前言 遇見日常生活中的科學(xué)

向公眾解釋“信任”（believe in）某個科學(xué)概念意味著什么，可以說難上加難。部分原因是“相信”（believe）這個詞有不同的含義。通常，我們可能會在如下諸多情況下使用“相信”一詞：

⊙　我相信天很快就要下雨。

⊙　我相信，我的孩子沒有做壞事。

⊙　我相信被告有罪。

⊙　我相信大腦皮層是產(chǎn)生意識的區(qū)域。

⊙　我相信甲會成為比乙更好的總統(tǒng)。

⊙　我相信重力。

⊙　我相信上帝。

在以上例子中，“我相信”有的意味著“我確信”，而其他的則意味著“我持有某種觀點”或“我認(rèn)為”，如第一個例子中的“我相信”即是在推測下雨的可能性。在所有情況下，“相信者”（believer）基于自己的信念很可能會采取行動，這種行動可能微不足道，如出門前帶上傘；也可能意義深遠(yuǎn)，如將自己的生活建立在宗教教義的基礎(chǔ)之上。那么，對科學(xué)概念的信任到底意味著什么？這個問題很難回答，因為科學(xué)概念的發(fā)展經(jīng)歷了不同的階段，各自的評判標(biāo)準(zhǔn)不同。這些階段的出現(xiàn)是由于科學(xué)使用了“猜想-測試-推論”策略（guess-test-interpret strategy），而這一過程通常會重復(fù)多次。事實上，在日常生活中，我們都會表現(xiàn)得像科學(xué)家，至少有時如此。

不妨舉一個現(xiàn)實生活中的例子：當(dāng)你坐在自己喜歡的椅子上開始看報紙時，你按下臺燈開關(guān)，但臺燈沒亮。你可能會想：也許有人拔掉了插頭（猜想1）。于是你轉(zhuǎn)向墻，發(fā)現(xiàn)插頭仍然插在插座上（測試1），所以并沒有人拔掉插頭（推論1）。你又想：可能是電源開關(guān)斷開了（猜想2）。但你發(fā)現(xiàn)同一電路上的電視機卻能正常運轉(zhuǎn)（測試2），所以并不是電源開關(guān)的問題（推論2）。你接著又想：也許是墻上的插座壞了（猜測3）。于是你又將另一盞臺燈插入插座，發(fā)現(xiàn)臺燈亮了（測試3），所以墻上的插座也沒問題（推論3）。你又通過不斷地猜想（燈泡壞了，電線斷了……）和測試，最終得出推論：臺燈的開關(guān)壞了。這樣，你就能想辦法將臺燈修好，而之前對斷路器、插座和電燈及電路的粗略了解，都是你猜想的依據(jù)。

從基本邏輯上來講，除了可能更復(fù)雜之外，科學(xué)研究與修理臺燈并沒有太大的不同。有一種研究方法起源于亞里士多德，它是歸納式的：先收集關(guān)于某個特定主題的所有事實，接著仔細(xì)思考，然后深入總結(jié)（歸納），并解釋事實的普遍關(guān)系1。(1)這種方法很常見，可以用來解釋神圣之事，如創(chuàng)世紀(jì)的故事，也可以用來解決平常的小事，如汽車發(fā)動不起來的問題。然而在過去的一兩個世紀(jì)中，隨著實驗科學(xué)的蓬勃發(fā)展，這種歸納式方法的重要作用已經(jīng)從產(chǎn)生最終推論轉(zhuǎn)變成猜想之源。科學(xué)家喜歡用“假說”（hypothesis）這一術(shù)語，哲學(xué)家似乎更喜歡“推測”（conjecture），但事實上這兩個術(shù)語都是“猜想”的同義詞2。

那么，猜想對科學(xué)研究來說已變得不重要了嗎？絕非如此！好的猜想需要豐富的背景知識和巨大的創(chuàng)造力。通常情況下，一個好的猜想至少應(yīng)令人感到些許驚訝，如沒人想到過或他人曾對此不屑一顧，同時也應(yīng)該充滿趣味，并可測試，還要在許多測試中都可以得到驗證。有時，“可以被檢驗”（falsifiable）一詞被用來代替“可測試”（testable），也就是說，猜想要想成為科學(xué)，它必須易于被客觀且可重復(fù)的測試證偽3。評估假說（如接受或拒絕猜想）的實驗通常都很嚴(yán)格。接受某個假說意味著它還未被拒絕。科學(xué)試圖從最簡單的層次尋找因果關(guān)系，所以一個科學(xué)猜想通常遵循“A導(dǎo)致B”的模式。

