【正文】 步聲可以引起狗的口水流出。又因為生物學(xué)實驗是通過人的主動控制而進(jìn)行的實踐活動，所以，從方法論的角度分析，生物學(xué)實驗還應(yīng)包括觀察、假設(shè)、預(yù)測、控制、操作、記錄、析因、推理、結(jié)論等一系列環(huán)節(jié)。因此，作為生物學(xué)實驗的研究對象，是不同于物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科的。例如對植物光合作用的研究，首先就是對研究對象的控制，包饑餓處理、遮光對照、酒精脫色及碘液反應(yīng)等一系列對研究對象控制，最后，間接地揭示出綠色植物這一生理過程。這種主動性決定了它們有主動趨向或主動逃避某一環(huán)境或某一因素的行為，特別在動物中，表現(xiàn)更為明顯。因此在對研究對象進(jìn)行控制時，要周密地分析影響生物的各種因素，即哪些是主要因素，哪些是次要因素，哪些是無關(guān)因素，才能避免不必要的錯誤發(fā)生。(2)實驗手段的特性。③實驗手段是生物學(xué)理論的物化。隨著電子計算機(jī)在生物學(xué)實驗中的應(yīng)用，這種控制已經(jīng)達(dá)到自動化的程度。一、實驗室實驗和自然實驗1．實驗室實驗所謂實驗室實驗，是指在實驗室內(nèi)，通過各種實驗儀器和設(shè)備，在人為地制造、控制或改變實驗對象的狀態(tài)和條件下，考察與研究實驗對象的一種有目的、有計劃的操作或?qū)嵺`活動。當(dāng)然，這種摸索和嘗試，并不是像古人那樣盲目地“試錯”，而是根據(jù)一定的實驗?zāi)康?，利用已知的條件，用外加因素去干擾研究對象，以觀察實驗中發(fā)生了什么現(xiàn)象，產(chǎn)生了什么結(jié)果，并通過推理得出結(jié)論。實際上，在生物科學(xué)研究的過程中，探索性實驗和驗證性實驗往往是不可分割的。1．定性實驗定性實驗是判斷研究對象具有哪些性質(zhì)，并判定某種物質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)或者鑒別某種因素是否存在，以及某些因素之間是否具有某種關(guān)系的一種實驗方法。這種揭示各因素之間數(shù)量關(guān)系的實驗稱為定量實驗。中學(xué)生物學(xué)教學(xué)中設(shè)計一些定量實驗不僅可以幫助學(xué)生樹立“量化”意識，學(xué)會用數(shù)據(jù)表達(dá)實驗結(jié)果的科學(xué)方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，還可以通過探尋各因素之間的量化關(guān)系，進(jìn)行邏輯思維的訓(xùn)練。將實驗組中的未知因素同對照組的已知因素進(jìn)行對照比較，通過對實驗組的人為干預(yù)，以確定該因素的影響作用。(2)空白對照。在對照比較實驗中，為了獲得可靠的實驗結(jié)果，應(yīng)該注意以下兩點：第一，除了用于比較的因素外，其他因素必須加以嚴(yán)格控制，并盡量趨于相同；第二，要注意消除實驗中的系統(tǒng)誤差，這需要采取隨機(jī)方法抽取樣本，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計的方法來做出顯著性檢驗。析因?qū)嶒炦€可以用于探索性實驗中實驗現(xiàn)象和結(jié)果與預(yù)期的不一致，或?qū)嶒灣霈F(xiàn)了異?，F(xiàn)象時。在實驗研究中，實驗手段只直接作用于模型，而不直接作用于原型。實物模型的替代物是具體的實物，它可以被人的感官直接感知，并與原型在結(jié)構(gòu)或功能上相似。如在進(jìn)行“植物組織培養(yǎng)”的實驗中，光照、溫度、培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分、無菌操作的裝置等，都對愈傷組織能否分化以及發(fā)育產(chǎn)生直接或間接的影響，因此，這些都構(gòu)成該實驗的條件。