Badania biologiczne - Biologia na czasie 1 (ZP)

1.Biologia

Nauka zajmująca się budową organizmów, ich czynnościami życiowymi oraz funkcjonowaniem w środowisku. Do jej zadań należy też badanie pokrewieństwa ewolucyjnego i klasyfikowanie organizmów. Przedmiotem badań biologii są organizmy, czyli przyroda ożywiona.

2.Cechy organizmów

Wszystkie organizmy: są zbudowane z komórek; mają materiał genetyczny w postaci DNA; wykonują czynności życiowe (odżywianie się, oddychanie, wydalanie, ruch, reakcje na bodźce, rozmnażanie się, wzrost i rozwój); przekazują cechy organizmom potomnym w procesach dziedziczenia; podlegają ewolucji; mają zdolność do utrzymywania homeostazy.

3.Homeostaza

Stan równowagi wewnętrznej organizmu, który organizmy mają zdolność utrzymywać. Przykładem jest utrzymywanie stałej temperatury ciała przez ssaki.

4.Materiał genetyczny, dziedziczenie i mutacje

Materiałem genetycznym organizmów jest DNA, które zawiera informacje o białkach i RNA - od nich zależą cechy organizmów. Informacja o cechach jest zapisana w genach i przekazywana potomstwu w procesach dziedziczenia, m.in. dzięki rozmnażaniu się. Organizmy podlegają ewolucji, która zachodzi m.in. dzięki mutacjom, czyli zmianom w DNA.

5.Osiągnięcia biologiczne XX wieku

1953 - James Watson i Francis Crick (m.in. na podstawie badań Rosalind Franklin) opracowali model budowy przestrzennej DNA, co pozwoliło zrozumieć przekazywanie informacji genetycznej. 1982 - dopuszczono do stosowania u ludzi insulinę wytwarzaną w komórkach bakterii Escherichia coli na podstawie ludzkiego genu - pierwszy lek uzyskany metodami inżynierii genetycznej. 1996 - sklonowano pierwszego ssaka z komórek dorosłego osobnika, owcę Dolly.

6.Osiągnięcia biologiczne XXI wieku

2003 - w ramach Human Genome Project poznano sekwencję genomu człowieka (ustalono 99% sekwencji nukleotydów DNA); wyniki służą m.in. w diagnostyce i leczeniu nowotworów. 2006 - Shin'ya Yamanaka odróżnicował dojrzałe komórki do stadium embrionalnego (Nagroda Nobla w 2012 r.), co rozwinęło badania nad komórkami macierzystymi. 2020 - stworzono program komputerowy przewidujący strukturę 3D białek, co przyspiesza opracowywanie nowych leków.

7.Zastosowania odkryć biologicznych: medycyna, rolnictwo, kosmetyki

Medycyna i farmakologia: diagnozowanie i leczenie chorób, operacje ratujące życie (np. przeszczepy serca), produkcja szczepionek, antybiotyków i insuliny. Rolnictwo, ogrodnictwo i leśnictwo: rośliny dające większe plony, zwierzęta o szybszym przyroście masy ciała, organizmy zmodyfikowane genetycznie (np. rośliny odporne na szkodniki). Produkcja kosmetyków: kremy z kolagenem i elastyną, kompozycje zapachowe perfum.

8.Zastosowania odkryć biologicznych: kryminalistyka, środowisko, psychologia

Kryminalistyka: ustalanie tożsamości ofiary lub sprawcy przestępstwa, rekonstruowanie wyglądu zmarłych (m.in. płci, wieku, wzrostu), określanie czasu i miejsca śmierci. Ochrona środowiska: oczyszczanie ścieków, produkcja biogazu, tworzyw biodegradowalnych i biopaliw. Psychologia i pedagogika: badanie etapów rozwoju człowieka, wpływu genów i środowiska na zdrowie, biologicznych podstaw uczenia się i zapamiętywania oraz mechanizmów uzależnień.

