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實驗有做,假說就能被驗證嗎?太天真了!——《「科學的思考」九堂課》

PanSci_96
・2019/02/14 ・1944字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 492 ・五年級

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什麼樣的實驗和觀察能夠驗證假說?

當我們面對一個假說時,不能沒頭沒腦地做實驗和觀察。有些實驗和觀察可以恰當地驗證假說,但也有些實驗和觀察與假說的驗證關係不太大。

為了讓大家容易瞭解,我們來玩個遊戲。遊戲是這樣的:

我想好了一條排列三個自然數的規則,請你們來猜猜這條規則。

玩的時候,請隨便說出三個自然數,然後我來看看是否符合我的規則。符合的話我就說對,不符合的話我會說不對。透過這樣的問答,你們要猜對我心裡所想的排列規則。

【圖 5-1】來試著驗證看看假說吧!圖/游擊文化提供

 

先給大家一個提示:「2、4、6」符合我心裡想的排列規則。接下來,為了猜出我的規則,你們會提什麼問題呢?我想大概會像下面這樣:

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——1、2、3 呢?

——對,「1、2、3」符合我想的排列規則。怎麼樣?猜出規則了嗎?

——規則是不是第一個數和第二個數加起來等於第三個數?

——這樣啊。如果要確認這個規則對不對,要拿什麼其他數列來問我?

——1、3、4。

——對,它們符合。

——那 1、4、5 呢?

——對。從這幾回問答可以準確猜出我的規則了嗎?

——嗯,不能說完全確定,但規則應該是第三個數等於第一個數加上第二個數吧?

……很可惜,照這樣下去,花幾個小時都沒辦法猜出我的規則。上面的例子都符合我心裡想的那個規則。不過,你們猜的規則並不是正確答案。為了不吊大家胃口,先公布正確答案。我想的規則是「三個不一樣的數」。我好像聽到有人在說「這什麼跟什麼嘛」!

只舉「正面例證」是猜不到的!

為什麼照剛才的方式一直問下去會得不到答案呢?提問的人聽到提示說「2、4、6」是對的,會想到 2 加 4 等於 6,而提出第一個數加第二個數等於第三個數的假說。所以後來才會一直舉像是「1、2、3」、「1、3、4」、「1、4、5」的例子。

這些例子全都符合自己提出的假說,它們稱為「正面例證」。但是只舉正面例證來問我,是無法猜到規則的。一定要舉不是正面例證的例子來問才行。

比方如果問「1、3、5」,我也會說「對」,因為這符合「三個不一樣的數」的規則。但因為 1 加 3 不等於 5,所以這個例子就反駁了提問者一開始提出的假說。

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再來,提問者提出「規則應該是第一、第二、第三個數由小排到大」的新假說。要確認新假說對不對也是一樣,不能只提符合新假說的例子來問我。一定要提像「2、7、5」這種與假說不合的例子來試試看。不這樣的話,一定找不到正確答案。不符合假說的例子稱為「反面例證」。

很多人在玩這個遊戲時,會一直舉符合自己假說的例子。這說明了我們心中潛藏的一個重要傾向,稱為「確認偏誤」。

當我們想確認「應該是這樣吧」的時候,都只是找符合的例子。

當我們想確認「應該是這樣吧」的時候,都只是找符合的例子。圖/pixabay

比方有個「O 型的人穩重」的假說。當要確認這假說對不對時,找的都是穩重的 O 型的人,結果就深信血型與性格的確有關。我們必須去找血型 O 型但不穩重的人,或者去找穩重但血型不是 O 型的人。

關鍵有效的例證:驗證條件與否證條件

以上的遊戲猜的是我腦袋裡的規則。如果把我的腦袋換成自然界,那麼腦袋裡的規則就是自然定律,而提問的人就好比是找尋自然定律的科學家。科學家為了猜測自然定律,提出種種假說,而剛才遊戲裡的問答,就像是科學家從事的實驗。如果實驗只是去找符合假說的事例,就無法得知針對自然界定律的假說究竟是否正確(見圖 5-1)。

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因此,如果要調查假說是不是正確,必須同時調查符合假說的例子,以及不符合假說的例子。它們分別稱為「驗證條件」和「否證條件」。

