Întrebarea adresată naturii. Principiile cercetării experimentale.
"Un experiment este o întrebare adresată naturii". Astăzi aș dori să vorbesc despre limba în care se pune această întrebare și despre care se obține răspunsul.
Schema "impact-efect"
Deci, în dezvoltarea problemei de interes pentru noi, am adoptat o ipoteză de lucru și acum intenționăm să o testăm experimental. Cum construim un experiment?
Nu întotdeauna, dar foarte des, scopul experimentului este de a stabili o relație cauză-efect. De exemplu, s-ar putea să fim interesați dacă o reacție a unui organ este rezultatul expunerii la un anumit hormon. Pentru a răspunde la această întrebare, există două metode - puteți distruge existente într-o relație de natură (de exemplu, elimina glanda care produce interes pentru noi hormonul pentru a vedea dacă reacția organismului de a continua), și poate invers, pentru a simula efectul factorului de a fi studiate (în acest exemplu - pentru a introduce un hormon în sânge și a vedea ce va fi răspunsul). Vedem totuși că în ambele cazuri schema experimentală se dovedește a fi similară - dăm o influență experimentală și observăm efectul acesteia. În primul caz, efectul a fost îndepărtarea glandei, în al doilea - introducerea hormonului exogen. Schema "impact-efect" se aplică aproape universal; prima sarcină a cercetătorului este de a selecta, de regulă, acțiunea potrivită pentru scopurile sale, a doua - pentru a veni cu o modalitate adecvată de a înregistra efectul.
Cerințe pentru efectele experimentale.
In aceasta, nu atât de complicat, de exemplu, vom vedea că cerința de a efectului Găsește-afecta parametrii studiați, dar nu a afectat în mod semnificativ alte condiții experimentale - are o formulare foarte simplu, dar respectarea acestei cerințe implică dificultăți considerabile și necesită o foarte adâncă cunoașterea subiectului și gândirea aprofundată.
De la cerința de impact elementar se urmează în mod direct o altă cerință - impactul ar trebui să fie cât mai complet posibil, adică trebuie să știm cât mai bine posibil ce anume are acest efect cu obiectul studiat. De exemplu, suntem încă o dată interesați de implicarea unui anumit hormon în reglarea unui anumit parametru. Una dintre căile posibile de cercetare este introducerea în organism a unui antagonist al receptorilor hormonului, astfel încât să nu poată influența organul țintă. Acesta este un dispozitiv experimental utilizat pe scară largă, dar în același timp o tehnică asociată cu dificultăți grave de interpretare. Există întotdeauna două întrebări. În primul rând, expunerea este destul de specifică? Substanța folosită are efecte fiziologice neprevăzute? Mai afectează încă niște receptori, probabil necunoscuți? Și în al doilea rând, este suficientă concentrația utilizată? Efectul natural al hormonului este complet suprimat? Astfel, utilizarea unui agent farmacologic pe un corp integral este aproape întotdeauna un impact insuficient caracterizat, ceea ce conduce la o îndoială în elementaritatea sa; Astfel de situații ar trebui, pe cât posibil, să fie evitate prin găsirea unor efecte mai bine studiate.
Cerințe pentru echipamentele de înregistrare și măsurare
Mai mult, trebuie avut în vedere că nici o măsurătoare nu este absolut corectă. Caracteristica preciziei de măsurare este eroarea sa - adică diferența dintre valorile reale și cele măsurate ale cantității. Erori sunt împărțite în sistematic și aleatoriu. Eroarea sistematică - o deviație constantă în magnitudine și semn a valorii măsurate de la valoarea reală - este asociată cel mai adesea cu o funcționare defectuoasă a instrumentului (de exemplu, cu gradarea incorectă a scalei) sau cu caracteristicile metodei. De exemplu, dacă concentrația unei substanțe este măsurată printr-o metodă insuficient specifică care este sensibilă nu numai la materialul de interes, ci și la impuritățile prezente în mod constant, se vor obține apoi valori sistematice supraestimate. Erorile sistematice pot fi deseori eliminate, de obicei sunt destul de ușor de luat în considerare, iar în studiile în care sunt comparate diferite măsurători efectuate de același dispozitiv, ele nu afectează deloc rezultatul. Erorile întâmplătoare sunt asociate cu o varietate de procese multidirecționale, care în diferite măsurători deviază valoarea măsurată de la valoarea adevărată în direcții diferite și de valori diferite. Complet pentru a exclude erorile aleatorii este imposibilă și este posibil să se estimeze numai în medie, după efectuarea mai multor măsurători repetate ale aceleiași valori. Deci, prima cerință evidentă pentru echipamentul de măsurare este că eroarea sa trebuie să fie semnificativă - cel puțin cu un ordin de mărime - mai mică decât magnitudinea efectului așteptat de cercetător. Dacă acest lucru este, în general, realizabil la nivelul actual al dezvoltării tehnologiei experimentale, desigur. În același timp, nu trebuie să încercați întotdeauna să utilizați dispozitive de măsurare extrem de precise, deoarece instrumentele foarte precise sunt de obicei foarte scumpe, iar scatterul valorilor măsurate poate fi cauzat nu numai de eroarea instrumentală.
