1.1: 生物科学

培养技能

• 确定自然科学的共同特征
• 总结科学方法的步骤
• 将归纳推理与演绎推理进行比较
• 描述基础科学和应用科学的目标

(a)

(b)

图\(\PageIndex{1}\)：这些（a）蓝细菌以前被称为蓝藻，在光学显微镜下以 300 倍的放大倍率显示，是地球上最古老的生命形式之一。 西澳大利亚州第蒂斯湖沿岸的这些（b）叠层石是由浅水区蓝细菌分层形成的古老结构。 （来源 a：美国宇航局对作品的修改；来源 b：露丝·埃里森对作品的修改；来自马特·罗素的比例尺数据）

什么是生物学？ 简而言之，生物学就是研究活生物体及其彼此之间及其环境的相互作用。 这是一个非常宽泛的定义，因为生物学的范围很广。 生物学家可以研究任何东西，从细胞的微观或亚微观视角到生态系统和整个生命星球（图\(\PageIndex{1}\)）。 听到每日新闻，你会很快意识到每天讨论生物学的许多方面。 例如，最近的新闻话题包括菠菜中的大肠杆菌（图\(\PageIndex{2}\)）疫情和花生酱中的沙门氏菌污染。 其他主题包括努力寻找治愈艾滋病、阿尔茨海默病和癌症的方法。 在全球范围内，许多研究人员致力于寻找保护地球、解决环境问题和减少气候变化影响的方法。 所有这些不同的努力都与生物学学科的不同方面有关。

图\(\PageIndex{2}\)：从这张扫描电子显微照片中可以看出，大肠杆菌（大肠杆菌）细菌是我们消化道的正常居民，有助于吸收维生素 K 和其他营养素。 但是，毒性菌株有时是导致疾病爆发的原因。 （来源：Eric Erbe，美国农业部、ARS、EMU 的克里斯托弗·普利创作的数字着色）

科学的过程

生物学是一门科学，但科学到底是什么？ 生物学研究与其他科学学科有什么共同点？ 科学（来自拉丁语 sci entia，意思是 “知识”）可以定义为涵盖一般真理或一般定律运作的知识，尤其是通过科学方法获得和检验的知识。 从这个定义中可以明显看出，科学方法的应用在科学中起着重要作用。 科学方法是一种具有明确步骤的研究方法，包括实验和仔细观察。

稍后将详细研究科学方法的步骤，但该方法最重要的方面之一是通过可重复的实验来检验假设。 假设是对事件的建议解释，可以检验。 尽管使用科学方法是科学所固有的，但它不足以确定什么是科学。 这是因为将科学方法应用于物理和化学等学科相对容易，但是当涉及考古学、心理学和地质学等学科时，随着重复实验变得更加困难，科学方法变得不那么适用了。

但是，这些研究领域仍然是科学。 以考古学为例，尽管人们无法进行可重复的实验，但假设仍然可以得到支持。 例如，考古学家可以根据寻找一块陶器来假设存在一种古老的文化。 可以对这种文化的各种特征做出进一步的假设，通过与其他发现的持续支持或矛盾，可以发现这些假设是正确的还是错误的。 假设可能成为经过验证的理论。 理论是对观测结果或现象的经过检验和证实的解释。 最好将科学定义为试图理解宇宙本质的研究领域。

自然科学

你期望在自然科学博物馆看到什么？ 青蛙？ 植物？ 恐龙骨架？ 关于大脑功能的展品？ 天文馆？ 宝石和矿物？ 或者，也许以上全部？ 科学包括天文学、生物学、计算机科学、地质学、逻辑、物理、化学和数学等不同领域（图\(\PageIndex{3}\)）。 但是，与物理世界及其现象和过程相关的科学领域被视为自然科学。 因此，自然科学博物馆可能包含上面列出的任何物品。

图\(\PageIndex{3}\)：科学领域的多样性包括天文学、生物学、计算机科学、地质学、逻辑、物理、化学、数学和许多其他领域。 （来源：“图像编辑器” /Flickr）

