3. 생물학 개론, 다윈과 생명의 의미 - 과학적인 방법으로 연구하다

3. 생물학 개론, 다윈과 생명의 의미 - 과학적인 방법으로 연구하다

 

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생물학 개론, 다윈과 생명의 의미

 

목차

2. 과학적 연구 방법으로 결과를 찾다

 

(1) 과학적 방법

   과학적 방법은 여러 가지로 설명될 수 있으나 정확히 정의하기는 쉽지 않다. 원칙적으로 과학적 방법이란 어떠한 현상의 메카니즘을 이해하거나 새로운 사실을 설정하는 과정이다. 이것은 수학 문제를 풀 때와 같이 명확한 단계가 만들어져 있는 것은 아니지만 흔히 사용되는 일련의 과정이 있다. 이 과정은 실제 사실에 대한 일련의 관찰로 이루어지는데, 이들 관찰에 따르는 결과에는 인간의 두뇌의 판단이 게재 하게 된다. 결국 과학이란 자연 현상과 인간 두뇌의 판단이 상호 작용한 결과라고 말할 수 있다. 

   어떠한 사실에 대한 관찰은 이해되지 못한 채로 진행되기도 한다. 예를 들어 다윈도 갈라파고스의 조류들이 그 지역에 독특하면서도 남아메리카 대륙의 조류 들과 유사한 점이 많다고는 생각하였지만 뚜렷한 근거를 가지고 그러한 생각을 한 것은 아니었다.

   다음에 생각해 볼 것은 가장 중요하면서도 흔히 지나치기 쉬운 과학의 양상들이다. 과학은 우선 관찰 결과에 대하여 깊이 생각하는 것으로 시작하며, 다음에는 왜 그럴까라는 의문을 갖는다. 이 시점에서는 누구도 결론을 내리려 하지는 않는다. 왜냐하면 관찰 사실에 대한 설명을 할 수 없기 때문이다. 사실상 과학자들은 대부분의 시간을 의문을 제기하고, 생각하는데 보내면서도 얻는 것이 없을 때가 많다. 경우에 따라서 의문의 제기는 예측을 낳기도 하지만 예측은 증명되지 않은 아이디어에 불과하다. 사실 없이 과학을 한다는 것은 예측 없이 과학을 할 수 없는 것과 같으며, 사실과 그럴싸한 예측이 있는데도 과학이라는 결과로 유도되지 않는 경우도 있다.

 

과학적인 연구를 통한 결과만이 신뢰할 수 있다

(2) 가설, 학설, 법칙

   어느 단계에서 연구자는 어떠한 사실을 설명하기 위하여 가설(hypothesis)을 설정해야 된다. 가설이란 어떤 관찰에 대한 가능한 설명이라고 할 수 있다. 경우에 따라서 이 설명에 대한 설득력 있는 증거가 미약할 수도 있지만 가설은 일반적으로 이러한 증거를 얻는 방향을 제시해 준다. 가설은 과학 활동의 한 단계에 불과 하지만, 어떠한 관찰이 상당한 증거를 수반함으로써 설득력 있는 설명이 가능하 게 된다면, 이 설명은 학설(theory)을 발견하게 된다.

   학설에 부합되는 증거가 보강됨으로써 누구도 설명에 대해 의심을 갖지 않게 되는 경우 이 설명은 법칙(law)으로 불릴 수 있다. 법칙은 학설보다 훨씬 신뢰성이 있으며 가능한 어떤 실험을 통해서도 쉽사리 증명될 수 있다. 예를 들어 '중력 의 법칙’ 또는 ‘열역학의 법칙' 등은 물리학에서 보편성을 지닌 대명제이다. 생물학 분야의 법칙은 극히 몇 개에 불과하다. 왜냐하면 생명 현상 그 자체가 변화 무쌍하고, 추상적이며, 정의하기가 쉽지 않기 때문이다. 멘델의 법칙, 하디-바인 베르크의 법칙 등과 같은 것이 있지만 생물학적인 법칙은 그 제목 자체가 잠정적이고 안정적이지 못하다. 대부분의 생물학적 법칙은 단순한 관찰에 근거를 둔 것이 아니고 수리적인 표현에 기초를 두고 있다.

