Негізгі бет

Course: Биология > Unit 1

Lesson 2: Биология ғылымы

Бақыланатын эксперименттер

Гипотезаларды тексеру үшін ғалымдар эксперименттер мен бақылауларды қалай жүргізеді?

Кіріспе

Бізді қоршаған орта туралы сұрақтарға жауап алу үшін биологтар және басқа да ғалымдар ғылыми әдісті қолданады. Ғылыми әдіс бақылаудан басталады, нәтижесінде ғалымды қызықтыратын сұрақтар пайда болады. Содан соң ғалым гипотеза құрады, оны тексеру арқылы қойылған сұраққа жауап алуға болады.

Құрылған гипотеза үнемі дұрыс бола бермейді. Оны "ең сәйкес келетін болжам" деп қарастырған жөн, ал ғалым гипотезаның дұрыстығына көз жеткізу үшін оны сынауы керек. Ғалымдар гипотезаны болжам жасау арқылы сынайды: егер

X

гипотезасы дұрыс болса, ендеше

Y

ақиқат болуы керек. Одан кейін олар эксперимент жасау немесе бақылау арқылы болжамның дұрыстығын тексереді. Егер дұрыс болса, гипотеза расталады. Бұрыс болса, жаңа гипотеза құрылады.

Гипотеза қалай тексеріледі?

Ғалымдар өздерінің гипотезаларын мүмкіндігінше бақыланатын эксперименттер арқылы тексереді. Бақыланатын эксперимент дегеніміз бақыланатын жағдайларда жасалатын ғылыми тәжірибе, демек бір тәжірибеде тек бір (немесе бірнеше) фактор өзгертіліп отырады, ал қалғандары тұрақты болып қала береді. Бақыланатын эксперименттерді келесі бөлімде толық қамтитын боламыз.

Кейбір жағдайларда гипотезаны бақыланатын эксперимент арқылы тексеру (практикалық не этикалық себептерге байланысты) мүмкін болмайды. Сондай жағдайда ғалым гипотеза дұрыс болғандағы қоршаған ортада орын алатын заңдылықтар жайлы болжам жасап гипотезаны сынай алады. Одан кейін деректерді жинау арқылы ондай заңдылықтардың бар-жоғын тексере алады.

Бақыланатын эксперименттер

Бақыланатын эксперименттің негізгі бөліктері қандай? Оны көрсету үшін қарапайым мысалды қарастырып көрейік.

Мен ас үйімде, терезенің жанында үрмебұршақ өскіндерін өсіруді шештім делік. Мен үрмебұршақ тұқымын құмырадағы топыраққа егіп, оны терезенің алдына қойып, өсіп шыққанын күтемін. Алайда өркендер бірнеше аптадан кейін де шықпайды. Неге жоқ? Себебі мен тұқымдарды суаруды ұмытып кеттім. Сонымен мен олар судың жетіспеуінен өніп шықпады деген болжам жасадым.

Гипотезамды тексеру үшін мен бақыланатын эксперимент жасаймын. Бұл экспериментте мен екі бірдей құмыраны алдым. Екеуінде де бірдей топырақта отырғызылған он үрмебұршақ тұқымы бар және екеуі де бір терезе алдына орналастырылған. Шын мәнінде екі құмыраны бір-бірінен ерекшелейтін бір ғана нәрсе бар:

Күн сайын түстен кейін бір құмыраға су құйылады.
Екінші құмыраға мүлдем су құйылмайды.

Бір аптадан кейін суарылған құмырадағы он тұқымның тоғызы өніп шықты, ал құрғақ құмырадағы тұқымның ешқайсысы көктемеді. «Тұқымға су керек» деген болжам шамасы дұрыс шығар!

Осы қарапайым мысал арқылы бақыланатын эксперименттің бөліктерін қарастырайық.

Бақылау және эксперименттік топтар

Экспериментте екі топ бар және олар бірдей, тек біреуі өңделеді (суарылады), ал екіншісі өңделмейді. Тәжірибеде өңделетін топты (мұнда суарылатын құмыра) эксперименттік топ деп атайды, ал өңделмейтін топты (мұнда құрғақ құмыра) бақылау тобы деп атайды. Бақылау тобы өңдеудің әсер еткенін білуге мүмкіндік беретін бастапқы негіз ретінде қарастырылады.

Міндетті емес. Әдетте бақыланатын экспериментте әрдайым негіз ретінде бақылау тобы болуы керек. Дегенмен әрқайсысының өңдеуі сәл өзгеше бірнеше эксперименттік топтар болуы мүмкін.

