4. Biologinen tutkimus
Itsenäisen opiskelun ohje lakon takia koulusta poissaoleville
Jos et bussilakon vuoksi pääse kouluun, toimi seuraavasti:
1. Lue kappale.
2. Opiskele tältä sivulta löytyvät PP-muistiinpanot. Katso esitykseen linkitetyt videot ja tee esityksessä mainitut tehtävät.
3. Seuraavaksi tunniksi kertaa kappale ja tee Wilmassa annetut kotitehtävät.
1. Lue kappale.
2. Opiskele tältä sivulta löytyvät PP-muistiinpanot. Katso esitykseen linkitetyt videot ja tee esityksessä mainitut tehtävät.
3. Seuraavaksi tunniksi kertaa kappale ja tee Wilmassa annetut kotitehtävät.
Luvun sisältö
- 4.1 Biologit voivat tehdä havainnoivaa tutkimusta
- 4.2 Kokeellista tutkimusta tehdään usein laboratoriossa
- 4.3 Tutkimusta tehdään maastossa, laboratorioissa ja mallintamalla
- 4.4 Biologiset mallit ja teoriat
- 4.5 Biologisen tutkimuksen vaiheet
4. Johdanto
Luonnontieteellisen tutkimuksen päämääränä on tuottaa hyvin perusteltua tieteellistä tietoa, jota hankitaan tieteellisillä metodeilla eli menetelmillä. Luonnontieteellisen tutkimuksen tulee olla mahdollisimman objektiivista eli tutkijasta riippumatonta. Tämä tarkoittaa sitä, että tutkijan henkilökohtaiset näkemykset vaikuttavat mahdollisimman vähän tutkimukseen, tuloksiin ja niiden tulkintaan.
Tutkimuksen tulee olla myös toistettavissa. Tästä syystä tutkimuksen toteutustavat pitää kuvata tarkoin. Jos tutkimus tehtäisiin uudelleen samalla tavalla, siitä pitäisi saada samantyyppiset tulokset.
Jos koetulokset vaihtelevat eri tutkimusten välillä liikaa, ei ole perusteltua luottaa yhden tutkimuksen tuloksiin. Tutkimuksessa pyritään huomioimaan mahdolliset virhelähteet, jotka voivat vääristää tuloksia. Tutkimusolosuhteet yritetään pitää tasaisina koko tutkimuksen ajan. Tärkeää on myös, että havaintoja on runsaasti ja tiettyä koetta toistetaan useita kertoja, jotta satunnaistekijöiden vaikutus tuloksiin jää mahdollisimman pieneksi.
Tieteellinen tieto tulee perustella tieteellisin menetelmien avulla ja sen pitää olla julkista eli avointa kaikille. Tieteelliselle tiedolle on tyypillistä, että tuloksia pitää voida arvioida kriittisesti toisten tutkijoiden toimesta. Tieteelliset tutkimukset vertaisarvioidaan eli toiset tutkijat arvioivat tutkimuksen laadun ja luotettavuuden.
Tieteellistä tietoa karttuu jatkuvasti ja vanha tutkimustieto tarkentuu. Tieto ei ole koskaan valmista vaan tietoa on tietoa vain "sillä hetkellä".
Biologinen tutkimus voi olla perustutkimusta tai soveltavaa tutkimusta. Perustutkimusta tehdään puhtaasti uteliaisuudesta ja tiedon halusta, eikä tutkimustiedolla välttämättä ole suoraa hyötyä tai soveltamiskohteita. Perustutkimuksessa tuotettu uusi tieto on tärkeää, sillä on mahdotonta tietää etukäteen, minkä alan perustutkimuksesta seuraa myöhemmin ihmiselle hyödyllisiä sovelluksia. Esimerkiksi Louis Pasteur ei olisi onnistunut keksimään koko maailmaa hyödyttävää maidon pastörointia ilman perustutkimusta.
Linnuston seuranta on esimerkki perustutkimuksesta.
