علم الأحياء – كيمياء الحياة

بالنظر إلى الأرض من الفضاء، لا تقدم أي أدلة حول تنوع أشكال الحياة الموجودة هناك. يعتقد العلماء أن الأشكال الأولى للحياة على الأرض كانت كائنات دقيقة كانت موجودة لمليارات السنين في المحيط قبل ظهور النباتات والحيوانات. الثدييات والطيور والزهور المألوفة لنا جميعًا حديثة نسبيًا، نشأت منذ 130 إلى 250 مليون سنة. أقدم ممثلو جنس الإنسان، الذي ننتمي إليه، قد سكنوا هذا الكوكب منذ 2.5 مليون سنة فقط، وفي آخر 300 ألف سنة فقط بدأ البشر في الظهور كما نفعل اليوم.

كيمياء الحياة

القسم الأول: دراسة الحياة

شكل 1.1: صورة ناسا مركبة من عدة صور للأرض تعتمد على الأقمار الصناعية. لعمل صورة لكامل الأرض، يجمع علماء ناسا ملاحظات لأجزاء مختلفة من الكوكب. (المصدر: NASA / GSFC / NOAA / USGS)

مخطط القسم

• 1.1 علم الأحياء
• 1.2 مواضيع ومفاهيم علم الأحياء

علم الأحياء

أهداف التعلم

بنهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

• تحديد الخصائص المشتركة للعلوم الطبيعية
• تلخيص خطوات المنهج العلمي
• مقارنة الاستدلال الاستقرائي بالمنطق الاستنتاجي
• وصف أهداف العلوم الأساسية والعلوم التطبيقية

الشكل 1.2: كانت تسمى سابقًا الطحالب الخضراء المزرقة، (أ) البكتيريا الزرقاء، المكبرة 300 ضعف تحت المجهر الضوئي، وهي من أقدم أشكال الحياة على الأرض. (ب) stromatolites على طول شواطئ بحيرة Thetis في غرب أستراليا هي هياكل قديمة تشكلت من خلال طبقات البكتيريا الزرقاء في المياه الضحلة. (المصدر أ: وكالة ناسا؛ ب: بواسطة روث إليسون؛ بيانات مقياس الرسم من مات راسل).

ما هو علم الأحياء؟ بعبارات بسيطة، علم الأحياء هو دراسة الحياة. هذا تعريف واسع جدًا لأن نطاق علم الأحياء واسع. قد يدرس علماء الأحياء أي شيء من المنظر المجهري أو دون المجهر للخلية إلى النظم البيئية والكوكب الحي بأكمله (الشكل 1.2). عند الاستماع إلى الأخبار اليومية، ستدرك بسرعة عدد جوانب علم الأحياء التي نناقشها كل يوم. على سبيل المثال، تشمل الموضوعات الإخبارية الأخيرة انتشار الإشريكية القولونية (الشكل 1.3) في تلوث السبانخ والسالمونيلا في زبدة الفول السوداني. تشمل الموضوعات الأخرى الجهود المبذولة لإيجاد علاج للإيدز ومرض الزهايمر والسرطان. على المستوى العالمي، يلتزم العديد من الباحثين بإيجاد طرق لحماية الكوكب وحل المشكلات البيئية وتقليل آثار تغير المناخ. ترتبط كل هذه المساعي المتنوعة بجوانب مختلفة من تخصص علم الأحياء.

الشكل 1.3 إن بكتيريا الإشريكية القولونية Escherichia coli (E. coli)، في هذا التصوير المجهري الإلكتروني الماسح، هي مجموعة سكان طبيعيون في قنواتنا الهضمية التي تساعد في امتصاص فيتامين K والعناصر الغذائية الأخرى. ومع ذلك، تكون السلالات الخبيثة مسؤولة في بعض الأحيان عن تفشي الأمراض. (المصدر: إريك إيرب، التلوين الرقمي لكريستوفر بولي، وكلاهما من وزارة الزراعة الأمريكية، وARS، وEMU)

عملية العلم

علم الأحياء هو علم، ولكن ما هو العلم بالضبط؟ ما الذي تشترك فيه دراسة علم الأحياء مع التخصصات العلمية الأخرى؟ يمكننا تعريف العلم (من العلم باللغة اللاتينية، بمعنى “المعرفة”) على أنه معرفة تغطي الحقائق العامة أو عمل القوانين العامة، خاصة عندما يتم اكتسابها واختبارها بالطريقة العلمية. يتضح من هذا التعريف أن تطبيق المنهج العلمي يلعب دورًا رئيسيًا في العلوم. الطريقة العلمية هي طريقة بحث ذات خطوات محددة تشمل التجارب والملاحظة الدقيقة.

سوف ندرس خطوات المنهج العلمي بالتفصيل لاحقًا، ولكن أحد أهم جوانب هذه الطريقة هو اختبار الفرضيات عن طريق التجارب القابلة للتكرار. الفرضية هي تفسير مقترح لحدث ما، يمكن للمرء اختباره. على الرغم من أن استخدام المنهج العلمي متأصل في العلم، إلا أنه غير كافٍ في تحديد ماهية العلم. هذا لأنه من السهل نسبيًا تطبيق المنهج العلمي على تخصصات مثل الفيزياء والكيمياء، ولكن عندما يتعلق الأمر بتخصصات مثل علم الآثار وعلم النفس والجيولوجيا، تصبح الطريقة العلمية أقل قابلية للتطبيق حيث يصبح تكرار التجارب أكثر صعوبة.