生物學(xué)實驗中常常需要用到化學(xué)藥品試劑，這類實驗條件包括不同藥品的種類、純度、濃度、狀態(tài)、質(zhì)量等。例如，上述組織培養(yǎng)的實驗中，無菌條件不嚴(yán)格，則愈傷組織將受到污染而不能分化；溫度不適宜則愈傷組織也不能分化；培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分不全面，如缺少礦質(zhì)元素，也影響愈傷組織的分化，即使分化出組織器官，由于得不到全面的營養(yǎng)，也不會正常發(fā)育。因此，在光合作用的實驗中，溫度條件控制在25—30℃，可得到比較理想的實驗效果。在這里，對天數(shù)的控制就成為該實驗條件控制的關(guān)鍵。通過比較飼料(即某一因素)的不同配方(即不同水平)對小雞增重量(即實驗結(jié)果)的影響，從而選擇出最佳飼料配方(即實驗條件)。通過對多種因素即實驗條件的控制，就可以在諸因素中獲得對株高影響最顯著的條件。另外，即使在必須經(jīng)過人為控制或干預(yù)而進(jìn)行實驗研究的領(lǐng)域，也需要對實驗所表現(xiàn)出的現(xiàn)象進(jìn)行觀察、記錄和描述。在生物科學(xué)史上，很多假說是通過科學(xué)觀察得到驗證后才成為理論的。生物學(xué)實驗中的觀察根據(jù)觀察結(jié)果是否提供數(shù)據(jù)可以分為定性觀察和定量觀察，也可以根據(jù)觀察在實驗中的認(rèn)識作用分為探索性觀察和驗證性觀察，還可以根據(jù)觀察的特征分為靜態(tài)觀察和動態(tài)觀察以及比較觀察?？陀^性原則的基本點就是防止主觀性。還有的假象是由于一些媒介的作用，如物體在不同介質(zhì)中的折射作用。假象是自然界中的一種“正常現(xiàn)象”，自然界(2)客觀性原則。實驗過程實際上就是控制活動和觀察活動的有機(jī)結(jié)合。古人類學(xué)家古道爾，運(yùn)用觀察的方法，在非洲肯尼亞的熱帶密林里建立了觀察哨，經(jīng)過10年對黑猩猩全部生活的深入觀察，寫出了《人類的近親》、《我在黑猩猩中生的活》等極有科學(xué)價值的著作，為古人類學(xué)的研究開辟了一條新路?？茖W(xué)觀察和自然觀察各有其存在的價值，不能完全互相替代。例如，在考察白天光照和夜間溫度對某一種植物的株高的影響的實驗中，需要對光照和溫度這兩種因素加以控制，在控制時，可以將每種因素人為地設(shè)計為幾個水平，如對白天光照的時間分別控制為8小時、10小時、12小時3個水平的處理，對夜間溫度可以分為高溫、低溫2個水平的處理。它們的增重量如下表：組 別每只雞增重量(g)155 49 42 21 52261 99 30 89 63342 97 81 95 92在這里，飼料作為該實驗的重要條件，也稱為因素，而3種不同的飼料就是該因素的3個不同水平，喂給小雞的每種飼料就是1個處理。所謂實驗條件的控制，就是通過限制、改變實驗條件，并運(yùn)用不同的對比或?qū)φ諏嶒瀬硖綄か@得最佳效果的實驗條件的科學(xué)方法，即創(chuàng)造一個典型環(huán)境或特殊條件而進(jìn)行的控制活動。例如，光合作用實驗中，溫度是一個重要條件。例如，恒溫箱是控制溫度的重要設(shè)備，不同容量的移液管能夠保證液體容量的精確。時空條件也可以看做環(huán)境條件。第三節(jié) 生物學(xué)實驗的實施生物學(xué)實驗實施過程主要包括對實驗條件的控制、對實驗現(xiàn)象的觀察和記錄以及對實驗結(jié)果的分析和討論。理論模型包括圖像模型、邏輯模型和數(shù)學(xué)模型等。這種實驗就叫做模擬實驗。析因?qū)嶒灥奶攸c是：結(jié)果是已知的，即所表現(xiàn)出的生命現(xiàn)象是客觀的、可見的，而影響或造成這種現(xiàn)象或結(jié)果的各種因素，特別是主要因素是未知的。