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Lektion 2: Die Wissenschaft der Biologie

Kontrollierte Experimente

Wie Wissenschaftlicher Experimente durchführen und Beobachtungen machen, um Hypothesen zu überprüfen.

Einführung

Biologen und andere Wissenschaftlicher verwenden die wissenschaftliche Methode, um Fragen über die Natur zu beantworten. Die wissenschaftliche Methode beginnt mit einer Beobachtung, welche dazu führt, dass der Wissenschaftler eine Frage stellt. Sie oder er stellt dann Hypothese auf, eine überprüfbare Erklärung, die sich mit der Frage befasst .

Eine Hypothese ist nicht unbedingt richtig. Stattdessen ist sie eine "bestmögliche Vermutung" und der Wissenschaftler muss überprüfen, ob sie tatsächlich korrekt ist. Wissenschaftler überprüfen Hypothesen, indem sie Vorhersagen treffen: Wenn Hypothese

X

richtig ist, dann sollte

Y

wahr sein. Dann führen sie Versuche durch, um zu sehen, ob ihre Vorhersagen richtig sind. Sind sie es, wird die Hypothese unterstützt. Wenn sie nicht richtig sind, ist es vielleicht Zeit für eine neue Hypothese.

Wie werden Hypothesen überprüft?

Wenn es möglich ist, überprüfen Wissenschaftler ihre Hypothesen mit kontrollierten Experimenten. Ein kontrolliertes Experiment ist ein wisenschaftlicher Versuch, der unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt wird. Das heißt, dass jeweils nur ein Faktor (oder wenige Faktoren) geändert wird, während alle anderen konstant gehalten werden. Wir werden uns kontrollierte Experimente im nächsten Abschnitt genauer anschauen.

In einigen Fällen gibt es keine gute Möglichkeit, eine Hypothese mithilfe eines kontrollierten Experiments zu überprüfen (aus praktischen oder ethischen Gründen). In diesem Fall kann ein Wissenschaftlicher eine Hypothese überprüfen, indem er Vorhersagen über Muster trifft, die in der Natur zu sehen sein müssten, wenn die Hypothese richtig ist. Dann kann sie oder er Daten sammeln, um festzustellen, ob das Muster tatsächlich vorhanden ist.

Kontrollierte Experimente

Was sind die wichtigsten Zutaten für ein kontrolliertes Experiment? Wir betrachten ein einfaches (sogar albernes) Beispiel, um das zu veranschaulichen.

Angenommen, ich beschließe, Bohnensprossen in meiner Küche nah am Fenster anzuziehen. Ich lege Bohnensamen in einen Topf mit Erde, stelle ihn auf das Fensterbrett und warte darauf, dass die Samen sprießen. Aber nach einigen Wochen habe ich keine Sprossen. Warum nicht? Naja, es stellt sich heraus, dass ich vergessen habe, die Samen zu gießen. Daher stelle ich die Hypothese auf, dass sie aufgrund des Wassermangels nicht gekeimt haben.

Um meine Hypothese zu überprüfen, führe ich ein kontrolliertes Experiment durch. In diesem Experiment richte ich zwei identische Töpfe ein. Beide enthalten zehn Bohnensamen in der gleichen Art von Erde und beide werden am gleichen Fenster aufgestellt. Tatsächlich gibt es nur eine Sache, die ich bei beiden Töpfen unterschiedlich mache:

Einen Topf mit Samen gieße ich jeden Nachmittag.
Den anderen Topf mit Samen gieße ich gar nicht.

Nach einer Woche sind neun von zehn Samen in dem bewässerten Topf gekeimt, während keiner der Samen im trockenen Topf gekeimt haben. Es scheint, dass die "Samen brauchen Wasser"-Hypothese wahrscheinlich richtig ist!

Diese einfache Beispiel stellt folgendermaßen die Bestandteile eines kontrollierten Experiments dar.

Kontroll- und Versuchsgruppen

In dem Experiment gibt es zwei Gruppen, die identisch sind, außer dass einer eine Behandlung (Wasser) erhält, der andere jedoch nicht. Die Gruppe, die in einem Experiment die Behandlung erhält (hier: der gegossene Topf) wird Versuchsgruppe genannt, während die andere Gruppe, die keine Behandlung erhält (hier: der trockene Topf), Kontrollgruppe genannt wird. Die Kontrollgruppe bietet eine Grundlage, die uns erkennen lässt, ob die Behandlung eine Wirkung hat.

