1.2: Процес науки

Як і геологія, фізика та хімія, біологія - це наука, яка збирає знання про світ природи. Зокрема, біологія - це вивчення життя. Відкриття біології робляться спільнотою дослідників, які працюють індивідуально і разом, використовуючи узгоджені методи. У цьому сенсі біологія, як і всі науки, є соціальним підприємством, таким як політика чи мистецтво.

Малюнок \(\PageIndex{1}\): Раніше називалися синьо-зеленими водоростями, (a) ціанобактерії, що спостерігаються через світловий мікроскоп, є одними з найдавніших форм життя Землі. Ці (б) строматоліти уздовж берегів озера Фетіди в Західній Австралії - стародавні споруди, утворені нашаруванням ціанобактерій на мілководді. (кредит a: модифікація роботи NASA; дані шкали від Метта Рассела; кредит b: модифікація роботи Рут Еллісон)

Методи науки включають в себе ретельне спостереження, діловодство, логічні та математичні міркування, експерименти, а також подання висновків на перевірку інших. Наука також вимагає значної фантазії і творчості; добре продуманий експеримент зазвичай описується як елегантний, або красивий. Як і політика, наука має значні практичні наслідки, і деякі науки присвячені практичним застосуванням, таким як профілактика захворювань (рис \(\PageIndex{2}\)). Інша наука протікає багато в чому мотивована цікавістю. Якою б не була її мета, немає сумнівів, що наука, включаючи біологію, перетворила людське існування і буде продовжувати це робити.

Малюнок \(\PageIndex{2}\): Біологи можуть вибрати для вивчення Escherichia coli (E. coli ), бактерію, яка є нормальним резидентом наших травних шляхів, але яка також іноді відповідає за спалахи захворювань. На цій мікрофотографії бактерія візуалізується за допомогою скануючого електронного мікроскопа і цифрового колоризації. (кредит: Ерік Ербе; цифрове забарвлення Крістофера Пулі, USDA-ARS)

Природа науки

Біологія - це наука, але що ж таке наука? Чим ділиться вивчення біології з іншими науковими дисциплінами? Науку (від лат. Scientia, що означає «знання») можна визначити як знання про світ природи.

Наука - це дуже специфічний спосіб навчання, або пізнання, про світ. Історія останніх 500 років демонструє, що наука є дуже потужним способом пізнання світу, вона багато в чому відповідає за технологічні революції, що відбулися за цей час. Є, однак, області знань і людського досвіду, до яких методи науки не можуть бути застосовані. До них відносяться такі речі, як відповіді на суто моральні питання, естетичні питання або те, що взагалі можна віднести до категорії духовних питань. Наука не може дослідити ці сфери, оскільки вони знаходяться поза сферою матеріальних явищ, явищ матерії та енергії, і їх не можна спостерігати та вимірювати.

Науковий метод - це метод дослідження з визначеними кроками, які включають експерименти та ретельне спостереження. Етапи наукового методу будуть детально розглянуті пізніше, але одним з найважливіших аспектів цього методу є перевірка гіпотез. Гіпотеза - це запропоноване пояснення події, яке можна перевірити. Гіпотези або попередні пояснення, як правило, виробляються в контексті наукової теорії. Наукова теорія - це загальноприйняте, ретельно перевірене і підтверджене пояснення набору спостережень або явищ. Наукова теорія є фундаментом наукового пізнання. Крім того, у багатьох наукових дисциплінам (тим менше в біології) існують наукові закони, часто виражені в математичних формулах, які описують, як будуть вести себе елементи природи при певних конкретних умовах. Не існує еволюції гіпотез через теорії до законів так, ніби вони представляли певне збільшення визначеності щодо світу. Гіпотези - це щоденний матеріал, з яким працюють вчені, і вони розробляються в контексті теорій. Закони - це стислі описи частин світу, які піддаються шаблонному або математичному опису.

Природничі науки

Що б ви очікували побачити в музеї природничих наук? Жаби? Рослини? Скелети динозаврів? Експонати про те, як функціонує мозок? Планетарій? Самоцвіти та мінерали? А може, все перераховане вище? Наука включає в себе такі різноманітні галузі, як астрономія, біологія, комп'ютерні науки, геологія, логіка, фізика, хімія, математика (рис. \(\PageIndex{3}\)). Однак ті галузі науки, пов'язані з фізичним світом та його явищами та процесами, вважаються природничими науками. Таким чином, музей природничих наук може містити будь-який з перерахованих вище предметів.