9.Źródła informacji biologicznych

Artykuły naukowe w renomowanych czasopismach - opisują wyniki badań i służą wymianie informacji między badaczami, więc dla niespecjalisty bywają za trudne. Podręczniki akademickie - oparte na wynikach badań, ale wyjaśniają je prościej. Popularnonaukowe czasopisma i strony internetowe - redagowane przez osoby związane z nauką i konsultowane z ekspertami, ale mogą zawierać błędy wynikające ze zbytniego uproszczenia.

10.Wiarygodna informacja - jak ją rozpoznać?

Wiarygodna informacja jest prawdziwa, obiektywna i poparta dowodami. Aby to ocenić: sprawdź źródło, autorów, dodatkowe źródła (czy linki zawierają wskazane informacje) i datę publikacji (w biologii ciągle dokonuje się odkryć, więc starsze dane mogą być nieaktualne); przeczytaj cały tekst, nie tylko nagłówek; sprawdź cel informacji (czy nie jest ukrytą reklamą); zapytaj eksperta, np. nauczyciela.

11.Zegar biologiczny

Mechanizm kontrolujący rytmy okołodobowe, czyli aktywność organizmu w ciągu doby; za jego wyjaśnienie przyznano w 2017 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. U człowieka np. 15:00-17:00 to najlepszy czas na naukę, a 22:00-7:00 - na sen. Rytm zakłóca np. zmiana strefy czasowej w podróży, a brak synchronizacji z zegarem obniża wydajność i pogarsza stan fizyczny i psychiczny.

12.Metody naukowe w biologii

Biolodzy prowadzą badania głównie dwiema metodami: obserwacją, w której badacz nie wpływa na badane obiekty, zjawiska lub procesy (np. sprawdzanie ukrytymi kamerami, jakie gatunki żyją na danym obszarze), oraz doświadczeniem, w którym sprawdza, jak wybrany czynnik wpływa na badane obiekty (np. wpływ pH gleby na wzrost roślin).

13.Przedmiot badań, obiekt badań i badany czynnik

Przedmiot badań to zjawisko lub proces poddawane analizie (np. przebieg choroby). Obiekt badań to materiał biologiczny lub organizmy, na których prowadzi się badania (np. szczury laboratoryjne). Badany czynnik to czynnik, którego wpływ na przedmiot badań chcemy poznać - określa się go w doświadczeniu. Np. w badaniu wpływu jednostronnego oświetlenia na kierunek wzrostu pędu siewek pieprzycy siewnej czynnikiem jest jednostronne oświetlenie, przedmiotem - kierunek wzrostu pędu, a obiektem - pieprzyca siewna.

14.Obserwacja (metoda naukowa)

Metoda naukowa, w której badacz w żaden sposób nie wpływa na badane zjawiska, organizmy lub procesy. Polega na poszukiwaniu informacji o obiektach za pomocą zmysłów i określonych narzędzi, np. mikroskopu.

15.Doświadczenie (metoda naukowa)

Metoda naukowa, w której badacz celowo zmienia badany czynnik wpływający na dany obiekt, proces lub zjawisko i sprawdza skutki tej zmiany. Najczęściej prowadzi się je w warunkach laboratoryjnych, w których badacz może kontrolować istotne czynniki wpływające na obiekt badań.

16.Etapy badań biologicznych

1. zaobserwowanie zjawiska lub procesu, 2. sformułowanie problemu badawczego, 3. postawienie hipotezy badawczej, 4. zweryfikowanie hipotezy, 5. sformułowanie wniosku. W tych etapach przebiega zarówno obserwacja, jak i doświadczenie, a badania powtarza się wielokrotnie.

17.Zaobserwowanie zjawiska lub procesu

Pierwszy etap badań: zauważenie obiektów, zjawisk lub procesów, które wzbudzają ciekawość badacza i skłaniają go do zadawania pytań.

18.Problem badawczy

Określenie celu badania, czyli zagadnienia, które chcemy wyjaśnić. Zapisuje się go w formie pytania lub równoważnika zdania; powinien zawierać badany czynnik, przedmiot badań i obiekt badań.

19.Hipoteza badawcza

Przypuszczalna odpowiedź na pytanie zawarte w problemie badawczym, czyli przewidywany wynik badania. Formułuje się ją na podstawie dotychczasowej wiedzy jako zdanie oznajmujące, które wprost odnosi się do problemu badawczego; może okazać się nieprawdziwa.

