Metoder i biologi

Til SRP og andre opgaver i gymnasiet

Eksperimentet og data er råmaterialet i alle metoder

Biologi bruger en række teorier og kendsgerninger dannet på baggrund af eksperimenter og iagttagelser. Da biologien er læren om det levende og beskriver levende væsners opståen, udvikling, struktur og samspillet med den øvrige natur (økologi), vil der være en række forskellige metoder som passer til forskellige forskningsområder og undersøgelsesfelter.

En eller flere metoder kan komme i spil, og i måles på jeres evne til at vælge de(n) metode der er det bedste redskab til at give jer det svar i ønsker i opgaven.

I kan sjældent selv udføre eksperimenterne fordi i ikke har tid nok. Derfor skal i beskrive de metoder forskere har brugt, og vurdere de resultater de har fået. Både hvad de opnår ved at bruge metoden, men i skal også være kritiske og overveje hvad undersøgelsen IKKE fortæller.

Biologi har mindst fem metoder:

1. Iagttagelser

2. Laboratorieforsøg

3. Feltundersøgelser

4. Epidemiologiske undersøgelser

5. Modeller.

Iagttagelser

Biologiske iagttagelser er væsentlige for udviklingen af biologisk viden. Man skelner mellem kvalitative og kvantitative iagttagelser. De kvalitative beskæftiger sig med egenskaben ved en genstand eller proces fx form, farve, lugt, smag eller lyd. Det kunne være hvordan en svane ser ud eller hvordan en celle eller et molekyle er opbygget. De kvantitative iagttagelser beskæftiger sig med antal, mængder og størrelser som kan tælles eller måles. Det kunne være antallet af svaner i en sø eller hvor stor en mængde stof et enzym kan omdanne per tidsenhed. Disse biologiske iagttagelser eller data kaldes empiri og kan anvendes til at udvikle biologiske teorier. Teoriudvikling er hele tiden i vekselvirkning med empirien. Hvis mange empiriske data peger på en bestemt sammenhæng vil man udvikle en (først hypotese) og en teori der beskriver den sammenhæng man tror der er. Teorier er midlertidige, da de altid kan væltes af ny empiri der kan gøre os klogere.

Hvis man laver en biologisk teori udelukkende fra empiriske undersøgelse(iagttagelser) kaldes det den induktive metode. Iagttagelser har spillet en afgørende rolle i udviklingen af den klassiske biologi, for eksempel udviklingen af botanikeren Linnés klassifikationssystem, som opdeler alt levende i arter inden for forskellige, arter, slægter familier og riger. Mange biologiske opdagelser starter med en systematisk iagttagelse af naturen, som skaber overblik over undersøgelsesfeltet. Den induktive metode har det logiske problem, at det ikke en logisk gyldig slutning. Faren ved at lave induktive teorier er at man ikke kan være sikker på at have iagttaget nok til at man kan være sikker på en videnskabelig sandhed. Hvis man fx ud fra danske iagttagelser siger at alle svaner er hvide, ville man begå en fejl, da der findes sorte svaner. Hvis man siger at alle enzymer ødelægges ved 60 grader celsius, ville man have overset enzymaktiviteten hos bakterier som lever i varme kilder.

adventure, holiday, tour

Laboratorieforsøg

Biologiske laboratorieforsøg har ofte til formål at undersøge en enkelt faktors betydning. Man udfører det der kaldes et kontrolleret forsøg med variabel kontrol, hvor man holder alle andre faktorer konstante undtagen en faktor (énfaktorforsøg). Denne styrende eller uafhængige variabels betydning for en anden egenskab (den afhængige variabel) undersøges.

Hvad sker der fx med en plantes vækst, hvis den ikke får tilført fosfat? Man sammenligner resultatet for planten som mangler fosfat med et kontrol forsøg, hvor planten for tilført fosfat. Alle andre faktorer holdes konstant. Disse laboratorieforsøg laves ikke tilfældigt, men starter oftest med en teori. Ud fra denne teori laver man en hypotese, som er en kvalificeret forventning til, hvordan forsøget vil falde ud. Hvis man har en teori om at fosfat er vigtigt for planters dannelse af DNA, kunne man lave en hypotese som siger at plantevæksten er afhængig af at der er fosfat i jorden.

