От мечты к открытию: Как стать ученым
| Вид материала | Документы |
СодержаниеПредпосылки хороших теорий Теории образования элементов Теории классификации Теории причинности |
- Ганс Селье. От мечты к открытию, 5951.77kb.
- Труды преподавателей уо «мгуп» за 35 лет, 490.68kb.
- Обращение Президента нпф сбербанка, 127.88kb.
- «Запорожье мое цветущее», 31.14kb.
- Час общения: до мечты нужно сделать всего один шаг. Цель, 28.83kb.
- Отечественное предпринимательство, 108.53kb.
- Когда сбываются мечты?, 117.13kb.
- Парки развлечения Америки!!!, 33.74kb.
- Конкурс макетов «Город моей мечты», 23.82kb.
- И. В. Вишев на пути к практическому бессмертию москва 2002 Человек может и должен стать, 4128.67kb.
продемонстрировать с помощью электронного мозга. Задача
исследователя -- четко ориентироваться в том, что именно нужно
сравнивать, с какой точки зрения, как сопоставлять между собой
однотипные элементы и каким образом организовать из простых
ответов максимально насыщенную информационную цепочку.
ПРЕДПОСЫЛКИ ХОРОШИХ ТЕОРИЙ
Теории -- это нити, которые связывают имеющиеся факты, а
поскольку все биологические элементы определены не строго и к
тому же взаимопересекаются (как в блоке понятий на с. 259), то
разработать однозначные и неизменные связи между фактами, такие
связи, которые никогда не нуждались бы в пересмотре, в медицине
невозможно. Когда наш разум, подчиняясь своей внутренней
структуре, автоматически передвигается от одной точки к другой,
так что факты едва ли не задевают друг друга, мы достигаем
"самоочевидных истин", не нуждающихся ни в теоретическом, ни в
экспериментальном доказательстве (например, "2+2=4" или "вывод,
опирающийся на использование силлогизма, истинен"). Чем шире
пробел, который должна заполнить теория, и чем более косвенные
доказательства мы используем, тем сложнее предсказать выводы,
которые будут получены. Возвращаясь к аналогии с цепочкой
понятий, можно установить, что чем длиннее нить, которой мы
должны воспользоваться, чтобы соединить два узла, тем
вероятнее, что с добавлением новых нитей положение одного из
узлов изменится или же будут обнаружены промежуточные узлы.
Исследователь в этом случае никогда не знает, с чем ему
предстоит столкнуться. В то же время чем больше узлов и чем
устойчивее их положение (что подтверждено тщательными
перекрестными проверками связей между узлами), тем надежнее
сама теория, описывающая окружение всей цепочки. Другими
словами, хорошая теория должна объединять наибольшее число
фактов простейшим (кратчайшим) из возможных способов.
В сущности, все биологические теории могут уложиться в
следующие три категории: 1) теории образования элементов, 2)
теории классификации и 3) теории причинности.
ТЕОРИИ ОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
Термином "биологический элемент" мы воспользовались для
обозначения любого явления жизни, которое можно истолковать как
некую целостность. Это может быть действующий фактор, объект
воздействия или какое-либо их свойство (цвет, возраст).
Комплексы -- это объединения более мелких элементов, однако
сами они одновременно представляют собой элементы более крупных
структур. Клетки являются элементами печени, печень
представляет собой элемент целого организма, а организм есть
элемент в рамках вида. Выделение элементов -- это просто
удобная абстракция. Подобно алгебраическим символам,
биологические элементы дают возможность оперировать сходными
объектами, как какой-то целостностью, как бы собирая их в одну
упаковку. Вместо того чтобы перечислять все составляющие
элементы, достаточно просто назвать всю упаковку, как если бы
она была чем-то элементарным, неизменным и четко выделенным из
окружающего мира. Разумеется, ни один биологический элемент не
является таковым, однако, сообщив, к примеру, что "содержащая
крахмал пища вызывает ожирение", мы фиксируем самое
существенное. Мы опускаем при этом такие детали: ожирение
вызывает не всякая крахмалистая пища, не в любых количествах и
не у всякого.
На протяжении всей известной нам истории человечества,
зафиксированной в документах, перфекционисты не прекращали
нападки на самый принцип образования элементов, но, как ни
крути, без таких элементов в биологии не обойдешься.
Биологический элемент, как и любой другой элемент Природы,
имеет только статистический смысл: когда мы говорим, что от
крахмала полнеют, мы имеем в виду, что в большинстве случаев
большинство людей полнеют от крахмала; когда же мы говорим, что
беременность длится девять месяцев, мы имеем в виду, что у
большинства женщин беременность длится приблизительно девять
месяцев.
