Реферат по истории и философии науки История экспериментального метода в экологии Москва 2011 2 Оглавление Введение…………………………………………………………………….……..3 Возникновение экспериментального метода. Галилео Галилей………………………………………………………………………...…..5 Исаак Ньютон……………………………………………………………….…….7 Опыт Роберта Бойля……………………………………………………………..9 Опыты Абраама Трамбле с гидрой………………….………………………..21 Эксперимент в экологии……………………………………………………...…24 Виды экспериментов………………………………………………….……….27. Заключение……………………………………………………………………..34 Список литературы……………………………………………………………..36 Введение 3 Эксперимент (от лат. experimentum — проба, опыт) в научном методе — метод исследования некоторого явления в управляемых условиях. Отличается от наблюдения активным взаимодействием с изучаемым объектом. Обычно эксперимент проводится в рамках научного исследования и служит для проверки гипотезы, установления причинных связей между феноменами. Эксперимент является краеугольным камнем эмпирического подхода к знанию. Критерий Поппера выдвигает возможность постановки эксперимента в качестве главного отличия научной теории от псевдонаучной. Безупречный эксперимент Безупречный эксперимент — невоплотимая на практике модель эксперимента, используемая психологами-экспериментаторами в качестве эталона. В экспериментальную психологию данный термин ввёл Роберт Готтсданкер, автор известной книги «Основы психологического эксперимента», считавший, что использование подобного образца для сравнения приведёт к более эффективному совершенствованию экспериментальных методик и выявлению возможных ошибок в планировании и проведении психологического эксперимента. Критерии безупречного эксперимента Безупречный эксперимент, по Готтсданкеру [Готтсданкер, 1982], должен удовлетворять трём критериям: 1) Идеальный эксперимент (изменяются только независимая и зависимая переменные, отсутствует влияние на неё внешних, или дополнительных, переменных) 2) Бесконечный эксперимент (эксперимент должен продолжаться бесконечно, так как всегда остаётся возможность проявления ранее неизвестного фактора) 3) Эксперимент полного соответствия (экспериментальная ситуация должна быть полностью тождественна тому, как бы она происходила «в действительности») Экспериментальные методы экологии включают в себя варьирование различных факторов, влияющих на организмы, по выработанной программе в стационарных лабораторных условиях. Экология, как было отмечено, имеет свою специфику: объектом её исследования служат не единичные особи, а группы особей, популяции (в целом или частично) и их сообщества, т.е. биологические макросистемы. Многообразие связей, формирующихся на уровне биологических макросистем, обусловливает разнообразие методов экологических исследований. 4 Для эколога первостепенное значение имеют полевые исследования, т.е. изучение популяций видов и их сообществ в естественной обстановке, непосредственно в природе. При этом обычно используются методы физиологии, биохимии, анатомии, систематики и других биологических, да и не только биологических наук. Наиболее тесно экологические исследования связаны с физиологическими. Однако между ними имеется принципиальная разница. Физиология изучает функции организма и процессы, протекающие в нём, а также влияние на эти процессы различных факторов. Экология же, используя физиологические методы, рассматривает реакции организма как единого целого на констелляцию внешних факторов, т.е. на совместное воздействие этих факторов при строгом учёте сезонной цикличности жизнедеятельности организма и внутрипопуляционной разнородности. Полевые методы позволяют установить результат влияния на организм или популяцию определённого комплекса факторов, выяснить общую картину развития и жизнедеятельности вида в конкретных условиях. Однако наблюдения не могут дать вполне точного ответа, например, на вопрос, какой же из факторов среды определяет характер жизнедеятельности особи, вида, популяции или сообщества. На этот вопрос можно ответить только с помощью эксперимента, задачей которого является выяснение причин наблюдаемых в природе отношений. В связи с этим экологический эксперимент, как правило, носит аналитический характер. Экспериментальные методы позволяют проанализировать влияние на развитие организма отдельных факторов в искусственно созданных условиях и таким образом изучить всё разнообразие экологических механизмов, обусловливающих его нормальную жизнедеятельность. На основе результатов аналитического эксперимента можно организовать новые полевые наблюдения или лабораторные эксперименты. Выводы, полученные в лабораторном эксперименте, требуют обязательной проверки в природе. Это даёт возможность глубже понять естественные экологические отношения популяций и сообществ. Эксперимент в природе отличается от наблюдения тем, что организмы искусственно ставятся в условия, при которых можно строго дозировать тот или иной фактор и точнее, чем при наблюдении, оценить его влияние. Эксперимент может носить и самостоятельный характер. Например, результаты изучения экологических связей насекомых дают возможность установить факторы, влияющие на скорость развития, плодовитость, выживаемость ряда вредителей (температура, влажность, пища). В экологическом эксперименте трудно воспроизвести весь комплекс природных условий, но изучить влияние отдельных факторов на вид, популяцию или сообщество вполне возможно. 5 Примером экологических экспериментов широких масштабов могут служить исследования, проводимые при создании лесозащитных полос, при мелиоративных и различных сельскохозяйственных работах. Знание при этом конкретных экологических особенностей многих растений, животных и микроорганизмов позволяет управлять деятельностью тех или иных вредных или полезных организмов. В современных условиях экологические исследования играют существенную роль в решении ряда теоретических и практических задач. Динамика численности организмов, сезонное развитие, расселение и акклиматизация полезных и вредных видов, прогнозы размножения и распространения – вот основные в настоящее время экологические проблемы. Разработка их требует рационального сочетания полевых, лабораторных и экспериментальных исследований, которые должны взаимно дополнять и контролировать друг друга. Возникновение экспериментального метода Галилео Галилей Галилео Галилей (1564-1642) – итальянский ученый, один из основателей экспериментального естествознания. [Назаров, 2007] Еще в детские годы Галилей увлекался конструированием механических игрушек, мастерил действующие модели машин, мельниц и кораблей. Как рассказывал впоследствии один из его учеников, Галилей еще в юности отличался редкой наблюдательностью, благодаря которой сделал свое первое важное открытие: наблюдая качания люстры в Пизанском соборе, установил закон изохронности колебаний маятника (независимость периода колебаний от величины отклонения). Умение наблюдать и делать выводы из увиденного отличало Галилея всю жизнь. Еще в молодости он понял, что «явления природы, как бы незначительны, как бы во всех отношениях маловажны ни казались, не должны быть презираемы философом, но все должны быть в одинаковой мере почитаемы. Природа достигает большого малыми средствами, и все ее проявления одинаково удивительны». По существу, это высказывание можно считать декларацией экспериментального подхода Галилея к изучению явлений природы. В годы детства и юности Галилея практически безраздельно господствовали представления, сформировавшиеся еще во времена античности. Некоторые из них, например, геометрия Евклида и статика Архимеда, сохранили свое значение и в наши дни. Большой багаж накопили и наблюдения астрономов, приведшие к возникновению прогрессивной для своего времени системы мира Птолемея (2 в. н. э.). Однако многие положения 6 античной науки, обретшие со временем статус непререкаемых догм, не выдержали испытания временем и оказались отвергнутыми, когда главным арбитром в науке был признан опыт. В первую очередь, это относится к механике Аристотеля и многим другим его естественнонаучным представлениям. Но именно эти ошибочные положения стали фундаментом официального «идеологического кредо», и требовались не только способности к независимому мышлению, но и просто мужество, чтобы выступить против него. Одним из первых на это отважился Галилео Галилей, всю жизнь боровшийся против схоластики и провозгласивший ОСНОВОЙ ПОЗНАНИЯ – ОПЫТ. Галилей заложил основы современной механики: выдвинул идею об относительности движения, установил законы инерции, свободного падения и движения тел по наклонной плоскости, сложения движений; открыл изохронность колебаний маятника; первым исследовал прочность балок. Важнейшим достижением Галилея в динамике было создание принципа относительности, ставшего основой современной теории относительности. Отказавшись от представлений Аристотеля о движении, Галилей пришел к выводу, что движение (имеются в виду только механические процессы) от-носительно, то есть нельзя говорить о движении, не уточнив, по отношению к какому «телу отсчета» оно происходит. Законы же движения безотносительны, и поэтому, находясь в закрытой кабине (он образно писал «в закрытом помещении под палубой корабля»), нельзя никакими опытами установить, покоится ли эта кабина или же движется равномерно и прямолинейно («без толчков», по