生物学实验（二）

2.2 DNA复制和推理最佳解释

作为另一个例子，考虑在20世纪50年代提出的DNA复制模型在发布DNA的双螺旋结构之后，J.D. Watson和F.R.H. 克里克（Lehninger 1975）：

来自Lehninger 1975的图像

图1。

在纯粹的因果术语中，所有这些模型表明的是，新合成的DNA分子中的核苷酸序列取决于预先存在的分子的序列。 但是该模型还包含结构信息，例如DNA双螺旋拓扑的信息，并且通过复制DNA分子经历的运动（当时仍然假设）。 根据左侧的模型，所谓的“保守”模型，DNA双螺旋的两条链在复制之前不会分开; 它们粘在一起，女儿分子沿着一个完整的双螺旋生长，作为整体的模板。 根据中间的模型，称为“半保守”机制（认为今天是正确的），两股在该过程中分开。 新合成的股线沿着分离的预先存在的股线生长，每个股为模板。 在右侧的模型上，“色散”模型，两条股不仅在该过程中分开，它们也被切割成然后重新加入的碎片。 虽然纯粹的因果图（即，仅包含关于变量的信息的因果图取决于因果上的其他变量）来描述半保守和分散模型中的分离和切割事件的原因，但它也提出了结构的描述在DNA分子中，包括在复制过程的不同阶段的股线的拓扑和相对运动。 这是必须补充因果图中包含的信息的真正机制信息，以便提供规范性充分的机制解释。

如何测试这种机制？ 为了看到这一点，考虑着名的实验，据称在1957年的三个DNA复制机制之间进行了选择。也称为“生物学中最美丽的实验”（Holmes 2011），这项实验由马修进行了开展利用分析超速纤维使用分析超速纤维和弗兰克斯塔尔（参见物理学进入实验中的Meselson-Stahl实验讨论）。

Meselson和Stahl在含有重氮同位素的生长培养基中生长细菌，15N。 然后将这些细菌转移到具有正常光氮的培养基中，14N。 在一代后，收获细菌，并将其DNA萃取并加载到超速离心腔室中的氯化铯溶液上（图2）。 铯原子是如此重，在受到高离心力时，它们将形成浓度梯度。 在这样的梯度中，DNA在梯度的条带上漂浮，其中分子密度对应于氯化铯溶液的梯度。 因此，分析离心机是用于分子密度的极其敏感的测量装置。 事实上，它足以检测含有含有轻氮的重氮和DNA之间的DNA之间的差异。 它还可以将这两种DNA物种与由含有重氮的一种链和含有轻氮的一种链的杂交物区分。 实际上，在一轮复制后，米斯尔森和斯塔尔实验中的细菌DNA是中间密度。 在另一轮之后，DNA在其自然状态下具有与DNA相同的密度。

描绘了Meselson-Stahl实验

图2. Meselson-Stahl实验。 离心机的描述是误导性的; Meselson和Stahl正在使用复杂的分析超速纤维，而不是一个摆动的桶准备离心机，因为这张照片表明。 此外，该实验的这一表示已经包含其理论解释（Watson 1965）。[1]

结果是在半保守模型的基础上预期的结果：在一轮复制后，DNA正常是中间密度，因为它是重和光链的杂种（分别含有重或轻氮）。 另外一轮后，似乎没有重氮的光分子。 除了重/轻杂交的外，没有其他中间密度的分子（因为人们期望在分散方案上）。

尽管这真的看起来像是半保守计划的壮观确认，但梅斯尔森和斯塔尔（1958年）在陈述他们的结论方面非常谨慎。 避免理论解释，所有实验表明，碱性氮在复制过程中均匀分布。 虽然这与分散机制不一致，但它没有排除保守机制。 因为，超速纤维的光学器件拾取的中间密度的材料可能根本不包括杂交重/光DNA分子，而是一种重型和光DNA的络合物。 例如，Meselson和Stahl推测，通过保守机制产生的旧的和新合成的DNA的端到端共价关联也具有中间密度，因此在实验中产生相同的带。 因此，无法完全排除对保守机制方面的结果的解释。

Meselson和Stahl的警告很合理，正如我们现在所知道的那样。 因为他们并不知道他们在CSCL梯度中看到的乐队组成的分子种类。 更新的考虑表明，由于梅尔森和斯塔尔使用皮下针，他们的DNA必须已经分散了碎片化，以便使用皮下注射针在其梯度上传DNA。 这种治疗将整个基因组从大肠杆菌中撕成小块。 DNA的这种破碎化将从结束结束链接分子中排除替代解释，这位科学家当时已经意识到了。 事实上，在密度测量之前没有剪切DNA，因此由于大肠杆菌染色体的圆形结构，整个实验不会在第一处工作，这影响其密度（汉瓦甘醇2004）。 这表明的是关于梅尔森和斯塔尔不知道的实验系统存在相关事实，这使得难以将这种实验视为至关重要的问题。

