1.2: תהליך המדע

Last updated
Save as PDF

Page ID: 207667

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

alt — איור\(\PageIndex{1}\). (א) הציאנובקטריה הנראית דרך מיקרוסקופ אור הן חלק מצורות החיים העתיקות ביותר בכדור הארץ. סטרומטוליטים אלה (ב) לאורך חופי אגם תטיס במערב אוסטרליה הם מבנים עתיקים שנוצרו על ידי שכבות של ציאנובקטריה במים רדודים. (אשראי א: שינוי עבודה על ידי נאס"א; נתוני סרגל קנה מידה מאת מאט ראסל; אשראי ב: שינוי עבודה על ידי רות אליסון)

כמו מדעי הטבע האחרים, מדע הסביבה הוא מדע שאוסף ידע על עולם הטבע. שיטות המדע כוללות התבוננות מדוקדקת, רישום רשומות, חשיבה לוגית ומתמטית, ניסויים והגשת מסקנות לבחינת אחרים. המדע דורש גם דמיון ויצירתיות ניכרים; ניסוי מעוצב מתואר בדרך כלל כאלגנטי או יפה. למדע יש השלכות מעשיות ניכרות וחלק מהמדע מוקדש ליישומים מעשיים, כגון מניעת מחלות (איור 2). מדע אחר מתקדם בעיקר מונע מסקרנות. לא משנה מה מטרתו, אין ספק שהמדע שינה את הקיום האנושי וימשיך לעשות זאת.

טבעו של המדע

ביולוגיה היא מדע, אבל מה זה בעצם מדע? מה חולק חקר הביולוגיה עם דיסציפלינות מדעיות אחרות? ניתן להגדיר מדע (מהלטינית scientia, שפירושו "ידע") כתהליך של השגת ידע על עולם הטבע.

מדע הוא דרך מאוד ספציפית ללמוד על העולם. ההיסטוריה של 500 השנים האחרונות מדגימה כי המדע הוא דרך עוצמתית מאוד לצבור ידע על העולם; הוא אחראי במידה רבה למהפכות הטכנולוגיות שהתרחשו בתקופה זו. עם זאת, ישנם תחומי ידע שלא ניתן ליישם את שיטות המדע. אלה כוללים דברים כמו מוסר, אסתטיקה או רוחניות. המדע אינו יכול לחקור תחומים אלה מכיוון שהם נמצאים מחוץ לתחום התופעות החומריות, תופעות החומר והאנרגיה, ולא ניתן לצפות ולמדוד אותם.

השיטה המדעית היא שיטת מחקר עם שלבים מוגדרים הכוללים ניסויים והתבוננות מדוקדקת. שלבי השיטה המדעית ייבחנו בפירוט בהמשך, אך אחד ההיבטים החשובים ביותר בשיטה זו הוא בדיקת השערות. השערה היא הצהרת הסבר מוצעת, לתופעת טבע נתונה, הניתנת לבדיקה. השערות, או הסברים מהוססים, שונות מתיאוריה מדעית. תיאוריה מדעית היא הסבר מקובל, נבדק ומאושר היטב למכלול תצפיות או תופעות. התיאוריה המדעית היא הבסיס לידע המדעי. בנוסף, בתחומים מדעיים רבים (פחות בביולוגיה) ישנם חוקים מדעיים, המתבטאים לעתים קרובות בנוסחאות מתמטיות, המתארות כיצד יסודות הטבע יתנהגו בתנאים ספציפיים מסוימים, אך הם אינם מציעים הסברים מדוע הם מתרחשים.

מדעי הטבע

מה היית מצפה לראות במוזיאון למדעי הטבע? צפרדעים? צמחים? שלדי דינוזאור? תערוכות על איך המוח מתפקד? פלנטריום? אבני חן ומינרלים? או אולי כל האמור לעיל? המדע כולל תחומים מגוונים כמו אסטרונומיה, מדעי המחשב, פסיכולוגיה, ביולוגיה ומתמטיקה. עם זאת, תחומי המדע הקשורים לעולם הפיזי ותופעותיו ותהליכיו נחשבים למדעי הטבע וכוללים את תחומי הפיזיקה, הגיאולוגיה, הביולוגיה והכימיה. מדעי הסביבה הוא מדע טבע חוצה-תחומי מכיוון שהוא מסתמך על תחומי הכימיה, הביולוגיה והגיאולוגיה.