Мысалы, бізде үрмебұршақ тұқымдарының суарылмаған бақылау тобы, сонымен қатар үш эксперименттік топтары болуы мүмкін: біреуі күн сайын, біреуі екі күнде бір рет суарылады, ал біреуі аптасына бір рет суарылады.

Тәуелсіз және тәуелді айнымалылар

Бақылау және эксперименттік топтар арасындағы ерекшеленетін фактор (бұл жағдайда су мөлшері) тәуелсіз айнымалы болып табылады. Бұл айнымалы тәуелсіз, өйткені ол тәжірибеде болатын жағдайға тәуелді емес. Керісінше бұл сарапшы өзі қолданатын немесе өзі таңдайтын нәрсе.

Тәуелсіз айнымалы

Эксперименттік нәтижелер бір тәуелсіз айнымалы болған кезде (бір экспериментте тек бір фактор өзгергенде) түсіндіруге және талдауға әлдеқайда оңайырақ. Жалпы ереже ретінде, әсіресе биологияны енді зерттей бастағанда, сіз әр экспериментте өзіңізді бір тәуелсіз айнымалымен шектегеніңіз жөн.

Зертханада жұмыс жасау тәжірибеңіз көбейіп, статистикалық мәліметтерді талдап үйренгеннен кейін, бірден екі тәуелсіз айнымалылармен сынақ жасағыңыз келуі мүмкін. Мысалы, сіз су мен жарық деңгейінің бұршақ тұқымының өнуіне әсерін зерттей аласыз. Екі тәуелсіз айнымалылары бар жақсы ойластырылған эксперимент айнымалылардың өзара әрекеттесуін (бір-бірінің әсерін өзгерте алатындығын) көрсете алады. Алайда, бірнеше тәуелсіз айнымалылармен жүргізілетін эксперименттер арнайы жобалау нұсқауларын басшылыққа алуы керек, ал нәтижелерді екі айнымалының әсерін ажырату үшін арнайы статистикалық тесттер класын қолдану арқылы талдау қажет.

Тәуелді айнымалы

Бірнеше тәуелді айнымалының болуы қиындық туғызбайды. Тәуелді айнымалыны қосу үшін сіз бар болғаны зерттеуіңіздегі топтардың әрқайсысы үшін өлшегіңіз келетін басқа нәтижені таңдайсыз. Мысалы, әр құмырадан өсіп шыққан әр өсімдіктегі бұршақ тұқымдарының үлесін жазудан басқа, өскіндердің биіктігін өлшеуге болады. Бұл жағдайда өсіп шыққан тұқымдардың үлесі де, өсінділердің биіктігі де тәуелді айнымалылар болады.

Ал эксперименттегі тәуелді айнымалы дегеніміз - бұл өңдеудің әсер еткен-етпегенін анықтайтын жауап. Бұл жағдайда үрмебұршақ тұқымдарының өсіп шыққан бөлігі тәуелді айнымалы болады. Тәуелді айнымалы (өсіп келе жатқан тұқымдардың үлесі) тәуелсіз айнымалыға (судың мөлшеріне) тәуелді болады, керісінше емес.

Эксперименттік мәліметтер (жекеше: мәлімет) - бұл тәжірибе кезінде жасалған бақылаулар. Бұл жағдайдағы біз жинаған эксперименттік мәліметтер - ол бір аптадан кейінгі әр құмырада өскен үрмебұршақ саны.

Өзгергіштік пен қайталаулар

Суарылған үрмебұршақтың он тұқымының ішінен тоғызы ғана өніп шықты. Оныншы тұқымға не болды? Бұл тұқым өлі, аурушаң немесе өсу қарқыны жай болуы мүмкін. Әсіресе биологияда (күрделі, тірі ағзаларды зерттейтін ғылымда) эксперимент үшін қолданылатын материалда - мұндағы сарапшы көре алмаған үрмебұршақ тұқымында - өзгерістер жиі кездеседі.

Осындай өзгерістердің кездесу мүмкіндігіне байланысты биологиялық эксперименттерде үлгілер саны көп болуы керек және, ең дұрысы, бірнеше рет қайталануы керек. Іріктеме мөлшері экспериментте сыналған жеке бөліктердің санын білдіреді - бұл жағдайда бір топтағы

10

үрмебұршақ тұқымы. Үлгілердің көп болуы және экспериментті бірнеше рет қайталау кездейсоқ өзгерістерге байланысты қате қорытындыға келу ықтималдығын азайтады.