20.Zweryfikowanie hipotezy

Sprawdzenie, czy hipoteza jest prawdziwa, przez przeprowadzenie obserwacji lub doświadczenia. W doświadczeniu obejmuje trzy kroki: planowanie badań (określenie prób badawczych i kontrolnych), przeprowadzenie badań oraz dokumentację badań i analizę wyników.

21.Wniosek

Potwierdzenie lub odrzucenie hipotezy na podstawie wyników badania; powinien odnosić się zarówno do postawionej hipotezy, jak i do uzyskanych wyników. Jeżeli hipoteza została odrzucona, stawia się nową hipotezę i powtarza badania.

22.Próba badawcza

Zestaw doświadczalny, w którym przedmiot badań poddaje się działaniu badanego czynnika (wymienionego w problemie badawczym).

23.Próba kontrolna

Taki sam zestaw doświadczalny jak próba badawcza, ale przedmiotu badań nie poddaje się w nim działaniu badanego czynnika; pozostałe warunki są takie same. Pozwala określić, czy efekt obserwowany w próbie badawczej wynika z działania badanego czynnika.

24.Próba kontrolna pozytywna i negatywna

Dwa rodzaje prób kontrolnych stosowane w badaniach. W próbie kontrolnej pozytywnej można zaobserwować przedmiot badania - pokazuje, jaki wynik daje jego obecność. W próbie kontrolnej negatywnej nie można go zaobserwować - pokazuje wynik przy jego braku.

25.Wykrywanie skrobi w bułce - próby

Do każdej próby dodaje się kilka kropel jodyny lub płynu Lugola. Próba badawcza: rozdrobniona bułka z wodą destylowaną; próba kontrolna pozytywna: zawiesina skrobi; próba kontrolna negatywna: woda destylowana. Próba badawcza i pozytywna barwią się na granatowo, negatywna nie, więc w bułce występuje skrobia.

26.Doświadczenie z pieprzycą siewną (rzeżuchą)

Bada się wpływ jednostronnego oświetlenia na kierunek wzrostu pędu siewek. Próba badawcza: siewki oświetlane jednostronnie; próba kontrolna: siewki oświetlane równomiernie; czas, temperatura i wilgotność są w obu próbach takie same. Siewki oświetlane jednostronnie wyginają się w stronę światła, a w próbie kontrolnej rosną pionowo.

27.Liczba prób i powtórzeń

Badania prowadzi się na dużych próbach i w kilku seriach powtórzeń: im więcej prób, tym mniejsze ryzyko wpływu czynników przypadkowych i tym bardziej wiarygodny wynik. W ośrodkach naukowych powtórzeń bywa kilkaset lub więcej, a w warunkach szkolnych należy wykonać przynajmniej trzy.

28.Analiza wyników i średnia arytmetyczna

Naukowcy analizują wyniki statystycznie w specjalistycznych programach komputerowych, bo bez tego trudno zinterpretować wiele jednostkowych wyników i ocenić, czy mają istotne znaczenie. Podstawową analizą jest średnia arytmetyczna: suma wyników podzielona przez liczbę wyników, liczona osobno dla próby badawczej i kontrolnej, by łatwo je porównać.

29.Dokumentowanie wyników i tabela

Przebieg badań i wyniki dokumentuje się na bieżąco, np. w tabeli. Dane jakościowe (niepoliczalne, np. kolor kwiatów, zachowanie obiektu) można też utrwalać rysunkami, zdjęciami lub filmami. Tabela ma tytuł i nagłówek opisujący dane w kolumnach; dane ilościowe podaje się z jednakową dokładnością dla danej jednostki, a jakościowe wpisuje słownie.

30.Rodzaje wykresów

Wykres kołowy - pokazuje procentowy udział elementów w zbiorze. Wykres liniowy - pokazuje zależność badanego zjawiska od danego czynnika, np. tendencję zmian. Wykres kolumnowy (słupkowy) - porównuje bezwzględne wartości pomiarów w różnych grupach. Wykres pomaga zauważyć zależności i różnice, które trudno dostrzec w tabeli.

