生物学实验（一）

1.实验和因果推理

1.1工厂在实验生物学中的方法

1.2工厂方法的概括

1.3机械构造与白细胞实验

2.关键的实验证据

2.1 Duhem的困境和氧化磷酸化争论

2.2 DNA复制和推理最佳解释

3.实验系统和模型生物

3.1模型生物

3.2实验系统

4.实验，合理性和社会认识论

5.实验伪影和数据可靠性

5.1鲁棒性

5.2 Vera Causa理想

参考书目

学术工具

其他互联网资源

相关条目

1.实验和因果推理

1.1工厂在实验生物学中的方法

因果推理方法尝试重建，有时可以证明允许科学家从数据中推断出包括实验数据的因果关系的规则。 最古老的这种尝试是由于John Stuart Mill（1996年[1843]），他们提出了一个由五种不同所谓的“方法”组成的因果推断的系统陈述：协议方法，差异方法，协议的联合方法和差异，差异残留方法和方法伴随变化。 虽然其中一些“方法”涉及观察，但特别是差异的方法被广泛被视为封装基于实验的科学推理的重要原则。 因此，磨坊本身是如此：“如果发生调查的现象的情况，并且在不发生的情况下，在共同的拯救中，只有在前者中发生的情况; 单独的两个实例不同的情况是效果，或原因的效果或原因或不可或缺的部分的现象“（Mill 1996 [1843]，Ch。8，§2）。 因此，Mill的差异方法要求我们看两种情况：发生调查的现象的情况，并且其中没有发生这种情况。 如果可以识别一个因素，这是两个情况之间唯一的其他区别，那么该因子必须是因果关系。

随着磨坊的注意，差异方法是特别是生命的实验查询，因为这种方法所需的这种差异通常可以通过实验干预来产生。 实际上，根据称为干预措施的位置，原因和实验干预概念之间存在紧密的连接（Woodward 2003）。

Mill的差异方法捕获了在生物实验中经常使用的重要推理。 让我们假设我们想了解新发现的化合物是否是抗生素，即，抑制某些细菌的生长。 我们首先将细菌细胞培养物分成几个等分试样（相同尺寸的样品衍生自均相溶液）。 然后，我们加入一组等分试样的可疑抗生素溶解在磷酸盐缓冲液（“处理”）中。 对于另一组，我们只添加磷酸盐缓冲液（“控制”）。 然后我们记录所有样品中的细菌生长（例如，通过测量由于细菌引起的培养基覆盖的光密度的增加）。 该实验设置确保治疗和对照样品仅在抗生素的存在或不存在下不同，因此判断出治疗和对照等分试样之间的任何观察到的生长差异而不是由怀疑的抗生素而是由缓冲溶液引起的。 让我们表示抗生素为“a”，并且生长抑制为“w”。 因此，如果在含有不含A的样品中的样品中观察到W，则生物学家将从这种实验推断出A是抗生素。

在归纳推理的原则方面，磨削厂将其解释为可以务实的归纳原则。 然而，有趣的是要注意，原理也可以被视为实例化的一种不能的演绎推理。

为此，当然，必须使用额外的房地加强差异方法。 以下是如何完成的一种方式（从Hofmann和Baumgartner 2011调整）：

S1和S2是两个均匀的测试情况（假设）

两个因素A和W都在S2中发生在S2（Exp.结果）中

w是在确定性因果结构（假设）中的效果

在S1中，存在W的发生原因（2,3）

在S2中，不存在W（从2,3）发生的原因

S2不包含W的混淆（5）

S1不含W的混淆（1,6）

W的原因属于集合{A，W}（从4,7）

W不会引起自己（假设）

a是S1中存在的原因或原因的一部分

此扣除中使用的一些术语要求解释。 两个测试情况在均匀的条件下，如果因子因因子因因因子相关并且存在于测试情况S1中，则它也存在于测试情况S2中，反之亦然。 一个混乱将是一个不属于集合{a，w}的因果关系。 通过因果均匀性（1）的假设排除了这种混淆的存在。 在实际情况中，混淆可能是仅在其中一个测试情况中存在的未知或不受控制的（即，不可测量的或未测量的）因子。 在我们的抗生素示例中，这可能是一些化学物质，无意中只进入一个等分症，或者没有知识的实验者。 事实上，混淆者的风险正是为什么我们的生物实验者将母亲文化分为等分试样，然后在放入待测物质之前。 这使得一个等分试样不太可能包含另一个不含的化学品。 此外，熟练的实验者将确保培养物搅拌很好，从而防止培养物的物理化学偏心性（例如，一些化学或温度梯度）。 因此，存在典型的实验室操纵和程序，从而降低混淆风险。

