Biologia on elämän tiede
Biologia on luonnontiede, joka tutkii elollisen luonnon rakennetta ja toimintaa molekyylitasolta ekosysteemitasolle asti. Biologia on jatkuvasti kehittyvä tutkimusala, joka tuottaa tietoa mm. ympäristöongelmien ratkaisemiseksi. Biologinen tutkimus ja tieto on lisääntynyt voimakkaasti viimeisen sadan vuoden aikana.
Biologiassa tiedonhaku perustuu havainnointiin ja kokeellisuuteen. Havainnoivaa tutkimusta tehdään usein maastossa ja kokeellista tutkimusta laboratoriossa. Maastossa tehtävässä tutkimuksessa korostuu usein havaintojen ja laboratoriotutkimuksessa kokeiden tekeminen. Kokeita voidaan laboratorio-olosuhteissa tehdä elävissä eliöissä (in vivo), niistä eristetyissä kudoksissa (in vitro) tai tietokonemallinnuksina (in silico).
Havainnoivassa tutkimuksessa tutkija seuraa luonnontilaisia tutkimuskohteitaan. Tutkija voi mitata tutkimuskohteita tai ottaa niistä näytteitä. Biologisen kokeen tarkoituksena on testata jotain havaintoa tai ilmiötä. Kokeessa tavoitteena on, että vain yksi muuttuja vaihtelee ja muut muuttujat, jotka saattaisivat vaikuttaa tutkittavaan ilmiöön, pidetään vakioina. Tutkimuksen vaiheet ovat tutkimuskysymyksen määrittely, hypoteesin (olettamus) laatiminen, hypoteesin testaaminen koejärjestelyillä tai havainnoimalla, tulosten tarkastelu ja esittäminen sekä johtopäätösten tekeminen.
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. Biologia tarvitsee myös muiden tieteiden tuottamaa tietoa, joten tutkimustyö on usein monitieteellistä. Esimerkiksi molekyyli- ja solubiologiassa tarvitaan kemiaa.
Biologiassa käytetään malleja kuvaamaan todellisuutta. Mallien tarkoituksena on kuvata ja yksinkertaistaa biologisia ilmiöitä niin, että ne on helpompi ymmärtää ja niiden tutkimus on helpompaa. Mallien avulla voidaan tehdä simulaatioita, eli ennustuksia siitä, mitä tulevaisuudessa tulee tapahtumaan. Esimerkiksi populaation kasvua voidaan matemaattisesti mallintaa erilaisilla yhtälöillä. 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.
Seurantatutkimusten (mm. eliökartoitukset ja laskennat) avulla seurataan ympäristön tilaa ja sen muutoksia. Niiden avulla saatua tietoa käytetään hyödyksi, kun tehdään ympäristöä koskevia päätöksiä. Esimerkiksi Itämeren kalojen ympäristömyrkkypitoisuuksia seurataan säännöllisesti syöntirajoituksia ajatellen. Ympäristön tilaa voidaan tutkia seuraamalla abioottisia (fysikaaliset ja kemialliset) ja bioottisia (eliöt) ympäristötekijöitä ja selvittämällä niiden välisiä vuorovaikutuksia. Näin saadaan tietoa muun muassa haitallisten aineiden vaikutuksista eliöihin. Bioindikaattoriksi (lat. indicare = osoittaa, ilmaista) sanotaan eliötä, jota tutkimalla voidaan selvittää ympäristön tilaa, laatua ja muutoksia, joihin ihminen on toiminnallaan vaikuttanut. Bioindikaattorilajit ovat herkkiä juuri tutkitulle ilmiölle, esimerkiksi jäkälät ovat herkkiä ilmansaasteille, kasvit ravinteiden määrälle ja monet vesieliöt happamuudelle.
Biologia on perinteisesti jaettu kasvi- ja eläintieteeseen. Tutkimusvälineiden kehittyessä ja biologisen tiedon lisääntyessä on kuitenkin ollut tarvetta jakaa biologia osiin uudella tavalla. Biologia voidaan jakaa erilaisiin osa-alueisiin joko eliöryhmien luokittelun tai tutkittavien ilmiöiden perusteella. Eliöryhmien luokitteluun perustuvia biologian osa-alueita ovat esimerkiksi kasvi-, eläin- ja sienitiede sekä mikrobiologia. Muita biologian aloja ovat mm. evoluutiobiologia, ekologia, perinnöllisyystiede ja fysiologia. Biologista tietoa soveltavia aloja ovat esimerkiksi lääketiede ja maatalous.
- Biologia on luonnontiede.
- Biologia on humanistinen tiede.
