1.2: Процес науки

Малюнок\(\PageIndex{1}\). (а) Ціанобактерії, що спостерігаються через світловий мікроскоп, є одними з найдавніших форм життя Землі. Ці (б) строматоліти вздовж берегів озера Фетіда в Західній Австралії є стародавніми структурами, утвореними нашаруванням ціанобактерій на мілководді. (Кредит a: модифікація роботи НАСА; дані шкали від Метта Рассела; кредит b: модифікація роботи Рут Еллісон)

Як і інші природничі науки, екологічна наука - це наука, яка збирає знання про світ природи. Методи науки включають ретельне спостереження, ведення обліку, логічні та математичні міркування, експерименти та подання висновків до уваги інших. Наука також вимагає значної фантазії та творчості; добре розроблений експеримент зазвичай описується як елегантний або красивий. Наука має значні практичні наслідки, і деякі науки присвячені практичним застосуванням, таким як профілактика захворювань (рис. 2). Інша наука протікає багато в чому мотивована цікавістю. Якою б не була її мета, немає сумнівів, що наука трансформувала людське існування і буде продовжувати це робити.

Малюнок\(\PageIndex{2}\). Біологи можуть вибрати для вивчення кишкової палички (кишкової палички), бактерії, яка є нормальним мешканцем наших травних трактів, але іноді є причиною спалахів захворювань. На цій мікрофотографії бактерія візуалізується за допомогою скануючого електронного мікроскопа та цифрового розфарбовування. (кредит: Ерік Ербе; цифрове розфарбовування Крістофера Пулі, USDA-ARS)

Природа науки

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

Наука - це дуже специфічний спосіб пізнання про світ. Історія останніх 500 років демонструє, що наука є дуже потужним способом отримання знань про світ; вона багато в чому відповідає за технологічні революції, що відбулися за цей час. Однак існують галузі знань, до яких методи науки не можуть бути застосовані. До них відносяться такі речі, як мораль, естетика або духовність. Наука не може досліджувати ці області, оскільки вони знаходяться поза сферою матеріальних явищ, явищ матерії та енергії, і їх неможливо спостерігати та вимірювати.

Науковий метод - це метод дослідження з визначеними кроками, які включають експерименти і ретельне спостереження. Етапи наукового методу будуть детально розглянуті пізніше, але одним з найважливіших аспектів цього методу є перевірка гіпотез. Гіпотеза - це запропоноване пояснювальне твердження для даного природного явища, яке можна перевірити. Гіпотези, або попередні пояснення, відрізняються від наукової теорії. Наукова теорія - це широко прийняте, ретельно перевірене і підтверджене пояснення сукупності спостережень або явищ. Наукова теорія є основою наукового пізнання. Крім того, у багатьох наукових дисциплін (рідше в біології) є наукові закони, часто виражені в математичних формулах, які описують, як будуть вести себе елементи природи при певних конкретних умовах, але вони не дають пояснень, чому вони відбуваються.

Природничі науки

Що б ви очікували побачити в музеї природничих наук? Жаби? Рослини? Скелети динозаврів? Експонати про те, як функціонує мозок? Планетарій? Самоцвіти і мінерали? А може, все перераховане вище? Наука включає в себе такі різноманітні галузі, як астрономія, інформатика, психологія, біологія та математика. Однак ті галузі науки, пов'язані з фізичним світом та його явищами та процесами, вважаються природничими науками та включають дисципліни фізики, геології, біології та хімії. Наука про навколишнє середовище є міждисциплінарною природничою наукою, оскільки вона спирається на дисципліни хімії, біології та геології.

Науковий запит

Одне спільне для всіх форм науки: кінцева мета знати. Цікавість і розслідування є рушійними силами розвитку науки. Вчені прагнуть зрозуміти світ і спосіб його функціонування. Використовуються два методи логічного мислення: індуктивне міркування і дедуктивне міркування.

Індуктивні міркування - це форма логічного мислення, яка використовує пов'язані спостереження, щоб прийти до загального висновку. Цей тип міркувань поширений в описовій науці. Вчений з життя, такий як біолог, робить спостереження і записує їх. Ці дані можуть бути якісними (описовими) або кількісними (що складаються з цифр), а необроблені дані можуть бути доповнені кресленнями, 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 великої кількості даних. Дослідження мозку часто працюють таким чином. Багато мізки спостерігаються, поки люди виконують завдання. Потім продемонстрована частина мозку, яка загоряється, вказуючи на активність, є частиною, яка контролює відповідь на це завдання.

Дедуктивні міркування або дедукція - це тип логіки, що використовується в науці, заснованій на гіпотезах. У дедуктивних міркуваннях модель мислення рухається в протилежному 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 загальні принципи дійсні. Наприклад, прогноз буде полягати в тому, що якщо клімат в регіоні стає 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 гіпотезах. 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 або рішення, яке можна перевірити. Кордон між цими двома формами навчання часто розмивається, оскільки 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, знаходяться в безперервному діалозі.