尽管如此，可以将实验视为1957年进行的实验，作为半保守机制的有力证据。 Weber（2009）认为，这种机制是Meselson和Stahl的数据的最佳解释的一部分。 通过“数据”，韦伯意味着观察到的实际乐队。 为什么这一解释比涉及保守方案和重度和光DNA的端到端关联的解释更好？ 要与某些数据一致，与数据的良好解释相同。 使用半保守方案的解释更好，因为它直接显示氮气均匀分布。 相比之下，替代说明需要额外的假设，以至于在复制后，父母和孝子DNA以某种方式保持共价连接在一起。 这个假设不是机制的一部分，因此后一种解释是不完整的。 完整的解释总是比不完整的解释更好; 这里没有援引定义原则。

因此，可以将该情况重建为对最佳说明的推理（Lipton 2004），或者可能优选地作为唯一解释的推断（鸟2007）。 对最佳解释（IBE）的推理，也称为绑架，是一种争议的归纳推理方案，从一组候选假设中选择了最能解释这种现象的候选假说。

Cresto（2008）也使用IBE的变体来通过Avery重建实验，表明肺炎球菌中的变换原理是DNA而不是蛋白质。 然而，她的结论是，在这种情况下，IBE是不确定的。 它所表明的是，当时DNA是否是转变原则的问题，有一个理性的分歧。 诺克斯和斯科尔（即将举行）争辩艾弗里等。 没有依赖IBE; 它们实际上具有更强的案例，符合传统的Vera Causa理想（参见第5.2节）。

总而言之，我们已经看到，一些生物学最着名的实验的方法分析揭示了许多复杂和曲线在其证据力中，这使得它们难以将它们视为“至关重要的实验”。 然而，除了他们的教学价值之外的基本原理通常可以赋予为什么教科书符合他们特殊的认知状态。

3.实验系统和模型生物

最后两部分的治疗实验主要是测试理论假设和因果索赔的方法，这是传统科学哲学的主要作用。 然而，在生物学的历史和哲学中存在相当大的奖学金，表明这不会耗尽生物学实验的作用。 实验，回应Ian Hacking的着名口号，“拥有自己的生活”（黑客1983年）。 在生物学实验室中持续的很多人没有测试先入为主理论的目标。 例如，许多实验发挥了探索性的作用，即他们协助科学家发现新现象，他们尚不到任何理论账户，甚至没有任何明确的想法。 物理学历史和哲学（Steinle 1997）以及生物学（Burian 1997,2007; O'Malley 2007; Waters 2007）中已经调查了探索性实验。 这些研究表明，通过专注于理论并试图确认或反驳这些理论，无法理解实验生物学中任何纪律的发展。 实验实践根本没有组织在理论上，特别是没有生物学。 如果这是这样的，我们必须询问其他术语，可以解释或重建这种做法。 最近的奖学金专注于两种实体：模型生物和实验系统。

3.1模型生物

现代生物学会没有其模型生物？ 仅仅给出一些例子：古典遗传学是主要通过试验物种果蝇黑素体的果蝇而开发的。 最近也是同一器体，也是在发育生物学中有很多令人兴奋的工作的中心，与塞诺罗哈卜奈蒂亚杆菌和斑马鱼达尼奥雷罗约。 分子生物学家最初主要使用细菌大肠杆菌和噬菌体（感染细菌的病毒）。 神经科学家欠与巨型轴突的鱿鱼欠。 对于免疫学，鼠标亩肌肉已被证明是无价的。 植物分子生物学的最爱是拟南芥。 细胞生物学在贝克的酵母酿酒酵母中发现了一种与大肠杆菌一样易于繁殖的生物体，但其细胞更类似于动物和人类细胞。 此列表可以继续，但不是永远。 与现场生物学相比，实验生命科学中正在研究的物种数量相当小; 事实上，对于大多数这些模型生物体来说，今天可以获得完整的基因组DNA序列。

它看起来有点矛盾的是，它正是这些生物学的实验学科，限制了他们对生命的最小部分的研究，渴望最大程度的普遍性。 对于学习模型生物来说，往往是为了获得一个物种，而是许多物种，有时包括人类的知识。 在讨论这一认识学问题之前，它有关审查模型生物研究的历史和哲学分析的一些结果。

