طبيعة العلم

علم الأحياء هو علم، ولكن ما هو العلم بالضبط؟ ما الذي تشترك فيه دراسة علم الأحياء مع التخصصات العلمية الأخرى؟ يمكن تعريف العلم (science) (من اللاتينية scientia، وتعني "المعرفة") بأنه المعرفة حول العالم الطبيعي.

العلم طريقة محددة جدًا للتعلم، أو المعرفة، عن العالم. يوضح تاريخ الـ 500 عام الماضية أن العلم طريقة قوية جدًا لمعرفة العالم؛ وهو مسؤول إلى حد كبير عن الثورات التكنولوجية التي حدثت خلال هذه الفترة. ومع ذلك، هناك مجالات للمعرفة والخبرة البشرية لا يمكن تطبيق أساليب العلم عليها. تشمل هذه الأمور الإجابة على أسئلة أخلاقية بحتة، أو أسئلة جمالية، أو ما يمكن تصنيفه بشكل عام على أنه أسئلة روحية. لا يمكن للعلم التحقيق في هذه المجالات لأنها خارج نطاق الظواهر المادية، وهي ظواهر المادة والطاقة، ولا يمكن ملاحظتها وقياسها.

إن المنهج العلمي (scientific method) هو طريقة بحث ذات خطوات محددة تشمل التجارب والملاحظة الدقيقة. سيتم فحص خطوات المنهج العلمي بالتفصيل لاحقًا، ولكن أحد أهم جوانب هذه الطريقة هو اختبار الفرضيات. الفرضية (hypothesis) هي تفسير مقترح لحدث ما، يمكن اختباره. تُنتج الفرضيات، أو التفسيرات المؤقتة، بشكل عام ضمن سياق النظرية العلمية (scientific theory). النظرية العلمية المقبولة عمومًا هي تفسير تم اختباره وتأكيده بدقة لمجموعة من الملاحظات أو الظواهر. النظرية العلمية هي أساس المعرفة العلمية. بالإضافة إلى ذلك، في العديد من التخصصات العلمية (أقل في علم الأحياء) توجد القوانين العلمية (scientific laws)، التي غالبًا ما تُعبر عنها بصيغ رياضية، وتصف كيف ستتصرف عناصر الطبيعة تحت ظروف محددة معينة. لا يوجد تطور للفرضيات عبر النظريات إلى القوانين كما لو كانت تمثل زيادة في اليقين حول العالم. الفرضيات هي المادة اليومية التي يعمل بها العلماء، ويتم تطويرها ضمن سياق النظريات. القوانين هي أوصاف موجزة لأجزاء من العالم قابلة للوصف الصياغي أو الرياضي.

العلوم الطبيعية

ماذا تتوقع أن ترى في متحف للعلوم الطبيعية؟ ضفادع؟ نباتات؟ هياكل عظمية للديناصورات؟ معروضات حول كيفية عمل الدماغ؟ قبة فلكية؟ أحجار كريمة ومعادن؟ أو ربما كل ما سبق؟ يشمل العلم مجالات متنوعة مثل علم الفلك، علم الأحياء، علوم الحاسوب، الجيولوجيا، المنطق، الفيزياء، الكيمياء، والرياضيات (شكل 1.16). ومع ذلك، فإن مجالات العلم المتعلقة بالعالم المادي وظواهره وعملياته تُعتبر علومًا طبيعية (natural sciences). وبالتالي، قد يحتوي متحف للعلوم الطبيعية على أي من العناصر المذكورة أعلاه.

شكل 1.16 تشمل بعض مجالات العلم علم الفلك، علم الأحياء، علوم الحاسوب، الجيولوجيا، المنطق، الفيزياء، الكيمياء، والرياضيات. (المصدر: "محرر الصور"/Flickr)

لا يوجد اتفاق كامل عندما يتعلق الأمر بتحديد ما تشمله العلوم الطبيعية. بالنسبة لبعض الخبراء، العلوم الطبيعية هي علم الفلك، علم الأحياء، الكيمياء، علم الأرض، والفيزياء. يختار باحثون آخرون تقسيم العلوم الطبيعية إلى علوم الحياة (life sciences)، التي تدرس الكائنات الحية وتشمل علم الأحياء، والعلوم الفيزيائية (physical sciences)، التي تدرس المادة غير الحية وتشمل علم الفلك، الفيزياء، والكيمياء. بعض التخصصات مثل الفيزياء الحيوية والكيمياء الحيوية تقوم على علمين وهي متعددة التخصصات.