尽管有这些控制程序，但很明显，来自米兰差异测试的因果因素的推导出现了强烈的假设。 特别是，必须假设我们正在处理决定性的因果结构（3），没有任何事情发生（4）。 在我们的简单示例中，这增加了细菌没有表现出任何类型的自发性，换句话说，他们的生长行为被认为是由他们的遗传构成和他们的环境决定的（尽管大多数生物学家都相信他们的实验生物具有良好和糟糕的日子就像自己一样！）。

如果我们因此将百分子因果推理解释为演绎推理，所有推论风险都会从寄养规则转移到因果同质性，确定主义和普遍因果关系原则等场所。 它是归纳推断的特征，即这总是可能的（Norton 2003）。 当然，这些前提的理由不存在。 它们可能被视为某种实验实践的一部分和包裹，通过其研究的成果（参见第5节）。

1.2工厂方法的概括

Mill的方法可以正式化和广泛地纳入丰富和复杂的因果推理方法（例如，ragin 1987，Baumgartner 2009，Graßhoff2011，贝里亚伦，leuridan和van de Putte 2018）。 这种账户已经成功地用于重建历史集中，例如尿素周期的发现（Graßhoff，Casties和Nickelsen 2000; Grasshoff和1995年5月）。

米尔的方法及其广义版本甚至可以被视为提供某种发现的逻辑（参见Schaffner 1974），其存在长期存在争议（镍尖1980）。 但是，应该指出的是，因果推理方法不会从头开始产生因果知识。 他们已经将因果解假设作为输入并以迭代方式改进它们（Grasshoff 2011）。 虽然某些配方（包括上述ill的制作）可能表明，对ill的方法的输入是仅仅是关联或规律，现在应该清楚，如果某些因果知识已经在手头上，该方法只能可靠。 在我们上面的示例中，因果假设是因果均匀性，显然具有因果关系。 这会使口号“没有原因，没有原因出局”（Cartwright 1989，Ch。2）。

该讨论侧重于确定性的因果推理，这在实验生物学中普遍存在。 应该提到的是，当然，还有统计推理方法在使用中，在使用中，在使用中塑造，特别是回归分析和方差分析，其经常用于生物场实验。 相比之下，湿实验实验很少需要这些技术。

一些因果推理方法的爱好者认为，为了考虑实验实践（例如，Graßhoff2011），基本上是所有所需的磨机方法（及其统计对应物）的复杂版本。 这种观点的吸引力是它可以基本上被解释为只需要扣除和没有繁琐的归纳方法。

1.3机械构造与白细胞实验

实验方法传统上主要涉及推断因果依赖性。 然而，最近的研究表明我们需要扩大其范围。 在寻求机制方面最佳地描述了许多生物学研究的大量奖学金文件，这可以被理解为产生生物学家想要理解的现象的实体和活动的集合（例如，Wimsatt 1974，Machamer，Darden和Craver 2000，Glennan 2005，Bechtel 2006，Craver 2007a）。 机制既是生物科学瞄准的瞄准，而且为此目的的手段，适用于机制的草图或计划，可以指导科学家在发现缺失的部分（Darden和Craver 2002，Scholl和Nickelsen 2015）中的发现。

据蔓越手（2007B）表示，我们应该区分构成机制的两种关系：（1）因果关系和（2）本构型关系。 前者可以在机制的不同部分之间保持。 例如，在神经元末端部分的突触传递的基本机制中，钙的膨胀导致突触末端和后腹膜膜之间的空间中神经递质的释放。 可以如最后两个部分中所讨论的那样理解这种因果关系。 其他关系，机械本构相关性（或仅仅机械构造）在部件和机制之间持有，并且该机制适用于现象。 例如，钙进入轴突终端的涌入与其他事件一起构成突触传递的现象。 蔓越手（2007b）认为这不是一个因果关系，因为Relata不能被视为不同和不重叠的。