以實驗室關(guān)于醫(yī)用水蛭的研究為例。我們猜想：水蛭的神經(jīng)系統(tǒng)中的某些神經(jīng)元激發(fā)了其游動行為。研究生賈尼斯·威克斯（Janis Weeks）根據(jù)她的初始實驗，發(fā)現(xiàn)了似乎適合扮演這一角色的一類神經(jīng)元，她將其命名為“204型細(xì)胞”4。我們該如何測試威克斯有關(guān)204型細(xì)胞引起水蛭游動的猜想呢？一般而言，有3種常用的因果測試方法：相關(guān)性測試、充分性測試和必要性測試。威克斯對204型細(xì)胞的實驗采用了這3種方法。

相關(guān)性測試：電生理記錄顯示，在水蛭游動之前和整個游動過程中，204型細(xì)胞一直處于激活狀態(tài)。也就是說，這些細(xì)胞的活性與水蛭游動有關(guān)。需要注意的是，如果204型細(xì)胞在水蛭游動時并未被激活，那么即使是這個最弱的因果關(guān)系測試也能夠否定我們的猜想。換句話說，相關(guān)性測試可以否定一個猜想，但卻不能為之證明。

充分性測試：刺激單個204型細(xì)胞導(dǎo)致水蛭游動。我們可以得出結(jié)論：激活單個204型細(xì)胞就足以導(dǎo)致水蛭游動。但這種測試并不能證明激活204型細(xì)胞是引起水蛭游動的唯一途徑，威克斯需要進(jìn)一步進(jìn)行實驗。

必要性測試：抑制單個204型細(xì)胞（注入抑制性電流）降低了由刺激神經(jīng)而導(dǎo)致水蛭游動的可能性，這表明204型細(xì)胞的活性至少在一定程度上是水蛭游動所必需的。此外，水蛭的神經(jīng)系統(tǒng)中有12個204型細(xì)胞，而一次只能同時控制兩個細(xì)胞，這種情況下水蛭游動只是減少而非完全阻斷。

基于以上結(jié)果及對其他動物的神經(jīng)系統(tǒng)的類似實驗結(jié)果，科學(xué)家將204型細(xì)胞這樣的神經(jīng)元稱為“指令神經(jīng)元”，因為它們的活動引發(fā)（指揮）了一種特定的行為。指令神經(jīng)元將感覺輸入與大腦運動區(qū)域連接起來：它們從感覺神經(jīng)元獲得輸入，如果能被激活，它們就會引發(fā)一個特定的運動行為。這種神經(jīng)元也被稱為“決策者”，由此可以猜想，它們的真正功能是在一種行為（如游動）與另一種行為（如爬行）之間做出選擇。

204型細(xì)胞實驗大約是在40年前進(jìn)行的，我們不禁要問：我們?nèi)匀幌嘈抛畛醯摹安孪?測試-推論”故事嗎5？答案既肯定又否定：基本數(shù)據(jù)經(jīng)受住了時間的考驗（多次重復(fù)），但進(jìn)一步的實驗發(fā)現(xiàn)了其他神經(jīng)元，它們產(chǎn)生的結(jié)果與204型細(xì)胞相似，所以“204型細(xì)胞是唯一負(fù)責(zé)游動的細(xì)胞”的結(jié)論過于簡單。進(jìn)一步的實驗利用發(fā)光染料來報告電活動，這樣能夠同時監(jiān)測許多神經(jīng)元的活動，結(jié)果顯示，許多其他一起活動的神經(jīng)元之間精細(xì)的相互作用決定了水蛭是游動或是爬行。204型細(xì)胞與其他的“指令神經(jīng)元”一起，控制水蛭的運動行為，直至這些精細(xì)的互動結(jié)束。所以，204型細(xì)胞并不像“總司令”，而更像是執(zhí)行“聯(lián)合首席”命令并付諸行動的“副官”，而“聯(lián)合首席”才是真正的決策者6。