Jos tutkimuksen tavoitteena on käyttää saatua tietoa hyödyksi jonkin rajatun ongelman ratkaisemiseksi, puhutaan soveltavasta tutkimuksesta. Soveltavassa tutkimuksessa hyödynnetään perustutkimuksesta saatua tietoa jotakin käytännöllistä tavoitetta varten. Esimerkiksi rokotteiden kehittäminen taudinaiheuttajia vastaan on soveltavaa tutkimusta.
Kasvinjalostus on soveltavaa tutkimusta.
Tutkimuksen tulee olla myös toistettavissa. Tästä syystä tutkimuksen toteutustavat pitää kuvata tarkoin. Jos tutkimus tehtäisiin uudelleen samalla tavalla, siitä pitäisi saada samantyyppiset tulokset.
Jos koetulokset vaihtelevat eri tutkimusten välillä liikaa, ei ole perusteltua luottaa yhden tutkimuksen tuloksiin. Tutkimuksessa pyritään huomioimaan mahdolliset virhelähteet, jotka voivat vääristää tuloksia. Tutkimusolosuhteet yritetään pitää tasaisina koko tutkimuksen ajan. Tärkeää on myös, että havaintoja on runsaasti ja tiettyä koetta toistetaan useita kertoja, jotta satunnaistekijöiden vaikutus tuloksiin jää mahdollisimman pieneksi.
Tieteellinen tieto tulee perustella tieteellisin menetelmien avulla ja sen pitää olla julkista eli avointa kaikille. Tieteelliselle tiedolle on tyypillistä, että tuloksia pitää voida arvioida kriittisesti toisten tutkijoiden toimesta. Tieteelliset tutkimukset vertaisarvioidaan eli toiset tutkijat arvioivat tutkimuksen laadun ja luotettavuuden.
Tieteellistä tietoa karttuu jatkuvasti ja vanha tutkimustieto tarkentuu. Tieto ei ole koskaan valmista vaan tietoa on tietoa vain "sillä hetkellä".
Biologinen tutkimus voi olla perustutkimusta tai soveltavaa tutkimusta. Perustutkimusta tehdään puhtaasti uteliaisuudesta ja tiedon halusta, eikä tutkimustiedolla välttämättä ole suoraa hyötyä tai soveltamiskohteita. Perustutkimuksessa tuotettu uusi tieto on tärkeää, sillä on mahdotonta tietää etukäteen, minkä alan perustutkimuksesta seuraa myöhemmin ihmiselle hyödyllisiä sovelluksia. Esimerkiksi Louis Pasteur ei olisi onnistunut keksimään koko maailmaa hyödyttävää maidon pastörointia ilman perustutkimusta.
Linnuston seuranta on esimerkki perustutkimuksesta.
Jos tutkimuksen tavoitteena on käyttää saatua tietoa hyödyksi jonkin rajatun ongelman ratkaisemiseksi, puhutaan soveltavasta tutkimuksesta. Soveltavassa tutkimuksessa hyödynnetään perustutkimuksesta saatua tietoa jotakin käytännöllistä tavoitetta varten. Esimerkiksi rokotteiden kehittäminen taudinaiheuttajia vastaan on soveltavaa tutkimusta.
Kasvinjalostus on soveltavaa tutkimusta.
4.1 Biologit voivat tehdä havainnoivaa tutkimusta
Havainnoivassa tutkimuksessa tutkija seuraa luonnontilaisia tutkimuskohteitaan. Tämän tyyppisessä tutkimuksessa tutkija voi mitata tutkimuskohteita tai ottaa niistä näytteitä. Havainnoivaa tutkimusta tehdessään tutkija ei saa vaikuttaa tutkimuskohteeseensa tai häiritä sitä.
