生物薩頓提出假說的研究方法

【專家解說】：“假說-演繹法”及其在自然科學(xué)發(fā)展中的重要作用 科學(xué)假說是人們以一定的經(jīng)驗(yàn)材料和已知的科學(xué)事實(shí)為依據(jù)，以已有的科學(xué)理論和技術(shù)方法為指導(dǎo)，對(duì)未知的自然事物或現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其未知事物的存在或尚待發(fā)現(xiàn)的預(yù)期事物的形象等所做出的推測(cè)性解釋(或猜測(cè)、猜想)。[1]人們?cè)谔岢黾僬f時(shí)，往往要運(yùn)用分析和綜合、歸納和演繹、類比及想象等思維方法和研究方法，對(duì)已有的經(jīng)驗(yàn)材料進(jìn)行加工。例如，進(jìn)化論的創(chuàng)始人達(dá)爾文看到兩個(gè)相距很遠(yuǎn)的海島上有相同的淡水沼澤植物，他提出假說認(rèn)為，這些淡水植物之所以能漂洋過海到另一個(gè)海島上生根，是由于水鳥把它們的種子帶到了另一個(gè)海島上。后來，達(dá)爾文通過實(shí)驗(yàn)對(duì)自己的假說進(jìn)行了檢驗(yàn)。 從科學(xué)活動(dòng)的一般模式看，假說是通向科學(xué)理論的必要環(huán)節(jié)?？茖W(xué)研究和科學(xué)理論的主要任務(wù)是試探性地對(duì)已有的經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)作出解釋，并對(duì)未來的經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)提出預(yù)測(cè)，而科學(xué)假說就是實(shí)現(xiàn)這種試探性解釋和預(yù)測(cè)的基本的思維形式。 假說必須經(jīng)過科學(xué)實(shí)踐的檢驗(yàn)才能發(fā)展為科學(xué)理論。而假說的可檢驗(yàn)性，同假說的演繹展開的可能性是緊密聯(lián)系的。觀察、實(shí)驗(yàn)所檢驗(yàn)的常常不是假說本身，而是假說的推論，即從該假說中邏輯地推導(dǎo)出來的描述個(gè)別現(xiàn)象或事件的推論。例如，孟德爾用豌豆做一對(duì)相對(duì)性狀的雜交實(shí)驗(yàn)，觀察到了性狀分離現(xiàn)象，他提出了遺傳學(xué)史上著名的顆粒遺傳假說，用以解釋性狀分離現(xiàn)象的原因。該假說提出，生物的相對(duì)性狀是由具有對(duì)性關(guān)系的遺傳因子決定的;體細(xì)胞中遺傳因子成對(duì)存在;生物體在形成配子時(shí)，成對(duì)的遺傳因子彼此分離，分別進(jìn)入不同的配子中;受精時(shí)，雌雄配子結(jié)合是隨機(jī)的。在當(dāng)時(shí)條件下，孟德爾不可能用顯微觀察法直接證明他的假說，只能借助于實(shí)驗(yàn)法證明由假說演繹出的推論(見下文)。 演繹是從一般到個(gè)別的邏輯推理方法。演繹推理與歸納推理相反，它是從已知的某些一般原理、定理、法則、公理或科學(xué)概念出發(fā)，而推論出新結(jié)論的一種科學(xué)思維方式和科學(xué)研究方法。[2]即集合B具有某種屬性，a是集合B中的一個(gè)成員，所以a也具有該屬性。例如，生物都能進(jìn)行新陳代謝，熊是生物，所以熊能夠進(jìn)行新陳代謝。 “假說-演繹法”是在觀察和分析基礎(chǔ)上提出問題以后，通過推理和想象提出解釋問題的假說，根據(jù)假說進(jìn)行演繹推理，再通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)演繹推理的結(jié)論。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期結(jié)論相符，就證明假說是正確的，反之，則證明假說是錯(cuò)誤的?？梢?，演繹推理是一種必然性推理，即由一個(gè)或幾個(gè)前提可以必然地推出結(jié)論的推理過程或推理形式。當(dāng)前最流行的假說-演繹模型可圖示如下:P……H∝Oc→Hc[3]。其意義是:某項(xiàng)研究從解決一個(gè)問題(P)開始，通過邏輯推理或想象(……)，導(dǎo)出一個(gè)假說(H)，由此推演出(∝)必然的可觀察的待檢驗(yàn)陳述(Oc)，如果這些陳述被證明是正確的，就得出(→)被確證的結(jié)論(Hc)。 “假說-演繹法”是現(xiàn)代科學(xué)研究中常用的科學(xué)方法?！凹僬f-演繹法”被認(rèn)為是構(gòu)造科學(xué)理論的理想方法，也被一些人看做科學(xué)知識(shí)增長的基本模式。牛頓創(chuàng)立光的顏色理論的過程，是運(yùn)用“假說-演繹法”的范例。