【科学观点】3. 科学创造力：科学家如何决定要研究什么

2024-01-04 16:01

内容提纲

什么创造力？
分解大问题
观察豌豆的规律
下一个问题
回到大问题
开发你的科学创造力

你知道么？

每个领域都能有创造性思维，艺术、商业、甚至科学。创造力在科学进程中很重要。科学中真正的大问题都很难被直接解决，但创造性思维让科学家重新想象这些复杂问题，把它们分解成较小的可解的问题。

关键概念

科学中最重要的一些问题要么太大要么太复杂，无法直接解答。因此科学家把它们分解成小一点的可解的问题。
很多时候，科学家解决研究的问题涉及最简单的例子。
科学家利用创造力来确定较小的问题有助于最终得到结果，想象小问题可能的答案，然后构思验证答案的方法。
科学家要想有创造力，必须具备背景知识。他们通过学习以往科学工作、与同事沟通、基于自己的经验来获得背景知识。

科学课上，学生通常明白，科学研究涉及仔细观察和分析数据以验证假说。然而他们仍然觉得神秘的，是科学家如何决定提出什么特定问题。例如，如果你问大学生物专业的学生他们想研究什么，或者是什么促使他们学习科学，他们可能会说，“我想找到治疗癌症的方法。” 但如果你问他们计划从哪些实验或观察开始，大多数学生都会不知所措。相比之下，如果你翻阅《癌症研究》（Cancer Research）期刊的目录，你会发现类似“配体独立的雄激素受体变异体源自隐性外显子剪接意味着激素难治性前列腺癌”之类的标题（Hu等，2009）。显然，科学家选择研究和发表论文的实际研究的问题比“治愈癌症”要具体得多。

那么科学家是如何提出这些具体问题来研究的？你可能会惊讶地发现，这个过程涉及大量的创造力。诺贝尔奖获得者生物学家彼得·梅达瓦（Peter Medawar）曾将科学研究称为“可解的艺术（the art of the soluble）”（Medawar，1984，第254页）。梅达沃并不是说科学是关于溶解的事物——他的意思是，在科学上取得成功就是弄清楚哪些问题可以通过科学研究解决，然后找出这些问题的解决方案。

自然世界非常复杂，真正重大且有趣的科学问题（如治愈癌症）通常很难直接解决。作为科学家，就要不断地重新想象这些大问题，在心里将它们分解成可解的小问题，然后推测这些小问题中的哪些可能是破解整个主题的关键。换句话说，科学家必须提前想象不同观察的可能结果，然后设计一项可能帮助自己在不同假说之间做出决定的研究。

什么是创造力？

你可能认为，这个过程听起来更多的是分析而非创造，但研究创造力的专家发现，逻辑思维始终是任何领域的创造性过程的一部分，从艺术到科学再到商业（Tardif＆Sternberg，1988）。创造力不仅是提出新想法的能力，而且是缩小这些新想法的范围、聚焦到可详尽说明的想法的能力。任何领域的创意人士都会想出看待世界的新方式——他们不断地问：“如果……会怎样？” 但它并不止于此。富有创造力的人提出“如果……怎么办？”的问题，然后他们逻辑地思考后续。

以巴勃罗·毕加索（Pablo Picasso）和乔治·布拉克（Georges Braque）开发的立体主义绘画风格为例。两位艺术家都擅长写实风格的绘画，但他们决定稍微调整一下规则。他们问：“如果我们将像人这样的复杂物体表示为立方体、金字塔和球体等简单几何形状的组合，会怎么样呢？” 更进一步，“如果我们将这些三维形状压平到一个平面上，就好像该物体从各个角度同时可见一样？它会是什么样子？”毕加索、布拉克等艺术家逻辑地运用新规则，以立体主义风格描绘人物等主题（见图1）。毕加索被认为是一位伟大的创意艺术家，原因之一是他提出了一个新观点，然后对其进行了详细展开：他的绘画遵循他所发明的立体主义的规则。

图1 立体派绘画的一个重要例子：巴勃罗·毕加索肖像。胡安·格里斯，1912年，布面油画，芝加哥艺术学院。

科学创造力与艺术、音乐、文学的创造力非常相似，科学家必须利用他们的想象力来提出解释。这些解释有据可依——它们不仅仅是猜测——但它们终究都是想象的产物，这点是事实。正如彼得·梅达沃（Peter Medawar）解释的那样，“科学家建构解释，讲个故事，并经过严格验证，看看它们是否真实”（Medawar，1984，第133页，强调原创）。梅达沃所说的“讲个故事”并不意味着科学家只是无中生有。他的意思是，科学家以一种有意义的方式将一些信息拼凑在一起，就像作家拼凑人物和事件的方式一样。但科学家的工作并不止于此。他们讲述的故事经过严格验证，看看在我们已知所有其他背景下是否成立。

