Контролируемый эксперимент

Ученые используют научный метод, чтобы задавать вопросы и находить ответы о устройстве окружающего мира. Научный метод начинается с наблюдения, которое заставляет ученого задать вопрос. Затем он или она выдвигает гипотезу , проверяемое объяснение, которое отвечает на этот вопрос.

Гипотеза не обязательно является верным утверждением, это скорее «лучшая догадка», и ученый должен проверить ее, чтобы убедиться, что она действительно верна. Ученые проверяют гипотезы, делая прогнозы: если гипотеза X верна, тогда Y должно быть правдой. Затем они проводят эксперименты или проводят наблюдения, чтобы убедиться в правильности прогнозов. Если результат соответствует прогнозу, то гипотеза поддерживается. Если это не так, то возможно, пришло время для новой гипотезы.

Как проверяются гипотезы?

По возможности ученые проверяют свои гипотезы, используя контролируемые эксперименты. Контролируемым экспериментом называется научный тест, который проводится в контролируемых условиях, то есть когда мы контролируем все факторы влияющие на результат и изменяем один (или несколько) факторов в то время, как все остальные остаются постоянными. Мы внимательно рассмотрим примеры контролируемых экспериментов ниже.

В некоторых случаях не существует хорошего способа проверить гипотезу с помощью контролируемого эксперимента (по практическим или этическим причинам). Тогда ученый может проверить гипотезу, сделав предсказание о закономерностях, которые должны быть видны в природе, если гипотеза верна. Затем она или он может собирать данные, чтобы увидеть, действительно ли такая закономерность существует.

Контролируемые эксперименты

Каковы основные составляющие контролируемого эксперимента? Чтобы проиллюстрировать это, давайте рассмотрим простой (даже глупый) пример.

Предположим, я решил вырастить ростки фасоли на своей кухне возле окна. Я кладу семена фасоли в горшок с почвой, ставлю их на подоконник и жду, пока они прорастут. Однако через несколько недель у меня нет ростков. Почему нет? Ну ... оказывается, я забыл полить семена. Итак, мое предположение в том, что семена не прорастали из-за недостатка воды.

Чтобы проверить свою гипотезу, я провожу контролируемый эксперимент. В этом эксперименте я установил два одинаковых горшка, которые наполнил одинаковым типом почвы и в каждый из них посадил по десять семян бобов, а затем разместил оба горшка на одном и том же окне. И только одну вещь, я делал по-разному с этими двумя горшками: один горшок с семенами я поливал каждый день, а другой горшок с семенами вообще не получал воды.

Через неделю проросли девять из десяти семян в политом горшке, в то время как ни одно из семян в сухом горшке не выросло. Похоже, гипотеза «семена нуждаются в воде», вероятно, верна!

Давайте посмотрим, как этот простой пример иллюстрирует составляющие контролируемого эксперимента.

Контрольная и экспериментальная группы

В эксперименте есть две группы, и они идентичны, за исключением того, что одна получает лечение (вода), а другая - нет. Группа, которая получает лечение в эксперименте (здесь - политый горшок), называется экспериментальной группой , а группа, которая не получает лечение (здесь - сухой горшок), называется контрольной группой . Контрольная группа предоставляет базовую линию, которая позволяет нам увидеть, оказывает ли лечение эффект.

Всегда ли для эксперимента нужна одна контрольная и одна экспериментальная группа?

Не обязательно. В общем, контролируемый эксперимент всегда должен иметь контрольную группу в своём основании. Тем не менее, может быть несколько экспериментальных групп, на каждую из которых применяется немного другое воздействие.

Например, у нас может быть контрольная группа семян бобов, у которых нет воды, плюс три экспериментальные группы: одна, которая получает воду каждый день, одна, которая получает воду каждые два дня, и одна, которая получает воду один раз в неделю.

Независимые и зависимые переменные

Фактор, который отличается между контрольной и экспериментальной группами (в данном случае количество воды), принято называть независимой переменной. Эта переменная независима, потому что она не зависит от того, что происходит в эксперименте то есть количество воды не зависит от роста семян. Независимую переменную экспериментатор меняет или выбирает сам.

Напротив, зависимая переменная в эксперименте - это реакция, которая измеряется, чтобы увидеть, оказало ли воздействие эффект. В этом случае доля проросших семян бобов является зависимой переменной. Зависимая переменная (доля прорастающих семян) зависит от независимой переменной (количество воды), а не наоборот.

Экспериментальные данные являются наблюдениями, сделанными в ходе эксперимента. В этом случае мы собрали данные о количестве ростков бобов в каждом горшке через неделю.

Всегда ли существует одна независимая переменная и одна зависимая переменная?

