生物萨顿提出假说的研究方法

【专家解说】：“假说-演绎法”及其在自然科学发展中的重要作用 科学假说是人们以一定的经验材料和已知的科学事实为依据，以已有的科学理论和技术方法为指导，对未知的自然事物或现象产生的原因和运动规律及其未知事物的存在或尚待发现的预期事物的形象等所做出的推测性解释(或猜测、猜想)。[1]人们在提出假说时，往往要运用分析和综合、归纳和演绎、类比及想象等思维方法和研究方法，对已有的经验材料进行加工。例如，进化论的创始人达尔文看到两个相距很远的海岛上有相同的淡水沼泽植物，他提出假说认为，这些淡水植物之所以能漂洋过海到另一个海岛上生根，是由于水鸟把它们的种子带到了另一个海岛上。后来，达尔文通过实验对自己的假说进行了检验。 从科学活动的一般模式看，假说是通向科学理论的必要环节。科学研究和科学理论的主要任务是试探性地对已有的经验和事实作出解释，并对未来的经验和事实提出预测，而科学假说就是实现这种试探性解释和预测的基本的思维形式。 假说必须经过科学实践的检验才能发展为科学理论。而假说的可检验性，同假说的演绎展开的可能性是紧密联系的。观察、实验所检验的常常不是假说本身，而是假说的推论，即从该假说中逻辑地推导出来的描述个别现象或事件的推论。例如，孟德尔用豌豆做一对相对性状的杂交实验，观察到了性状分离现象，他提出了遗传学史上著名的颗粒遗传假说，用以解释性状分离现象的原因。该假说提出，生物的相对性状是由具有对性关系的遗传因子决定的;体细胞中遗传因子成对存在;生物体在形成配子时，成对的遗传因子彼此分离，分别进入不同的配子中;受精时，雌雄配子结合是随机的。在当时条件下，孟德尔不可能用显微观察法直接证明他的假说，只能借助于实验法证明由假说演绎出的推论(见下文)。 演绎是从一般到个别的逻辑推理方法。演绎推理与归纳推理相反，它是从已知的某些一般原理、定理、法则、公理或科学概念出发，而推论出新结论的一种科学思维方式和科学研究方法。[2]即集合B具有某种属性，a是集合B中的一个成员，所以a也具有该属性。例如，生物都能进行新陈代谢，熊是生物，所以熊能够进行新陈代谢。 “假说-演绎法”是在观察和分析基础上提出问题以后，通过推理和想象提出解释问题的假说，根据假说进行演绎推理，再通过实验检验演绎推理的结论。如果实验结果与预期结论相符，就证明假说是正确的，反之，则证明假说是错误的。可见，演绎推理是一种必然性推理，即由一个或几个前提可以必然地推出结论的推理过程或推理形式。当前最流行的假说-演绎模型可图示如下:P……H∝Oc→Hc[3]。其意义是:某项研究从解决一个问题(P)开始，通过逻辑推理或想象(……)，导出一个假说(H)，由此推演出(∝)必然的可观察的待检验陈述(Oc)，如果这些陈述被证明是正确的，就得出(→)被确证的结论(Hc)。 “假说-演绎法”是现代科学研究中常用的科学方法。“假说-演绎法”被认为是构造科学理论的理想方法，也被一些人看做科学知识增长的基本模式。牛顿创立光的颜色理论的过程，是运用“假说-演绎法”的范例。爱因斯坦的广义相对论的提出和验证的过程，凯库勒提出苯分子的环状结构等，都是“假说-演绎法”的典型案例。在遗传学的发展历程中，“假说-演绎法”的案例也很多。 《遗传与进化》模块中可用于“假说-演绎法”教学的素材 19世纪以前科学家对遗传学的研究，多采用通过实验、观察等方法积累经验材料，从中进行总结和概括，最后抽象出理论或学说，即采用归纳法。而“假说-演绎法”，是从对客观现象或实验结果的分析中，发现问题，提出假说，然后设计实验验证假说，这种方法使遗传学的研究结果可以超越当时科学的发展，推动科学的新发现，使遗传学由描述性科学进入理性推导和实验验证的科学。“假说-演绎法”在遗传学的发展中发挥了重要作用，因此，教师在进行《遗传与进化》模块的教学时，应充分利用遗传学的相关素材，对学生进行“假说-演绎法”的教育，以提高学生的生物科学素养。下面介绍几个重要的素材，供教师们参考。 素材1 孟德尔的豌豆杂交实验。