1.2: Наука ботаніки

Наука, що вивчає рослини, називається ботаніка. Всі природничі науки, включаючи ботаніку, мають на меті зрозуміти, як функціонує світ природи. Щоб це зробити, нам потрібно робити спостереження, проводити експерименти, генерувати та перевіряти гіпотези, записувати дані та звітувати про результати. У західній науці люди використовують ряд кроків, званих науковим методом, який допомагає відповісти на питання неупереджено.

Важливо зауважити, що корінні народи по всьому світу мають свої власні системи знань, які відрізняються від західного наукового підходу, де «... знання для спостереження, збору, категоризації, запису, використання, поширення та перегляду інформації та концепцій, які пояснюють, як світ працює...» (Уайт та ін. , 2016). Знання корінних народів часто відбуваються в набагато довшому масштабі часу, коли знання та спостереження передаються з покоління в покоління. Дві системи не потрібно ізолювати, а іноді використовуються разом, щоб відповісти на питання. «Гаваї, як і багато корінних жителів, були дбайливими спостерігачами природи. Вони уважно спостерігали, розробляли можливі пояснення того, що спостерігали, проводили експерименти, щоб або підтвердити, або вдосконалити своє розуміння, поки не були впевнені в своєму розумінні. Після того, як їх розуміння було вдосконалено, вони потім вчинили його в пам'ять, використовуючи такі мнемонічні пристрої, як mele (пісня), олі (спів) або moioulelo (історія), який потім був переданий наступному поколінню. Нам залишається лише подивитися на Гавайські рибні ставки, щоб зрозуміти, скільки спостережень, експериментів, уточнень, які, мабуть, мали місце, перш ніж вони зробили надзвичайно величезну трудомістку зобов'язання побудувати рибний ставок. В одному ми можемо бути впевнені, досконалість гавайського рибного ставка відбулася не в одному поколінні; це був навмисний процес. Західний «Науковий метод» діє майже однаково, робляться спостереження, представлені гіпотези, експерименти, проведені для уточнення спостереження, головна відмінність полягає в тому, що на заході кожен крок ретельно записаний і документований». (Калей Лаймана, пер. спілкування).

Науковий метод

Ботаніки та інші вчені дізнаються про світ природи, задаючи питання про нього і використовуючи системний підхід, відомий як науковий метод, щоб знайти відповіді. Це може здивувати вас, дізнавшись, що навіть ви використовуєте цей метод у своєму житті для вирішення повсякденних проблем або відповіді на питання, які, мабуть, не пов'язані з наукою. Першим кроком наукового методу є спостереження, яке зазвичай призводить до питання. Уявіть, у вас є кілька красивих рослин пуакенікені у вашому саду, і ви помітили, що їх листя починають жовтіти (рис.\(\PageIndex{1}\)). Це спостереження, яке може привести вас до питання: «чому жовтіють листя моїх рослин?» Оскільки ви не фахівець з рослин, ви звертаєтеся до Інтернету або члена сім'ї, який має зелений палець, щоб спробувати відповісти на питання і врешті-решт вирішити проблему. Вчені стежать за подібним процесом; вони досліджують інформацію, що стосується питання, щоб спробувати знайти відповідь на нього, подивитися, чи намагалися інші вчені вже відповісти на питання або стикалися з подібною проблемою і як вони її вирішили.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Рослина Пуакенікені (Fagraea berteroana) з жовтіють листям.

Повертаючись до нашого прикладу, після пошуку в Інтернеті «листя рослин жовтіє», ви знайдете кілька потенційних причин того, що листя ваших рослин жовтіють. Який з них правильний? Прочитавши більш детальну інформацію про деякі причини, які ви вирішите, це повинна бути нестача води, грунт навколо ваших рослин здається сухим, тому ваші рослини, ймовірно, не отримують достатньої кількості води. Тепер у вас є ймовірна відповідь на ваше запитання або гіпотезу. Гіпотеза - це потенційне пояснення питання, яке можна перевірити. Гіпотези зазвичай слідують формату «якщо... тоді», який представляє питання та запропоноване рішення. У цьому випадку ваша гіпотеза може бути такою: «Якщо я поливаю свою рослину пуакенікені частіше, то листя не пожовтіє». У нашому прикладі існують різні причини, які можуть призвести до того, що листя на ваших рослинях пожовтіти, тому є кілька гіпотез, які можна було б перевірити, і це справедливо для більшості питань в науці.