   가설과 실험 가설이란 어떤 현상에 대한 임시적인 설명이며 예측을 하는데 도움이 되나 이 예측은 확인 과정을 거쳐야 된다. 가설은 경우에 따라 애초부터 명확한 형태로 세워지기도 하나, 대략의 윤곽만을 표시하는 정도로 만들어져서 후에 더 새로운 관찰 결과가 나옴에 따라 부분적으로 바뀌고 다듬어질 수도 있다. 어떤 경우를 막론하고 만약 과학적인 가설이 필요한 경우, 이 가설로 예측이 가능해야 하며 또한 입증이 가능해야 한다.

   입증은 보통 추가적인 관찰을 통하여 이루어지며, 관찰은 때때로 잘 계획된 실험(experiment)의 형태가 될 수도 있다. 예를 들어 연구자가 어떤 지역에 서식하고 있는 특정한 새의 배(embryo) 발생 과정에서 비정상적인 사실을 발견했다고 가정해 보자. 이 연구자는 이것이 이 지역에 살포됐을지도 모르는 제초제에 의한 2차적인 영향이라고 추측할 수도 있지만, 그것을 증명하는 일이 항상 가능하지는 았다. 그러나, 만약 위의 가설이 입증될 수 있다면 사람들이 이 제초제를 더 이상 사용치 않도록 설득할 수 있을 것이다. 이 경우의 가설은 “제초제 X는 새의 배에 비정상적인 발생을 유발할 수 있다.”라고 하겠다.

   가설 자체가 다음과 같은 예측을 가능케 한다. 

“만약 새의 배에 제초제 X를 직접 처리하면 배 발생중에 이상이 관찰될 수 있을 것이다.” 

   예측은 필요한 관찰이 무엇인가를 명확히 결정해 준다. 이 경우 필요한 관찰은 실험이 될 것이다. 실험을 하면서 연구자는 예측되는 결과를 얻을 수 있도록 실험 조건을 정확히 정해야 한다. 이 실험의 경우 제초제 X를 새의 배에 처리한 후 여기에서 나타나는 결과를 관찰할 것이다.

 

과학적 관찰을 통하여, 다른 연구자도 동일한 방법으로 동일한 결과를 도출할 수 있어야 한다.

(3) 대조구(Control) 

   실험 실시 후 실험 결과에 대한 해석이 명확하도록 실험 계획을 짜는 것이 중요하므로 대조구를 포함시켜 실험을 실시하는 것이 통례이다. 대조구에 속하는 실험 재료들은 실험 대상이 되는 특수한 처리만을 제외시키되, 모든 다른 조건을 동일하게 한 것이라고 할 수 있다. 그러므로 실험 과정은 일반적으로 '대조구’와 ‘실험구’의 두 가지로 구분된다. 실험구에는 적용되고 대조구에는 제외시키는 이들 특수한 처리나 조건을 가리켜(예를 들어 제초제 X의 처리) ‘변수’라 하는데, 이것은 특수한 처리나 조건에 의하여 정상적인 상태와는 다른 변화를 가져오기 때문이다. 

   특히 대조구의 경우 ‘변수’를 대체시킬 수 있는 ‘플라시보(placebo)’라 하는 불활성 물질을 사용할 수 있다. 화학물질을 처리하는 실험의 경우 흔히 플라시보는 이 화학물질을 용해시키는 데 사용되는 용매가 될 수 있으며, 의약품의 효과를 사람에게 실험하는 경우에는 설탕 같은 것이 된다. 각 실험구를 이루는 실험 재료의 수도 대단히 중요하여 재료의 수가 많을수록 실험의 신뢰도가 커지게 된다.