31.Warunki prowadzenia obserwacji

Obserwację prowadzi się przede wszystkim w naturalnym środowisku obiektu (np. owady zapylające kwiaty na łące), ale też w sztucznych warunkach - w laboratorium lub pracowni szkolnej (np. rozwój siewki fasoli, zachowanie ryb w akwarium). Niekiedy ważne jest określenie czasu obserwacji, np. zachowań godowych zwierząt czy zapylania roślin.

32.Obserwacje makroskopowe i mikroskopowe

Makroskopowe dotyczą dużych obiektów, które widać gołym okiem lub za pomocą lornetki albo lupy. Mikroskopowe dotyczą obiektów o niewielkich rozmiarach (np. wirusów, bakterii, pojedynczych komórek), do których obserwacji używa się mikroskopów optycznych lub elektronowych.

33.Oko człowieka i mikroskop optyczny

Gołym okiem widzimy obiekty większe niż ok. 0,1 mm, np. pręciki kwiatów pokryte pyłkiem. Mikroskopy mają znacznie większą zdolność rozdzielczą niż oko: najlepsze mikroskopy optyczne powiększają obraz ok. 1000 razy, co pozwala zobaczyć np. budowę wewnętrzną pręcików i pojedyncze ziarna pyłku.

34.Mikroskop elektronowy

Mikroskop powiększający obraz do 1 000 000 razy, np. pokazuje szczegóły budowy ziarna pyłku. Rodzaje: skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) - powstający obraz jest trójwymiarowy; transmisyjny mikroskop elektronowy (TEM) - powstający obraz jest dwuwymiarowy.

35.Budowa mikroskopu optycznego

Elementy mechaniczne: tubus (utrzymuje soczewki we właściwym położeniu), rewolwer (zmiana obiektywu), stolik (miejsce na preparat), śruba makrometryczna (przesuwa stolik, służy do odnalezienia obrazu), śruba mikrometryczna (precyzyjne ustawienie ostrości). Elementy optyczne: okular i obiektyw (zawierają soczewki powiększające obraz), kondensor (skupia wiązkę światła), źródło światła (oświetla preparat).

36.Zasady mikroskopowania

Wyczyść części optyczne i ustaw obiektyw o najmniejszym powiększeniu. Włącz światło (lub ustaw lusterko), by zobaczyć jasne pole, i połóż preparat na stoliku. Znajdź obraz śrubą makrometryczną, a ostrość wyreguluj mikrometryczną. Zmień obiektyw na silniejszy i znów ustaw ostrość. Po pracy ustaw najmniejszy obiektyw, wyłącz światło, wytrzyj optykę i odstaw mikroskop.

37.Powiększenie obrazu w mikroskopie optycznym

Powiększenie obserwowanego obiektu to iloczyn powiększenia okularu i powiększenia obiektywu. Np. okular powiększający 10 razy i obiektyw powiększający 40 razy dają powiększenie $10 \cdot 40 = 400$ razy.

38.Obserwacje mikroskopowe: cele i cechy obrazu

Obserwacje mikroskopowe pozwalają odpowiedzieć na określone pytanie (np. czy w komórkach bulw ziemniaka gromadzi się skrobia), ale najczęściej służą poznaniu szczegółów budowy obiektów, np. włosa. Obraz w mikroskopie optycznym jest powiększony i odwrócony.

39.Przygotowanie preparatu mikroskopowego

1. Wyczyść szkiełko podstawowe. 2. Nanieś zakraplaczem kroplę wody na szkiełko podstawowe. 3. Przygotuj obiekt za pomocą pęsety i igły preparacyjnej. 4. Połóż obiekt w kropli wody. 5. Wyczyść szkiełko nakrywkowe. 6. Nakryj obiekt szkiełkiem nakrywkowym.

40.Dokumentacja obserwacji mikroskopowej

Rysunek wykonuje się ołówkiem, jak najwierniej (można uprościć, np. narysować tylko jedną komórkę), z tytułem, opisem i informacją o powiększeniu. Zdjęcie można zrobić telefonem: przybliżyć obiektyw aparatu do okularu, ustawić obiekt na ekranie i zrobić zdjęcie.