Кижуч (Oncorhynchus kisutch) - удивительная рыба. Коренные жители тихоокеанского северо-запада, они начинают свою жизнь в пресноводных ручьях, а затем переселяются в открытый океан. Но когда кижуч достигает репродуктивного возраста, он возвращается в водный путь своего рождения, иногда преодолевая 400 миль (644 километра), чтобы добраться туда.
Введите покойного Артура Дэвиса Хаслера. Будучи экологом и биологом в Университете Висконсина, он был заинтригован вопросом о том, как эти существа находят свои родные ручьи. А в 1960 году он использовал основной принцип науки - гипотезу - чтобы выяснить это.
Так что же такое гипотеза? Гипотеза - это предварительное, поддающееся проверке объяснение наблюдаемого явления в природе. Гипотезы имеют узкий охват - в отличие от теорий, которые охватывают широкий спектр наблюдаемых явлений и опираются на множество различных линий доказательств. Между тем, прогноз - это результат, который вы ожидаете получить, если ваша гипотеза или теория верны.
Итак, вернемся в 1960 год, к Хаслеру и лососю. Одна непроверенная идея заключалась в том, что кижуч использовал зрение, чтобы определить местонахождение своих родных ручьев. Хаслер решил проверить это понятие (или гипотезу). Сначала он поймал несколько рыб, уже вернувшихся в родные ручьи. Затем он завязал глаза некоторым пленникам, но не всем, прежде чем выбросить своего лосося в дальний участок воды. Если гипотеза о зрении была верна, то Хаслер мог ожидать, что меньшее количество рыб с завязанными глазами вернется в свои родные водоемы.
Все пошло не так. Рыбы без повязок возвращались с той же скоростью, что и их собратья с завязанными глазами. (Другие эксперименты продемонстрировали, что запах, а не зрение, является ключом к способности вида ориентироваться.)
Хотя гипотеза Хаслера с завязанными глазами была опровергнута, другие оказались лучше. Сегодня мы рассмотрим три самых известных эксперимента в истории и гипотезы, которые они проверили.
Иван Павлов и его собаки (1903-1935)
Гипотеза: Если собаки восприимчивы к условным рефлексам (слюнотечение), то собака, которая регулярно подвергается воздействию одного и того же нейтрального стимула (метроном/звонок) до того, как получит пищу будет ассоциировать этот нейтральный стимул с актом еды. В конце концов, собака должна начать пускать слюни с предсказуемой скоростью, когда она сталкивается с указанным раздражителем, даже до того, как будет предложена какая-либо настоящая еда.
Эксперимент: Лауреат Нобелевской премии и откровенный критик советского коммунизма Иван Павлов является синонимом лучшего друга человека. В 1903 году ученый, родившийся в России, начал многолетнюю серию экспериментов с собаками и условными рефлексами.
Предложите голодной собаке тарелку с едой, и у нее потечет слюна. В этом контексте стимул (еда) автоматически вызывает определенную реакцию (слюнотечение). Последнее является врожденной, необученной реакцией на первое.
Напротив, ритмичный звук метронома или колокольчика является нейтральным раздражителем. Для собаки шум не имеет особого значения, и если животное никогда его раньше не слышало, звук не вызовет инстинктивной реакции. Но вид еды точно будет.
Поэтому, когда Павлов и его лаборанты проигрывали звук метронома/звонка перед кормлением, исследователи приучили подопытных собак мысленно связывать метроном/звонок с приемом пищи. Из-за многократного воздействия одного лишь шума у собак начинали течь слюни еще до того, как им давали еду.
Согласно «Ивану Павлову: русская жизнь в науке» биографа Дэниела П. Тодеса, большим новшеством Павлова здесь было его открытие, что он может количественно оценить реакцию каждого пса, измерив количество выделяемой им слюны. Каждый пес предсказуемо пускал слюни со своей постоянной скоростью, когда он или она сталкивались с персонализированным (и искусственным) сигналом, связанным с едой.
Павлов и его помощники использовали условные реакции и для проверки других гипотез о физиологии животных. В одном примечательном эксперименте собаку проверяли на ее способность определять время. Этот конкретный пес всегда получал пищу, когда слышал тиканье метронома со скоростью 60 ударов в минуту. Но он так и не получил еды после прослушивания более медленного ритма со скоростью 40 ударов в минуту. И вот, у животного Павлова началось выделение слюны в ответ на более быстрый ритм, но не на более медленный. Настолько четко, что можно было различить два ритмических удара.