Hvis man har en biologisk teori og ud fra den kommer frem til en viden, kaldes metoden for hypotetisk-deduktive. Det foregår ved at man opstiller en hypotese ud fra en teori, og så tester man hypotesen ved et kontrolleret forsøg. Hvis resultaterne fra forsøget bekræfter hypotesen, kan det styrke teorien og medføre ny biologisk viden. Hvis forsøget derimod ikke bekræfter hypotesen, kan det enten være forsøget (det er derfor vi har fejlkilder) eller teorien der er noget galt ved. Fordelen ved denne metode er, at vi kan se en sammenhæng mellem årsag og virkning, man er ikke usikker på hvilken faktor afgjorde udfaldet af forsøget. Man bliver forholdsvis sikker på en afgrænset del at virkeligheden ved det kontrollerede forsøg. Man lægger således brik til brik til en større og mere dybdegående forståelse af det biologiske verdensbillede. Ulempen er, at man ikke nødvendigvis ud fra laboratorieforsøget ved hvad der sker i den ”virkelige” verden. I naturen er der, i modsætning til det kontrollerede forsøg, mange faktorer som påvirker de levende organismer. Plantevæksten vil fx afhænge af mange andre faktorer som fx lys, nitrat, vand mm. Andre problemer ved det kontrollerede forsøg er spørgsmålet om, hvad sker der fx med en organisme som udsættes for flere ændringer samtidigt? Nogle faktorer forstærker hinanden (synergieffekt) andre dæmper den samlede virkning (antagonistisk effekt).

Endeligt er det vigtigt at huske på, at helt nye egenskaber opstår når man bevæger sig fra et organisationsniveau (fx cellen) til et højere niveau (fx organismen). Det er eksempelvis vanskeligt at beskrive menneskets bevidsthed, ud fra en nok så detaljeret forståelse af hvordan en nervecelle fungerer, og det er selvom hjernen består af nerveceller. Man skal være sikker på de biologiske detaljer for at kunne udtale sig om helheden, men helheden kan være mere end summen af de biologisk systemers enkelte dele. I SRP og til det mundtlige forsvar skal du derfor være kritisk over for hvilken metode der er brugt til at besvare forskellige biologiske spørgsmål og beskrive styrken og svagheden ved metoden.

animal, mouse, experiment

Feltundersøgelser

Feltundersøgelser er målinger foretaget i naturen. Her er det oftest umuligt at have kontrol med alle de variable faktorer (temperatur, vind, nedbør, andre organismer mm). Man vil derfor ofte få resultater som har en vis variation. Feltundersøgelser tilrettelægges derfor ofte i nogle tids serier, så man fx får et indtryk af variationen af ex temperatur eller nitratindhold i en sø igennem et år. Feltundersøgelser er vigtige når man vil overvåge naturens tilstand. Det kan være forurening af vandmiljøet, luften eller jorden. Metodemæssigt er der forskel på om man måler de forurenede stoffer, eller indirekte måler på de organismer kan leve i miljøet. Hvis man fx måler næringsstofindholdet eller iltindholdet i en å, vil det være nødvendigt at måle mange gange i løbet af et døgn og i løbet af året pga. de store variationer. Hvis man derimod måler på indikator arter (fx om der er slørvinger, døgnfluer mm i en makroindeksundersøgelse) vil sammensætning af dyr være et ”gennemsnitligt” mål af vandløbets tilstand, da dyrene lever i åen hele tiden. Sådanne metodemæssige overvejelser bliver ofte påvirket af hvilke ressourcer man har til rådighed (penge, mandskab, udstyr mm).

Fordelen ved feltundersøgelser er at de afspejler forhold i den levende natur, det man kunne kalde den ”virkelige” verden. Ulemperne er at mange faktorer kan være med til at påvirke det målte resultat så vi kan aldrig blive helt sikre på årsagen til at noget stiger eller falder. Betydning af fx fosfatmængden i jorden for plantevæksten kan et tørt år være anderledes end en regnfuld periode. Man vender derfor ofte tilbage til laboratoriet for at lave nye kontrollerede forsøg med nye faktorer efter målinger i felten.

european roe deer, capreolus capreolus, forest

Epidemilogiske undersøgelser

Epidemiologiske undersøgelser går ud på at man måler sygdomshyppigheden i en befolkningsgruppe, som bliver udsat for et bestemt stof, eller en bestemt påvirkning. Denne hyppighed sammenligner man med hyppigheden af samme sygdom i en anden gruppe mennesker, kontrolgruppen, som ikke har været udsat for den pågældende påvirkning. Hvis hyppigheden af sygdommen er større i den første gruppe end i kontrolgruppen, kan man slutte, at påvirkningen muligvis kan være årsag til sygdommen. Epidemiologiske undersøgelser kan fortages som spørgeskemaundersøgelser eller ved direkte observationer, man benytter således såvel kvantitative som kvalitative metoder.

coranavirus, public, virus

Forekomsten af kræft sammenholdt med arbejdsmiljø kan give et fingerpeg om årsager til kræft. Tilsvarende kan kost og motionsundersøgelser sammenholdes med forekomsten af hjerte-kar-sygdomme i en befolkningsgruppe. Fordelene ved epidemiologiske undersøgelser er, at de afspejler nogle sammenhænge, som findes i det virkelige liv. I modsætning til mange af de kontrollerede laboratorieforsøg, som er konstruerede situationer, viser befolkningsundersøgelserne reelt forkomne sygdomsudbredelser i befolkningen, eksempelvis udbredelsen af hjerte-kar-sygdomme i forskellige erhverv.