【小摘要】

.驗證條件:進行什麼樣的實驗和觀察到什麼樣的現象,可以知道假說正確的可能性增加了。

.否證條件:進行什麼樣的實驗和觀察到什麼樣的現象,可以知道假說是錯誤的。

提出假說之後首先必須做的事,是明確指出驗證條件和否證條件。用剛才的遊戲來說,如果你們提出的假說是「這三個數是偶數」,而問我「6、8、10」或「6、2、4」這些正面例證,那就是驗證條件。反過來說,如果問我「4、7、6」或「3、5、8」這些與假說不符的反面例證,就算是否證條件。

本文摘自《「科學的思考」九堂課》游擊文化, 2017 年 10 月出版。

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凡事都想知道「為什麼」,是踏入科學探究的第一步——《教出科學探究力》
親子天下_96
・2022/08/14 ・2566字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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在某個燠熱難耐的夏日午後,你打開電風扇,卻發現吹出來的風好像比印象中來得小。你眉頭一皺,覺得案情並不單純。就在走近電風扇的那幾步裡,好幾種可能性閃過心頭:

「會不會是按錯按鈕了?」、「會不會是扇葉太髒了?」、「會不會是轉軸黏住了?」、「會不會是⋯⋯?」這些猜想背後,都是根據你對電風扇原理的一些些認識才會做出的假設。

當你打開電風扇卻發現吹出來的風好像比印象中來得小,心中會冒出許多假設。圖/Pexels

在提出疑問和假設之後,尋找問題的答案

靠近電扇之後,你看到按鈕確實是按下了「強」。接著你切斷風扇電源,看了看扇葉,發現確實有點髒,於是把電風扇拆洗後裝回去,再按下按鈕。結果風吹起來,就如同你印象中的那麼涼了。這證實了你的第二個猜想,並且解決你所關心的問題。

上述這樣的過程,其實就是「察覺差異,提出問題」、「根據理論,連結現象」、「提出假設,進行驗證」、「預測結果」等等的探究過程。

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再舉個例子。

我有一天走在馬路上,看到白色分隔標線的一端閃著黃色的光。我心想:「難道馬路地上埋了一顆黃色的燈?是要作為交通警示用途嗎?」

我覺得奇怪,記得前幾天沒看到這裡有燈。接著我把視野放大,往左往右看了看周圍。發現有一台車停在遠處,車頭開啟方向燈,燈是黃色的,而且還在閃爍。然後我馬上注意到,兩者閃爍的頻率是相同的。

於是我有了新的猜想:「地上的神祕閃光,非常可能來自於汽車閃爍的方向燈的反光。」

但是柏油路面怎麼會反光呢?

仔細一看,地上似乎有一小灘水。汽車的方向燈發出來的光,剛好通過那一小灘水的反光進到我眼睛,讓我覺得地面在發光。接著馬上一台車經過,就擋在方向燈和積水的中間。我看到的亮光馬上消失,證實我的第二個猜想是正確的。

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你可能會猜想:「地上的閃光,可能來自於汽車方向燈的反光。」但是柏油路面怎麼會反光呢?圖/Pexels

「哪裡怪怪的」這個念頭,會帶領我們尋找答案

像這樣的心智活動,在我們的生活中無時無刻都在進行著。只要我們發現「哪裡怪怪的」,腦袋幾乎就會立刻啟動探究的機制:

  • 廚房怎麼那麼多螞蟻?(察覺問題)
  • 是不是有食物殘渣沒有清理乾淨?(根據理論提出假設)
  • 仔細觀察一下,發現⋯⋯(得到結論)

既然這些能力是我們原本就自然會的,那又為什麼要學呢?因為我們雖然很習慣對於意料之外的事情展開探索,但是以直覺來進行思考及解決問題的方式,往往並不太科學。

抓住內心的每次疑惑,成為具有好奇心和探究心的人吧!圖/Pixabay

古人說的「地牛翻身」,其實也是一種探究的精神

古人在觀察自然現象的時候,會提出自己的解釋。例如面對地震的時候,台灣民俗的說法是「地牛翻身」,日本民俗的說法則是「棲息在地底的大鯰魚搖動身體」;至於日食在中國的傳說中是「天上的狗把太陽吃掉了」。