Nicht unbedingt. Im Allgemeinen muss ein kontrolliertes Experiment immer eine Kontrollgruppe als Grundlage haben. Es kann jedoch mehrere Versuchsgruppen haben, die alle eine etwas andere Behandlung erhalten.

Wir könnten zum Beispiel eine Kontrollgruppe mit Bohnensamen haben, die kein Wasser bekommen, plus drei Versuchsgruppen: Eine bekommt jeden Tag Wasser, eine bekommt alle zwei Tage Wasser und die dritte bekommt einmal in der Woche Wasser.

Unabhängige und abhängige Variablen

Der Faktor, der zwischen den Kontroll- und Versuchsgruppen unterschiedlich ist (in diesem Fall die Wassermenge) wird unabhängige Variable genannt. Diese Variable ist unabhängig, da sie nicht davon abhängt, was im Experiment passiert. Stattdessen ist sie etwas, das der Experimentator anwendet oder selbst wählt.

Unabhängige Variablen

Experimentelle Ergebnisse sind viel einfacher zu interpretieren und auszuwerten, wenn es nur eine unabhängige Variable (ein Faktor, der sich zu einem Zeitpunkt ändert) gibt. Vor allem, wenn du gerade erst in die Biologie einsteigst, gilt als Faustregel, dass du dich auf eine unabhängige Variable pro Experiment beschränken solltest.

Wenn du ausreichend Laborpraxis und einiges Hintergrundwissen zu Statistik hast, kannst du darüber nachdenken, Experimente mit zwei unabhängigen Variablen gleichzeitig durchzuführen. Vielleicht möchtest du zum Beispiel herausfinden, wie sich Wasser- und Lichtmengen gemeinsam auf das Keimen von Bohnensamen auswirken. Ein gut aufgebautes Experiment mit zwei unabhängigen Variablen kann dir zeigen, ob die Variablen interagieren (den jeweils anderen Effekt verändern). Experimente mit mehr als einer unabhängigen Variablen müssen jedoch spezifischen Richtlinien im Aufbau folgen und die Ergebnisse müssen durch eine spezielle Klasse von statistischen Tests analysiert werden, um die Effekte der beiden Variablen zu trennen.

Abhängige Variablen

Mehr als eine abhängige Variable zu haben, ist sehr einfach. Um eine abhängige Variable hinzuzufügen, kannst du einfach ein weiteres Ergebnis auswählen, das du für jede der Gruppen in deinem Experiment messen möchtest. Neben der Erfassung des Anteils gekeimter Bohnensamen in jedem Topf könntest du zum Beispiel auch die Höhe der Keime messen. In diesem Fall wären sowohl der Anteil gekeimter Samen als auch die Höhe der Keime abhängige Variablen.

Im Gegensatz dazu ist die abhängige Variable in einem Experiment die Reaktion, die gemessen wird, um zu sehen, ob die Behandlung eine Wirkung hatte. In diesem Fall ist der Anteil gekeimter Bohnensamen die abhängige Variable. Die abhängige Variable (Anteil gekeimter Samen) hängt ab von der unabhängigen Variablen (der Wassermenge) und nicht umgekehrt.

Experimentelle Daten (Singular: Datum) sind Beobachtungen, die während eines Experiments gemacht wurden. In diesem Fall waren die gesammelten Daten die Anzahl von Bohnensprossen in jedem Topf nach einer Woche.

Variabilität und Wiederholung

Von zehn gegossenen Bohnensahmen keimten nur neun aus. Was ist mit dem zehnten Samen passiert? Dieser Samen war vielleicht tot, krank oder spross einfach nur langsam. Besonders in der Biologie (wo komplexe Lebenwesen untersucht werden) kommen oft Schwankungen im für Experimente verwendeten Material - hier den Bohnensamen - vor, die der Experimentator nicht sehen kann.

Aufgrund des Potenzials für Schwankungen (Variationen) benötigen biologische Experimente einen großen Probenumfang und sollten im Idealfall mehrmals wiederholt werden. Der Begriff Probenumfang bezieht sich auf die Anzahl an individuellen Elementen, die in einem Experiment getestet werden – in diesem Fall

10

Bohnensamen pro Gruppe. Wenn mehr Proben verwendet werden und das Experiment mehrmals wiederholt wird, sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass wir aufgrund zufälliger Schwankungen eine falsche Schlussfolgerung ziehen.

Biologen und andere Wissenschaftler verwenden auch statistische Tests, die ihnen dabei helfen, echte Unterschiede von Unterschieden aufgrund zufälliger Schwankungen zu unterscheiden (z. B. beim Vergleich von Versuchs- und Kontrollgruppen).

