การศึกษาชีววิทยาของนักวิทยาศาสตร์
ชีววิทยาเป็นวิทยาศาสตร์แขนงหนึ่ง ดังนั้นการศึกษาทางชีววิทยาจึงต้องอาศัยวิธีการทางวิทยาศาสตร์ (scientific method) ซึ่งเป็นเครื่องมือในการสืบเสาะแสวงหาความจริงหรือความรู้ต่างๆ ในธรรมชาติของนักวิทยาศาสตร์ (scientists) หรือนักชีววิทยา (biologist) เพื่อให้เกิดความเจริญก้าวหน้าทางด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีซึ่งจะเป็นประโยชน์ต่อการดำรงชีวิตของมนุษย์ในปัจจุบันและอนาคตต่อไป วิธีการทางวิทยาศาสตร์ (scientific method) วิธีการทางวิทยาศาสตร์ เป็นวิธีการที่นักวิทยาศาสตร์ค้นคว้าหาความรู้ มีหลักเกณฑ์ และมีวิธีการพื้นฐาน ดังนี้
การกำหนดปัญหาที่ได้จากการสังเกต (problems and observation) ปัญหาเกิดขึ้นอยู่ตลอดเวลา แต่การตั้งปัญหาที่ดีนั้นกระทำได้ยากมาก แอลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน เชื้อสายยิวได้กล่าวว่า “การตั้งปัญหานั้นสำคัญกว่าการแก้ปัญหา” ทั้งนี้เนื่องจาก การตั้งปัญหาที่ดีและมีความชัดเจนย่อมนำไปสู่การแก้ปัญหาได้ เนื่องจากปัญหาที่ตั้งขึ้นจะมีความสัมพันธ์กับความรู้เดิมและข้อมูลที่รวบรวมไว้แล้วก็สามารถวางแผนในการแก้ปัญหาได้ การตั้งปัญหาที่ดีนั้นต้องเป็นปัญหาที่เป็นไปได้ มีคุณค่าต่อการค้นคว้าหาคำตอบ และสามารถวางแนวทางในการพิสูจน์เพื่อหาคำตอบได้ ส่วนปัญหาที่เลื่อนลอยและยากต่อการพิสูจน์หาความเป็นจริงนั้นเป็นปัญหาที่ไม่ดีและไม่มีคุณค่าทางวิทยาศาสตร์
การสังเกต (observation) เป็นลักษณะพื้นฐานอันดับแรกของนักวิทยาศาสตร์ ที่นำไปสู่ความอยากรู้อยากเห็น (curiosity) เมื่อสังเกตเห็นสิ่งใดสิ่งหนึ่งขึ้นมา ก็ทำให้อยากทราบว่าทำไมจึงเป็นเช่นนั้น ซึ่งก็คือเกิดปัญหาขึ้นนั่นเอง ซึ่งจะต้องมีกระบนการในการเสาะแสวงหา ค้นคว้าทางวิทยาศาสตร์ต่อไป ดังนั้นความเจริญก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ก็มาจากการสังเกต และความอยากรู้อยากเห็นนั่นเอง
การสังเกต เป็นการใช้ประสาทสัมผัสของร่างกาย ได้แก่ ตา หู จมูก ลิ้นและอวัยวะสัมผัส และการคิดของสมอง ดังนั้น คนที่สังเกตได้ดีจะต้องมีสมองที่ฉับไว สงสัยและอยากรู้อยากเห็นในสิ่งต่างๆ รอบตัวเสมอ ข้อสำคัญของการสังเกตอีกอย่างก็คือ อย่าเอาความคิดเห็นส่วนตัวไปอธิบายสิ่งทีได้จากการสังเกตเพราะจะทำให้ข้อเท็จจริงที่ได้จากการสังเกตไม่ตรงตามความเป็นจริง โดยมีการใส่ความคิดเห็นส่วนตัวของผู้สังเกตเข้าไปในข้อเท็จจริงนั้นๆ ด้วย
ศึกษาข้อเท็จจริงที่ได้จากการสังเกต ดังนี้
- ต้นหญ้าใต้ต้นไม้ใหญ่มักจะไม่เจริญงอกงาม
- ต้นหญ้าที่อยู่ใต้หลังคามักจะไม่เจริญงอกงาม
- ต้นหญ้าบริเวณใกล้เคียงดังกล่าว แต่ได้รับแสงสว่างเต็มที่ เจริญงอกงามดีถ้าหากนักเรียนใส่ความเห็นส่วนตัวลงไปด้วย อาจทำให้ได้ข้อเท็จจริงจากการสังเกตเป็นดังนี้