但是，在定义自然科学包括什么方面，尚无完全共识。 对于一些专家来说，自然科学是天文学、生物学、化学、地球科学和物理学。 其他学者选择将自然科学分为生命科学（研究生物并包括生物学）和物理科学（研究非生物物质，包括天文学、地质学、物理学和化学）。 一些学科，例如生物物理学和生物化学，以生命科学和物理科学为基础，是跨学科的。 自然科学有时被称为 “硬科学”，因为它们依赖于定量数据的使用；研究社会和人类行为的社会科学更有可能使用定性评估来推动调查和发现。

毫不奇怪，生物学的自然科学有许多分支或子学科。 细胞生物学家研究细胞结构和功能，而研究解剖学的生物学家则研究整个生物体的结构。 但是，那些研究生理学的生物学家专注于生物体的内部功能。 某些生物学领域只关注特定类型的生物。 例如，植物学家探索植物，而动物学家则专门研究动物。

科学推理

所有形式的科学都有一个共同点：“知道” 的最终目标。 好奇心和探究是科学发展的动力。 科学家试图了解世界及其运作方式。 为此，他们使用两种逻辑思维方法：归纳推理和演绎推理。

归纳推理是一种逻辑思维形式，它使用相关的观察结果得出一般性结论。 这种推理在描述性科学中很常见。 生物学家等生命科学家进行观察并记录下来。 这些数据可以是定性的，也可以是定量的，原始数据可以用图纸、图片、照片或视频作为补充。 从许多观察中，科学家可以根据证据推断出结论（归纳）。 归纳推理涉及通过仔细观察和分析大量数据得出的概括。 大脑研究就是一个例子。 在这类研究中，人们在进行特定活动（例如查看食物图像）时会观察到许多活的大脑。 然后，预计在此活动中 “点亮” 的大脑部分将是控制对所选刺激反应的部分，在本例中为食物图像。 大脑各个区域的 “点亮” 是由于大脑活跃区域对放射性糖衍生物的过度吸收造成的。 扫描仪观察到由此产生的放射性增加。 然后，研究人员可以刺激大脑的那一部分，看看是否会产生类似的反应。

演绎推理或推理是基于假设的科学中使用的逻辑类型。 在演绎推理中，与归纳推理相比，思维模式朝着相反的方向移动。 演绎推理是一种逻辑思维形式，它使用一般原理或定律来预测具体结果。 根据这些一般原则，科学家可以推断和预测只要一般原则有效就有效的具体结果。 气候变化的研究可以说明这种推理。 例如，科学家可能会预测，如果特定地区的气候变暖，那么动植物的分布应该会发生变化。 这些预测已经过测试和检验，已经发现了许多这样的变化，例如修改了农业耕地，其变化基于平均温度。

这两种类型的逻辑思维都与科学研究的两个主要途径有关：描述性科学和基于假设的科学。 描述性（或发现性）科学通常是归纳式的，旨在观察、探索和发现，而基于假设的科学（通常是演绎的）从一个特定的问题或问题以及可以检验的潜在答案或解决方案开始。 这两种研究形式之间的界限往往模糊不清，大多数科学研究将这两种方法结合在一起。 在思考观察能否轻松引发特定问题时，模糊界限变得显而易见。 例如，一位绅士在 20 世纪 40 年代观察到，粘在他衣服和狗毛上的毛刺种子有一个很小的钩子结构。 经过仔细检查，他发现毛刺的抓取装置比拉链更可靠。 他最终成立了一家公司，生产了如今俗称魔术贴的钩环扣件。 描述性科学和基于假设的科学正在持续对话中。

科学方法

生物学家通过提出有关生命世界的问题并寻求基于科学的回应来研究生命世界。 这种方法在其他科学中也很常见，通常被称为科学方法。 这种科学方法甚至在远古时代也被使用，但最早由英格兰的弗朗西斯·培根爵士（1561—1626 年）（图\(\PageIndex{4}\)）记录下来，他建立了科学探究的归纳方法。 科学方法不仅由生物学家使用，而且可以作为一种合乎逻辑、合理的解决问题的方法应用于几乎所有研究领域。

图\(\PageIndex{4}\)：弗朗西斯·培根爵士（1561—1626 年）被认为是第一个定义科学方法的人。 （来源：Paul van Somer）

科学过程通常从观察开始（通常是一个需要解决的问题），然后引发问题。 让我们考虑一个简单的问题，从观察开始，然后运用科学的方法来解决问题。 一个星期一的早晨，一个学生来到课堂，很快发现教室太温暖了。 这个观察结果也描述了一个问题：教室太温暖了。 然后学生问了一个问题：“为什么教室这么温暖？”