Kontrollierte experimentelle Fallstudie: ${CO}_{2}$ ‍ und Korallenbleiche

Als ein realistischeres Beispiel für ein kontrolliertes Experiment betrachten wir eine aktuelle Studie zur Korallenbleiche. Im Inneren von Korallen leben normalerweise kleine, Photosynthese betreibende Organismen. Verlassen diese die Koralle, meist aufgrund von Umweltstress, bleichen die Korallen aus. Das folgende Foto zeigt eine ausgeblichene Koralle im Vordergrund und eine gesunde Koralle im Hintergrund.

Sehr viel Forschung nach der Ursache der Bleiche hat sich auf die Wassertemperatur konzentriert

^{1}

. Ein australisches Forscherteam stellte jedoch die Hypothese auf, dass andere Faktoren vielleicht auch wichtig sind. Vor allem überprüften sie die Hypothese, dass hohe

{CO}_{2}

-Konzentrationen, welche Meerwasser sauer machen, auch das Ausbleichen fördern.

^{2}

Welche Art von Experiment würdest du durchführen, um diese Hypothese zu überprüfen? Mach dir Gedanken über:

Was würden deine Kontroll- und Versuchsgruppen sein?
Was würden deine unabhängigen und abhängigen Variablen sein?
Welche Ergebnisse würdest du in jeder Gruppe erwarten?

Hast du es versucht?

Versuchsaufbau

Das australische Team sammelte viele Stücke einer bestimmten Korallenart (Acropora intermedia) auf dem Great Barrier Reef. Dann teilten sie die Stücke in drei Gruppen auf und legten jede Gruppe in Wasser mit einem anderen

pH

-Wert (Säuregrad). Nach acht Wochen überprüften die Forscher jedes Stück, um zu sehen, wie sehr es ausgebleicht ist.

Einge Korallen wurden in Tanks mit normalem Meerwasser, welches nicht sehr sauer ist ( $pH$ ‍-Wert etwa $8, 2$ ‍) angebaut. Die Korallen in diesen Tanks dienten als Kontrollgruppe.
Andere Korallen wurden in Tanks mit Meerwasser angebaut, die aufgrund einer Zugabe von ${CO}_{2}$ ‍ saurer als normal waren. Ein Satz der Tanks war mittelsauer ( $pH$ ‍-Wert etwa $7, 9$ ‍), während ein anderer Satz starksauer ( $pH$ ‍-Wert etwa $7, 65$ ‍) war. Sowohl die mittelsaure als auch die starksaure Gruppe waren Versuchsgruppen.
In diesem Experiment war die unabhängige Variable der Säuregrad ( $pH$ ‍-Wert) des Meerwassers. Die abhängige Variable war der Bleichegrad der Korallen.

Die Forscher verwendeten einen großen Probenumfang und versuchten ihr Experiment. Jeder Tank enthielt $5$ ‍ Korallenstücke und es gab $5$ ‍ identische Tanks für jede Gruppe (Kontrolle, mittelsauer und starksauer).
Versuchsaufbau, um den Einfluss des Säuregrads von Wasser auf die Korallenbleiche zu untersuchen.
Kontrollgruppe: Korallenstücke wurden in einen Tank mit normalem Meerwasser (pH 8,2) gelegt.
Versuchsgruppe 1: Korallenstücke wurden in einen Tank mit leicht angesäuertem Meerwasser (pH 7,9) gelegt.
Versuchsgruppe 2: Korallenstücke wurden in einen Tank mit stärker angesäuertem Meerwasser (pH 7,65) gelegt.
Der Säuregrad des Wasser ist die unabhängige Variable.
Nachdem 8 Wochen vergangen waren ...
Kontrollgruppe: Die Korallen verloren im Durchschnitt 10 % ihrer Farbe.
Versuchsgruppe 1 (mittelsauer): Die Korallen verloren im Durchschnitt 20 % ihrer Farbe.
Versuchsgruppe 2 (starksauer): Die Korallen verloren im Durchschnitt 40 % ihrer Farbe.
Der Bleichegrad der Korallen ist die abhängige Variable.
Hinweis: Keiner der Tanks war "sauer" auf einer absoluten Skala. Das heißt, die $pH$ ‍-Werte waren alle über dem neutralen $pH$ ‍-Wert von $7, 0$ ‍. Die Gruppen der experimentellen Tanks waren jedoch mittel- und starksauer für die Korallen, das heißt relativ zu ihrem natürlichen Lebensraum im einfachen Meerwasser.

