การศึกษาชีววิทยา

  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             

สมมติฐานที่ตั้งขึ้น (คือคำอธิบายหรือคาดคะเนคำตอบที่สอดคล้องกับข้อเท็จจริงและปัญหา)

• 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