例如，在研究一種叫做“生脈散”的藥物對運(yùn)動員消除疲勞的作用時，實驗組服用的是生脈散糖水制劑，而空白對照組并非什么都不服用，而是服用5％的淡糖水作為空白，也稱“安慰劑”。經(jīng)實驗，如果這種新的抗生素與有效的青霉素有同樣的作用，則這種抗生素的抗菌作用得到證明，反之，則被否定。同一物種在不同環(huán)境中引起的形態(tài)方面的變化，或不同物種由于生活在相同的環(huán)境中發(fā)生的系統(tǒng)的趨同效應(yīng)，也可以進(jìn)行比較(圖2—2)。定量實驗有定性實驗所不能取代的作用。2．定量實驗為了對研究對象的性質(zhì)、組成及影響因素有更深入的認(rèn)識，就必須探究它們之間的數(shù)量關(guān)系，否則，得出的結(jié)論就可能是相反的。同時，激素濃度的高低對生物體的生長發(fā)育及各種代謝所起的作用是不同的，甚至是相反的，如吲哚乙酸(即植物生長素)的不同濃度對植物的同一器官的生長所起的作用是不同的(圖2—1)。因此，驗證性實驗是把研究對象引向深入的重要環(huán)節(jié)。二、探索性實驗和驗證性實驗1．探索性實驗探索性實驗是探索研究對象的未知屬性、特征以及與其他因素的關(guān)系的實驗方法。如在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)中，還有很多觀察實驗、調(diào)查實驗，課堂中根據(jù)教師的作用還有演示實驗、學(xué)生獨(dú)立實驗等。有關(guān)實驗手段的原理在后面的一章中還要詳細(xì)討論。生物學(xué)實驗中，實驗者對研究對象及其環(huán)境的控制是需要借助儀器、設(shè)備才能達(dá)到的。當(dāng)然，這些只是一些主要的常用的物質(zhì)手段。人的主動性是有意識的，是自覺的行動，而其他生物卻是本能。生物學(xué)實驗的研究對象是具有生命的物質(zhì)，而生命和非生命的區(qū)別就在于生命體有應(yīng)激性，能夠生長繁殖，有遺傳變異的特性，可以進(jìn)行新陳代謝，能與環(huán)境交換物質(zhì)與能量，還可以適應(yīng)一定的環(huán)境。(2)研究對象的可控性。究竟什么是生命?這是生物科學(xué)史上一直爭論的問題。生物學(xué)實驗是有一定的研究對象，并根據(jù)研究目的，運(yùn)用一定手段(儀器、設(shè)備等)主動控制、干預(yù)研究對象，或控制環(huán)境、條件，即創(chuàng)造一種典型環(huán)境或特殊條件，并在其中進(jìn)行的探索生命現(xiàn)象及其運(yùn)動規(guī)律的實踐活動。可以這樣概括：觀察是實驗的基礎(chǔ)，實驗是觀察的發(fā)展。電子計算機(jī)和數(shù)學(xué)模型的建立，使實驗對象可以變得抽象化、模型化，更便于實驗和研究。生物科學(xué)領(lǐng)域里很多重大成果的突破如DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)、生物工程的發(fā)展、克隆技術(shù)的突破等，都離不開物理學(xué)和化學(xué)的手段。數(shù)學(xué)模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高級神經(jīng)活動的生理學(xué)、復(fù)雜的生物系統(tǒng)、遺傳學(xué)、生態(tài)學(xué)的研究中?，F(xiàn)代生物技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，是現(xiàn)代生物學(xué)實驗發(fā)展的必然結(jié)果，它標(biāo)志著現(xiàn)代生物學(xué)實驗已經(jīng)擺脫了傳統(tǒng)模式，而直接將生命科學(xué)的理論和發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于生產(chǎn)實踐的探索。