выражению Галилея). [Макаревечус, 2006] Галилей произвел поистине революционный переворот в космологии, положив начало инструментальной астрономии. Построив телескоп с 32-кратным увеличением, он открыл горы на Луне, 4 спутника Юпитера, фазы у Венеры, пятна на Солнце. Сам ученый понимал важность сделанных им астрономических открытий. Он описал свои наблюдения в сочинении, вышедшем в 1610 под гордым названием «Звездный вестник». Галилей активно защищал гелиоцентрическую систему мира, за что был подвергнут в 1633 году суду инквизиции, вы-нудившей его отречься от учения Н. Коперника. До конца жизни Галилей считался «узником инквизиции» и принужден был жить на своей вилле близ Флоренции. В 1992 папа Иоанн Павел II объявил решение суда инквизиции ошибочным и реабилитировал Галилея. Исаак Ньютон ИСААК НЬЮТОН (1642-1727) – великий завершивший создание классиче-ской механики. английский ученый, 7 Если изучать биографию Ньютона, не вдаваясь в суть его гениальных открытий, то можно сделать вывод, что в жизни ученого не было ярких событий. Родная деревня Вульстроп, соседний городок Грэнтэм, Кэмбридж и Лондон – вот все места, связанные с его биографией. Ньютон никуда больше не выезжал и, поселившись где-нибудь, жил подолгу и однообразно. Но это только внешний мир ученого, его настоящая жизнь заключалась в мире его идей, его познаний, его стремлений. Ньютон создал механистическую картину мира, в которой, как полагали его современники, заключался универсальный ключ, способный с помощью математики объяснить суть всех явлений и загадок мира. Разочарование пришло потом, когда был открыт микромир, полностью изменивший представление о внешнем мире. Но от этого гениальные открытия Ньютона не померкли, не потеряли своей привлекательности, а просто приобрели границы применимости. Ньютоновская механика дала последующим поколениям ученых модель определенного научного подхода, без которого были бы невозможны многие открытия. Ньютон сформулировал основные законы классической механики, сделал открытия в оптике, астрономии, математике: открыл закон всемирного тяготения, дисперсию света, развил корпускулярную теорию света, разработал (независим от Лейбница) дифференциальное и интегральное исчисление. [Гейзенберг, 2006] Обобщив результаты исследований своих предшественников в области механики и свои собственные, Ньютон написал огромный труд «Математические начала натуральной философии», где были проанализированы основные понятия и аксиоматика классической механики. В частности понятия: масса, количество движения, сила, ускорение, центростремительная сила и три закона движения, а именно – закон инерции, закон пропорциональности силы ускорению и закон действия и противодействия. Здесь же был изложен закон всемирного тяготения, исходя из которого Ньютон объяснил движение небесных тел (планет, их спутников, комет) и создал теорию тяготения. Открытие этого закона знаменовало переход от кинематического описания солнечной системы к динамическому объяснению явлений. Этим окончательно была утверждена победа учения Коперника. Ньютон показал, что из закона всемирного тяготения вытекают три закона Кеплера. Он объяснил движение Луны, явление процессии; развил теорию фигуры Земли, отметив, что она должна быть сжата у полюсов; создал теорию приливов и отливов; рассмотрел проблему создания искусственного спутника Земли; установил закон сопротивления и основной закон внутреннего трения в жидкостях и газах; дал формулу скорости распространения волн. Ньютон создал теорию абсолютных пространства и времени, которая долгое время господствовала в науке. С таким пониманием пространства и времени связана его теория дальнодействия – мгновенной передачи действия от одного тела к другому на расстоянии, через пустое пространство без 8 помощи материи. Эта теория, как и вся механистическая картина мира Ньютона, господствовали до начала ХХ века. Впервые их ограниченность обнаружили М.Фарадей и Дж. Максвелл, показав неприменимость подобных воззрений к электромагнитным явлениям. Однако специальная теория относительности не отбросила совсем закономерностей, установленных классической механикой Ньютона, а лишь уточнила и дополнила ее для случая движения со скоростями, соизмеримыми со скоростью света в вакууме. [Алексеенко, 2006] Велик вклад Ньютона и в оптику. В 1666 году при помощи трехгранной стеклянной призмы он разложил белый свет на семь цветов спектра, открыв явление дисперсии и хроматическую аберрацию. Пытаясь избежать аберрации в телескопах, Ньютон сконструировал телескоп-рефлектор, где вместо линзы использовал вогнутое сферическое пространство. Исследуя интерференцию и дифракцию света, ученый открыл так называемые «кольца Ньютона», установив закономерности в их размещении, и высказал идею о пе-риодичности светового процесса. Открытия в этой области изложены в работе «Оптика». Научная деятельность Ньютона сыграла исключительно важную роль в истории развития физики. По словам А.Эйнштейна, «Ньютон был первым, кто попытался сформулировать элементарные законы, которые определяют временной ход широкого класса процессов в природе с высокой степенью полноты и точности, оказал своими трудами глубокое и сильное влияние на все мировоззрение в целом». [Кохановский, 2004] Из работы «математические начала натуральной философии (1687 г.) Ньютон формулирует четыре методологических правила, которым должно подчиняться научное исследование. Ставится вопрос «как искать», а не «что искать». 1. Первое методологическое правило обосновывает постулат простоты природы. «Природа проста и не роскошествует излишними причинами вещей…Не следует допускать причин больше, чем достаточно для объяснения видимых природных явлений». 2.Постулат о единообразии природы. «Одни и те же явления мы должны, насколько возможно, объяснять теми же причинами». 3.Природа проста и единообразна. На основе чувственного опыта можно установить основные свойства тел, такие как твердость, непроницаемость, движение. Все эти свойства можно вывести из ощущений с использованием индуктивного метода. Индукция, уверен Ньютон, единственная действенная процедура для формирования научных суждений. Это закреплено в четвертом правиле. 4.«В экспериментальной философии суждения, выведенные путем общей индукции, следует рассматривать как истинные или очень близкие к истине, несмотря на противоположные гипотезы, которые могут быть вообразимы…» 9 О законе всемирного тяготения: «По правде говоря, мне еще не удалось вывести причину этих свойств тяготения, гипотез же я не измышляю». То есть, из наблюдаемых фактов невозможно определить сущность сил тяготения. Закон всемирного тяготения выводится индуктивно и вопрос, почему этот закон именно такой, а не иной, не имеет ответа, опирающегося на факты. Прибегать же к гипотезам, не опирающимся на чувственно наблюдаемые явления, означает отрываться от реальности. Физика Ньютона не доискивается до сути тяготения, а довольствуется тем, что оно существует и объясняет движение, как небесных тел, так и земных объектов. Вопрос о сущности вещей выносится Ньютоном за пределы «экспериментальной философии». Гипотеза должна быть обоснована и подтверждена наблюдаемыми фактами и экспериментами. Тем более теория. Не опирающееся же на наблюдения и эксперименты размышление не является научным. Опыт Бойля Предыстория Р. Бойлем проведён один из первых экологических экспериментов — влияние атмосферного давления на животных, стойкость к вакууму водных, земноводных и др. пойкилотермных животных. Научные исследования Р. Бойля, завершившиеся впоследствии открытием первого газового закона, относятся к 1660 г. В этот период Р. Бойль знакомится с опытами О. Герике. Удивительные опыты Отто Герике с воздушным насосом и магдебургскими полушариями были описаны в сочинениях Каспара Шотта (1657 г.) (рис. 1, 2). Р. Бойль решил повторить эти опыты. Для постановки опытов он конструирует новый насос (рис. 3). Немалое содействие в этом ему оказывает Р. Гук. По принципу действия насос Бойля не отличался от насоса Герике, но являлся более удобным в работе. Результаты своих опытов Р.Бойль изложил в сочинении «New experiments physico– mechanical, touching the spring of the air» (Оксфорд, 1660 г.). В этой же работе он описывает свой новый насос. 