ومع ذلك، لا تزال مجالات الدراسة هذه عبارة عن علوم. لنأخذ في الاعتبار علم الآثار، فعلى الرغم من عدم تمكن المرء من إجراء تجارب قابلة للتكرار، إلا أن الفرضيات قد لا تزال مدعومة. على سبيل المثال، يمكن لعلماء الآثار افتراض وجود ثقافة قديمة بناءً على العثور على قطعة من الفخار. يمكنهم وضع المزيد من الفرضيات حول الخصائص المختلفة لهذه الثقافة، والتي يمكن أن تكون صحيحة أو خاطئة من خلال الدعم المستمر أو التناقضات من النتائج الأخرى. قد تصبح الفرضية نظرية تم التحقق منها. النظرية هي تفسير تم اختباره وتأكيده للملاحظات أو الظواهر. لذلك، قد يكون من الأفضل تحديد العلم كمجالات دراسة تحاول فهم طبيعة الكون.

العلوم الطبيعية

ماذا تتوقع أن تراه في متحف العلوم الطبيعية؟ ضفادع؟ نباتات؟ هياكل عظمية لديناصورات؟ معروضات حول كيفية عمل الدماغ؟ القبة السماوية؟ الأحجار الكريمة والمعادن؟ ربما كل ما سبق؟ يشمل العلم مجالات متنوعة مثل علم الفلك وعلم الأحياء وعلوم الكمبيوتر والجيولوجيا والمنطق والفيزياء والكيمياء والرياضيات (الشكل 1.4). ومع ذلك، ينظر العلماء إلى تلك المجالات العلمية المتعلقة بالعالم المادي وظواهره وعملياته باعتبارها العلوم الطبيعية. وبالتالي، قد يحتوي متحف العلوم الطبيعية على أي من العناصر المذكورة أعلاه.

شكل 1.4: يشمل تنوع المجالات العلمية علم الفلك، وعلم الأحياء، وعلوم الكمبيوتر، والجيولوجيا، والمنطق، والفيزياء، والكيمياء، والرياضيات والعديد من المجالات الأخرى. (المصدر: محرر الصور / فليكر).

ومع ذلك، لا يوجد اتفاق كامل عندما يتعلق الأمر بتحديد ما تشمله العلوم الطبيعية. بالنسبة لبعض الخبراء، فإن العلوم الطبيعية هي علم الفلك وعلم الأحياء والكيمياء وعلوم الأرض والفيزياء. يختار علماء آخرون تقسيم العلوم الطبيعية إلى علوم الحياة، والتي تدرس الكائنات الحية وتشمل علم الأحياء، والعلوم الفيزيائية، التي تدرس المواد غير الحية وتشمل علم الفلك والجيولوجيا والفيزياء والكيمياء. بعض التخصصات مثل الفيزياء الحيوية والكيمياء الحيوية مبنية على علوم الحياة والعلوم الفيزيائية وهي متعددة التخصصات. يشير البعض إلى العلوم الطبيعية على أنها “علم صعب” لأنهم يعتمدون على استخدام البيانات الكمية. من المرجح أن تستخدم العلوم الاجتماعية التي تدرس المجتمع والسلوك البشري التقييمات النوعية لدفع التحقيقات والنتائج.

ليس من المستغرب أن يكون لـ علم الأحياء الطبيعي العديد من الفروع أو التخصصات الفرعية. يدرس علماء الأحياء المتخصصون في بيولوجيا الخلية بنية الخلية ووظيفتها، بينما يبحث علماء الأحياء الذين يدرسون علم التشريح في بنية الكائن الحي بأكمله. ومع ذلك، يركز علماء الأحياء الذين يدرسون علم وظائف الأعضاء على الأداء الداخلي للكائن الحي. تركز بعض مجالات علم الأحياء على أنواع معينة فقط من الكائنات الحية. على سبيل المثال، يستكشف علماء النبات النباتات، بينما يتخصص علماء الحيوان في الحيوانات.

التفكير العلمي

هناك شيء واحد مشترك بين جميع أشكال العلم: الهدف النهائي “المعرفة”. الفضول والاستفسار هما القوى الدافعة لتطور العلم. يسعى العلماء إلى فهم العالم والطريقة التي يعمل بها. للقيام بذلك، يستخدمون طريقتين من التفكير المنطقي: الاستدلال الاستقرائي والاستنتاج المنطقي.

الاستدلال الاستقرائي Inductive Reasoning هو شكل من أشكال التفكير المنطقي الذي يستخدم الملاحظات ذات الصلة للوصول إلى نتيجة عامة. هذا النوع من التفكير شائع في العلوم الوصفية. يقوم عالِم الحياة مثل عالِم الأحياء بتدوين الملاحظات وتسجيلها. يمكن أن تكون هذه البيانات نوعية أو كمية، ويمكن للمرء أن يكمل البيانات الأولية بالرسومات أو الصور أو الأشكال أو مقاطع الفيديو. من خلال العديد من الملاحظات، يمكن للعالِم أن يستنتج الاستنتاجات (الاستقراء) بناءً على الأدلة.

يتضمن الاستدلال الاستقرائي صياغة التعميمات المستخلصة من الملاحظة الدقيقة وتحليل كمية كبيرة من البيانات. تقدم دراسات الدماغ مثالاً على ذلك. في هذا النوع من البحث، يلاحظ العلماء العديد من الأدمغة الحية أثناء انخراط الناس في نشاط معين، مثل مشاهدة صور الطعام. ثم يتوقع العالم أن يكون الجزء من الدماغ الذي “يضيء” أثناء هذا النشاط هو الجزء الذي يتحكم في الاستجابة للمحفز المختار، في هذه الحالة، صور الطعام. يؤدي الامتصاص الزائد لمشتقات السكر المشعة من قبل المناطق النشطة في الدماغ إلى “إضاءة” المناطق المختلفة. يستخدم العلماء ماسحًا ضوئيًا لمراقبة الزيادة الناتجة في النشاط الإشعاعي. بعد ذلك، يمكن للباحثين تحفيز ذلك الجزء من الدماغ لمعرفة ما إذا كانت هناك استجابات مماثلة.