Ілюстрація \(\PageIndex{3}\): Деякі галузі науки включають астрономію, біологію, інформатику, геологію, логіку, фізику, хімію та математику. (Кредит: «Редактор зображень» /Flickr)

Немає повної згоди, коли мова йде про визначення того, що включають природничі науки. Для деяких експертів природничими науками є астрономія, біологія, хімія, наука про Землю та фізика. Інші вчені вирішують розділити природничі науки на науки про життя, які вивчають живі істоти та включають біологію та фізичні науки, які вивчають неживу матерію та включають астрономію, фізику та хімію. Деякі дисципліни, такі як біофізика та біохімія, будуються на двох науках і є міждисциплінарними.

Науковий запит

Одне спільне для всіх форм науки: кінцева мета «пізнати». Цікавість і запит є рушійними силами для розвитку науки. Вчені прагнуть зрозуміти світ і те, як він діє. Використовуються два методи логічного мислення: індуктивне міркування і дедуктивне міркування.

Індуктивні міркування - це форма логічного мислення, яка використовує пов'язані спостереження для отримання загального висновку. Цей тип міркувань поширений в описовій науці. Такий життєвий вчений, як біолог, робить спостереження і записує їх. Ці дані можуть бути якісними (описовими) або кількісними (що складаються з цифр), а вихідні дані можуть бути доповнені малюнками, картинками, фотографіями або відео. З багатьох спостережень вчений може зробити висновок (індукції) на основі доказів. Індуктивне міркування передбачає формулювання узагальнень, виведених з ретельного спостереження та аналізу великого обсягу даних. Дослідження мозку часто працюють таким чином. Багато мозку спостерігаються, поки люди виконують завдання. Потім демонструється частина мозку, яка запалюється, вказуючи на активність, є частиною, яка контролює реакцію на це завдання.

Дедуктивні міркування або дедукція - це тип логіки, що використовується в науці, заснованій на гіпотезі. У дедуктивних міркуваннях схема мислення рухається у зворотному напрямку порівняно з індуктивними міркуваннями. Дедуктивні міркування - це форма логічного мислення, яка використовує загальний принцип або закон для прогнозування конкретних результатів. З цих загальних принципів вчений може екстраполювати та передбачити конкретні результати, які будуть дійсними до тих пір, поки діють загальні принципи. Наприклад, прогноз полягає в тому, що якщо клімат в регіоні стане теплішим, розподіл рослин і тварин повинен змінитися. Були зроблені порівняння між розподілами в минулому і сьогоденні, і багато змін, які були знайдені, узгоджуються з потеплінням клімату. Знаходження зміни розподілу є свідченням того, що висновок про зміну клімату є дійсним.

Обидва типи логічного мислення пов'язані з двома основними шляхами наукового вивчення: описовою наукою та наукою, заснованою на гіпотезі. Описова (або відкриття) наука має на меті спостерігати, досліджувати та виявляти, тоді як наука, заснована на гіпотезі, починається з конкретного питання чи проблеми та потенційної відповіді чи рішення, яке можна перевірити. Кордон між цими двома формами навчання часто розмита, тому що більшість наукових починань поєднують обидва підходи. Спостереження призводять до питань, питання призводять до формування гіпотези як можливої відповіді на ці питання, а потім гіпотеза перевіряється. Таким чином, описова наука та наука, заснована на гіпотезах, перебувають у постійному діалозі.

тестування гіпотез

Біологи вивчають живий світ, ставлячи питання про нього та шукаючи науково обґрунтовані відповіді. Цей підхід є загальним і для інших наук, і його часто називають науковим методом. Науковий метод використовувався ще в давнину, але вперше він був задокументований англійським сером Френсісом Беконом (1561—1626) (рис. \(\PageIndex{4}\)), Який встановив індуктивні методи наукового дослідження. Науковий метод не використовується виключно біологами, але може бути застосований майже до всього, як логічний метод вирішення проблем.

Ілюстрація \(\PageIndex{4}\): Серу Френсісу Бекону приписують перший документ наукового методу.

Науковий процес, як правило, починається з спостереження (часто проблема, яку потрібно вирішити), що призводить до питання. Давайте подумаємо про просту проблему, яка починається з спостереження і застосуємо науковий метод для вирішення проблеми. Одного ранку понеділка студент приїжджає на заняття і швидко виявляє, що в класі занадто тепло. Це спостереження, яке також описує проблему: в класі занадто тепло. Потім студент задає питання: «Чому в класі так тепло?»

Нагадаємо, що гіпотеза - це запропоноване пояснення, яке можна перевірити. Для вирішення проблеми може бути запропоновано кілька гіпотез. Наприклад, одна з гіпотез може бути: «У класі тепло, тому що ніхто не включив кондиціонер». Але можуть бути й інші відповіді на питання, а тому можуть бути запропоновані й інші гіпотези. Друга гіпотеза може бути: «У класі тепло, тому що відбувається збій живлення, і тому кондиціонер не працює».