- In vivo -tutkimus tehdään elävässä eliössä.
- In vivo -tutkimus tehdään laboratoriossa eristetyssä kudoksessa.
- Tutkimus, jossa selvitetään leppäkerttujen soveltumista vehnäpellon biologiseksi torjuntaeläimeksi, on havainnoivaa tutkimusta.
- Tutkimus, jossa selvitetään leppäkerttujen soveltumista vehnäpellon biologiseksi torjuntaeläimeksi, on soveltavaa tutkimusta.
- Lintujen laskeminen säännöllisesti joka viikko on monitieteellistä tutkimusta.
- Lintujen laskeminen säännöllisesti joka viikko on seurantatutkimusta.
a) Ominaisuuksien periytymistä ja muuntelua tutkiva tiede.
b) Osa-alue, joka tutkii eliöiden levinneisyyteen ja runsauteen vaikuttavia tekijöitä sekä lajien välisiä vuorovaikutussuhteita.
c) Tutkii populaatioissa ja lajeissa tapahtuvaa kehitystä.
d) Biologian osa-alue, jossa tutkimuskohteena ovat pienet eliöt esim. bakteerit ja virukset.
e) Muinaisten eliöiden elämää tutkiva tiede. Tiedot perustuvat fossiililöytöihin.
f) Ala, jossa hyödynnetään eri eliöitä ja niistä saatuja aineita. Esimerkiksi piimän valmistus maitohappobakteerien avulla.
g) Ala, jossa tutkitaan solujen rakennetta ja toimintaa molekyylitasolla.
Väittämäpari 1:
- Merikotka oli Itämerellä 1970-luvulla bioindikaattori.
- Merikotka levisi Itämerelle 1970-luvulla vieraalajina.
Väittämäpari 2:
- Metsän 15 lajin ravintoverkon kuvaaminen on malli, joka kuvaa metsän biodiversiteettiä.
- Metsän 15 lajin ravintoverkon kuvaaminen on malli, joka kuvaa lajien välisiä vuorovaikutussuhteita.
Väittämäpari 3:
- Antibioottien vaikutuksien tutkiminen sairaalabakteeriepidemiaan on perustutkimusta.
- Antibioottien vaikutuksien tutkiminen sairaalabakteeriepidemiaan on soveltavaa tutkimusta.
Biologinen hierarkia: biologisten rakenteiden muodostama järjestys
Biologiassa tutkitaan elämää ja eläviä eliöitä hyvin monella eri tasolla (organisaatiotaso). Biokemiassa tutkimuskohteessa ovat elävissä eliöissä olevat molekyylit ja ympäristöekologiassa tutkitaan jopa koko biosfääriä ja siihen vaikuttavia asioita.
Biologiassa on tärkeää muistaa, että suuremmat kokonaisuudet koostuvat pienemmistä alayksiköistä (biologinen hierarkia). Esimerkiksi kudos koostuu monista soluista ja eliöyhteisö eri lajien populaatioista.
a) Merkitse ne yksilöjoukot, jotka muodostavat kukin yhden populaation.
- Hailuoto: jänikset
- Suomi: ahvenet
- Päijänne: kuhat
- Päijänne: kalat
b) Järjestä pienemmästä suurimpaan.
- eliöyhteisö
- ekosysteemi
- biosfääri
- biomi
- populaatio
Biologisen tutkimuksen vaiheet
Aikaisempien havaintojen perusteella tutkija laatii yhden tai useamman hypoteesin eli olettamuksen. Hypoteesi on todennäköinen selitys tutkittavalle ilmiölle. Seuraavaksi tutkija testaa hypoteesinsa paikkansapitävyyttä tekemällä hypoteesin pohjalta ennustuksia. Näitä ennustuksia voidaan testata tekemällä havaintoja tai laatimalla kokeita.
Koe on toistettava monta kertaa ennen kuin voidaan sanoa, että saatu tulos on yleispätevä. Jos ennusteet eivät toteudu, hypoteesi todetaan kokeen perusteella vääräksi, ja se täytyy hylätä.
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.
Tehtäviä tieteellisen tutkimuksen vaiheista
Huomaa, että sliderissa on useampi tehtäväsivu!
- Hypoteesin laadinta (esim. lintujen talviruokinta lisää keväällä pesivien tiaisten määrää.)
- Tulosten analysointi
- Uuden tiedon julkistaminen
- Suunnittelu
- Ongelman määrittely
- Hypoteesin hyväksyminen tai hylkääminen
Lue pro gradu -tutkielman tiivistelmä ja vastaa.
a) Pro gradu -tutkielmassa suoritettu tutkimus oli
- seurantatutkimus.