Problemet ved epidemiologiske undersøgelser er, at man ikke kan bevise årsagssammenhæng, fordi man jo rent statistisk kan sammenligne alt mellem himmel og jord (fx antallet af babyer og storkebestanden). De har begge været faldende i Danmark igennem årtier, men er der en årsagssammenhæng?!

Hvis vi måler at en gruppe mennesker har en høj cadmium koncentration i kroppen og samtidig har en overhyppighed af blodpropper i hjertet, kan der være tale om en statistisk sammenhæng og ikke nødvendigvis en årsagssammenhæng. Det kan være en tredje bagvedliggende faktor, som øger såvel cadmiumkoncentrationen i kroppen som sandsynligheden for at udvikle en blodprop i hjertet. Det kunne være rygning, som vi ved medfører begge dele. Det ville da være en falsk årsagssammenhæng at konkludere, at cadmium medfører blodpropper i hjertet.

Modeller

Da der er etiske grænser for hvad man kan udsætte mennesker for, har man udviklet en række eksperimenter med dyr. Man kan fx studere effekten af langvarige udsættelser for forskellige giftige stoffer Fordelen er at man kan afprøve stoffet på et stort antal individer. Ulempen ved at anvende dyr som modeller er, at det er vanskeligt at overføre resultaterne til mennesket. Dyr reagerer måske anderledes på giftstoffet end mennesker ville gøre. Man har udviklet en række dyr til at simulere menneskelige sygdomme som fx mus med kræft eller Parkinson syge, klonede Alzheimergrise m.m., som man anvender som modeller. Disse dyre modeller skal dels anvendes for at forstå sygdommen bedre, dels for at afprøve forskellige behandlingsmetoder. Dette har naturligvis ført til en omfattende dyreetisk diskussion. I visse tilfælde kan man anvende celle og vævskulturer som modeller i stedet for at anvende forsøgsdyr. Man har også udviklet modeller over forskellige biotoper i laboratoriet, hvor man fx anvender modellerne til at måle ændringer på flere faktorer samtidigt – fx tungmetaller i et økosystem.

Endeligt har man udviklet en række matematiske modeller som kan illustrere en forenkling af den biologiske virkelighed. Man har således udviklet modeller over populationers variationer og gensidige påvirkning i fiskerimodeller. Inden for immunologien har man udviklet matematiske modeller over hvordan en infektion kan brede sig i befolkningen. De matematiske modeller har den fordel at de dels kan bruges til at verificere(sandsynliggøre) påstand om komplekse sammenhænge i biologien, dels kan de anvendes til at fremskrive en proces og dermed forudse en bestemt udvikling – fx spredningen af en epidemi. Ulempen er naturligvis, at de matematiske modeller kun er en forenkling af den biologiske virkelighed, og må altid følges op af andre biologiske metoder.

For alle biologiske metoder gælder, at de skal opfylde de samme kriterier om reproducerbarhed (gentage forsøget) som andre naturvidenskabelige metoder. Det betyder at man skal beskrive den biologiske metode man benytter så grundigt, at andre kan efterprøve forsøget.

 

Man skal forholde sig kritisk over for de biologiske metoder. Ikke blot indholdsmæssigt, men også være bevidst om hvem der laver undersøgelserne. Det er således ikke helt ligegyldigt, om fx undersøgelser vedrørende tobakkens biologiske effekter på mennesker er foretaget af tobaksindustrien eller af sundhedsmyndighederne. En undersøgelse af gensplejsede afgrøders risiko, skrevet af miljøorganisationer som Danmarks Naturfredningsforening eller NOAH, vil også være farvet af at organisationerne har en politik om at økologisk landbrug skal erstatte bioteknologi – det gør at konklusionerne på empirien måske ikke er repræsentative for en given undersøgelse.

knowledge, book, library

Eksempler på biologiske modeller

• Det centrale dogme (DNA –> RNA –> protein)

• Celledelingsteorier

• Apoptose teorien (om programmeret celledød)

• Symbioseteorien (om mitokondrier og grønkorn i eukaryote celler)

• Liebigs minimumslov (om begrænsende faktorer)

• Homeostase teorier (fx regulering af temperatur, blodsukker, ilt m.m.)

• Evolutionsteorien

Læs mere

Evidenspyramiden

Hvad er god viden - læs om evidenspyramiden på www.videnskab.dk