Після того, як гіпотеза була обрана, може бути зроблено прогноз. Передбачення схоже на гіпотезу, але зазвичай воно має формат «Якщо. потім.». Наприклад, передбачення першої гіпотези може бути: «Якщо студент увімкне кондиціонер, то в класі вже не буде занадто тепло».

Гіпотеза повинна бути перевірена, щоб переконатися, що вона дійсна. Наприклад, гіпотеза, яка залежить від того, що думає ведмідь, не піддається перевірці, тому що ніколи не можна дізнатися, що думає ведмідь. Він також повинен бути фальсифікованим, а це означає, що це може бути спростовано експериментальними результатами. Прикладом нефальсифікованої гіпотези є « Народження Венери Боттічеллі прекрасне». Не існує експерименту, який міг би показати це твердження помилковим. Для перевірки гіпотези дослідник проведе один або кілька експериментів, призначених для усунення однієї або декількох гіпотез. Це важливо. Гіпотезу можна спростувати, або усунути, але вона ніколи не може бути доведена. Наука не займається доказами, як математика. Якщо експеримент не спростовує гіпотезу, то ми знаходимо підтримку цьому поясненню, але це не означає, що по дорозі кращого пояснення не буде знайдено, або буде знайдено більш ретельно розроблений експеримент для фальсифікації гіпотези.

Кожен експеримент буде мати одну або кілька змінних і один або кілька елементів управління. Змінна - це будь-яка частина експерименту, яка може змінюватися або змінюватися під час експерименту. Контроль - це частина експерименту, яка не змінюється. Шукайте змінні та елементи управління в наступному прикладі. Як простий приклад, експеримент може бути проведений для перевірки гіпотези про те, що фосфат обмежує ріст водоростей у прісноводних водоймах. Серія штучних ставків заповнюється водою, а половина з них обробляється додаванням фосфату щотижня, тоді як інша половина обробляється додаванням солі, яка, як відомо, не використовується водоростями. Змінною тут є фосфат (або відсутність фосфату), експериментальні або лікувальні випадки - це ставки з додаванням фосфату, а контрольні ставки - це ті, з чимось інертним доданим, наприклад, сіллю. Просто додавання чогось - це також контроль проти можливості того, що додавання додаткової речовини у ставок має ефект. Якщо оброблені водойми демонструють менший ріст водоростей, то ми знайшли підтримку нашій гіпотезі. Якщо їх немає, то ми відкидаємо нашу гіпотезу. Майте на увазі, що відмова від однієї гіпотези не визначає, чи можна прийняти інші гіпотези; це просто усуває одну гіпотезу, яка не є дійсною (рис \(\PageIndex{5}\)). Використовуючи науковий метод, гіпотези, несумісні з експериментальними даними, відкидаються.

Ілюстрація \(\PageIndex{5}\): Науковий метод являє собою ряд визначених кроків, які включають експерименти і ретельне спостереження. Якщо гіпотеза не підтверджена даними, може бути запропонована нова гіпотеза.

Приклад \(\PageIndex{1}\)

У наведеному нижче прикладі науковий метод використовується для вирішення повсякденної проблеми. Якою частиною в прикладі нижче є гіпотеза? Що таке передбачення? Виходячи з результатів експерименту, чи підтримується гіпотеза? Якщо вона не підтримується, запропонуйте кілька альтернативних гіпотез.

1. Мій тостер не тостить мій хліб.
2. Чому мій тостер не працює?
3. Щось не так з електричною розеткою.
4. Якщо з розеткою щось не так, моя кавоварка також не працюватиме при підключенні до неї.
5. Підключаю кавоварку в розетку.
6. Моя кавоварка працює.

Розв'язок

Гіпотеза #3 (з електричною розеткою щось не так), а прогноз #4 (якщо з розеткою щось не так, то кавоварка теж не буде працювати при включенні в розетку). Оригінальна гіпотеза не підтримується, так як кавоварка працює при включенні в розетку. Альтернативні гіпотези можуть включати (1) тостер може бути зламаний або (2) тостер не був включений.

На практиці науковий метод не такий жорсткий і структурований, як може спочатку з'явитися. Іноді експеримент призводить до висновків, які сприяють зміні підходу; часто експеримент приносить в головоломку абсолютно нові наукові питання. Багато разів наука не працює лінійно; натомість вчені постійно роблять висновки та роблять узагальнення, знаходячи закономірності в міру їх досліджень. Наукові міркування є більш складними, ніж передбачає лише науковий метод.