חקירה מדעית

דבר אחד משותף לכל צורות המדע: מטרה סופית לדעת. סקרנות וחקירה הם הכוחות המניעים להתפתחות המדע. מדענים מבקשים להבין את העולם ואת אופן פעולתו. שתי שיטות של חשיבה לוגית משמשות: חשיבה אינדוקטיבית וחשיבה דדוקטיבית.

חשיבה אינדוקטיבית היא סוג של חשיבה לוגית המשתמשת בתצפיות קשורות כדי להגיע למסקנה כללית. סוג זה של הנמקה נפוץ במדע התיאורי. מדען חיים כמו ביולוג מבצע תצפיות ומתעד אותן. נתונים אלה יכולים להיות איכותיים (תיאוריים) או כמותיים (המורכבים ממספרים), וניתן להשלים את הנתונים הגולמיים בציורים, תמונות, תמונות או סרטונים. מתצפיות רבות, המדען יכול להסיק מסקנות (אינדוקציות) על סמך ראיות. חשיבה אינדוקטיבית כוללת ניסוח הכללות הנובעות מהתבוננות מדוקדקת וניתוח כמות גדולה של נתונים. לימודי מוח עובדים לעתים קרובות כך. מוחות רבים נצפים בזמן שאנשים מבצעים משימה. לאחר מכן הוכח כי החלק במוח שנדלק, המציין פעילות, הוא החלק השולט בתגובה למשימה זו.

נימוק או ניכוי דדוקטיבי הוא סוג ההיגיון המשמש במדע מבוסס השערות. בהנמקה דדוקטיבית, דפוס החשיבה נע בכיוון ההפוך בהשוואה לחשיבה אינדוקטיבית. הנמקה דדוקטיבית היא סוג של חשיבה לוגית המשתמשת בעקרון או בחוק כללי כדי לחזות תוצאות ספציפיות. מאותם עקרונות כלליים, מדען יכול לבצע אקסטרפולציה ולחזות את התוצאות הספציפיות שיהיו תקפות כל עוד העקרונות הכלליים תקפים. לדוגמה, תחזית תהיה שאם האקלים מתחמם באזור, תפוצת הצמחים ובעלי החיים צריכה להשתנות. נערכו השוואות בין התפלגויות בעבר להווה, והשינויים הרבים שנמצאו תואמים את האקלים המחמם. מציאת השינוי בהפצה היא עדות לכך שמסקנת שינויי האקלים היא תקפה.

שני סוגי החשיבה הלוגית קשורים לשני המסלולים העיקריים של המחקר המדעי: מדע תיאורי ומדע מבוסס השערות. מדע תיאורי (או גילוי) שואף להתבונן, לחקור ולגלות, בעוד שמדע מבוסס השערות מתחיל בשאלה או בבעיה ספציפית ובתשובה או פתרון פוטנציאלי שניתן לבדוק. הגבול בין שתי צורות המחקר הללו מטושטש לעתים קרובות, מכיוון שרוב המאמצים המדעיים משלבים את שתי הגישות. תצפיות מובילות לשאלות, שאלות מובילות ליצירת השערה כתשובה אפשרית לשאלות אלו, ואז נבדקת ההשערה. לפיכך, מדע תיאורי ומדע מבוסס השערות נמצאים בדיאלוג מתמשך.

"מדענים הפכו לנושאי לפיד הגילוי בחיפושנו אחר ידע." - סטיבן הוקינג ולאונרד מלודינוב, ב העיצוב הגדול (2010), ספרי בנטם

בדיקת השערה

ביולוגים חוקרים את עולם החי על ידי הצגת שאלות לגביו וחיפוש תגובות מבוססות מדע. גישה זו משותפת גם למדעים אחרים והיא מכונה לעתים קרובות השיטה המדעית. השיטה המדעית שימשה גם בימי קדם, אך היא תועדה לראשונה על ידי סר פרנסיס בייקון האנגלי (1561—1626) שהקים שיטות אינדוקטיביות לחקירה מדעית. השיטה המדעית אינה משמשת אך ורק על ידי ביולוגים אלא ניתן ליישם אותה כמעט על כל דבר כשיטה הגיונית לפתרון בעיות.

הציור מתאר את סר פרנסיס בייקון בגלימה ארוכה. — איור\(\PageIndex{3}\). לזכותו של סר פרנסיס בייקון הוא הראשון שתיעד את השיטה המדעית.

