Metodyka badań biologicznych

Biologia jest nauką o życiu

BiologiabiologiaBiologia bada organizmy żyjące dziś na Ziemi oraz te, które żyły w dawnych czasach. Jej nazwa pochodzi od greckich słów: bios – życie i  logos – nauka.

Biolodzy badają budowę organizmów i ich czynności życiowe, analizują także zależności zachodzące między organizmami i środowiskiem. Próbują odpowiedzieć m.in. na pytania:

• Skąd pochodzą organizmy?

• Jak doszło do powstania tak ogromnej ich różnorodności?

• W jaki sposób organizmy przekazują swoje cechy potomstwu?

• Jakie są molekularne mechanizmy procesów życiowych?

RVM9BKOX3FAR3

Fotografia przedstawia kobietę i mężczyznę stojących w lesie, przy przyczepie auta pełniącego funkcję biurka. Ubrani są w szare koszule, mężczyzna ma na głowie czapkę z daszkiem. Oboje mają na dłoniach gumowe, jasnoniebieskie rękawiczki ochronne. Mężczyzna lewą ręką przytrzymuje szopa pracza, leżącego na przyczepie. Kobieta trzyma czerwony długopis i spogląda na kartkę, przypiętą do grubej sterty dokumentów. W tle widoczne są brązowe pnie drze i opadłe, pożółkłe liście.

Główne dyscypliny biologii z uwzględnieniem grupy badanych organizmów lub problemów badawczych

Biologia jest szybko rozwijającą się dziedziną wiedzy przyrodniczej i obejmuje wiele dyscyplin.

Biolodzy poznają świat przez obserwacje i eksperyment

Naukowcy nie ograniczają się do pracy w laboratorium, prowadzą także badania organizmów w ich naturalnym środowisku – we wszystkich zakątkach Ziemi. Poszukując odpowiedzi na zadawane pytania, biolog wykorzystuje najczęściej obserwację i eksperyment (doświadczenie).

• Obserwacja to celowe gromadzenie informacji o organizmach i zjawiskach. Prowadząc obserwację nie ingeruje się w jej przebieg, nie powoduje zmian w badanym obiekcie i procesie. Obserwacja może być prowadzona w warunkach naturalnych lub laboratoryjnych, może stanowić wstęp do innych badań biologicznych lub być częścią eksperymentu.
  Przykłady: obserwacja zachowań godowych ptaków w ich naturalnym otoczeniu, obserwacja stada saren pasących się na łące, obserwacja mikroskopowa tkanek roślinnych.

• Eksperyment( doświadczenie) polega na prowadzeniu badania w ściśle określonych i kontrolowanych warunkach, możliwych do wielokrotnego powtarzania. Podczas eksperymentu celowo zmienia się jeden lub kilka czynników wpływających na organizm lub przebieg zjawiska. Dzięki niemu poznaje się i wyjaśnia mechanizmy leżące u podstaw procesów biologicznych.
  Przykłady: badanie wpływu światła na wzrost i rozwój pszenicy, badanie wpływu temperatury na intensywność fotosyntezy u moczarki kanadyjskiej.

Etapy eksperymentu( doświadczenia) biologicznego

W naukach przyrodniczych powszechnie stosuje się metodę naukową, której podstawą jest:

• sformułowanie problemu badawczego,

• postawienie hipotezy,

• weryfikacja hipotezy (zaplanowanie i przeprowadzenia badania oraz analiza wyników),

• sformułowanie wniosku.

Problem badawczy – powinien spełniać następujące kryteria:

• jest sformułowany jasno i precyzyjnie w formie zdania twierdzącego lub pytającego,

• zawiera jednoznaczną nazwę badanego taksonu lub jednoznaczną nazwę obiektu/ów badań,

• ,jeśli jest taka możliwość to określa zmienną niezależną,

• określa parametr mierzony, czyli zmienną zależną lub cechę obserwowaną w badaniu,

• nie odnosi się do kierunku spodziewanych zmian zmiennej zależnej - nie wskazuje, czy wynik będzie związany np. z hamowaniem lub pobudzaniem wzrostu.