Основи та прикладні науки

Наукове співтовариство останні кілька десятиліть веде дискусію про цінність різних видів науки. Чи цінно займатися наукою заради просто отримання знань, чи наукові знання варті лише в тому випадку, якщо ми можемо застосувати їх до вирішення конкретної проблеми або поліпшення нашого життя? Це питання акцентує увагу на відмінностях двох видів науки: фундаментальної науки і прикладної науки.

Основна наука або «чиста» наука прагне розширити знання незалежно від короткочасного застосування цих знань. Він не орієнтований на розробку продукту або послуги, що мають негайну суспільну чи комерційну цінність. Безпосередньою метою фундаментальної науки є знання заради знань, хоча це не означає, що врешті-решт це може не призвести до застосування.

Навпаки, прикладна наука або «технологія» має на меті використовувати науку для вирішення реальних проблем, даючи можливість, наприклад, підвищити врожайність врожаю, знайти ліки від певної хвороби або врятувати тварин, яким загрожує стихійне лихо. У прикладній науці проблема зазвичай визначається для дослідника.

Деякі люди можуть сприймати прикладну науку як «корисну», а фундаментальну науку як «марну». Питання, яке ці люди можуть поставити перед вченим, який виступає за здобуття знань, буде: «Навіщо?» Уважний погляд на історію науки, однак, показує, що базові знання призвели до багатьох чудових застосувань, що мають велику цінність. Багато вчених вважають, що базове розуміння науки необхідне перед розробкою програми; тому прикладна наука спирається на результати, отримані за допомогою фундаментальної науки. Інші вчені вважають, що настав час перейти від фундаментальної науки і замість цього знайти рішення актуальних проблем. Обидва підходи справедливі. Це правда, що є проблеми, які вимагають негайної уваги; однак мало рішень було б знайдено без допомоги знань, отриманих за допомогою фундаментальної науки.

Один із прикладів того, як фундаментальна і прикладна наука може працювати разом для вирішення практичних проблем, що виникли після відкриття структури ДНК, привів до розуміння молекулярних механізмів, що регулюють реплікацію ДНК. Нитки ДНК, унікальні у кожної людини, знаходяться в наших клітинках, де вони надають необхідні для життя вказівки. Під час реплікації ДНК створюються нові копії ДНК незадовго до того, як клітина розділиться з утворенням нових клітин. Розуміння механізмів реплікації ДНК дозволило вченим розробити лабораторні методики, які сьогодні використовуються для виявлення генетичних захворювань, точного визначення осіб, які перебували на місці злочину, і визначення батьківства. Без фундаментальної науки навряд чи існувала б прикладна наука.

Іншим прикладом зв'язку між основними та прикладними дослідженнями є Проект генома людини, дослідження, в якому кожна хромосома людини була проаналізована та нанесена на карту для визначення точної послідовності субодиниць ДНК та точного розташування кожного гена. (Ген є основною одиницею спадковості; повна колекція генів індивіда - це його геном.) Інші організми також були вивчені в рамках цього проекту, щоб краще зрозуміти хромосоми людини. Проект Геном людини (Малюнок \(\PageIndex{6}\)) спирався на фундаментальні дослідження, проведені з нелюдськими організмами і, пізніше, з геномом людини. Важливою кінцевою метою в кінцевому підсумку стало використання даних для прикладних досліджень, які шукають ліки від генетично пов'язаних захворювань.

Малюнок \(\PageIndex{6}\): Проект Геном людини був 13-річним спільним зусиллям серед дослідників, що працюють в декількох різних областях науки. Проект був завершений в 2003 році. (кредит: Програми генома Міністерства енергетики США)

Хоча дослідницькі зусилля як у фундаментальній науці, так і в прикладній науці, як правило, ретельно плануються, важливо зазначити, що деякі відкриття здійснюються серендіпіті, тобто за допомогою щасливої аварії або щасливого сюрпризу. Пеніцилін був виявлений, коли біолог Олександр Флемінг випадково залишив чашку Петрі бактерій стафілокока відкритою. Небажана цвіль росла, вбиваючи бактерії. Цвіль виявилася Penicillium, і був виявлений новий антибіотик. Навіть у високоорганізованому світі науки удача - у поєднанні з спостережливим, цікавим розумом - може призвести до несподіваних проривів.