   대조구는 처리된 실험구의 결과가 비교되어야 하는 표준치로서의 의미를 갖게 된다. 한 가지 변수만을 제외하고 모든 실험 재료가 동일하게 처리되므로 실험 결과에서 어떠한 차이가 나타나면 그것이 변수에 의한 것이라고 할 수 있다. 실험 결과 생각지도 못했던 차이나 결과가 나오기도 하기 때문에 실험 과정을 적당한 방법으로 개선한 후 다시 실시하기도 한다. 

   가설까지도 실험 결과에 따라 바뀔 수 있다. 예를 들어 연구자는 제초제 X에 관한 가설을 확인하는 실험을 시작할 때, 우선 제초제의 농도를 결정하지 않으면 안 된다. 따라서 가설은 “자연계에서 제초제 X의 농도가 '어떤 일정한 농도에 이르면’ 새의 배 발생에 이상을 가져올 수 있다.”라고 변경해야 한다. 

   다음의 그림은 평소 실험 수행 중에 일어날 수 있는 문제점들을 보여 주고 있으며, 이것이 대조구를 포함시킨 잘 제어된 실험을 통하여 어떻게 다루어질 수 있는지를 보여 준다.

 

(4) 결론과 결론 이상의 것 

   실험 결과는 연구자의 예측을 증명해 주기도 하고 경우에 따라서는 그렇지 못할 때도 있다. 그러므로 실험 결과에 따라 가설은 인정되거나 파기되며 이 과정을 연구자의 결론(conclusion)이라고 할 수 있다. 결론은 연구자가 자신이 얻은 연구 결과를 얼마나 신뢰하는가의 정도에 따라 잠정적이거나 확고한 것이 된다. 가설의 설정에서 결론을 얻기까지의 모든 과정을 통하여 연구자는 다른 연구자가 언급했거나, 발표한 내용을 면밀히 검토해야 한다. 왜냐하면 동일한 내용의 문제점을 가지고 동일한 관찰을 하였지만, 다른 방법으로 실 험하여 얻은 결과를 다른 방향으로 설명할 수도 있기 때문이다.

   실험이란 항상 실험실내에서만 실시되는 것은 아니고 자연 조건하에서 실시되는 여러 가지 야외 실험(field experiment)들도 있다. 자연계에서 동물들의 이동, 성장, 수명에 관한 자료 수집을 위하여 이들 동물을 사로잡아 표시를 한 후 놓아 주었다가 일정한 기간 후 다시 포획하여 확인하는 등의 실험은 이의 좋은 예라고 할 수 있다. 가설은 어떤 경우 실험의 실시가 없이도 확인될 수 있다. 

   예를 들어 생태학자는 자연계에 있을 수 있는 어떠한 요소간의 관계를 예측하고 이를 증명하기 위하여 야외에 나가 이 예측을 확인하기도 한다. 하지만 어떤 경로를 취하든 먼저 예측을 하고 이를 확인하는 과정은 항상 필요하다. 

   끝으로 출판은 과학적 방법의 가장 중요한 부분이다. 어떠한 사실을 발견하고 도 이것을 자신만이 알고 있는 것은 현대 과학이 지향하는 바가 아니다. 실제로 논문만으로는 정확하고 명료한 연구자의 연구 수행 배경을 알 수 없다. 

   예를 들어 논문을 읽는 사람은 이를 쓴 사람의 연구 동기, 이에 대한 궁금증 등의 배경에 관해 전혀 알 도리가 없는 것이 통례이다. 가장 훌륭한 과학자는 호기심이 많고 명성, 지위, 포상, 또는 학생들로부터의 인기에 관심이 없으며, 끈기 있고 아집이 강하며, 연구에 대한 열정을 지닌 사람이다. 어떤 과학자는 자연계의 질서와 아름다움에 관심을 갖는 낭만가이기도 하며, 또한 어떤 과학자들에게는 존경받고 인정받는 일보다 인간적인 욕구가 연구의 원동력이 되기도 한다.