Suomessa on vuosien ajan seurattu myyräkantojen vaihtelua. Myyrien määrää tutkitaan ottamalla myyriä kiinni vuosittain standardoidulla eli samanlaisella menetelmällä. Ansoja on samoilla paikoilla yhtä paljon, ja myyrien kiinniotto tehdään samoin menetelmin vuodesta toiseen. Näin saadaan selville myyrien määrän vaihtelu. Myyrien pyytäminen ei vaikuta merkittävästi myyrien määrän vaihteluun vuosien välillä, joten tutkija ei vaikuta myyräpopulaation kokoon.
Myyrien määrää luonnossa voidaan tutkia pyynti-merkintä-uudelleenpyynti -menetelmällä.
Myyrät levittävät Puumala-virusta, joka aiheuttaa myyräkuumetta. Kun myyräkantojen määrää verrataan myyräkuumetapauksiin samalla alueella, saadaan selville myyrien määrän ja myyräkuumeen välinen korrelaatio eli yhteys. Jos alueella on paljon myyriä, myös myyräkuumetta esiintyy enemmän ihmisillä.
Alla olevassa kaaviossa on esitetty myyrien määrän ja myyräkuumetapausten yhteys. Asteikot ovat suhteellisia. Myyräkuumetapaukset on ilmoitettu 100 000 ihmistä kohden. Huomaa, että taulukon x-akselilla on aika ja y-akseleilla tutkittavat asiat (myyrien määrä ja myyräkuumetapaukset).
Myyrien määrän ja myyräkuumetapausten yhteys. Asteikot ovat suhteellisia.
Suomessa on vuosien ajan seurattu myyräkantojen vaihtelua. Myyrien määrää tutkitaan ottamalla myyriä kiinni vuosittain standardoidulla eli samanlaisella menetelmällä. Ansoja on samoilla paikoilla yhtä paljon, ja myyrien kiinniotto tehdään samoin menetelmin vuodesta toiseen. Näin saadaan selville myyrien määrän vaihtelu. Myyrien pyytäminen ei vaikuta merkittävästi myyrien määrän vaihteluun vuosien välillä, joten tutkija ei vaikuta myyräpopulaation kokoon.
Myyrien määrää luonnossa voidaan tutkia pyynti-merkintä-uudelleenpyynti -menetelmällä.
Myyrät levittävät Puumala-virusta, joka aiheuttaa myyräkuumetta. Kun myyräkantojen määrää verrataan myyräkuumetapauksiin samalla alueella, saadaan selville myyrien määrän ja myyräkuumeen välinen korrelaatio eli yhteys. Jos alueella on paljon myyriä, myös myyräkuumetta esiintyy enemmän ihmisillä.
Alla olevassa kaaviossa on esitetty myyrien määrän ja myyräkuumetapausten yhteys. Asteikot ovat suhteellisia. Myyräkuumetapaukset on ilmoitettu 100 000 ihmistä kohden. Huomaa, että taulukon x-akselilla on aika ja y-akseleilla tutkittavat asiat (myyrien määrä ja myyräkuumetapaukset).
Myyrien määrän ja myyräkuumetapausten yhteys. Asteikot ovat suhteellisia.
4.2 Kokeellista tutkimusta tehdään usein laboratoriossa
Kokeellisen kokeen tarkoituksena on testata jotain havaintoa tai ilmiötä. Kokeessa tavoitteena on, että vain yksi muuttuja vaihtelee. Sellaiset muut 
muuttujat, jotka saattaisivat vaikuttaa tutkittavaan ilmiöön, pidetään vakioina.
Kokeellisessa tutkimuksessa tutkimuskohteet (eliöt) jaetaan kahteen ryhmään. Toinen näistä ryhmistä on koe- eli testiryhmä, joka on varsinaisen tutkittavan asian kohteena. Toinen on kontrolli- eli verrokkiryhmä, joka on koe- tai testiryhmän vertailuryhmä. Tärkeää on, että nämä ryhmät ovat keskenään vertailukelpoisia.
