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1. 과학이란 무엇인가?
생명과학은 다른 과학들과 마찬가지로 주의 깊은 관찰로부터 시작한다, 생명과학자들은 정보를 모으기 위해서 감각을 확장하고자 종종 현미경을 사용하거나 주의 깊게 측정할 수 있도록 돕는 정확한 도구들을 사용한다. 과학적 탐구과정에서 의문에 근거하여 기록된 관찰을 자료하고 부른다. 자연과학은 자연세계를 이해하기 위한 접근 방법인 '앎'의 한 방법이다. 과학은 우리 자신과 우리 자신을 둘러싸고 있는 세계에 대한 궁금증으로 부터 출발한다. 자연과학의 핵심은 자연현상에 대한 설명과 정보를 탐색해 가는 탐구과정이다. 어떤 자료는 서술적으로 기록된 형태인 질적자료인데, 예를 들어 구달은 수십년 동안 탄자니아 정글 침팬지의 특정한 행동의 빈도나 지속기간에 대해 가설을 세우고, 이를 시험하여 답을 찾아가도록 한다. 실험은 종종 통제된 조건에서 수행되는 과학적 시험이다. 우리모두 일상 속에서 일어나는 생활의 문제를 해결할 때에도 가설과 예측을 사용한다. 가설은 일련의 관찰에 대해서 제안된 설명이다. 가설은 추가적 관찰이나 실험을 통해 시험할 수 있는 예측을 이끌어 낸다. 여러분이 사는 지역에 큰 폭풍우가 접근하고 있어서 이를 대비하고 있는데 손전등이 켜지지 않는 것을 발견했다고 가정해 보자. 손전등이 켜지지 않는 것이 관찰이고 그다음 단계인 의문은 분명하다. 손전등이 켜지지 않을까이다. 의문에 대한 두 가지 가설을 제안하였으며 각 가설은 시험 가능한 예측을 이끌어 낸다. 예측은 가설이 옳다면 기대되는 결과로 종종 만일, 그렇다면의 형태를 취한다. 예를 들어 만일 배터리가 다 소모되었을 것이다라는 가설이 옳다면 배터리를 새것으로 교체해 주면 그 문제는 해결된다. 우리가 세운 가설의 시나리오에서 전구가 끊어진 것이 더 타당한 설명이 될 것이다. 그러나 오래된 전구는 단순히 헐렁하게 끼어졌고 새 전구는 바르게 끼어졌을 수도 있다. 과학적 탐구과정에서 중요한점 한 가지는 가설은 옳다는 것을 증명할 수 없다는 것이다.. 우리는 전구를 다시 끼워도 불ㅇ 들어오지 않는 다면 이는 다른 결로로 타버린 전구가설을 지지하는 것이다. 하나의 가설을 다양한 방법으로 시험하는 것은 특정한 가설을 추가적으로 지지하는 것이 되며 그 가서르이 신뢰도를 증가시킨다. 실제로 하나의 가설을 시험하기 위해서 다양한 시도를 여러 버 하면서 특정한 가설은 알려진 자료에 대해서 잘 설명하게 되며, 이러한 과정을 통해 실험적 검증과정을 이겨내어 많은 과학자들이 공유하는 결론인 과학적 동의에 도달할 수 있다. 이로과 가설은 어떻게 다른가? 과학적 이론은 가설보다 더 광범위한 영역에서 점점 더 축적되는 증거들에 의해서 지지된다. 예를 들어, 매우 다양한 관찰 결과들에 대해 설명하고 있는 자연선택에 의한 진화 이론은 방대한 양의 증거에 의해서 지지되고 있으며 어떠한 과학적 자료에 의해서도 모순된 적이 없다. 실제로 과학의 뚜렷한 특성 중 하나는 증거를 따르며 새로운 증거가 발견되면 그것을 고쳐 나가려는 의지이다. 과학이 무엇인지 이해하는 것을 돕기 위하여 과학적 가설을 세우고 다양한 연구방법을 사용하여 가설들을 시험하고 자료를 분석하며 과학적 지식을 쌓아가기위해 도구와 기술을 사용하며 과학적 연구 결과를 교환하고 과학적 연구가 사회 전반에 미치는 영향에 대해 평가하는 등의 과학자들이 참여하는 여러 광범위한 활동을 포함한다. 과학은 철학이나 종교와 같은 자연에 대해 서술하고 설명하는 다른 방법과 어떻게 다를까? 그러한 노력들도 역시 우리를 둘러싸고 있는 세계를 이해하기 위한 방법이며 우리 사회에서 종종 중요한 역할을 한다. 그러나 세계에 대한 과학적 관점은 가설을 시험하고 검증가능한 증거들에 근거를 두고 있다.