19世纪中期，孟德尔用豌豆做了大量的杂交实验，在对实验结果进行观察、记载和进行数学统计分析的过程中，发现杂种后代中出现一定比例的性状分离，两对及两对以上相对性状杂交实验中子二代出现不同性状自由组合现象。他通过严谨的推理和大胆的想象而提出假说，并对性状分离现象和不同性状自由组合现象作出尝试性解释。然后他巧妙地设计了测交实验用以检验假说，测交实验不可能直接验证假说本身，而是验证由假说演绎出的推论，即:如果遗传因子决定生物性状的假说是成立的，那么，根据假说可以对测交实验结果进行理论推导和预测;然后，将实验获得的数据与理论推导值进行比较，如果二者一致证明假说是正确的，如果不一致则证明假说是错误的。当然，对假说的实践检验过程是很复杂的，不能单靠一两个实验来说明问题。事实上，孟德尔做的很多实验都得到了相似的结果，后来又有数位科学家做了许多与孟德尔实验相似的观察，大量的实验都验证了孟德尔假说的真实性之后，孟德尔假说最终发展为遗传学的经典理论。我们知道，演绎推理是科学论证的一种重要推理形式，测交实验值与理论推导值的一致性为什么就能证明假说是正确的呢?原来，测交后代的表现型及其比例真实地反映出子一代产生的配子种类及其比例，根据子一代的配子型必然地可以推导其遗传组成，揭示这个奥秘为演绎推理的论证过程起到画龙点睛的作用，不揭示这个奥秘学生则难以理解“假说-演绎法”的科学性和严谨性，对演绎推理得出的结论仍停留在知其然的状况。 素材2 1900年，三位科学家分别重新发现了孟德尔的工作，遗传学界开始认识到孟德尔遗传理论的重要意义。如果孟德尔假设的遗传因子，即基因确实存在，那么它到底在哪里呢?1903年，美国遗传学家萨顿发现，孟德尔假设的一对遗传因子即等位基因的分离，与减数分裂中同源染色体的分离非常相似。萨顿根据基因和染色体行为之间明显的平行关系，提出假说:基因是由染色体携带着从亲代传递给子代的，也就是说，基因位于染色体上。美国遗传学家摩尔根曾经明确表示过不相信孟德尔的遗传理论，也怀疑萨顿的假说，后来他做了大量的果蝇杂交实验，用实验把一个特定的基因和一条特定的染色体--X染色体联系起来，从而证实了萨顿的假说。由此可以看出，对基因与染色体的关系的探究历程，也是假说-演绎的过程。 素材3 DNA分子结构和复制方式的提出与证实，以及整个中心法则的提出与证实，都是“假说-演绎法”的案例。以DNA分子的复制方式的阐明为例。美国生物学家沃森和英国物理学家克里克在发表DNA分子双螺旋结构的那篇著名的论文的最后写道:“在提出碱基特异性配对的看法后，我们立即又提出了遗传物质进行复制的一种可能机理。”他们紧接着发表了第二篇论文，提出了遗传物质自我复制的假说:DNA分子复制时，双螺旋解开，解开的两条单链分别作为模板，根据碱基互补配对原则形成新链，因而每个新的DNA 分子中都保留了原来DNA分子的一条链。这种复制方式被称为半保留复制。1958年，科学家以大肠杆菌为实验材料，运用同位素标记法设计了巧妙的实验，实验结果与根据假说演绎推导的预期现象一致，证实了DNA的确是以半保留方式复制的。 素材4 遗传密码的破译是继DNA双螺旋结构模型提出后，现代遗传学发展中的又一个重大事件。自1953年提出DNA双螺旋结构模型后，科学家就围绕遗传密码的破译开展了一系列探索。美籍苏联物理学家伽莫夫提出的3个碱基编码1个氨基酸的设想。克里克和他的同事通过大量的实验，以T4噬菌体为材料，研究其中某个基因的碱基的增加或减少对其所编码的蛋白质的影响，结果表明只可能是遗传密码中的3个碱基编码1个氨基酸。但是他们的实验无法说明由3个碱基排列成的1个密码对应的究竟是哪一个氨基酸。两位年轻的美国生物学家尼伦伯格和马太转换设计思路，巧妙设计实验，成功地破译了第一个遗传密码。在此后的六七年中，科学家破译了全部的遗传密码，并编制出了密码子表。 从以上素材可以看出，“假说-演绎法”不仅是经典遗传学研究的一种重要方法，而且在现代遗传学的发展历程中发挥了非常重要的作用。正因为如此，高中生物课程标准在生物2《遗传与进化》模块中要求学生领悟“假说-演绎法”是十分正确的。因此，在教学中不仅要引导学生获得知识和技能，而且要引导学生体验知识形成的过程，领悟科学家的思维方式和加强科学方法的训练。