Биологтар және басқа да ғалымдар кездейсоқ өзгерістерге байланысты айырмашылықтардан нақты айырмашылықтарды ажыратуға көмектесу үшін (мысалы, тәжірибелік және бақылау топтарын салыстыру кезінде) статистикалық тесттерді пайдаланады.

Бақыланатын эксперименттердің мысалы: ${CO}_{2}$ ‍ және маржанның түссізденуі

Бақыланатын эксперименттердің нақты мысалы ретінде жақында жүргізілген маржанның түссізденуі туралы зерттеуді қарастырайық. Әдетте маржандарда ұсақ фотосинтездеуші ағзалар өмір сүреді және қоршаған ортадағы күйзеліске байланысты олар маржандардан шығады. Бұл жағдай маржандардың түссізденуіне әкеледі. Төмендегі суреттің алдынғы жағында түссізденген маржан және артында сау маржан бейнеленген.

Түссізденудің себептері туралы көптеген зерттеулердің назары судың температурасына аударылған

^{1}

. Алайда австралиялық зерттеушілер тобы басқа факторлар да маңызды болуы мүмкін деген болжам жасады. Нақтырақ айтқанда, олар мұхит суларын қышқылды ететін жоғары

{CO}_{2}

деңгейлері

^{2}

түссізденуге ықпал етуі мүмкін деген болжамды тексерді.

Бұл болжамды тексеру үшін сіз қандай эксперимент жасар едіңіз? Ойланып көріңіз:

Сіздің бақылау және эксперименттік топтарыңыз қандай болар еді?
- Тәуелсіз және тәуелді айнымалылар қандай болар еді?
- Сіз әр топтан қандай нәтижелер күтер едіңіз?

Сіз байқап көрдіңіз бе?

Эксперименттік құрылым

Австралиялық команда үлкен тосқауыл рифінен маржанның белгілі бір түрінің (Acropora intermedia) көптеген бөліктерін жинады. Содан кейін бөліктерді үш топқа бөліп, оларды әр түрлі

pH

(қышқылдық деңгейі) бар суға салды. Сегіз аптадан кейін зерттеушілер олардың қаншалықты түссізденгенін көру үшін әр бөлікті зерттеді.

Кейбір маржандар қышқылдығы жоғары болмайтын ( $pH$ ‍ шамамен $8, 2$ ‍) кәдімгі теңіз суы құйылған цистерналарда өсірілді. Бұл цистерналардағы маржандар бақылау тобы ретінде қызмет етті.
Басқа маржандар ${CO}_{2}$ ‍ қосылғандықтан, әдеттегіден гөрі қышқыл теңіз суы бар цистерналарында өсірілді. Цистерналардың бір жиынтығы орташа қышқылдық деңгейінде болды ( $pH$ ‍ шамамен $7, 9$ ‍), ал басқа жиынтығы жоғары қышқылдық деңгейінде болды ( $pH$ ‍ шамамен $7, 65$ ‍). Орташа қышқылды және жоғары қышқылды топтардың екеуі де эксперименттік топтар болды.
Бұл экспериментте тәуелсіз айнымалы ол теңіз суының қышқылдығы ( $pH$ ‍) болды. Тәуелді айнымалы маржанның түссіздену дәрежесі болды.
Зерттеушілер іріктеме мөлшерін көбейтіп, өз эксперименттерін қайталады. Әр цистерналарда $5$ ‍ маржан бөліктері болды және әр топ үшін (бақылау, орташа қышқылды және жоғары қышқылды) $5$ ‍ бірдей цистерналар болды.
Судың қышқылдығының маржан түссізденуіне әсерін тексеруге арналған эксперименттік құрылым.
Бақылау тобы: Маржан бөліктері кәдімгі теңіз суының цистерналарына салынған (рН 8.2).
1-эксперименттік топ: Маржан бөліктері әлсіз қышқыл теңіз суы бар цистерналарына салынған (рН 7.9).
2-эксперименттік топ: Маржан бөліктері өте қышқыл теңіз суы бар цистерналарға салынған (рН 7.65).
Судың қышқылдығы - тәуелсіз айнымалы.
Зерттеушілер цистерналардың әрқайсысы үшін 8 апта өткенін күтті...
Бақылау тобы: Маржандардың орташа есеппен 10%-ы ғана түссізденді.
1-эксперименттік топ (қышқылдығы орташа): Маржандар орташа есеппен 20%-ға түссізденген.
2-эксперименттік топ (өте қышқыл): Маржандар орташа есеппен 40%-ға түссізденген.
Маржандардың түссіздену деңгейі - тәуелді айнымалы.

