Bádání a výzkum v biologii

Přírodu lze zkoumat pomocí experimentů, při nichž dochází k jejímu cílenému ovlivňování, či pomocí prostého pozorování. Aktivní zkoumání přírody (v rámci výuky) pak lze označit za badatelství, v rámci něj dochází k identifikování problémů a pokládání otázek, jejich řešení a formulaci zjištěného. Na obdobných principech jako badatelství je založen i reálný vědecký výzkum.

Výzkumné otázky, hypotézy

Při zkoumání přírody a živých organizmů si lze položit konkrétní výzkumnou otázku (např. Jak světlo ovlivňuje klíčivost semen hrachu?), či formulovat hypotézu (např. Semena hrachu vystavená světlu budou klíčit rychleji než semena hrachu ve tmě.). Hypotéza je předpoklad či tvrzení, jehož pravdivost či nepravdivost lze dokázat. Má podobu oznamovací věty. Hypotéza by měla být co nejvíce konkrétní. Pokud zkoumání vede k vyvrácení hypotézy, neznamená to, že se „nepovedlo“. I vyvrácení hypotézy vede k získání informací. Hypotéza nemůže „platit napůl“, pokud k tomuto směřuje, je obvykle chybně či nedostatečně konkrétně formulovaná.

Fáze zkoumání, pomůcky

Zkoumání lze obvykle rozdělit do těchto základních fází:

• Rozmyšlení zkoumaného problému, navrhování postupu, který by vedl k jeho objasnění (včetně výběru vhodných pomůcek). Formulace otázek či hypotéz.
• Samotné provedení experimentu či pozorování, záznam dat.
• Formulace výsledků.
• Identifikace návazných problémů a témat ke zkoumání. Reflexe provedeného postupu (co by se dalo udělat jinak/lépe).

Ke zkoumání přírody v základu není nutné nákladné vybavení, to je zpravidla potřeba zejména pro odborný výzkum na mikroskopické/molekulární úrovni.

Průběh experimentů

Během experimentů jsou přírodniny obvykle vystavovány různým podmínkám. Tyto různé podmínky lze považovat za proměnné, vliv působení podmínek na přírodniny (organizmy) lze porovnávat. Experiment je nejčastěji vhodné naplánovat tak, aby se současně zkoumal jen vliv jedné proměnné (např. při zkoumání vlivu množství světla na klíčivost semen budeme oba květináče stejně zalévat, aby výsledky neovlivnila rozdílná přítomnost vody). Přírodniny, u nichž podmínky neměníme, se označují jako kontrolní vzorek (např. rostliny, které při zkoumání vlivu umělého světla necháme na okenním parapetu v přirozeném osvětlení).

Záznam zkoumání

Pokud zaznamenáváme informace o experimentu či pozorování, je vhodné použité pomůcky a postup popsat tak, aby šlo zkoumání nezávisle zopakovat. Záznam by měl být jasný, srozumitelný. Jako diskuze se označuje pojednání o skutečnostech pozorovaných v rámci zkoumání, komentování jeho průběhu. Závěr stručně a úderně shrnuje provedené zkoumání a zjištěné výsledky.

V rámci laboratorní práce v biologii je užitečné znát základní pomůcky. Běžnou součástí biologické práce v laboratoři je mikroskopování. Při práci v laboratoři je nutné dodržovat bezpečnostní zásady (např. opatrně pracovat s ostrými nástroji, dát pozor na poruchy při připojování mikroskopu do elektřiny aj.).