În plus, echipamentele de măsurare sunt, de obicei, necesare pentru a crea o înregistrare obiectivă a procesului studiat. astfel încât această înregistrare să poată fi analizată ulterior de experimentatorul însuși sau de un alt cercetător interesat de rezultatele obținute. Cel prezentat în Fig. programul de contracție a mușchilor este un bun exemplu al unei astfel de înregistrări.
Mai mult, este evident că dispozitivul poate înregistra numai un astfel de eveniment, care afectează cumva acest dispozitiv. Dar nu există acțiuni unilaterale în natură - este vorba despre interacțiunea dispozitivului cu obiectul studiat - prin urmare, dispozitivul influențează comportamentul obiectului studiat în procesul de măsurare. Ca exemplu, luați în considerare Fig. Acesta arată programul de contracție a mușchilor cauzate de un singur impuls nervos. Imediat după impuls, mușchiul este scurtat (porțiunea ascendentă a curbei), apoi se relaxează (secțiunea descendentă). Cu toate acestea, în prezent, pentru noi, fragmentul înconjurat de un cerc este cel mai interesant. Se poate observa că mușchiul prelungește mult mai mult decât în condițiile bazale, se scurtează din nou și numai după aceea se obține o lungime obișnuită. De ce se întâmplă acest lucru? Pentru a răspunde la această întrebare, să examinăm mai atent dispozitivul de înregistrare. Schema sa este prezentată în Fig. 2. Când contracția musculară 1, capătul de scriere al pârghiei 5 se ridică și fixează contracția pe tamburul rotativ 4. Când mișcarea se relaxează, maneta intră sub acțiunea gravitației. În acest caz, el reușește să obțină o viteză destul de mare, astfel încât la sfârșitul mișcării să se întindă elastic mușchiul, care este apoi scurtat, iar oscilațiile amortizate rezultate sunt înregistrate de dispozitiv. Astfel, prelungirea observată a mușchiului dincolo de nivelul bazal la sfârșitul fazei de relaxare nu este propria sa proprietate, ci este cauzată de expunerea la acesta din configurația experimentală. Astfel de pseudo-efecte care apar ca urmare a acțiunii procedurii experimentale asupra obiectului și distorsionează comportamentul acestuia sunt de obicei numite artefacte. În unele cazuri - ca în cazul considerat - originea artificială a artefactului este ușor de detectat, deci se dovedește a fi destul de inofensivă. Cu toate acestea, în cazuri mai complexe, uneori nu este ușor să distingi un artifact de o deschidere. Și aici, este necesară cunoașterea profundă a tuturor proceselor care au loc în sistemul experimental - fizic, chimic și biologic.
Deci, am aflat că procedura experimentală însăși poate afecta comportamentul obiectului, astfel încât apare problema de a distinge efectul studiat al efectului experimental și efectele secundare asociate măsurătorilor. Cum poate fi rezolvată această problemă?
Planul și condițiile experimentului
Mai întâi de toate, condițiile experimentale trebuie să fie standardizate maxim: experimentul chimic trebuie efectuat în condiții de pH, compoziție de soluție ionică, temperatură, presiune etc. într-un experiment fiziologic, animalele trebuie să primească alimente standard, să aibă o zi standard de lumină, o anumită temperatură să fie menținută în vivarium, celulele să fie curățate la un anumit moment etc. Rețineți că standardizarea ar trebui să fie pe cât posibil, toate condițiile, chiar dacă nu este clar dacă acestea pot influența rezultatul experienței - cercetător pentru că nu știi niciodată toate proprietățile obiectului studiat, și, prin urmare, nu poate fi sigur că un factor nu afectează rezultatul.