اختبار الفرضيات

يدرس علماء الأحياء العالم الحي بطرح أسئلة عنه والبحث عن إجابات قائمة على العلم. هذا النهج شائع في العلوم الأخرى أيضًا، وغالبًا ما يُشار إليه باسم المنهج العلمي. استُخدم المنهج العلمي حتى في العصور القديمة، ولكنه وُثق لأول مرة بواسطة السير فرانسيس بيكون (1561–1626) من إنجلترا (شكل 1.17)، الذي وضع أساليب استقرائية للبحث العلمي. لا يُستخدم المنهج العلمي حصريًا من قبل علماء الأحياء ولكن يمكن تطبيقه على أي شيء تقريبًا كطريقة منطقية لحل المشكلات.

شكل 1.17 يُنسب إلى السير فرانسيس بيكون الفضل في كونه أول من وثق المنهج العلمي.

تبدأ العملية العلمية عادةً بملاحظة (غالبًا ما تكون مشكلة يجب حلها) تؤدي إلى سؤال. دعونا نفكر في مشكلة بسيطة تبدأ بملاحظة ونطبق المنهج العلمي لحلها. في صباح يوم اثنين، يصل طالب إلى الفصل ويكتشف بسرعة أن الفصل دافئ جدًا. هذه ملاحظة تصف أيضًا مشكلة: الفصل دافئ جدًا. ثم يسأل الطالب سؤالًا: "لماذا الفصل دافئ جدًا؟"

تذكر أن الفرضية هي تفسير مقترح يمكن اختباره. لحل مشكلة ما، قد تُقترح عدة فرضيات. على سبيل المثال، قد تكون إحدى الفرضيات: "الفصل دافئ لأنه لم يقم أحد بتشغيل مكيف الهواء." ولكن قد تكون هناك إجابات أخرى للسؤال، وبالتالي قد تُقترح فرضيات أخرى. قد تكون الفرضية الثانية: "الفصل دافئ بسبب انقطاع التيار الكهربائي، وبالتالي فإن مكيف الهواء لا يعمل."

بمجرد اختيار الفرضية، يمكن وضع تنبؤ. التنبؤ يشبه الفرضية ولكنه عادة ما يكون بصيغة "إذا... فإن...". على سبيل المثال، قد يكون التنبؤ للفرضية الأولى: "إذا قام الطالب بتشغيل مكيف الهواء، فإن الفصل لن يكون دافئًا جدًا بعد الآن."

يجب أن تكون الفرضية قابلة للاختبار لضمان صحتها. على سبيل المثال، الفرضية التي تعتمد على ما يفكر فيه الدب ليست قابلة للاختبار، لأنه لا يمكن معرفة ما يفكر فيه الدب أبدًا. يجب أن تكون أيضًا قابلة للدحض (falsifiable)، مما يعني أنه يمكن دحضها بنتائج تجريبية. مثال على فرضية غير قابلة للدحض هو "لوحة بوتيتشيلي ولادة فينوس جميلة." لا توجد تجربة قد تظهر أن هذا البيان خاطئ. لاختبار فرضية، سيجري الباحث تجربة واحدة أو أكثر مصممة لإلغاء فرضية واحدة أو أكثر. هذا مهم. يمكن دحض الفرضية، أو إلغاؤها، ولكن لا يمكن إثباتها أبدًا. لا يتعامل العلم مع البراهين مثل الرياضيات. إذا فشلت تجربة في دحض فرضية، فإننا نجد دعمًا لذلك التفسير، ولكن هذا لا يعني أنه في المستقبل لن يتم العثور على تفسير أفضل، أو لن يتم العثور على تجربة مصممة بعناية أكبر لدحض الفرضية.