الاستدلال الاستنتاجي أو المنطقي Deductive Reasoning هو نوع المنطق المستخدم في العلوم القائمة على الفرضيات. في الاستدلال الاستنتاجي، يتحرك نمط التفكير في الاتجاه المعاكس مقارنة بالاستدلال الاستقرائي. الاستدلال الاستنتاجي هو شكل من أشكال التفكير المنطقي الذي يستخدم مبدأ عام أو قانونًا للتنبؤ بنتائج محددة. من هذه المبادئ العامة، يمكن للعالِم أن يستنتج ويتنبأ بالنتائج المحددة التي ستكون صالحة طالما أن المبادئ العامة صالحة. يمكن أن توضح الدراسات في تغير المناخ هذا النوع من التفكير. على سبيل المثال، قد يتوقع العلماء أنه إذا أصبح المناخ أكثر دفئًا في منطقة معينة، فيجب أن يتغير توزيع النباتات والحيوانات.

العلم الوصفي والعلوم القائمة على الفرضيات

يرتبط كلا النوعين من التفكير المنطقي بالمسارين الرئيسيين للدراسة العلمية: العلم الوصفي والعلوم القائمة على الفرضيات. يهدف العلم الوصفي (أو الاكتشاف)، والذي عادة ما يكون استقرائيًا، إلى الملاحظة والاستكشاف والاكتشاف، بينما يبدأ العلم القائم على الفرضيات، والذي يكون عادةً استنتاجيًا، بسؤال أو مشكلة محددة وإجابة أو حل محتمل يمكن للمرء اختباره. غالبًا ما تكون الحدود بين هذين الشكلين من الدراسة غير واضحة، ومعظم المساعي العلمية تجمع بين كلا النهجين. تصبح الحدود الضبابية واضحة عند التفكير في مدى سهولة أن تؤدي الملاحظة إلى أسئلة محددة. على سبيل المثال، لاحظ رجل نبيل في الأربعينيات من القرن الماضي أن بذور الأزيز التي التصقت بملابسه وفراء كلبه لها هيكل خطاف صغير. عند الفحص الدقيق، اكتشف أن جهاز إمساك النتوءات كان أكثر موثوقية من السوستة. لقد جرب أخيرًا للعثور على أفضل المواد التي تتصرف بالمثل، وأنتج قفل الخطاف والحلقة المعروف اليوم باسم Velcro. إن العلم الوصفي والعلوم القائمة على الفرضيات في حوار مستمر.

الطريقة العلمية

يدرس علماء الأحياء العالم الحي من خلال طرح أسئلة حوله والبحث عن إجابات علمية. يُعرف هذا النهج بالطريقة العلمية، وهو شائع في العلوم الأخرى أيضًا. تم استخدام المنهج العلمي حتى في العصور القديمة، ولكن السير فرانسيس بيكون الإنجليزي (1561–1626) هو أول من وثّق المنهج العلمي، (الشكل 1.5). أنشأ طرقًا استقرائية للبحث العلمي. لا يستخدم علماء الأحياء فقط الطريقة العلمية؛ بل يمكن للباحثين من جميع مجالات الدراسة تقريبًا تطبيقه كطريقة منطقية وعقلانية لحل المشكلات.

الشكل 1.5 يرجع المؤرخون إلى السير فرانسيس بيكون (1561–1626) باعتباره أول من حدد المنهج العلمي. (المصدر: بول فان سومر)

تبدأ العملية العلمية عادةً بملاحظة (غالبًا ما تكون مشكلة يجب حلها) تؤدي إلى سؤال. دعونا نفكر في مشكلة بسيطة تبدأ بملاحظة ونطبق الطريقة العلمية لحل المشكلة. في صباح أحد أيام الإثنين، يصل طالب إلى الفصل ويكتشف بسرعة أن الفصل دافئ جدًا. هذه ملاحظة تصف أيضًا مشكلة: حجرة الدراسة دافئة جدًا. ثم يسأل الطالب سؤالاً: “لماذا الفصل دافئ جدًا؟”

اقتراح فرضية

تذكر أن الفرضية هي تفسير مقترح يمكن للمرء اختباره. لحل مشكلة ما، يمكن للمرء أن يقترح عدة فرضيات. على سبيل المثال، قد تكون إحدى الفرضيات، “الفصل الدراسي دافئ نظرًا لعدم تشغيل مكيف الهواء”. ومع ذلك، يمكن أن تكون هناك إجابات أخرى على السؤال، وبالتالي قد يقترح المرء فرضيات أخرى. قد تكون الفرضية الثانية، “الفصل الدراسي دافئ بسبب انقطاع التيار الكهربائي، وبالتالي لا يعمل تكييف الهواء”.

بمجرد أن يختار المرء فرضية معينة، يمكن للطالب أن يقوم بالتنبؤ. يتشابه التنبؤ مع الفرضية ولكنه عادةً ما يكون بالتنسيق “إذا كان كذا … فإنه كذا …”. على سبيل المثال، قد يكون التنبؤ للفرضية الأولى، “إذا قام الطالب بتشغيل مكيف الهواء، فلن يكون الفصل الدراسي دافئًا جدًا”.

اختبار الفرضية

يجب أن تكون الفرضية الصالحة قابلة للاختبار. كما يجب أن تكون قابلة للرفض أو أن تكون خاطئة، مما يعني أن النتائج التجريبية يمكن أن تدحضها. الأهم من ذلك، لا يدعي العلم “إثبات” أي شيء لأن الفهم العلمي يخضع دائمًا للتعديل بمزيد من المعلومات. هذه الخطوة – الانفتاح على دحض الأفكار – هي ما يميز العلوم عن غير العلوم. وجود ما هو فوق الطبيعي، على سبيل المثال، ليس قابلاً للاختبار ولا يمكن أن يكون خطأ. لاختبار الفرضية، سيجري الباحث تجربة واحدة أو أكثر مصممة لفصل فرضية واحدة أو أكثر. سيكون لكل تجربة متغير واحد أو أكثر وعنصر تحكم واحد أو أكثر. المتغير هو أي جزء من التجربة يمكن أن يتغير أو يتبدل أثناء التجربة. تحتوي المجموعة الضابطة على كل سمة من سمات المجموعة التجريبية باستثناء عدم إعطاء التلاعب الذي يفترضه الباحث. لذلك، إذا اختلفت نتائج المجموعة التجريبية عن المجموعة الضابطة، فيجب أن يكون الاختلاف بسبب التلاعب المفترض، وليس بعض العوامل الخارجية.

