Сегодня мы открываем серию лекций, в которых расскажем, как выглядит цикл исследования - от постановки задачи до получения ответа и научной публикации.

Любое исследование начинается с того, что исследователь задает себе какой-то вопрос и высказывает предположение о возможном ответе, иногда – о нескольких альтернативных ответах – то есть формулирует рабочую гипотезу. Откуда же берется этот вопрос? Как формулируется рабочая гипотеза? Есть ли здесь какие-то общие правила? Этим проблемам посвящена первая лекция в серии.

1. Возникновение идеи исследования

В самом общем виде, идея исследования всегда возникает в связи с тем, что ученый сталкивается с объектом внешнего мира, поведение которого до сих пор наукой не было описано. Иногда это объект, который ранее вообще не наблюдался, иногда – объект, описание которого оказалось неполным. Так, например, Флеминг, увидев колонию плесени в чашке Петри, где росли бактерии, заметил, что вокруг этой колонии бактериальный рост отсутствует (*) . Он обратил внимание на этот факт, поскольку до него никто не описывал у плесени свойства подавлять рост бактерий, так что это наблюдение послужило основой будущего исследования. В подобных случаях исследования начинаются с наблюдения в сфере внешнего мира. В результате этого наблюдения мы узнаем, что происходит с объектом и задаем себе вопрос: «Почему (или как) это происходит?»

Нередко новое экспериментальное исследование становится непосредственным продолжением предыдущего – когда полученный результат сообщает, что некоторый объект обладает поведением, которое ранее не описывалось. Например, А.Г. Гинецинский, изучая действие антидиуретического гормона, обнаружил, что под действием этого гормона повышается водная проницаемость эпителия собирательной трубки почки. Ранее такое поведение не описывалось, так что возник вопрос: каков механизм этого повышения? Этот вопрос и стал предметом последующего изучения.

В других случаях, описание объекта оказывается противоречивым (то есть из одних положений теории можно сделать одни предсказания относительно поведения объекта, из других – другие). Такая ситуация обычно возникает при разработке теории, так что здесь источник исследования лежит в сфере теории. Но во всех этих случаях оказывается необходимым выяснить, как же объект внешнего мира в действительности себя ведет. Хочу еще раз это подчеркнуть. Наука (за исключением математики, да и то с оговорками) всегда интересуется объектами внешнего мира. Теория никогда не бывает самодовлеющей, она – лишь описание внешнего мира. Вследствие этого, ценностью обладают лишь такие высказывания теории, которые могут быть проверены экспериментально, ибо лишь они действительно описывают мир.

1.2. Рабочая гипотеза: что это такое и зачем она нужна?

Далее, если из существующей теории можно путем дедукции сделать некоторые выводы относительно поведения изучаемого объекта, то первый шаг исследователя состоит именно в том, что такие выводы делаются. Полученное в результате предсказание именуется рабочей гипотезой и далее будет проверяться экспериментально.

В тех случаях, когда получить рабочую гипотезу путем логически строгого вывода оказывается невозможным, приходится делать более или менее вероятные прогнозы, руководствуясь либо аналогией с другими сходными объектами, либо какими-то иными, более или менее общими соображениями.

Возникает вопрос: а зачем вообще нужна рабочая гипотеза? Почему нельзя просто ставить эксперименты, постепенно описывая поведение объекта, без всяких предварительных рассуждений? Ответ в действительности очень прост. Прежде чем начинать поиски, необходимо представлять себе, где искать – где с наибольшей вероятностью можно найти искомое.

Представьте, вечером Вы обнаружили, что потеряли ключ от дома. Искать повсюду, где Вы ходили в течение дня – немыслимо. Но ведь потерять ключ можно только при определенных обстоятельствах. Его можно выронить, когда достаешь из кармана деньги, чтобы расплатиться в магазине, его можно выро- нить, когда наклоняешься на тропинке, чтобы погладить котенка… Вспомнив все подобные эпизоды, Вы определяете небольшое число мест, где, как Вы считаете, ключ может находиться. Далее Вы ищете его в каждом из этих мест. В таких условиях поиск оказывается вполне обозримым – и может оказаться успешным.