Jos esimerkiksi tutkitaan jonkin lääkeaineen vaikutusta eliöön, koeryhmän eliöitä ruokitaan ja käsitellään täysin samoin. Kokeeseen liitetään toisista eliöistä koostuva verrokkiryhmä eli kontrolli, joille ei anneta lääkeainetta. Verrokkiryhmä on siis koeryhmän vertailuryhmä. Verrokkiryhmälle tehdyistä mittauksista niin sanottu vertailuarvo, johon kokeessa saatuja arvoja verrataan.
Eräässä kokeellisessa tutkimuksessa selvitettiin myyrillä, suojaavatko äidinmaidon vasta-aineet myyränpoikasia virustartunnalta. Oletus oli, että myyränpoikaset saavat äidinmaidosta virusta vastaan vasta-aineita ja suojautuvat siten virussairaudelta.
Tutkijat ottivat kiinni metsämyyriä ja selvittivät kantoivatko nämä virusta. Virusta kantavat myyrät parittelivat keskenään, samoin terveet myyrät keskenään. Parittelun seurauksena myyrille syntyi poikasia. Tutkimuksessa selvitettiin, kuinka nopeasti poikasille tuli virustartunta.
Poikaset, joiden vanhemmilla oli virustartunta, olivat saaneet äidinmaidosta vasta-aineita. Tämän vuoksi ne saivat virustartunnan myöhemmin kuin ne myyrät, joiden vanhemmat eivät olleen sairastaneet virustartuntaa.
Hypoteesi: Vaikuttaako emon virustartunta siihen, kuinka nopeasti jälkeläiset sairastuvat? Koejäsenet: Virusta kantavat myyräparit ja virusta kantamattomat myyräparit. Tutkimuskohde: Jälkeläisten sairastuvuus. Tutkimuksen tulos: Emon vasta-aineet suojasivat poikasia virustartunnalta.
muuttujat, jotka saattaisivat vaikuttaa tutkittavaan ilmiöön, pidetään vakioina. Kokeellisessa tutkimuksessa tutkimuskohteet (eliöt) jaetaan kahteen ryhmään. Toinen näistä ryhmistä on koe- eli testiryhmä, joka on varsinaisen tutkittavan asian kohteena. Toinen on kontrolli- eli verrokkiryhmä, joka on koe- tai testiryhmän vertailuryhmä. Tärkeää on, että nämä ryhmät ovat keskenään vertailukelpoisia.
Jos esimerkiksi tutkitaan jonkin lääkeaineen vaikutusta eliöön, koeryhmän eliöitä ruokitaan ja käsitellään täysin samoin. Kokeeseen liitetään toisista eliöistä koostuva verrokkiryhmä eli kontrolli, joille ei anneta lääkeainetta. Verrokkiryhmä on siis koeryhmän vertailuryhmä. Verrokkiryhmälle tehdyistä mittauksista niin sanottu vertailuarvo, johon kokeessa saatuja arvoja verrataan.
Eräässä kokeellisessa tutkimuksessa selvitettiin myyrillä, suojaavatko äidinmaidon vasta-aineet myyränpoikasia virustartunnalta. Oletus oli, että myyränpoikaset saavat äidinmaidosta virusta vastaan vasta-aineita ja suojautuvat siten virussairaudelta.
Tutkijat ottivat kiinni metsämyyriä ja selvittivät kantoivatko nämä virusta. Virusta kantavat myyrät parittelivat keskenään, samoin terveet myyrät keskenään. Parittelun seurauksena myyrille syntyi poikasia. Tutkimuksessa selvitettiin, kuinka nopeasti poikasille tuli virustartunta.
Poikaset, joiden vanhemmilla oli virustartunta, olivat saaneet äidinmaidosta vasta-aineita. Tämän vuoksi ne saivat virustartunnan myöhemmin kuin ne myyrät, joiden vanhemmat eivät olleen sairastaneet virustartuntaa.
Hypoteesi: Vaikuttaako emon virustartunta siihen, kuinka nopeasti jälkeläiset sairastuvat? Koejäsenet: Virusta kantavat myyräparit ja virusta kantamattomat myyräparit. Tutkimuskohde: Jälkeläisten sairastuvuus. Tutkimuksen tulos: Emon vasta-aineet suojasivat poikasia virustartunnalta.