في البحث عن المتغيرات والضوابط في الأمثلة التالية. لاختبار الفرضية الأولى، سيكتشف الطالب ما إذا كان مكيف الهواء قيد التشغيل. إذا تم تشغيل التكييف ولكنه لا يعمل فيجب أن يكون هناك سبب آخر ويجب على الطالب رفض هذه الفرضية. لاختبار الفرضية الثانية، يمكن للطالب التحقق مما إذا كانت الأضواء في الفصل تعمل أم لا. إذا كان الأمر كذلك، فلا يوجد انقطاع في التيار الكهربائي ويجب على الطالب رفض هذه الفرضية. يجب على الطلاب اختبار كل فرضية من خلال إجراء التجارب المناسبة. اعلم أن رفض إحدى الفرضيات لا يحدد ما إذا كان بإمكان المرء قبول الفرضيات الأخرى أم لا. إنه ببساطة يلغي فرضية واحدة غير صالحة (الشكل 1.6). باستخدام المنهج العلمي يرفض الطالب الفرضيات غير المتوافقة مع البيانات التجريبية.

في حين أن مثال “الفصل الدراسي الدافئ” هذا يعتمد على نتائج الملاحظة، فقد يكون لدى الفرضيات والتجارب الأخرى عناصر تحكم أكثر وضوحًا. على سبيل المثال، قد تحضر طالبة الفصل يوم الاثنين وتدرك أنها واجهت صعوبة في التركيز على المحاضرة. قد تكون إحدى الملاحظات لشرح هذا الأمر، “عندما أتناول الإفطار قبل الفصل، أكون أكثر قدرة على الانتباه”. يمكن للطالبة بعد ذلك تصميم تجربة مع عنصر تحكم لاختبار هذه الفرضية.

في العلوم القائمة على الفرضيات، يتوقع الباحثون نتائج محددة من فرضية عامة. نسمي هذا النوع من التفكير المنطقي الاستدلالي الاستنتاجي: ينتقل الاستنتاج من العام إلى الخاص. ومع ذلك، فإن عكس العملية ممكن أيضًا: في بعض الأحيان، يصل العلماء إلى نتيجة عامة من عدد من الملاحظات المحددة. نسمي هذا النوع من التفكير باسم الاستدلال الاستقرائي، وهو ينطلق من الخاص إلى العام. غالبًا ما يستخدم الباحثون التفكير الاستقرائي والاستنباطي جنبًا إلى جنب لتعزيز المعرفة العلمية (الشكل 1.7).

في السنوات الأخيرة، تم تطوير نهج جديد لاختبار الفرضيات نتيجة للنمو المتسارع للبيانات المودعة في قواعد البيانات المختلفة. باستخدام خوارزميات الكمبيوتر والتحليلات الإحصائية للبيانات في قواعد البيانات، يوفر مجال جديد لما يسمى “أبحاث البيانات” (يشار إليه أيضًا باسم “البحث في السيليكو”) طرقًا جديدة لتحليل البيانات وتفسيرها. سيؤدي ذلك إلى زيادة الطلب على المتخصصين في كل من علم الأحياء وعلوم الكمبيوتر، وهي فرصة وظيفية واعدة.

اتصال مرئي

الشكل 1.6: تتكون الطريقة العلمية من سلسلة من الخطوات المحددة جيدًا. إذا كانت الفرضية غير مدعومة بالبيانات التجريبية، فيمكن للمرء أن يقترح فرضية جديدة.

يوضح مخطط التدفق الخطوات في الطريقة العلمية. في الخطوة 1، يتم إجراء ملاحظة. في الخطوة 2، يتم طرح سؤال حول الملاحظة. في الخطوة 3، تم اقتراح إجابة على السؤال، تسمى فرضية. في الخطوة 4، يتم إجراء التنبؤ بناءً على الفرضية. في الخطوة 5، يتم إجراء تجربة لاختبار التنبؤ. في الخطوة 6، يتم تحليل النتائج لتحديد ما إذا كانت الفرضية صحيحة أم لا. إذا كانت الفرضية غير صحيحة، يتم عمل فرضية أخرى. في كلتا الحالتين، يتم الإبلاغ عن النتائج.

في المثال أدناه، يتم استخدام الطريقة العلمية لحل مشكلة يومية. طابق خطوات الطريقة العلمية (العناصر المرقمة) مع عملية حل المشكلة اليومية (العناصر المرقمة). بناء على نتائج التجربة هل الفرضية صحيحة؟ إذا كان غير صحيح، اقترح بعض الفرضيات البديلة.