- soveltava tutkimus.
b) Tutkimuksen tavoitteena oli
- selvittää järvilohen käyttäytymistä tietyssä ympäristössä.
- selvittää tietyn joen sopimista järvilohen kutujoeksi.
c) Tutkimustulos
- jäi epäselväksi, koska kaloja oli tutkimuksessa vähän.
- oli selvä: eräs joki kelpasi järvilohille kutujoeksi.
Louis Pasteur osoitti oheisessa kuvassa esitetyllä kokeellaan 1800-luvulla, että elottomasta aineesta ei voi syntyä elollista. Kokeen alussa Pasteur keitti joutsenkaulaisissa keittoastioissa olevaa lihalientä. Sen jälkeen hän katkaisi jostain astioista kaulaosan.
Tutkittuaan astioiden lihalientä parin päivän kuluttua hän huomasi, että vain avonaisten astioiden lihaliemi oli pilaantunut mikrobien takia.
Pasteurin tutkimuksen hypoteesi oli, että
- elottomasta aineesta ei voi syntyä elollista.
- lihaliemessä on eliöitä.
Miksi Pasteur keitti lihaliemen kokeen alussa?
- Jotta lihaliemi houkuttelisi mikrobeja.
- Jotta lihaliemessä ei olisi kokeen alkutilanteessa mikrobeja.
Miksi hän katkaisi osasta keittoastioista kaulaosan?
- Hän tutki, voiko lihaliemeen ilmestyä mikrobeja huoneilmasta.
- Hän tutki, syntyykö strelisoituun lihaliemeen eliöitä tyhjästä.
Mitä hän osoitti kokeellaan?
- Koska eristyksissä olevien koeputkien lihaliemissä, joiden mikrobit oli tapettu keittämällä, ei ilmestynyt mikrobeja, elämää ei synny tyhjästä ainakaan tällaisissa oloissa.
- Hypoteesi "eliöitä ei synny tyhjästä" sai kokeessa vahvistusta.
Nurmikasvin kasvua tutkittiin Suomessa säädellyissä koeoloissa koko kasvukauden ajan.
Kokeessa A hiilidioksidipitoisuus ja lämpötila vastasivat luonnonoloja. Kokeessa B hiilidioksidipitoisuus oli nostettu luonnontilaan (0,036 %) verrattuna lähes kaksinkertaiseksi (0,070 %), kokeessa C lämpötilaa oli nostettu 3 asteella luonnontilaan verrattuna, ja kokeessa D sekä hiilidioksidipitoisuus että lämpötila oli nostettu kuten edellä.
Biomassan kasvu kokeen päätyttyä (%): koe A: 100 %, koe B: 105 %, koe C: 110 %, koe D: 120 %.
a) Mitä ajankohtaista ilmiötä kokeitten avulla on pyritty tutkimaan?
- Kasvinjalostusta
- Ilmastonmuutosta
b) Miksi kasvukokeessa on suoritettu myös koe A.
- Koe A on kontrolli.
- Koe A jätettiin, jos koe pitää tehdä uudestaan.
c) Miten selität kasvun lisäyksen eri kokeissa?
- Hiilidioksidi ei ole minimitekijä nurmikasvin kasvulle, mutta Suomen kesä on liian viileä kasveille.
- Hiilidioksidi on tutkimuksen aikana ollut minimitekijä nurmikasville ja lämpötilan nostaminen on lisännyt kasvien tuotantoa.
d) Mitä voit päätellä ilmastonmuutoksen vaikutuksesta nurmikasvien kasvulle Suomessa?
- Ilmastonmuutoksen kaksi tekijää, hiilidioksidipitoisuuden kohoaminen ja lämpötilan nousu, parantavat nurmikasvien tuotantoa, jos muut tekijät (esim. sademäärän muutokset) eivät sitä estä.
- Ilmastonmuutoksella ei ole juuri vaikutusta nurmikasvien kasvuun Suomessa.
Kirjanpainaja on pieni hyönteinen, jonka toukat käyttävät ravintonaan kuusen nilaa. Kirjanpainajat voivat otollisissa olosuhteissa muodostaa massaesiintymän. Valtavat määrät kirjanpainajia voi silloin aiheuttaa kuusien kuoleman.
Ohessa kaavioita tutkimuksesta: Mattila, Leena 2011: Kirjanpainajan (Ips typographus) aiheuttamat tuhot luonnontilaisessa kansallispuistossa myrskytuhojen jälkeen.
a) Mikä on nila? Miksi sen vahingoittuminen voi olla puulle kohtalokasta?