科学创造力具体如何发挥作用，理解起来可能很困难。因此在本模块中，我们将研究生物学历史中的重大问题之一：遗传，即生物体如何继承父母的特征？这里提到的许多科学概念在其他模块中都有更详细的阐述，在这里我们重点关注“创造力如何帮助我们加深理解一个大问题”。

【考考自己】逻辑思维______。

a.是创造力的一部分

b.与创造力无关

分解大问题

几千年来，人们已经知道生物体会遗传父母的特征，并由此培育了具有特定特征的动物（如狗、马、羊、牛）。如果我们想要容易训练作为狩猎伙伴的狗，或者有黑点、长鼻子或其他什么的狗，我们就会培育具有这些特征的狗，因为我们知道它们的后代更有可能有类似的特征。经过几代这样的育种实践，我们通常可以培育出具有非常一致特征的动物——这就是为什么周围有这么多非常不同种类的狗（图2）。

图2 《科学》期刊2007年4月6日出版的第5821期第316卷的封面。

然而很明显，特征遗传是复杂的。我们都见过一些孩子看起来非常像父母之一，而另一些孩子则看起来像是两者的混合体。还有一些人可能看起来像他们的祖父母或叔叔阿姨的其中一人。

遗传如何发挥作用？如今，大多数人都熟悉基因和DNA的概念，我们从父母那里继承了基因，这些基因编码了各种特征，例如肤色和一些疾病。但在十九世纪，科学家对基因、染色体、DNA一无所知，他们要如何试图回答这个问题？这个问题太大了，无法一次性解决全部。因此科学家开始利用想象力将问题分解为更具体的问题。关于遗传如何发挥作用，人们可以提出许多更小、更具体的问题，例如：

“特征（比如头发颜色）有时会跨代遗传？”
“为什么有些后代看起来和父母很不一样？”
“一种特征的遗传会影响其他特征的遗传方式吗？”

科学家还需要想象，如何使用不同的研究方法来研究这些问题（请参阅“研究方法”模块）。靠着十九世纪中期的研究技术和知识，可以来解答简单的问题：“我们可以在遗传性状中观察到哪些规律？” 如果遗传的发生有明显的规律，产生这些规律所涉及的过程就进一步缩小了范围，就像你可以使用泥土痕迹的大小和形状来确定谁或什么动物刚穿过这个区域。

【考考自己】富有创造力的科学家能______。

a.给每件事都编个故事

b.想象多种方式去探究一个问题

观察豌豆的规律

奥地利僧侣格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）系统地研究了遗传模式。孟德尔曾在维也纳大学接受过物理和数学方面的培训，但他对生物学充满热情，并受到大学生物学老师的启发，试图“将生命现象简化为已知的物理和化学定律”（Schwartz，2008）（有关影响格雷戈尔·孟德尔科学事业的人的更多信息，请参阅“科学家与科学共同体”模块）。孟德尔偷偷地开始对白鼠和灰鼠进行杂交实验（这种做法当时并未完全获得教会的认可），并公开在他的修道院里对各种开花植物进行实验。

1854年，孟德尔选择用常见的豌豆（Pisum）进行实验。为什么选豌豆，而不是老鼠？首先，豌豆更容易繁殖。此外，孟德尔还能够培育出具有某些易于识别的特征的豌豆品种。例如，有些品种只产生黄色种子，而另一些品种只产生绿色种子；有些开红色的花，有些开白色的花。如果他将产生黄色种子的植物与产生绿色种子的植物杂交，他有信心预测这种杂交的所有后代都会产生黄色种子。如果他将所有带有黄色种子的后代杂交，大约 3/4 的下一代将产生黄色种子，而1/4将产生绿色种子。因此，后代仍然保留了带有绿色种子的亲本的特征，即使它们本身不产生绿色种子。因此，孟德尔提出了一个简单的模型，其中两个特征（每个父母各有一个）是遗传的，并参与决定性状（图3）（有关孟德尔定律的更多信息，请参阅“遗传学 I”）。

图 3：旁尼特方格（Punnet square）直观地展示了性状如何从父母传递给后代，虽然这并非孟德尔的发明。

尽管孟德尔清楚呈现这一规律适用于豌豆的七个性状，但其他性状却不遵循如此简单的规律。事实上，他后来对其他植物进行了类似的实验，但并不总能得到相同的结果。可见，遗传并不那么简单。尽管如此，各种生物体有足够多的特征被证明遵循孟德尔所发现的模式，最终科学家开始相信孟德尔已经发现了一些关于遗传的重要信息，即使存在其他复杂因素（Schwartz，2008）。

