2.3 假说-演绎法在生物学研究中的应用
生物学作为自然科学的重要组成部分，它的研究程序和一般科学研究的程序没有本质的区别，生物学研究也遵循发现和提出问题、搜集科学事实、整理科学事实、提出科学假说、对科学假说和理论进行评价等基本原则。但是由于生物学研究对象的特殊性，决定了生物学研究方法的特殊性。如生物学研究在搜集科学事实的过程中可能更强调观察和描述方法以及实验方法的重要性；在概括科学事实时，可能更多地运用比较、分类、类比等方法；在当代生物学前沿领域，生物学在科学理论的形成和发展阶段可能更注重跨学科研究方法，如物理化学方法、数学方法、计算机方法、信息方法等。总之，生物学研究方法和一般科学研究方法是特殊与普遍的关系。
2.3.1 假说-演绎法的概念
和所有的自然科学一样，在生物学研究中，不存在一个一成不变的方法或研究工作程序而被研究者到处套用，但是有一些关键要素是相同的。这些要素是观察、提出问题、假说、预测和检验，这些正是“假说-演绎法”（hypothetic-deductivemethod）的组成。“假说-演绎法”是指在观察（observation）、实验和分析的基础上提出问题（question）以后，通过推理和想像提出解释问题的假说（hypothesis），由于假说本身无法被验证，需要根据假说进行演绎推理得到可被验证的预测（prediction），再通过实验检验（test）演绎推理的预测。如果实验结果与预测相符，就证明假说是正确的；反之，则说明假说是错误的，需要修改或重新提出假说，并进行再次验证。这是现代科学研究中常用的一种方法。
假说-演绎法的雏形可追溯到古希腊亚里士多德的归纳-演绎模式。按照这一模式，科学家应从要解释的现象中归纳出解释性原理，再从包含这些原理的前提中演绎出关于现象的陈述。17世纪中叶，笛卡儿在《哲学原理》一书中提出，理性从天赋观念即第一原理（物质和运动）演绎出关于自然的确实知识，他被认为是作为一般观念的假说-演绎法的倡导者。
假说-演绎法是科学认识从经验水平向理论水平上升所必需的工具，它肯定了理性和演绎在科学发现中的作用，强调了由假说演绎得出的结论须用实验来检验，这就确保了像所有科学一样，生命科学也具有自我修正的机制。这种科学发现逻辑的确立，反映了经验论与唯理论互相融合的趋向。对假说-演绎法争论最多的问题是假说的建立。归纳主义者强调最好的假说必须满足归纳法的要求，演绎主义和假说主义者则强调假说要靠创造性的猜想、直觉来建立。也有人不管假说最初的产生，只把假说-演绎法理解为一种科学解释的演绎模型。恩格斯曾经说过，只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说，充分说明假说在自然科学发展中的作用。
我们可以通过幽门螺杆菌是消化道溃疡病因的例子来理解这种方法。
2.3.2 假说-演绎法的一般流程
1979年4月，澳大利亚珀斯皇家医院的研究人员沃伦（J.Robin Warren，1937年）在一份胃黏膜活体标本中，意外地发现一条奇怪的蓝线，他用高倍显微镜观察，发现是无数细菌紧粘着胃上皮。接下来，沃伦又在其他活体标本中找到了这种细菌（发现现象）。为什么这种细菌总是出现在慢性胃炎标本中呢（提出问题）？沃伦意识到，这种细菌和慢性胃炎等疾病可能有密切关系（作出假设），如果真是这样，这种细菌应该也分布在更多的慢性胃炎、胃溃疡等疾病的标本中，它的存在是这些疾病发生的原因（演绎推理/预测）。随后，沃伦和马歇尔（Barry J.Marshall，1951年）开始进行实验，寻找支持他们预测的证据。果然，沃伦根据活组织切片检查结果发现50%左右病人的胃腔下半部分生长着这种细菌，几乎所有接受实验的病人都患有胃炎、十二指肠溃疡或胃溃疡，发炎部位总是位于接近十二指肠的地方。经过反复试验，他们于1982年利用弯曲菌的微氧培养方法成功地分离培育出幽门螺杆菌（图2－17）。马歇尔和一位医生莫里斯自愿进行人体试验，他们在服食培养的细菌后都得了胃炎，马歇尔很快就痊愈了，但莫里斯则花了好几年时间才治好。