התהליך המדעי מתחיל בדרך כלל בהתבוננות (לעתים קרובות בעיה שיש לפתור) שמובילה לשאלה. בואו נחשוב על בעיה פשוטה שמתחילה בהתבוננות וניישם את השיטה המדעית כדי לפתור את הבעיה. בבוקר יום שני אחד, תלמיד מגיע לכיתה ומגלה במהירות שהכיתה חמה מדי. זו תצפית שמתארת גם בעיה: הכיתה חמה מדי. לאחר מכן התלמיד שואל שאלה: "מדוע הכיתה כל כך חמה?"

נזכיר כי השערה היא הסבר מוצע שניתן לבדוק. כדי לפתור בעיה, ניתן להציע מספר השערות. לדוגמה, השערה אחת עשויה להיות, "הכיתה חמה כי אף אחד לא הפעיל את מיזוג האוויר." אך יכולות להיות תשובות אחרות לשאלה, ולכן ניתן להציע השערות אחרות. השערה שנייה עשויה להיות, "הכיתה חמה כי יש הפסקת חשמל, ולכן מיזוג האוויר לא עובד."

לאחר שנבחרה השערה, ניתן לבצע חיזוי. תחזית דומה להשערה אך בדרך כלל יש לה את הפורמט "אם. לדוגמה, התחזית להשערה הראשונה עשויה להיות, "אם התלמיד מדליק את מיזוג האוויר, אז הכיתה כבר לא תהיה חמה מדי."

השערה חייבת להיות ניתנת לבדיקה כדי להבטיח שהיא תקפה. לדוגמה, השערה שתלויה במה שדוב חושב אינה ניתנת לבדיקה, מכיוון שלעולם לא ניתן לדעת מה דוב חושב. זה צריך להיות גם ניתן לזיוף, כלומר ניתן להפריך אותו על ידי תוצאות ניסוי. דוגמה להשערה בלתי ניתנת לזיוף היא "הולדת ונוס של בוטיצ'לי יפה." אין ניסוי שעשוי להראות שהצהרה זו שקרית. כדי לבדוק השערה, חוקר יערוך ניסוי אחד או יותר שנועדו לחסל אחת או יותר מההשערות. זה חשוב. ניתן להפריך או לבטל השערה, אך לעולם לא ניתן להוכיח אותה. המדע אינו עוסק בהוכחות כמו מתמטיקה. אם ניסוי לא מצליח להפריך השערה, אז אנו מוצאים תמיכה בהסבר זה, אך אין זה אומר שבהמשך הדרך לא יימצא הסבר טוב יותר, או שיימצא ניסוי שתוכנן בקפידה יותר לזייף את ההשערה.

לכל ניסוי יהיה משתנה אחד או יותר ופקד אחד או יותר. משתנים ניסיוניים הם כל חלק מהניסוי שיכול להשתנות או להשתנות במהלך הניסוי. משתנים מבוקרים הם חלקים מהניסוי שאינם משתנים. לבסוף, לניסויים עשויה להיות קבוצת ביקורת: קבוצה של נבדקים הדומים ככל האפשר לכל שאר הנבדקים, למעט שהם אינם מקבלים את הטיפול הניסיוני (אלה שכן מקבלים אותו ידועים כקבוצת הניסוי). לדוגמה, במחקר שבדק תרופה לירידה במשקל, קבוצת הביקורת תהיה נבדקים שאינם מקבלים את התרופה (אך הם עשויים לקבל פלסבו, כגון גלולת סוכר, במקום זאת). חפש את הדברים השונים בדוגמה הבאה:

ניתן לערוך ניסוי לבדיקת ההשערה כי פוספט (חומר מזין) מקדם את צמיחת האצות בבריכות מים מתוקים. סדרה של בריכות מלאכותיות מלאות במים ומחציתן מטופלות על ידי הוספת פוספט בכל שבוע, ואילו החצי השני מטופל על ידי הוספת מינרל לא תזונתי שאינו משמש אצות. המשתנה הניסיוני כאן הוא נוכחות/היעדר חומר מזין (פוספט). משתנה מבוקר פוטנציאלי אחד יהיה נפח המים בכל מיכל. כמות המים שיש לאצות גישה אליהם עשויה להשפיע על התוצאות, ולכן החוקרים רוצים לשלוט בהשפעתם על התוצאות על ידי כך שהם מוודאים שכל נבדקי הבדיקה מקבלים את אותה כמות. קבוצת הביקורת מורכבת מהטנקים שקיבלו פלצבו (מינרל לא תזונתי) במקום הפוספט. אם הבריכות עם הפוספט מראות יותר צמיחת אצות, אז מצאנו תמיכה בהשערה. אם הם לא עושים זאת, אנו דוחים את ההשערה שלנו. שים לב שדחיית השערה אחת אינה קובעת אם ניתן לקבל את ההשערות האחרות או לא; זה פשוט מבטל השערה אחת שאינה תקפה (איור\(\PageIndex{3}\)). בשיטה המדעית, ההשערות שאינן עולות בקנה אחד עם נתוני הניסוי נדחות.

