Как ученые проводят эксперименты для проверки гипотез

Содержание

1. Введение
2. Как проверяют гипотезы
3. Контролируемый эксперимент: пример на проращивание Фасоли
4. Контрольные и экспериментальные группы в исследовании
5. Независимые и зависимые переменные в эксперименте
6. Вариабельность и повторяемость
7. Пример Контролируемого Эксперимента: Обесцвечивание Кораллов и Воздействие CO2
8. Неэкспериментальные проверки гипотез

Введение

Биологи и другие ученые применяют научный метод для исследования природы и поиска ответов на вопросы о ней. Научный метод начинается с акта наблюдения, который стимулирует ученых задавать вопросы. Впоследствии они формулируют гипотезу — предположение, которое может быть подвергнуто проверке и которое призвано ответить на заданный вопрос.

Важно отметить, что гипотеза не обязательно сразу является верной. Скорее, это предварительное предположение, которое требует проверки, чтобы удостовериться в его точности. Ученые осуществляют проверку гипотезы, создавая предсказания: если гипотеза истинна, то должны наблюдаться определенные явления. Затем проводятся эксперименты или проводится наблюдение, чтобы проверить, совпадают ли фактические результаты с предсказаниями. Если это так, то гипотеза подтверждается. В противном случае может возникнуть необходимость выдвинуть новую гипотезу.

Как проверяются гипотезы?

Для проверки гипотез ученые часто используют контролируемые эксперименты, когда это возможно. Контролируемый эксперимент представляет собой научное исследование, проводимое в строго контролируемых условиях. Это означает, что одновременно изменяется только один (или несколько) факторов, при этом все остальные остаются постоянными. В следующей секции мы подробно рассмотрим контролируемые эксперименты.

В некоторых случаях, по практическим или этическим причинам, ученым может быть затруднительно провести контролируемый эксперимент для проверки гипотезы. В таких ситуациях исследователь может попытаться проверить гипотезу, предсказывая закономерности, которые должны наблюдаться в природе, если гипотеза верна. Затем данные могут быть собраны для того, чтобы увидеть, действительно ли такие закономерности существуют.

Контролируемый эксперимент: пример на проращивание Фасоли

Давайте рассмотрим ключевые составляющие контролируемого эксперимента на примере простой ситуации. Допустим, для иллюстрации, что я решил попробовать вырастить ростки фасоли на подоконнике в моей кухне. Я сажаю семена фасоли в горшок с почвой, ставлю его на подоконник и жду проростка. Однако спустя несколько недель у меня так и не появилось ростков. Почему? Оказывается, я забыл поливать семена. Следовательно, моя гипотеза состоит в том, что отсутствие ростков связано с недостаточным поливом.

Чтобы проверить эту гипотезу, я провожу контролируемый эксперимент. У меня есть два одинаковых горшка, каждый с десятью семенами фасоли, высаженными в ту же самую почву, и оба стоят у одного и того же окна. Единственное различие между ними заключается в следующем:

1. Один горшок поливается каждый день.
2. Второй горшок с семенами вообще не поливается.

Через неделю девять из десяти семян в первом горшке проросли, тогда как ни одно из семян во втором горшке не проросло. Вероятно, моя гипотеза о том, что семенам нужна вода, подтвердилась!

Таким образом, этот простой пример иллюстрирует основные компоненты контролируемого эксперимента.

Контрольные и экспериментальные группы в исследовании

В ходе эксперимента участвуют две группы, которые в принципе идентичны, за исключением одной важной детали: одна из них получает лечение (в данном случае вода), в то время как другая не получает его. Группа, которая подвергается лечению, называется экспериментальной группой, в то время как группа, которая не получает лечения и служит для сравнения, называется контрольной группой. Контрольная группа предоставляет исходную точку для оценки того, как лечение воздействует на исследуемый параметр.

Всегда ли есть одна экспериментальная группа и одна контрольная группа?

Не обязательно. В большинстве случаев контролируемый эксперимент включает в себя контрольную группу, которая служит базовой точкой сравнения. Однако, в зависимости от конкретных исследовательских вопросов, может быть несколько экспериментальных групп, каждая из которых подвергается различным вариациям лечения.

Для примера, давайте представим, что у нас есть контрольная группа с семенами фасоли, которым не предоставляют воду. Помимо этого, мы можем иметь три экспериментальные группы: одна, которая получает воду каждый день, вторая, которая получает воду каждые два дня, и третья, которая получает воду раз в неделю. Это позволяет нам исследовать разные вариации воздействия воды на рост семян фасоли и сравнить результаты между этими группами.

Независимые и Зависимые переменные в Эксперименте

Фактор, который различается между контрольной и экспериментальной группами (в данном случае, количество воды), называется независимой переменной. Эта переменная считается независимой, потому что она не зависит от результатов эксперимента и контролируется экспериментатором.

С другой стороны, зависимая переменная в эксперименте представляет собой реакцию или измерение, сделанное для определения, как лечение влияет на исследуемый параметр. В данном случае зависимой переменной является процент проросших семян фасоли. Зависимая переменная (процент прорастания) зависит от независимой переменной (количество воды), а не наоборот.

Экспериментальные данные представляют собой наблюдения, сделанные в ходе эксперимента. В данном случае, наши собранные данные включают количество ростков фасоли в каждом горшке через неделю.

Вариабельность и Повторяемость

Из десяти засеянных семян фасоли проросло только девять. Но что случилось с десятым семенем? Возможно, это семя было мертвым, нездоровым или просто медленно прорастало. В особенности в биологии, где исследуются сложные организмы, часто существуют невидимые различия в материале, используемом в эксперименте (в данном случае, в семенах фасоли).

