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生物析因实验设计的5种逻辑方法

2011-5-30 14:34| 发布者: admin| 查看: 1703| 评论: 0

摘要: 资料来源:生物学通报,2006,41(4):28-30. 陆建身 (华东师范大学生命科学学院 上海 200062) 摘要 以著名的道厄冬眠实验为例,解读了生物析因实验设计的5种典型逻辑方法。从科学方
资料来源:生物学通报,2006,41(4):28-30.

陆建身 (华东师范大学生命科学学院 上海 200062

      

       摘要 以著名的道厄冬眠实验为例,解读了生物析因实验设计的5种典型逻辑方法。从科学方法论角度,培养学生的逻辑思维,熟练掌握和灵活运用各种逻辑方法,对提高探究和创新能力具有重要意义。

       关键词 冬眠 析因实验 逻辑方法

 

逻辑思维是思维的主要形式,而逻辑方法是逻辑思维的基础。寻求因果关系的5种逻辑方法,最早是由英国哲学家培根(15611626年)所创立,并为英国哲学家穆勒(18061873年)所发展的。作为科学方法论的重要组成,逻辑方法在当代自然科学尤其是生命科学研究中,仍然是重要甚至是必要的实验设计思路。当前生物学教育新课改中,精选补充实验设计的教学内容,开展逻辑方法训练对提高学生的探究能力、创新能力和生物科学素养都具有重要意义。

       美国生物学家道厄的冬眠实验是这方面合适的教学材料。

       冬眠又称“冬蛰”,是动物对冬季不利外界环境的一种适应。动物在冬眠期间不吃不喝,体温降低,心脏跳动减慢,呼吸次数减少,新陈代谢迟缓而陷入昏睡状态。动物的冬眠现象很早就引起了生物学家的兴趣,迫切希望解开这个谜———动物为什么有冬眠现象,引起动物冬眠的原因到底是什么?

       自从19世纪以来,很多科学家对动物处于冬眠状态的种种现象进行了研究。其中美国科学家道厄(Albert.R.Dawe)对揭开动物冬眠之谜作出了重要贡献。道厄在上世纪60年代末所作的著名实验堪称析因实验的经典之作,实验不仅雄辩地揭示了动物冬眠的原因,而且5个精彩的实验模型也为我们提供了5种生物学实验设计的逻辑方法。今天,回过头来解读这些实验,品味感悟这些实验设计思路,能为提高我们实验设计水平和探究创新能力提供直接帮助。

       道厄的实验之1

       19683月,从正处在冬眠的黄鼠身上抽取了3 mL,注射到两只刚苏醒的黄鼠的腿静脉中,并且放在7℃冷房内。几天后,这两只黄鼠又进入了冬眠。同年6月气温25℃,又从这两只再次进入冬眠的黄鼠身上抽取血,并立即注射到另3只处于活动期黄鼠的腿静脉中,结果这3只黄鼠也进入了冬眠状态。同年728℃,再从这3只黄鼠身上抽取血,并立即注射到另外5只处于活动期黄鼠的腿静脉中,它们也同样进入了冬眠状态。

       此外,道厄等人还从冬眠旱獭身上抽出血,注射到尚未冬眠的黄鼠静脉中,结果黄鼠也同样进入了冬眠状态。

       道厄的实验之2:

       在以上实验基础上,又从活动期黄鼠身上抽取血液,注入到未处于冬眠状态的黄鼠静脉中,但这些黄鼠并未进入冬眠状态。

       道厄的实验之3

       1969年到1970年冬天,将21只实验黄鼠分为3组,每只实验鼠均装上一只热敏电阻小温度计。3组黄鼠又分别注射了旱獭的冬眠血清、黄鼠的冬眠血清、活动期黄鼠的血清。