4.3 Tutkimusta tehdään maastossa, laboratorioissa ja mallintamalla
Tutkimustyötä voidaan tehdä laboratoriossa, maastossa tai mallintamalla tutkittavaa ilmiötä teoreettisesti esimerkiksi tietokoneella. Tutkimustulokset julkaistaan alan ammattikirjallisuudessa artikkeleina useimmiten englannin kielellä. Näin tutkijat voivat seurata alan uusimpia tutkimustuloksia. Biologia on kansainvälinen ala, joten tiedeyhteisön jäsenet tapaavat muita alan asiantuntijoita ja kollegoita eri puolilla maailmaa järjestettävissä konferensseissa.
Laboratoriossa tehtävä tutkimus on usein kokeellista tutkimusta. Laboratoriokokeissa voidaan selvittää asioiden syy-seuraussuhteita tavalla, joka on helpompaa kuin maastossa. Kokeita tehdään laboratorio-olosuhteissa usein elävissä eliöissä (in vivo). Toisaalta tutkimuksia voidaan tehdä elävistä eliöistä eristetyissä kudoksissa, soluissa tai biomolekyyleissä (in vitro) sekä tietokonemallinnuksina (in silico).
Laboratoriossa tehdään usein kokeita elävistä eliöistä eristetyillä kudoksilla, soluilla tai biomolekyyleillä.
Maastossa tehtävässä tutkimuksessa korostuu usein havaintojen tekeminen. Maastossakin voidaan tehdä kokeellista tutkimusta, mutta tällöin on yleensä vaikea pitää kaikkia muuttujia vakioina. Maastokokeet ja -havainnot antavat kuitenkin usein realistisemman kuvan ilmiöstä. Biologisten ilmiöiden syvällinen ymmärtäminen vaatii kuitenkin usein sekä maasto- ja laboratoriotutkimusta että tietokonemallinnuksia.
In vivo -tutkimus tehdään elävässä eliössä, esimerkiksi koe-eläinten avulla.
Monet merkittävimmistä biologisista keksinnöistä ovat lähteneet liikkeelle sattumalta tehdystä havainnosta. Esimerkiksi vuonna 1928 Alexander Flemingin kasvattamaan bakteeriviljelmään oli päässyt homekasvustoa, minkä seurauksena kyseisen viljelmän bakteerit tuhoutuivat. Fleming ihmetteli havaintoaan ja lähti tutkimaan, mistä se johtui. Hän esitti olettamuksen, että home oli erittänyt ympäristöönsä kemiallista ainetta, joka oli tappanut bakteerit.
Fleming tutki hypoteesiaan koejärjestelyjen avulla ja päätyi siihen, että Penicillium-sukuun kuuluva home tappoi bakteerit. Tästä havainnosta ja Flemingin tekemästä tutkimuksesta kehitettiin yksi 1900-luvun merkittävimmistä keksinnöistä, penisilliini (antibiootti). Flemingin sanotaan todenneen nöyränä oivalluksestaan: "Ainoa saavutukseni on, että en jättänyt havaintoa huomioimatta ja jatkoin asian tutkimista.”
Bakteerien kasvatusta veriagar-liuoksessa.
Laboratoriossa tehtävä tutkimus on usein kokeellista tutkimusta. Laboratoriokokeissa voidaan selvittää asioiden syy-seuraussuhteita tavalla, joka on helpompaa kuin maastossa. Kokeita tehdään laboratorio-olosuhteissa usein elävissä eliöissä (in vivo). Toisaalta tutkimuksia voidaan tehdä elävistä eliöistä eristetyissä kudoksissa, soluissa tai biomolekyyleissä (in vitro) sekä tietokonemallinnuksina (in silico).
Laboratoriossa tehdään usein kokeita elävistä eliöistä eristetyillä kudoksilla, soluilla tai biomolekyyleillä.