R15OJV897KETH

Grafika przedstawia analizę przykładowego pytania badawczego: „Wpływ rodzaju gleby na wzrost siewek grochu.” Część „Wpływ” oznaczona jest czarną strzałką i podpisem: „nie odnosi się do kierunku spodziewanych zmian zmiennej zależnej.” „Rodzaju gleby” zaznaczone jest kolorem niebieskim i oznaczone jako „określa zmienną niezależną.” „Na wzrost” (kolor zielony) wskazuje „zmienną zależną.” „Siewek grochu” (kolor czerwony) opisane jest jako „jednoznacznie określony obiekt badania.”

Zmienna niezależna – czynnik, który badacz zmienia w doświadczeniu, np. stężenie, temperatura; na wykresie umieszczana na osi X.

Zmienna zależna – czynnik, którego wartość zmienia się pod wpływem zmiennej niezależnej, np. liczba przeżywających osobników, masa ciała, intensywność oddychania; na wykresie umieszczana jest na osi Y.

Hipoteza naukowa:

• jest zdaniem twierdzącym, zwykle zawiera informację o związku lub jego braku między zmienną niezależną i zależną,

• jest precyzyjnie sformułowana i spójna wewnętrznie,

• jest testowalna (czyli istnieje metoda i kryteria, które można zastosować celem sprawdzenia hipotezy),

• może być użyta do formułowania przewidywań.

RAX858KL8BVQT

Grafika przedstawia analizę hipotezy badawczej: „Rodzaj gleby wpływa na wzrost siewek grochu”. Zdanie to zostało podzielone na elementy odpowiadające podstawowym składnikom pytania badawczego w biologii. „Rodzaj gleby” to zmienna niezależna – czynnik, który badacz celowo zmienia, aby sprawdzić jego wpływ na inne właściwości. Sformułowanie „wpływa” odnosi się do kierunku spodziewanych zmian zmiennej zależnej, sugerując istnienie zależności przyczynowo‑skutkowej. „Na wzrost” to zmienna zależna – cecha, którą się mierzy i która może ulegać zmianie pod wpływem badanego czynnika. „Siewek grochu” to obiekt badania – organizmy, na których przeprowadzany jest eksperyment. Całość służy zrozumieniu, jak konstruować hipotezę i jak rozróżniać elementy doświadczenia biologicznego: zmienną niezależną, zależną, kierunek wpływu i obiekt badania.

Weryfikacja hipotezy

Weryfikacja hipotezy polega na sprawdzeniu jej prawdziwości przy planowanego eksperymentu.

Pierwszym etapem weryfikacji hipotezy jest wybór obiektu oraz sposobu wykonania badania. W eksperymencie należy zawsze wyodrębnić próbę badawczą, jak i kontrolną.

Eksperyment musi być prowadzony kilkukrotnie, w tych samych warunkach i na możliwie jak największej liczbie obiektów. Zarówno jego przebieg  jak i wyniki muszą być starannie zapisywane, tak aby na ich podstawie możliwe było powtórzenie badania i odniesienie się do otrzymanych rezultatów.

Ostatnim etapem weryfikacji hipotezy jest analiza i opracowanie wyników. Jeśli w badaniu uzyskano dane liczbowedane liczbowedane liczbowe (np. długość łodygi) trzeba przeprowadzić ich analizę statystyczną, która pomaga sprawdzić, czy wyniki są istotne i czy potwierdzają postawioną hipotezę. W przypadku uzyskania danych jakościowychdane jakościowedanych jakościowych (np. zmiana barwy liści) hipotezę weryfikuje się poprzez analizę i porównanie obserwowanych cech między próbą badawczą a kontrolną, zwracając uwagę na obecność lub brak zmian wywołanych działaniem badanego czynnika.

Sformułowanie wniosku

Otrzymane w eksperymencie wyniki są podstawą do sformułowania wniosku. Wniosek ostatecznie potwierdza lub obala postawioną hipotezę.

Wyniki i wnioski z przeprowadzonego badania są publikowane przez naukowców w czasopismach naukowych i prezentowane na sympozjach naukowych stając się podstawą do stawiania kolejnych pytań i hipotez, co napędza rozwój wiedzy.

Przykładowy eksperyment biologiczny

Przeprowadź doświadczenie w Laboratorium 1 zgodnie z podaną instrukcją.