- ต้นหญ้าใต้ต้นไม้ใหญ่และใต้หลังคามักจะไม่งอกงาม เนื่องจากไม่ได้รับแสงจึงสังเคราะห์ด้วยแสงไม่ได้ และถูกต้นไม้ใหญ่แย่งอาหาร
- ต้นหญ้าบริเวณใกล้เคียง แต่ได้รับแสงสว่างเต็มที่ เจริญงอกงามดี เนื่องจากคลอโรฟีลล์ที่อยู่ในใบ สังเคราะห์ ด้วยแสงได้ดีจึงทำให้เจริญงอกงาม เป็นต้น
อเล็กซานเดอร์ เฟลมิง (Alexander Fleming) นักจุลชีววิทยาชาวอังกฤษได้สังเกตพบว่า แบคทีเรียในจานเพาะเชื้อไม่เจริญ ถ้าหามีราสีเขียวที่ชื่อ ราเพนิซิลเลียม (Penicillium sp.) เจริญอยู่ด้วยและยังพบอีกว่า ราเพนิซิลเลียมสามารถยับยั้งการเจริญของเชื้อแบคทีเรียได้ จึงทำให้เกิดปัญหาขึ้นว่า ทำไมจึงเป็นเช่นนั้น จึงทำให้เฟลมิง ศึกษาค้นคว้าจนพบว่า ราเพนิซิลเลียมสร้างสารปฏิชีวนะ เพนิซิลลิน (Penicillin) ออกมายับยั้งการเจริญของแบคทีเรียได้ และเป็นประโยชน์อย่างใหญ่หลวง ต่อมนุษยชาติในเวลาต่อมา เฟลมิงโชคดีที่บังเอิญพบเหตุการณ์ดังข้างต้นนั้น ซึ่งในสภาพจริงๆ แล้วในธรรมชาติจะเกิดเหตุการณ์ตางๆ มากมายแต่ทำไมหลายๆ คนไม่มีโอกาสค้นพบได้เลย ดังนั้นผู้ที่ค้นพบเหตุการณ์ต่างๆ ได้จะต้องเป็นบุคคลที่ช่างสังเกต ช่างคิด อยากรู้อยากเห็น ชอบค้นคว้าหาคำตอบเท่านั้นจึงจะหยิบยกเหตุการณ์เหล่านั้นมาเป็นของตนได้ การสังเกตที่ลึกซึ้งทางวิทยาศาสตร์ในสิ่งที่ประสาทสัมผัสทั้งห้าไม่สามารถรับรู้ได้ จะต้องมีการใช้เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์และสารเคมีต่างๆ เข้าช่วย เช่นการสังเกตเซลล์แบคทีเรีย ต้องใช้กล้องจุลทรรศน์หรือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเข้าช่วย และอาจต้องมีการย้อมสีเพื่อให้เห็นชัดเจนขึ้นด้วย
การตั้งสมมติฐาน (creative hypothesis) เป็นการพยายามหาคำตอบหรือคำอธิบาย ซึ่งอาจเกิดจากการคาดคะแน หรือสมมติขึ้นมา ซึ่งอาจเป็นจริงหรือไม่จริงก็ได้ ดังนั้นสมมติฐานจึงเป็นคำตอบปัญหาชั่วคราว หรือการคาดคะเนที่ต้องมีการพิสูจน์หาเหตุผลประกอบอีกเพื่อให้แน่ใจว่า สมมติฐานนั้นเป็นจริง การตั้งสมมติฐานที่ดีจึงเป็นสิ่งสำคัญ เพราะสามารถอธิบายถึงปัญหาได้อย่างชัดเจนถูกต้อง โดยการแสดงความสัมพันธ์ระหว่างข้อมูลหรือข้อเท็จจริงต่างๆ ที่เกิดจากการสังเกต เช่น ข้อมูลจากการสังเกต (เป็นข้อเท็จจริง) “ปลาที่เลี้ยงไว้ในตู้ปลาตายหมด” ปัญหาที่ได้จากการสังเกต คือ ทำไมปลาจึงตาย
|
- ปลาตายเพราะขาดออกซิเจน
- ปลาตายเพราะขาดอาหาร
- ปลาตายเพราะเป็นโรคบางอย่าง
- ปลาตายเพราะน้ำเน่าเสีย
จะเห็นได้ว่า ข้อมูลจากการสังเกตซึ่งก่อให้เกิดปัญหาเพียงปัญหาเดียว สามารถตั้งสมมติฐานได้หลายอย่าง ซึ่งแต่ละอย่างก็เป็นเพียงการคาดคะเนเท่านั้น ยังไม่เป็นที่ยอมรับ จนกว่าจะมีการทดสอบสมมติฐานนั้นอย่างรอบคอบเสียก่อน การตั้งสมมติบาน นิยมใช้คำว่า
“ถ้า_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ดังนั้น” _ _ _ _ __ _ _ _
เช่น ข้อเท็จจริงที่ได้จากการสังเกต