ستحتوي كل تجربة على متغير واحد أو أكثر وضابط واحد أو أكثر. المتغير (variable) هو أي جزء من التجربة يمكن أن يتغير أو يتبدل أثناء التجربة. الضابط (control) هو جزء من التجربة لا يتغير. ابحث عن المتغيرات والضوابط في المثال التالي. كمثال بسيط، قد تُجرى تجربة لاختبار فرضية أن الفوسفات يحد من نمو الطحالب في برك المياه العذبة. تُملأ سلسلة من البرك الاصطناعية بالماء ويُعالج نصفها بإضافة الفوسفات كل أسبوع، بينما يُعالج النصف الآخر بإضافة ملح معروف بأنه لا يُستخدم من قبل الطحالب. المتغير هنا هو الفوسفات (أو نقص الفوسفات)، والحالات التجريبية أو المعالجة هي البرك التي أُضيف إليها الفوسفات، والبرك الضابطة هي تلك التي أُضيف إليها شيء خامل، مثل الملح. مجرد إضافة شيء ما هو أيضًا ضابط ضد احتمال أن يكون لإضافة مادة إضافية إلى البركة تأثير. إذا أظهرت البرك المعالجة نموًا أقل للطحالب، فقد وجدنا دعمًا لفرضيتنا. إذا لم تفعل، فإننا نرفض فرضيتنا. كن على دراية بأن رفض فرضية واحدة لا يحدد ما إذا كان يمكن قبول الفرضيات الأخرى أم لا؛ بل إنه ببساطة يلغي فرضية واحدة غير صحيحة (شكل 1.18). باستخدام المنهج العلمي، تُرفض الفرضيات التي لا تتوافق مع البيانات التجريبية.

في السنوات الأخيرة، تطور نهج جديد لاختبار الفرضيات نتيجة للنمو الأسي للبيانات المودعة في قواعد بيانات مختلفة. باستخدام خوارزميات الحاسوب والتحليلات الإحصائية للبيانات في قواعد البيانات، يوفر مجال جديد يسمى "أبحاث البيانات" (يُشار إليه أيضًا باسم أبحاث "in silico") طرقًا جديدة لتحليل البيانات وتفسيرها. سيزيد هذا من الطلب على المتخصصين في كل من علم الأحياء وعلوم الحاسوب، مما يمثل فرصة وظيفية واعدة.

أسئلة الربط البصري

شكل 1.18 المنهج العلمي هو سلسلة من الخطوات المحددة التي تشمل التجارب والملاحظة الدقيقة. إذا لم تدعم البيانات فرضية ما، يمكن اقتراح فرضية جديدة.

في المثال أدناه، يُستخدم المنهج العلمي لحل مشكلة يومية. أي جزء في المثال أدناه هو الفرضية؟ وأي جزء هو التنبؤ؟ بناءً على نتائج التجربة، هل الفرضية مدعومة؟ إذا لم تكن مدعومة، اقترح بعض الفرضيات البديلة.

1. محمصة الخبز الخاصة بي لا تحمص خبزي.
2. لماذا لا تعمل محمصة الخبز الخاصة بي؟
3. هناك خطأ ما في المقبس الكهربائي.
4. إذا كان هناك خطأ ما في المقبس، فلن تعمل آلة صنع القهوة الخاصة بي أيضًا عند توصيلها به.
5. أقوم بتوصيل آلة صنع القهوة الخاصة بي بالمقبس.
6. آلة صنع القهوة الخاصة بي تعمل.

من الناحية العملية، ليس المنهج العلمي صارمًا ومنظمًا كما قد يبدو للوهلة الأولى. أحيانًا تؤدي التجربة إلى استنتاجات تفضل تغييرًا في النهج؛ وغالبًا ما تجلب التجربة أسئلة علمية جديدة تمامًا إلى اللغز. في كثير من الأحيان، لا يعمل العلم بطريقة خطية؛ بل يستخلص العلماء استنتاجات ويضعون تعميمات باستمرار، ويجدون أنماطًا مع تقدم أبحاثهم. التفكير العلمي أكثر تعقيدًا مما يوحي به المنهج العلمي وحده.

العلم الأساسي والعلم التطبيقي

لقد كان المجتمع العلمي يناقش على مدى العقود القليلة الماضية حول قيمة الأنواع المختلفة من العلم. هل من المفيد متابعة العلم لمجرد اكتساب المعرفة، أم أن المعرفة العلمية لا قيمة لها إلا إذا تمكنا من تطبيقها لحل مشكلة محددة أو تحسين حياتنا؟ يركز هذا السؤال على الاختلافات بين نوعين من العلم: العلم الأساسي والعلم التطبيقي.