提出假设

回想一下，假设是一种可以检验的建议解释。 为了解决一个问题，可以提出几个假设。 例如，一种假设可能是：“教室很温暖，因为没有人打开空调。” 但是这个问题可能还有其他答案，因此可以提出其他假设。 第二个假设可能是，“教室很温暖，因为停电，所以空调不起作用。”

选择假设后，学生就可以做出预测。 预测与假设类似，但其格式通常为 “If... then.。” 例如，第一个假设的预测可能是：“如果学生打开空调，那么教室就不会太温暖了。”

检验假设

有效的假设必须是可检验的。 它还应该是伪造的，这意味着实验结果可以反驳它。 重要的是，科学并不声称 “证明” 任何东西，因为科学理解总是会随着进一步的信息而改变。 这一步骤——对反驳观点持开放态度——是科学与非科学的区别。 例如，超自然现象的存在既不可检验也不可伪造。 为了检验一个假设，研究人员将进行一项或多项旨在消除一个或多个假设的实验。 每个实验将有一个或多个变量和一个或多个对照。 变量是实验中在实验过程中可能发生变化或变化的任何部分。 对照组包含实验组的所有特征，除非没有给出假设的操纵。 因此，如果实验组的结果与对照组的结果不同，则差异必须归因于假设的操纵，而不是某些外部因素。 在以下示例中查找变量和控件。 为了检验第一个假设，学生将了解空调是否开启。 如果空调已开启但不起作用，则应该有另一个原因，这种假设应该被驳回。 为了检验第二个假设，学生可以检查教室里的灯光是否正常。 如果是，则不存在电源故障，应否定这一假设。 应通过进行适当的实验来检验每种假设。 请注意，否定一个假设并不能决定其他假设是否可以接受；它只是消除了一个无效的假设（图\(\PageIndex{5}\)）。 使用科学方法，驳回与实验数据不一致的假设。

虽然这个 “温暖课堂” 的例子是基于观察结果，但其他假设和实验可能有更清晰的控制。 例如，学生可能在星期一上课，却意识到自己很难集中精力上课。 解释这种情况的一个观察结果可能是：“当我在课前吃早餐时，我能更好地注意了。” 然后，学生可以设计一个带有对照的实验来检验这个假设。

在基于假设的科学中，具体结果是从总体前提下预测的。 这种推理被称为演绎推理：推理从一般推理到特定。 但相反的过程也是可能的：有时，科学家会从一些具体的观察中得出一般性结论。 这种推理被称为归纳推理，它从特定推理向一般推理。 归纳推理和演绎推理通常同时使用，以增进科学知识（图\(\PageIndex{6}\)）。

艺术连接

图\(\PageIndex{5}\)：科学方法由一系列定义明确的步骤组成。 如果实验数据不支持某一假设，则可以提出新的假设。

在下面的示例中，科学方法用于解决日常问题。 订购科学方法步骤（带编号的项目）和解决日常问题的过程（字母项目）。 根据实验结果，该假设是否正确？ 如果不正确，请提出一些替代假设。

1. 观察
2. 问题
3. 假设（答案）
4. 预测
5. 实验
6. 结果

1. 电源插座有问题。
2. 如果插座有问题，我的咖啡机在插上电源后也无法工作。
3. 我的烤面包机不烤我的面包。
4. 我把咖啡机插入插座。
5. 我的咖啡机能正常工作。
6. 为什么我的烤面包机不起作用？

艺术连接

图\(\PageIndex{6}\)：科学家使用两种类型的推理，即归纳推理和演绎推理，以增进科学知识。 与本例中的情况一样，归纳推理的结论通常可以成为归纳推理的前提。

确定以下每项是归纳推理还是演绎推理的示例。

1. 所有飞鸟和昆虫都有翅膀。 鸟类和昆虫在空中移动时会拍打翅膀。 因此，翅膀可以飞行。
2. 昆虫通常比严酷的冬天更能存活温和的冬天。 因此，如果全球气温升高，害虫将变得更加成问题。
3. 染色体是 DNA 的载体，在细胞分裂过程中分离成子细胞。 因此，DNA是遗传物质。
4. 人类、昆虫和狼等各种各样的动物都表现出社交行为。 因此，社交行为必须具有进化优势。

科学方法可能显得过于僵化和结构化。 重要的是要记住，尽管科学家经常遵循这个顺序，但还是有灵活性的。 有时候，实验得出的结论有利于改变方法；通常，实验会给谜题带来全新的科学问题。 很多时候，科学不是以线性方式运作的；相反，科学家们不断得出推论和概括，在研究的进行过程中寻找模式。 科学推理比科学方法本身所暗示的要复杂得多。 还要注意，科学方法可以应用于解决本质上不一定是科学的问题。

两种类型的科学：基础科学和应用科学

在过去的几十年中，科学界一直在争论不同类型科学的价值。 仅仅为了获得知识而追求科学是有价值的吗？还是只有当我们能够将其应用于解决特定问题或改善生活时，科学知识才有价值？ 这个问题侧重于两种类型的科学之间的区别：基础科学和应用科学。

基础科学或 “纯” 科学旨在扩展知识，无论该知识的短期应用如何。 它不专注于开发具有直接公共或商业价值的产品或服务。 基础科学的直接目标是为了知识而获取知识，尽管这并不意味着它最终可能不会带来实际应用。

相比之下，应用科学或 “技术” 旨在利用科学来解决现实世界中的问题，例如，使提高作物产量、找到特定疾病的治疗方法或拯救受自然灾害威胁的动物成为可能（图\(\PageIndex{7}\)）。 在应用科学中，问题通常是为研究人员定义的。

图\(\PageIndex{7}\)：2008 年艾克飓风袭击墨西哥湾沿岸后，美国鱼类和野生动物管理局救出了这只棕鹈鹕。 得益于应用科学，科学家们知道如何修复这只鸟。 （来源：联邦紧急事务管理局）

有些人可能认为应用科学是 “有用的”，而基础科学是 “无用的”。 这些人可能会向提倡获取知识的科学家提出的一个问题是：“为了什么？” 但是，仔细研究一下科学史就会发现，基础知识带来了许多具有巨大价值的非凡应用。 许多科学家认为，在开发应用程序之前，必须对科学有基本的了解；因此，应用科学依赖于基础科学产生的结果。 其他科学家认为，现在是从基础科学向前迈进，转而寻找解决实际问题的办法的时候了。 两种方法都是有效的。 的确，有些问题需要立即关注；但是，如果没有基础科学产生的广泛知识基础的帮助，几乎找不到解决方案。

基础科学和应用科学如何共同解决实际问题的一个例子发生在DNA结构的发现使人们了解控制DNA复制的分子机制之后。 DNA链是每个人独一无二的，存在于我们的细胞中，它们为生命提供必要的指示。 在 DNA 复制过程中，DNA 会在细胞分裂前不久创建自身的新副本。 了解DNA复制机制使科学家能够开发出实验室技术，这些技术现在用于识别遗传疾病、查明犯罪现场的个体以及确定亲子关系。 没有基础科学，应用科学就不可能存在。

基础研究与应用研究之间联系的另一个例子是人类基因组计划，该研究对每条人类染色体进行了分析和绘图，以确定DNA亚基的精确序列和每个基因的确切位置。 （基因是遗传的基本单位；一个人的完整基因集合是他或她的基因组。） 作为该项目的一部分，还研究了其他不太复杂的生物，以便更好地了解人类染色体。 人类基因组计划（图\(\PageIndex{8}\)）依赖于对简单生物以及后来对人类基因组进行的基础研究。 一个重要的最终目标最终成为将数据用于应用研究，寻求遗传相关疾病的治疗方法和早期诊断。

图\(\PageIndex{8}\)：人类基因组计划是一项长达13年的合作项目，由在多个不同科学领域工作的研究人员共同努力。 该项目对整个人类基因组进行了测序，已于2003年完成。 （来源：美国能源部基因组计划 (http://genomics.energy.gov)）

尽管基础科学和应用科学的研究工作通常都是经过精心策划的，但值得注意的是，有些发现是偶然性的，也就是说，幸运的事故或幸运的惊喜。 青霉素是在生物学家亚历山大·弗莱明不小心打开葡萄球菌培养皿时发现的。 盘子上长出了不想要的霉菌，杀死了细菌。 原来是青霉菌，发现了一种新的抗生素。 即使在组织严密的科学世界中，运气——加上观察力、好奇心——也能带来意想不到的突破。

报告科学工作

无论科学研究是基础科学还是应用科学，科学家都必须分享他们的发现，以便其他研究人员能够扩展他们的发现并在其发现的基础上再接再厉。 在规划、进行和分析结果时，与其他科学家的合作对于科学研究都很重要。 因此，科学家工作的重要方面是与同行沟通并将结果传播给同行。 科学家可以通过在科学会议或会议上展示结果来分享结果，但这种方法只能惠及少数在场的人。 相反，大多数科学家在科学期刊上发表的经过同行评审的手稿中展示他们的结果。 同行评审的手稿是由科学家的同事或同行审阅的科学论文。 这些同事都是合格的人员，通常是同一研究领域的专家，他们判断科学家的著作是否适合发表。 同行评审过程有助于确保科学论文或拨款提案中描述的研究是原创、重要、合乎逻辑和彻底的。 拨款提案是研究资助申请，也需要接受同行评审。 科学家发表他们的研究成果，以便其他科学家可以在相似或不同的条件下重现他们的实验，以扩展研究结果。 实验结果必须与其他科学家的发现一致。

科学论文与创意写作有很大不同。 尽管设计实验需要创造力，但在呈现科学结果时有固定的指导方针。 首先，科学写作必须简短、简洁和准确。 科学论文必须简洁但又足够详细，以使同行能够重现实验。

科学论文由几个具体部分组成：简介、材料和方法、结果和讨论。 这种结构有时被称为 “iMrad” 格式。 论文开头通常有致谢和参考部分以及摘要（简明摘要）。 可能会有其他章节，具体取决于论文的类型及其发表的期刊；例如，一些评论论文需要大纲。

导言从简短但广泛的背景信息开始，介绍该领域的已知情况。 很好的介绍还给出了这项工作的基本原理；它证明了所开展工作的合理性，还简要提到了论文的结尾，其中将介绍推动研究的假设或研究问题。 导言指的是他人发表的科学著作，因此需要按照期刊的风格进行引用。 在没有适当引用的情况下使用他人的作品或想法被视为抄袭。

材料和方法部分包括对所用物质的完整而准确的描述，以及研究人员收集数据所使用的方法和技术。 描述应该足够详尽，以使其他研究人员能够重复实验并获得类似的结果，但不必过于冗长。 本节还将包括有关如何进行测量以及使用哪些类型的计算和统计分析来检查原始数据的信息。 尽管材料和方法部分对实验进行了准确的描述，但并未对其进行讨论。

有些期刊要求在结果部分之后是讨论区，但更常见的做法是将两者结合起来。 如果期刊不允许将这两个部分合并，则结果部分仅叙述研究结果，而无需进一步解释。 结果以表格或图表的形式呈现，但不应提供重复的信息。 在讨论部分，研究人员将解释结果，描述变量之间的关系，并尝试解释观察结果。 必须进行广泛的文献检索，将结果置于先前发表的科学研究的背景下。 因此，本节中也包含了适当的引文。

最后，结论部分总结了实验发现的重要性。 尽管几乎可以肯定，科学论文回答了所陈述的一个或多个科学问题，但任何好的研究都应该引发更多的问题。 因此，一篇做得好的科学论文为研究人员和其他人继续和扩展研究结果敞开了大门。

评论文章不采用 IMRAD 格式，因为它们不提供原始科学发现或主要文献；相反，它们总结和评论作为主要文献发表的发现，通常包含大量参考章节。

摘要

生物学是一门研究活生物体及其相互作用及其环境相互作用的科学。 科学试图通过理性手段全部或部分地描述和理解宇宙的本质。 科学有许多领域；与物理世界及其现象相关的领域被视为自然科学。

科学可以是基础的，也可以是应用的。 基础科学的主要目标是扩展知识，而不期望这些知识在短期内得到实际应用。 但是，应用研究的主要目标是解决实际问题。

科学中使用两种类型的逻辑推理。 归纳推理使用特定的结果来得出一般的科学原理。 演绎推理是一种逻辑思维形式，它通过应用一般原理来预测结果。 整个科学研究的共同点是使用科学方法，这是一个基于步骤的过程，包括进行观察、定义问题、提出假设、检验这些假设以及得出一个或多个结论。 测试使用了适当的控制。 科学家们在科学期刊上发表的经过同行评审的科学论文中介绍他们的结果。 科学研究论文由几个定义明确的部分组成：导言、材料和方法、结果，最后是结论性讨论。 评论论文总结了一段时间内在特定领域所做的研究。

艺术联系

图\(\PageIndex{5}\)：在以下示例中，科学方法用于解决日常问题。 订购科学方法步骤（带编号的项目）和解决日常问题的过程（字母项目）。 根据实验结果，该假设是否正确？ 如果不正确，请提出一些替代假设。

1. 观察
2. 问题
3. 假设（答案）
4. 预测
5. 实验
6. 结果

1. 电源插座有问题。
2. 如果插座有问题，我的咖啡机在插上电源后也无法工作。
3. 我的烤面包机不烤我的面包。
4. 我把咖啡机插入插座。
5. 我的咖啡机能正常工作。
6. 为什么我的烤面包机不起作用？

回答

1：C；2：F；3：A；4：B；5：D；6：E。最初的假设不正确，因为咖啡机在插入插座后可以正常工作。 其他假设包括烤面包机可能坏了或者烤面包机没有开启。

图\(\PageIndex{6}\)：确定以下每项是归纳推理还是演绎推理的示例。

1. 所有飞鸟和昆虫都有翅膀。 鸟类和昆虫在空中移动时会拍打翅膀。 因此，翅膀可以飞行。
2. 昆虫通常比严酷的冬天更能存活温和的冬天。 因此，如果全球气温升高，害虫将变得更加成问题。
3. 染色体是 DNA 的载体，在细胞分裂过程中分离成子细胞。 因此，DNA是遗传物质。
4. 人类、昆虫和狼等各种各样的动物都表现出社交行为。 因此，社交行为必须具有进化优势。

回答

1：归纳法；2：演义；3：演义；4：归纳法。

词汇表

抽象

总结研究和结论的科学论文的开头部分

应用科学

一种旨在解决现实世界问题的科学形式

基础科学

寻求扩展知识和理解的科学，无论这些知识的短期应用如何

生物学

研究活生物体及其相互作用及其环境

结论

科学论文的一部分，总结了实验发现的重要性

控制

实验的一部分，在实验过程中不会改变

演绎推理

一种逻辑思维形式，使用一般包容性陈述来预测具体结果

描述性科学

（也称为发现科学）一种旨在观察、探索和调查的科学形式

讨论

科学论文的一部分，作者在其中解释了实验结果，描述了变量之间的关系，并试图解释所讨论的现象

可伪造的

可能被实验结果否定

假设

对观察结果的建议解释，可以检验

基于假设的科学

一种以特定问题和潜在的可测试答案开头的科学形式

归纳推理

一种逻辑思维形式，它使用相关的观察结果得出一般性结论

导言

科学论文的开头部分，该部分提供了论文报道的研究之前该领域已知情况的背景信息

生命科学

研究生物的科学领域，例如生物学

材料和方法

科学论文的一部分，包括对研究人员收集数据所使用的物质、方法和技术的完整描述

自然科学

与物理世界及其现象和过程相关的科学领域

同行评审的手稿

科学论文，由身为研究领域专家的科学家同事审阅

物理科学

研究非生物物质的科学领域，例如地质学、天文学、物理学和化学

抄袭

在没有适当引用的情况下使用他人的作品或想法，造成错误的印象，认为这些是作者最初的想法

结果

科学论文的一部分，作者在其中叙述了实验结果并提供了相关的数字、图片、图表、图表和表格，无需进一步解释

评论文章

总结和评论作为主要文献发表的发现的论文

科学

涵盖一般真理或一般定律运作的知识，尤其是通过科学方法获得和检验的知识

科学的方法

一种研究方法，包括明确的步骤，包括观察、假设的制定、检验以及确认或伪造假设

机缘巧合

幸运的意外还是幸运的惊喜

理论

测试并证实了对观测结果或现象的解释

变量

实验者可以改变或改变的实验的一部分