• 1. الملاحظة أ. هناك عطل ما في مأخذ التيار الكهربائي.
• 2. السؤال ب. إذا حدث خطأ ما في المنفذ، فلن يعمل صانع القهوة أيضًا عند توصيله به.
• 3. الفرضية (الإجابة) ج. محمصة الخبز الخاصة بي لا تحمص الخبز.
• 4. التنبؤ د. أقوم بتوصيل صانع القهوة الخاص بي في المنفذ.
• 5. التجربة هـ. صانع القهوة الخاص بي يعمل.
• 6. النتيجة و. لماذا لا تعمل محمصة الخبز الخاصة بي؟

اتصال مرئي

يحدد الرسم التخطيطي نوعين من التفكير. في الاستدلال الاستقرائي، يتم استخلاص استنتاج عام من عدد من الملاحظات. في الاستدلال الاستنتاجي، يتم توقع نتائج محددة من فرضية عامة. يتم إعطاء مثال على التفكير الاستقرائي. في هذا المثال، يتم إجراء ثلاث ملاحظات: (1) أعضاء النوع ليسوا جميعًا متشابهين. (2) يتنافس الأفراد على الموارد. (3) الأنواع تتكيف بشكل عام مع بيئتها. من هذه الملاحظات، يتم استخلاص الاستنتاج التالي: الأفراد الأكثر تكيفًا مع بيئتهم هم أكثر عرضة للبقاء على قيد الحياة ونقل سماتهم إلى الجيل التالي. كما يتم إعطاء مثال على الاستدلال الاستنتاجي. في هذا المثال، الافتراض العام هو أن الأفراد الأكثر تكيفًا مع بيئتهم هم أكثر عرضة للبقاء على قيد الحياة ونقل سماتهم إلى الجيل التالي. من هذا المنطلق، من المتوقع أنه إذا تسبب تغير المناخ العالمي في زيادة درجة الحرارة في نظام بيئي، فإن هؤلاء الأفراد الذين يتأقلمون بشكل أفضل مع المناخ الأكثر دفئًا سوف يتفوقون على غيرهم.

الشكل 1.7: يستخدم العلماء نوعين من التفكير، الاستدلال الاستقرائي والاستدلال الاستنتاجي، لتعزيز المعرفة العلمية. كما هو الحال في هذا المثال، يمكن أن يصبح الاستنتاج من الاستدلال الاستقرائي في كثير من الأحيان مقدمة للاستدلال الاستنتاجي.

تدريب

قرر ما إذا كان كل مما يلي مثالاً على الاستدلال الاستقرائي أو الاستنتاجي.

1. جميع الطيور والحشرات الطائرة لها أجنحة. ترفرف الطيور والحشرات بأجنحتها أثناء تحركها في الهواء. لذلك، فإن الأجنحة تمكن من الطيران.
2. تعيش الحشرات بشكل عام في فصول الشتاء المعتدلة بشكل أفضل من الشتاء القاسي. لذلك، ستصبح الآفات الحشرية أكثر إشكالية إذا ارتفعت درجات الحرارة العالمية.
3. الكروموسومات، حاملة الحمض النووي، موزعة بالتساوي بين الخلايا الوليدة أثناء انقسام الخلية. لذلك، سيكون لكل خلية ابنة نفس مجموعة الكروموسوم مثل الخلية الأم.
4. الحيوانات المتنوعة مثل البشر والحشرات والذئاب تظهر جميعها سلوكًا اجتماعيًا. لذلك، يجب أن يتمتع السلوك الاجتماعي بميزة تطورية.

قد تبدو الطريقة العلمية جامدة ومنظمة للغاية. من المهم أن تضع في اعتبارك أنه على الرغم من أن العلماء غالبًا ما يتبعون هذا التسلسل، إلا أن هناك مرونة. تؤدي التجربة أحيانًا إلى استنتاجات تفضل تغيير النهج. في كثير من الأحيان، تجلب التجربة أسئلة علمية جديدة تمامًا إلى اللغز. في كثير من الأحيان، لا يعمل العلم بطريقة خطية. بدلاً من ذلك، يقوم العلماء باستمرار برسم الاستنتاجات وإجراء التعميمات، وإيجاد الأنماط أثناء تقدم أبحاثهم. الاستدلال العلمي أكثر تعقيدًا مما تقترحه الطريقة العلمية وحدها. لاحظ أيضًا أنه يمكننا تطبيق المنهج العلمي لحل المشكلات التي ليست بالضرورة علمية بطبيعتها.

نوعان من العلوم: العلوم الأساسية والعلوم التطبيقية

ظل المجتمع العلمي يناقش على مدار العقود القليلة الماضية حول قيمة الأنواع المختلفة من العلوم. هل من المفيد متابعة العلم من أجل اكتساب المعرفة ببساطة، أم أن المعرفة العلمية لها قيمة فقط إذا تمكنا من تطبيقها لحل مشكلة معينة أو لتحسين حياتنا؟ يركز هذا السؤال على الفروق بين نوعين من العلوم: العلوم الأساسية والعلوم التطبيقية.

تسعى العلوم الأساسية Basic Science أو العلوم “البحتة” إلى توسيع المعرفة بغض النظر عن التطبيق قصير المدى لتلك المعرفة. لا تركز على تطوير منتج أو خدمة ذات قيمة عامة أو تجارية فورية. الهدف المباشر للعلوم الأساسية هو المعرفة من أجل المعرفة، على الرغم من أن هذا لا يعني أنه، في النهاية، قد لا يؤدي إلى تطبيق عملي.

في المقابل، تهدف العلوم التطبيقية Applied Science أو “التكنولوجيا” إلى استخدام العلم لحل مشاكل العالم الحقيقي، مما يجعل من الممكن، على سبيل المثال، تحسين غلة المحاصيل، أو إيجاد علاج لمرض معين، أو إنقاذ الحيوانات المهددة بكارثة طبيعية (الشكل 1.8). في العلوم التطبيقية، يتم تحديد المشكلة عادة للباحث.