Základní pomůcky

• pinzeta (a) – K uchopování či přenášení (částí) přírodnin. Existují různé typy, např. entomologická pro jemnou manipulaci s bezobratlými, anatomická využitelná při pitvě.
• skalpel (b) – Slouží k řezání, mnohdy mívá vyměnitelné čepele. K oddělování materiálu též může sloužit žiletka (c) či nůžky.
• kapátko/plastová pipeta (d) – K dávkování malého množství tekutin.
• preparační jehla (e) – K přenášení malého množství tkáně (např. dužniny plodu, lístku mechu aj.).

a – pinzeta

b – skalpel

c – žiletka

d – plastová pipeta

e – preparační jehla

Výše zmíněné pomůcky bývají běžně pohromadě v preparační sadě. Při biologické práci se využívá i mnohé skleněné nádobí, např. Petriho misky (g), kádinky (h) či zkumavky (i). Při mikroskopování mají uplatnění i skla (podložní, krycí), vizte dále.

g – Petriho miska

h – kádinka

i – zkumavka

Optický mikroskop

Optický (světelný) mikroskop využívá průchodu viditelného světla preparátem. Zvětšení umožňuje kombinace objektivu (v blízkosti vzorku) a okuláru (do něhož se pozorující dívá).

Mikroskopy často mívají více objektivů, které poskytují různou míru zvětšení. Celkové zvětšení se spočítá jako násobek zvětšení objektivu a okuláru (např. zvolíme objektiv se zvětšením 20×, okulár zvětšuje 10×, celkové zvětšení je 200×). Při pozorování se začíná objektivem s nejmenším zvětšením, což poskytne základní orientaci v preparátu.

K zaostřování obrazu slouží zaostřovací šroub (u pokročilejších mikroskopů kombinace makro- a mikrošroubu pro jemné doostření). Preparáty se umisťují na stolek mikroskopu, bývají podsvícené zespoda.

Zhotovení preparátu

Mikroskopické preparáty lze v základu rozdělit na trvalé (lze je dlouhou dobu skladovat) a dočasné (pro jedno bezprostřední prohlédnutí). Vzorek se umisťuje na podložní sklo (1) a překrývá krycím sklem (2; menší a tenčí, čtvercové či kulaté).

1 – podložní sklo

2 – krycí sklo

Při výuce se setkáme hlavně s tvorbou dočasných preparátů. Vezmeme podložní sklo, na něj umístíme vzorek/kapku vody a překryjeme krycím sklem. Je vhodné preparát zhotovit tak, aby v něm bylo co nejméně vzduchových bublin, které komplikují pozorování. Některé přírodniny je výhodné pozorovat bez přidání vody (zvlášť suché: např. křídlo hmyzu, kus ptačího pera).

Obvykle stačí použít velmi malé množství přírodniny. Např. při pozorování buněk v dužnině šípku nedáváme na podložní sklo celý šípek (či ukrojenou větší část šípku), postačí trocha dužniny na špičce preparační jehly (kterou pak můžeme rozmělnit např. zatlačením na krycí sklo).

U větších objektů je mnohdy žádoucí oddělit jejich menší části či zhotovovat řezy. Řez může být podélný (rovnoběžný s delší stranou objektu) či příčný (rovnoběžný s kratší stranou).

Záznam pozorování by měl obsahovat identifikaci přírodniny a použité zvětšení (součin zvětšení okuláru a objektivu). Nákres se provádí ostrou grafitovou tužkou (obyčejnou tužkou, mikrotužkou…), což zajistí adekvátní přesnost kresby. Kresba může pohromadě zobrazovat různé roviny ostrosti.

Grafický záznam by měl být dostatečně velký (např. na víceméně celou šířku papíru), případně může obsahovat i popisky pozorovaných struktur (jasně propojené s danými strukturami). Pokud by byl záznam koncipován jako protokol, měl by obsahovat i závěr (např. stručné informace o přírodnině, souvislost s tím, co bylo pozorováno).

Určování organizmů může sloužit k získání přehledu o přírodě v našem okolí. Mnohdy potřebujeme vědět, zda je daný organizmus využitelný či jedlý (např. borůvka – jedlá × rulík – jedovatý) nebo původní na daném území (např. borovice lesní – původní × vejmutovka – nepůvodní). Někdy se může hodit i informace o tom, že je organizmus zvláště chráněný. Určování organizmů také může být podkladem pro vědecký výzkum.