一个重要的研究是罗伯特科勒的飞行领主（科勒1994年），奇潮遗传学的历史，源自哥伦比亚大学托马斯亨特·摩根实验室。 科勒在新描述和映射的突变方面将科学对果蝇系统的巨大产出进行了归功。 果蝇相对较快地品种繁殖，并且在大量的实验室中容易保持在实验室中，这增加了检测新突变的可能性。 科勒是指果蝇作为“育种反应堆”捕捉这种繁殖力，因此，他的研究与实验室果蝇的生态不同。 在摩根实验室中开发的遗传映射的精心制作技术，其分配了每种突变的一个染色体的物理位置，也可以被视为组织实验室工作的一种方式，并跟踪突变体的突变体连续播种。 遗传图是突变体的系统目录，因此是一种研究工具，就像它是飞的遗传系统的理论模型（CF.Weber 1998）。 因此，摩根实验室中的大部分是最好的被描述为育种，维护，表征和编目（通过遗传映射）飞行菌株。 当然，它与测试遗传理论有关测试遗传理论的理论知识当然也有关于“门德尔的法律”的基因传播的规律性，但在该过程中也大大改进了（Darden 1991）。 然而，经典遗传理论也是发现进一步研究的突变体和基因的一种手段，而不是本身的目的（Waters 2004）。 这在果蝇适应分子生物学的年龄（Weber 2005; Falk 2009）的方式也很明显。

模型生物通常被选择用于特定的研究领域，但结果对其他领域也非常宝贵。 果蝇是一个案例; 摩根在选择果蝇作为模型系统时主要对胚胎学感兴趣。 这很大，但飞行对遗传学本身同样重要，包括进化遗传学（特别是进化综合的“建筑师”之一的工作，T. Dobzhansky;见Dobzhansky 1937），行为遗传学（例如，S. Benzer对昼夜时钟机制的研究，见Weiner 1999），生化遗传学以及神经科学。

在选择模型生物体中总是存在应急的一个因素; 没有生物学问题决定了学习它的最佳生物的选择。 尽管考虑了方便，方便的繁殖和维护，以及对特定现象的研究的适用性起到了作用（Clarke和Fujimura 1992; Burian 1992,1993; Lederman和Burian 1993;第1993条; Claseger 2002; Geison和Creager 1999; Lederman和Tolin 1993），总有许多不同的生物可以满足这些标准。 因此，选择哪种模型生物有时是一个机会问题。

我们的生物学知识是否可能完全不同，过去的偶然选择是不同的？ 由于这个问题要求我们沉迷于历史反事件，这是争议的（Radick 2005），很难回答。 然而，如果模型生物体产生的知识可以被证明是一般有效性，或者至少在超越其产生的特定生物中，它可能并不重要。 这是从一个领域推断到另一个领域的知识更普遍的认识学问题的一个例子，可以逐渐讨论（Burian 1992）。

让我们首先考虑一个特例，遗传密码的普遍性。 在分子生物学中，与普遍的科学文章不同，术语“遗传密码”并不意指生物体的基因组DNA序列，而是将氨基酸分配给信使RNA上的基质三体。 存在四个这样的碱：A，U，G和C.三个碱基一起形成“密码子”并指定氨基酸，例如，Triplet八颗粒指定氨基酸甲硫氨酸（它也是起始密码子，即，它引发了开放读数制作蛋白质的框架）。 值得注意的是发现遗传密码在到目前为止已经研究的几乎每个生物中完全相同。 只有几种异常已知，例如，线粒体和叶绿体的遗传密码或锥虫（一种引起睡眠疾病）的丙蛋白酶（人寄生虫）。 因此，代码被称为“通用”，因为异常是这么少。 但是生物学家如何知道代码是普遍的，因为它仅在少量物种中确定了它？

在这种情况下，可以使用简单的贝叶斯论据来表明遗传密码的普遍性的当前信仰是很好的合理性。 要看到这一点，必须首先注意代码是任意的; 在当前标准遗传密码中的氨基酸对密码子的具体映射没有必要。 第二个前提是，存在极大的不同可能的遗传码。 现在，我们可能会询问概率是什么，即在许多不同物种上独立地在分子水平上进行的许多不同物种的完全相同的遗传密码。 当然，这种概率很小。 遗传码巧合的概率大大，假设代码没有在不同物种中独立出现。 在这一假设上，代码只出现一次，巧合是由于常见的下降。 然而，一旦特定的遗传代码就位，就很难改变，因为氨基酸密码子分配的任何突变变化都倾向于影响更多的不同蛋白质，因此可能威胁杀死生物体。 正是由于这个原因，Jacques Monod（1974）将代码描述为“冻结事故”。 它的突变率非常非常低。 这些考虑在一起支持遗传码的普遍性的假设。