Maastossa tehtävässä tutkimuksessa korostuu usein havaintojen tekeminen. Maastossakin voidaan tehdä kokeellista tutkimusta, mutta tällöin on yleensä vaikea pitää kaikkia muuttujia vakioina. Maastokokeet ja -havainnot antavat kuitenkin usein realistisemman kuvan ilmiöstä. Biologisten ilmiöiden syvällinen ymmärtäminen vaatii kuitenkin usein sekä maasto- ja laboratoriotutkimusta että tietokonemallinnuksia.
In vivo -tutkimus tehdään elävässä eliössä, esimerkiksi koe-eläinten avulla.
Monet merkittävimmistä biologisista keksinnöistä ovat lähteneet liikkeelle sattumalta tehdystä havainnosta. Esimerkiksi vuonna 1928 Alexander Flemingin kasvattamaan bakteeriviljelmään oli päässyt homekasvustoa, minkä seurauksena kyseisen viljelmän bakteerit tuhoutuivat. Fleming ihmetteli havaintoaan ja lähti tutkimaan, mistä se johtui. Hän esitti olettamuksen, että home oli erittänyt ympäristöönsä kemiallista ainetta, joka oli tappanut bakteerit.
Fleming tutki hypoteesiaan koejärjestelyjen avulla ja päätyi siihen, että Penicillium-sukuun kuuluva home tappoi bakteerit. Tästä havainnosta ja Flemingin tekemästä tutkimuksesta kehitettiin yksi 1900-luvun merkittävimmistä keksinnöistä, penisilliini (antibiootti). Flemingin sanotaan todenneen nöyränä oivalluksestaan: "Ainoa saavutukseni on, että en jättänyt havaintoa huomioimatta ja jatkoin asian tutkimista.”
Bakteerien kasvatusta veriagar-liuoksessa.
4.4 Biologiset mallit ja teoriat
Biologiassa käytetään malleja kuvaamaan todellisuutta. Mallien tarkoituksena on kuvata ja yksinkertaistaa biologisia ilmiöitä niin, että ne on helpompi ymmärtää ja niiden tutkimus on helpompaa. Esimerkiksi Watson ja Crick rakensivat DNA:n kuvantamisen avulla kolmiulotteisen molekyylimallin (vasemmanpuoleinen kuva). Toisaalta esimerkiksi viruksen rakenteita voidaan mallintaa mm. elektronimikroskopian ja tietokonemallinnuksen avulla (oikeanpuoleinen kuva).
Vasemmalla: Yksi ensimmäisistä DNA-malleista. Oikealla: Koronaviruksen rakenteita voidaan mallintaa mm. elektronimikroskopian ja tietokonemallinnuksen avulla.
Mallien avulla voidaan tehdä simulaatioita, eli ennustuksia siitä, mitä tulevaisuudessa tulee tapahtumaan. Esimerkiksi populaation kasvua voidaan matemaattisesti mallintaa erilaisilla yhtälöillä ja näin laskea, miten tulevaisuudessa eri lajien yksilömäärät muuttuvat tai tartuntataudit leviävät.
Vuorovaikutusmalleilla, kuten ravintoverkoilla tai geenien vuorovaikutusverkoilla, voidaan arvioida miten muutos yhdessä mallin osassa vaikuttaa muun mallin toimintaan. Esimerkiksi tietyn lajin häviäminen ekosysteemistä tulee vaikuttamaan muiden lajien yleisyyteen ja koko ekosysteemin toimintaan.
Ravintoverkko on esimerkki ekologisesta vuorovaikutusmallista, jossa ravintoketjut linkittyvät yhteen. Ympyröillä esitetään tuottajia, neliöillä 1.asteen kuluttajia, vinoneliöillä 2. ja ylemmän asteen kuluttajia ja huippupeto tähdellä. Hajottajat on merkitty kolmiolla.