Ескерту: бұл цистерналарда ешқайсысы абсолюттік шкала бойынша "қышқыл" болған жоқ. Яғни, барлық

pH

мәндері

pH

7.0

-ге тең бейтарап мәннен жоғары болды. Алайда эксперименттік су қоймаларының екі тобы маржандар үшін олардың табиғи тіршілік ету ортасы - қарапайым теңіз суларымен салыстырғанда орташа және өте қышқыл болды.

Нәтижелерді талдау

Олардың нәтижелерін талдағанда, зерттеушілер орташа қышқылдығы бар судағы маржандар түсінің орташа есеппен

20 %

-ын жоғалтқанын анықтады, ал қышқылдығы жоғары суда орташа есеппен

40 %

түсін жоғалтты. Ал бақылау үлгілері түсінің

10 %

-ын ғана жоғалтты.

Бұл мысалда бақылау тобының болуы неге маңызды екендігі көрсетілген: бақылаудың арқасында зерттеушілер олардың үлгі ретінде алған маржандарының цистерналарда өскен кезде кәдімгі суда да аздап қана түссізденгенін, алайда қышқылдығы көп суда айтарлықтай түссізденгенін білді. Статистикалық тесттерді қолдана отырып, зерттеушілер қышқылдық деңгейінің түссізденуге едәуір әсер еткендігін анықтады (яғни эксперименттік цистерналардағы түссізденудің жоғарырақ деңгейі кездейсоқ өзгерістермен түсіндірілуі екіталай).

Эксперименттік емес гипотезаларды тексеру

Гипотезалардың кейбір түрлерін этикалық немесе практикалық себептермен бақыланатын эксперименттерде тексеру мүмкін емес. Мысалы, вирустық инфекция туралы гипотезаны сау адамдарды екі топқа бөліп, бір топқа жұқтыру арқылы тексеру мүмкін емес: дені сау адамдарға жұқтыру қауіпті әрі этикалық тұрғыдан дұрыс болмас еді. Сол сияқты, жауын-шашынның әсерін зерттейтін эколог континенттің бір бөлігінде жаңбыр жаудырып, ал басқа бөлігін бақылау ретінде құрғақ ете алмайды.

Осындай жағдайларда биологтар гипотезаны тексерудің тәжірибелік емес түрлерін қолдана алады. Гипотезаны тәжірибесіз тексеру кезінде зерттеуші гипотеза дұрыс болған жағдайда табиғатта байқалуы керек құбылыстарды немесе заңдылықтарды болжайды. Содан кейін деректерді жинап, талдап, болжаған нәтиженің шынымен бар-жоқтығы тексеріледі.

Тақырыптық зерттеу: Маржанның түссізденуі және температура

Бақылауға негізделген гипотезаны сынаудың жақсы мысалы маржан түссізденуінің алғашқы зерттеулерінен алынған. Жоғарыда айтылғандай, түссіздену - бұл маржандарда өмір сүретін фотосинтездеуші микроорганизмдерді жоғалтып, ақ түске айналуы. Зерттеушілер судың жоғары температурасы түссізденуді тудыруы мүмкін деп күдіктенді және олар бұл гипотезаны эксперименттік түрде кішірек көлемде (цистерналарда оқшауланған маржан бөліктерін қолдану арқылы) сынап көрді

^{3, 4}

Алайда экологтарды "су температурасы әртүрлі маржан түрлерінің табиғи жағдайда түссізденуін тудырды ма?" деген сұрақ мазалады. Бұл сұраққа эксперименттік түрде жауап беру мүмкін болмады, өйткені бүкіл маржан рифтерін қоршап тұрған судың температурасын жасанды түрде өзгерту этикалық тұрғыдан қолдау таппас еді (тіпті мүмкін де емес).

Сурет "Әлемдік теңіз бетінің температурасы," NASA дереккөзінен алынған.