Вердикт: При правильной подготовке - и большом терпении - вы можете заставить голодную собаку реагировать на нейтральные раздражители, выделяя слюну по сигналу способом, который предсказуем и научно обоснован. поддается количественной оценке.
Сияющие призмы Исаака Ньютона (1665)
Гипотеза: Если белый солнечный свет представляет собой смесь всех цветов видимого спектра - и они распространяются с разными длинами волн - тогда каждый цвет будет преломляться под другим углом, когда луч солнечного света проходит через стеклянную призму.
Эксперименты: Цвет был научной загадкой до появления Исаака Ньютона. Летом 1665 года он начал экспериментировать со стеклянными призмами в безопасной затемненной комнате в Кембридже, Англия.
Он вырезал круглое отверстие в четверть дюйма (0,63 сантиметра) в одном из оконных ставен, позволяя единственному лучу солнечного света проникнуть внутрь. Когда Ньютон поднес призму к этому лучу, на противоположную стену проецировалось продолговатое пятно разноцветного света.
Он содержал отдельные слои красного, оранжевого, желтого, зеленого, синего, индиго и фиолетового света. Высота этого участка сверху донизу составляла 13,5 дюймов (33,65 сантиметра), а ширина - всего 2,6 дюйма (6,6 сантиметра).
Ньютон пришел к выводу, что эти яркие цвета прятались внутри самого солнечного света, но призма искривляла (или «преломляла») их под разными углами, что отделяло цвета.
Тем не менее, он не был уверен на 100 процентов. Итак, Ньютон повторил эксперимент с одним небольшим изменением. На этот раз он взял вторую призму и заставил ее перехватить радужное пятно света. Как только преломленные цвета попадали в новую призму, они воссоединялись в круговой белый солнечный луч. Другими словами, Ньютон взял луч белого света, разбил его на множество разных цветов, а затем снова собрал. Какой классный трюк для вечеринки!
Вердикт: Солнечный свет действительно представляет собой смесь всех цветов радуги, и да, их можно разделить по отдельности с помощью преломления света.
Откровенная морская звезда Роберта Пейна (1963-1969)
Гипотеза: Если хищники ограничивают популяции организмов, на которые они нападают, то мы ожидаем, что виды-жертвы станут более распространенными после уничтожения крупного хищника.
Эксперимент: Познакомьтесь с Pisaster ochraceus, также известным как пурпурная морская звезда (или фиолетовая морская звезда, если хотите).
С помощью выдвижного желудка существо питается мидиями, блюдцами, ракушками, улитками и другими незадачливыми жертвами. На некоторых приморских скалах (и в приливных водоемах) вдоль побережья штата Вашингтон эта морская звезда является высшим хищником.
Животное сделало Роберта Пейна научной знаменитостью. Эколог по профессии, Пейн был очарован экологической ролью высших хищников. В июне 1963 года он начал амбициозный эксперимент в заливе Муккау в штате Вашингтон. В течение многих лет Пейн охранял скалистый участок этой береговой линии от морских звезд.
Это была тяжелая работа. Пейну приходилось регулярно выковыривать своенравных морских звезд из «своего» обнажения - иногда с помощью лома. Затем он бросал их в океан.
Перед экспериментом Пейн наблюдал за 15 различными видами животных и водорослей, обитающих в районе, который он решил проверить. К июню 1964 года, через год после того, как началась его чистка от морских звезд, это число упало до восьми.
Независимая от пурпурных морских звезд популяция ракушек резко возросла. Впоследствии их заменили калифорнийские мидии, которые стали доминировать на местности. Прикрепляясь к скалам в большом количестве, мидии вытеснили другие формы жизни. Это сделало обнажение необитаемым для большинства бывших жителей: даже губки, анемоны и водоросли - организмы, которые Pisaster ochraceus не ест - были в значительной степени выселены..
Все эти виды продолжали процветать на другом участке береговой линии, который Пейн оставил нетронутым. Более поздние эксперименты убедили его, что Pisaster ochraceus является «краеугольным камнем», существом, оказывающим несоразмерное влияние на окружающую среду. Удалите краеугольный камень, и вся система разрушится.
Вердикт: Хищники высшего уровня поражают не только животных, на которых они охотятся. Удаление главного хищника запускает цепную реакцию, которая может коренным образом изменить всю экосистему.
Интересно
Вопреки распространенному мнению, Павлов почти никогда не использовал колокольчики в своих экспериментах с собаками. Вместо этого он предпочитал метрономы, зуммеры, фисгармонии и электрошок.