Arkikielessä teorialla tarkoitetaan yleensä jotain suhteellisen epävarmaa ja hataraa päätelmää. Tieteessä teoria tarkoittaa kuitenkin eri asiaa: tieteellinen teoria on laajan ilmiön kokonaisselitys. Sillä tarkoitetaan perusteltua ja todistettu väitettä jonkin ilmiön selittämiseksi. Tieteellisen teorian syntymiseen vaaditaan monia tutkimuksia, eikä yhden tutkimuksen perusteella voi vielä muotoilla tieteellistä teoriaa. Tieteellisen teorian pitäisi pystyä selittämään suuri osa kokeellisista havainnoista mahdollisimman yksinkertaisella tavalla. Teoriasta pystytään johtamaan ennusteita, joita voidaan testata tutkimuksella.
Teoriaa voidaan tarkentaa uusien tulosten avulla, mutta joskus teoria kumoutuu uudemmalla teorialla, joka selittää havainnot paljon paremmin. Esimerkiksi moderni evoluutioteoria on tieteellinen teoria, joka on muotoiltu lukuisten eri biologian alojen tutkimusten perusteella. Darwinin evoluutioteoria on luonut pohjan nykyiselle evoluutioteorialle. Tämä evoluutioteoria on tarkentunut, kun tutkimuksissa on saatu lisää tietoa esimerkiksi perinnöllisyyden lainalaisuuksista, DNA:n rakenteesta ja mutaatioiden merkityksestä.
Vasemmalla: Yksi ensimmäisistä DNA-malleista. Oikealla: Koronaviruksen rakenteita voidaan mallintaa mm. elektronimikroskopian ja tietokonemallinnuksen avulla.
Mallien avulla voidaan tehdä simulaatioita, eli ennustuksia siitä, mitä tulevaisuudessa tulee tapahtumaan. Esimerkiksi populaation kasvua voidaan matemaattisesti mallintaa erilaisilla yhtälöillä ja näin laskea, miten tulevaisuudessa eri lajien yksilömäärät muuttuvat tai tartuntataudit leviävät.
Vuorovaikutusmalleilla, kuten ravintoverkoilla tai geenien vuorovaikutusverkoilla, voidaan arvioida miten muutos yhdessä mallin osassa vaikuttaa muun mallin toimintaan. Esimerkiksi tietyn lajin häviäminen ekosysteemistä tulee vaikuttamaan muiden lajien yleisyyteen ja koko ekosysteemin toimintaan.
Ravintoverkko on esimerkki ekologisesta vuorovaikutusmallista, jossa ravintoketjut linkittyvät yhteen. Ympyröillä esitetään tuottajia, neliöillä 1.asteen kuluttajia, vinoneliöillä 2. ja ylemmän asteen kuluttajia ja huippupeto tähdellä. Hajottajat on merkitty kolmiolla.
Arkikielessä teorialla tarkoitetaan yleensä jotain suhteellisen epävarmaa ja hataraa päätelmää. Tieteessä teoria tarkoittaa kuitenkin eri asiaa: tieteellinen teoria on laajan ilmiön kokonaisselitys. Sillä tarkoitetaan perusteltua ja todistettu väitettä jonkin ilmiön selittämiseksi. Tieteellisen teorian syntymiseen vaaditaan monia tutkimuksia, eikä yhden tutkimuksen perusteella voi vielä muotoilla tieteellistä teoriaa. Tieteellisen teorian pitäisi pystyä selittämään suuri osa kokeellisista havainnoista mahdollisimman yksinkertaisella tavalla. Teoriasta pystytään johtamaan ennusteita, joita voidaan testata tutkimuksella.
Teoriaa voidaan tarkentaa uusien tulosten avulla, mutta joskus teoria kumoutuu uudemmalla teorialla, joka selittää havainnot paljon paremmin. Esimerkiksi moderni evoluutioteoria on tieteellinen teoria, joka on muotoiltu lukuisten eri biologian alojen tutkimusten perusteella. Darwinin evoluutioteoria on luonut pohjan nykyiselle evoluutioteorialle. Tämä evoluutioteoria on tarkentunut, kun tutkimuksissa on saatu lisää tietoa esimerkiksi perinnöllisyyden lainalaisuuksista, DNA:n rakenteesta ja mutaatioiden merkityksestä.
