22. Эксперимент: методология: все задания

Нулевая гипотеза: физическая нагрузка не влияет на умственные способности мышей, то есть мыши, которые бегали в колесе, и мыши без физической нагрузки будут проходить лабиринт с одинаковой скоростью.

Для эксперимента взяли мышей одного пола, чтобы исключить влияние половых различий. Самцы и самки могут отличаться по уровню гормонов, активности, стрессоустойчивости, поведению и скорости обучения. Если бы использовали мышей разных полов, было бы трудно понять, что именно повлияло на результат: физическая нагрузка или пол животного.

Группы по 20 особей использовали для повышения достоверности эксперимента. У одной отдельной мыши результат может быть случайным: она может быть более активной, пугливой, обучаемой или, наоборот, медлительной. Большая группа позволяет получить средний результат и уменьшить влияние индивидуальных особенностей отдельных животных.

Вывод: такой эксперимент позволяет проверить, связано ли регулярное движение с изменением когнитивных способностей мышей.

Независимая переменная — температура в камере, потому что именно её задавал и изменял экспериментатор.

Зависимая переменная — среднее увеличение длины корня фасоли за три дня, потому что этот показатель изменялся в зависимости от температуры.

По результатам эксперимента можно сделать вывод: чем выше температура в пределах изученного диапазона, тем быстрее растёт корень фасоли. При температуре 10–12 °C среднее увеличение корня составило 0,9 см, при 16–18 °C — 2,2 см, а при 24–26 °C — 3,5 см.

Экспериментатор может выявлять влияние на развитие корней таких абиотических факторов, как температура, влажность, освещённость, состав почвы, содержание минеральных веществ, доступ кислорода и кислотность среды.

Независимая переменная — условия освещения: наличие света или его отсутствие.
Зависимая переменная — биомасса цианобактерий, которую измеряли в ходе эксперимента.

На свету биомасса цианобактерий больше, потому что цианобактерии способны к фотосинтезу. При освещении они используют энергию света, углекислый газ из воздуха и синтезируют органические вещества, поэтому быстрее растут и размножаются.

В темноте фотосинтез не происходит, поэтому цианобактерии могут использовать только готовые органические вещества из питательной среды, например глюкозу и аминокислоты. Поэтому их рост идёт медленнее, а биомасса меньше.

Даже после кипячения питательного раствора биомасса цианобактерий будет расти, если живые цианобактерии внесены в него после кипячения. Кипячение уничтожает микроорганизмы и стерилизует среду, но не удаляет из неё все питательные вещества: глюкоза, аминокислоты и минеральные вещества сохраняются. Поэтому внесённые живые цианобактерии смогут использовать эти вещества для роста.

Если же кипятить уже саму культуру с цианобактериями, клетки погибнут, и биомасса расти не будет.

Зависимая переменная — скорость фотосинтеза, потому что именно этот показатель изменялся в результате эксперимента.

Независимая переменная — концентрация углекислого газа в теплице, потому что её задавал и изменял экспериментатор.

По графику видно, что при увеличении концентрации CO₂ скорость фотосинтеза сначала возрастает, а затем выходит на плато. Это объясняется тем, что углекислый газ является исходным веществом для фотосинтеза, но при дальнейшем увеличении его концентрации скорость процесса начинает ограничиваться другими факторами, например освещённостью, температурой или работой ферментов.

Отрицательный контроль можно поставить так: взять такую же группу растений томата того же сорта и выращивать её в таких же условиях, но не повышать концентрацию углекислого газа, то есть подавать обычный воздух с нормальным содержанием CO₂.

При этом все остальные условия должны быть одинаковыми: освещённость, температура, влажность, возраст и количество растений, состав почвы, полив, время измерений и способ регистрации скорости фотосинтеза.

Такой контроль нужен, чтобы сравнить скорость фотосинтеза при обычной концентрации CO₂ и при её повышении. Это позволяет доказать, что изменение скорости фотосинтеза связано именно с концентрацией углекислого газа, а не с другими условиями эксперимента.

Нулевая гипотеза: концентрация углекислого газа в воздухе не влияет на скорость фотосинтеза у растений томата.