Deci, condițiile experimentale ar trebui să fie cât mai standard posibil. Dar absolută este de neatins, și, de fapt, toate condițiile sunt ușor diferite de la un experiment la altul, care va contribui la rezultatele de incertitudine suplimentare, astfel încât incertitudinea totală a rezultatelor experimentale vor consta din două componente - instrumentul metodei de eroare și de eroare. În plus, răspândirea datelor depinde nu numai de eroarea experimentală, ci și de o sursă mai fundamentală - și anume, variația proprietăților obiectelor experimentale. Deci, experimentul fiziologic este pus pe animale - îl punem pe șobolani. Dar nici doi șobolani, evident, nu pot fi complet identici. Acestea pot avea diferențe genetice, au crescut în celule diferite - și așa, în condiții diferite. De aceea, așa cum spuneau vechii fiziologi, "experiența este o experientă bună" (o experiență nu este o experiență). Pentru a cuantifica magnitudinea erorii experimentale (sau, folosind o expresie mai generală, amploarea răspândirii datelor), este necesar să se pună o serie de experimente. Rezultatele fiecărui experiment în această serie va fi oarecum diferit unul de altul, dar prin examinarea naturii distribuției, puteți afla rezultatul cel mai probabil și cantitativ descrie valoarea de dispersie. O astfel de cercetare se realizează prin metode de statistică matematică, pe care o vom discuta în detaliu în următoarea conferință.
În plus, în scopul de a evidenția efectul efectelor studiate fluctuațiile rezultatelor cauzate de factori aleatorii, a pus nu una, ci două serii de experimente - experiența și de control. Experiența este o serie în care obiectul este expus la efectul studiat; în experimentul de control, condițiile nu diferă de experiența, dar efectul investigat nu este dat. Subliniem în mod specific - lipsa influenței experimentale - aceasta este singura diferență între grupul de control și grupul experimental; toate celelalte condiții trebuie să fie identice. De exemplu, în cazul în care expunerea animalului elimină unele dintre glandele endocrine, hormoni pentru a opri, apoi folosit ca un control nu este intact și animale operate în mod fals - adică, se realizează tot o intervenție chirurgicală, cu excepția retragerii efective a prostatei. Acest lucru este necesar deoarece trauma chirurgicală este inclusă în setul de condiții experimentale care pot influența cumva rezultatul și care ar trebui să fie identice în grupul de control și experimental. Această cerință de identitate este atât de importantă încât a primit o denumire specială - principiul altor condiții egale. respectarea acestuia va conduce, în special, faptul că artefacte cauzate de configurația dvs. va fi aceeași în seria experimentală și de control și nu va afecta concluzia ta despre efectul impactului.
În cazul în care rezultatul poate fi influențat de factori a căror variabilitate nu poate fi controlată de un experimentator, trebuie să se acorde atenție, cel puțin, pentru a se asigura că această variabilitate este similară în seria pilot și de control. Un exemplu clasic: se studiază efectul unui nou îngrășământ asupra randamentului de tomate. Cea mai simplă soluție este de a planta două rânduri de roșii, una pentru a procesa cu îngrășământ nou, iar celelalte - cele vechi. Este o idee bună? Nu prea mult - calitatea solului diferită poate apărea pe paturi diferite sau iluminare diferită sau umiditate diferită ... Este puțin probabil să se standardizeze pe deplin condițiile din experimentul pe teren. O soluție este de a selecta tufisuri pentru a procesa nou îngrășământ pe ambele paturi în ordine aleatorie, atunci ne putem aștepta ca variabilitatea tuturor acestor factori nebugetate va fi de aproximativ aceeași în experimentale si grupurile de control. Această metodă - distribuția aleatorie a grupurilor experimentale și de control în condiții necontrolate - a primit un nume special pentru randomizare.
Ați stabilit un experiment, ați efectuat toate calculele intermediare și ați avut două coloane de numere în fața dvs. - rezultatele măsurătorilor din seria pilot și de control. Acum este necesar să vă transformați datele într-un rezultat științific - să le interpretați. Prima întrebare la care trebuie să răspundeți este dacă datele diferă în ceea ce privește experiența și controlul. Aceasta nu este o problemă atât de trivială, așa cum pare - deoarece cantitățile din experiență și de control au o răspândire, independentă de impactul dvs.; intervalele de experiență și control se pot suprapune în mare măsură, astfel încât diferența în valorile medii ale celor două grupuri poate fi pur și simplu o manifestare a variabilității aleatorii, dar poate fi, de asemenea, rezultatul unui impact. Deci, nu există nici o modalitate de a spune cu certitudine absolută dacă două seturi de date aleatorii diferă într-adevăr una de cealaltă. Cu toate acestea, metodele de statistici matematice vă permit să evaluați fiabilitatea diferențelor - adică să calculați probabilitatea ca diferențele să nu fie întâmplătoare. În plus, un anumit nivel de fiabilitate este luat ca o limită, după care se poate accepta sau respinge ipoteza că diferența este neantonomă. În biologie, există o tradiție de a accepta această ipoteză dacă probabilitatea acesteia este mai mare de 95%.