1

Laboratorium 1

Przeprowadź doświadczenie w laboratorium biologicznym w celu zbadania zawartości procentowej wody w różnych materiałach biologicznych. Rozwiąż problem badawczy i zweryfikuj hipotezę. W formularzu zapisz swoje wyniki, a następnie sformułuj wniosek.

Temat: Zawartość procentowa wody w różnych materiałach biologicznych

Problem badawczy: Jaka jest zawartość procentowa wody w różnych materiałach biologicznych?

Hipoteza: Różne tkanki i organy mają inną zawartość procentową wody (wilgotność).

Materiał biologiczny:

• mała pieczarka (oczekiwana wilgotność: ok. 80%);

• kilka liści dowolnej rośliny (oczekiwana wilgotność: ok. 75%);

• połowa marchewki lub pietruszki (oczekiwana wilgotność: ok. 80%);

• połowa pomidora (oczekiwana wilgotność: ok. 90%);

• kawałek świeżego mięsa (oczekiwana wilgotność: ok. 70%).

Sprzęt laboratoryjny:

RN6XBA4582SGS

Ilustracja interaktywna 1. Wagosuszarka - czarna skrzynka, otwierana od góry gdzie można włożyć probówki. Z przodu ma niebieski wyświetlacz, po lewej dwa przyciski: start i tara., 2. Pęseta - szara, podłużna, lekko zagięta z jednej strony. , 3. Szalki Petriego - 5 płaskich, okrągłych, przypominających talerzyk.

Ilustracja interaktywna 1. Wagosuszarka - czarna skrzynka, otwierana od góry gdzie można włożyć probówki. Z przodu ma niebieski wyświetlacz, po lewej dwa przyciski: start i tara., 2. Pęseta - szara, podłużna, lekko zagięta z jednej strony. , 3. Szalki Petriego - 5 płaskich, okrągłych, przypominających talerzyk.

Instrukcja:

1. Przygotuj próbki biologiczne: małą pieczarkę, kawałek liścia dowolnej rośliny, plasterek marchewki/pietruszki, plasterek pomidora, kawałek mięsa.

2. Włącz i wytaruj wagosuszarkę.

3. Umieść pierwszą próbkę biologiczną w wagosuszarce. Zanotuj wagę.

4. Rozpocznij suszenie próbki.

5. Po skończeniu suszenia zanotuj wynik: masę próbki przed wysuszeniem i po jej wysuszeniu.

6. Powtórz punkty od 2 do 5 dla pozostałych próbek biologicznych.

7. Dokonaj obliczenia wilgotności procentowej próbki. Porównaj obliczone wyniki z tymi, które zostały wyświetlone na ekranie wagosuszarki.

Pomiary wykonaj tak samo dla wszystkich próbek, a wyniki wpisz w odpowiednie miejsca aplikacji (tabela). Wilgotność procentową badanego materiału oblicz wg podanego niżej wzoru.

R12VQHJ291G5Z

Symulacja przedstawia procentową zawartość wody w podanych próbkach. Pieczarka świeża 1 g, sucha 0,2 g; pomidor świeży 6 g, suchy 0,6 g; marchew świeża 1 g, sucha 0,2 g; liść świeży 0,2 g, suchy 0,05 g; mięso świeże 1,5 g, suche 0,45 g.

Symulacja przedstawia procentową zawartość wody w podanych próbkach. Pieczarka świeża 1 g, sucha 0,2 g; pomidor świeży 6 g, suchy 0,6 g; marchew świeża 1 g, sucha 0,2 g; liść świeży 0,2 g, suchy 0,05 g; mięso świeże 1,5 g, suche 0,45 g.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D2AGLBR7U

Szczegóły doświadczenia 1greenwhite

Szczegóły doświadczenia 1

Wagosuszarka jest urządzeniem służącym do precyzyjnego i szybkiego wyznaczania wilgotności materiału metodą termograwimetryczną.

Szczegóły doświadczenia 2bluewhite

Szczegóły doświadczenia 2

Metoda termograwimetryczna polega na pomiarze ubytku masy próbki spowodowanego przez ogrzewanie substancji. Próbka ważona jest przed i po ogrzewaniu.