Теплица должна быть строго герметичной, чтобы экспериментатор мог точно задавать и поддерживать нужную концентрацию углекислого газа. Если теплица негерметична, внутрь будет поступать обычный атмосферный воздух, а воздух с заданным содержанием CO₂ будет выходить наружу. Тогда концентрация углекислого газа станет неконтролируемой, и результаты эксперимента будут искажены.

Результаты могут быть недостоверными при естественном освещении, потому что интенсивность света меняется в течение дня и зависит от облачности, времени суток и погоды. Свет тоже влияет на скорость фотосинтеза, поэтому нельзя будет точно определить, что изменение скорости фотосинтеза связано именно с концентрацией CO₂, а не с изменением освещённости.

Также при естественном освещении может меняться температура в теплице, что тоже влияет на фотосинтез.

Вывод: для достоверного эксперимента нужно изменять только концентрацию углекислого газа, а остальные факторы — освещённость, температуру, влажность, минеральное питание — поддерживать постоянными.

Нулевая гипотеза: доза рентгеновского излучения не влияет на частоту летальных мутаций у дрозофил.

Группы дрозофил должны быть многочисленными, потому что мутации возникают сравнительно редко и случайно. Если особей будет мало, результат может сильно исказиться из-за случайных отклонений. Большая численность повышает достоверность эксперимента и позволяет точнее рассчитать частоту летальных мутаций.

С дрозофилами одной чистой линии нужно было работать для того, чтобы особи были генетически сходными. Тогда различия в частоте летальных мутаций можно связать именно с разными дозами рентгеновского излучения, а не с наследственными различиями между группами.

По графику видно, что при увеличении дозы облучения частота летальных мутаций возрастает, поэтому нулевая гипотеза не подтверждается.

Независимая переменная — доза рентгеновского излучения, потому что её задавал и изменял экспериментатор.

Зависимая переменная — частота летальных мутаций у дрозофил, потому что этот показатель изменялся в зависимости от дозы облучения.

Для отрицательного контроля должны выполняться два условия:

1. Контрольную группу дрозофил не облучают рентгеновским излучением.
2. Все остальные условия должны быть такими же, как в опытных группах: одинаковая численность мух, одна чистая линия, одинаковый возраст, условия содержания, питание, температура и способ учёта мутаций.

Отрицательный контроль нужен, чтобы сравнить частоту летальных мутаций у облучённых и необлучённых дрозофил. Это позволяет определить, связано ли увеличение частоты мутаций именно с действием рентгеновского излучения, а не со спонтанными мутациями или другими условиями эксперимента.

По графику видно: чем выше доза облучения, тем выше частота летальных мутаций.

Независимая переменная — время пребывания спортсменов на высоте 4000 м: 7 дней и 14 дней.

Зависимая переменная — уровень гематокрита в крови спортсменов, потому что этот показатель изменяется в ходе эксперимента.

По таблице видно, что через 14 дней уровень гематокрита у всех спортсменов выше, чем через 7 дней. Это связано с адаптацией к условиям высокогорья: на высоте ниже содержание кислорода во вдыхаемом воздухе, поэтому организм усиливает образование эритроцитов, чтобы эффективнее переносить кислород.

Для отрицательного контроля должны выполняться два условия:

1. Контрольная группа спортсменов не должна подвергаться действию изучаемого фактора, то есть должна находиться не на высоте 4000 м, а в обычных условиях, например на равнине.
2. Все остальные условия должны быть одинаковыми с опытной группой: возраст и уровень подготовки спортсменов, питание, режим тренировок, сроки взятия крови, метод определения гематокрита.

Отрицательный контроль нужен, чтобы убедиться, что повышение гематокрита связано именно с пребыванием на высоте и недостатком кислорода, а не с питанием, тренировками, временем наблюдения или ошибками измерения.

Нулевая гипотеза: освещённость не влияет на температуру тела птиц тауи. То есть при включении и выключении света температура тела птиц не должна изменяться закономерно.