شكل 1.8: بعد أن ضرب إعصار إيرما منطقة البحر الكاريبي وفلوريدا في عام 2017، ألقيت الآلاف من صغار السنجاب مثل هذا من أعشاشها. بفضل العلوم التطبيقية، عرف العلماء كيفية إعادة تأهيل السنجاب. (المصدر: audreyjm529، فليكر)

قد ينظر بعض الأفراد إلى العلوم التطبيقية على أنها “مفيدة” وأن العلوم الأساسية “غير مجدية”. السؤال الذي قد يطرحه هؤلاء الأشخاص على عالم يدافع عن اكتساب المعرفة سيكون، “لماذا؟” ومع ذلك، فإن إلقاء نظرة فاحصة على تاريخ العلم يكشف أن المعرفة الأساسية قد أسفرت عن العديد من التطبيقات الرائعة ذات القيمة الكبيرة. يعتقد العديد من العلماء أن الفهم الأساسي للعلم ضروري قبل أن يطور الباحثون تطبيقًا، لذلك يعتمد العلم التطبيقي على النتائج التي يولدها الباحثون من خلال العلوم الأساسية. يعتقد علماء آخرون أن الوقت قد حان للانتقال من العلوم الأساسية من أجل إيجاد حلول للمشاكل الفعلية. كلا النهجين صالح. صحيح أن هناك مشاكل تتطلب الاهتمام الفوري. ومع ذلك، سيجد العلماء القليل من الحلول دون مساعدة الأساس المعرفي الواسع الذي يولده العلم الأساسي.

أحد الأمثلة على كيفية عمل العلوم الأساسية والتطبيقية معًا لحل المشكلات العملية التي حدثت بعد اكتشاف بنية الحمض النووي أدى إلى فهم الآليات الجزيئية التي تحكم تكرار الحمض النووي. توجد خيوط الحمض النووي، الفريدة في كل إنسان، في خلايانا، حيث توفر الإرشادات اللازمة للحياة. عندما يتكاثر الحمض النووي، فإنه ينتج نسخًا جديدة من نفسه، قبل فترة وجيزة من انقسام الخلية. مكّن فهم آليات تكرار الحمض النووي العلماء من تطوير تقنيات معملية يستخدمها الباحثون الآن لتحديد الأمراض الوراثية، وتحديد الأفراد الذين كانوا في مسرح الجريمة، وتحديد الأبوة. بدون العلوم الأساسية، من غير المرجح أن توجد العلوم التطبيقية.

مثال آخر على الارتباط بين البحث الأساسي والتطبيقي هو مشروع الجينوم البشري، وهي دراسة قام فيها الباحثون بتحليل ورسم خرائط لكل كروموسوم بشري لتحديد التسلسل الدقيق لوحدات الحمض النووي الفرعية والموقع الدقيق لكل جين. (الجين هو الوحدة الأساسية للوراثة ممثلة بقطعة DNA محددة ترمز لجزيء وظيفي. المجموعة الكاملة للفرد من الجينات هي الجينوم الخاص به). وقد درس الباحثون كائنات أخرى أقل تعقيدًا كجزء من هذا المشروع من أجل الحصول على فهم أفضل للكروموسومات البشرية. اعتمد مشروع الجينوم البشري (الشكل 1.9) على البحث الأساسي مع الكائنات الحية البسيطة، وفيما بعد، مع الجينوم البشري. أصبح الهدف النهائي المهم في نهاية المطاف هو استخدام البيانات للبحث التطبيقي، والبحث عن العلاجات والتشخيص المبكر للأمراض ذات الصلة وراثيًا.

شكل 1.9: كان مشروع الجينوم البشري عبارة عن جهد تعاوني لمدة 13 عامًا بين الباحثين العاملين في العديد من المجالات العلمية المختلفة. أكمل الباحثون المشروع، الذي حدد تسلسل الجينوم البشري بأكمله، في عام 2003. (المصدر: برامج جينوم الطاقة الأمريكية (http://genomics.energy.gov)

في حين أن العلماء عادة ما يخططون بعناية لجهود البحث في كل من العلوم الأساسية والعلوم التطبيقية، لاحظ أن بعض الاكتشافات تتم بالصدفة، أي عن طريق حادث محظوظ أو مفاجأة محظوظة. اكتشف عالم الأحياء الاسكتلندي ألكسندر فليمنج البنسلين عندما ترك بطريق الخطأ طبق بتري من بكتيريا المكورات العنقودية مفتوحًا. نما العفن غير المرغوب فيه على الطبق، مما أدى إلى قتل البكتيريا. أدى فضول فليمينغ للتحقيق في سبب موت البكتيريا، متبوعًا بتجاربه، إلى اكتشاف المضاد الحيوي البنسلين، الذي ينتجه فطر البنسليوم. حتى في عالم العلم عالي التنظيم، يمكن أن يؤدي الحظ – عندما يقترن بعقل فضولي وملاحظ – إلى اختراقات غير متوقعة.

الإبلاغ عن العمل العلمي

سواء كان البحث العلمي علمًا أساسيًا أو علمًا تطبيقيًا، يجب على العلماء مشاركة نتائجهم حتى يتمكن الباحثون الآخرون من التوسع والبناء على اكتشافاتهم. يعد التعاون مع العلماء الآخرين – عند التخطيط للنتائج وإجرائها وتحليلها – أمرًا مهمًا للبحث العلمي. لهذا السبب، تتمثل الجوانب المهمة لعمل العالِم في التواصل مع الأقران ونشر النتائج على الأقران. يمكن للعلماء مشاركة النتائج من خلال تقديمها في اجتماع أو مؤتمر علمي، لكن هذا النهج يمكن أن يصل فقط إلى قلة مختارة من الحاضرين. بدلاً من ذلك، يقدم معظم العلماء نتائجهم في المخطوطات التي يراجعها الأقران والتي يتم نشرها في المجلات العلمية.

المخطوطات التي يتم مراجعتها من قبل الأقران Peer-reviewed manuscripts هي أوراق علمية يراجعها زملاء العالِم أو الأقران. هؤلاء الزملاء هم أفراد مؤهلون، وغالبًا ما يكونون خبراء في نفس مجال البحث، ويحكمون على ما إذا كان عمل العالِم مناسبًا للنشر أم لا. تساعد عملية مراجعة الأقران على ضمان أن يكون البحث في الورقة العلمية أو اقتراح المنحة أصليًا وهامًا ومنطقيًا وشاملًا. مقترحات المنح، وهي طلبات لتمويل البحث، تخضع أيضًا لمراجعة الأقران. ينشر العلماء أعمالهم حتى يتمكن العلماء الآخرون من إعادة إنتاج تجاربهم في ظل ظروف مماثلة أو مختلفة للتوسع في النتائج.