这样的论点可能并不总是可用。 事实上，在一般情况下，模型生物的外推是本质上的问题。 主要问题是Daniel Steel（2008）所谓的“外推圈”。 问题是这个问题。 我们想要推断一些系统S具有机制M，因为已经知道另一个系统T具有M.对于此推断来说是好的，我们必须假设S和T是相关的。 我们无法知道系统是相关的，除非我们已经知道他们都有M.但是如果我们知道，那么，如果我们知道，则不需要首先推断。

请注意，当我们推断遗传码时，不会出现这种圆。 在这种情况下，我们确实知道系统是相关的，因为所有生物都共享一个共同的祖先，因为代码很难改变。 如果没有这样的论点，我们可以做些什么？

钢铁（2008）提出了一种推理，即他称之为“比较过程跟踪”。 钢铁所提出的解决方案是，即使在与模型系统相比，在目标系统中运行的机制没有强有力的证据，科学家也可以将两个系统相对于各个因果结构中的某些关键节点进行比较，即两个系统最有可能的那些不同。 这可以通过提供有证据表明这两个系统与保证推断相似的证据来打破回归，但是没有必要了解与模型系统的知识相匹配的目标系统。

虽然这种推理策略似乎是合理的，但对于从模型生物外推开时可能并不是如此相关。 钢铁的推理策略涉及我们想要从我们知道某种机制运作到不同类型的系统的系统中的案例，我们没有（尚未）知道相同的机制运行。 然而，在生物学中，通常存在证据，实际上，实际上，在模型以及目标系统中，非常类似的机制。 特别重要的证据是存在不同生物之间所谓的序列同源物。 这些通常是在某些情况下显示出或多或少强烈相似性的DNA序列甚至是身份。 因为它（就像在上面讨论的遗传密码的情况下）不太可能是这种序列相似性是由于机会，它通常归因于常见的血统（因此术语序列“同源性”;在生物学中，其现代使用中的这个术语表明了共享祖先的关系表明了共享祖先的关系）。 序列同源性已被证明是机制相似性的可靠指标。 为举例说明，称为“Homeobox”的高度保守的序列元素，该元素首先在果蝇中描述，今天被认为在极其广泛的生物体（Gehring 1998）中发挥类似的发挥作用。 当有理由认为模型和目标由于共同下降而享有类似的因果机制时，外推的圆圈不会出现。

然而，从模型生物到其他生物的外推的程度可以作为证明的语义的证据，或者只是在发现背景下作为启发式仍存在争议。 Baetu（1916）根据哪个外推的中间地面辩论，该外推可以是证据的界线，而只是在更大的证据的背景下，其中在外推的某些假设受到经验审查的情况下。

在多大程度上存在一些辩论，例如科学的模型生物和理论模型之间存在强烈平行，例如，人口生态学中的Lotka-Volterra捕食者 - 猎物模型。 提出了强烈的并行，提出了在科学建模的文献中存在广泛的一致意见（参见科学的进入模型），科学模型不需要抽出（即，由数学方程或这种排序的其他东西）; 它们也可以是具体和身体的。 Watson's By Crick的1953年DNA模型由纸板和电线制成，符合这个意义上的模型。 在实验室中养殖的水果飞行可以在标准意义上被认为是遗传实验的科学模型？ Ankeny和Leonelli（2011）在肯定的情况下回答这个问题，基于（1）模型生物体用于代表各种其他生物和（2），它们用于代表特定现象。

Levy和Currie（2015年）批评了这个想法。 在他们看来，Lotka和Volterra的科学模型（以及新兴建模文学中讨论的所有其他车型）在科学中起着完全不同的作用，而不是模型生物。 特别是，它们在科学推论中使用的方式不同。 在诸如数学捕食者 - 猎物模型的模型中，科学家从模型中汲取类似的推论，以目标是由理论假设不承保的推论。 相比之下，模型生物作为从个别成员到整个阶级的外推的基础（通常但不一定在共享祖先的基础上）。 因此，他们希望排除他们称之为“经验推断”（一种诱导形式），它们采用模型有机体 - 目标推论的特征，这些目标推断是通过科学模型获得了对目标的知识的一种理论推断。

然而，这并不意味着生物体或生物的群体不能用作模型。 Levy和Currie接受实验生态和实验演进中的某些模型系统是类似于Lotka-Volterra模型的科学模型。 一个例子是托马斯·公园的（1948）著名的竞争实验使用面粉甲虫赤拟。 什么特点等实验模型，与此相反模型生物，就是他们可用于表示广义生物现象（例如，间的竞争公园的情况下），可以用于从根本上不同的和分类学无关目标系统（另请参见韦伯2014）。