Szczegóły doświadczenia 3redwhite

Szczegóły doświadczenia 3

Wilgotność procentowa – zawartość wody w próbce, mierzona przy pomocy różnicy wagi materiału świeżego i suchego ze wzoru:

$X=\frac{m_1-m_2}{m_1}\cdot 100\left[\%\right]$

gdzie:

X – wilgotność całkowita [%]

mIndeks dolny 1₁ – masa próbki [g]

mIndeks dolny 2₂ – masa próbki po wysuszeniu [g]

R14N131BV1D6O

RA91Q6AC28QQ2

Wybierz jedno nowe słowo poznane podczas dzisiejszej lekcji i ułóż z nim zdanie.

Wybierz jedno nowe słowo poznane podczas dzisiejszej lekcji i ułóż z nim zdanie.

R14DR5O2MGULM

Analiza doświadczenia: Zawartość procentowa wody w różnych materiałach biologicznych. Problem badawczy: Jaka jest zawartość procentowa wody w różnym materiale biologicznym?. Hipoteza: Różne tkanki i organy mają inną wilgotność procentową. Obserwacje: (Uzupełnij). Wyniki: (Uzupełnij). Wnioski: (Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Obserwacje:

Przyjrzyj się różnicom masy próbki przed suszeniem i po suszeniu. Z czego one wynikają?

Wnioski:

Czy hipoteza jest prawdziwa czy fałszywa?

Pokaż odpowiedź

Obserwacje:

Masa próbek przed suszeniem jest wyższa niż po suszeniu.

Wnioski:

Różnica masy przed suszeniem i po suszeniu wynika z odparowania wody z próbek. Doświadczenie potwierdza hipotezę – różne tkanki i organy mają inną zawartość procentową wody (wilgotność).

Laboratorium 1

Przeprowadzono doświadczenie w laboratorium biologicznym w celu zbadania zawartości procentowej wody w różnych materiałach biologicznych.

Temat: Zawartość procentowa wody w różnych materiałach biologicznych.

Problem badawczy: Jaka jest zawartość procentowa wody w różnych materiałach biologicznych?

Hipoteza: Różne tkanki i organy mają inną zawartość procentową wody (wilgotność).

Materiał biologiczny: mała pieczarka (oczekiwana wilgotność: ok. 80%); kilka liści dowolnej rośliny (oczekiwana wilgotność: ok. 75%); połowa marchewki lub pietruszki (oczekiwana wilgotność: ok. 80%); połowa pomidora (oczekiwana wilgotność: ok. 90%); kawałek świeżego mięsa (oczekiwana wilgotność: ok. 70%).

Sprzęt laboratoryjny: wagosuszarka, pęseta, szalki Petriego.

Instrukcja:

1. Przygotowano próbki biologiczne: małą pieczarkę, kawałek liścia dowolnej rośliny, plasterek marchewki/pietruszki, plasterek pomidora, kawałek mięsa.

2. Włączono i wytarowano wagosuszarkę.

3. Umieszczono pierwszą próbkę biologiczną w wagosuszarce. Zanotowano wagę.

4. Rozpoczęto suszenie próbki.

5. Po skończeniu suszenia zanotowano wynik: masę próbki przed wysuszeniem i po jej wysuszeniu.

6. Powtórzono punkty od 2 do 5 dla pozostałych próbek biologicznych.

7. Dokonano obliczenia wilgotności procentowej próbki. Porównano obliczone wyniki z tymi, które zostały wyświetlone na ekranie wagosuszarki.

Pomiary wykonano tak samo dla wszystkich próbek, a wyniki wpisano w odpowiednie miejsca aplikacji (tabela). Wilgotność procentową badanego materiału obliczono według podanego wzoru.

Szczegóły doświadczenia 1

Wagosuszarka jest urządzeniem służącym do precyzyjnego i szybkiego wyznaczania wilgotności materiału metodą termograwimetryczną.

Szczegóły doświadczenia 2

Metoda termograwimetryczna polega na pomiarze ubytku masy próbki spowodowanego przez ogrzewanie substancji. Próbka ważona jest przed i po ogrzewaniu.

Szczegóły doświadczenia 3

Wilgotność procentowa – zawartość wody w próbce, mierzona przy pomocy różnicy wagi materiału świeżego i suchego ze wzoru:

$X=\frac{m_1-m_2}{m_1}\cdot 100\left[\%\right]$

gdzie:

X – wilgotność całkowita [%]

mIndeks dolny 1₁ – masa próbki [g]

mIndeks dolny 2₂ – masa próbki po wysuszeniu [g]

Symulacja przedstawia procentową zawartość wody w podanych próbkach. Pieczarka świeża 1 g, sucha 0,2 g; pomidor świeży 6 g, suchy 0,6 g; marchew świeża 1 g, sucha 0,2 g; liść świeży 0,2 g, suchy 0,05 g; mięso świeże 1,5 g, suche 0,45 g.

RA91Q6AC28QQ2

Ćwiczenie 1

Wybierz jedno nowe słowo poznane podczas dzisiejszej lekcji i ułóż z nim zdanie.

Wybierz jedno nowe słowo poznane podczas dzisiejszej lekcji i ułóż z nim zdanie.

Obserwacje:

Masa próbek przed suszeniem jest wyższa niż po suszeniu.

Wnioski:

Różnica masy przed suszeniem i po suszeniu wynika z odparowania wody z próbek. Doświadczenie potwierdza hipotezę – różne tkanki i organy mają inną zawartość procentową wody (wilgotność).

Etapy obserwacji biologicznej

Etapy obserwacji biologicznej są zbliżone do etapów eksperymentu naukowego, jednak w obserwacji nie zawsze ma się na początku w pełni sformułowaną hipotezę naukową, którą zamierza się weryfikować.  Wynika to z faktu, że obserwacja jest często pierwszym krokiem w procesie badawczym, a jej wyniki służą przede wszystkim do formułowania hipotez testowanych później w eksperymencie.

Dodatkowo, ponieważ obserwacja jest bierną metodą badawczą, a badacz nie ingeruje w badane zjawisko nie ma w niej zmiennej zależnej i niezależnej.

Główne etapy obserwacji biologicznej to:

• sformułowanie problemu badawczego,

• zaplanowanie i przeprowadzenie obserwacji (wybór obiektu, metody obserwacji, sposobu rejestrowania wyników),

• analiza wyników,

• sformułowanie wniosków.

Przykładowa obserwacja biologiczna

Przeprowadź obserwację według instrukcji w Laboratorium 2.

Obserwacja 1

Problem badawczy: Jakiego są kształtu i jak są ułożone komórki skórki liścia cebuli?

Co będzie potrzebne

• skórka liścia spichrzowego cebuli

• szkiełka mikroskopowe: podstawowe i nakrywkowe

• mikroskop

• zakraplacz

• woda

• nóż

• igła preparacyjna

• plastelina (modelina).

Instrukcja

1. Podziel cebulę na łuski. Z wewnętrznej strony łuski zdejmij igłą fragment skórki, która wygląda jak półprzezroczysta folia. Umieść skórkę w kropli wody na szkiełku podstawowym.

2. Przygotowany preparat przykryj szkiełkiem nakrywkowym tak, żeby nie było pod nim pęcherzyków powietrza.

3. Obserwuj skórkę pod małym powiększeniem. Zwróć uwagę na kształt i sposób ułożenia komórek.

4. Wykonaj schematyczny rysunek kilku sąsiadujących ze sobą komórek.

5. Wykonaj z plasteliny modele komórek. Pamiętaj, że są one bryłami. Zrób z kilku plastelinowych komórek model skórki.

RKJSTSLRMM7EM

Film przedstawia etapy wykonania preparatu mikroskopowego oraz obserwację mikroskopową komórek skórki liścia cebuli.

Film przedstawia etapy wykonania preparatu mikroskopowego oraz obserwację mikroskopową komórek skórki liścia cebuli.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RKJSTSLRMM7EM

Film przedstawia etapy wykonania preparatu mikroskopowego oraz obserwację mikroskopową komórek skórki liścia cebuli.

Obserwacja

R19JGUAJOR4S8

Miejsce na rysunek schematyczny

Miejsce na rysunek schematyczny

R1NEFJSVE2SV9

Wyniki: (Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzibluzewhite

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Podpowiedźbluewhite

Podpowiedź

Przestrzenny kształt komórek można zaobserwować przez mikroskop, nastawiając ostrość na przemian na górną i dolną ścianę komórkową.