Mai mult, să presupunem că ați făcut o concluzie - diferențele nu sunt accidentale. Acum trebuie să explicați această diferență. Cum, prin ce mecanism, impactul dvs. experimental a condus la rezultatele obținute? Aici va trebui să aducă toate cunoștințele lor despre obiectul în studiu și procedura experimentală, profund ia în considerare ceea ce se schimbă în obiecte pot provoca un impact și modul în care aceasta ar putea schimba relațiile de comportament obiect. Aceasta este cea mai dificilă etapă în interpretarea datelor, care este asociat cu cele mai multe erori - pentru că puteți pierde cu ușurință din vedere orice relație semnificativă. Pe acest cont acolo - și experimentatori este foarte popular - următoarea glumă: este necesar pentru a dovedi că un gândac poate auzi picioarele lor. Pentru a face acest lucru, luăm gândacul, punem-l pe masă și batem pe masă. Gandacul începe să curgă. După aceea, am tăiat picioarele gândacului, l-am pus din nou pe masă și am băgat-o pe masă. Gandaciul ramane nemiscat. Concluzie - nu ne-a auzit lovituri. Prin urmare, gândacul aude cu picioarele.
Și ultima întrebare - câte date din experiment corespund cu ceea ce se întâmplă în natură? Cel puțin în domeniul biologiei, este necesar să ne dăm seama în mod clar că obiectul plasat în condițiile experimentului de laborator diferă de obiectul din mediul său natural. În consecință, datele experimentale sunt datele obținute pe modelul experimental, mai mult sau mai puțin diferite de obiectele care pot fi găsite în condiții naturale. Cât de importante sunt aceste diferențe? - o întrebare pe care fiecare experimentator biolog trebuie să-l întrebe.
Deci, în această prelegere am discutat câteva principii ale artei experimentale. Am aflat că experimentul este de obicei plasat sub „impactul - efectul“, și trebuie să ne străduim să acțiuni elementare - astfel încât să fie cât mai mult posibil afectează doar pe proprietatea studiem obiectul cercetării; O condiție necesară pentru elementaritate este un studiu suficient de complet al acestui efect. Mai mult, am aflat că efectul înregistrat ar trebui interpretat fără echivoc - deci trebuie să știm cu adevărat exact ceea ce măsuram; este de dorit ca rezultatele măsurătorilor să fie documentate obiectiv - ceea ce permite, în special, minimizarea subiectivității în interpretarea datelor. Am constatat, în plus, că măsurătorile au inevitabil o eroare, ca urmare a căruia este necesar să nu se pună un singur experiment, ci o serie de experimente. În acest caz, eroarea poate fi cuantificată prin metode de statistică matematică. Mai mult, în scopul de a distinge efectul dispersiei aleatorii, trebuie să fie pus două serii de experimente - experiența și controlul, care diferă doar prin prezența sau absența expunerii experimentale și sunt aceleași ca și pentru restul - principiul ceteris paribus. Am constatat că procedura experimentală poate schimba comportamentul obiectului, generând efecte false - artefacte; astfel încât interpretarea rezultatelor obținute necesită o gândire profundă pentru a nu lua artefactul din descoperire. (Apropo, uneori se întâmplă și erori înapoi, deși mult mai rar). Respectarea tuturor acestor principii face posibilă reducerea la minimum a eventualelor erori experimentale - dar, din păcate, nu se poate exclude cu totul. Deci, încă un lucru - anterior menționat în această prelegere - principiul este că datele experimentale proprii (și ale altor persoane) ar trebui să fie tratate întotdeauna critic; un fapt experimental nu este niciodată suficient pentru a decide soarta teoriei - așa cum am spus în primele noastre prelegeri. De altfel, această circumstanță se reflectă în limba științei - aproape că nu se folosește niciodată cuvântul "dovedit", dar aproape întotdeauna spune - este confirmată; uneori - bine confirmate. În experiment nu se obține adevărul absolut.
Trimiteți-le prietenilor: