1.2: 科学过程
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与地质学、物理学和化学一样，生物学是一门收集自然世界知识的科学。 具体而言，生物学是对生命的研究。 生物学的发现是由一群研究人员做出的，他们使用商定的方法单独或共同工作。 从这个意义上讲，像所有科学一样，生物学是一种社会企业，比如政治或艺术。
科学方法包括仔细观察、记录保存、逻辑和数学推理、实验以及将结论提交给他人审查。 科学还需要大量的想象力和创造力；精心设计的实验通常被描述为优雅或美观。 与政治一样，科学具有相当大的实际意义，有些科学致力于实际应用，例如预防疾病（图\(\PageIndex{2}\)）。 其他科学的发展主要是出于好奇心。 无论其目标如何，毫无疑问，包括生物学在内的科学已经改变了人类的生存，并将继续改变人类的生存。
科学的本质
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”）可以定义为关于自然世界的知识。
科学是一种非常具体的学习或认识世界的方式。 过去500年的历史表明，科学是了解世界的一种非常有力的方式；它是这段时间发生的技术革命的主要原因。 但是，有些知识和人类经验领域是科学方法无法应用的。 这些问题包括回答纯粹的道德问题、审美问题或通常可以归类为精神问题之类的问题。 科学无法研究这些领域，因为它们不在物质现象、物质和能量现象的范围之内，也无法观察和测量。
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假设的检验。 假设是对事件的建议解释，可以检验。 假设或初步解释通常是在科学理论的背景下产生的。 科学理论是对一系列观测结果或现象的普遍接受、经过充分测试和证实的解释。 科学理论是科学知识的基础。 此外，在许多科学学科中（在生物学中则不那么如此），都有科学定律，通常用数学公式表示，这些定律描述了自然元素在某些特定条件下的行为。 假设并没有通过理论演变为定律，就好像它们代表了世界确定性的提高一样。 假设是科学家每天使用的材料，它们是在理论的背景下发展起来的。 定律是对世界各部分的简明描述，适合公式化或数学描述。
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。
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、物理学和化学）。 一些学科，例如生物物理学和生物化学，建立在两门科学的基础上，是跨学科的。
科学探索
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。 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（描述性的），也可以是定量的（由数字组成），原始数据可以用图纸、图片、照片或视频作为补充。 从许多观察结果中，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。 大脑研究通常以这种方式起作用。 人们在执行任务时会观察到许多大脑。 然后，大脑中点亮表示活动的部分被证明是控制该任务反应的部分。
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。 例如，可以预测如果某个地区的气候变暖，动植物的分布应该会发生变化。 已经对过去和现在的分布进行了比较，发现的许多变化与气候变暖是一致的。 发现分布的变化证明了气候变化的结论是正确的。
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）科学旨在观察、探索和发现，而基于假设的科学则从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，因为大多数科学工作都将这两种方法结合在一起。 观察会引发问题，问题导致形成假设作为这些问题的可能答案，然后对假设进行检验。 因此，描述性科学和基于假设的科学处于持续的对话之中。
假设检验
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的问题解决方法应用于几乎任何事物。
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？”
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。”
一旦选择了假设，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。”
假设必须是可检验的，以确保其有效。 例如，一个取决于熊想法的假设是不可检验的，因为它永远无法知道熊在想什么。 它还应该是伪造的，这意味着实验结果可以反驳它。 一个不可伪造的假设的例子是 “波提切利的《金星的诞生》很漂亮”。 没有任何实验可以证明这个说法是错误的。 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。 这很重要。 假设可以被驳回或消除，但永远无法得到证实。 科学不处理数学之类的证据。 如果一个实验未能反驳一个假设，那么我们就会找到对该解释的支持，但这并不是说将来找不到更好的解释，也不是说会找到更精心设计的实验来伪造假设。
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。 对照是实验中不变的一部分。 在以下示例中查找变量和控件。 举个简单的例子，可以进行一项实验来检验磷酸盐限制淡水池塘中藻类生长的假设。 一系列的人工池塘里装满了水，其中一半每周通过添加磷酸盐进行处理，而另一半则通过添加已知藻类不使用的盐进行处理。 这里的变量是磷酸盐（或缺少磷酸盐），实验或治疗案例是添加了磷酸盐的池塘，对照池是那些添加了惰性物质的池塘，例如盐。 仅仅添加一些东西也可以控制向池塘中添加额外物质会产生影响的可能性。 如果经过处理的池塘显示出藻类的生长较少，那么我们就找到了支持我们的假设的依据。 如果他们不这样做，那么我们就拒绝我们的假设。 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。
示例\(\PageIndex{1}\)
在下面的示例中，科学方法用于解决日常问题。 以下示例中的哪一部分是假设？ 预测是哪个？ 根据实验结果，该假设是否得到支持？ 如果不支持，请提出一些替代假设。
- 我的烤面包机不烤我的面包。
- 为什么我的烤面包机不起作用？
- 电源插座有问题。
- 如果插座有问题，我的咖啡机在插上电源后也无法工作。
- 我把咖啡机插到插座上。
- 我的咖啡机能正常工作。
解决方案
假设是 #3（电源插座有问题），预测是 #4（如果插座有问题，那么咖啡机在插入插座后也无法工作）。 最初的假设没有得到支持，因为咖啡机在插入插座后就可以正常工作。 其他假设可能包括 (1) 烤面包机可能坏了或 (2) 烤面包机没有开启。
实际上，科学方法并不像起初看起来那样僵硬和结构化。 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。
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我们的生活时，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。 在应用科学中，问题通常是为研究人员定义的。
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知识的帮助，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，在细胞分裂形成新细胞之前不久，就会生成新的 DNA 拷贝。 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，还研究了其他生物，以更好地了解人类染色体。 人类基因组计划（图\(\PageIndex{6}\)）依赖于对非人类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使用这些数据进行应用研究，寻找遗传相关疾病的治疗方法。
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。 长出一种不需要的霉菌，杀死了细菌。 霉菌原来是青霉菌，因此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，以供其他研究人员扩展和巩固他们的发现。 科学子学科内部和之间的沟通和协作是科学知识进步的关键。 因此，科学家工作的一个重要方面是传播结果并与同行沟通。 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出席会议的少数人。 相反，大多数科学家在科学期刊上发表的经过同行评审的文章中展示他们的结果。 同行评审的文章是经过审阅的科学论文，通常由科学家的同事或同行匿名审阅。 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。
有许多期刊和大众媒体不使用同行评审系统。 现在有大量的在线开放获取期刊，即免费提供文章的期刊，其中许多使用严格的同行评审系统，但有些则没有。 未经同行评审而在这些论坛上发表的任何研究的结果都是不可靠的，不应构成其他科学工作的基础。 有一个例外情况是，经被引作者的许可，期刊可以允许研究人员引用另一位研究人员关于未发表结果的个人通信。
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。
假设是对观察结果的初步解释。 科学理论是对一系列观测结果或现象的久经考验和持续验证的解释。 科学定律是对某些情况下自然界某一方面的行为的描述，通常以数学公式的形式出现。 科学中使用两种类型的逻辑推理。 归纳推理使用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。 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。
词汇表
- 应用科学
- 一种解决现实世界问题的科学形式
- 基础科学
- 寻求扩展知识的科学，无论该知识的短期应用如何
- 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，使用一般陈述来预测具体结果
- 描述性科学
- 一种旨在观察、探索和发现事物的科学形式
- 可伪造的
- 可能被实验结果否定
- 假设
- 对事件的建议解释，可以测试
- 基于假设的科学
- 一种以具体解释开头的科学形式，然后再进行测试
- 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
- 生命科学
- 一个研究生物的科学领域，例如生物学
- 自然科学
- 一个研究物理世界、其现象和过程的科学领域
- 同行评审的文章
- 一份科学报告，在发表前由科学家的同事审阅
- 物理科学
- 一个研究非生物物质的科学领域，例如天文学、物理学和化学
- 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
- 科学法
- 描述自然界某些方面在某些特定条件下的行为，通常以数学公式的形式出现
- 科学的方法
- 一种具有明确步骤的研究方法，包括实验和仔细观察
- 科学理论
- 对观测结果或现象的经过全面测试和证实的解释
- 变量
- 实验的一部分，可能会发生变化或改变