да променят температурата около цели коралови рифове по изкуствен начин.

Вместо това, за да тества хипотезата, че естественото избелване е причинено от повишаване на температурата на водата, екип от учени създава компютърна програма, която предвижда избелването въз основата на данни за температурата на водата в реално време. Например програмата може да предвиди избелването в даден риф, когато температурата на водата за площта на рифа надвиши средния си месечен максимум с

1

^{\circ} C

или повече

^{1}

Компютърната програма успява да предвиди много случаи на избелване седмици или дори месеци преди те да бъдат обявени, включително и голям случай на избелване в Големия бариерен риф през 1998 г

^{1}

. Фактът, че модел, основан на температура, може да предвиди избелвания, подкрепя хипотезата, че високата температура на водата предизвиква избелване на естествените коралови рифове.

Източници

Тази статия е производна модификация на "Науката биология" от Колеж ОупънСтакс, Биология, CC BY 4,0. Изтегли оригиналната статия безплатно на http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10,4.

Изменената статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове:

Хо-Гулдберг, О. (1999). Промените в климата, избелване на коралите и бъдещето на коралови рифове в света. Mar. Freshwater Res., 50 839-866. Достъп от www.reef.edu.au/climate/Hoegh-Guldberg%201999.pdf.
Антъни, К. Р. Н., Клайн, Д. И., Диас-Пулидо, Г., Дав, С. и Хо-Гулдберг, О. (2008). Повишаване на киселинността на океана причинява избелване и загуба на производителността на строеж да коралови рифове. PNAS 105(45) 17442-17446. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0804478105.
Музей по палеонтология на Калифорнийския университет. (2016). Погрешни схващания за науката. В Да разберем науката. Достъп от http://undsci.berkeley.edu/teaching/misconceptions.php.
Хо-Гулдберг, О. и Смит, Г. Дж. (1989). Ефектът на резки промени в температурата, светлината и солеността върху плътността и изнасянето на зооксантели от кораловите рифове Stylophora pistillata (Esper 1797) и Seriatopora hystrix (Dana, 1846). J. exp. Mar. Biol. Ecol. , 129, 279-303. Достъп от http://www.reef.edu.au/ohg/res-pic/HG%20papers/HG%20and%20Smith%201989%20BLEACH.pdf.

Допълнителни източници:

Избелване на корали. (28-ми февруари 2016 г.). Достъп на 6-ти март 2016 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Coral_bleaching.

Хаслер, М. (19-ти февруари 2014 г.) Разликата между независими и зависими променливи. [Уеб пост] В Udemy blog. Достъп от https://blog.udemy.com/difference-between-independent-and-dependent-variables/.

Независима променлива. (2004). В LabWrite. Достъп от https://www.ncsu.edu/labwrite/po/independentvar.htm.

Множество независими променливи. (29-ти декември 2012 г.) В Изследователски методи на психологията: основни умения и идеи. Достъп от http://2012books.lardbucket.org/books/psychology-research-methods-core-skills-and-concepts/s12-02-multiple-independent-variables.html.

Национален център за статистика на образованието. (няма дата). Какво са независими и зависими променливи? В Graphing tutorial. Достъп от https://nces.ed.gov/nceskids/help/user_guide/graph/variables.asp.

Национална океанска служба. (8-ми октомври 2015 г.) Какво е избелване на коралите? В Факти за океаните. Достъп от http://oceanservice.noaa.gov/facts/coral_bleach.html.

Първс, У. К., Садава, Д. И., Ориънс, Г. Х., и Хелър, Х. К. (2003). Биологията е наука. В Живот: науката биология (7-мо изд., стр. 10-13). Съндърланд, Масачузетс: Sinauer Associates.

Рейвън, П. Х., Джонсън, Г. Б., Мейсън, К. А., Лосос, Дж. Б. и Сингър, С. Р. (2014).Научна практика 3: да задаваме научни въпроси. В Биология (10-то изд., изд. за напреднали, стр. 9). Ню Йорк, Ню Йорк: McGraw-Hill.

Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кейн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В. и Джаксън, Р. Б. (2011). Когато изучават природата, учените правят наблюдения и формулират и проверяват хипотези. В Биология на Кембъл (10-то издание, стр. 16-21). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.

Биологична библиотека

Курс: Биологична библиотека > Раздел 1

Въведение

Как се проверяват хипотезите?

Контролирани експерименти

Контролни и експериментални групи

Независими и зависими променливи

Вариативност и повторения

Контролиран експеримент като практическо проучване: CO2‍ и избелване на коралите

Неекспериментално тестване на хипотеза

Практическо проучване: избелване на коралите и температурата

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Контролиран експеримент като практическо проучване: ${CO}_{2}$ ‍ и избелване на коралите