10 Рис. 1 Воздушный насос О. Герике и магдебурские полушария, хранящиеся Мюнхенском музее (по фотографии) Рис. 2 Усовершенствованный воздушный насос О. Герике в 11 Рис. 3 Воздушный насос Р. Бойля и специальные приборы Построен Р. Бойлем в 1659 г. для опытов с ним. Эксперименты, выполненные Р. Бойлем, позволили ему убедиться в справедливости результатов опытов О. Герике. Помимо того, кроме уже известных научных фактов Р. Бойль устанавливает несколько новых. В ходе многократно воспроизведенных экспериментов он наблюдал: что ртуть «падает», когда над ртутной ванной барометра выкачивают воздух; что в пустоте течение воды по сифону прекращается; что дым в пустом сосуде сначала несколько поднимается, а потом, подобно всякому тяжелому телу, падает на дно. Им были зафиксированы и некоторые другие эффекты. Учеными того времени предпринимались попытки объяснить результаты опытов по исследованию свойств воздуха и производимого им давления. Несмотря на множество неопровержимых доказательств существования атмосферного давления, многие не могли понять, как воздух такой легкий и подвижный, может уравновешивать столб ртути значительной высоты (в 28 дюймов!). На этот счет строились различные предположения. Так, например, люттихский профессор Франциск Линус (1595 – 1675) утверждал, что ртуть удерживается в барометре «невидимыми нитями» и, что якобы он сам почувствовал наличие этих нитей, когда закрывал пальцем барометрическую трубку. Р. Бойль не был согласен с предположением Ф. Линуса. Заинтересовавшись замечательными свойствами воздуха, Р. Бойль выдвинул собственную гипотезу для их объяснения. Он считал, что воздух обладает упругими свойствами. Ученый представлял себе воздух как совокупность «маленьких спиралей», способных сжиматься. По мнению Р. Бойля, именно упругость воздуха уравновешивает давление столба ртути и давление 12 атмосферы. Р. Бойлю было важно доказать ошибочность гипотезы Ф. Линуса и убедить последнего в существовании сопротивления воздуха. Ему пришлось поставить специальный опыт, в ходе которого он хотел установить, как меняется объем данного количества воздуха в зависимости от давления. Результаты, полученные Р. Бойлем, позволили сформулировать ему один из основных законов физики, носящий его имя. Описание опытов Р. Бойля и формулировка его закона были опубликованы в 1662 году в сочинении «A defense of the doctrine touching spring and weight of the air» («Защита доктрины, касающейся упругости и веса воздуха»). Закон об «упругих свойствах воздуха» не сохранил имени только первого, открывшего его ученого. Этот закон носит имя еще одного физика Эдма Мариотта. В 1676 г. французский священник Э.Мариотт (1620 – 1684 гг.) в своей работе «Опыты о природе воздуха» описывает собственные экспериментальные исследования по сжатию и разряжению воздуха, из которых (независимо от Р. Бойля) он выводит аналогичный закон. Теперь этот закон называется законом Бойля - Мариотта. Научный приоритет Р. Бойля не вызывает сомнения, но, следует отметить, что Э. Мариотт глубже осознал смысл полученного им результата. В частности, Э. Мариотт предсказал различные применения данного закона. Из них наиболее важным был расчет высоты местности над уровнем моря по показаниям барометра. Что касается Р. Бойля, то он считал выявленную им в эксперименте закономерность всего лишь еще одним интересным свойством воздуха. Приборы и материалы, необходимые для постановки опыта, принципиальная схема опытной установки Экспериментальная работа Р. Бойля включала две относительно самостоятельные части. В первой своей части эксперимент был связан с исследованием упругих свойств воздуха при давлениях выше атмосферного, а во второй - при давлениях ниже атмосферного. Обратимся к характеристике оборудования, которое использовал Р. Бойль на первом этапе экспериментальной работы. Сам Р. Бойль так описывает свою экспериментальную установку: «Мы взяли длинную стеклянную трубку, которая путем нагревания на лампе была изогнута таким образом, что загнутая часть оказалась параллельной остальной части трубки и, один конец трубки был герметически запаян. Трубка была разделена на дюймы (каждый дюйм был разделен еще на 8 частей) при помощи наклеенной узкой бумажки» (рис. 4, а) 13 Рис. 4 (а-в). Принципиальная схема устройства прибора Р. Бойля с помощью которого он установил соотношение между давлением и объемом данной массы газа, для давлений больше атмосферного Чтобы убедиться, сохраняет ли его закон силу в области давлений ниже атмосферного, Роберт Бойль использовал более сложную установку. «Мы применили, - пишет Р. Бойль, - стеклянную трубку длиной около шести футов. Поскольку она была герметически запаяна с одного конца, то служила нам так же, как если бы мы могли проводить опыт в бадье или в пруду глубиной семьдесят дюймов. Мы также располагали узкой стеклянной трубочкой величиной примерно с лебединое перо, открытой с обоих концов, вдоль всей длины трубки был приклеен узкий листок бумаги, разделенный на дюймы и их восьмые части. Когда эта узкая трубочка опускалась в большую трубку, почти заполненную ртутью, стекло способствовало тому, чтобы последняя сделалась выпуклой у верхнего края трубки. И ртуть, проникая через нижнее отверстие трубочки, заполняла ее до тех пор, пока заключенная внутри ртуть не оказывалась почти на уровне с поверхностью окружающей ртути в трубке» (рис. 5, а). Отверстие на конце узкой трубочки, который выступал над поверхностью ртути, тщательно заделывалось с помощью расплавленного сургуча. 14 Рис. 5. Принципиальная схема устройства прибора Р. Бойля,с помощью которого было установлено соотношение между давлением и объемом данной массы газа для давлений меньше атмосферного. Порядок проведения опыта Первая часть эксперимента Р. Бойля (для давлений больших атмосферного) была довольно проста (рис. 4). В подготовленную для опыта трубку наливалась ртуть. Перед началом эксперимента Р. Бойль добивался того, чтобы уровень ртути в обоих коленях трубки был одинаков. Для этого он многократно наклонял прибор так, чтобы атмосферный воздух мог свободно проходить из одного колена в другое. Такими действиями Р. Бойль обеспечивал ситуацию, в которой воздух, заключенный в коротком герметично запаянном колене, обладал такой же разряженностью, как и атмосферный воздух, окружающий прибор (рис. 4, а). Далее начинался собственно эксперимент. В длинное колено трубки Р. Бойль начинал порциями доливать ртуть. Жидкость своей тяжестью сжимала воздух в коротком колене. Наполнение длинного конца трубки продолжалось до тех пор, пока воздух в коротком колене не оказался сжатым вдвое, т.е. не стал занимать половину от того пространства, которое он занимал ранее. Затем, используя наклеенную на прибор узкую бумажную ленту с делениями, Роберт Бойль и его помощник Ричард Таунлей измерили высоту ртути в длинном колене. Они установили, что уровень ртути в длинном колене превысил на 29 дюймов ее уровень в коротком колене. 15 Р. Бойль дает объяснение этому явлению с точки зрения своей гипотезы об упругости воздуха. Именно частицы воздуха как «маленькие пружинки», по мнению ученого, уравновешивает давление столба ртути и давление атмосферы. К сожалению, в ходе этого опыта трубка разбилась, и Р. Бойлю пришлось готовить новую установку. «После нескольких таких опытов, - пишет Р. Бойль, - среди которых был такой, что длинное колено было вертикально, а нижнее горизонтально, мы, в конце концов, взяли трубку такой величины, что на ее коротком колене можно было наклеить бумажку с делениями длиной в 12 дюймов, а длинное колено имело несколько футов длины». (фут – 304,80 мм; дюйм – 25,40 мм) Повторные эксперименты на новом оборудовании проводились точно так же, как и в первом случае. В открытую часть изогнутой стеклянной трубки наливалась ртуть так, чтобы ее поверхность находилась в обоих коленах на одном и том же уровне (рис. 4, а). Далее в длинное колено ртуть постепенно доливалась. При этом менялся ее уровень в коротком колене. Ртуть поднималось в этом колене, причем каждый раз до определенного деления. Экспериментаторы производили необходимые отсчеты: насколько она поднялась в длинном колене, насколько изменился ее уровень в запаянном коротком конце трубки (рис. 4, б, в). Надо отметить, что опыт, поставленный Р. Бойлем со своим помощником Р. Таунлеем, лишь на первый взгляд кажется простым. В техническом отношении по тем временам это был сложный и очень опасный эксперимент. Трубка была настолько длинной, что экспериментаторы не могли проводить опыт в комнате. Для проведения опыта использовались две легкие лестницы. Сама же трубка для сохранности удерживалась веревками и была подвешена над квадратным деревянным ящиком, так, что ее нижняя изогнутая часть помещалась внутри него. Ящик был достаточной глубины и использовался для предотвращения потерь ртути, которые возникали при заполнении длинного колена. Он также служил емкостью для сбора всей ртути в случае поломки установки. Р. Бойль и Р. Таунлей проводили наблюдения и измерения вдвоем. Один делал отсчеты внизу, измеряя высоту уровня ртути в коротком колене, другой был наверху – доливал ртуть трубку и отсчитывал ее уровень в длинном колене. Наполнение трубки осуществлялось очень осторожно и малыми порциями в соответствии с указаниями наблюдателя, находившегося внизу. Это было связано с попыткой снятия как можно более точных показаний (совмещения уровня ртути в коротком колене с отметками на бумажной ленте). Немаловажной причиной было и то, что гораздо легче было добавить ртуть в трубку, чем потом изъять какую-то ее часть, если вдруг очередная порция оказывалась слишком большой. Для повышения точности измерений в начале наблюдений экспериментаторы для определения положения ртути в коленах пользовались маленьким зеркалом, установленным в удобном положении. 