20世紀(jì)70年代，生物學(xué)實驗在微觀領(lǐng)域里實現(xiàn)了革命性的突破，那就是在分子生物學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的現(xiàn)代生物技術(shù)。當(dāng)然，這些物理學(xué)和化學(xué)的新技術(shù)應(yīng)用到生物學(xué)領(lǐng)域中，促進(jìn)了現(xiàn)代生物學(xué)實驗的發(fā)展，反過來，現(xiàn)代生物學(xué)實驗的發(fā)展也對這些技術(shù)提出了越來越高的要求，從而促進(jìn)了這些技術(shù)的發(fā)展與更新。1923年，法國物理學(xué)家路易將放射性同位素的原子標(biāo)記到某種化合物上，以研究該物質(zhì)在生物代謝中的蹤跡和變化，或用于生物大分子結(jié)構(gòu)的分析，這種技術(shù)稱為同位素示蹤技術(shù)。1896年，繼X射線的發(fā)現(xiàn)后，在對X射線源的探究中，法國物理學(xué)家貝克勒爾(Becquerel，1852—1908)發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性，緊接著，法國物理學(xué)家皮埃爾在發(fā)現(xiàn)X射線后的第4天，美國人就將其應(yīng)用于人體透視，以確定殘存在體內(nèi)的彈片的位置。同近代生物學(xué)實驗相比，現(xiàn)代生物學(xué)實驗的內(nèi)容更為深入和廣泛，設(shè)備、方法和手段更為完善和先進(jìn)。四、近代生物學(xué)實驗的特點隨著資本主義生產(chǎn)方式的建立和發(fā)展，近代生物學(xué)實驗在經(jīng)歷了艱難、曲折和不屈的斗爭之后，終于從古代的生產(chǎn)實踐中分化出來，走上了科學(xué)的道路，并得以全面地發(fā)展。高爾頓在達(dá)爾文思想的激勵下，著手研究遺傳學(xué)和優(yōu)生學(xué)，他設(shè)計了各種測定智力的儀器，統(tǒng)計了9000個受試者的數(shù)據(jù)，1869年發(fā)表了《天才的遺傳》，并提出，通過選擇育種可以從智力和體力上改良人種。實驗方法在微生物方面的應(yīng)用，是法國微生物學(xué)家巴斯德(Louis Pasteur，1822—1895)(圖1—7)于1857年進(jìn)行的微生物酵素(酶)實驗。將化學(xué)手段引人生物學(xué)實驗，并以化學(xué)觀點解釋生命活動的典型代表，是比利時化學(xué)家、醫(yī)生赫爾蒙特(J．B．van Helmont，1580—1644)，“柳樹實驗”就是他著名的植物生理實驗，他以此闡明了水分是植物必需的營養(yǎng)物質(zhì)。馬即死去。顯微鏡的出現(xiàn)和改進(jìn)，證實了哈維的推斷：動脈末梢與靜脈之間由極細(xì)小的血管分支或稱“組織孔”連接。在該部著作中，哈維將自己的實驗結(jié)果與塞爾維特的關(guān)于肺循環(huán)的發(fā)現(xiàn)相結(jié)合，論述了“在動物體內(nèi)，血液是在循環(huán)不息地流動著的”觀點，并對血液循環(huán)的途徑進(jìn)行了一個完整的描述。哈維切開結(jié)扎處下部，那里已經(jīng)沒有血了，而切開結(jié)扎處的上部時血液進(jìn)射出來。哈維認(rèn)為，只有通過實驗證實才能下結(jié)論，于是，他著手對動脈進(jìn)行研究。心臟的跳動大約是每分鐘72次，進(jìn)一步計算，1小時內(nèi)從左心室里排出的血量大約為245千克，相當(dāng)于一般人體質(zhì)量的3—4倍！這么多的血，不可能在l小時內(nèi)由肝臟制造出來，也不可能這么快在肢體末端被吸收掉。