       经过几天观察,发现凡注射冬眠动物血清的实验黄鼠体温都下降了(这是冬眠的现象之一),有的则进入了真正的冬眠状态。随后,又将3组黄鼠全部放入冷房中,发现14只接受冬眠血清的黄鼠全部进入冬眠状态,而另7只注射活动期血清的黄鼠却始终处于活动状态,并未进入冬眠期。

       这个实验表明:冬眠诱发物质不论在冬季或在夏季,不论在冷环境中或在暖环境里,都能起着诱发动物冬眠的作用。

       道厄的实验之4

       1969年冬季又抽取冬眠时间长短不同的动物的血,注入活动期动物的静脉中。

       结果是:连续冬眠两三周动物身上的血液,比刚进入冬眠状态动物身上的血液,能更加有效地诱发未冬眠的动物进入冬眠。换句话说,冬眠时间越长的动物,其血液中所含诱发冬眠的有效物质越多。

       可见,这种有效物质的多少,是促使动物进入冬眠状态快慢的原因。

       道厄的实验之5

       为了查明诱发冬眠的物质究竟是存在于血细胞中,还是存在于血清里,又用离心机把血液分离为血细胞和血清;再将血清通过分子过滤器“筛滤”,分为残留物质与滤过物质。随后,将血细胞、残留物质(未通过分子过滤器的物质)、滤过物质,分别注射到黄鼠体内。

       实验结果表明:血细胞、残留物质均不能促使动物冬眠,只有那种小到足以通过分子过滤器的物质,才能起到诱发动物冬眠的作用。

       想一想,以上5个实验,各用的是哪一种确定因果关系的逻辑方法呢?

       道厄5个实验设计的思路,是确定因果关系的5种逻辑方法的结合运用。下面逐一分析解读:

       道厄在第1个实验中,虽然时间不同(3月、6月、7月),被抽血的冬眠动物不同(黄鼠、旱獭),被注射的黄鼠所处状态不同(苏醒期、活动期),但由于先后注射了冬眠动物的血液,未冬眠的黄鼠都进入了冬眠状态。这一实验结果表明:处于冬眠状态动物身上的血液中,具有一种诱发动物冬眠的物质。这一实验所运用的逻辑方法,乃是求同法。即假设被研究现象(冬眠现象)在两个或两个以上的场合(不同时间、并处于不同状态)中出现,而在这些场合中只有一个共同的先行条件(冬眠动物的血液),那就可以认为,这个共同的先行条件是形成被研究现象的原因。

       求同法也称契合法,可以用这样一个公式来表示它:

       场合先行情况被研究现象为(1)ABCa(2)ADE a(3)AFGa……所以,Aa的原因(或结果)

       求同法还可以举另一个生物学实例:在19世纪,人们还不知道为什么某些人的甲状腺会肿大,后来人们对甲状腺肿大盛行的地区进行调查和比较时发现,这些地区的人口、气候、风俗等状况各不相同,然而有一个共同情况,即土壤和水流中缺碘,居民的食物和饮水也缺碘,由此作出结论:缺碘是引起甲状腺肿大的原因。

       把道厄的第1个实验和第2个实验结合起来,可以看出:同样处于活动期的黄鼠,由于注射不同血液,结果就不同,有的进入了冬眠状态,有的仍处在活动期状态。这种实验方法(实验2)就是求异法的运用。

       求异法也称差异法,是指这样一种方法:如果某一现象在一种场合下出现,而另一场合下不出现,但在这两种场合里,其他条件都相同,只有一个条件不同(在某现象出现的场合里有这个条件,而在某现象不出现的那一场合里则没有这个条件),那么,这唯一不同的条件,就是某现象产生的原因。

       求异法可用下述公式来表示:

       场合先行情况被研究现象为:(1)ABCa;(2)-BC-;所以,Aa的原因(或结果)

       求异法的另一个生物学实例是:秋末冬初街道两旁的响叶杨开始落叶。可是路灯下面的却迟迟不落,即使是同一棵树也有这样的情况。这是为什么呢?人们最终就会想到这与路灯照射有关。