Znalost organizmů může napomoci tomu, že si uvědomíme nejrůznější souvislosti a vztahy mezi nimi. Při určování organizmů trénujeme schopnost vyhledávat a vyhodnocovat informace, ale také pozorovat organizmy samotné a přemýšlet o jejich znacích.

Určování do skupin

Organizmy se zařazují do určitých skupin, nejnižší základní jednotkou třídění je druh, např. páskovka (rod) keřová (druh). Do čím obecnější (větší) skupiny organizmu zařadíme, tím si zpravidla můžeme být více jisti určením. Při určování je obvykle výhodné postupovat od obecnějšího ke konkrétnějšímu:

• vyšší skupiny – Živočich má spirálně stočenou ulitu. Jasně tedy půjde o plže, který patří do skupiny (kmene) měkkýši.
• rod – Živočich má páskovanou ulitu. Pokud ho potkáme na zahradě či v lese, dost možná půjde o páskovku (a, b). Podobně ale vypadá např. i papáskovka (c) nebo suchomilka (d), ty žijí např. na stepích.
• druh – Páskovka hajní (a) má hnědé obústí ulity (okraj u otvoru), páskovka keřová (b) ne. Pro určení do druhu tedy musíme pozorovat obústí. Navíc můžeme narazit na křížence, kde znaky nejsou jasné. Pokud označíme páskovku keřovou za páskovku hajní, vlastně se dopustíme chyby.

a – páskovka hajní

b – páskovka keřová

c – papáskovka žíhaná

d – suchomilka obecná

V běžných situacích (i v rámci výuky na ZŠ/SŠ) mnohdy stačí určit organizmus do rodu či širší skupiny.

Čeho si při pozorování všímat

• určovací znaky – Organizmy se mezi sebou liší podobou těla. Mnohdy ale můžeme využít další pozorovatelné skutečnosti: zvukové projevy (např. cvrkání hmyzu), způsob pohybu (např. let ptáka) či pobytové stopy (např. otisky nohou, trus, rozrytá půda aj.).
• prostředí – Organizmy obývají určité prostředí: např. páskovku keřovou potkáme na zahradě, suchomilku obecnou na suché stráni.
• čas – Organizmy se v průběhu roku různě projevují. Např. dospělci hmyzu se vyskytují jen v určité části roku, krytosemenné rostliny v různém čase kvetou.

Organizmy lze také určovat pomocí zkoumání genetické informace (DNA), to se ovšem provádí zpravidla jen na vědecké úrovni a v laboratoři.

Záznamy týkající se organizmů (např. fotografie) nikdy nemohou poskytnout tolik informací, jako organizmy samotné. Proto se např. v muzeích či vědeckých institucích uchovávají vlastní organizmy (např. preparáty hmyzu, herbářové položky rostlin a hub, vycpaniny obratlovců).

Zdroje informací o organizmech

Zdrojem informací o organizmech mohou být různé internetové stránky. I v dnešní době mohou kvalitní informace poskytnout tištěné atlasy, které zpravidla kombinují vyobrazení organizmů a jejich popis. K určování organizmů krok po kroku slouží klíče, pro běžné použití se hodí zejména různé zjednodušené verze.

Určovací aplikace

Rychlý přehled o určení organizmu mohou poskytnout mobilní aplikace, které využívají např. vyhodnocování obrazu (vyfocená rostlina, houba, bezobratlý živočich) či zvuku (ptačí zpěv). Určovací aplikace jsou v mnohých případech docela přesné, ale vždy je dobré ověřit určení i pomocí jiných zdrojů.

Mnohé aplikace umožňují záznamy o organizmech i ukládat. Toho může být využito např. v rámci tzv. občanské vědy (citizen science), kdy vědci vycházejí z dat získaných veřejností.