16 Сжатие воздуха в коротком колене было довольно внушительным. Воздух в итоге загонялся в объем, составлявший менее четверти занимавшего им первоначального пространства. Кроме исследования зависимости объема данного количества воздуха от производимого на него давления Р. Бойль и Р. Таунлей проверяли, не «сгустит» данный объем воздуха холод. Для этого они обматывали часть трубки, заполненной воздухом, льняной тканью, смоченной в воде. При проведении этого эксперимента было заметно небольшое сжатие воздуха. Однако ученые посчитали, что воздух сжимается не настолько отчетливо, чтобы на этом факте можно было построить обоснованные заключения. Впоследствии была поставлена еще одна задача: выяснить, какое воздействие на сильно сжатый воздух окажет нагревание. Подогрев осуществлялся в пламени свечи. При приближении пламени к той части трубки, где находился воздух, обнаруживалось, что нагрев оказывает более сильное действие, чем охлаждение. Бойль практически не сомневался, что расширение сжатого воздуха при достаточном нагреве будет заметным и позволит получить новые данные о свойствах газов. Однако из опасения повредить стеклянную трубку он удержался от значительного увеличения температуры сжатого воздуха. Эксперименты с нагреванием и охлаждением сжатого воздуха не привели к установлению каких-либо закономерностей, но при этом окончательно убедили Р. Бойля в справедливости его предположений об упругих свойствах газов. «Теперь, - пишет Р. Бойль, - если к тому, что мы, таким образом, узнали относительно сжатия воздуха, добавить несколько наблюдений, касающихся его самопроизвольного расширения, будет лучше видно, насколько явления, наблюдающиеся в этих экспериментах с ртутью, зависят от различающихся мер силы, которая должна встречаться в упругости воздуха, в соответствии с различными степенями его сжатия и разреженности». Вторую часть своего эксперимента для случая, когда давление, под которым находился воздух, было меньше атмосферного, Р. Бойль провел на другой экспериментальной установке (рис. 5). Узкая стеклянная трубочка опускалась в большую трубку, заполненную ртутью. Ртуть проникала через нижнее отверстие узкой трубки и заполняла ее. Трубочка выступала над поверхностью окружающей ртути всего на один дюйм и оставалась в этой части заполненной воздухом. Выступающее отверстие заделывалось расплавленным сургучом. Горячий сургуч нагревал воздух, находящийся в последнем дюйме узкой трубки, и воздух по этой причине частично расширялся. Р. Бойль учитывал этот эффект в своем эксперименте. Он позволял воздуху, заключенному в верхнем конце трубки остыть и занять прежний объем. По бумажной ленте с нанесенными на нее делениями он определял, насколько точно восстанавливался исходный объем воздуха. Иногда воздуха оказывалось в трубке чуть больше или чуть меньше чем на один дюйм по высоте. В обоих случаях Р. Бойль и его помощник были 17 вынуждены исправлять допущенную техническую ошибку. Они протыкали в сургуче отверстие нагретой булавкой, а затем заделывали его. В итоге им удавалось «закрыть» в верхнем конце трубки ровно «один дюйм» воздуха. Далее начинался собственно эксперимент. Р. Бойль поднимал тонкую трубочку на разную высоту и наблюдал за расширением воздуха в ней. Добиваясь расширения воздуха в узкой трубке на один дюйм, полтора, два и т.д., он измерял число дюймов ртутного столба, который возвышался над поверхностью ртути в большой трубке (рис. 5, б, в). Следует отметить, что измерения проводились с точностью до восьмых частей дюйма. За счет продуманной техники постановки опыта, выполненного отдельно для давлений больших и меньших атмосферного, Р. Бойлю удалось перекрыть достаточный диапазон давлений. По завершению эксперимента Р. Бойль и Р. Таунлeй проводили опыт Эванджелиста Торричелли с большой трубкой около шести футов длиной. Это делалось с целью определения высоты столба ртути для данного дня и часа. Полученное значение служило характеристикой давления атмосферного воздуха. Высота столба ртути составляла 29 3/ 4 дюйма. Основные результаты опыта Наблюдения и измерения, выполненные в ходе опыта, позволили Р. Бойлю составить две таблицы (для давлений больших и меньших атмосферного). На первый взгляд, таблицы Р. Бойля кажутся достаточно сложными. На самом деле в структуре таблиц четко отражена идея эксперимента, а представленные в них данные убедительно подтверждают справедливость выдвинутой ученым гипотезы. В таблице 1 приведены данные опыта, выполненного при давлениях больших атмосферного, а в таблице 2 - при давлениях меньших атмосферного. 18 Все данные в исследованиях Р. Бойля представлены в дюймах. Таблицы Р. Бойля убедительно показывают современнику всю пользу десятичных дробей, применяемых в настоящее время при записи измерений. Р. Бойль, как видно, использовал обыкновенные дроби. В силу этого обстоятельства ему было трудно сравнивать данные опыта (столбец D) с результатами расчетов, полученным на основании гипотезы об обратных отношениях (столбец Е). Например, что больше 77 14/16 или 77 2/3 (седьмая строчка снизу в табл.1)? Если же эти числа представить в десятичных дробях, то ответ будет однозначный. История свидетельствует, что факт проявления закона обратных отношений по результатам анализа таблиц первым заметил помощник Р. Бойля Ричард Таунлей. Именно он указал на то, что упругость воздуха уменьшалась обратно пропорционально его объему. Р. Бойль согласился с данным выводом помощника. Как показывает анализ табличных данных, с увеличением объема некоторой массы воздуха в определенное число раз его давление, действительно, во столько же раз уменьшается, и наоборот. Температуру воздуха в трубке в этих опытах считали постоянной, а измерения выполнялись при небольших значениях давлений. Свой закон Р. Бойль формулирует следующим образом: “Pressiones et expansions in proportione esse rec rocas” (давления и объемы [газа] находятся в обратном отношении). В качестве пояснения к формулировке закона в скобках приведено слово «газ». Дело в том, что во времена Р. Бойля понятие «газ» отсутствовало в научной лексике. Считалось, что существуют лишь разные «сорта воздуха». Параллельно с Р. Бойлем опыты по сжатию и разряжению воздуха проводил французский физик Эдм Мариотт (1620 – 1684). Опираясь на результаты своих измерений, Э. Мариотт в 1676 г. независимо от Р. Бойля заново открывает один из основных газовых законов. По этой причине данный закон носит название закона Бойля – Мариотта. Следует заметить, что экспериментальные исследования Э. Мариотта не отличались особой тщательностью. Точность проведенных измерений была невысока, т.к. Э. Мариотт измерял высоты ртутного столба в целых дюймах. В эксперименте Р. Бойля измерения проводились с точностью до 16 долей дюйма. Более того, Р. Бойль со своим помощником анализировали возможные погрешности измерений и стремились их устранить. Полученные в опыте данные Р. Бойль сопоставлял с расчетными и не спешил делать необоснованные заключения. Даже открытый им закон в своих описаниях он осторожно называет «гипотезой». 19 Объяснение результатов опыта В современной формулировке этот закон звучит следующим образом: Произведение давления газа на объем при постоянной температуре есть величина постоянная, которая зависит от массы газа и от температуры. Математически закон Бойля-Мариотта можно записать так: при , . Если обозначить начальный и конечный объемы газа V1 и V2, а его начальное и конечное давления р1 и р2, тогда при неизменных температуре и массе газа будет справедливо соотношение: или . На рис. 6 представлена зависимость давления данной массы газа от его объема. Для различных температур газа расположение кривой зависимости на координатной плоскости различно. Изотермы, изображающие зависимость V от P для газа, который подчиняется закону Бойля-Мариотта, представляют собой гиперболы, располагающиеся на графике тем выше, чем выше температура. 20 Объяснение закону, установленному Р. Бойлем и Э. Мариоттом может быть дано с позиций молекулярно-кинетических представлений о строении вещества. Если мы изменим объем данной массы газа, то изменится и плотность газа. Если плотность газа меняется, то во столько же раз меняется и число молекул в единице объема. Если газ не слишком сжат и движения молекул можно считать совершенно независимыми друг от друга, то число ударов N за единицу времени на единицу поверхности стенки сосуда пропорционально числу молекул n в единице объема. Следовательно, если средняя скорость молекул не меняется с течением времени (в макромире это означает постоянство температуры), то давление газа должно быть пропорционально числу молекул n в единице объема, то есть плотности газа. Если, например, мы уменьшим объем газа в пять раз, то плотность газа тоже увеличится в пять раз. При этом соответственно увеличится и давление газа. Если температура не изменилась, то, как показывает закон Бойля – Мариотта, давление увеличится тоже в пять раз. Если плотности газа при давлениях р1 и р2 равны ρ1 и ρ2 , то можно написать: При изотермическом процессе давление газа изменяется прямо пропорционально его плотности. Этот важный результат можно считать другим и более существенным выражением закона Бойля – Мариотта. Однако, закон Бойля – Мариотта не будет выполняться, если перейти к большим давлениям. И это обстоятельство тоже может быть пояснено на основании молекулярных представлений. С одной стороны, в сильно сжатых газах размеры самих молекул являются сравнимыми с расстояниями между молекулами. Таким образом, свободное пространство, в котором движутся молекулы, меньше, чем полный объем газа. Это обстоятельство увеличивает число ударов молекул о стенку, так как благодаря его действию сокращается расстояние, которое должна пролететь молекула, чтобы достигнуть стенки. С другой стороны, в сильно сжатом газе и, следовательно, более плотном газе молекулы заметно притягиваются к другим