Объединяющая теория действует подобно магниту. Она
выбирает однотипные элементы из случайного распределения
разрозненных фактов и объединяет их в одну удобную упаковку, с
тем чтобы эти элементы можно было использовать, передавать в
процессе обучения либо хранить в памяти.
ТЕОРИИ КЛАССИФИКАЦИИ
Классификация -- самый древний и самый простой научный
метод.
Она служит предпосылкой всех типов теоретических
конструкций, включающих сложную процедуру установления
причинно-следственных отношений, которые связывают
классифицируемые объекты. Без классификации мы не смогли бы
даже разговаривать. В самом деле, основу всякого нарицательного
существительного (человек, почка, звезда) составляет узнавание
стоящего за ним класса объектов. Определить некий класс
объектов (например, позвоночные) -- значит установить те
существенные характеристики (позвоночник), которые являются
общими для всех составляющих этот класс элементов. Тем самым
классификация предполагает выявление тех меньших элементов,
которые входят в состав большего элемента (самого класса). Все
классификации основываются на обнаружении той или иной
упорядоченности. Наука занимается не отдельными объектами как
таковыми, а обобщениями, т. е. классами и теми законами, в
соответствии с которыми упорядочиваются объекты, образующие
класс. Вот почему классификация представляет собой
фундаментальный процесс. Это, как правило, первый шаг в
развитии науки.
Мы уже говорили о том, что наилучшая теория классификации
-- та, которая объединяет наибольшее число фактов самым простым
из возможных способов.
Представим это графически. На рисунке изображен
изначальный беспорядок, открывающийся перед исследователем при
обнаружении явно не связанных между собой элементов. Семь из
них имеют нечто общее: все они содержат черные линии. Назовем
их "классом с черными полосами", с тем чтобы отличать от всех
других объектов, которые не содержат черных линий. В рамках
данного класса можно различать также подклассы с точечной II
черной полосами, клеточной и черной полосами и просто с черной
полосой. В результате остался единственный объект (No 3), не
соответствующий ни одному из названных подклассов, поскольку он
содержит сразу две черные полосы, одну точечную и одну
клеточную. Подобная классификация строится не на теории, а на
простом наблюдении.
Столкнувшись с аналогичной ситуацией при изучении явлений
Природы, наблюдатель, возможно, попытался бы свести все объекты
в единую систему, исходя из их размера, формы и структуры. Он
мог бы сформулировать допущение (гипотезу), согласно которому
он открыл новые принципы упорядоченности отдельных объектов.
Предприняв ряд попыток объединить их, он, возможно, отыщет
некий способ их организации, соответствующий гипотезе, согласно
которой все эти объекты характеризуются тем, что естественным
образом располагаются по двум параллельным линиям.
Если наблюдатель достаточно решителен, он даже выявит
определенную последовательность в переходе от большого круга
(No 5) до малого эллипса (No 1), а также вторую систему:
большой квадрат (No 7) преобразуется в меньшую фигуру с
закругленными углами (No 6). В результате подобного
расположения рассматриваемых объектов выявляются некоторые
новые виды упорядоченности. Например, согласно данным
измерений, максимальный диаметр последовательных объектов
верхнего ряда уменьшается по мере движения слева направо на
величину, равную в точности меньшему диаметру (т. е. ширине)
фигуры No 1. И, более того, все объекты в обоих рядах можно
теперь соединить между собой прямыми линиями (точечными,
клеточными или черными), представляющими собой проекции
внутренней, "естественной" структуры объектов-элементов.
И все же данная классификация не может быть признана
удовлетворительной. Элемент No 3, содержащий и точечную, и
клеточную линии, не соответствует сколько-нибудь естественным
образом ни одной из двух последовательностей, а линия,
соединяющая верхний и нижний ряды, выглядит искусственной:
рассматриваемые элементы не содержат предпосылок существования
столь длинной ломаной линии (соединяющей элементы No 3 и No 6),
как это постулируется в указанном на рисунке их гипотетическом
расположении. И наконец, легко заметить, что несколько
элементов не могут быть расположены вертикально, поскольку
полосы в них идут горизонтально. Данная гипотеза не
предполагает сколько-нибудь упорядоченной связи между
элементами, и все же, как ни плоха наша классификация (мы не
знаем, можно ли считать ее ошибочной), она обнаруживает
некоторые неожиданные закономерности.
Но вот следующий наблюдатель, намереваясь внести больше
порядка, разместил все элементы в одну линию.
Эта картина, пожалуй, несколько проще. Прежде всего
соблюдается естественный порядок номеров от 1 до 7. Но один
элемент, а именно No 3, все еще создает некоторый беспорядок,
номера элементов по-прежнему не расположены строго вертикально,
соединяющие линии все еще содержат чисто гипотетические изгибы
(существование которых ни в коей мере не вытекает из
наблюдаемых свойств самих элементов), а внезапное
несоответствие размера и формы элементов No 5 и No 6 выглядит
искусственным.