Analyse der Ergebnisse

Bei der Analyse ihrer Ergebnisse fanden die Forscher heraus, dass Korallen im mittelsauren Wasser im Durchschnitt etwa

20 %

ihrer Farbe verloren, während die Korallen im starksauren Wasser im Durchschnitt etwa

40 %

ihrer Farbe verloren. Die Kontrollproben verloren dagegen nur etwas mehr als

10 %

ihrer Farbe.

Dieses Beispiel zeigt, warum es wichtig ist, eine Kontrollgruppe zu haben: Dank der Kontrolle wussten die Forscher, dass ihre Korallen im normalen Wasser leicht ausbleichen, wenn sie in Tanks wachsen, aber mehr ausbleichen, wenn das Wasser saurer ist. Unter Verwendung von statistischen Tests fanden die Forscher heraus, dass der Säuregrad einen signifikanten Effekt auf das Ausbleichen hat (das heißt, dass höhere Bleichegrade in den Versuchstanks wahrscheinlich nicht durch zufällige Schwankungen erklärt werden können).

Nicht-experimentelle Überprüfungen einer Hypothese

Einige Arten von Hypothesen können aus ethischen oder praktischen Gründen nicht in kontrollierten Experimenten überprüft werden. Eine Hypothese über virale Infektionen kann zum Beispiel nicht überprüft werden, indem gesunde Menschen in zwei Gruppen geteilt und eine Gruppe infiziert wird: Gesunde Menschen zu infizieren wäre nicht sicher oder ethisch. In ähnlicher Weise kann ein Ökologe, der die Effekte von Regen untersucht, es nicht in einem Teil des Kontinents regnen lassen, während er einen anderen als Kontrolle trocken hält.

In solchen Situationen können Biologen nicht-experimentelle Formen von Hypothesen-Überprüfungen anwenden. Bei einer nicht-experimentellen Überprüfung einer Hypothese sagt ein Forscher Beobachtungen oder Muster voraus, die in der Natur zu sehen sein müssten, wenn die Hypothose richtig ist. Sie oder er sammelt und analysiert dann Daten, um zu sehen, ob die Muster tatsächlich vorhanden sind.

Fallstudie: Korallenbleiche und Temperatur

Ein gutes Beispiel für die Überprüfung einer Hypothese anhand von Beobachtungen entstammt frühen Studien zur Korallenbleiche. Wie schon erwähnt, kommt es zur Bleiche, wenn die Korallen die Photosynthese betreibenden Mikroorganismen, die in ihnen leben, verlieren und deshalb weiß werden. Forscher vermuteten, dass die Wassertemperatur die Bleiche auslöst und die überprüften diese Hypothese experimentell in einem kleinen Umfang (sie verwendeten isolierte Korallenstücke in Tanks)

^{3, 4}

Was Ökologen am liebsten wissen wollten, war jedoch, ob die Wassertemperatur die Bleiche bei vielen verschiedenen Korallenarten in ihrer natürlichen Umgebung auslöst. Diese umfassendere Frage konnte experimentell nicht beantwortet werden, da es nicht ethisch (oder gar nicht möglich) wäre, die Wassertemperatur rund um die gesamten Korallenriffe künstlich zu verändern.

Instatt die Hypothese, dass die natürliche Bleiche durch einen Anstieg der Wassertemperatur verursacht wird, zu überprüfen, schrieb ein Forscherteam ein Computerprogramm, um das Auftreten einer Bleiche basierend auf Echtzeit-Daten zur Wassertemperatur vorherzusagen. Das Programm würde zum Bespiel in der Regel eine Bleiche für ein bestimmtes Riff vorhersagen, wenn die Temperatur in der Umgebung des Riffs seinen durchschnittlichen, monatlichen Höchstwert um

1

^{\circ} C

oder mehr überschreitet

^{1}

Das Computerprogramm konnte viele Bleichen Wochen oder sogar Monate, bevor sie gemeldet wurden, vorhersagen, einschließlich einer großen Bleiche des Great Barrier Reefs im Jahre 1998

^{1}

. Die Tatsache, dass ein Temperatur-basiertes Modell Bleichen vorhersagen konnte, unterstützt die Hypothese, dass hohe Wassertemperaturen Bleichen in natürlich vorkommenden Korallenriffen auslösen.

Zuordnung:

Dieser Artikel ist eine veränderte Version von "The science of biology", OpenStax College, Biology (CC BY 4,0). Der Originalartikel ist kostenlos erhältlich unter http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10,4.

Der veränderte Artikel ist lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0.

Zitierte Werke:

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