молекулам гораздо большую часть времени, чем молекулы в разреженном газе. Это, наоборот, уменьшает число ударов молекул о стенку, так как при наличии притяжения к другим молекулам молекулы газа движутся по направлению к стенке с меньшей скоростью, чем при отсутствии притяжения. При не слишком больших давлениях более существенным является второе обстоятельство, а это приводит к тому, что произведение P·V немного уменьшается. При очень высоких давлениях большую роль играет первое обстоятельство, и произведение P·V заметно увеличивается. Итак, газы не строго подчиняются закону Бойля – Мариотта. Это проявляется в том, что кривые, изображающие зависимость давления газа от 21 объема при постоянной температуре, отличаются от гипербол. Но если отклонения невелики, то отличие гипербол трудно заметить. Легче обнаружить отклонения от закона Бойля – Мариотта, если воспользоваться иным изображением зависимости давления газа от объема, а именно, откладывать по оси абсцисс давление, а по оси ординат – произведение давления на объем. Опыты Абраама Трамбле с гидрой Рис. 7. Водный микроскоп, которым пользовался Трамбле 22 Рис. 8. Трамбле с воспитанниками в лаборатории Собирая со своими воспитанниками водные растения в каналах и прудах, Трамбле обратил внимание на небольших пресноводных полипов. Это и были пресноводные гидры, или анималикулы, как назвал обнаруживший их впервые в 1702 г. Антони ван Левенгук. Поначалу, как все натуралисты того времени, Трамбле считал их растениями. Но однажды, в июне 1740 г., он заметил, что полипы меняют свою форму, время от времени удлиняясь и сокращаясь. Спустя несколько дней, Трамбле обнаружил, что они способны перемещаться с места на место. Это обстоятельство окончательно убедило Трамбле в том, что обнаруженные им полипы являются животными. Наблюдая за полипами в течение 4-х лет, Трамбле сделал многочисленные открытия, касающиеся особенностей строения, поведения и размножения этих живых существ. Результаты своих наблюдений он опубликовал в 1744 г. в книге под названием «Мемуары к истории одного рода пресноводных полипов с руками в форме рогов». Установленные факты были настолько необычными, что Трамбле не рассчитывал, что другие естествоиспытатели безоговорочно поверят ему. Вот что писал Трамбле в само начале своей книги: «Факты, которые я должен сообщить, являются слишком необыкновенными для того, чтобы я мог ожидать, что мне поверят на слово. Я изложу по возможности наиболее ясным образом все, что меня привело к ним, и все предосторожности, 23 принятые мною, чтобы избежать заблуждения. Я введу читателя, насколько я буду в состоянии, в мой кабинет, заставлю его повторить мои наблюдения и покажу ему те средства, которыми я пользовался при этом. Он сам будет, таким образом, свидетелем моих успехов». Одним из первых открытий Трамбле было обнаружение положительной реакции гидр на свет. Наблюдая за ними, Трамбле поставил один из сосудов с полипами на подоконник. Через несколько дней он заметил, что большое число полипов собралось на обращенной к свету стенке сосуда. Чтобы проверить, не случайно ли это, Трамбле повернул сосуд в пол-оборота. В результате большая часть гидр оказалась в наименее освещенной части сосуда. Спустя сутки практически все полипы покинули неосвещенную стенку сосуда, двигаясь к наиболее освещенной его части. Через два дня все гидры вновь сконцентрировались на освещенной солнцем стенке. Трамбле еще раз повернул сосуд в пол-оборота. Результат был точно таким же. Проделав этот опыт несколько раз, Трамбле убедился, что полипы действительно «…имеют особую склонность к наиболее освещенной части сосуда». Трамбле удалось наблюдать и то, каким образом гидры перемещаются с места на место. Их движения напоминали движения гусениц пядениц, или землемеров. Прикрепившись подошвой к стеклу, полип вытягивался в длину, после чего прикреплялся к стеклу своими руками. Затем он подтягивал к рукам подошву и все повторялось по новой. Рис. 9. Способы перемещения гидр После этого Трамбле провел следующий несложный, но весьма изящный опыт. Взяв сосуд с большим количеством гидр, Трамбле поместил 24 его в футляр из картона, в центре одной из сторон которого было прорезано отверстие в виде шеврона. Затем он поставил прикрытый футляром сосуд с гидрами таким образом, чтобы полипы оказались в самой темной части сосуда, а солнечный свет падал через отверстие в футляре. Через несколько дней все гидры собрались в освещенной части сосуда, образовав на его стенке скопление в форме шеврона. После этого Трамбле повернул сосуд внутри футляра, вновь переместив полипов от освещенного солнцем отверстия. Однако спустя несколько дней они вновь собирались на освещенной стенке, образовав скопление характерной формы. Так повторялось несколько раз. После этого Трамбле перевернул футляр так, изменив ориентацию отверстия, и вновь повернул сосуд внутри него. Через несколько дней гидры вновь собрались на освещенной стенке, однако их скопление имело форму не нормального, а перевернутого шеврона. Из проведенного эксперимента Трамбле сделал однозначный вывод о том, что именно свет привлекает полипов. Это было первым экспериментальным доказательством фототаксиса у животных, полностью лишенных глаз. Эксперимент в экологии История экологии с позиции человека конца XX в. может быть особенно интересна и в некотором роде поучительна. Само слово "экология", пущенное в обиход Эрнстом Геккелем в 1866 г., на рубеже XIX и XX вв. было известно только очень ограниченному кругу лиц. Не случайно ранние биографы Геккеля, говоря о его заслугах на разных поприщах, авторство термина "экология" даже не упоминают. Теперь же слово, когда-то использовавшееся горсткой специалистов, стало своего рода знамением времени, а разнообразие вкладываемых в него конкретных смыслов столь велико, что вряд ли поддается описанию. [Андерсен, 2005] Двадцатые - cороковые годы вполне заслуженно называют "золотым веком теоретической экологии". Помимо Лотки в разработке математических моделей взаимодействующих популяций участвует в это время целый ряд видных специалистов (главным образом математиков) из разных стран, в том числе итальянец Вито Вольтерра, русский А.Н. Колмогоров, русский (живущий во Франции) В.А. Костицын, австралийцы А. Николсон и В. Бейли. Для того чтобы описать процесс роста населения США, Раймонд Пёрл предлагает в 20-х годах (совместно с Ридом) так называемую логистическую модель, согласно которой удельная (т.е. в пересчете на одну особь) скорость роста популяции (dN/Ndt) по мере увеличения численности популяции (N) снижается линейно, вплоть до нуля при достижении некоторой равновесной численности K. График же изменения численности выглядит как S-образная 25 кривая, выходящая на плато при N=K. Когда логистическая формула была опубликована, выяснилось, что еще в 1838 г. она предлагалась бельгийским математиком Пьером Франсуа Ферхюльстом для описания роста народонаселения. Пёрл (сразу признавший приоритет Ферхюльста) увидел в простой формуле логистического роста универсальную закономерность, аналогичную почти что законам Ньютона. Одно время он даже утверждал, что любой органический рост (например, увеличение числа клеток по мере развития организма) соответствует логистической кривой, и подобно тому как мы не объясняем законы Ньютона, но вынуждены искать объяснения тем случаям, когда нам кажется, что законы эти не соблюдаются, так и в экологии объяснения заслуживают только отклонения от логистической формулы. Нельзя сказать, что точка зрения Пёрла нашла широкую поддержку среди коллег, но по-своему она очень характерна для экологии 20-30-х годов. Фактически Пёрл назвал своими именами и подчеркнул то, что другие принимали по молчаливому уговору. Расцвет теоретической экологии в 20-40-е годы объясняется прежде всего тем, что к этому времени сложилась явная диспропорция между бурным накоплением конкретного эмпирического материала и очень слабым его осмыслением в рамках каких-либо обобщающих понятий. Желание обрести теорию было столь сильным, что экологи готовы были принять почти все, что могли предложить им представители других наук, пользующихся вполне заслуженной славой "точных". Фактически теоретическая основа экологии, сформулированная в 20-40-х годах и в значительной своей части сохраняющаяся в учебниках до наших дней, - это система чисто дедуктивных построений, основанных на идеях о равновесных системах и их вероятном поведении при принятии некоторых простых допущений. Такая теория говорит только о "возможном в принципе", но не указывает, какая из многих возможностей реализуется на практике. И простая логистическая кривая Ферхюльста - Пёрла, и гораздо более сложные модели взаимодействия популяций, предложенные Вольтеррой и Лоткой, - все это типичные примеры именно таких дедуктивных построений.