- Nilassa kulkee vesi puun juurista kohti latvaa.
- Nilassa kulkee yhteyttämistuotteita.
b) Millaisessa metsässä kirjanpainajan tuhoja ei esiintynyt?
- Mäntyvaltainen metsä
- Kuusivaltainen metsä
- Koivuvaltainen metsä
- Haapavaltainen metsä
c) Kuusen runkotilavuus kertoo kuusipuun määrän kuutoissa hehtaaria kohden. Miten kuusipuun määrä vaikutti kirjanpainajan tuhoihin?
- Mitä nuorempia kuusia alueella on, sitä enemmän kirjanpainaja tappaa kuusia.
- Mitä enemmän kuusipuuta on metsässä (isoja, vanhoja puita tiheässä), sitä enemmän kirjanpainaja aiheuttaa tuhoja.
d) Miten tutkimustulosta voisi soveltaa metsien hoidossa?
- Koska tulos osoittaa vanhojen kuusien herkkyyden kirjanpainajatuhoille, kuusen korvaamista muilla puulajeilla pitää harkita.
- Kuusimetsiä pitää käsitellä hyönteistorjunta-aineilla.
- Metsäteollisuus tarvitsee perustutkimusta.
Ylioppilaskoetehtäviä
- Mitkä vaiheet sisältyvät biologiseen tutkimukseen?
- Esitä esimerkki biologisesta tutkimuksesta, jossa nämä vaiheet toteutuvat.
Tee tehtävä huolella. Katso sen jälkeen pisteytysohjeet (tehtävä 8) täältä.
Kokeessa tutkittiin typpi- ja fosforilannoituksen vaikutusta vehnän ja valkoapilan kasvuun.
Ruukkuihin lisättiin joko typpeä (+N), fosforia (+P), typpeä ja fosforia (+N ja P) tai ei kumpaakaan ravinnetta (kontrolli). Kasvuolosuhteet olivat muutoin samanlaiset. Oheisissa diagrammeissa esitetään kasvunopeus (mg/viikko) eri käsittelyissä. Selosta lajikohtaisesti, mitkä ovat kokeen keskeiset tulokset. Mikä selittää lajien väliset erot?
Tee tehtävä huolella. Katso sen jälkeen pisteytysohjeet (tehtävä 7) täältä.
Tutkijat selvittivät nisäkkäiden laiduntamisen, ilmaston lämpenemisen ja ravinnelisäyksen vaikutuksia tundrakasvillisuuden monimuotoisuuteen (aineistot A-D).
1. Tieteellisen tutkimuksen suorittamiseen liittyy useita vaiheita. Mitä tieteellisen tutkimuksen vaiheita tunnistat aineistoista A-D? Perustele vastauksesi. (10 p.)
2. Miksi tutkimuksessa oli mukana myös näytealoja, joilla ei tehty mitään aineiston 10.C käsittelyistä? Miksi tutkijat tarkastelivat kunkin käsittelyn vaikutuksia yhden sijaan seitsemällä näytealalla? Miksi käsittelyjä tehtiin näytealoilla sekä yksittäin että erilaisina yhdistelminä? (6 p.)
3. Perehdy tutkimuksen tuloksia esittävään kuvaan D. Ovatko seuraavat tuloksia koskevat väitteet 1–4 oikein vai väärin? Kussakin väitteessä oikea vastaus tuottaa 1 p., vastaamatta jättäminen 0 p. ja väärä vastaus -1 p. Vastausta ei tarvitse perustella. (4 p.)
- Laiduntaminen lisäsi lajien monimuotoisuutta lannoittamattomilla näytealoilla, joiden lämpötilaa oli nostettu.
- Laiduntaminen vähensi lajien monimuotoisuutta niillä näytealoilla, joita oli lannoitettu.'
- Tuloksissa on havaittavissa käsittelyjen välisiä yhdysvaikutuksia.
- Lannoitus lisäsi lajien monimuotoisuutta sekä laidunnetuilla että laiduntamattomilla näytealoilla.
Tee tehtävä huolellisesti ja tarkista oikea vastaus täältä (tehtävä 10).
Termit
Biologinen tutkimus
korrelaatio, correlation.
Korrelaatio kuvaa kahden muuttujan välistä riippuvuutta.
kausaatio, causation.
Kausaatio kuvaa sitä, että asialla A on yhteys asiaan B.
kontrolli eli verrokkiryhmä, control.
Kokeellisessa tutkimuksessa käytetään aina verrokkiryhmää, jolle tutkittavaa muuttujaa ei vaihdella.
hypoteesi, hypothesis.