العلم الأساسي (basic science) أو العلم "البحت" يسعى إلى توسيع المعرفة بغض النظر عن التطبيق قصير الأجل لتلك المعرفة. لا يركز على تطوير منتج أو خدمة ذات قيمة عامة أو تجارية فورية. الهدف المباشر للعلم الأساسي هو المعرفة من أجل المعرفة، على الرغم من أن هذا لا يعني أنه في النهاية قد لا يؤدي إلى تطبيق.

في المقابل، يهدف العلم التطبيقي (applied science) أو "التكنولوجيا" إلى استخدام العلم لحل مشاكل العالم الحقيقي، مما يجعل من الممكن، على سبيل المثال، تحسين غلة المحاصيل، أو إيجاد علاج لمرض معين، أو إنقاذ الحيوانات المهددة بكارثة طبيعية. في العلم التطبيقي، تُحدد المشكلة عادة للباحث.

قد يرى بعض الأفراد العلم التطبيقي على أنه "مفيد" والعلم الأساسي على أنه "عديم الفائدة". قد يطرح هؤلاء الأشخاص سؤالاً على عالم يدعو إلى اكتساب المعرفة: "لماذا؟" ومع ذلك، فإن نظرة متأنية إلى تاريخ العلم تكشف أن المعرفة الأساسية قد أسفرت عن العديد من التطبيقات الرائعة ذات القيمة الكبيرة. يعتقد العديد من العلماء أن الفهم الأساسي للعلم ضروري قبل تطوير أي تطبيق؛ ولذلك، يعتمد العلم التطبيقي على النتائج الناتجة عن العلم الأساسي. ويعتقد علماء آخرون أن الوقت قد حان للانتقال من العلم الأساسي وبدلاً من ذلك إيجاد حلول للمشاكل الفعلية. كلا النهجين صالحان. صحيح أن هناك مشاكل تتطلب اهتمامًا فوريًا؛ ومع ذلك، لن يُعثر على حلول كثيرة بدون مساعدة المعرفة الناتجة عن العلم الأساسي.

أحد الأمثلة على كيفية عمل العلم الأساسي والتطبيقي معًا لحل المشكلات العملية حدث بعد أن أدى اكتشاف بنية DNA إلى فهم الآليات الجزيئية التي تحكم تضاعف DNA. توجد خيوط DNA، الفريدة في كل إنسان، في خلايانا، حيث توفر التعليمات اللازمة للحياة. أثناء تضاعف DNA، تُصنع نسخ جديدة من DNA، قبل وقت قصير من انقسام الخلية لتكوين خلايا جديدة. مكّن فهم آليات تضاعف DNA العلماء من تطوير تقنيات مخبرية تُستخدم الآن لتحديد الأمراض الوراثية، وتحديد الأفراد الذين كانوا في مسرح الجريمة، وتحديد الأبوة. بدون العلم الأساسي، من غير المرجح أن يكون العلم التطبيقي موجودًا.

مثال آخر للصلة بين البحث الأساسي والتطبيقي هو مشروع الجينوم البشري، وهي دراسة تم فيها تحليل ورسم خرائط لكل صبغي بشري لتحديد التسلسل الدقيق للوحدات الفرعية لـ DNA والموقع الدقيق لكل جين. (الجين هو الوحدة الأساسية للوراثة ويمثله جزء محدد من DNA يشفر جزيئًا وظيفيًا.) كما دُرست كائنات حية أخرى كجزء من هذا المشروع لاكتساب فهم أفضل للصبغيات البشرية. اعتمد مشروع الجينوم البشري (شكل 1.19) على البحث الأساسي الذي أُجري على كائنات غير بشرية، ولاحقًا، على الجينوم البشري. أصبح الهدف النهائي المهم في نهاية المطاف هو استخدام البيانات للبحث التطبيقي الذي يسعى لإيجاد علاجات للأمراض المرتبطة وراثيًا.