[ Акимова, 2004] Так, предположение о линейном снижении удельной скорости роста популяции при увеличении ее численности может соответствовать, а может и не соответствовать действительности. Во всяком случае, предпринятая в 60-е годы попытка оценить данную зависимость непосредственно в экспериментах на лабораторных культурах дафний показала, что связь эта не линейная, а описывается вогнутой кривой. Численность населения США, динамика которой до 40-х годов хорошо описывалась логистической формулой, в 50-60-е годы не вышла, однако, на плато, как того требовала модель, а продолжала расти. Странным образом это вопиющее нарушение предсказаний модели не смутило экологов, и логистическая формула по-прежнему фигурировала в учебниках в качестве примера важного теоретического обобщения. [Бигон, 2009] 26 Ещё более парадоксальная ситуация сложилась с моделями взаимодействия популяций. Согласно системе уравнений, предложенных Лоткой, а затем Вольтеррой, популяции хищника и жертвы должны демонстрировать регулярные колебания численности, определяемые исключительно внутренними взаимодействиями компонентов данной системы. Узнав об этой модели, молодой московский зоолог Гаузе (ему тогда было 20 лет) попробовал сразу создать ее экспериментальный аналог, используя популяции двух видов инфузорий - Paramecium aurelia (жертвы) и Didinium nasutum (хищника). Однако получить колебания этих видов не удалось: вслед за вспышкой численности жертвы резко возрастала численность хищника, который затем съедал всех жертв и погибал сам. Если же для жертв создавалось укрытие, то часть популяции жертв становилась недоступной хищнику и он вымирал от голода, после чего численность жертв полностью восстанавливалась. Попытки создания сложных экспериментов с взаимодействующими популяциями хищника и жертвы в дальнейшем предпринимались неоднократно, но если колебательный режим в них и возникал, то держался он очень недолго. Немало усилий было потрачено и на обнаружение колебаний хищник - жертва в природе, но в большинстве случаев эти колебания оказывались результатом следования хищника за меняющейся плотностью жертв, а не результатом взаимодействия этих популяций, их взаимной обусловленности. То, что модель, предсказывающая возникновение сопряженных колебаний хищника и жертвы, не подтверждалась эмпирическими данными, сейчас, после проведения ряда дополнительных исследований, не кажется удивительным. Модифицирующее влияние многих факторов, контролирующих каждую из популяций, может быть столь сильным, что эффект собственно взаимодействия последних становится практически незаметным. Удивительно другое, а именно то, что модель явления, не наблюдаемого реально, на протяжении многих десятилетий служила (а судя по учебникам - и продолжает служить!) одним из основных элементов экологической теории. Не менее парадоксальной была и ситуация с моделью конкурентного вытеснения (математически также разработанной Вольтеррой и - независимо - Лоткой), предсказывающей, что два вида, конкурирующих из-за одной и той же пищи (и этой пищей ограниченных), не могут устойчиво сосуществовать. Экспериментальная ее проверка, также предпринятая Гаузе, казалась гораздо более удачной, чем это было в случае с системой хищник - жертва. Два близких вида инфузорий, Paramecium caudatum и Paramecium aurelia, при кормлении их одним видом бактерий не могли сосуществовать: P.aurelia вытесняла P.caudatum. Однако механизм вытеснения определялся не столько самой конкуренцией, сколько различиями в способности видов противостоять хищнику. Что же касается эксперимента Гаузе, то, стремясь поддерживать конкурирующие популяции в состоянии активного роста, экспериментатор 27 ежедневно удалял часть объема жидкости вместе с содержащимися в ней инфузориями (т.е. выступал как "безвыборочный хищник"), а скорость воспроизводства у P.aurelia оказалась выше, чем у P.caudatum. Изучая механизм конкуренции, Гаузе осуществил целый ряд опытов с простейшими, бактериями и дрожжами. Выявленная картина оказалась довольно сложной: коэффициенты конкуренции для одной и той же пары видов не оставались постоянными в процессе их взаимодействия, а меняли свою величину, порой даже знак (т.е. рост численности одного вида начинал положительно воздействовать на рост другого). Кроме того, исход конкуренции иногда зависел от, казалось бы, незначительного изменения внешних условий, а для некоторых пар видов конкурентного вытеснения вообще не обнаруживалось. [Вернадский, 2007] Несмотря на такие, не всегда легко трактуемые, результаты, Гаузе все же посчитал, что теоретический вывод Вольтерры и Лотки заслуживает статуса универсального правила, согласно которому два вида, занимающих одну экологическую нишу, не могут устойчиво сосуществовать в одном месте. Формулируя это правило, Гаузе учел реальный опыт натуралистов (в частности, наблюдения Александра Николаевича Формозова, подметившего тонкое разделение мест и способов добывания пищи у близких видов крачек). Надо сказать, что универсальность принципа конкурентного вытеснения ("закона Гаузе") не раз подвергалась сомнению. Кроме того, очевидно справедливы были и упреки в тавтологичности данного принципа. Ведь для сосуществующих видов, даже близких, всегда можно обнаружить какие-то различия в экологии, а посчитав эти различия за свидетельства принадлежности данных видов к разным нишам, соответственно и "оправдать" их сосуществование без формального нарушения принципа конкурентного исключения. Несмотря на очевидные изъяны, принцип конкурентного исключения продолжал пользоваться большой популярностью, поскольку определенным образом организовывал рост научного знания. Опыт Гаузе с инфузориями Работы Гаузе 1930-х гг. посвящены экспериментальному исследованию взаимодействия популяций – конкурирующих за одну экологическую нишу и пары популяций «хищник–жертва». На основании этих экспериментов были сформулированы закон конкурентного исключения и предположение о необходимости миграций для устойчивого сосуществования хищника и жертвы. В 24 года Гаузе опубликовал книгу «Борьба за существование», определившую дальнейшее развитие экологии. [Пианка, 23] 28 Работы Гаузе 1933–1998 гг. посвящены исследованию возникновения диссиметрии между содержанием D- и L-изомерами в живых организмах. Гаузе показал, что существа, обладающие такой диссиметрией, получали эволюционные преимущества – диссимертия позволяла интенсифицировать функции клеточных структур. В 1938–1941 г. Гаузе провел серию экспериментов, посвященных теории естественного отбора. Гаузе рассмотрел два механизма приспособления видов – мутации (наследуемые признаки) и модификации (ненаследуемые признаки). Гаузе показал, что в одних условиях решающую роль играют мутации, в других – модификации, причем наиболее закрепленные мутациями признаки, плохо модифицируются. Книга «Экология и некоторые проблемы происхождения видов» была опубликована только в 1948 г., ее печати помешала Великая Отечественная война. Во время войны Гаузе заведовал отделом госсанитарной инспекции Сталинского района Москвы. Им и его женой, Марией Георгиевной Бражниковой, получен новый антибиотик – грамицидин C. За эту работу Г. Ф. Гаузе и М. Г. Бражникова удостоены Сталинской премии. При исследовании антибиотика оказались полезными все предыдущие работы Гаузе, обнаружилось, что действие антибиотика связано с диссиметрией его состава – в нем преобладали правые формы аминокислот, которые подавляли рост бактерий. Виды экспериментов в экологии Измерительные эксперименты Можно выделить два класса экспериментов: измерительные (пассивные) и управляемые (активные). Измерительные эксперименты включают только проведение наблюдений в одной или нескольких точках пространства или времени; пространство или время – это единственные "экспериментальные" переменные или "факторы воздействия". Оценка значимости воздействия по статистическим критериям осуществляется здесь не всегда. Измерительные эксперименты обычно не включают наложение экспериментатором управляемых внешних факторов на экспериментальные единицы. [Горелов, 2005] Рассмотрим пример № 1. Необходимо определить, как быстро разлагаются листья клена на дне озера на глубине 1 м. Для этого делают 8 маленьких мешков из нейлоновой сетки, наполняют каждый из них кленовыми листьями и помещают все вместе в какой-то точке 1-метровой изобаты. Через месяц вынимают мешочки, определяют потерю 29 разложившегося органического вещества в каждом и вычисляют среднюю скорость разложения. В таком виде эта процедура удовлетворительна. Однако она не дает информации о том, как скорость может варьировать в разных точках 1-метровой изобаты. Средняя скорость, которую вычисляют по 8 мешочкам с листьями – слишком скудное основание для обобщения величины "скорости разложения на 1-метровой изобате в озере". [Новиков, 2003] Такая процедура обычно называется экспериментом просто потому, что процедура измерения достаточно трудоемка, и часто включает вмешательство в саму систему. Если бы мы провели 8 измерений температуры или отобрали 8 проб дночерпателем, мало кто назвал бы эти процедуры и их результаты "экспериментальными". Исторически сложилось, что термин "экспериментальное" всегда использовался в контексте значений "сложное", "трудоемкое", "подразумевающее вмешательство, и это неизбежно будет продолжаться. В экологии существуют сравнительные измерительные эксперименты. Рассмотрим пример № 2. Предположим, что необходимо, используя процедуру примера 1, выяснить, отличается ли скорость разложения кленовых листьев между 1-метровой и 10-метровой изобатами. Для этого помещают 8 мешочков с листьями на 1-метровую изобату и другие 8 мешочков на 10-метровую, ждут месяц, извлекают мешочки и получают данные. Затем применяют статистический критерий (например, t-критерий или U- критерий), чтобы узнать, имеется ли достоверное различие скорости разложения в двух точках. Этот опыт можно было бы назвать сравнительным измерительным экспериментом. Хотя использовались две изобаты (или два "уровня воздействия"), полноценная проверка научных гипотез, присущих манипулятивным экспериментам, проведена не была. Измеряют свойство системы в двух точках внутри нее и оценивают, существует ли реальное различие ("эффект воздействия") между ними. Чтобы достигнуть не слишком четко сформулированную цель в примере 1, любой тип пространственного размещения 8 мешочков по изобате, в принципе, был бы приемлемым. В примере же 2 определили цель как сравнение двух изобат в отношении скорости разложения кленовых листьев. Поэтому нельзя расположить наши мешочки в одном месте на каждой изобате. Это не даст никакой информации об изменчивости скорости разложения от точки к точке вдоль изобаты. Такую информацию необходимо получить, прежде чем обоснованно применять статистический критерий для проверки нулевой гипотезы о том, что скорость разложения одинакова на двух изобатах. Поэтому нужно рассеять мешочки на каждой изобате некоторым подходящим образом. Существует много путей выбора такого размещения. В идеальном случае позиции вдоль каждой изобаты должны выбираться случайно, но мешочки могут быть расположены индивидуально (8 точек), либо группами по две (4 точки) или по четыре (2 точки). 