       道厄的第3个实验,是两次求同法和一次求异法的合用,称之为求同求异并用法。第1次求同法是用以确定被研究现象在各种场合出现的共同先行条件;第2次求同法是用以找出被研究现象在各种场合不出现的原因(即缺少某一共同先行条件);最后将上述两个结论进行对比,从而确认某现象的是否出现依赖于某个先行条件的是否具备,这就从正反两个方面找出某个被研究现象的原因。

       求同求异并用法也可补充一个生物学实例:很久以来,人们发现有些鸟能远航万里而不迷失方向。原因是什么呢?人们对此曾作过不少的猜测,但都没有得到证实。近年来,科学工作者发现每当天晴能见到太阳时,这些鸟都能确定其飞行的正确方向;反之,每当天阴见不到太阳时,它们就迷失方向。由此,科学工作者作出推论说,有些鸟能远航万里而不迷失方向的原因是利用太阳来定向。

       道厄的第4个实验所采用的逻辑方法,是共变法。通过考察被研究对象情况的变化,从而确认这个变化着的先行条件(所含诱发冬眠的有效物质的多少)是被研究现象变化(促使动物进入冬眠状态的快慢)的原因。

       共变法是指:在其他条件不变的情况下,如果一个现象发生变化,另一个现象就随之发生变化,那么,前一现象就是后一现象的原因或部分原因。比如,气温上升了,放置在器皿中的水银体积就膨胀了;气温下降了,水银体积就缩小了。根据气温与水银体积的共变关系,我们就可推断说,气温的升降是水银体积膨胀或收缩的原因。

       共变法可用下述公式来表示:

       场合先行情况被研究现象为:(1)A1BCDa1(2)A2BCDa2(3)A3BCDa3……所以,Aa的原因(或结果)

       共变法还可举一个生物学实例:在上世纪50年代,我国森林覆盖率为19%,60年代为11%70年代为6%80年代不到4%。随着森林覆盖率的逐年减少,植被大量破坏,削弱了土地对雨水的拦蓄作用,一下暴雨,水卷泥沙滚滚而下,使洪涝灾害逐年严重。可见,森林资源的破坏,是酿成洪灾的原因。

       道厄的第5个实验所采用的逻辑方法是剩余法。为了探求动物冬眠的原因,先把各种先行条件逐一加以分析,把那些与被研究现象无关的因素(血细胞、残留物质)加以排除,而剩下的某一先行条件(过滤物质),则是被研究现象的原因。

       剩余法指的是:如果某一复合现象是由另一复合原因所引起的,那么,把其中确认有因果联系的部分减去,则剩下的部分也必然有因果联系。

       剩余法可用下述公式来表示:

       已知复合现象F(ABC)是被研究现象K(abc)的原因,同时已知,Bb的原因,Cc的原因,所以,Aa的原因(或部分原因)

       剩余法的生物学例子作为练习可由读者自举。

   (举一例提示:用银边天竺葵的绿叶在光下制造淀粉的实验,结果是:①叶片的绿色见光部分变成了蓝色;②叶片的绿色遮光部分乃是白色;③叶片的白色见光部分也是白色。从上述实验结果①、②可得出光是光合作用的条件。运用剩余法分析③不含叶绿体的部分见光也不能产生淀粉,所以叶绿体也是光合作用的必要条件。)

       以上的经典实验说明,析因实验的5种逻辑方法,在当代生命科学研究中,仍然有着重要的生命力,自觉地掌握和运用这些逻辑方法,对于提高我们的探究能力、设计能力、分析能力和创新能力都是十分有益的,在生物学新课改教学中应当倡导和加强对学生这方面的教育。

主要参考文献

  1 R.J.斯腾伯格.成功智力.上海:华东师范大学出版社,1999.

 2 Gerry P. Quinn Michael J. Keough. 生物实验设计与数据分析.北京:高等教育出版社,2003.