於是後人也會根據這些「理論」來規劃解決問題的方法。例如,綠島人認為地牛不只一隻,還會彼此打架,所以地震時要敲打金屬臉盆來分開牠們;同樣的,古時候的中國人看到日食,也會敲鑼打鼓、放鞭炮來趕走天狗。

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有趣的是,根據這些「理論」採取的「實驗」,還真的每一次都會成功喔!一代又一代的人反覆進行著下圖這樣的實驗,所以千年來人們始終對這些「理論」深信不疑。

如果你是一位受過基礎科學教育的公民,這時候可能就會提出質疑,認為這樣的實驗並沒有對照組。

例如下一次出現日食的時候,如果不要敲鑼、打鼓、放鞭炮,日食是不是也會結束?如果不這麼做,日食仍然會結束的話,那麼用敲鑼打鼓的方式趕走天狗的假說就會受到挑戰了。

當然,在一個深信天狗傳說的社會中,沒有人會膽敢拒絕敲鑼打鼓,不然萬一太陽真的就被吃掉而永遠消失了,這責任誰負擔得起?用這個角度來看會發現,有時候要突破傳統,其實是一件非常困難的事情。

恐懼源自於未知:想消除恐懼,需要探究未知

人對於未解的現象,往往會用隨意的想像與歸因來尋求解釋,用很直覺的方式來建立對自然現象的理解,也是人類天生的習慣。

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直到距今兩千六百多年前,古希臘哲學家泰利斯才撥開直覺的迷霧,主張應該拒絕再用人格化的神祇來解釋自然現象,而是要藉由理性的假說來理解和解釋自然現象。但即使西方在兩千六百多年前已經出現這樣的思想,但近代科學真正臻至蓬勃發展,還是近半個世紀內的事情。

正由於科學的研究和思考方法並不直覺、並不符合人類的天生習慣,所以必須透過後天的教育與訓練,才能慢慢熟練並妥善運用在生活之中。

雖然探究是我們的天性,但是具有科學素養的探究卻不是天性,無法一蹴可幾。就像科學家需要訓練有素的探究技術,才能做好自己的研究。

一般公民也需要具備科學探究的素養,來幫助自己在面對生活中諸多不熟悉的現象時,能運用一套思考和研究的方式來做判斷,特別是幫助我們更加注意到生活中不尋常的現象,能對許多直覺、缺乏事實支持的歸因有更高的警覺。

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正因為我們的生活離不開探究,所以更應該透過學習來提升探究品質。這正是國民教育自然課程中所應教會每個公民的事情。

——本文摘自《教出科學探究力》,2021 年 8 月,親子天下 ,未經同意請勿轉載。

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親子天下_96
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真的有吃不胖的體質?找出傳說中的「瘦子基因」
nerdy_96
・2020/10/13 ・2767字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 586 ・九年級

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  • 文/nerdy|半吊子的科學狂熱者,投稿是種消遣。

我們週遭是否都有這麼一位怎麼吃都吃不胖的朋友,每當你問他為什麼吃不胖,他總會一臉無奈的說:

「我也不想啊~」

「這不是我能控制的啊~」

有些人不管怎麼吃,就是不會變胖!(圖 /Giphy

這時請先壓抑你內心油然而生的怒火,因為最近的研究發現,吃不胖的體質確實與特定基因有關,傳說中的「瘦子基因」真的存在!

曾經的致癌因子,展露出不為人知的一面

近年來,不少研究指出,我們的體重與遺傳變異有關,但這些研究大多針對「肥胖」有關的特定基因。

其中,少數針對「纖瘦」體型的研究,卻又常常缺少與人類基因直接相關的證據。1

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最近,藉由「全基因組關聯分析」(GWASs)、果蠅與小鼠的實驗,英屬哥倫比亞大學的研究團隊證實人體存在一種「瘦子基因變異」,這項研究成果已被刊登在國際期刊 Cell  。

一窺藏在瘦子體內的秘密吧!(圖/Pixabay

首先,研究人員對 BMI 值極低(<18 kg/m2 )的人及 BMI 值位於 30 ~ 50 百分位數的控制組進行全基因組關聯分析後,發現有數種基因都與纖瘦體型有關,其中一種基因稱作「Anaplastic Lymphoma Kinase(ALK)」。