alt — איור\(\PageIndex{4}\). השיטה המדעית היא סדרה של שלבים מוגדרים הכוללים ניסויים והתבוננות מדוקדקת. אם השערה אינה נתמכת בנתונים, ניתן להציע השערה חדשה.

בדוגמה שלהלן, השיטה המדעית משמשת לפתרון בעיה יומיומית. איזה חלק בדוגמה שלהלן הוא ההשערה? מה התחזית? האם בהתבסס על תוצאות הניסוי, האם ההשערה נתמכת? אם זה לא נתמך, הצע כמה השערות חלופיות.

הטוסטר שלי לא טוסט את הלחם שלי.
למה הטוסטר שלי לא עובד?
יש משהו לא בסדר בשקע החשמל.
אם משהו לא בסדר בשקע, מכונת הקפה שלי גם לא תעבוד כשהיא מחוברת אליו.
אני מחבר את מכונת הקפה שלי לשקע.
מכונת הקפה שלי עובדת.

בפועל, השיטה המדעית אינה נוקשה ומובנית כפי שהיא עשויה להופיע בהתחלה. לפעמים ניסוי מוביל למסקנות המעדיפות שינוי בגישה; לעתים קרובות, ניסוי מביא שאלות מדעיות חדשות לגמרי לפאזל. פעמים רבות המדע אינו פועל באופן לינארי; במקום זאת, מדענים מסיקים ללא הרף מסקנות ומבצעים הכללות, ומוצאים דפוסים ככל שהמחקר שלהם מתקדם. החשיבה המדעית מורכבת יותר ממה שהשיטה המדעית לבדה מציעה.

מדע בסיסי ויישומי

האם יש ערך לעסוק במדע רק לשם השגת ידע, או שמא לידע מדעי יש ערך רק אם נוכל ליישם אותו לפתרון בעיה ספציפית או לשיפור חיינו? שאלה זו מתמקדת בהבדלים בין שני סוגי מדע: מדע בסיסי ומדע יישומי.

מדע בסיסי או מדע "טהור" מבקש להרחיב את הידע ללא קשר ליישום לטווח הקצר של אותו ידע. הוא אינו מתמקד בפיתוח מוצר או שירות בעל ערך ציבורי או מסחרי מיידי. המטרה המיידית של מדע בסיסי היא ידע למען הידע, אם כי אין זה אומר שבסופו של דבר הוא עלול שלא לגרום ליישום.

לעומת זאת, מדע יישומי שואף להשתמש במדע כדי לפתור בעיות בעולם האמיתי, כגון שיפור תפוקת היבול, מציאת תרופה למחלה מסוימת או הצלת בעלי חיים המאוימים מאסון טבע. במדע יישומי, הבעיה מוגדרת בדרך כלל עבור החוקר.

אנשים מסוימים עשויים לתפוס את המדע היישומי כ"שימושי "ומדע בסיסי כ"חסר תועלת". שאלה שאנשים אלה עשויים להציב בפני מדען הדוגל ברכישת ידע תהיה, "בשביל מה?" מבט מדוקדק על ההיסטוריה של המדע, לעומת זאת, מגלה כי ידע בסיסי הביא ליישומים מדהימים רבים בעלי ערך רב. מדענים רבים חושבים כי הבנה בסיסית של המדע נחוצה לפני פיתוח יישום; לפיכך, מדע יישומי מסתמך על התוצאות שנוצרו באמצעות מדע בסיסי. מדענים אחרים חושבים שהגיע הזמן לעבור ממדע בסיסי ובמקום זאת למצוא פתרונות לבעיות ממשיות. שתי הגישות תקפות. נכון שיש בעיות הדורשות התייחסות מיידית; עם זאת, מעט פתרונות יימצאו ללא עזרת הידע שנוצר באמצעות מדע בסיסי.

