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?

R5pywkHd0hZO8

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 (doświadczenie)

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.

R1PXFEBJ18HH3

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.

R11T253AHE1QC

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 według instrukcji  w Laboratorium 1.

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 w Laboratorium 2.

Porównanie obserwacji i doświadczenia

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