愛因斯坦的廣義相對(duì)論的提出和驗(yàn)證的過程，凱庫勒提出苯分子的環(huán)狀結(jié)構(gòu)等，都是“假說-演繹法”的典型案例。在遺傳學(xué)的發(fā)展歷程中，“假說-演繹法”的案例也很多。 《遺傳與進(jìn)化》模塊中可用于“假說-演繹法”教學(xué)的素材 19世紀(jì)以前科學(xué)家對(duì)遺傳學(xué)的研究，多采用通過實(shí)驗(yàn)、觀察等方法積累經(jīng)驗(yàn)材料，從中進(jìn)行總結(jié)和概括，最后抽象出理論或?qū)W說，即采用歸納法。而“假說-演繹法”，是從對(duì)客觀現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)結(jié)果的分析中，發(fā)現(xiàn)問題，提出假說，然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假說，這種方法使遺傳學(xué)的研究結(jié)果可以超越當(dāng)時(shí)科學(xué)的發(fā)展，推動(dòng)科學(xué)的新發(fā)現(xiàn)，使遺傳學(xué)由描述性科學(xué)進(jìn)入理性推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的科學(xué)。“假說-演繹法”在遺傳學(xué)的發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，因此，教師在進(jìn)行《遺傳與進(jìn)化》模塊的教學(xué)時(shí)，應(yīng)充分利用遺傳學(xué)的相關(guān)素材，對(duì)學(xué)生進(jìn)行“假說-演繹法”的教育，以提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。下面介紹幾個(gè)重要的素材，供教師們參考。 素材1 孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)。19世紀(jì)中期，孟德爾用豌豆做了大量的雜交實(shí)驗(yàn)，在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察、記載和進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析的過程中，發(fā)現(xiàn)雜種后代中出現(xiàn)一定比例的性狀分離，兩對(duì)及兩對(duì)以上相對(duì)性狀雜交實(shí)驗(yàn)中子二代出現(xiàn)不同性狀自由組合現(xiàn)象。他通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砗痛竽懙南胂蠖岢黾僬f，并對(duì)性狀分離現(xiàn)象和不同性狀自由組合現(xiàn)象作出嘗試性解釋。然后他巧妙地設(shè)計(jì)了測(cè)交實(shí)驗(yàn)用以檢驗(yàn)假說，測(cè)交實(shí)驗(yàn)不可能直接驗(yàn)證假說本身，而是驗(yàn)證由假說演繹出的推論，即:如果遺傳因子決定生物性狀的假說是成立的，那么，根據(jù)假說可以對(duì)測(cè)交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論推導(dǎo)和預(yù)測(cè);然后，將實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)與理論推導(dǎo)值進(jìn)行比較，如果二者一致證明假說是正確的，如果不一致則證明假說是錯(cuò)誤的。當(dāng)然，對(duì)假說的實(shí)踐檢驗(yàn)過程是很復(fù)雜的，不能單靠一兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來說明問題。事實(shí)上，孟德爾做的很多實(shí)驗(yàn)都得到了相似的結(jié)果，后來又有數(shù)位科學(xué)家做了許多與孟德爾實(shí)驗(yàn)相似的觀察，大量的實(shí)驗(yàn)都驗(yàn)證了孟德爾假說的真實(shí)性之后，孟德爾假說最終發(fā)展為遺傳學(xué)的經(jīng)典理論。我們知道，演繹推理是科學(xué)論證的一種重要推理形式，測(cè)交實(shí)驗(yàn)值與理論推導(dǎo)值的一致性為什么就能證明假說是正確的呢?原來，測(cè)交后代的表現(xiàn)型及其比例真實(shí)地反映出子一代產(chǎn)生的配子種類及其比例，根據(jù)子一代的配子型必然地可以推導(dǎo)其遺傳組成，揭示這個(gè)奧秘為演繹推理的論證過程起到畫龍點(diǎn)睛的作用，不揭示這個(gè)奧秘學(xué)生則難以理解“假說-演繹法”的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，對(duì)演繹推理得出的結(jié)論仍停留在知其然的狀況。 