Мұның орнына табиғи түссіздену құбылыстары су температурасының жоғарылауынан туындады деген гипотезаны тексеру үшін зерттеушілер тобы судың температурасы туралы нақты уақыттағы мәліметтер негізінде түссізденуді болжау үшін компьютерлік бағдарлама жазды. Мысалы, бұл бағдарлама риф аймағындағы су температурасы орташа айлық максимумнан

1

^{\circ} C

немесе одан жоғары

^{1}

көтерілген кезде белгілі бір рифтің түссізденуін болжай алады.

Компьютерлік бағдарлама 1998 жылдағы үлкен тосқауыл рифіндегі түссіздену сияқты көптеген оқиғаларды бірнеше апта, тіпті бірнеше ай бұрын болжай білді

^{1}

. Температураға негізделген модель түссіздену оқиғаларын болжай алатындығы судың жоғары температурасы табиғи түрде пайда болатын маржан рифтерін түссізденуге әкеледі деген гипотезаны растады.

Атрибуция:

Бұл мақала OpenStax College, "The science of biology," өзгертілген туындысы болып табылады ( CC BY 4.0). Мақаланың түпнұсқасын келесі сайттан тегін жүктей аласыз http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10.4.

Өзгертілген мақала CC BY-NC-SA 4.0 лицензиясымен лицензияланған.

Пайдаланылған әдебиеттер:

Hoegh-Guldberg, O. (1999). Climate change, coral bleaching, and the future of the world's coral reefs. Mar. Freshwater Res., 50, 839-866. www.reef.edu.au/climate/Hoegh-Guldberg%201999.pdf. сайтынан алынды.
Anthony, K. R. N., Kline, D. I., Diaz-Pulido, G., Dove, S., and Hoegh-Guldberg, O. (2008). Ocean acidification causes bleaching and productivity loss in coral reef builders. PNAS, 105(45), 17442-17446. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0804478105.
University of California Museum of Paleontology. (2016). Misconceptions about science. Understanding science-да. http://undsci.berkeley.edu/teaching/misconceptions.php сайтынан алынды.
Hoegh-Guldberg, O. and Smith, G. J. (1989). The effect of sudden changes in temperature, light and salinity on the density and export of zooxanthellae from the reef corals Stylophora pistillata (Esper, 1797) and Seriatopora hystrix (Dana, 1846). J. Exp. Mar. Biol. Ecol., 129, 279-303. http://www.reef.edu.au/ohg/res-pic/HG%20papers/HG%20and%20Smith%201989%20BLEACH.pdf сайтынан алынды.

Қосымша сілтемелер:

Coral bleaching. (2016, 28 ақпан). 2016 жылы 6 наурызда Уикипедиядан алынды: https://en.wikipedia.org/wiki/Coral_bleaching.

Hassler, M. (2014, 19 ақпан). The difference between independent and dependent variables. [Электронды журнал] Udemy blog-да. https://blog.udemy.com/difference-between-independent-and-dependent-variables/ сайтынан алынды.

Independent variable. (2004). LabWrite-да. https://www.ncsu.edu/labwrite/po/independentvar.htm сайтынан алынды.

Multiple independent variables. (2012, 29 желтоқсан). Psychology research methods: Core skills and concepts-да. http://2012books.lardbucket.org/books/psychology-research-methods-core-skills-and-concepts/s12-02-multiple-independent-variables.html сайтынан алынды.

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

National Ocean Service. (2015, 8 қазан). What is coral bleaching? Ocean facts-да. http://oceanservice.noaa.gov/facts/coral_bleach.html сайтынан алынды.

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

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). Sugar isomers have structural differences. Biology-де (10 шығарылым, AP шығарылым, 38 бет). Нью-Йорк: McGraw-Hill.

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

Талқылауға қосылғыңыз келе ме?

Кіру

Сұрыптау:

Әзірге посттар жоқ.

Ағылшынша түсінесің бе? Ағылшын тіліндегі Khan Academy сайтында қандай талқылау болып жатқанын білу үшін мына жерге бас.

Биология

Course: Биология > Unit 1

Кіріспе

Гипотеза қалай тексеріледі?

Бақыланатын эксперименттер

Бақылау және эксперименттік топтар

Тәуелсіз және тәуелді айнымалылар

Өзгергіштік пен қайталаулар

Бақыланатын эксперименттердің мысалы: CO2‍ және маржанның түссізденуі

Эксперименттік емес гипотезаларды тексеру

Тақырыптық зерттеу: Маржанның түссізденуі және температура

Талқылауға қосылғыңыз келе ме?

Бақыланатын эксперименттердің мысалы: ${CO}_{2}$ ‍ және маржанның түссізденуі