Из-за такой возможной вариабельности биологические эксперименты требуют больших выборок и, в идеале, повторения несколько раз. Размер выборки отражает количество отдельных объектов, подвергнутых испытаниям в эксперименте – в данном случае, 10 семян фасоли в каждой группе. Большее количество образцов и повторение эксперимента уменьшают вероятность сделать неверный вывод из-за случайных флуктуаций.

Биологи и другие ученые также прибегают к статистическим тестам, чтобы различить реальные различия от изменений, вызванных случайными вариациями, например, при сравнении экспериментальной и контрольной групп.

Пример Контролируемого Эксперимента: Обесцвечивание Кораллов и Воздействие CO2

Давайте рассмотрим более реалистичный пример контролируемого эксперимента, связанный с обесцвечиванием кораллов. Кораллы обычно содержат внутри себя микроскопические фотосинтезирующие организмы, и обесцвечивание происходит, когда эти организмы покидают коралл из-за стресса в окружающей среде.

Фотография показывает обесцвеченный коралл спереди и здоровый коралл сзади.

Многие исследования сосредоточены на температуре воды как на причине обесцвечивания, но группа австралийских исследователей предположила, что другие факторы, включая уровень CO2, могут играть роль в этом процессе.

Чтобы проверить эту гипотезу, можно провести следующий эксперимент:

1. Контрольная группа: В этой группе будут размещены кораллы в условиях нормального уровня CO2 в воде, которые считаются естественными.
2. Экспериментальная группа: В этой группе будут размещены кораллы в условиях повышенного уровня CO2 в воде, чтобы имитировать изменения, связанные с антропогенным выбросом CO2.

Независимая переменная: Уровень CO2 в воде (нормальный уровень vs. повышенный уровень).

Зависимая переменная: Процент кораллов, которые обесцвечиваются в каждой группе.

Прогнозированные результаты:

• В контрольной группе, где уровень CO2 остается нормальным, ожидается, что процент обесцвечивания будет минимальным.
• В экспериментальной группе, где уровень CO2 повышен, ожидается, что процент обесцвечивания будет выше.

Этот эксперимент позволит определить, влияет ли уровень CO2 на обесцвечивание кораллов и подтвердить или опровергнуть гипотезу исследователей.

Результаты исследования австралийских учёных

Группа австралийских исследователей провела эксперимент, используя фрагменты кораллов вида Acropora intermedia, собранные на Большом Барьерном рифе. Фрагменты были разделены на три группы и помещены в воду с разной температурой и уровнем кислотности.

Первая группа кораллов выращивалась в резервуарах с обычной морской водой, имеющей нейтральный уровень кислотности (pH около 8,2). Эта группа служила контрольной группой.

Вторая и третья группы кораллов были выращены в резервуарах с морской водой, имеющей разные уровни кислотности. Одна группа была выращена в воде со средней кислотностью (pH около 7,9), а другая - в воде с более высокой кислотностью (pH около 7,65). Эти две группы считались экспериментальными.

В данном эксперименте независимой переменной был уровень кислотности морской воды, а зависимой переменной - степень обесцвечивания кораллов. Каждый резервуар содержал 55 фрагментов кораллов, и эксперимент был повторен несколько раз.

Экспериментальная установка позволила исследователям проверить, как уровень кислотности влияет на обесцвечивание кораллов. Контрольная группа, выращенная в обычной морской воде, обесцвечивалась на примерно 10%. Экспериментальная группа 1, выращенная в воде средней кислотности, обесцвечивалась на примерно 20%, а группа 2, выращенная в более кислой воде, обесцвечивалась на примерно 40%.

Исследователи использовали статистические тесты, чтобы подтвердить, что уровень кислотности оказывает значительное влияние на обесцвечивание кораллов, и это влияние не может быть объяснено случайными изменениями.

Неэкспериментальные проверки гипотез

Существуют гипотезы, которые нельзя проверить с помощью контролируемых экспериментов, в силу этических или практических ограничений. Например, гипотезу о вирусной инфекции нельзя проверить, разделяя здоровых людей на две группы и заражая одну из них, так как это было бы небезопасно и неэтично. Точно так же эколог не может провести эксперимент, чтобы вызвать дождь в одной части континента, сохраняя другую часть сухой в качестве контроля.

В таких случаях биологи могут использовать неэкспериментальные методы для проверки гипотез. При неэкспериментальной проверке гипотезы исследователь делает предположения о наблюдениях или закономерностях, которые должны проявиться в природе, если гипотеза верна. Затем они собирают и анализируют данные, чтобы определить, действительно ли такие закономерности существуют.

Пример из практики: обесцвечивание кораллов и температура

Глобальная температура поверхности моря

Отличным примером проверки гипотезы на основе наблюдений является исследование обесцвечивания кораллов. В данном случае обесцвечивание означает потерю фотосинтезирующих микроорганизмов, обитающих внутри кораллов, что делает их белыми. В начале исследования была предположена гипотеза о том, что повышенная температура воды может вызвать обесцвечивание, и она была проверена экспериментально на небольшом количестве кораллов в специальных резервуарах.

Однако, распространить результаты на множество видов кораллов в их естественной среде обитания, было бы невозможно или неэтично экспериментально изменить температуру воды в море. Вместо этого исследователи создали компьютерную программу, которая предсказывала события обесцвечивания на основе данных о температуре воды в реальном времени. Например, программа предсказывала обесцвечивание, если температура воды превышала среднемесячный максимум на определенное количество градусов.

Эта модель позволила предсказать множество событий обесцвечивания за несколько недель или даже месяцев до их фактического происхождения, включая крупное событие обесцвечивания на Большом Барьерном рифе в 1998 году. Этот пример показывает, как неэкспериментальные методы могут подтвердить гипотезу, когда экспериментальное тестирование невозможно из-за практических или этических ограничений.