الورقة العلمية scientific paper مختلفة تمامًا عن الكتابة الإبداعية. على الرغم من أن الإبداع مطلوب لتصميم التجارب، إلا أن هناك إرشادات ثابتة عندما يتعلق الأمر بتقديم النتائج العلمية. أولاً، يجب أن تكون الكتابة العلمية مختصرة وموجزة ودقيقة. يجب أن تكون الورقة العلمية موجزة ولكن مفصّلة بما يكفي للسماح للأقران بإعادة إنتاج التجارب.

تتكون الورقة العلمية من عدة أقسام محددة – مقدمة، مواد وطرق، نتائج، ومناقشة. تسمى هذه البنية أحيانًا بتنسيق “IMRaD”. يوجد عادةً أقسام إقرار ومراجع بالإضافة إلى ملخص Abstract (ملخص موجز) في بداية البحث. قد تكون هناك أقسام إضافية حسب نوع الورقة والمجلة التي سيتم نشرها فيها. على سبيل المثال، تتطلب بعض أوراق المراجعة مخططًا تفصيليًا.

تبدأ المقدمة بمعلومات أساسية موجزة ولكن واسعة حول ما هو معروف في هذا المجال. تعطي المقدمة الجيدة أيضًا الأساس المنطقي للعمل. إنه يبرر العمل المنجز ويذكر أيضًا بإيجاز نهاية الورقة، حيث سيقدم الباحث الفرضية أو سؤال البحث الذي يقود البحث. تشير المقدمة إلى الأعمال العلمية المنشورة للآخرين، وبالتالي تتطلب الاستشهادات وفقًا لأسلوب المجلة. يعد استخدام أعمال أو أفكار الآخرين دون اقتباس مناسب بمثابة سرقة أدبية.

يتضمن قسم المواد والطرق وصفًا كاملاً ودقيقًا للمواد التي يستخدمها الباحثون، والطريقة والتقنيات التي يستخدمونها لجمع البيانات. يجب أن يكون الوصف شاملاً بما يكفي للسماح لباحث آخر بتكرار التجربة والحصول على نتائج مماثلة، ولكن لا يجب أن يكون مطولاً. سيتضمن هذا القسم أيضًا معلومات حول كيفية إجراء الباحثين للقياسات وأنواع الحسابات والتحليلات الإحصائية التي استخدموها لفحص البيانات الأولية. على الرغم من أن قسم المواد والطرق يقدم وصفًا دقيقًا للتجارب، إلا أنه لا يناقشها.

تتطلب بعض المجلات قسم النتائج متبوعًا بقسم المناقشة، ولكن من الشائع الجمع بين الاثنين. إذا كانت المجلة لا تسمح بدمج كلا القسمين، فإن قسم النتائج يروي النتائج ببساطة دون أي تفسير إضافي. يقدم الباحثون النتائج بجداول أو رسوم بيانية، لكنهم لا يقدمون معلومات مكررة. في قسم المناقشة، سيقوم الباحثون بتفسير النتائج، ووصف كيفية ارتباط المتغيرات، ومحاولة شرح الملاحظات. لا غنى عن إجراء بحث موسع في الأدبيات لوضع النتائج في سياق البحث العلمي المنشور مسبقًا. لذلك، قام الباحثون بتضمين الاستشهادات المناسبة في هذا القسم أيضًا.

أخيرًا، يلخص قسم الخاتمة أهمية النتائج التجريبية. بينما تجيب الورقة العلمية بشكل شبه مؤكد على واحد أو أكثر من الأسئلة العلمية التي ذكرها الباحثون، يجب أن يؤدي أي بحث جيد إلى المزيد من الأسئلة. لذلك، فإن الورقة العلمية التي تم إجراؤها بشكل جيد تسمح للباحثين والآخرين بمواصلة وتوسيع النتائج.

مقالات المراجعة Review articles لا تتبع تنسيق IMRAD لأنها لا تقدم النتائج العلمية الأصلية، أو الأدبيات الأولية. بدلاً من ذلك، يقومون بتلخيص النتائج التي تم نشرها كأدبيات أولية والتعليق عليها وتتضمن عادةً أقسامًا مرجعية واسعة النطاق.

الأخلاق العلمية

يجب على العلماء التأكد من أن جهودهم لا تسبب ضررًا لا داعي له للإنسان أو الحيوانات أو البيئة. يجب عليهم أيضًا التأكد من أن أبحاثهم واتصالاتهم خالية من التحيز وأنهم يوازنون بشكل صحيح من الناحية المالية والقانونية والسلامة وقابلية التكرار والاعتبارات الأخرى. جميع العلماء – والعديد من الأشخاص في المجالات الأخرى – لديهم هذه الالتزامات الأخلاقية، لكن أولئك في علوم الحياة لديهم التزام خاص لأن أبحاثهم قد تشمل أشخاصًا أو كائنات حية أخرى. وبالتالي فإن الأخلاقيات الحيوية هي مجال مهم ومتطور باستمرار، حيث يتعاون الباحثون مع المفكرين والمنظمات الأخرى. إنهم يعملون على تحديد المبادئ التوجيهية للممارسة الحالية، وكذلك النظر باستمرار في التطورات الجديدة والتقنيات الناشئة من أجل تكوين إجابات للسنوات والعقود القادمة.