- ต้นหญ้าใต้ต้นไม้ใหญ่มักไม่เจริญงอกงาม
- ต้นหญ้าที่อยู่ใต้หลังคามักไม่เจริญงอกงาม
- ต้นหญ้าบริเวณใกล้เคียงที่ดังกล่าว แต่ได้รับแสงเต็มที่จะเจริญงอกงามดี
ปัญหาของสถานการณ์ คือ “แสงสว่างเกี่ยวข้องกับการเจริญงอกงามของหญ้าหรือไม่” สมมติฐานจะเป็น ดังนี้ “ถ้า แสงสว่างเกี่ยวข้องกับการเจริญงอกงามของหญ้า ดังนั้น หญ้าที่ได้รับแสงสว่างจะเจริญงอกงาม” หรือ “ถ้า แสงสว่างไม่เกี่ยวข้องกับการเจริญงอกงามของหญ้า ดังนั้น หญ้าที่ไม่ได้รับแสงสว่างจะเจริญงอกงามเมื่อรวมสองสมมติฐานเข้าด้วยกัน “ถ้า แสงสว่างเกี่ยวข้องกับการเจริญงอกงามของหญ้า ดังนั้น หญ้าที่ได้รับแสงสว่างจะเจริญงอกงามและหญ้าที่ไม่ได้รับแสงสว่างจะไม่เจริญงอกงาม”
การตรวจสอบสมมติฐาน (testing the hypothesis) สมมติฐานที่ตั้งขึ้นอาจมีหนึ่งหรือมากกว่าก็ได้ ต่อจากนั้นจึงนำสมมติฐานมาตรวจสอบข้อมูลและความสัมพันธ์ต่างๆ ดูว่า สมมติฐานนั้นอันใดน่าจะเป็นจริงและอันใดไม่น่าจะเป็นจริงหรือเป็นไปได้ยากมาก ต่อจากนั้นจึงสมมติฐานที่น่าจะเป็นไปได้มาศึกษาเพิ่มเติมเพื่อหาข้อสนับสนุน หรือคัดค้านสมมิฐานนั้นว่าสามารถอธิบายปัญหาได้หรือไม่อย่างไร การตรวจสอบสมมติฐานนของนักวิทยาศาสตร์มักใช้ วิธีการทดลอง (experiment) สำรวจ (survey) หรือการค้นคว้าเพิ่มเติมจากผลงานวิจัยที่มีผู้ทำการศึกษามาก่อนแล้ว หรือใช้ทั้ง 3 อย่างประกอบกันประเมินดูว่า สมมติฐานที่ตั้งไว้นั้นเป็นจริงได้หรือไม่เพียงใด
การทดลองเป็นวิธีการที่นักวิทยาศาสตร์ใช้กันมาก การทดลงที่เชื่อถือได้โดยไม่มีข้อโต้แย้งจะต้องเป็นการทดลองการควบคุม (controlled experiment) ซึ่งหมายถึง การทดลองที่ต้องมีการควบคุมตัวแปรหรือปัจจัยต่างๆ ยกเว้น ปัจจัยที่ต้องการทดสอบเท่านั้น การวางแผนการทดลองควบคุม เช่น
เราศึกษาเรื่อง “แสงสว่างมีความจำเป็นต่อการเจริญเติบโต ของพืชหรือไม่” ผู้ทดลองจะต้องกำหนดชนิดของพืช อายุ ขนาด และความแข็งแรงของพืชให้พอๆ กัน ต่อจากนั้น แบ่งพืชออกเป็น 2 กลุ่ม คือ
1.กลุ่มทดลอง (experiment group) คือกลุ่มพืชที่ไม่ได้รับแสงสว่าง
2.กลุ่มควบคุม (control group) คือกลุ่มพืชที่ไดรับแสงสว่างเป็นปกติ
ในระหว่างทำการทดลองนี้ พืชจะต้องได้รับปัจจัยต่างๆ เท่าเทียมกัน เช่น วิธีการปลูก เวลาปลูก ชนิดของดิน ปุ๋ย น้ำ อุณหภูมิ ฯลฯ ต่างกันเฉพาะแสงสว่างเท่านั้น การพิจารณาว่ากลุ่มใดเป็นกลุ่มทดลองหรือกลุ่มควบคุมนั้น โดยทั่วไปจะถือเอากลุ่มที่เป็นปกติตามสภาพธรรมชาติเป็นกลุ่มควบคุม ส่วนกลุ่มที่ทำให้แตกต่างจากสภาพธรรมชาติไปเป็นกลุ่มทดลอง
ตัวแปร (variable) คือ ปัจจัยต่างๆ ที่มีผลต่อการทดลอง เช่น การปลูกพืช ตัวแปรก็คือชนิดของดิน น้ำ ปริมาณแสงสว่างที่พืชได้รับ อุณหภูมิ ปุ๋ย ฯลฯ เป็นต้น ตัวแปรมี 3 ชนิด คือ