2. 가설은 통제된 실험을 통해 시험 할 수 있어야 한다?
가설을 시험하기 위한 통제된 실험에서 연구자는 종종 하나의 시스템에서 한 가지 요인이 변했을 때 일어난 효과를 관찰한다. 변수는 실험에서 변하는 인자들이다. 연구자가 다루는 인자들을 독립변수라고 하며 실험 결과를 판단하기 위해서 사용하는 측정 자료를 종속변수라고 한다. 종속변수는 취급되는 변수의 의존적이거나 영향을 받는다. 많은 동물들은 그들이 서식하는 환경과 잘 어울린다. 낙엽색상과 비슷한 두꺼비, 녹색잎과 비슷한 양배추벌레, 묵극지방에 사는 흰 올빼미, 이러한 관찰들로부터 생물의 색과 패턴은 포식자들로부터 보호하는 적응 기작에 의해 진회 되었다는 가설을 세울 수 있다, 과학자는 이 가설을 어떻게 시험할 수 있을까? 통제된 실험은 실험군과 대조군을 비교할 수 있도록 설계되며, 가설을 시험하기 위해 이상적으로 설계된 실험군과 비교군은 한 가지 인자만 차이가 있어야 한다. 같은 종이지만 다른 환경에 서식하고 있는 두 집단의 생쥐가 포함된 통제된 실험을 예로 들어 보자. 해안 생쥐는 플로리다 해안에 서식하고 내륙생쥐는 내륙 안쪽에 있는 검은 모래에 서식한다. 그들은 생쥐 집단의 보호색이 포식자로부터 생쥐를 보호한다면, 환경과 잘 어울리는 색을 가진 생쥐는 서식처와 잘 어울리지 않는 색을 가진 생쥐들 보다 덜 잡아먹힐 것이라고 예측하였다. 이 실험은 실험실이 아니라 자연 상태에서 생쥐가 포식자를 이용하여 자연에서 수행한 야외실험의 한 예이다. 연구자들은 해안 생쥐과 낽생쥐를 닮은 플라스틱으로 만든 각각 250개의 생쥐모형을 만들어 같은 수의 모형을 두 서식처에 무작위로 가져다 놓았다, 각 서직처의 자연 상태를 닮은 모형은 대조군이고 자연 상태와 다른 색을 가진 생쥐모형은 실험군이다. 그리고 3일 동안 포식의 신호를 기록하였다. 생쥐의 색깔과 서식처는 놀랄 만큼 잘 어울린다. 2010년 하버드 대학 생물학자인 헥스트라와 학생들은 위장가설을 검증하기 위해서 플로리다로 향했다. 두 서식처 모두 에서 비보호색으로 만든 모형은 포식자로부터 공격당한 횟수가 보호색 모형보다 훨씬 더 많았다. 이렇나 결과는 환경과 어울리는 색은 포식자로부터 동물을 보호한다는 위장가설을 지지하는 것이다. 사람을 대상으로 가설시험을 할다면? 신약을 시험하는 것과 같이 사람을 대상으로 통제된 실험을 시행하는 것을 임상시험 또는 임상연구하고 한다. 실험에 참여하는 사람들을 대조군과 실험군에 무작위로 배치한다. 대조군 참가자들에게 종종 연구할 성분이 포함되지 않은 위약을 주거나 처치를 한다. 이중 블라인드 실험에서는 연구자나 실험참가자가 모두 누가 어느 그룹에 속해 있는지 모른다. 만일 예비실험의 결과가 참가자들에게 유의하게 해롭거나 이롭다고 나왔다면 임상시험은 빨리 중단될 수도 있다고 생각된다. 왜냐하면 참가자들을 고의로 해롭게 하거나 처치하는 것은 비윤리적인 일이기 때문이다. 사람을 대상으로 가설을 시험할 때는 종종 관찰 연구가 사용될 수 있다. 