Независимые переменные

Экспериментальные результаты гораздо проще интерпретировать и анализировать, когда существует только одна независимая переменная (один фактор изменяется за один раз). Как правило, особенно когда вы только начинаете изучать что-либо, лучше ограничить себя одной независимой переменной на эксперимент.

Если у вас есть большой опыт работы в лаборатории и некоторый опыт работы со статистикой, вы можете рассмотреть возможность проведения экспериментов с двумя независимыми переменными одновременно. Например, вы можете посмотреть, как уровень воды и света совместно влияют на прорастание семян бобов. Хорошо спроектированный эксперимент с двумя независимыми переменными может сказать вам, взаимодействуют ли между собой переменные (изменяют эффекты друг друга). Однако эксперименты с более чем одной независимой переменной должны следовать определенным рекомендациям по проектированию, и результаты должны быть проанализированы с использованием специального класса статистических тестов, чтобы распутать эффекты этих двух переменных.

Зависимые переменные

Наличие более чем одной зависимой переменной намного проще. Чтобы добавить зависимую переменную, вы просто выбираете дополнительный результат, который вы хотите измерить для каждой из групп в вашем эксперименте. Например, помимо подсчета доли проросших семян бобов в каждом горшке, мы также можем измерить высоту ростков. В этом случае как доля проросших семян, так и высота побегов будут зависимыми переменными.

Изменчивость и повторяемость

Из десяти поливаемых бобовых семян проросло только девять. Что случилось с десятым семенем? Это семя, возможно, было мертвым, нездоровым или просто медленно прорастало. Особенно в биологии (которая изучает сложные, живые существа), часто есть различия в материале, используемом для эксперимента - здесь, семена бобов - это то что экспериментатор не может контролировать полностью.

Из-за этого потенциала вариации биологические эксперименты как правило должны иметь большой размер выборки и в идеале повторяться несколько раз. Размером выборки называется количество отдельных объектов подвергающихся воздействию в эксперименте - в данном случае размер выборки- 10 семян бобов на каждую группу. Наличие большего количества образцов и повторение эксперимента уменьшает вероятность того, что мы придем к неправильному выводу из-за случайного отклонения.

Ученые также используют статистические тесты, отличить реальные результаты от случайных отклонений (например, мы могли случайно взять 10 испорченных семян и они не проросли).

Пример контролируемого эксперимента: CO2 (углекислый газ) и обесцвечивание кораллов

В качестве более реалистичного примера контролируемого эксперимента давайте рассмотрим недавнее исследование обесцвечивания кораллов. Обычно внутри кораллов живут крошечные фотосинтезирующие организмы которые и придают им цвет, когда же они покидают коралл происходит отбеливание, обычно это случается из-за негативных изменений окружающей среды. На фото ниже на переднем плане показан обесцвеченный коралл и здоровый коралл сзади.

Много исследований о причине отбеливания было сосредоточено на температуре воды [1]. Тем не менее, команда австралийских исследователей выдвинула гипотезу, что другие факторы также могут оказывать влияние. В частности, они проверили гипотезу, что повышенный уровень CO2, делает океанскую воды более кислотной, что может также способствовать обесцвечиванию[2].

Какой эксперимент вы бы сделали, чтобы проверить эту гипотезу?

Подумайте о том:

Какими будут ваши контрольные и экспериментальные группы? Какими будут ваши независимые и зависимые переменные и какие результаты вы прогнозируете в каждой группе?

А теперь сравним с тем, что сделали австралийские ученые:

Экспериментальная установка

Австралийская команда собрала много фрагментов определенного вида кораллов ( Acropora intermedia ) с Большого Барьерного рифа. Затем они разделили фрагменты на три группы, поместив каждую группу в контейнеры с водой с различными уровнем кислотности — pH. Через восемь недель исследователи проверили каждый фрагмент, чтобы измерить степень отбеливания.

• Одна часть кораллов выращивалась в резервуарах с обычной морской водой, которая была не очень кислая (pH около 8.28). Кораллы в этих резервуарах служили контрольной группой.
• Другие кораллы выращивались в резервуарах с морской водой, которые были более кислыми, чем обычно, из-за добавления CO2 Один комплект контейнеров был наполнен водой средней кислотности (pH около 7.9), в то время как другой набор был с высокой кислотностью (pH около 7.65). Группы со средней и высокой кислотностью были экспериментальными группами .
• В этом эксперименте независимой переменной была кислотность морской воды. Зависимой переменной была степень отбеливания кораллов.
• Исследователи использовали большой размер выборки и повторили свой эксперимент. Каждый резервуар содержал 5 фрагментов кораллов, и было 5 идентичных резервуаров для каждой группы (контроль, средняя кислотность и высокая кислотность).