شكل 1.19 كان مشروع الجينوم البشري جهدًا تعاونيًا استمر 13 عامًا بين باحثين يعملون في عدة مجالات علمية مختلفة. اكتمل المشروع في عام 2003. (المصدر: برامج الجينوم التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية)

بينما تُخطط جهود البحث في كل من العلم الأساسي والعلم التطبيقي بعناية عادةً، من المهم ملاحظة أن بعض الاكتشافات تُصنع بالصدفة، أي عن طريق حادث محظوظ أو مفاجأة سعيدة. اكتُشف البنسلين عندما ترك عالم الأحياء Alexander Fleming طبق بتري يحتوي على بكتيريا Staphylococcus مفتوحًا عن طريق الخطأ. نما عفن غير مرغوب فيه، مما أدى إلى قتل البكتيريا. تبين أن العفن هو Penicillium، واكتُشف مضاد حيوي جديد ذو أهمية حاسمة. بطريقة مماثلة، كان Percy Lavon Julian كيميائيًا طبيًا راسخًا يعمل على طريقة لإنتاج مركبات بكميات كبيرة لتصنيع أدوية مهمة. كان يركز على استخدام زيت فول الصويا في إنتاج البروجسترون (هرمون مهم في الدورة الشهرية والحمل)، ولكن لم يكتشف طريقته إلا عندما تسرب الماء عن طريق الخطأ إلى خزان كبير لتخزين زيت فول الصويا. فور تعرفه على المادة الناتجة على أنها stigmasterol، وهو مكون أساسي في البروجسترون والأدوية المماثلة، بدأ عملية تكرار وتصنيع العملية بطريقة ساعدت ملايين الأشخاص. حتى في عالم العلم المنظم للغاية، يمكن أن يؤدي الحظ - عندما يقترن بعقل ملاحظ وفضولي يركز على أنواع الاستدلال التي نوقشت أعلاه - إلى اكتشافات غير متوقعة.

الإبلاغ عن العمل العلمي

سواء كان البحث العلمي علمًا أساسيًا أو علمًا تطبيقيًا، يجب على العلماء مشاركة نتائجهم ليتمكن الباحثون الآخرون من التوسع والبناء على اكتشافاتهم. يعد التواصل والتعاون داخل التخصصات الفرعية للعلم وفيما بينها مفتاحًا لتقدم المعرفة في العلم. لهذا السبب، يعد نشر النتائج والتواصل مع الزملاء جانبًا مهمًا من عمل العالم. يمكن للعلماء مشاركة النتائج من خلال عرضها في اجتماع أو مؤتمر علمي، ولكن هذا النهج لا يمكن أن يصل إلا إلى القلة المحدودة الحاضرة. بدلاً من ذلك، يقدم معظم العلماء نتائجهم في مقالات محكّمة (peer-reviewed articles) تُنشر في المجلات العلمية. المقالات المحكّمة هي أوراق علمية يراجعها، عادةً بشكل مجهول، زملاء العالم أو أقرانه. هؤلاء الزملاء هم أفراد مؤهلون، غالبًا خبراء في نفس مجال البحث، ويحكمون على ما إذا كان عمل العالم مناسبًا للنشر أم لا. تساعد عملية مراجعة الأقران على ضمان أن البحث الموصوف في ورقة علمية أو مقترح منحة أصلي ومهم ومنطقي وشامل. تخضع مقترحات المنح، وهي طلبات لتمويل الأبحاث، أيضًا لمراجعة الأقران. ينشر العلماء أعمالهم حتى يتمكن العلماء الآخرون من إعادة إنتاج تجاربهم في ظروف مماثلة أو مختلفة للتوسع في النتائج.

هناك العديد من المجلات والصحافة الشعبية التي لا تستخدم نظام مراجعة الأقران. يتوفر الآن عدد كبير من المجلات الإلكترونية مفتوحة الوصول، وهي مجلات تتوفر مقالاتها بدون تكلفة، ويستخدم العديد منها أنظمة صارمة لمراجعة الأقران، ولكن بعضها لا يفعل ذلك. نتائج أي دراسات تُنشر في هذه المنتديات بدون مراجعة الأقران ليست موثوقة ولا ينبغي أن تشكل أساسًا لأي عمل علمي آخر. في استثناء واحد، قد تسمح المجلات للباحث بالاستشهاد باتصال شخصي من باحث آخر حول نتائج غير منشورة بإذن المؤلف المقتبس.