由於 ALK 基因容易突變引發癌症,過往都只被視為一個重要的致癌因子,因此,我們對於 ALK 基因在生理學上所扮演的角色仍是一知半解,在這次全基因組關聯分析後,研究團隊將 ALK 基因列為瘦子基因的「候選人」。

其次,在決定基因優先次序(Prioritization)的實驗中,研究人員發現,當他們降低果蠅體內 ALK 基因的功能後,果蠅的三酸甘油脂明顯下降

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研究人員更進一步整合其他資料庫進行分析,篩選出與纖瘦體型、BMI、脂質及葡萄糖平衡等新陳代謝特性有關的遺傳變異,然後發現,這個遺傳變異就是出自於 ALK 基因。

開始老鼠們的「減肥」實驗!

只做果蠅的實驗還不夠!接下來,研究人員將剔除(Knockout)掉 ALK 基因的實驗組(Alk-/-鼠)與控制組(Alk+/+鼠)相互比較。

在身心理狀態及其他外在條件都相同的情況下,研究人員發現:

  1. 五個禮拜後,實驗組鼠的體重明顯比較輕(圖一)
圖一:實驗組鼠(Alk-/-鼠)與控制組(Alk+/+鼠)的重量比較圖。
  1. MRI 的檢測結果也顯示,實驗鼠脂肪細胞註1的質量、體積明顯都比控制組還要少(圖二、圖三)
圖二:實驗組鼠(Alk-/-鼠)與控制組(Alk+/+鼠)的脂肪細胞質量比較圖(epWAT及scWAT皆為脂肪細胞)。
圖三:實驗組鼠(Alk-/-)與控制組鼠(Alk+/+)的脂肪組織染色切片,由圖可見實驗組鼠的脂肪細胞體積較小。
  1. 實驗組鼠的血糖濃度比較低
  2. 處於人類熱中性溫度(thermalneutrality)註2時,比起控制組,實驗組鼠增加比較少的重量

而且,兩者的食量、腸道吸收狀況及日常活動量都沒什麼差別。

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這些在具有 ALK 基因變異的實驗鼠身上所觀察到的表現都與人類基因組分析所得到的結果一致。

為了確認實驗組鼠(Alk-/-)是否真的比較吃不胖,研究人員讓他們進行了一場為期 16 周的「垃圾食物挑戰」。

令人驚訝的是,在這個既幸福又折磨的挑戰過後,從外觀、體重、脂肪細胞質量及體積來比較,結果都顯示剔除 ALK 基因的實驗組鼠真的比較吃不胖!

圖四:在吃了 16 周的高熱量食物後,無論是在體重或是外觀上都顯示出實驗組鼠(Alk-/-)比較吃不胖

吃不胖的關鍵?就在「中樞神經系統」

為什麼缺少ALK基因的老鼠比較吃不胖呢?

研究人員在老鼠進行 16 周垃圾食物挑戰後,測量出實驗組與控制組的餵食效率(單位熱量的增重量,mg/kcal)及能量消耗(單位時間的熱量消耗,kcal/h)後,結果顯示,實驗組鼠具有較低的餵食效率及較高的能量消耗。

研究人員透過實驗進一步發現, ALK 基因的 mRNA 大量存在於小腦、皮質及下視丘等中樞神經系統,也就是說, 這個基因在中樞神經系統有著高度的表現,實驗數據也顯示 ALK 基因對於中樞神經的作用確實會影響體重。

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十~六~個~禮~拜~的~天~堂~啊~(圖/Giphy

那 ALK 基因又是如何影響體重呢?

研究人員發現,實驗組鼠的脂肪細胞中含有高濃度的去甲基腎上腺素(Norepinephrine ,NE)。

去甲基腎上腺素是一種由交感神經終末釋放的神經傳遞物,會促使脂肪組織分解,而在其他臨床研究中,那些纖瘦受試者的脂肪細胞中也同樣發現高濃度的去甲基腎上腺素。

最後,研究人員也藉由實驗證實 ALK 基因於下視丘室旁核(paraventricular nucleus,PVN)神經元的表現會減緩交感神經張力(sympathetic tone)及脂肪分解。

發現了瘦子基因,然後呢?