И тогда третий наблюдатель классифицирует рассматриваемые
элементы по совершенно новой системе, располагая их все в виде
буквы Y.
Такая классификация имеет очевидные преимущества перед
всеми остальными. Она соединяет и упорядочивает все семь
элементов наиболее простым способом, используя минимальное
количество идеально прямых соединительных линий (допущений),
причем все они соответствуют естественной структуре самих
элементов.
В этом случае гипотеза становится теорией, в особенности
если она обладает предсказательной силой. Последняя могла бы
проявиться, например, в следующем: вполне можно было бы
ожидать, что, изучая область, лежащую влево от элемента No 1,
мы обнаружили бы еще меньшие по размеру эллипсы с черной
полосой или что в правом верхнем углу от элемента No 5
появились бы еще более крупные круги с точечными и черными
линиями.
Если теория получает подтверждение такого рода, то она
может способствовать формулированию новых гипотез. Так
появляется возможность предположить, что все рассматриваемые
элементы имеют общий "порядок", располагаясь слева от элемента
No 1 (теория эволюции), или же что все элементы проявляют
тенденцию к упрощению -- превращению во все меньшие по размеру
эллипсы с единственной черной полосой наподобие элемента No 1
(теория развития в сторону упрощения). Как и для любой чистой
теории классификации, подтверждением нашей теории могут служить
лишь те закономерности, которые она создает, включая и
способность ее предсказывать будущие закономерности (например,
где следует ожидать появления дополнительных элементов и каких
именно). Данная теория не делает попыток вскрыть
причинно-следственные отношения между элементами, однако она
обеспечивает основание для этого шага, который, как правило,
предпринимается на более поздних стадиях исследования. Сама по
себе упорядоченность уже предсказывает наличие
причинно-следственных связей. К примеру, если мы, изучая
явления Природы, заметили, что те или иные элементы
организованы по принципу уже известной нам Y-образной модели,
мы могли бы ожидать, что под действием некоторых локальных
факторов в направлении ветвей фигуры Y появились черные,
точечные или клеточные линии. В то же время можно было бы также
ожидать, что наличие во внутренней структуре таких линий
заставило рассматриваемые элементы принять Y-образную форму.
Для больщей очевидности приведем реальную биологическую
задачу. Исследователей давно интересовал вопрос: как связаны
между собой кости, хрящи и соединительные ткани? При изучении
под микроскопом самых разных взятых наугад участков скелетной
структуры будут видны следующие типы клеток:
Строение этих клеток явно имеет некоторые общие
характеристики: все они, в частности, содержат центральное ядро
темного цвета. Однако во всех иных отношениях они полностью
различны: одни клетки маленькие, другие большие, одни
изолированы, другие образуют группы; оболочка одних клеток
гладкая, а другие имеют ответвления или заключены в плотные
капсулы. Такое отсутствие упорядоченности способно ввести в
заблуждение, и для преодоления его нет иного пути, кроме как
осуществить исследования, которые в итоге позволили бы провести
классификацию всех этих типов клеток так, как показано на
следующем рисунке:
По мере движения слева направо мы прежде всего отмечаем,
что "недифференцируемые" клетки соединительной ткани
увеличиваются в размере вплоть до третьей стадии (середина
Y-образной структуры), после чего число их увеличивается путем
деления, и они становятся дифференцированными: либо
закругленными инкапсулированными клетками хряща (верхняя
ветвь), либо клетками костей -- удлиненными и узкими, с
развитыми ответвлениями (нижняя ветвь). И наконец, по мере
продвижения к концам ветвей, на которых изображено по четыре
клетки, мы наблюдаем под микроскопом типичные полностью
развитые клетки хряща (верхняя ветвь) или костей (нижняя
ветвь).
Подтверждением гипотезы, на основании которой была
получена классификация, служат: 1) итоговая упорядоченность
рассматриваемых элементов (непрерывность их переходных стадий
развития при движении слева направо); 2) способность к
прогнозированию (на каком бы участке ни были обнаружены клетки
хряща или костей, всегда имеется возможность указать
предшествующие им недифференцированные клетки соединительной
ткани); 3) плодотворная гипотеза, являющаяся следствием
имеющейся упорядоченности (эволюция клеток соединительной ткани
в клетки хряща или костей, роль местных факторов в этой
трансформации). Такие гипотезы становятся теориями в том
случае, если путем непосредственных наблюдений удается
доказать, что подобная эволюция может иметь место и что
вызывать ее способны локальные (например, химические и
механические) факторы.
Эти два примера (один абстрактный, а другой конкретный)
показывают, какую помощь способна оказать простая классификация
при формулировании теории, выявляющей закономерности и
обладающей способностью к прогнозированию. Однако большинство
полезных биологических теорий связаны непосредственно с
причинностью.