孟德尔豌豆的故事说明科学创造力的两个重要点。首先，创造力需要抽象。也就是说，即使现实世界非常复杂，一个有创造力的人也可以在精神上消除一些复杂性，以揭示主要解释他或她的观察结果的简单原理。孟德尔定律并不完美，但他被认为是一位伟大的科学家，因为他能够识别数据中的重要规律，而其他人可能会因为过于关注细节而错过这些规律。其次，富有创造力的科学家往往能够透过复杂的因素看到问题的本质，他们因此首先选择最简单的案例进行研究。这并不是懒惰。相反，通过研究最简单的案例，科学家可以构建简单的模型，然后再增加模型的复杂性。这正是孟德尔选择豌豆（Pisum）进行研究的原因，也正是他能够在数据中识别出如此重要规律的原因。

【考考自己】科学创造力很重要的一点是______。

a.抓住问题本质

b.抽象艺术创作

下一个问题

孟德尔简单的遗传规律并未立即被接受。事实上，好一段时间内，他的工作未被广泛知晓。但他确认的遗传规律对于回答另一个问题至关重要：将遗传性状从有机体传递给其后代的物理材料是什么？识别携带遗传信息的材料，科学家就能去更详细地研究该材料，并可能准确地了解性状是如何传递的。

科学家还是从最简单的开始——研究单细胞。1841年，显微镜学家罗伯特·雷马克 (Robert Remak) 收集到了新细胞是由先前存在的细胞分裂形成的证据 (Remak, 1841)。在细胞分裂过程中，细胞核似乎溶解到原来的原生质中，然后重新出现两个细胞核，产生的两个细胞各有一个。1874年，布雷斯劳大学的德国医生利奥波德·奥尔巴赫 (Leopold Auerbach) 表明，当卵细胞受精时，两个细胞的细胞核似乎会融合，然后细胞分裂开始 (Auerbach, 1874)。当德国动物学家奥斯卡·赫特维希（Oscar Hertwig）读到奥尔巴赫的论文时，他意识到第二个细胞核可能属于精子细胞。因此，当精子和卵细胞的细胞核融合在一起时，可能会发生父母双方遗传物质的交换。当赫特维希想到这个想法时，他立即抛开所有其他项目，开始研究海胆卵细胞受精（图4）。为什么是海胆？作为一名动物学家，赫特维格了解很多生物，他选择海胆有一个非常实际的原因：它们的卵细胞很大且半透明，因此在显微镜下相对容易看到海胆卵内部发生了什么。赫特维格和后来的研究表明，在细胞分裂过程中，细胞核溶解成称为“染色体”的线，然后沿着其长度分裂并在细胞分裂过程中分离。人们很快认识到，如果染色体携带细胞中的遗传信息，孟德尔的模型可能会提供它们在繁殖过程中行为的数学描述（Schwartz，2008）。（有关染色体的更完整描述，请参阅 “DNA I” 模块。）

图4 西瓜海胆（Echinus melo），产于阿尔盖罗卡波卡西亚（意大利撒丁岛）。

你可能会问，这些创造性洞察力的闪现从何而来，促使像奥斯卡·赫特维格这样的科学家急于研究西瓜海胆这些奇怪的东西。人们很容易对这种创造力抱有浪漫的看法，并含糊地将其解释为因为赫特维希和孟德尔是“天才”。然而，只有当科学家拥有大量的背景知识可供借鉴时，研究内容的创造力才有可能实现，这一概念将在“科学家与科学共同体”模块中进一步讨论。

【考考自己】科学家选择研究课题，创造力需要______。

a.天赋

b.背景知识

回到大问题

科学家一旦得出染色体携带遗传信息的结论，就能更仔细地研究它们。二十世纪初的化学家发现染色体是由蛋白质和一种叫做脱氧核糖核酸（简称DNA）的物质组成的。随后的实验表明，是DNA（而不是蛋白质）携带遗传密码（Schwartz，2008）。然而，遗传如何发挥作用仍然未知。直接解决这个大问题仍然不太可能。因此，科学家开始提出更具体但相关的问题。

重大突破来自于几位科学家提出的问题：“DNA的分子结构是什么样的？” 当化学家谈到“分子结构”时，他们谈论的是原子如何以特定的构型结合在一起。他们经常将原子想象成小球，将分子键想象成将球连接在一起的小棍。