接下来，沃伦和马歇尔又用内窥镜对100例肠胃病病人进行研究，他们发现，所有十二指肠溃疡病人胃内都有这种细菌（验证假设，得出结论）。由于实验结果支持他们提出的预测，他们在权威医学期刊《柳叶刀》报道其成果，指出幽门螺杆菌是消化道溃疡的病因（图2－18），并因此获得了2005年的诺贝尔生理学或医学奖。目前，大夫已经可以通过抗体试验、内窥镜检查和呼气试验等诊断幽门螺杆菌感染。抗生素的治疗方法已被证明能够根治胃溃疡等疾病，马歇尔和沃伦的发现革命性地改变了世人对胃病的认识，大幅度提高了胃溃疡等患者获得彻底治愈的机会，为改善人类生活质量作出了贡献。
2.3.3 假说-演绎法在生物学研究中所涉及的具体研究方法
1.观察和描述方法
“观察”一词包括“观”与“察”两层含义，不仅仅是记录客观的现象，而且还要细察事物的现象与动向。观察是一种有意的知觉，也是一种“思维的知觉”，不是简单地进行“拍照”。观察能力是指全面、深入、正确地观察和认识事物的能力，表现在生物学科上就是要善于观察生物体和生命现象的细微变化和本质特征。在探索和改造自然界的一切实践中，都离不开观察，这就像人们走路要先看清道路一样。观察作为一种认识的重要方法，就是通过对事物和现象仔细地观看和认真地辨识，获得初步认识，为进一步的研究工作提供第一手资料，因此，观察是科学研究的基础，生物学离不开观察。世界着名的生理学家巴甫洛夫，在他的研究院门口的石碑上刻下了“观察、观察、再观察”的名句，以此来强调观察对于科学研究的重要性。达尔文也曾经说过：“我没有突出的理解力，也没有过人的机智，只是在觉察那些稍纵即逝的事物并对他们进行精细观察的能力上，我可能在众人之上。”可见，观察力是十分重要的。
相传春秋时代的名医扁鹊（约公元前409-公元前310年），通过“望”、“闻”、“问”、“切”等手段仔细观察，发现虢国的太子只是休克，而不是真正的死亡，通过针灸、热敷和灌汤药等方法急救，使其苏醒。16世纪比利时年轻医生维萨里（Andreas Vesalius，1514-1564年）通过对大量人体尸体的解剖观察，发现了被宗教神学称为绝对学术权威的古罗马医生盖伦（Claudius Galen，约129-216年）的许多错误，单就骨骼系统来说，他就指出了盖伦200多处错误，而盖伦仅仅通过对动物的解剖来推断人体的结构。1543年出版的《人体构造》汇集了维萨里对解剖学的研究成果，该书奠定了近代解剖学的基础，他也被后人称为“解剖学之父”，他与哥白尼齐名，是科学革命的两大代表人物之一。维萨里虽然年仅50岁，但他为真理而不迷信权威的奉献精神，以及所开创的研究人体的观察和解剖方法对后来的生物学发展起了巨大的启示作用。
在17世纪，近代自然科学发展的早期，生物学的研究方法同物理学研究方法大不相同。物理学的研究对象大都具有可测量的性质，比如时间、运动和质量等，它们都是可测量的物理量。物理学可以把数学应用于研究物理现象，发现这些量之间存在着的相互关系，并用演绎法推算出这些关系的后果。生物学的研究对象大多具有不可测量的性质，比如，人们无法对一个活体的内脏器官进行直接测量，因此首要的任务是将不同生物区别开来。生物学用描述的方法来记录这些性质，再用归纳法将这些不同性质的生物归并成不同的类群。早期的生物学仅仅是对生物的形态和结构作宏观描述，用比较精确的描述方法收集了大量动、植物分类学材料及形态学和解剖学的材料，为林奈提出新的生物命名系统奠定了基础。细胞的发现和“细胞是所有生物的基本结构”这一细胞学说的建立是观察和描述深入到显微领域所获得的成果。20世纪，虽然实验方法获得巨大发展，但单纯观察和描述的方法仍然是生物学的基本研究方法。生物体具有多层次复杂的形态结构，每一个历史时期都有形态描述的任务。细胞的形态和结构单凭肉眼无论如何是直接观察不到的，然而借助于显微镜，人们就可以对其进行观察了。1930年电子显微镜的诞生，使观察和描述深入到超微世界，更使得对病毒的观察和研究成为可能，人们通过电子显微镜看到了支原体和病毒，也看到了细胞器的超微结构。仪器对于观察方法具有革命性的提升作用，为人们不断地扩展观察的范围提供了可能，生物学的发展与仪器设备的进步是密不可分的。