研究人員表示,有了這個新發現,抑制 ALK 基因將為肥胖治療帶來一道曙光,而由於用以治療癌症的 ALK 標靶藥物早已問世,代表ALK 基因可適用於標靶治療。

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一吞就能夠瘦身的未來,是不是真的不遠了呢?(圖/Pixabay

「也許未來的某一天,我們真的能開發出所謂的瘦身藥丸呢 !」研究人員 Josef Penninger 這樣說道。2  

然而,面對充滿無限可能的將來,大家也不要太心存僥倖了!畢竟,體型胖瘦不單單只受基因調控影響,也與環境、生活、飲食習慣息息相關。

也許你會覺得老生常談,但無論是現在還是未來,「均衡的飲食、規律的運動」永遠都是維持健康體態的不二法門!

備註

註1:此處指白色脂肪組織(White Adipose Tissue,WAT)

註2:熱中性溫度(thermalneutrality),約30°C,動物在此環境溫度範圍具有最低代謝率,且不受環境溫度變化所影響。

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參考資料

  1. Orthofer et al., (2020). Identification of ALK in Thinness. Cell181(6), 1246–1262.e22. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.04.034
  2. Scientific American Podcast〈Skinny Genes Tell Fat to Burn〉
  • 責任編輯/儀珈

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我們與「真」的距離──疫情之中該如何看待相關的學術研究成果
科學月刊_96
・2020/06/23 ・2654字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 621 ・十年級

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  • 林翰佐/銘傳大學生物科技學系副教授,科學月刊總編輯。

在科學研究中,知識分為假說、學說及定理等名詞,不同的名詞代表知識的不同位階。在科學家找出事物的真理前,知識需要不斷地驗證、推翻及更新。而在近日的疫情下,生命科學的研究成果仍具有許多不確定性,而學界、當權者及民眾之間的資訊傳遞,有賴於良好的溝通與宣達,社會大眾仍不妨以持平的心態看待相關的研究,藉由時間的驗證與不斷思考釐清相關的真實性。

新冠病毒的相關研究備受矚目。圖/pexels

新冠病毒疫情全球肆虐是當今社會上最為關注的重要議題,連帶周邊相關的科學研究議題也成為大眾關切的焦點。在各種媒體及討論平台上,諸如戴口罩的防疫效果、病毒的起源、需不需要進行普篩、各種消毒水的使用方法及效果等,每每引起大眾熱烈的討論。

但是,越是鑽研這些學術發表,越發覺得這些文獻往往無法給出爽快的答案,大多數呈現模稜兩可的結果,有時候不同團隊的研究結論根本南轅北轍,讓人莫衷一是。科學研究為何如此的不確定?人們該以什麼樣的角度來看待科學研究所呈現出來的結果?藉由目前社會大眾的「科學心」大爆發,一起來談論此議題。

假說、學說、定律:知識可信賴的層級之分

讀者應該都聽說過假說(hypothesis)、學說(theory)及定律(law)等科學相關名詞,如牛頓運動定律與生物學中的內共生學說(endosymbiotic theory)等。這些名詞上的使用並不是學術界人士的故弄玄虛,而是一種知識的區別,如同部隊中的階級,標示出不同知識內容的穩固性。

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舉例來說,假說是科學知識當中最為低階且最容易被新證據挑戰及顛覆。假說等級的知識,大部分建立在科學家基於目前知識的理解,對於當前面臨的議題及現象提出的一種解釋與說法。有時這類的解釋只是一種說明,並沒有更進一步的實證試驗加以驗證。定律則是所有科學知識當中最為堅實的,一項被冠以定律的科學知識,意味著該知識在絕大多數的科學實驗中能一再地被證明無誤,且大多數的專家均認同此說法。

熟悉專利申請的讀者可能對永動機(perpetual motion machine)有鮮明的概念,某些人士宣稱永動機在不需要外界能量輸入下可以不斷運動並對外做功,此機械一直是人類熱衷研製,也是發明界的「聖杯」。然而,永動機的概念顯然與目前的熱力學定律相牴觸,所以宣稱具備永動機要件的發明專利申請並不會被世界大多數國家所受理,臺灣也包括其中。