30 Размещение повторных выборок или измерений в пространстве (или времени) подходящим образом, соответствующим конкретной проверяемой гипотезе, – наиболее критичный аспект планирования измерительных экспериментов. Рассмотрим мнимые повторности в измерительных экспериментах. Для этого обратимся к примеру № 3. Предположим, что расположили все 8 мешочков в одном месте на каждой из изобат. Так случилось, что одна из точек лежит на 1-метровой изобате, а вторая – на 10-метровой. Выявленное достоверное различие между ними не может быть корректно интерпретировано как различие между двумя изобатами, т.е. как свидетельство "эффекта воздействия". Такое выявленное достоверное различие не более того различия, которое мы обнаружили бы, поместив два набора по 8 мешочков в двух точках на одной и той же изобате. Если настаивают на интерпретации проверки гипотезы в примере 3 как "эффекта воздействия" с констатацией реальных различий между изобатами, совершают ошибку, связанную с тем, что называют мнимой повторностью. В целом в измерительных экспериментах мнимые повторности часто являются следствием того, что реальное физическое пространство, из которого формируются выборки (либо в котором проводятся измерения), меньше, либо более ограничено, чем то, которое фигурирует в гипотезе. В манипулятивных экспериментах мнимые повторности проявляются в результате использования статистических методов для проверки гипотезы об эффекте воздействия по данным из экспериментов, в которых либо воздействия вообще не имели повторностей (хотя могло быть несколько выборок), либо эти повторности не были статистически независимы. Таким образом, мнимые повторности относятся не к проблеме планирования эксперимента (или выборочного процесса) как такового, а скорее к определенной комбинации планирования эксперимента (или выборочного процесса) и статистического анализа, который неадекватен для проверки поставленных гипотез. Явление мнимых повторностей широко распространено в литературе, как по измерительным, так и по упраляемым экспериментам. Оно может появиться во многих обличиях. Управляемые эксперименты Если в измерительном эксперименте, как правило, изучается единственная ситуация с одним воздействием, то управляемый (манипулятивный) эксперимент уже учитывает воздействие на двух или более уровнях фактора и имеет целью осуществление одного или более сравнений. Определяющая черта управляемого эксперимента состоит в том, что различные экспериментальные единицы получают различные уровни 31 воздействия и распределение воздействий по экспериментальным единицам делается случайным (или, по крайней мере, может быть сделано таковым). Манипулятивное экспериментирование сталкивается с несколькими классами потенциальных проблем. В табл. 1 они обозначены как “источники недоразумений”: эксперимент успешен в той степени, в которой его результаты не дискредитированы этими факторами. В задачу планирования эксперимента входит минимизация воздействия факторов из источников, пронумерованных от 1 до 6. Для каждого потенциального источника приведены один или несколько способов планирования эксперимента, которые ответственны за эту минимизацию. Большинство таких способов обязательно. Улучшения на этапе выполнения эксперимента могут еще более уменьшить эти источники ошибок. Однако такие улучшения не могут заменить обязательные составляющие плана эксперимента: контроль, повторность, рандомизацию (или случайный отбор, используется для создания простых случайных выборок), перемешивание. [Будыко, 2002] Всегда можно предположить, что некоторые источники некорректности в конкретном случае не важны, и соответствующим образом упростить план эксперимента и его процедур. Это сэкономит значительный объем работы. Однако сущность управляемого эксперимента в том, что правомерность его заключений не зависит от соответствия таких предположений объективной реальности. "Контроль" – это термин, имеющий несколько значений в контексте планирования эксперимента. В таблице он употребляется в наиболее традиционном значении, т.е. как любая выборка измерений, с которой сравниваются другие выборки, получившие воздействие. Контрольным воздействием может быть как нижний или нулевой уровень фактора, изучаемого в эксперименте, так и "процедурное" воздействие (например, мыши с введенным солевым раствором используются в качестве контроля по отношению к мышам с введенным солевым раствором и лекарственным препаратом), или просто иное воздействие. [Арустумов, 2005] По крайней мере, при экспериментировании с биологическими системами контроль необходим, в первую очередь, вследствие того, что биологические системы меняются со временем. Если бы мы могли быть абсолютно уверены, что данная система обладает постоянными свойствами, тогда не было бы необходимости в отдельной контрольной группе. Измерения на экспериментальной единице до воздействия могли бы служить тогда контролем для измерений на экспериментальной единице после воздействия. Во многих типах экспериментов контрольные измерения имеют вторую функцию: выделить влияние эффекта в числе прочих различных аспектов экспериментальной процедуры. Так, в примере с мышами воздействие "только солевым раствором" представляется обязательным контролем. При некоторых обстоятельствах могут быть полезными дополнительные 32 контрольные воздействия, такие как "только введение иглы" или "отсутствие манипуляций". Более широкое и, возможно, более полезное (хотя и менее традиционное) определение "контроля" включает все обязательные атрибуты плана, приведенные рядом с "источниками недоразумений" под номерами 1 - 6 (таблица). "Контроль" в строгом смысле отслеживает дрейф во времени и влияние технических процедур реализации эксперимента. Рандомизация компенсирует (т.е. снижает или исключает) потенциальные отклонения, вносимые экспериментатором при назначении воздействий экспериментальным единицам и при осуществлении других процедурных действий. Повторности учитывают стохастический фактор, т.е. внутреннюю изменчивость выборок, присущую экспериментальному материалу или внесенную экспериментатором, либо возникшую вследствие несверхъестественного вмешательства. Перемешивание компенсирует регулярную пространственную неоднородность свойств среды, куда помещаются экспериментальные единицы, обусловленную как ее исходным состоянием, так и возможным несверхъестественным вмешательством. В этом контексте представляется точным утверждение о том, что эксперимент без повторностей – это эксперимент без контроля, поскольку он не учитывает стохастический фактор. Однако обычай разделять повторность и контроль как отдельные аспекты плана эксперимента настолько прочно утвердился, что термин "контроль" будет далее использоваться только в узком традиционном смысле. [Голуб, 2005] Третье значение контроля в экспериментальном контексте состоит в регуляции условий, в которых проводится эксперимент. Это может относиться к гомогенности экспериментальных единиц, к точности конкретных процедур воздействия, или, что наиболее часто, к учету неоднородности физической среды, в которой проводится эксперимент. Так, некоторые исследователи могут говорить об эксперименте, поставленном на белых мышах в лаборатории при температуре 25±1єC, как о "лучше контролируемом" по сравнению с экспериментом, поставленном на диких мышах в поле, где температура меняется от 15є до 30є. Это – неудачное выражение, потому что "чистота" контрольных воздействий в эксперименте не зависит от той степени, с которой физические условия среды ограничиваются или регулируются. От такой регуляции также не зависят ни обоснованность эксперимента, ни результаты статистического анализа; если нет ошибок в плане или статистическом анализе, то доверие, с которым мы можем отбросить нуль-гипотезу, отражается исключительно значением р-вероятности. Эти факты мало понимаются многими лабораторными учеными. Неверный смысл, который вкладывается в понятие контроль, частично происходит от ошибочного толкования древней максимы: “Сохраняй постоянными все переменные, за исключением той, которая подлежит изучению”. Она относится не к временной стабильности, которая, в общем, 33 не имеет значения, а только к желательной идентичности экспериментальных и контрольных систем во всех отношениях, за исключением воздействующей переменной и производимой ею эффекта. Повторности, рандомизация и независимость. Как повторности, так и рандомизация имеют две функции в эксперименте: они улучшают оценку базовых статистик и повышают обоснованность применения статистических критериев. В таблице подразумевается их роль в оценке статистических параметров выборок. Повторности снижают эффекты "шума" (т.