素材2 1900年，三位科學(xué)家分別重新發(fā)現(xiàn)了孟德爾的工作，遺傳學(xué)界開始認(rèn)識(shí)到孟德爾遺傳理論的重要意義。如果孟德爾假設(shè)的遺傳因子，即基因確實(shí)存在，那么它到底在哪里呢?1903年，美國遺傳學(xué)家薩頓發(fā)現(xiàn)，孟德爾假設(shè)的一對(duì)遺傳因子即等位基因的分離，與減數(shù)分裂中同源染色體的分離非常相似。薩頓根據(jù)基因和染色體行為之間明顯的平行關(guān)系，提出假說:基因是由染色體攜帶著從親代傳遞給子代的，也就是說，基因位于染色體上。美國遺傳學(xué)家摩爾根曾經(jīng)明確表示過不相信孟德爾的遺傳理論，也懷疑薩頓的假說，后來他做了大量的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)，用實(shí)驗(yàn)把一個(gè)特定的基因和一條特定的染色體--X染色體聯(lián)系起來，從而證實(shí)了薩頓的假說。由此可以看出，對(duì)基因與染色體的關(guān)系的探究歷程，也是假說-演繹的過程。 素材3 DNA分子結(jié)構(gòu)和復(fù)制方式的提出與證實(shí)，以及整個(gè)中心法則的提出與證實(shí)，都是“假說-演繹法”的案例。以DNA分子的復(fù)制方式的闡明為例。美國生物學(xué)家沃森和英國物理學(xué)家克里克在發(fā)表DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的那篇著名的論文的最后寫道:“在提出堿基特異性配對(duì)的看法后，我們立即又提出了遺傳物質(zhì)進(jìn)行復(fù)制的一種可能機(jī)理?！彼麄兙o接著發(fā)表了第二篇論文，提出了遺傳物質(zhì)自我復(fù)制的假說:DNA分子復(fù)制時(shí)，雙螺旋解開，解開的兩條單鏈分別作為模板，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則形成新鏈，因而每個(gè)新的DNA 分子中都保留了原來DNA分子的一條鏈。這種復(fù)制方式被稱為半保留復(fù)制。1958年，科學(xué)家以大腸桿菌為實(shí)驗(yàn)材料，運(yùn)用同位素標(biāo)記法設(shè)計(jì)了巧妙的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與根據(jù)假說演繹推導(dǎo)的預(yù)期現(xiàn)象一致，證實(shí)了DNA的確是以半保留方式復(fù)制的。 素材4 遺傳密碼的破譯是繼DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型提出后，現(xiàn)代遺傳學(xué)發(fā)展中的又一個(gè)重大事件。自1953年提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型后，科學(xué)家就圍繞遺傳密碼的破譯開展了一系列探索。美籍蘇聯(lián)物理學(xué)家伽莫夫提出的3個(gè)堿基編碼1個(gè)氨基酸的設(shè)想?？死锟撕退耐峦ㄟ^大量的實(shí)驗(yàn)，以T4噬菌體為材料，研究其中某個(gè)基因的堿基的增加或減少對(duì)其所編碼的蛋白質(zhì)的影響，結(jié)果表明只可能是遺傳密碼中的3個(gè)堿基編碼1個(gè)氨基酸。但是他們的實(shí)驗(yàn)無法說明由3個(gè)堿基排列成的1個(gè)密碼對(duì)應(yīng)的究竟是哪一個(gè)氨基酸。兩位年輕的美國生物學(xué)家尼倫伯格和馬太轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)思路，巧妙設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，成功地破譯了第一個(gè)遺傳密碼。在此后的六七年中，科學(xué)家破譯了全部的遺傳密碼，并編制出了密碼子表。 從以上素材可以看出，“假說-演繹法”不僅是經(jīng)典遺傳學(xué)研究的一種重要方法，而且在現(xiàn)代遺傳學(xué)的發(fā)展歷程中發(fā)揮了非常重要的作用。正因?yàn)槿绱?，高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)在生物2《遺傳與進(jìn)化》模塊中要求學(xué)生領(lǐng)悟“假說-演繹法”是十分正確的。因此，在教學(xué)中不僅要引導(dǎo)學(xué)生獲得知識(shí)和技能，而且要引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)知識(shí)形成的過程，領(lǐng)悟科學(xué)家的思維方式和加強(qiáng)科學(xué)方法的訓(xùn)練。