Приблизительно так же дело обстоит и в науке. Прежде чем мы станем ставить эксперименты, мы должны представлять себе, какого рода результаты могут быть получены и как их интерпретировать. Рабочая гипотеза позволяет получать экспериментальные факты и объяснять их систематически, в определенной последовательности, и выстраивать из них определенную логическую структуру. Не имея рабочей гипотезы, мы не сможем придумать, какого рода воздействие выдать на объект и какого рода ответ от этого объекта ожидать. А если мы не будем знать, какого рода ответа ожидать, мы не сможем придумать и устройство для регистрации этого ответа. То есть, получив экспериментальный результат, мы можем попросту не заметить его. Кроме того, как и в случае с потерянным ключом, без предварительного теоретического анализа число возможных экспериментов стремится к бесконечности, а вероятность того, что отдельный эксперимент приведет к результату, соответственно, стремится к нулю.

Далее, теоретический анализ стоящей перед исследователем проблемы почти всегда приводит к нескольким возможным ответам на поставленный вопрос. Например, известно, что при всасывании Na+ из кишечника увеличивается выведение этого иона почками. Возникает вопрос: как информация передается от печени к почкам? Предварительный анализ приводит к следующим возможностям (я не претендую на полноту):

Реакция рефлекторна: информация воспринимается натриевыми рецепторами в кишечнике или печени, передается в головной мозг, а оттуда нервным или гормональным путем почке передается приказ: «вывести избыток иона!»

Кишечник выделяет неизвестный гормон, увеличивающий выведение Na+;

Один из известных гормонов кишечника способен увеличивать выведение натрия.

Далее, первое из этих предположений в свою очередь порождает вопрос о пути передачи сигнала от мозга к почке. Соответственно, здесь возможно несколько предположений:

Сигнал передают почечные нервы (снижая свою активность), а их активность прямо меняет выведение всасывание натрия в почечных канальцах;

Сигнал передает система «Почечные нервы – ренин – ангиотензин – альдостерон» (так же снижая свою активность);

Сигнал передает некий неизвестный нейрогормон;

Некий известный нейрогормон способен, может быть, в комбинации с другим гормоном, увеличивать выведение натрия.

Спрашивается, какую же из этих возможностей мы должны проверять в первую очередь? Какую из всех рабочих гипотез исследователь должен выбрать в качестве рабочей, чтобы как можно быстрее получить ответ на интересующий его вопрос?

Единого ответа на этот вопрос не существует. Здесь имеют значение и личные предпочтения исследователя, и его интуиция, и даже случай – о роли всех этих вещей мы как-нибудь еще поговорим – но есть и некоторые общие правила. Так, при прочих равных условиях, следует предпочесть гипотезу, которая легче проверяется экспериментально.

1.3. Какую гипотезу выбрать: «Бритва Оккама»

Главное правило, однако – это «бритва Оккама». Этот принцип был впервые предложен в XIV веке английским философом и теологом Вильямом Оккамом. В первоначальной форме это правило гласит: «Не пытайся объяснить посредством большего то, что можно объяснить посредством меньшего». Позже была предложена формулировка «Не следует умножать сущности без необходимости». Итак, что означает это высказывание? Рассмотрим еще раз предыдущий пример. Предположения II и 3 вводят допущение о существовании ранее неизвестных гормонов, тогда как другие гипотезы обходятся без этого предположения, так что их и следует предпочесть – принять в качестве рабочих и проверять в первую очередь.

Почему, собственно? Ведь на первый взгляд, нет оснований думать, что самое экономное, в смысле введения новых сущностей, предположение с большей вероятностью окажется истинным.

Всякое новое явление можно объяснить, по-видимому, бесконечно большим числом способов. Однако в большинстве случаев при этом будут вводиться допущения о существовании новых, ранее неизвестных, объектов, процессов или взаимодействий – новых сущностях, способов же, при которых новые сущности не вводятся, или вводятся ограниченно, достаточно мало, так что «бритва Оккама» позволяет определенным образом упорядочить рабочие гипотезы и ввести систему в поиск, который в противном случае был бы хаотичным. Это первое, но, кажется, весьма поверхностное обоснование «бритвы».