على سبيل المثال، قد يدرس علماء الأخلاقيات في علم الأحياء (الأخلاقيات الحيوية) الآثار المترتبة على تقنيات تعديل الجينات، بما في ذلك القدرة على تكوين كائنات حية قد تحل محل كائنات أخرى في البيئة، وكذلك القدرة على “تصميم” البشر. في هذا الجهد، من المرجح أن يسعى علماء الأخلاق إلى تحقيق التوازن بين النتائج الإيجابية – مثل العلاجات المحسنة أو الوقاية من أمراض معينة – والنتائج السلبية.

لسوء الحظ، جاء ظهور أخلاقيات علم الأحياء كمجال بعد عدد من الممارسات غير الأخلاقية الواضحة، حيث لم يتعامل علماء الأحياء مع موضوعات البحث بكرامة وفي بعض الحالات أضروا بهم. في دراسة Tuskegee syphilis عام 1932، تم تشخيص 399 رجلاً من الأمريكيين من أصل أفريقي بمرض الزهري ولكن لم يتم إخبارهم أبدًا بأنهم مصابون بالمرض، مما تركهم يعيشون مع المرض وينقلونه إلى الآخرين. حتى أن الأطباء حجبوا الأدوية التي أثبتت جدواها لأن الهدف من الدراسة كان فهم تأثير الزهري غير المعالج على الرجال السود.

في حين أن القرارات التي تم اتخاذها في دراسة توسكيجي غير مبررة، فإن بعض القرارات يصعب حقًا اتخاذها. يعمل علماء أخلاقيات علم الأحياء (الأخلاقيات البيولوجية) على وضع مناهج أخلاقية وكريمة قبل اتخاذ مثل هذه القرارات. على سبيل المثال، يعتمد الأطباء على الذكاء الاصطناعي والروبوتات في التشخيص والعلاج الطبي؛ في المستقبل القريب، ستقع المزيد من المسؤولية على عاتق الآلات. من سيكون مسؤولاً عن القرارات الطبية؟ من سيشرح للعائلات إذا لم يسير الإجراء كما هو مخطط له؟ وبما أن مثل هذه العلاجات ستكون باهظة الثمن على الأرجح، فمن سيقرر من الذي يمكنه الوصول إليها ومن لا يستطيع؟ هذه كلها أسئلة يسعى علماء الأخلاقيات الحيوية إلى الإجابة عنها، وهي أنواع الاعتبارات التي يأخذها جميع الباحثين العلميين في الاعتبار عند تصميم الدراسات وإجرائها.

أخلاقيات علم الأحياء ليست بسيطة، وغالبًا ما تترك العلماء يوازنون بين الفوائد والضرر. في هذا الكتاب ومقرر علم الأحياء، ستناقش الاكتشافات الطبية واللقاحات والأبحاث التي، في جوهرها، لها تعقيد أخلاقي أو، في نظر الكثيرين، زلة أخلاقية. في عام 1951، تم تشخيص هنريتا لاكس، وهي امرأة أمريكية من أصل أفريقي تبلغ من العمر 30 عامًا، بسرطان عنق الرحم في مستشفى جونز هوبكنز. أعطت الخصائص الفريدة لأمراضها خلاياها القدرة على الانقسام المستمر، مما يجعلها “خالدة” بشكل أساسي. دون علمها أو إذنها، أخذ الباحثون عينات من خلاياها وابتكروا معهم خط خلية هيلا الخالد. ساهمت هذه الخلايا في الاكتشافات الطبية الكبرى، بما في ذلك لقاح شلل الأطفال. اعتمد العديد من الباحثين المذكورين في الأقسام اللاحقة من النص على أبحاث خلايا هيلا كعنصر على الأقل من عملهم المتعلق بالسرطان والإيدز وشيخوخة الخلايا، وحتى مؤخرًا في أبحاث فيروس كورونا COVID-19.

اليوم، لا يعتبر أخذ أنسجة أو أعضاء من مريض يحتضر دون موافقة أمرًا غير أخلاقي فحسب، بل يعتبر غير قانوني أيضًا، بغض النظر عما إذا كان مثل هذا الفعل يمكن أن ينقذ حياة المرضى الآخرين. هل من الأخلاق إذن أن يستمر العلماء في استخدام أنسجة لاكس في البحث، حتى لو تم الحصول عليها بشكل غير قانوني وفقًا لمعايير اليوم؟ هل ينبغي ذكر لاكس كمساهمة في البحث بناءً على خلاياها، وهل ينبغي ذكرها في العديد من جوائز نوبل التي تم منحها من خلال هذا العمل؟ أخيرًا، هل يجب أن تكون الشركات الطبية ملزمة بدفع جزء من مليارات الدولارات من العائدات لعائلة لاكس (التي واجهت صعوبات مالية) من خلال الأدوية التي استفادت من أبحاث خلية هيلا؟ كيف سيكون شعور هنريتا لاكس حيال هذا؟ ولأنها لم تُسأل قط، فإننا لن نعرف أبدًا.

لتجنب مثل هذه المواقف، يتمثل دور الأخلاقيات في البحث العلمي في طرح مثل هذه الأسئلة قبل وأثناء وبعد إجراء البحث أو الممارسة، وكذلك الالتزام بالمبادئ المهنية الراسخة ومراعاة كرامة وسلامة جميع الكائنات الحية المعنية أو المتأثرة من خلال العمل.

المراجع

• موسوعة علم الأحياء، ترجمة وإعداد: د. م. مصطفى عبيد، مركز البحوث والدراسات متعدد التخصصات، إسطنبول، تركيا، 2022-2023.
• كتاب علم الأحياء، إصدار أوبنستاكس OpenStax، مقررات جامعة رايس، كبار المؤلفين المساهمين: ماري آن كلارك، جامعة تكساس ويسليان، ماثيو دوجلاس، كلية مجتمع غراند رابيدز، جونغ تشوي، معهد جورجيا للتكنولوجيا. تاريخ النشر 2018، آخر تحديث 2022، الترقيم المعياري الدولي للكتاب ISBN-13: 978-1-50669-985-1.