과거의 자료를 근거로 하여 시행하는 후행연구가 사용될 수 있다. 선행연구를 시행하는 연구자들은 연구시작 단계부터 통게적으로 같은 특징이나 행동양식을 공유하는 집단인 코호트를 등록하고 일정한 기간동안 자료를 모은다. 관찰연구는 한계가 있는데 하나의 인자와 하나의 결과 사이에 상관관계가 있다고 해서 반드시 그 인자가 그 결과의 원인이라는 것을 의미하는 것은 아니기 때문이다. 그러나 대규모로 시행된 코호트 연구는 다이어트, 담배, 운동, 환경 조건 등과 같이 건강과 관련 있는 많은 인자들의 효과를 이해하는 데 크게 기여하였다. 과거의 자료를 근거로 하여 시행하는 후행연구에서는 연구자들은 의료기록을 이용하여 인터뷰를 하거나 사망진단서를 검사하여 특정 결과를 이끌어낸 인자들을 확인한다.
3. 관찰자료를 이용해서 가설을 시험할 수 있다?
실제로 너구리판다의 과학적 이름은 래서판다인데 이는 수줍은 고양이라는 뜻이다. 그러나 너구리판다늬 생김새는 너구리를 닮았으며 대나무를 먹고 자이언트판다처럼 가짜엄지를 가지고 있다. 래서판다, 붉은 고양이 곰, 불여우와 같은 너구리판다를 불렀던 이름은 너구리판다의 진화적 유연관계가 오랫동란 혼란스러웠다는 것을 말해주고 있다. 과학자들은 너구리판다를 어떻게 분류했을까? 생물 종들 사이에 진화적 유연관계에 대한 가설을 발전시키기 위해서 과학자들은 화석과 살아 있는 생물들을 비교하는 것을 포함하여 다양한 종류의 증거들을 사용한다. 가설을 시험하는 방법은 통제된 실험 한 가지만 있는 것이 아니다. 과학자들은 가설을 세우고 시험하기 위해서 종종 관찰자료를 이용한다. 과학자들이 너구리판다를 분류하기 위해 덥을 찾아가는 과정르 예를 들어 설명해 본다. 너구리판다의 이야기는 가설을 이끌어내는 관찰과 새로운 증거를 포함하는 새 가설로 수정해 나가는 과학자의 의지를 잘 보여 주는 예이다. 유튜브의 영상물에 등장하는 너구리판다의 익살스러운 행동을 보고 집고양이가 떠오른다. 이러한 분자생물학적 증거들을 사용하는 이유에 대한 잠재적 추정은 비교대상인 두종의 염기 서열이 많이 일치할 수 록 진화적 유연관계가 더 가깝다는 것이다. 최근에 발표된 많은 분자 생물학적 연구들은 너구리판다가 곰과나 너구리과에 속하지 않는다는 가설을 강하게 지지하고 있다. 과학자들은 염기 서열의 차이라는 새로운 증거에 근거하여 너구리판다가 너구리판다과에 속하며 너구리판다과에서 생존한 유일한 종이라고 분류하였다. 과학자들은 처음에는 신체적으로 비슷한 특성을 가진 너구리판다가 너구리와 가장 가까울 것이라는 가설을 세웠다. 그래서 너구리판다를 너구리과로 분류하였다. 다른 과학자는 너구리판다를 자이언트판다가 먹이와 서식처가 비슷하다는 것을 관찰하고 두 판다를 각각 자신들의 과로뷴류하였고 다시 자이언트판다가 곰과에 속한다는 증거들이 쌓여가면서 너구리판다가 곰과에 속할 것이라는 가설을 제안하였다. 최근 몇 년 동안 과학자들은 진화적 융합관계에 대한 가설을 시험할 때, 분자생물학적 증거들을 점점 더 많이 사용하고 있다.