Второе, более важное, на мой взгляд, обоснование можно дать, если в очередной раз модифицировать «бритву». Итак, мы введем следующее правило: Предпочтительной является гипотеза, объясняющая новое явление ценой наименьшего изменения существующих в данный момент научных представлений. Во многих случаях эта формулировка практически оказывается эквивалентной прежней, но она гораздо более полно раскрывает смысл «бритвы» в современной науке. Дело в том, что существующая картина мира сформировалась в результате длительного труда многих ученых, она хорошо подтверждена многочисленными экспериментами и представляет собой глубоко разработанную дедуктивную систему, эти эксперименты систематизирующую. (Более подробно об этом – в лекциях № 1 и № 2.) Поэтому, если новое предположение противоречит важным положениям старой теории, то автор должен дать новое объяснение всем известным фактам, ранее объяснявшимся отвергнутой теорией. Понимаете, в чем дело – ни один факт нельзя рассматривать изолированно, он всегда связан со всей предшествующей наукой.

Вот пример. Несколько лет назад журналисты подняли страшный шум вокруг женщины, которая придумала новую теорию возникновения рака – это, видите ли, паразитарное заболевание. Экспериментальное обоснование этой «блестящей идеи» состояло в том, что в культуре раковых клеток, которую она держала чуть ли не у себя на кухне, обычно наблюдаемые клетки «приняли» жгутиковые, ресничные и амебовидные формы. Высказав это предположение, она совершенно не озаботилась ни тем, что раковые клетки по своим свойствам и функции не так уж отличаются от порождающей их ткани, ни тем, что по генотипу они почти идентичны клеткам организма, из которого происходят – словом, огромное количество фактов, которые объяснялись старой теорией, были просто отброшены. Так вот, так делать – нельзя. Уж если Вы изменяете существующую теорию – будьте добры дать новые объяснения всем старым фактам. При этом, разумеется, необходимо придерживаться тех принципов науки, о которых мы говорили в первых лекциях. Поскольку ясно, что серьезная перестройка здания современной науки – дело многотрудное и ответственное, то и предпринимать его без очень серьезных на то причин не следует. Это и есть наилучшее обоснование «бритвы Оккама».

… А что касается раковых клеток, превратившихся в жгутиковые – то на самом деле животные клетки – создания нежные и легко погибают, когда в культуру при неаккуратном пересеве вносят каких-нибудь паразитов. Подобное часто случается, даже когда культуру выращивают в приспособленных лабораториях и переносят с одного субстрата на другой в специально оборудованных боксах. Вспомним еще раз Флеминга. Так что заросла культура какой-то дрянью, а раковые клетки погибли.

1.4. Резюме

Подведем итоги. Исследование всегда начинается с обнаружения пробела в научном описании природы: иногда находится совершенно новый объект, ино - гда новое поведение старого объекта. Как только такое событие происходит, ученый подыскивает возможное объяснение нового явления, стараясь по воз- можности сохранить существующие научные представления. Предположения, которые он при этом выдвигает, называются рабочей гипотезой, и далее ученый приступает к экспериментальной проверке этой гипотезы.

Принципы экспериментального исследования станут предметом рассмотрения в нашей следующей лекции.

(*)Пользуюсь случаем чтобы возразить на укоренившееся мнение, что открытие Флеминга было случайным. Культуры зарастали плесенью до него у сотен, если не тысяч, микробиологов, и все они видели ту же самую картину, что Флеминг. Но все они, едва взглянув, бросали чашку Петри в дезраствор, Флеминг же – единственный – внимательно посмотрел на нее и спросил: «А почему, собственно, вокруг плесени нет бактерий?» Что же здесь, спрашивается, случайного? Разве только рекомбинация ДНК, которая привела к появлению на свет Флеминга...