דוגמה אחת לאופן שבו מדע בסיסי ויישומי יכול לעבוד יחד כדי לפתור בעיות מעשיות התרחשה לאחר גילוי מבנה ה-DNA הוביל להבנה של המנגנונים המולקולריים השולטים בשכפול ה-DNA. גדילי DNA, ייחודיים בכל אדם, נמצאים בתאים שלנו, שם הם מספקים את ההוראות הדרושות לחיים. במהלך שכפול ה- DNA נוצרים עותקים חדשים של DNA, זמן קצר לפני שתא מתחלק ליצירת תאים חדשים. הבנת מנגנוני שכפול ה-DNA (באמצעות מדע בסיסי) אפשרה למדענים לפתח טכניקות מעבדה המשמשות כיום לזיהוי מחלות גנטיות, לאתר אנשים שהיו בזירת פשע ולקבוע אבהות (כל הדוגמאות למדע יישומי). ללא מדע בסיסי, אין זה סביר שמדע יישומי היה קיים.

דוגמה נוספת לקשר בין מחקר בסיסי ליישומי היא פרויקט הגנום האנושי, מחקר שבו כל כרומוזום אנושי נותח ומופה כדי לקבוע את הרצף המדויק של קוד ה- DNA ואת המיקום המדויק של כל גן. (הגן הוא יחידת התורשה הבסיסית; אוסף הגנים השלם של הפרט הוא הגנום שלו.) אורגניזמים אחרים נחקרו גם כחלק מפרויקט זה כדי להשיג הבנה טובה יותר של הכרומוזומים האנושיים. פרויקט הגנום האנושי (איור\(\PageIndex{5}\)) הסתמך על מחקר בסיסי שבוצע עם אורגניזמים לא אנושיים, ובהמשך, עם הגנום האנושי. מטרת סיום חשובה הפכה בסופו של דבר לשימוש בנתונים למחקר יישומי המחפש תרופות למחלות גנטיות.

עבודה מדעית שקופה ופתוחה לביקורת

בין אם מחקר מדעי הוא מדע בסיסי או מדע יישומי, מדענים חייבים לשתף את ממצאיהם כדי שחוקרים אחרים יוכלו להתרחב ולבנות על תגליותיהם. מסיבה זו, היבט חשוב בעבודתו של מדען הוא הפצת תוצאות ותקשורת עם בני גילם. מדענים יכולים לשתף תוצאות על ידי הצגתם בפגישה או בכנס מדעי, אך גישה זו יכולה להגיע רק למעטים המצומצמים הנוכחים. במקום זאת, רוב המדענים מציגים את תוצאותיהם במאמרים שנבדקו על ידי עמיתים המתפרסמים בכתבי עת מדעיים. מאמרים שנבדקו על ידי עמיתים הם מאמרים מדעיים הנבדקים, בדרך כלל בעילום שם על ידי עמיתיו או עמיתיו של מדען. עמיתים אלה הם אנשים מוסמכים, לרוב מומחים באותו תחום מחקר, השופטים האם עבודת המדען מתאימה לפרסום או לא. תהליך סקירת העמיתים מסייע להבטיח שהמחקר המתואר במאמר מדעי או בהצעת מענק הוא מקורי, משמעותי, הגיוני, אתי ויסודי. מדענים מפרסמים את עבודתם כדי שמדענים אחרים יוכלו לשחזר את הניסויים שלהם בתנאים דומים או שונים כדי להרחיב את הממצאים. תוצאות הניסוי חייבות להיות עקביות עם ממצאי מדענים אחרים.

כשאתה סוקר מידע מדעי, בין אם במסגרת אקדמית ובין אם כחלק מחיי היום יום שלך, חשוב לחשוב על אמינותו של מידע זה. אתה יכול לשאול את עצמך: האם המידע המדעי הזה עבר את התהליך הקפדני של סקירת עמיתים? האם המסקנות מבוססות על נתונים זמינים ומקובלות על ידי הקהילה המדעית הגדולה יותר? מדענים מטבעם סקפטיים, במיוחד אם מסקנות אינן נתמכות בראיות (וגם אתה צריך להיות).

ייחוס

מושגי ביולוגיה מאת OpenStax מורשה תחת CC BY 3.0. שונה מהמקור על ידי מתיו ר 'פישר.