Анализируя результаты

Проанализировав полученные результаты, исследователи обнаружили, что кораллы в воде средней кислотности потеряли около 20% цвета в среднем, в то время как те, которые находились в воде с более высокой кислотностью потеряли около 40% цвета в среднем. Контрольные образцы, напротив, потеряли чуть более 10%, процентов цвета.

Этот пример показывает, почему важно иметь контрольную группу: благодаря контролю исследователи знали, что кораллы немного отбелились даже в обычной воде, при выращивании в аквариумах, но этот эффект было намного сильнее у кораллов которые находились в более кислой воде. Используя статистические тесты, исследователи обнаружили, что уровень кислотности оказал значительное влияние на отбеливание (то есть, что более высокие уровни отбеливания в экспериментальных резервуарах вряд ли могут быть объяснены случайным изменением).

Не экспериментальные проверки гипотез

Некоторые типы гипотез не могут быть проверены в контролируемых экспериментах по этическим или практическим причинам. Например, гипотеза о вирусной инфекции не может быть проверена путем разделения здоровых людей на две группы и заражения одной группы, ведь заражение здоровых людей будет небезопасным и неэтичным. Точно так же эколог, изучающий влияние дождя, не может заставить идти дождь в одной части континента, в то время как другая часть остается сухой в качестве контроля.

В подобных ситуациях используются не экспериментальные формы проверки гипотез. В не экспериментальном тесте гипотезы исследователь предсказывает наблюдения или закономерности, которые должны быть видны в природе, если гипотеза верна. Затем он или она собирает и анализирует данные, проверяя, присутствуют предсказанные закономерности на самом деле.

Пример: обесцвечивание кораллов и температура

В качестве хорошего примера проверки гипотез, основанной на наблюдении, можно привести более ранние исследования обесцвечивания кораллов. Как упомянуто выше, обесцвечивание - это когда кораллы теряют фотосинтетические микроорганизмы, которые живут внутри них, что делает их белыми. Исследователи предположили, что высокая температура воды может вызвать обесцвечивание, и они экспериментально проверили эту гипотезу в небольшом масштабе (используя отдельные фрагменты кораллов в резервуарах) [3,4].

Однако экологи больше всего хотели знать, вызывала ли температура воды обесцвечивание многих видов кораллов в их естественной среде обитания. На этот более широкий вопрос нельзя было ответить экспериментально, поскольку было бы неэтично (или даже невозможно) искусственно изменить температуру воды, окружающую целые коралловые рифы.

Вместо этого, чтобы проверить гипотезу о том, что естественные события отбеливания были вызваны повышением температуры воды, группа исследователей написала компьютерную программу для прогнозирования отбеливания на основе данных о температуре воды в реальном времени. Например, эта программа обычно прогнозирует обесцвечивание для конкретного рифа, когда температура воды в районе рифа превышает его среднемесячный максимум на 1 градус Цельсия или больше[1].

Компьютерная программа смогла предсказать многие случаи обесцвечивания кораллов за недели или даже месяцы до того, как они были обнаружены, в том числе большое обесцвечивание на Большом Барьерном рифе в 1998 году [1]. Тот факт, что основанная на температуре модель могла предсказать обесцвечивание, подтверждает гипотезу о том, что высокая температура воды вызывает обесцвечивание коралловых рифов в естественных условиях.

Работы упомянутые в тексте:

1. Hoegh-Guldberg, O. (1999). Изменение климата, обесцвечивание кораллов и будущее мировых коралловых рифов. Mar. Freshwater Res. , 50 , 839-866. Получено с www.reef.edu.au/climate/Hoegh-Guldberg%201999.pdf.
2. Anthony, KRN, Kline, DI, Diaz-Pulido, G., Dove S., and Hoegh-Guldberg, O. (2008). Подкисление океана вызывает обесцвечивание и снижение продуктивности у строителей коралловых рифов. PNAS , 105 (45), 17442-17446. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0804478105 .
3. Калифорнийский университет, музей палеонтологии. (2016). Заблуждения о науке. В понимании науки . Получено с http://undsci.berkeley.edu/teaching/misconceptions.php .
4. Hoegh-Guldberg, O. and Smith, GJ (1989). Влияние внезапных изменений температуры, освещенности и солености на плотность и экспорт зооксантелл из рифовых кораллов Stylophora pistillata (Esper, 1797) и Seriatopora hystrix (Dana, 1846). J. Эксп. Mar. Biol. Ecol. , 129 , 279-303. Получено с http://www.reef.edu.au/ohg/res-pic/HG%20papers/HG%20and%20Smith%201989%20BLEACH.pdf .