По графику видно, что после включения света температура тела птиц повышается, а после выключения света снижается. Значит, результаты эксперимента показывают связь между освещённостью и температурой тела.

Группу птиц использовали потому, что у одного животного показатели могут быть случайными и зависеть от его индивидуальных особенностей: возраста, состояния здоровья, уровня активности, стресса. Исследование группы позволяет получить более достоверный средний результат.

Если в эксперименте использовали птиц разных полов, результаты могут быть недостоверными, потому что самцы и самки могут отличаться по уровню обмена веществ, гормональному фону, массе тела, активности и температурной регуляции. Тогда изменение температуры тела может быть связано не только с освещением, но и с половыми различиями птиц.

Независимая переменная — количество дополнительных дисульфидных S–S-связей в молекуле лизоцима, потому что именно этот признак изменял экспериментатор с помощью генной инженерии.

Зависимая переменная — температура денатурации лизоцима, потому что она изменялась в зависимости от количества дополнительных S–S-связей.

По таблице видно, что при увеличении числа дополнительных S–S-связей температура денатурации возрастает. Значит, дисульфидные связи повышают устойчивость белка к нагреванию, так как укрепляют пространственную структуру молекулы.

Для отрицательного контроля должны выполняться два условия:

1. В контрольном опыте должен использоваться обычный лизоцим без генно-инженерных замен и без дополнительных S–S-связей.
2. Все остальные условия должны быть одинаковыми с опытными вариантами: одинаковая концентрация белка, состав среды, pH, скорость нагревания, метод определения температуры денатурации.

Отрицательный контроль нужен, чтобы сравнить изменённые варианты лизоцима с исходным белком и доказать, что повышение температуры денатурации связано именно с появлением дополнительных дисульфидных связей, а не с другими условиями эксперимента.

Нулевая гипотеза: количество дополнительных дисульфидных S–S-связей не влияет на температуру денатурации лизоцима.

Необходимо, чтобы варианты лизоцима не отличались другими аминокислотами, кроме тех замен, которые изменяют число S–S-связей, потому что другие различия в составе белка тоже могут влиять на его пространственную структуру и устойчивость к нагреванию. Тогда было бы невозможно точно определить, из-за чего изменилась температура денатурации: из-за дополнительных дисульфидных связей или из-за других аминокислотных замен.

Результаты могут быть недостоверными, если варианты A–C измеряли одним прибором, а D–F — другим, потому что приборы могут иметь разную точность, калибровку или систематическую погрешность. В этом случае различия в температуре денатурации могут быть связаны не только со строением лизоцима, но и с особенностями измерения.

По таблице видно, что при увеличении количества дополнительных S–S-связей температура денатурации в целом возрастает. Это позволяет предположить, что дополнительные дисульфидные связи повышают термоустойчивость белка, но для достоверного вывода все варианты нужно сравнивать в одинаковых условиях и одним методом измерения.

Независимая переменная — насыщение среды кислородом, потому что именно этот показатель изменял экспериментатор.

Зависимая переменная — уровень потребления глюкозы клетками сердечной мышцы, потому что он изменялся в зависимости от концентрации кислорода.

По таблице видно: чем ниже насыщение кислородом, тем выше потребление глюкозы. Это связано с тем, что при нехватке кислорода клетки переходят на менее эффективный анаэробный путь получения энергии и вынуждены расходовать больше глюкозы.

Для отрицательного контроля должны выполняться два условия:

1. Клетки контрольной группы не должны подвергаться пониженной концентрации кислорода, то есть их нужно содержать при нормальном насыщении кислородом — 90–95%.
2. Все остальные условия должны быть такими же, как в опытных группах: клетки сердечной мышцы того же вида, одинаковая питательная среда, температура, длительность опыта и метод измерения потребления глюкозы.

Отрицательный контроль нужен, чтобы сравнить потребление глюкозы клетками при нормальном и пониженном содержании кислорода. Это позволяет доказать, что изменение потребления глюкозы связано именно с недостатком кислорода, а не с другими условиями эксперимента.

Нулевая гипотеза: концентрация кислорода не влияет на уровень потребления глюкозы клетками сердечной мышцы.