記住204型細(xì)胞實驗，我們再回到科學(xué)的“信仰”概念上來，這個問題至少需要從以下3個不同的層面來回答：

1．猜想能被檢驗嗎？如果無法通過客觀和真實的測試來檢驗，即使猜想再有趣，它也不屬于科學(xué)領(lǐng)域。

2．我們是否相信數(shù)據(jù)的正確性？為了回答這個問題，我們必須思考所使用的技術(shù)是否合理，所做的實驗是否可靠，以及結(jié)果是否令人信服。例如，在一個旨在闡明大腦某一區(qū)域功能的經(jīng)典實驗中，該區(qū)域的功能描述將通過實驗進(jìn)行調(diào)整，實驗者將探索行為和／或大腦活動的變化。在探索變化的過程中，實驗者會施加刺激并對反應(yīng)進(jìn)行評分。數(shù)據(jù)通常很散亂：當(dāng)重復(fù)相同的刺激時，也許會引起不同的反應(yīng)，而兩個不同的刺激也可能會引起相同的反應(yīng)。許多情況都可能導(dǎo)致這樣的結(jié)果，一些明確的途徑可以用來鑒定和解決這些問題。例如，避免評估結(jié)果的人了解處理細(xì)節(jié)（“致盲”實驗者），或者在設(shè)備、人員和文化都不同的實驗室中重復(fù)實驗。

3．我們相信這些推論嗎？一般而言，推論是所有科學(xué)研究中最有趣的部分，最有可能被大眾媒體報道，但它也是最容易發(fā)生變化的部分。從水蛭的神經(jīng)系統(tǒng)中204型細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)可以看出，新數(shù)據(jù)可以改變推論，而且這一過程是持續(xù)的。卡爾·波普爾（Karl Popper）是20世紀(jì)一位頗有影響力的科學(xué)哲學(xué)家，他認(rèn)為科學(xué)永遠(yuǎn)不可能發(fā)現(xiàn)最終的真理7。對事實的當(dāng)前看法可以解釋所有或至少大部分目前觀察到的現(xiàn)象，但其他觀察到的現(xiàn)象最終會質(zhì)疑每一個解釋，取而代之的是更全面的解釋。波普爾認(rèn)為，這一過程并沒有否定原來的解釋，而是通過新數(shù)據(jù)提供了更接近最終真理的解釋。事實上，對一組數(shù)據(jù)的解釋引發(fā)了對下一組實驗的猜想，就像前文提到的修理故障臺燈時所發(fā)現(xiàn)的那樣。

那么，“科學(xué)信仰”與其他信仰有何不同呢？一個主要的區(qū)別在于，科學(xué)只局限于那些能被客觀地、重復(fù)地且明確地檢驗的猜想，至少在實驗科學(xué)領(lǐng)域如此，如果他人做完全相同的實驗，也將得到同樣的結(jié)果。這一條件排除了科學(xué)研究中大量非常有趣的問題，如“我為什么在這里？”“上帝存在嗎？”等，甚至排除了占星術(shù)等類似科學(xué)的學(xué)科，這些學(xué)科雖然收集了大量的數(shù)據(jù)，但其推論不能被客觀地檢驗8。科學(xué)論文通常將“結(jié)果”與“討論”分開。能否相信結(jié)果需要進(jìn)行判斷，包括實驗做得是否正確，以及其他科學(xué)家能否重現(xiàn)結(jié)果等，這樣的判斷相對來說都很客觀。討論部分的內(nèi)容則相對比較微妙：數(shù)據(jù)能否支持推論？根據(jù)該論文及之前發(fā)表的論文的結(jié)果能否得出合理的結(jié)論？推論能否引出進(jìn)一步可測試的猜想？雖然討論通常是所有科學(xué)論文中最有趣的部分，但也是最經(jīng)不起時間考驗的部分。對于非研究領(lǐng)域的人來說，這種解釋的變化可能令人困惑和沮喪，但我們在這個過程中能逐漸接近最終的真理。推論是詩意之所在，而在科學(xué)中則是創(chuàng)造力最顯著之處。然而，推論會發(fā)生變化，這意味著所有信仰都自帶提醒：某位科學(xué)家今天所相信的東西會隨其所做的下一組實驗而發(fā)生巨大變化，更令人沮喪的是，它還會隨其他科學(xué)家的實驗結(jié)果產(chǎn)生變化。因此，科學(xué)家必須能夠放棄自身最熱衷的信仰，并在新數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采納新觀點，而一般大眾則需要理解這些信仰的動態(tài)本質(zhì)。

小威廉·克里斯坦（William B. Kristan，Jr.）

加州大學(xué)圣迭戈分校神經(jīng)生物學(xué)家

凱斯琳·弗倫奇（Kathleen A. French）

加州大學(xué)圣迭戈分校

計算生物學(xué)與生物信息學(xué)中心主任