但是什么定义了本构相关性？ 受到干预措施的启发，狂欢者认为，它最好是生物学家使用的干预措施，以便确定某些实体和相关活动是否是机制的一部分：由某些类型的实验。 特别地，有两种所谓的InterElevel实验，其组合建立（并定义）本构相关性。 在第一种中，在某些部分上进行干预，并且在研究现象中观察到随后的变化。 为了返回我们的突触实例，可以使用钙拮抗剂来表明预防钙离子与其受体的结合可防止释放神经递质。 这是一个自下而上的实验。 第二种间平实验干预了整个现象，以便看到部件的一些变化。 例如，通过增加动作电位到达终端的速率来刺激突触传输将导致该终端的钙流入量增加。 这可以例如通过询问主题来执行认知任务（例如尝试记忆某物）并通过观察功能磁共振成像（FMRI）观察钙浓度的变化。 因此，机械结构由机构部分的相互操纵性和整体机制的相互操纵性限定。

最近的辩论挑战了相互操作性账户（Leuridan 2012，Harinen 2018，Romero 2015）。 一个问题是，层间实验必须“胖撇子”（Baumgartner和GebHarter 2016），因为它们改变了驻留在不同水平的两个不同变量的值（例如，钙结合和突触传输，前者是前者后者的一部分）。 但这有可能破坏机械宪法的推论。 可能的解决方案可能包括通过将本构关系与常见原因存在的最佳解释为恰当的构成作用来包括难以收烧的能力相关现象及其成分（Baumgartner和Casini 2017）。

因此，生物学机制的发现可能需要一套必须补充ill方法的实验推理原理，即使这些原则之间存在相当大的相似之处和因果推理的更好的原则（Harbecke 2015）。

2.关键的实验证据

2.1 Duhem的困境和氧化磷酸化争论

生物教科书与着名实验充满了着名的实验，该实验呈现为为一些假设提供关键的实验证据。 仅举几个例子：Oswald Avery，Colin Macleod和Maclyn McCarthy（1944）被认为是通过使用导致肺部感染的细菌的一组巧妙的转化实验建立了DNA作为遗传信息的载体，肺炎球菌。 Matthew Meselson和Frank Stahl（1958）进行了一个实验，广泛认为已经证明了DNA复制是半保守而不是保守的或耗散的证据（意味着新形成的DNA双螺旋含有一个完整的股线父母分子和一个新合成的股线）。 以法莲架和沃尔特Stoeckenius（1974年）被认为提供了实验证据，即定居了长期争议（称为“氧化磷酸化或牛瘟”））是否呼吸和产生能量的产生-RICH在线粒体中的化合物ATP通过化学中间体或质子梯度偶联。

许多科学哲学家对这种“至关重要的实验”的可能性一直持怀疑态度。 最着名的是Pierre Duhem（1905）提供的争论，他声称这一重要的实验是不可能的（在物理学中），因为，即使他们成功消除了虚假的假设，这也不证明其余的假设是真实的。 与数学家不同，科学家们从未拥有完整的假设一组必须是真的。 真正的假设始终尚不能够构思，从而消除所有这一切，而这一点是至关重要的实验，并不一定会导致真相。

基于这些考虑，可以认为生物教科书中所谓的关键实验的功能比证据更具教育。 为了评估本发明的权利要求，我将在稍微详细的细节中考虑两个例子，即牛光伏争论和卵石 - 斯塔尔案例。

OX-PHOS争议是关于呼吸的机制（即，富含能量的化合物的氧化）与ADP（腺苷二磷酸）至ATP的磷酸化（腺苷三磷酸腺苷）偶联。 逆反应，通过细胞使用ATP与AdP和无机磷酸盐的水解，以便为诸如蛋白质的合成以及小分子的合成，DNA，运动的复制等（能量）来供电对于肌肉收缩也由ATP水解提供）。 因此，ATP功能类似于用于为各种蜂窝过程供电的通用生物化学电池。 那么细胞如何使用食物中包含的化学能量来对这些电池充电？ 从待描述的ADP产生ATP的第一途径是糖酵解，糖的降解。 该途径不需要氧气。 它的工作方式是细胞使用糖的崩解，使活化的磷酸盐化合物 - 一种所谓的高能量中间体 - 随后将其磷酸基团转移至ADP以使ATP制成。

已经在20世纪40年代明确了，这不能成为唯一使ATP的过程，因为它是Anaerobic（不需要氧气）而不是非常有效。 食品分子的完全分解需要氧气。 Hans Krebs表明，这发生在今天称为克雷斯队的循环反应途径中。 克雷布循环产生称为降低的NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）的化合物。 从20世纪40年代开始生物化学的大问题是如何氧化该化合物以及这种氧化如何与ADP的磷酸化偶联。 当然，生物化学家在糖酵解中使用时搜索高能中间体。 然而，这种中间体被证明是非常难以捉摸的。