По данным таблицы видно, что при снижении концентрации кислорода потребление глюкозы возрастает: при 50% кислорода оно составляет 23%, а при 20% — 45%. Значит, клетки при нехватке кислорода начинают активнее расходовать глюкозу.

Кислотность среды повышается, потому что при недостатке кислорода клетки усиливают анаэробный гликолиз. При этом глюкоза расщепляется с образованием молочной кислоты, которая накапливается в среде и снижает её pH.

Эксперимент нужно проводить несколько раз с независимо полученными культурами клеток, чтобы повысить достоверность результатов. Это позволяет исключить влияние случайных ошибок, особенностей одной культуры клеток, возможного загрязнения или повреждения клеток. Если одинаковая закономерность повторяется в разных культурах, вывод о влиянии кислорода на потребление глюкозы будет более надёжным.

Независимая переменная — наличие кормовой добавки с сульфатом натрия в рационе овец, потому что именно этот фактор задаёт экспериментатор.

Зависимая переменная — количество инфузорий в 1 мл рубцовой жидкости, потому что этот показатель изменяется в результате воздействия добавки.

По данным таблицы видно, что после месяца применения добавки количество инфузорий увеличилось во всех пробах. Значит, сульфат натрия мог способствовать росту численности инфузорий в рубце.

Для отрицательного контроля должны выполняться два условия:

1. У контрольной группы овец не должно быть экспериментального воздействия, то есть им не дают сульфат натрия.
2. Все остальные условия должны быть одинаковыми с опытной группой: одинаковое содержание, кормление, возраст и состояние животных, сроки эксперимента, способ отбора и анализа рубцовой жидкости.

Отрицательный контроль нужен, чтобы понять, связано ли увеличение числа инфузорий именно с добавлением сульфата натрия, а не с другими факторами: обычным изменением рациона, условиями содержания, временем или ошибками измерения.

Нулевая гипотеза: добавление мочевины в рацион коров не влияет на количество бактерий в рубцовой жидкости.

По таблице видно, что через месяц после введения кормовой добавки количество бактерий в 1 мл рубцовой жидкости увеличилось у всех коров. Значит, результаты эксперимента позволяют предположить, что мочевина способствует увеличению численности микроорганизмов в рубце.

Коров одной породы выбрали для того, чтобы уменьшить влияние наследственных и физиологических различий. У разных пород могут отличаться особенности пищеварения, состав микрофлоры рубца, скорость обмена веществ и реакция на кормовые добавки. Поэтому при использовании разных пород было бы сложнее понять, связано ли изменение количества бактерий именно с мочевиной.

Результаты могут быть недостоверными, если использовать добавки разных производителей, потому что они могут отличаться по составу, концентрации мочевины, степени очистки, наличию примесей или дополнительных веществ. Тогда изменение числа бактерий могло бы быть вызвано не самой мочевиной, а различиями между добавками.

Вывод: для достоверности эксперимента нужно использовать коров одной породы и одну и ту же кормовую добавку, чтобы изменяемым фактором было только наличие мочевины в рационе.

Независимая переменная — концентрация углекислого газа в подаваемом воздухе, потому что именно её изменял экспериментатор.

Зависимая переменная — вентиляция лёгких у кур, потому что этот показатель изменялся в ответ на изменение концентрации CO₂.

По графику видно, что при увеличении концентрации углекислого газа вентиляция лёгких возрастает. Это связано с тем, что избыток CO₂ раздражает дыхательный центр, усиливая дыхательные движения.

Для отрицательного контроля должны выполняться два условия:

1. Контрольную группу кур нужно помещать в камеру без повышения концентрации CO₂, то есть подавать воздух с нормальным содержанием углекислого газа.
2. Все остальные условия должны быть такими же, как в опыте: та же камера, одинаковая температура, влажность, освещённость, время пребывания, возраст, порода и состояние птиц, одинаковый способ измерения вентиляции лёгких.

Отрицательный контроль нужен, чтобы сравнить вентиляцию лёгких при нормальном и повышенном содержании CO₂. Это позволяет доказать, что изменение дыхания связано именно с концентрацией углекислого газа, а не с другими факторами эксперимента.