ТЕОРИИ ПРИЧИННОСТИ
Одних наблюдений над явлениями Природы явно недостаточно,
чтобы вскрыть причинно-следственные связи. Последние могут быть
выведены исключительно путем анализа закономерных связей между
конкретными физическими событиями, относящимися к прошлому и
будущему.
Если бы в биологии удалось выделить логически строгие
элементы, то построение теорий причинности могло бы
превратиться в стандартный процесс, осуществляемый
математическими методами. Основы такого метода изложены в
классическом труде Дж. Буля "Исследование законов мышления"
[3]. Данная работа исходит из допущения, что алгебра
символических процессов, разработанная Дж. Будем в качестве
инструментария для выполнения вычислений, окажется достаточно
адекватной и для выражения любых мыслительных актов. Так, в
работе Дж. Вуджера "Техника построения теории" [38] каждое
наблюдение и каждый акт рассуждения обозначены простым
символом; в результате правильность того или иного вывода может
быть проверена путем движения вспять по цепочке, составленной
из предшествующих и последующих событий, на которые опирается
этот вывод. Подобный анализ законов мышления средствами
символической логики является одним из величайших достижений
человеческого интеллекта. И тем не менее, как я уже
неоднократно отмечал, применимость таких методов в биологии
чрезвычайно ограниченна, поскольку между биологическими
элементами невозможно установить четкие границы. Обозначение их
посредством символов ведет к неоднозначности и, как ни
парадоксально, создает ложное впечатление точности и
определенности. В результате мы порой забываем, что вывод,
верный с точки зрения символических преобразований, не
обязательно распространяется на объекты, обозначенные с помощью
символов.
Простая система символов способствует пониманию методов
построения теорий причинности. Однако мы ни на минуту не должны
забывать, что использованные символы -- как и слова
человеческого языка -- достоверны лишь в статистическом смысле.
Слово "собака" может служить символом имеющихся у нас
представлений о собаках не потому, что все собаки абсолютно
тождественны (это означало бы, что все сказанное об одной
собаке истинно и в отношении других собак), а потому, что
большинство собак во многих отношениях сходны между собой.
Следовательно -- и это статистически вероятно,-- все данные,
полученные при изучении одной собаки (или, еще лучше, многих
собак), верны и для большинства других особей этого вида (разд.
"Принцип аналогии", с. 240).
Всестороннее обсуждение философских аспектов причинности в
связи с принципом неопределенности Гейзенберга не входит в
задачу этой книги. Но с каких бы позиций ни понималась
причинность, без тех или иных предположений о причинных связях
между предшествующими событиями и последующими событиями
научные исследования как таковые были бы невозможны.
Человеческий разум не в состоянии охватить сложные явления и
оперировать ими, если составляющие их части не связаны между
собой отношениями причинности. Первостепенная цель науки --
упорядочение и упрощение. Просто распознавать бесчисленные
природные явления бесполезно, если мы не способны в случае
необходимости мысленно воссоздать их, пройдя сквозь лабиринт
всех возможных связей.
Ариадна, дочь критского царя Миноса, влюбилась в Тесея.
Чтобы помочь ему выйти из лабиринта, где он убил Минотавра, она
дала ему клубок ниток. Даже если причинность способствует
пониманию связи между явлениями в той же степени, как и нить
Ариадны, мы без ее помощи не смогли бы выбраться из лабиринта
бесчисленных связей, так же как Тесей из своего лабиринта.
Возможно, причинность -- не более чем свойственная нашему
разуму привычка связывать постоянно повторяющиеся события
отношением причина -- следствие. Биолога же не так беспокоит
эпистемологическое обоснование этого способа мышления, как
связанные с ним опасности ошибок.
В следующем разделе, "Заблуждения", мы проанализируем
допущенные биологами ошибки, связанные с неумением различать
post hoc ("после этого") и propter hoc ("вследствие этого").
Приведу в этой связи любопытный, хотя и вымышленный пример,
который я услышал несколько лет назад от одного из моих
студентов. Жители Марса наблюдают за жителями Земли с помощью
мощных телескопов. Они видят, что на красный свет светофора все
машины останавливаются, а когда загорается зеленый, они
начинают движение. Ряд ученых-марсиан пришли к выводу, что хотя
машины землян очень мощные и скоростные, тем не менее красный
свет действует на них парализующе. Однако вскоре эта версия
подверглась нападкам со стороны ученых, утверждавших, что
именно зеленый свет вызывает движение машин. И вот теперь все
астрономические исследования марсиан направлены на то, чтобы
определить временные соотношения между изменением света и
движением машин и выяснить, таким образом, что есть причина, а
что -- следствие. В действительности же никакой причинной связи
между цветом светофора и функционированием двигателя автомашины