Погляньте на блок-схему наукового методу, представлену на малюнку\(\PageIndex{2}\). Ви можете бачити, що ми вже виконали кілька кроків, які складають науковий метод у нашому прикладі: спостереження, питання та гіпотеза/передбачення. Наступний крок - запустити експеримент, щоб перевірити свою гіпотезу. Тепер, як би ви перевірили свою гіпотезу? Іноді ми уявляємо, що наукові експерименти - це складні та вдосконалені процеси, які потрібно проводити в надзвичайно вишуканому та високотехнологічному об'єкті, але це не завжди так. Певною мірою ми всі можемо проводити експерименти простим і точним способом. Визначивши, що ваші рослини були недоводнені, найбільш логічним експериментом було б додати більше води, ніж зазвичай, до ваших рослин, щоб побачити, чи вирішує це пожовтіння листя. Експеримент може бути таким же простим, як це; однак, вчені повинні бути впевнені в тому, що саме впливає на результати. Для цього наукові експерименти мають одну або кілька експериментальних змінних, які є (є) частиною (ами) експерименту, які можуть бути змінені. У нашому випадку кількість води, що надається рослинам, буде експериментальною змінною.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Науковий метод складається з ряду чітко визначених кроків. За OpenStax ліцензується під CC-BY 4.0.

Експериментам також потрібна контрольна група, яка представляє собою групу, яка має всі ті ж характеристики, що і експериментальна група (та, в якій ви змінюєте змінну), але в якій ми не змінюємо змінну. Маючи контрольну групу, ми переконуємось, що нестача води є змінною (характеристикою), яка спричиняє пожовтіння листя у ваших рослин, і що іншої причини немає. У вашому саду простим способом точно перевірити цю гіпотезу було б створити експеримент, який включає експериментальну групу та контрольну групу. У експериментальній групі у вас буде принаймні одна рослина puakenikeni, яку ви збираєтеся поливати частіше, тому змінна, яку ви змінюєте, - це частота води. З іншого боку, контрольною групою буде принаймні одна рослина пуакенікені, до якого ви будете продовжувати поливати з тією ж частотою, що і раніше. Ви будете продовжувати це робити протягом декількох тижнів, а потім зможете записувати свої результати. Якби вчений хотів провести подібний експеримент, вона/він, ймовірно, запустив би його в теплиці або розпліднику, щоб мати можливість регулювати всі інші умови навколишнього середовища та будь-які інші змінні, щоб нічого іншого не впливало на результати експерименту. Вчений також мав би кілька реплік або повторень експерименту, щоб переконатися, що результати є неупередженими. Наприклад, замість того, щоб збільшити полив лише на одній рослині, вчений може мати групу з 30 рослин, які поливають частіше як експериментальну групу, і групу з 30 рослин, які утримуються в тому ж режимі поливу, що і контрольна група.

Наступним етапом процесу є аналіз результатів. Протягом декількох тижнів ви поливали хоча б одну з ваших рослин пуакенікені частіше (експериментальна група) і продовжували поливати принаймні одну рослину пуакенікені, як раніше (контрольна група), тому настав час проаналізувати результати вашого експерименту. Ви добре придивіться до листя обох рослин і на свій розчарування листя обох рослин виглядають аналогічно жовтими. На цьому етапі ви можете зробити висновок, що не вода викликала пожовтіння листя у ваших рослин, тому ваша початкова гіпотеза була неправильною. Що ви робите далі, щоб врятувати свої рослини? Якщо ви подивитеся на блок-схему наукового методу (рис.\(\PageIndex{2}\)), то побачите, що якщо ваша гіпотеза не була підтримана вашим експериментом, то вам потрібно спробувати ще раз.

Ви пам'ятаєте, що в Інтернеті були й інші причини, які могли спричинити пожовтіння листя у ваших рослин? Ну, тепер ви можете перевірити ще одну гіпотезу: можливо, ваша рослина страждає від нестачі поживних речовин у грунті. Вам потрібно запустити новий експеримент, щоб перевірити цю нову гіпотезу аналогічним чином, який ви перевіряли для водної гіпотези. Тож уявімо, що ви додаєте добриво принаймні до однієї з ваших рослин пуакенікені, щоб збільшити поживні речовини, наявні в ґрунті (експериментальна група), і залишити принаймні одну рослину пуакенікені без добрив (контрольна група). Через кілька тижнів ви аналізуєте результати, і бачите, що рослина, до якої додали добрива, тепер має гарне зелене листя і виглядає здоровим, тоді як ваша контрольна рослина має жовте листя. Вітаємо, ви зламали справу, і тепер ви можете допомогти своїм рослинам жити довгим і здоровим життям, додавши добрива до всіх ваших рослин puakenikeni! Зазвичай експеримент вимагає реплікації, тому потрібно, щоб у вас було кілька рослин у вашій контрольній групі та кілька у вашій експериментальній групі. Це не завжди можливо, якщо ви робите це на задньому дворі, але важливо знати, що дослідники роблять це, щоб переконатися, що результати не є впливом випадкової величини (наприклад, вплив розташування рослини).

Останнім кроком наукового методу є повідомлення або поширення результатів, що в науковому співтоваристві зазвичай робиться шляхом публікації наукової статті чи доповіді, публічної презентації на науковій зустрічі або навіть публікації статті в газеті, якщо питання цікавить співтовариство. Цей останній крок важливий, оскільки він допомагає нарощувати знання та розвивати науку, щоб ми не застрягли, намагаючись вирішити одне і те ж питання знову і знову. У нашому прикладі ви також можете поділитися результатами свого експерименту з родиною та друзями, щоб допомогти комусь, хто стикається з тією ж проблемою.