Звітність наукової роботи

Незалежно від того, чи є наукові дослідження фундаментальною наукою чи прикладною наукою, вчені повинні поділитися своїми висновками для інших дослідників, щоб розширити та побудувати на своїх відкриттях. Комунікація та співпраця в межах та між піддисциплінами науки є ключовими для просування знань у науці. З цієї причини важливим аспектом роботи вченого є поширення результатів і спілкування з однолітками. Вчені можуть поділитися результатами, представивши їх на науковій зустрічі або конференції, але такий підхід може охопити лише обмежених небагатьох присутніх. Натомість більшість вчених представляють свої результати в рецензованих статтях, які публікуються в наукових журналах. Рецензовані статті - це наукові праці, які рецензуються, як правило, анонімно колегами або однолітками вченого. Ці колеги є кваліфікованими особами, часто експертами в одній і тій же області досліджень, які судять про те, чи підходить робота вченого для публікації чи ні. Процес рецензування допомагає гарантувати, що дослідження, описані в науковій роботі або грантовій пропозиції, є оригінальними, значущими, логічними та ґрунтовними. Грантові пропозиції, які є запитами на фінансування досліджень, також підлягають експертній оцінці. Вчені публікують свої роботи, щоб інші вчені могли відтворювати свої експерименти в подібних або різних умовах, щоб розширити результати. Експериментальні результати повинні відповідати висновкам інших вчених.

Є багато журналів і популярної преси, які не використовують систему рецензування. Зараз доступна велика кількість журналів з відкритим доступом в Інтернеті, журналів зі статтями, доступними без витрат, багато з яких використовують суворі системи рецензування, але деякі з них цього не роблять. Результати будь-яких досліджень, опублікованих на цих форумах без рецензування, не є достовірними і не повинні лягати в основу інших наукових робіт. В одному винятку журнали можуть дозволити досліднику цитувати особисте повідомлення від іншого дослідника про неопубліковані результати з дозволу цитованого автора.

Резюме

Біологія - це наука, яка вивчає живі організми та їх взаємодію один з одним та їх середовищем. Наука намагається описати і зрозуміти природу Всесвіту повністю або частково. Наука має багато галузей; ті сфери, пов'язані з фізичним світом та його явищами, вважаються природничими науками.

Гіпотеза - це орієнтовне пояснення для спостереження. Наукова теорія - це добре перевірене і послідовно вивірене пояснення набору спостережень або явищ. Науковий закон - це опис, часто у вигляді математичної формули, поведінки аспекту природи за певних обставин. У науці використовуються два типи логічних міркувань. Індуктивні міркування використовують результати для отримання загальнонаукових принципів. Дедуктивне міркування - це форма логічного мислення, яка прогнозує результати шляхом застосування загальних принципів. Загальною ниткою у всьому науковому дослідженні є використання наукового методу. Вчені представляють свої результати в рецензованих наукових працях, опублікованих в наукових журналах.

Наука може бути базовою або прикладною. Основною метою фундаментальної науки є розширення знань без будь-яких очікувань короткочасного практичного застосування цих знань. Основна мета прикладних досліджень, однак, полягає у вирішенні практичних завдань.

Глосарій

прикладна наука

форма науки, яка вирішує реальні проблеми

фундаментальна наука

наука, яка прагне розширити знання незалежно від короткочасного застосування цих знань

контроль

частина експерименту, який не змінюється під час експерименту

дедуктивні міркування

форма логічного мислення, яка використовує загальне твердження для прогнозування конкретних результатів

описова наука

форма науки, яка має на меті спостерігати, досліджувати та знаходити речі

фальсифікований

можуть бути спростовані експериментальними результатами

гіпотези

запропоноване пояснення події, яка може бути перевірена

наука, заснована на гіпотезі

форма науки, яка починається з конкретним поясненням, який потім перевіряється

індуктивні міркування

форма логічного мислення, яка використовує пов'язані спостереження прийти до загального висновку

наука про життя

галузі науки, такі як біологія, що вивчає живі істоти

природничі науки

галузі науки, яка вивчає фізичний світ, його явища та процеси

рецензована стаття

науковий звіт, який рецензується колегами вченого перед публікацією

Фізична наука

галузі науки, такі як астрономія, фізика та хімія, що вивчає неживу матерію

наука

знання, які охоплюють загальні істини або дію загальних законів, особливо при придбанні та випробуванні науковим методом

наукове право

опис, часто у вигляді математичної формули, для поведінки деяких аспектів природи при певних конкретних умовах

науковий метод

метод дослідження з визначеними кроками, які включають експерименти і ретельне спостереження

наукова теорія

ретельно перевірене і підтверджене пояснення спостережень або явищ

змінна

частина експерименту, який може варіюватися або змінювати

Дописувачі та атрибуції

• Template:ContribOpenStaxConcepts