Wyniki: Opisz kształt komórek. Jaką figurę geometryczną przypominają?

Odpowiedźbluewhite

Odpowiedź

Wyniki: Komórki skórki liścia cebuli są wydłużone, o kształcie wielokąta. Ściśle do siebie przylegają.

Wnioski: Komórki skórki liścia cebuli mają regularny kształt, są wydłużone, o kształcie wielokąta, i przylegają do siebie.

Laboratorium 2

Problem badawczy: Jakiego są kształtu i jak są ułożone komórki skórki liścia cebuli?

Co będzie potrzebne

• skórka liścia spichrzowego cebuli

• szkiełka mikroskopowe: podstawowe i nakrywkowe

• mikroskop

• zakraplacz

• woda

• nóż

• igła preparacyjna

• plastelina (modelina).

Instrukcja

1. Podziel cebulę na łuski. Z wewnętrznej strony łuski zdejmij igłą fragment skórki, która wygląda jak półprzezroczysta folia. Umieść skórkę w kropli wody na szkiełku podstawowym.

2. Przygotowany preparat przykryj szkiełkiem nakrywkowym tak, żeby nie było pod nim pęcherzyków powietrza.

3. Obserwuj skórkę pod małym powiększeniem. Zwróć uwagę na kształt i sposób ułożenia komórek.

4. Wykonaj opis kilku sąsiadujących ze sobą komórek.

5. Wykonaj z plasteliny modele komórek. Pamiętaj, że są one bryłami. Zrób z kilku plastelinowych komórek model skórki.

R1NEFJSVE2SV9

Wyniki: (Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzibluzewhite

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Podpowiedźbluewhite

Podpowiedź

Przestrzenny kształt komórek można zaobserwować przez mikroskop, nastawiając ostrość na przemian na górną i dolną ścianę komórkową.

Wyniki: Opisz kształt komórek. Jaką figurę geometryczną przypominają?

Odpowiedźbluewhite

Odpowiedź

Wyniki: Komórki skórki liścia cebuli są wydłużone, o kształcie wielokąta. Ściśle do siebie przylegają.

Wnioski: Komórki skórki liścia cebuli mają regularny kształt, są wydłużone, o kształcie wielokąta, i przylegają do siebie.

Porównanie obserwacji i doświadczenia biologicznego

Podsumowanie

• Biologia jest nauką badającą organizmy żyjące na Ziemi.

• Biolog posługuje się obserwacją i eksperymentem (doświadczeniem).

• Eksperyment biologiczny( doświadczenie) prowadzony jest według podobnego schematu obejmującego: sformułowanie problemu badawczego, postawienie hipotezy, weryfikację hipotezy oraz sformułowanie wniosku.

• Problem badawczy określa cel badania i może być sformułowany jako zdanie oznajmujące lub pytające.

• Hipoteza badawcza jest zdaniem oznajmującym, będącym możliwą odpowiedzią na problem badawczy.

• Weryfikacja hipotezy obejmuje wybór obiektu do badań oraz sposób przeprowadzenia badania.

• Próba badawcza to część obiektów lub organizmów, która została poddana działaniu czynnika badawczego.

• Próba kontrolna, to część obiektów lub organizmów, która nie została poddana działaniu czynnika badawczego.

• Eksperyment ( doświadczenie)musi być wykonany kilkukrotnie w tych samych warunkach i na jak największej liczbie obiektów.

• Przebieg eksperymentu( doświadczenia) oraz jego wyniki muszą być starannie zapisywane, tak aby inni badacze mogli go powtórzyć i odnieść się do otrzymanych rezultatów.

• Uzyskane w eksperymencie( doświadczeniu) wyniki po przeanalizowaniu i opracowaniu są podstawą do sformułowania wniosku i potwierdzenia lub odrzucenia hipotezy badawczej.

• Obserwacja biologiczna przebiega według podobnego planu co eksperyment, jednak nie zawsze musi zawierać hipotezę naukową. Jej główne etapy to: sformułowanie problemu badawczego, przeprowadzenie obserwacji, analiza wyników i sformułowanie wniosków.

Ćwiczenia utrwalające