Jonkin havaitun ilmiön mahdollinen selitys (tieteellinen oletus). Hypoteesi pyritään testaamaan lisähavainnoilla tai kokeilla.
tieteellinen teoria, scientific theory.
Havaintojen perusteella muodostettu yhtenäinen selitys ilmiölle. Teoria selittää ilmiötä ja sen avulla voidaan tehdä ennustuksia ilmiöstä.
in vivo.
Elävissä eliöissä tehtyä tutkimusta.
in vitro.
Tutkimusta, joka tehdään koeputkessa, toisin sanoen elävien eliöiden ulkopuolella. In vitro -tutkimuksessa voidaan kuitenkin käyttää eliöiden osia, esimerkiksi soluja tai niiden osia.
in silico.
Tietokoneella tehtyä tutkimusta, esimerkiksi matemaattiset mallinnukset ilmiöstä.
biologinen malli, biological model.
Mallien tarkoituksena on kuvata ja yksinkertaistaa biologisia ilmiöitä niin, että ne on helpompi ymmärtää ja niiden tutkimus on helpompaa.
perustutkimus, basic / fundamental research.
Perustutkimusta tehdään puhtaasti uteliaisuudesta ja tiedon halusta, eikä tutkimustiedolla välttämättä ole suoraa hyötyä tai soveltamiskohteita.
soveltava tutkimus, applied research.
Soveltavassa tutkimuksessa hyödynnetään perustutkimuksesta saatua tietoa jotakin käytännöllistä tavoitetta varten.
biologinen malli, biological model.
Mallien tarkoituksena on kuvata ja yksinkertaistaa biologisia ilmiöitä niin, että ne on helpompi ymmärtää ja niiden tutkimus on helpompaa.
alkusynty, abiogenesis.
1. Elämän syntyminen kemiallisen evoluution seurauksena elottomista aineista elämän alkuaikana.
2. Elämän syntyminen elottomista aineista. Yksittäisten eliöiden syntyminen elottomista aineista on osoitettu vääräksi mm. Louis Pasteurin toimesta.
Biologian aloja ja organisaatiotasoja
BIologian aloja:
evoluutio, evolution.
Eliölajien ja populaatioiden vähittäinen muuttuminen siten, että jälkeläiset eroavat kantamuodoistaan. Perustuu muunteluun, perinnöllisyyteen ja luonnonvalintaan.
ekologia, ecology.
Eliöiden sekä niiden ympäristön välisiä riippuvuus- ja vuorovaikutussuhteita tutkiva biologian osa-alue.
ympäristötiede, environmental science.
Ympäristötiede tutkii ympäristön tilaa sekä keinoja ja mahdollisuuksia ympäristöongelmien ratkaisemiseksi. Tavoitteena on tuottaa tietoa, jota voidaan käyttää ympäristön tilan parantamiseksi.
ympäristöekologia, environmental ecology.
Ekologian ala, joka tutkii ihmisen vaikutusta eliöiden määrään ja levinneisyyteen sekä niihin vaikuttaviin ympäristötekijöihin. Ihmiskeskeinen lähtökohta ympäristöasioihin.
paleontologia, palaeontology.
Muinaisaikojen eliömaailmaa erityisesti fossiilien avulla tutkiva tiede.
systematiikka, systematics.
Systematiikka tutkii eliöiden monimuotoisuutta ja eliöiden välisiä sukulaisuussuhteita. Sen ero taksonomia-käsitteeseen on pieni.
taksonomia, taxonomy.
Biologian ala, joka nimeää ja luokittelee (ryhmittelee) eliöitä. Eliöiden tieteellinen luokittelu.
biomimetiikka, biomimetics.
Biomimetiikka (bioniikka) on tieteenala, jossa tutkitaan eliöiden toimintoja ja pyritään kehittämään niistä ihmiskuntaa hyödyntäviä teollisia sovelluksia.
Biologisen tutkimuksen tasoja (organisaatiotasot):
populaatio, population.
Tietyllä alueella samaan aikaan elävät saman lajin kaikki yksilöt muodostavat populaation.
eliöyhteisö, community.
Tietyn alueen kaikkien lajien populaatioiden muodostama vuorovaikutteinen kokonaisuus.
ekosysteemi, ecosystem.
Tietyn yhtenäisen alueen eliöyhteisö ja sen kanssa vuorovaikutuksessa olevan elottoman luonnon muodostama toiminnallinen kokonaisuus. Esimerkiksi metsä, suo tai järvi.
biosfääri, biosphere.
Elokehä. Se osa maapalloa, jossa on elämää.
- Palvelun tarjoaa e-Oppi Oy ja Star Cloud OÜ