塞爾維特在1553年出版的《基督教的復(fù)興》一書中，將自己的發(fā)現(xiàn)公布于眾，并批判了蓋侖的“靈氣說”?！睘榇?，他不顧教會禁令，經(jīng)常在深夜到郊外無主墓地或刑場去取回殘骨或尸體進(jìn)行解剖。他倡導(dǎo)科學(xué)實驗，首先開始了對古代人體解剖學(xué)說的改造。他提出：“應(yīng)當(dāng)依靠實驗來弄懂自然科學(xué)、醫(yī)學(xué)、煉金術(shù)和天上地下的事情。文藝復(fù)興時期是一個需要反封建并產(chǎn)生反封建強(qiáng)大思想武器的時期，是一個需要科學(xué)巨人并造就科學(xué)巨人的時期，是一個需要科學(xué)實驗并建立科學(xué)實驗的時期。因此，從公元2世紀(jì)到16世紀(jì)的長達(dá)1400年中，蓋侖的理論一直占有統(tǒng)治地位，以至于阻礙了生物學(xué)實驗的發(fā)展。在中國古代就曾有“神農(nóng)嘗百草，一日而遇七十毒”的傳說，這也可以看做是采用“試錯法”而進(jìn)行的一種鑒別實驗。他還對小雞在蛋殼中孵化的21天進(jìn)行了詳細(xì)的觀察和記錄，發(fā)現(xiàn)小雞生命的第一個信號是在開始孵化后的第4天出現(xiàn)的一個跳動點，即心臟的搏動。關(guān)于雜交實驗的最早記載，是公元121年我國東漢時期的許慎所著《說文》中提到的“贏，驢父馬母者也；馱騠，馬父贏子也，(贏即騾)。“五齊”的提出，是符合釀酒發(fā)酵的科學(xué)規(guī)律的。二、古代生物學(xué)實驗的萌芽原始人對生物的認(rèn)識，僅僅是為了自身的生存，而進(jìn)入文明社會以后，人們開始有目的地對各種生物的形態(tài)、習(xí)性進(jìn)行理性的探索。可以想像，人類在長期的自然觀察中，注意到有些植物的生長是靠著開花后結(jié)的種子落地而周而復(fù)始的，于是嘗試著將采集到的種子埋在土里，當(dāng)小苗長出后細(xì)心侍候，最后他們得到了更多的果實和種子。一、原始人的自然觀察在長達(dá)二三百萬年的人類歷史中，大約99％的時間是在原始社會中度過的。嚴(yán)格地說，生物科學(xué)實驗是建立在近代自然科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上的，但建立的過程經(jīng)歷了早期人類的自然觀察到對生命活動的探索，研究等一系列實踐活動這條漫長的道路。隨著工具的改進(jìn)和火的使用，人類主動地獵取各種動物以補(bǔ)充自己的食源。如果種植業(yè)可以被看做是人類最早期的探索實驗，那么其操作方式就是“刀耕火種”，最原始的工具是粗陋的石斧、石鋤等(圖1—1)。有文字記載的是公元前1600年的殷代，人們用曲蘗制酒。至今，西方的釀酒仍然用麥芽糖化后再加入酵母進(jìn)行酒精發(fā)酵兩道程序。大約在公元前600年，古希臘生理學(xué)家阿爾克邁翁(Alcmaeon)即對人和動物的尸體進(jìn)行了解剖。在解剖生理學(xué)方面，他的最大貢獻(xiàn)是在肌肉和腦神經(jīng)方面。同樣，蓋侖關(guān)于血液運(yùn)行的認(rèn)識也是錯誤的。第二，處在萌芽時期的生物學(xué)實驗，還沒有從以經(jīng)驗為主的勞動實踐中分化出來，其實驗的目的和內(nèi)容是直接獲取人類所需要的物質(zhì)，其技術(shù)手段是生產(chǎn)實踐中的經(jīng)驗積累。因為憑直覺觀察很難說明事物的本質(zhì)，所以人們要求在有控制的、人為的環(huán)境下進(jìn)一步研究生命現(xiàn)象的真諦，探索生命活動的規(guī)律。培根本人不惜重金購買了各種儀器，自己動手做了大量的實驗。芬奇敢于對已經(jīng)寫進(jìn)教義的理論持懷疑態(tài)度，他不顧教會的禁令，在物理學(xué)、化學(xué)、生理學(xué)等方面做了大量實驗，并親自解剖了10多具尸體，獲得了豐富的人體解剖的資料。在書中，維薩里還科學(xué)地繪制了很多解