Нулевая гипотеза: концентрация углекислого газа в воздухе не влияет на вентиляцию лёгких у кур.

По графику видно, что при увеличении концентрации CO₂ вентиляция лёгких возрастает. Значит, повышение содержания углекислого газа усиливает дыхание, а нулевая гипотеза не подтверждается.

Все куры должны быть одной породы, чтобы уменьшить влияние наследственных различий. У разных пород могут отличаться масса тела, интенсивность обмена веществ, частота дыхания, объём лёгких и чувствительность дыхательного центра к CO₂. Если использовать птиц разных пород, будет трудно понять, чем вызваны различия в вентиляции лёгких: концентрацией углекислого газа или породными особенностями.

Измерения в разное время суток могут сделать результаты недостоверными, потому что у птиц есть суточные ритмы активности. В разные часы могут изменяться обмен веществ, температура тела, уровень активности, частота дыхания и чувствительность к раздражителям. Тогда изменение вентиляции лёгких может быть связано не только с концентрацией CO₂, но и с временем суток.

Нулевая гипотеза: доза гормона щитовидной железы не влияет на интенсивность основного обмена веществ у домовой мыши.

Для эксперимента использовалась группа мышей, а не одна особь, потому что у одной мыши могут быть индивидуальные особенности: масса тела, возраст, состояние здоровья, уровень обмена веществ, чувствительность к гормону. Из-за этого результат по одной особи может быть случайным. Группа животных позволяет получить более достоверные средние данные и уменьшить влияние индивидуальных отклонений.

Результаты могут быть недостоверными, если использовать мышей разных видов, потому что разные виды могут отличаться уровнем основного обмена, массой тела, активностью щитовидной железы, чувствительностью тканей к гормону и скоростью его разрушения в организме. Тогда изменение основного обмена может быть связано не только с дозой гормона, но и с видовыми различиями.

По графику видно, что с увеличением дозы гормона щитовидной железы интенсивность основного обмена возрастает. Следовательно, нулевая гипотеза по результатам эксперимента не подтверждается.

Независимая переменная — количество введённого гормона щитовидной железы, потому что именно дозу гормона изменял экспериментатор.

Зависимая переменная — интенсивность основного обмена веществ у мышей, потому что этот показатель изменялся в зависимости от дозы введённого гормона.

По графику видно: чем больше доза гормона щитовидной железы, тем выше основной обмен. Это связано с тем, что гормоны щитовидной железы усиливают обмен веществ и повышают энергозатраты организма.

Для отрицательного контроля должны выполняться два условия:

1. Контрольной группе мышей не вводят гормон щитовидной железы — им вводят только физиологический раствор.
2. Все остальные условия должны быть одинаковыми с опытными группами: тот же вид и возраст мышей, одинаковое питание, температура, условия содержания, объём вводимого раствора, способ введения и время измерения основного обмена.

Отрицательный контроль нужен, чтобы доказать, что изменение основного обмена связано именно с действием гормона щитовидной железы, а не с самим уколом, физиологическим раствором, стрессом или другими условиями эксперимента.

Нулевая гипотеза: повышенная солёность пищи не влияет на массу тела взрослых домовых мышей.

Группу мышей использовали потому, что одна особь может иметь индивидуальные особенности: отличаться скоростью обмена веществ, аппетитом, активностью, состоянием здоровья. Если исследовать только одну мышь, результат может быть случайным и недостоверным. Использование группы позволяет получить средние данные и сделать более надёжный вывод.

Результаты могут быть недостоверными, если состав корма в разные дни различался, потому что на массу тела влияет не только солёность пищи, но и её калорийность, содержание белков, жиров, углеводов, воды, витаминов и минеральных веществ. Тогда изменение массы тела могло быть связано не с повышенной солёностью, а с изменением питательной ценности корма.

По графику видно, что масса тела мышей в течение эксперимента увеличивалась. Однако для достоверного вывода нужно, чтобы во все дни состав корма был одинаковым, а изменяемым фактором была только его солёность.