Експерименти - не єдиний спосіб відповісти на питання в науці. Іноді ми використовуємо описові методи, коли експериментальний підхід нездійсненний. Наприклад, якщо ви хочете визначити, скільки особин вимираючої гавайської рослини залишилося в дикій природі на горі Каала на О'аху, найкращим підходом було б провести опитування або записати всі рослини цього виду в цій горі, замість того, щоб проводити експеримент.

Фундаментальні та прикладні науки

Існує два основних види науки: фундаментальна і прикладна. Фундаментальна наука спрямована на розширення знань; не прагнучи знайти практичне використання або створити продукт, просто поширення знань у цій темі. Прикладом фундаментальної науки було б записати всі різні види рослин, які присутні на Гаваях, це, здається, не має ніякого практичного застосування, але ми могли б фактично використовувати знання, зібрані в фундаментальних науках, для прикладної науки. Прикладна наука має на меті використовувати науку для створення продукту або вирішення реальної проблеми. Наприклад, якщо ми зафіксували всіх особин гавайської рослини, що знаходяться під загрозою зникнення, які залишилися в дикій природі на горі Каала на О'аху, ми могли б використати цю інформацію для створення плану збереження, щоб врятувати цей вид від вимирання, вирощуючи його в лабораторії, а потім висаджуючи його в дикій природі, щоб відновити рідний екосистеми. Чудовим прикладом прикладної науки про рослини є сільське господарство, оскільки воно використовує знання рослин для створення та вдосконалення сортів рослин, пристосованих до місцевих середовищ, отримання більшої кількості плодів або врожайності або підвищення стійкості до посухи. Прикладом можуть служити сорти томатів, які були розроблені селекціонерами Гавайського університету, які були стійкі до кількох тропічних захворювань. Ці зусилля не тільки допомогли місцевому виробництву продуктів харчування з 1950-1980-х років, але й допомогли племінним програмам у багатьох країнах. Сорти томатів, розроблені тут, потім використовувалися іншими дослідницькими програмами для розведення інших сортів (Teves, 2017).

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Посадка кало в Вайхе'е, О'аху. За DutraElliott ліцензується відповідно до CC BY-NC-SA 4.0 через Flickr.

Чому ботаніка важлива?

Ботаніка - це широка наука з безліччю різних піддисциплін, які охоплюють різні аспекти наук про рослини. Деякі ботаніки працюють над біотехнологією, як люди, що видобувають сполуки з рослин для створення ліків або вивчення хімічних речовин, вироблених різними рослинами, щоб знайти для них нове застосування. Наприклад, ми використовуємо деякі рослинні хімічні речовини для лікування певних видів раку. Одним з таких сполук є таксол, який видобувається з тихоокеанського тису (Taxus brevifolia) і використовується для лікування раку яєчників. Ботаніки, що займаються охороною природи, прагнуть зберегти види рослин і відновити пошкоджені екосистеми. Вони також можуть використовувати біотехнології і виростити цілу рослину з однієї клітини (культури тканин). Інші ботаніки зацікавлені в розумінні того, як функціонують рослини (фізіологія рослин), тому вони зосереджуються на вивченні таких речей, як фотосинтез, транспортування поживних речовин і рух води в рослині. Інші ботаніки більше зацікавлені у вивченні того, як рослини традиційно використовуються людьми в культурних практиках, медицині або кулінарії (етноботаніка). Інші ботаніки зацікавлені у вивченні викопних рослин і розумінні того, як рослини розвивалися з часом (палеоботаніка та еволюція рослин). Це лише кілька прикладів, щоб проілюструвати різноманітність ботанічного поля.

Дізнатися про рослини корисно не тільки ботанікам, але і всім людям. Наприклад, вивчення рослин може допомогти вам вирощувати та підтримувати здорові рослини у вашому будинку та саду. У деяких бізнесах, що розвиваються, як натуральні продукти та продукти конопля/марихуани, завжди є потреба в людях з рослинними знаннями та, в деяких випадках, лабораторним досвідом, оскільки екстракція рослинних сполук може вимагати використання конкретних лабораторних методів. Дізнатися про рослини, які традиційно використовувалися у вашій культурі, також може допомогти вам зв'язатися з сім'єю та громадою (рис.\(\PageIndex{4}\)).

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Кало росте в долині Вайпіо на острові Гаваї. За DutraElliott ліцензується відповідно до CC BY-NC-SA 4.0 через Flickr.

І звичайно, ви не можете пропустити можливість відповісти на деякі нагальні питання, які у вас завжди були: чому рослини зелені? Що це за запах, коли я стрижу траву? Як рухаються деякі рослини? Що це за липкі речі, які прикріплюються до моїх шкарпеток? Чи їдять м'ясоїдні рослини людську плоть?