在具体应用观察和描述这一方法时可能会发现，同样是观察一个事物，不同的人可能看到了不同的东西，犹如瞎子摸象，各自都认为自己是正确的，这就涉及观察的全面性问题。一般说来，对象越复杂，观察的片面性可能就越大。生物学研究的对象——生命，是自然界最复杂的现象，因此由观察生命的片面性而导致的错误也可能最多。如最初认为人有24对染色体，显微镜技术提高后才明确人有23对染色体。在生物学研究中，要做到观察的结论符合客观实际，需要注意以下几点：第一，制定观察的典型目标和观察计划，尽量形成文字计划；第二，坚持客观公正的立场，不能被个人好恶左右，同时要避免先人之见的干扰；第三，要善于利用各种科学仪器，科学仪器可以延长我们的感官，提高分辨率，排除某些由于感官和头脑造成的错觉，使观察客观化；第四，应看到事物的各个方面，坚持全面和系统的原则；第五，认真细致，不能浅尝辄止；第六，随时记录，尽量详细，只有这样才能全面展示研究对象的属性，才能让研究人员充分占有各种资料，从而保持信息的客观和精确。我国着名气象学家竺可祯（1890-1974年）在20世纪70年代初发表的《中国近五千年气候变迁的初步研究》中既有古籍史料，更有他长期观察气候、物候变化的相关数据。正是由于大量、详尽的数据，才使他的研究成果具有很强的说服力，赢得了科学界的广泛认同。达尔文五年如一日的认真观察，使他拥有了大量的素材，加之近二十年的思考和验证才完成了《物种起源》；孟德尔通过9年的豌豆杂交研究，提出了遗传定律；被达尔文誉为“举世无双的观察者”的法国昆虫学家法布尔（Jean Henri Casimir Fabra，1823-1915年）更是用了毕生的经历观察昆虫，对400多种昆虫的猎食、建巢、生育、抚养幼虫、搏斗等现象进行研究，写出了长达十卷的巨着《昆虫记》。这些科学家正是由于其认真细致的观察，才在各自的领域内获得了重大发现。
狗能听懂人类的语言吗？为什么鸟类要迁徙？鱼类会感觉到疼痛吗？在动物行为学中你会找到答案。动物行为学是一门科学客观地研究动物行为的学科，主要涉及动物对环境和其他生物的互动等问题，研究内容包括动物的沟通行为、情绪表达、社交行为、学习行为、繁殖行为等。由于动物行为学对动物学习和认知等方面的研究，以及与神经科学的相关性，它对心理学、教育学等学科产生了一定的影响。有关动物行为的研究，很多情况下依赖于观察和描述的方法，人们利用解剖学、生物学、分子生物学、神经生物学、神经科学、行为进化学、动物学、认知和感官知觉等学科的知识，观察并尝试去理解动物感觉、认知和行为。具有博物学倾向的动物学家倾向于在自然环境中通过观察和实验，分析行为的动因，探讨行为的适应功能，并力求推导行为的进化途径；而以生理学家和生理心理学家为代表的学者，如巴甫洛夫等，更注重实验室中的工作，他们在实验室里对狗、猫、大鼠等的学习行为进行研究，经典条件反射和操作式条件反射便是他们的着名贡献，现在可以利用动物行为实验站，对动物的各种行为进行全方面的分析研究。
观察不仅是发现问题、提出假说的重要途径，以观察为基础、通过归纳而产生的发现的科学本身就是人类认识生命的重要手段。科学发现是指在自然科学的研究中，找到前人尚未知晓的的客观存在，这里的客观存在是指某种现象、某种规律、某种错误、某种存在等。科学发现在生命科学研究中与假说-演绎的科学互相补充、交相辉映。
2.生物学实验
“实验”区别于“试验”。实验是科学研究的基本方法之一，根据科学研究目的，尽可能地排除外界的影响，突出主要因素并利用一些专门的仪器设备，人为地变革、控制或模拟研究对象，使某一些事物（或过程）发生或再现，从而去认识自然现象、自然性质、自然规律。通常实验要预设“实验目的”和“实验环境”，进行“实验操作”，最终以“实验报告”的形式发表“实验结果”。而“试验”指的是在未知事物，或别人已知而自己未知的时候，为了解未知事物的性能或者结果而进行的试探性操作。