1.ตัวแปรอิสระ (independent variable) คือ ตัวแปรที่เราต้องการศึกษาโดยผู้ทำการทดลองเป็นผู้กำหนด เช่น เราศึกษาเรื่อง “แสงสว่างมีความจำเป็นต่อการเจริญเติบโตของพืชหรือไม่” แสงสว่างจะต้องเป็นตัวแปรอิสระ หรือถ้าศึกษาเรื่อง ชนิดของดินมีอิทธิพลต่อการเจริญงอกงามของต้นกุหลาบหรือไม่” ในที่นี้ตัวแปรอิสระคือ ชนิดของดิน
2.ตัวแปรตาม (dependent variable) คือ ตัวเปรที่แปรเปลี่ยนไปตามตัวอิสระ เช่น จากตัวอย่างในเรื่องตัวแปรอิสระ ตัวแปรตาม คือ อัตราการเจริญเติบโตของพืช และอัตราการเริญงอกงามของต้นกุหลาบ โดยที เมื่อปริมาณแสงสว่างเปลี่ยนแปลงไป อัตราการเจริญเติบโตของพืชก็เปลี่ยนแปลงไปด้วย หรือ เมื่อชนิดของดินเปลี่ยนแปลงไป อัตราการเจริญงอกงามของต้นกุหลาบก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย
3.ตัวแปรคงที่ หรือตัวแปรที่ต้องควบคุม (controlled variable) คือตัวแปร อื่นๆ ที่เราไม่ต้องการให้มีผลต่อการทดลอง ต้องควบคุมตลอดการทดลอง เช่นเรื่อง “แสงสว่างมีความจำเป็นต่อการเจริญเติบโตของพืชหรือไม่” ตัวแปรที่ต้องควบคุมคือ ชนิดของดิน อุณหภูมิ ปริมาณน้ำ ชนิดของพืช ขนาดที่ใช้ในการปลูก ฯลฯ โดยต่างกันเรื่องเดียว คือ เรื่องแสงสว่างที่เป็นตัวแปรอิสระ
การเก็บรวมรวมข้อมูลและวิเคราะห์ข้อมูล (collecting data and analysis data) เมื่อจบการทดลอง เราจะได้ข้อมูลหรือผลการทดลองออกมา ผลการทดลองก็คือข้อเท็จจริง จากการทดลองนั่นเอง การแปรผลและสรุปผลการทดลองก็คือการวิเคราะห์ (analysis) ผลการทดลองนั้นว่ามีความเป็นไปได้ตามสมมติฐานที่ตั้งไว้หรือไม่
สรุปผลการทดลอง (conclusion) เมื่อเก็บข้อมูลและวิเคราะห์ข้อมูลแล้วจึงแปรผล และสรุปผลการทดลองเพื่อเป็นคำตอบของปัญหาต่อไป เช่น การทดลองเรื่องการปลูกพืชในที่มีแสงสว่างและไม่มีแสงสว่าง ผลการทดลองคือ พืชที่ได้รับแสงสว่างเจริญงอกงามดี ส่วนพืชที่ไม่ได้รับแสงสว่างจะค่อยๆ ตายไป จนหมดทั้งแปลงเราก็สามารถสรุปเพื่อตอบปัญหาได้ว่า “แสงสว่างมีความจำเป็นต่อการเจริญเติบโตของพืช” เป็นต้น
กฎ (law) คือ ความจริงพื้นฐาน (principle) โดยมีความเป็นจริงในตัวของมันเองสามารถทดสอบได้และได้ผลเหมือนเดิมทุกครั้งโดยไม่ข้อโต้แย้ง เช่น กฎความต้องการต่ำสุดของลีบิก (Lie big’s law of the minimum) กฎแห่งความทนทานต่อสภาพการเปลี่ยนแปลงของเชลฟอร์ด (Sheldford’s law of tolerance) กฎการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมของเมนเดล (Mendel’s law)
ทฤษฎี (theory) คือ สมมติฐานที่ได้รับการตรวจสอบและทดลองหลายครั้งหลายหนจนสามารถอธิบายข้อเท็จจริง สามารถคาดคะเนทำนายเหตุการณ์ทั่วๆ ไปที่เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ชนิดเดียวกันนั้น ทฤษฎีที่เป็นที่ยอมรับกันแล้ว คือทฤษฎีเซลล์ (the cell theory) ทฤษฎีวิวัฒนาการ (the evolution theory)ทฤษฎีประชากรของมอลทัส (Maltus population theory) ทฤษฎียีน (the gene theory) เป็นต้น