«Вчені стали носіями факела відкриття в нашому прагненні до знань». — Стівен Хокінг і Леонард Млодінов, у Великому дизайні (2010), Bantam Books

Тестування гіпотез

Біологи вивчають живий світ, ставлячи питання про нього і 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 його задокументував англійський сер Френсіс Бекон (1561—1626), який створив індуктивні методи для наукового дослідження. Науковий метод не використовується виключно біологами, але може бути застосований майже до чого завгодно як логічний метод вирішення проблем.

Малюнок\(\PageIndex{3}\). Сер Френсіс Бекон приписують, що він першим документував науковий метод.

Науковий процес зазвичай починається з спостереження (часто проблема, яку потрібно вирішити), що призводить до питання. Давайте подумаємо про просту задачу, яка починається з спостереження і застосуємо науковий метод для вирішення проблеми. Одного понеділка вранці студент приходить на заняття і швидко виявляє, що в класі занадто тепло. Це спостереження, яке також описує проблему: клас занадто теплий. Тоді студент задається питанням: «Чому в класі так тепло?»

Нагадаємо, що гіпотеза - це запропоноване пояснення, яке можна перевірити. Для вирішення проблеми може бути запропоновано кілька гіпотез. Наприклад, одна гіпотеза може бути: «Класна кімната тепла, тому що ніхто не вмикав кондиціонер». Але можуть бути й інші відповіді на питання, а тому можуть бути запропоновані інші гіпотези. Друга гіпотеза може бути: «Клас теплий, тому що є відключення електроенергії, і тому кондиціонер не працює».

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

Гіпотеза повинна бути перевірена, щоб переконатися, що вона дійсна. Наприклад, гіпотеза, яка залежить від того, що вважає ведмідь, не піддається перевірці, оскільки 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 би показував це твердження помилковим. Щоб перевірити гіпотезу, дослідник проведе один або кілька експериментів, покликаних усунути одну або кілька 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 матиме одну або кілька змінних і один або кілька елементів управління. Експериментальні змінні - це будь-яка частина експерименту, яка може змінюватися або змінюватися під час експерименту. Керовані змінні - це частини експерименту, які не змінюються. Нарешті, експерименти можуть мати контрольну групу: група випробуваних, які максимально схожі на всіх інших випробуваних, за винятком того, що вони не отримують експериментального лікування (ті, які отримують його, відомі як експериментальна група). Наприклад, у дослідженні, що перевіряє препарат для схуднення, контрольною групою будуть випробовувані, які не отримують препарат (але замість цього вони можуть отримати плацебо, наприклад, цукрову таблетку). Шукайте ці різні речі в наступному прикладі:

Експеримент може бути проведений для перевірки гіпотези про те, що фосфат (поживна речовина) сприяє зростанню водоростей у прісноводних ставках. Серію штучних ставків заповнюють водою і половину з них обробляють додаванням фосфату щотижня, а іншу половину обробляють додаванням непоживного мінералу, який не використовується водоростями. Експериментальною змінною тут є наявність/відсутність поживної речовини (фосфату). Однією з потенційних керованих змінних буде об'єм води в кожному резервуарі. Кількість води, до якої мають доступ водорості, може впливати на результати, тому дослідники хочуть контролювати її вплив на результати, переконавшись, що всі випробовувані отримують однакову кількість. Контрольна група складається з резервуарів, які отримали плацебо (непоживний мінерал) замість фосфату. Якщо водойми з фосфатом показують більше зростання водоростей, то ми знайшли підтримку гіпотезі. Якщо їх немає, то ми відкидаємо нашу гіпотезу. Майте на увазі, що відмова від однієї гіпотези не визначає, чи можуть бути прийняті інші гіпотези; це просто усуває одну гіпотезу, яка не є дійсною (рис.\(\PageIndex{3}\)). Використовуючи науковий метод, відкидаються гіпотези, які суперечать експериментальним даними.

Малюнок\(\PageIndex{4}\). Науковий метод являє собою ряд визначених кроків, які включають експерименти і ретельне спостереження. Якщо гіпотеза не підкріплена даними, може бути запропонована нова гіпотеза.

У наведеному нижче прикладі для вирішення повсякденної проблеми використовується науковий метод. Яка частина в наведеному нижче прикладі є гіпотезою? 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. З електричною розеткою щось не так.
4. Якщо щось не так з розеткою, моя кавоварка також не працюватиме при підключенні до неї.
5. Підключаю кавоварку в розетку.
6. Моя кавоварка працює.