1961年，英国生物化学师Peter Mitchell（1961）建议氧化磷酸化机制（因为该过程已知）不需要高能中间体。 根据米切尔的方案，NADH在线粒体内膜（膜限制细胞内细胞器的内膜上氧化逐步氧化逐步逐步逐步地描述为细胞的发电站）。 该过程相对于膜不对称地发生，使得发生膜穿过膜的质子的净传输（后面表明质子实际上在膜中的蛋白质孔中运输）。 因此，质子的浓度梯度建立起来。 当质子电荷时，该梯度也在膜上产生电压差。 这种能量如何使用？ 根据米切尔，膜含有另一种使用质子梯度能量直接磷酸化ADP的酶。 因此，它是质子梯度，使NADH的降低耦合到ADP的磷酸化，而不是化学高能量中间体。 这种机制被称为“化学渗透机制”。

米切尔的假设得到了相当多的怀疑，尽管米切尔和一名同事迅速能够生产实验证据。 具体而言，他能够证明孤立的呼吸线粒体确实产生了（从而导致周围解决方案的可检测的酸化），因为他的假设预测。 但是，这一证据被当时的大多数生物化学家都被视为不确定。 因为当时难以排除呼吸线粒体的质子驱逐仅仅是呼吸的副作用，而能量偶联仍然是由化学中间体介导的。

这是20世纪生物化学历史上最史诗般的争议之一的开头。 这是十年的大部分部分来解决这个问题，时间几个实验室声称成功寻找难以捉摸的化学中间体。 但这些发现都没有幸存下来的审查。 另一方面，由于上述原因，米切尔和他的少数支持者面临的所有证据都被认为是非定位的。 Weber（2002）表明，氧化磷酸化的两个竞争理论可以在T.S.的意义上被视为不介绍。 Kuhn（1970），没有由此无与伦比的（Kuhn经常误读）。

尽管如此，争议最终在20世纪70年代中期在米切尔的青睐中关闭，赢得了1978年诺贝尔化学奖。 这种关闭的原因受到解释。 大多数生物化学教科书以及韦伯（2002年，2005年）引用了Aphraim Racker和Walter Stoeckenius（1974）的着名实验，这对于建立Mitchell的机制至关重要。 这些生物化学师与合成膜囊泡合作，它们已经插入纯化的酶，其中一种是线粒体ATP酶（直接负责ADP磷酸化的酶）。 其他酶根本不是来自线粒体，而是来自光合细菌。 该酶已被证明用作灯驱动的质子泵。 当将该酶与线粒体ATP酶一起插入人工膜囊泡时，在照明时磷酸盐磷酸化的ADP。

该实验被视为化学渗透机制的关键证据，因为它是ATP酶可以单独通过化学梯度供电的第一次证明。 可以排除化学中间体的参与，因为没有存在呼吸酶来递送ATP酶的未知中间体。

Racker-Stoeckenius实验可能最好被视为消除诱导的直接案例。 在此视图上，实验在两个因果图之间决定：

（1）

呼吸→质子梯度→磷酸化

替代因果图是：

（2）

质子梯度←呼吸→化学高能量中间→磷酸化

实验显示出从蛋白质梯度的直接因果关系与磷酸化，这与（1）一致，但不具有（2），因此消除（2）。 然而，很明显，可以提出关于这种情况的Duhem风格的怀疑疑问。 从严格逻辑的角度来看，即使实验排除了化学假设，它也没有证明米切尔的假设。

那么为什么生物化学家这么多强调这个实验？ 也许原因不仅仅是实验的美丽或其教学价值。 从方法论的角度来看，实验从其他实验中脱颖而出，在生物化学家在他们的试管中发生了什么。 因为它是从纯化组件组装的人工创建的系统，因此生物化学家准确地了解他们所放置的内容，使得它们不太可能通过来自衍生这些生化剂的巨大复杂系统的痕量捕获。 在这种解释上，实验在Duemem的裁决方面并不至关重要。 相反，它的区别是，在支持Mitchell的假设的证据中，这一点达到了一个前所未有的实验性严峻标准，使米切尔的假设的对手更困难地挑战它（见Weber 2005，第4章）。