е. случайной изменчивости или ошибки), увеличивая, таким образом, точность оценки, например, выборочного среднего или различий между двумя выборками. Рандомизация компенсирует возможные возмущения, вносимые экспериментатором, увеличивая правильность оценок. Каким именно путем рандомизированное распределение уровней воздействий по экспериментальным единицам обеспечивает обоснованность эксперимента? Четкий и краткий ответ встречается нечасто. Рандомизация гарантирует “гораздо больше, чем просто отсутствие отклонений в эксперименте”, хотя и это важно. Она гарантирует, что в среднем "ошибки" распределены независимо и что “пары участков с одинаковым воздействием расположены не ближе друг к другу, или, наоборот, дальше, или еще каким-либо разумным образом неотличимы от любой другой пары участков с различным воздействием”, за единственным исключением эффекта самого воздействия. В терминах математической статистики отсутствие независимости ошибок препятствует выяснению α-вероятности ошибки первого рода. Действуя в соответствии с процедурой проверки статистических гипотез, мы можем, например, задаться критическим уровнем значимости αкр = 0.05 и искать соответствующее значение р-вероятности для подходящей тест-статистики. Однако, если ошибки не независимы, истинный уровень значимости будет выше или ниже 0.05, но в любом случае численное его значение останется неизвестным. Таким образом, интерпретация статистического анализа становится достаточно субъективной. Под вмешательством понимается вмешательство случайных событий в текущий эксперимент. Этот тип вмешательства встречается в любой экспериментальной работе, внося "шум" в данные. Чаще всего влияние единичного стохастического возмущения неизмеримо мало. Однако по определению, природа, величина и частота таких случайных событий непредсказуемы, так же как и их следствия. Если возмущение оказывает воздействие на все экспериментальные единицы независимо от уровня воздействия, то проблемы нет. Любое изменение погоды во время полевого эксперимента будет примером такого "случайного" события. Больше проблем несут случайные события, влияющие на одну или несколько экспериментальных единиц. Экспериментальное животное может умереть, может случиться инфекция или сбой в обогревательной системе. Некоторые случайные события могут быть обнаружены, но таковых – не большинство. Экспериментаторы обычно стремятся минимизировать появление случайных 34 событий, потому, что они снижают чувствительность эксперимента в обнаружении эффекта воздействия. Однако не менее важно минимизировать вероятность ошибочного заключения о присутствии эффекта воздействия, когда его нет. Повторности и перемешивание воздействий обеспечивают лучшую страховку от случайных событий, имитирующих такие фальшивые эффекты воздействия. Заключение Хотя отмеченное Куном различие в понимании эксперимента действительно имело место в науке XVII-XVIII вв., однако видеть в галилеевском эксперименте продолжение античного понимания опыта как наблюдения было бы неверно. Как раз тенденция к созданию искусственной, противоречащей видимому опыту ситуации была одинаково характерна как для галилеевского, так и для бойлевского эксперимента - ведь и Галилей конструирует особые условия для изучения природных явлений, например, изучает движение различных тел в пустоте; различие здесь надо искать в другом. А именно: эксперимент Галилея - это в основном предметное воплощение теоретического построения, а потому его достаточно мысленно смоделировать; эксперимент же для Бойля (при всем стремлении английского ученого сблизить химию с теоретической наукой - механикой) - это "experimentum crucis", попытка заставить природу выдать ее тайны, а для того необходимо "потрясти ее до основания", как говорил Бэкон, силой заставить ее открыть то, что неведомо человеку и что не может быть предвосхищено им чисто теоретически. Этот тип эксперимента ведет свое происхождение от герметической традиции и несет еще и в XVII в. черты алхимии и магии. Обращение Бойля к корпускулярной теории обнаруживает, однако, его стремление поставить и химию на более прочный и достоверный фундамент механики, мировоззренческие предпосылки которой, ее рациональный характер и простота выявляемых ею законов, делающих возможными научные предсказания, весьма привлекательны для него. Экология имеет свою специфику: объектом её исследования служат не единичные особи, а группы особей, популяции (в целом или частично) и их сообщества, т.е. биологические макросистемы. Многообразие связей, формирующихся на уровне биологических макросистем, обусловливает разнообразие методов экологических исследований. Важнейшее значение в экологии имеет эксперимент. Экспериментальные методы экологии включают в себя варьирование различных факторов, влияющих на организмы, по выработанной программе в стационарных лабораторных условиях. Экология, как было отмечено, 35 имеет свою специфику: объектом её исследования служат не единичные особи, а группы особей, популяции (в целом или частично) и их сообщества, т.е. биологические макросистемы. Многообразие связей, формирующихся на уровне биологических макросистем, обусловливает разнообразие методов экологических исследований. Можно выделить два класса экспериментов: измерительные (пассивные) и управляемые (активные). Измерительные эксперименты включают только проведение наблюдений в одной или нескольких точках пространства или времени; пространство или время – это единственные "экспериментальные" переменные или "факторы воздействия". Оценка значимости воздействия по статистическим критериям осуществляется здесь не всегда. Измерительные эксперименты обычно не включают наложение экспериментатором управляемых внешних факторов на экспериментальные единицы. В экологическом эксперименте трудно воспроизвести весь комплекс природных условий, но изучить влияние отдельных факторов на вид, популяцию или сообщество вполне возможно. Примером экологических экспериментов широких масштабов могут служить исследования, проводимые при создании лесозащитных полос, при мелиоративных и различных сельскохозяйственных работах. Знание при этом конкретных экологических особенностей многих растений, животных и микроорганизмов позволяет управлять деятельностью тех или иных вредных или полезных организмов. В современных условиях экологические исследования играют существенную роль в решении ряда теоретических и практических задач. Список литературы 36 1. Агроэкология. Методология. Технология. Экономика/В. А. Черников, И. Г. Грингоф, В. Т. Емцев и др.; Под ред. В. А. Черникова, А. И. Чекереса. – М.: КолосС, 2004 – 400 с. 2. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Основы экоразвития. М.: Изд-во Рос. экон. академии, 2004,312с. 3. Алексеенко В.А., Алексеенко Л.П. Биосфера и жизнедеятельность: Учебное пособие. - М.: Логос, 2006. - 212 с. 4. Арустумов Э.А., Левакова И.В., Баркалова Н.В. Экологические основы природопользования: Учебное пособие. - М., 2005. - 236 с. 5. Андерсен Д.М. Экология и науки об окружающей среде: биосфера, экосистемы, человек. Л.: Гидрометеоиздат, 2005.165 с. 6. Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология особи, популяции и сообщества: В 2 т. М.: Мир, 2009. Т.1.660 с.; Т.2, 473 с. 7. Биосфера: Сб. / Под ред. М.С. Гилярова. М.: Мир, 2003.182 с. 8. Будыко М.М. Глобальная экология. М.: Мысль, 2002.319 с. 9. Вернадский В.И. Биосфера. М.: Мысль, 2007.376 с. 10. Гейзенберг В. Теория, критика и философия. М., 2006. 11. Герасименко В. П. Практикум по агроэкологии. Учебное пособие – СПб.: Издательство «Лань», 2009. – 432 с. 12. Голуб А.А., Струкова Е.Б. Экономика природопользования. М.: Аспект Пресс, 2005.188с. 13. Горелов А.А. Экология - наука-моделирование. М.: Наука, 2005. - 207 с. 14.Горелов А.А. Экология - М.: Высшее образование, 2005. - 191 с. 15. Готтсданкер Р. Основы психологического эксперимента. М.: МГППИЯ, 1982. С. 51—54. 16.Декарт Р. Избранные произведения. М., 2003. 17. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. М.: Гидрометеоиздат, 2004.556с. 18.Капица П.Л. Эксперимент, теория, практика. М., 2003. 19.Кохановский В. П., Лешкевич Т. Г., Матяш Т. П., Фатхи Т. Б. Основы философии науки: Учебное пособие для аспирантов. Ростов н/Д: Феникс, 2004. – 608 с. 20.Макаревичус К. Место мысленного эксперимента в познании. М., 2006. 21.Назаров И.В. Концепции современного естествознания, 2007. 22. Новиков Ю.Н. Экология, окружающая среда и человек. - М., 2003. 560 с. 23. Пианка Э. Эволюционная экология. Мир: Мир, 2001.357 с. 24. Уиттекер Р. Сообщества и экосистемы. М.: Прогресс, 2003.