儘管永動機顯然不符合既有的科學定律,仍激發不少人浪漫的想像。圖/wikipedia

科學定律當然也並非真理,當有新的科學證據出現時,同樣也可以對既有的科學定律進行挑戰,不過這也意味著新的論點也必須接受一再的實踐證明。基於定律等級的知識幾乎普世科學家都接受,想要推翻需有相當程度的證據力。

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談到這裡讀者會發現,目前人類所累積的知識,其實並非像是由某位不世出的天才所發現,再廣為大家所接受。事實上,即便是目前各界已廣為認同的科學知識,在提出的當下均需要相當程度的捍衛,甚至會有被指涉成為異端的可能,例如義大利科學家伽利略(Galileo Galilei)等人的遭遇。

民眾對知識的理解是緩慢的,大家對於根深蒂固的想法往往難以更動,加上很多科學知識的理解均超越「眼見為憑」的傳統認知經驗,需要靠精確的辯證,甚至於實驗室工作及數學公式的推導與計算中驗證,對於一般大眾而言均是理解上的障礙。

生命總有例外,生命科學難有定律

敏感的讀者會發現,在生命科學界,似乎不同於物理化學的物質科學有許多的定律。生命科學中的知識大都停留在學說等級,這意味著學界對於某種生命科學現象的解釋,不像物理學家解釋物理現象時來的堅若磐石。

筆者認為造成此現象的原因很多,而生命體的運作相較於物理學更為複雜,加上「生命中會找到出路」,挑戰大眾對多數生命體研究歸納後所得到的知識,以致透過分析與論證的說法總有一些漏網之魚的例外,進而降低這些學說在涵蓋面向的完美性。在生命科學之中,找到「萬物服膺之準繩」是有難度的。

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研究文獻多需專家判讀與討論

回到本文嘗試討論的焦點,基於生命科學中有相當的複雜及不確定性,所以一項知識的確定需要更長的時間,更多的研究加以證明或否定,例如人類大腦中在成年以後到底有沒有幹細胞的問題,不同專家之間就會有相當的歧見。

科學實驗看起來是一個較為客觀的解決方法,但事實上生命科學的實驗,中間涉及的細部環節很多,例如進行動物試驗時選用哪種品系的小鼠,要使用多大年齡、性別的小鼠,飼養方式所使用的飼料等,均可能使研究成果相左,這些研究結果的判讀往往需要受過訓練,從事相關領域的專家進行文獻的閱讀與討論進行推斷。即便是專家,但如果不是在該領域中浸淫許久的研究者,往往也無法從中得到研究中透漏的真實訊息。

防疫視同作戰,將帥無能會累死三軍

藉由個國家全體人民的相互理解與配合,才能達到防疫的目的。圖/pixnio

「防疫視同作戰」雖說是一句口號,但筆者認為話語中其實相當具有深意。帶兵打仗需要群體一致的認知與行動,所以對內資訊的傳遞,有效的溝通其實相當的重要。臺灣此次疫病防治的成效,絕大部分的成功在於一般民眾能夠接受並執行相關的防疫措施,這點在自由度甚高的歐美地區,要在一定的時間內透過居民的理解而後配合,就有較高的難度。

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「兵無常勢,水無常形。」面對新型疫病,有相當的不確定性,因此在相當的時間壓力下,要如何消化有限的資訊辨別期間的意涵,有賴政府邀集相關領域的專家進行討論形成決策執行。決策的訂定其實涉及的層面很廣,除了科學面向之外,也須顧慮到民眾的心理及經濟層面等面向,需要考量的範圍需要更為寬廣與周全。

新冠肺炎諸多科研發表,有待時間沉澱考驗其真實性

大眾對疫情及相關科學研究的關注,長遠來看是相當好的事情。從這次疫情當中,很明顯的可以看出一個國家的國民對科學知識的理解程度,是對抗疫情蔓延的重要關鍵之一。但對於相關科學研究進展的新聞,筆者認為仍需持平以待,人們正處於新冠肺炎疫病研究的學術前沿,風暴的中心點,即便是學術研究仍是虛虛實實,真實性究竟如何有待時間的沉澱與考驗。

延伸閱讀

  • 林翰佐,〈大腦神經再生陷論戰-狼煙再起〉,《科學月刊》第591期,14~15頁,2019年。

〈本文選自《科學月刊》2020年6月號〉
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