На практиці науковий метод не такий жорсткий і структурований, як може здатися спочатку. Іноді експеримент призводить до висновків, які сприяють зміні підходу; часто експеримент приносить абсолютно нові наукові питання в головоломку. Багато разів наука не працює лінійно; натомість вчені постійно роблять висновки і роблять узагальнення, знаходячи закономірності в міру їх дослідження. Наукове міркування є більш складним, ніж підказує сам науковий метод.

Фундаментальні та прикладні науки

Чи цінно займатися наукою заради простого отримання знань, чи наукові знання варті лише в тому випадку, якщо ми можемо застосувати їх для вирішення конкретної проблеми або покращення нашого життя? Це питання зосереджується на відмінностях між двома видами науки: фундаментальною наукою та прикладною наукою.

Фундаментальна наука або «чиста» наука прагне розширити знання незалежно від короткострокового застосування цих знань. Він не орієнтований на розробку продукту чи послуги, що мають безпосередню публічну 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 має на меті використовувати науку для вирішення реальних проблем, таких як підвищення врожайності сільськогосподарських культур, пошук ліків від конкретного захворювання або порятунок 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 вченому, який виступає за придбання знань, буде: «Навіщо?» Однак уважний погляд на історію науки показує, що базові знання призвели до багатьох чудових застосувань, що мають велику цінність. Багато вчених вважають, що перед розробкою програми необхідне базове розуміння науки; 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 дійсні. 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 та прикладна наука може працювати разом для вирішення практичних проблем, стався після відкриття структури ДНК, призвів до розуміння молекулярних механізмів, що регулюють реплікацію ДНК. Нитки ДНК, унікальні у кожної людини, знаходяться в наших клітині, де вони дають необхідні для життя інструкції. Під час реплікації ДНК створюються нові копії ДНК, незадовго до того, як клітина ділиться з утворенням нових клітин. Розуміння механізмів реплікації ДНК (через фундаментальну науку) дозволило вченим розробити лабораторні методи, які зараз використовуються для виявлення генетичних захворювань, визначення осіб, які перебували на місці злочину, та визначення батьківства (всі приклади прикладної науки). Без фундаментальної науки навряд чи існувала б прикладна наука.

Іншим прикладом зв'язку між фундаментальними та прикладними дослідженнями є проект «Геном людини», дослідження, в якому кожна людська хромосома була проаналізована та відображена для визначення точної послідовності коду 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 хромосом людини. Проект «Геном людини» (Рисунок\(\PageIndex{5}\)) спирався на фундаментальні дослідження, проведені з організмами, що не є людьми, а пізніше - з геномом людини. Важливою кінцевою метою врешті-решт стало використання даних для прикладних досліджень, які шукають ліки від генетичних захворювань.

Малюнок\(\PageIndex{5}\). Проект «Геном людини» був 13-річним спільним зусиллям серед дослідників, що працюють у кількох різних галузях науки. Проект був завершений в 2003 році. (кредит: Програми геному Міністерства енергетики США)

Наукова робота прозора та відкрита для критики

Незалежно від того, чи є наукові дослідження фундаментальною наукою чи прикладною наукою, вчені повинні поділитися своїми висновками для інших дослідників, щоб розширити та розвивати свої відкриття. З цієї причини важливим аспектом роботи вченого є поширення результатів і спілкування з однолітками. Вчені можуть ділитися результатами, представивши їх на науковій зустрічі або конференції, але такий підхід може охопити лише обмеженого числа присутніх. Натомість більшість вчених представляють свої результати в рецензованих статтях, які публікуються в наукових журналах. Рецензовані статті - це наукові статті, які рецензуються, як правило, анонімно колегами вченого або колегами. Ці колеги - кваліфіковані особи, часто фахівці в одній і тій же області досліджень, які судять про те, чи підходить робота вченого для публікації. Процес рецензування допомагає гарантувати, що дослідження, описані в науковій роботі або грантовій пропозиції, є оригінальним, значущим, логічним, етичним та ретельним. Вчені публікують свою роботу, щоб інші вчені могли відтворювати свої експерименти в подібних або різних умовах, щоб розширити результати. Експериментальні результати повинні відповідати висновкам інших вчених.

Коли ви переглядаєте наукову інформацію, будь то в академічній обстановці або як частина вашого повсякденного життя, важливо думати про достовірність цієї інформації. Ви можете запитати себе: чи пройшла ця наукова інформація через суворий процес рецензування? Чи є висновки засновані на наявних даних і прийняті більшою науковою спільнотою? Вчені за своєю суттю скептично ставляться, особливо якщо висновки не підкріплені доказами (і ви теж повинні бути).

Атрибуція

Концепції біології OpenSTAX ліцензовані відповідно до CC BY 3.0. Модифікований з оригіналу Метью Р. Фішер.