科学家怎么能知道像原子这样小的东西如何组合在一起？事实证明，如果让某种物质结晶，然后向晶体发射X射线，晶体就会根据原子的排列将辐射衍射成不同的图案。1951年到1952年间，伦敦国王学院的罗莎琳德·富兰克林 (Rosalind Franklin) 获得了当时最高质量的结晶DNA的X射线衍射图。利用这些数据和其他数据，她能够快速找出分子结构的重要新信息（Elkins，2003）。

1953年，詹姆斯·沃森 (James Watson) 和弗朗西斯·克里克 (Francis Crick) 扩展了富兰克林的数据和见解。他们利用小球与小棒，建立了更完整的DNA结构模型。他们试着用不同方式组合小球与小棒，最终得到一个结构，能够解释他们所掌握的所有DNA信息。这个结构就像现在我们熟悉的双螺旋结构。他们的球棒模型让他们能解释埃尔文·查戈夫（Erwin Chargaff）之前的观察结果，即DNA中腺嘌呤的量始终等于胸腺嘧啶的量，而胞嘧啶的量始终等于鸟嘌呤的量（Watson & Crick，1953）（参见“DNA II” 模块，了解更多信息）。

一旦了解了DNA的结构，探究细胞分裂过程中物质如何传递就变得更容易了。沃森和克里克说，“我们没有注意到，我们假设的特定配对立即暗示了遗传物质的可能复制机制”（Watson and Crick，1953）。换句话说，他们认识到，该结构可以“解压”成单独的链，每条链都包含完整的遗传密码以便复制，这是研究染色体的科学家的观察结果。DNA结构的发现让科学家能够继续找出单个DNA分子的各个局部所调节的功能和特征。参与人类基因组计划的科学家从1990年到2003年对构成人类DNA的超过30亿个碱基对的序列进行了编目。科学家一直在利用这些数据来确定不同的DNA片段与各种人类特征的关系。

开发你的科学创造力

我们现在基本上知道遗传是如何运作的。尽管我们仍在努力理解复杂的因素（例如环境），这些因素可以改变孟德尔所看到的简单规律。我们可以获得这些知识，多亏科学家能将一个非常大的问题分解为更易于管理的部分，并利用他们的背景知识创造性地思考这些问题的答案。

作为一名科学家，要开发自己的创造力。首先要通过多种方式了解一个学科——阅读文献、熟悉材料，最重要的是与专家交谈。因为他们是专家，所以他们知道仍然存在的未解答的问题，并且对解决这些问题的技术有很好的了解。想具有创造力，还必须拥有丰富的知识。这似乎是一个悖论，但只有当你知道以前发生过什么时，才能产生新的知识。例如，如果你想找到治疗癌症的方法，你可能会像Hu等人（2009 年）一样研究“源自神秘外显子剪接的配体独立雄激素受体变体”，因为这些分子可能发出某种类型前列腺癌存在的信号，这可能会为你提供有关前列腺癌如何发展的线索。如果没有通过阅读科学文献获得大量背景知识，他们永远不会想出这样的研究课题。

培养科学创造力还包括通过提出“如果……那么……”的挑战问题、提出替代解决方案、跨学科来回答问题。如果前列腺癌是由你吃的东西引起的怎么办？我们将如何验证？其他还有哪些观点对于回答该问题可能很重要？“可解的艺术”涉及选择哪些“如果……那么……”问题可以真正得到解决，并创造性地找出回答这些问题的方法。

资料来源：

https://www.visionlearning.com/en/library/process-of-science/49/creativity-in-science/182

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References

Auerbach, L. (1874). Organologische Studien. Breslau: E. Morgenstern.
Elkins, L. O. (2003). Rosalind Franklin and the double helix. Physics Today, 56(3), 42-48.
Hu, R., Dunn, T. A., Wei, S., Isharwal, S., Veltri, R. W., Humphreys, E., . . . Luo, J. (2009). Ligand-independent androgen receptor variants derived from splicing of cryptic exons signify hormone-refractory prostate cancer. Cancer Research, 69(1), 16-22.
Medawar, P. B. (1984). Pluto's republic: Incorporating the art of the soluble and induction and intuition in scientific thought. Oxford: Oxford University Press.
Remak, R. (1841). Über Theilung rother Blutzellen beim Embryo. Med. Z. Ver. Heilk. Pr., 10, 127.
Schwartz, J. (2008). In pursuit of the gene: From Darwin to DNA. Cambridge, Mass.: Harvard University Press.
Tardif, T. Z., & Sternberg, R. J. (1988). What do we know about creativity? In R. J. Sternberg (Ed.), The nature of creativity: Contemporary psychological perspectives (pp. 429-440). Cambridge: Cambridge University Press.
Watson, J. D., & Crick, F. H. (1953). Molecular structure of nucleic acids: A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature, 171(4356), 737-738.

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来源: qq

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