4.5 Biologisen tutkimuksen vaiheet
Biologisen tutkimuksen pohjana ovat aikaisemmat havainnot tai ilmiöt, jotka tarvitsevat tarkempaa tutkimista. Aikaisempien havaintojen perusteella tutkija laatii yhden tai useamman hypoteesin eli perustellun olettamuksen. Hypoteesi on todennäköinen selitys tutkittavalle ilmiölle. Hypoteesin perusteluiden tulee pohjautua aikaisempiin teorioihin, havaintoihin ja tutkimuksiin. Hypoteesi muotoillaan väitteen muotoon, jonka paikkansapitävyyttä testataan tutkimuksessa. Seuraavaksi tutkija testaa hypoteesinsa paikkansapitävyyttä tekemällä hypoteesin pohjalta ennustuksia. Näitä ennustuksia voidaan testata tekemällä havaintoja tai laatimalla kokeita.
Usein tutkija asettaa selkeitä tutkimuskysymyksiä, joilla pyritään selvittämään, pitävätkö ennusteet paikkansa. Koe on toistettava monta kertaa ennen kuin voidaan sanoa, että tulokset ovat luotettavia. Jos ennusteet eivät toteudu, hypoteesi todetaan kokeen perusteella vääräksi. Tällöin hypoteesi hylätään.
Tieteellisen menetelmän luonteeseen kuuluu, ettei hypoteesia koskaan kokonaan hyväksytä, mutta se voidaan hylätä uuden tiedon perusteella. Tämä toimintaperiaate johtaa siihen, että tieteellinen tieto on jatkuvasti tarkentuvaa ja itseään korjaavaa.
Luonnontieteelliseen tutkimukseen kuuluu, että koe on toistettavissa muidenkin tutkijoiden toimesta. Siksi koejärjestelyistä ja tuloksista laaditaan raportti eli tarkka kuvaus.
Jos muissakin tutkimuksissa saadaan samanlaiset tulokset ja johtopäätökset, tutkimustuloksia voidaan pitää luotettavina. Tutkittavaan ilmiöön liittyvistä tiedoista voidaan koota yhtenäinen teoria eli tieteellinen selitys ilmiölle.
Biologinen tutkimus ei aina etene suoraviivaisesti, sillä tutkimuksen aikana voi nousta esille kysymyksiä, joiden takia tutkimusasetelma voi vaatii tarkennusta. Joskus tutkimuskysymykseen ei voida vastata ja tulokset eivät tue aluksi asetettua hypoteesia. Tällöin palataan taaksepäin ja muotoillan uusi hypoteesi, jota lähdetään tutkimaan uudestaan.
Havainnosta teoriaan.
Tiivistelmä
- Biologinen tutkimus perustuu usein havainnointiin tai kokeiden tekemiseen.
- Havainnoivassa tutkimuksessa seurataan tutkimuskohteita luonnossa eikä olosuhteita vakioida.
- Kokeellisesta tutkimusta tehdään usein laboratoriossa. Siinä pyritään vakioimaan kaikki muut olosuhteet paitsi mitattavat muuttujat.
- Biologiseen tutkimukseen voi kuulua:
- Havaintojen tekeminen
- Hypoteesin laatiminen
- Hypoteesin testaaminen koejärjestelyllä tai havainnoimalla
- Tulosten tulkinta ja johtopäätösten tekeminen
- Hypoteesin hyväksyminen / hylkääminen
- Tiedon julkaiseminen
- Teorian kehittäminen
- Biologiasta tutkimusta voidaan tehdä elävissä eliöissä (in vivo), niiden ulkopuolella (in vitro) tai mallintamalla tietokoneella (in silico).
- Biologisten mallien tarkoitus on yksinkertaistaa ilmiöitä ja kuvata ne ymmärrettävästi.