Муниципальная гимназия №30 им. Д.Н. Музалева

Проблема Создания и Проверки

Биологических Гипотез

Практическая работа по Теории Решения Изобретательских Задач (ТРИЗ)

ученицы 11-Ц класса Корзуниной Анастасии

Руководители: учитель биологии Голицына Н.Б.,

учитель ТРИЗ Нестеренко А.А.

Петрозаводск 2002

 

Оглавление

Введение   Постановка задачи  Возможности применения инструментов ТРИЗ для выдвижения гипотез    Поиск причин явления Информационные ресурсы для выявления механизма Критерии идеальности в оценке гипотез и биологического механизма Заключение    Список литературы

Введение

В данной работе сделана попытка рассмотреть проблему создания и проверки биологических гипотез с использованием инструментов ТРИЗ и ее информационного фонда. Каждый исследователь в процессе своей работы сталкивается с этой проблемой. Любое явление требует своего научного объяснения. Четкого алгоритма для создания гипотез не существует. Как правило, при выдвижении гипотезы исследователь основывается на личном опыте или интуиции. Такой подход не позволяет рассмотреть все возможные варианты объяснения явления. Также перед проверкой гипотезы экспериментом следует проверить, возможна ли она теоретически и оценить ее идеальность. Именно для того, чтобы сделать процесс выдвижения гипотез более эффективным и для их оценки мы предлагаем использовать инструменты ТРИЗ. Очевидно, это позволит рассмотреть изучаемое явление со всех сторон, выдвинуть сразу несколько различных гипотез и оценить их.

Постановка задачи

Традиционный подход к получению научного знания: наблюдение - гипотеза – эксперимент – уточнение гипотезы.

Проблемы, возникающие в процессе такой работы.

  1. Как от наблюдений перейти к гипотезам.
  1. Как спланировать эксперимент (проблема проверки, выдвинутого предположения.)

Рассматривая какое-либо явление, мы должны найти его причину возникновения и механизм. Но все же первая задача - это найти причину, найти фактор, действующий на биообъект. Вторая - найти механизм явления, причем в биологических объектах в этом механизме могут быть задействованы разные системные уровни.

Рассмотрим 2 примера.

1). Золотистые одноклеточные водоросли во время прилива находятся в песке на глубине около 1 мм. Каждый день во время отлива они выбираются на поверхность, чтобы подзарядить свой аппарат фотосинтеза.

2). У кур тоже наблюдается суточный ритм активности. Этим процессом управляет эпифиз, чувствительный к свету.

Из этих примеров видно, что явление суточных ритмов активности наблюдается как у одноклеточных (1), так и у многоклеточных организмов (2), но структуры, осуществляющие контроль за выполнением механизма, находятся на разных системных уровнях (в первом случае - уровень клеточных структур, во 2-м - уровень органов).

Третья задача - поставить эксперимент для проверки. Самое главное - это во время эксперимента выделить один фактор, действие которого нужно проверить. Но невозможно достичь того, чтобы на биообъект действовал только один фактор, т.к. без наличия некоторых условий биообъект не может существовать: наличие воздуха, пища, и т.д. А так как на биологический объект действует сразу несколько факторов, то от значения выше перечисленных факторов зависит результат опыта. Следовательно, приходится ставить ряд опытов с разными вариантами значений этих факторов.

На этом этапе работы возникает противоречие: для проверки гипотезы нужно выделить один фактор, но для поддержания жизнедеятельности организма одного фактора мало.

Обычно для решения этого противоречия используется такой подход: все факторы, кроме исследуемого, фиксируются на оптимальных для организма значениях, а исследуемый фактор изменяется. Однако, значение оптимума для конкретной ситуации само может меняться, и эти изменения могут влиять на ход опыта.

Из сказанного можно сделать вывод о том, что применяемая сегодня в биологии методика синтеза и проверки гипотез недостаточно эффективна.

Возможности применения инструментов ТРИЗ для выдвижения гипотез

Поиск причин явления

Для более результативного поиска причин, исследуемого явления, для составления более полного списка факторов, действующего на биообъект, возможно использование системного подхода.

Рассмотрим биологический объект в многоэкранной схеме (Альтшуллер).

ПРОШЛОЕ                 НАСТОЯЩЕЕ                БУДУЩЕЕ

bg1.gif (2309 bytes)

Причину явления нужно искать на каждом системном уровне, она может находиться как в надсистеме объекта, так и в его подсистеме, как в прошлом, так и в будущем объекта. В сущности нужно рассмотреть все факторы, когда либо действующие на объект, находящиеся вне и внутри объекта.

Биологический объект нужно рассмотреть в системном операторе. Разделить его на подсистемы. Причина явления может находиться на любом уровне, причем она может заключаться в самой подсистеме, в действии на нее со стороны других подсистем или внешнего фактора.

Чем “ниже” уровень, на котором находится причина явления, тем вероятнее, что выдвинутая гипотеза будет справедлива для рядя других биологических объектов, для объектов, имеющих те же подсистемы (задействованные в механизме явления), что и исследованный объект.

Ниже показано применение этого подхода к объяснению процесса фотопреферентного поведения тараканов.

bg2.gif (5389 bytes)

Можно составить вепольную схему взаимодействий подсистем организма и сопоставить эти взаимодействя со списком факторов, действующих извне. Внешний фактор может действовать на подсистему, способную воспринимать такой сигнал в норме только от других подсистем организма.

Информационные ресурсы для выявления механизма

Ресурсом для выдвижения моделей механизма могут служить биологические эффекты. Биоэффект можно использовать напрямую или в сочетании с другими эффектами (биологическими, физическими, химическими).

Существующая на данный момент картотека биологических эффектов (Тимохов) представляет собой перечень возможных применений биологических объектов. Автор определяет биоэффект так: “Биологический эффект - это применение биологических объектов (под которыми мы понимаем все живые организмы) в жизнедеятельности человека”.

Картотека биологический эффектов имеет 5 разделов:

Такие разделы были выделены в соответствие с целями использования биообъектов. Однако данная классификация неидеальна и для этих целей, т.к. позволяет найти в картотеке только конкретные частные решения, не позволяет делать обобщения.

Например, в картотеке есть такие карточки:

  1. Ночью в море светятся одноклеточные организмы- ночесветки. Стоит только стукнуть веслом по воде, как свечение становится интенсивнее: вода в этом месте вспыхивает голубоватым светом- так ночесветки отвечают на механическое раздражение. Таким же свечением они отвечают на самое незначительное содержание ионов натрия или сахара в воде. Ночью за подводной лодкой, идущей на любой глубине, тянется светящийся шлейф, образованный ночесветками, что делает возможным обнаружение этой лодки со спутника. По свечению можно также определить тоннаж, скорость и тип субмарины.
  2. Индейцы Америки привязывали светлячков выше пятки к ногам, чтобы при движении в ночном лесу, оставаясь невидимым для противника, не терять друг друга из вида, Во второй мировой войне японская армия снабжалась порошком из мелких сушеных рачков. Они создают свечение, незаметное со стороны, но достаточное для прочтения карт. Рыбаки и рыбопромышленники используют живые светящиеся приманки, заметно увеличивая при этом добычу.

В сущности, это примеры одного и того же биологического эффекта - биолюминесценции.

Можно предложить более точную классификацию картотеки по применению биологических объектов.

Накопление веществ и энергии:

драгоценные металлы: (Au, Ag, Cu...)

радиоактивные элементы (U, Cs,...)

металлы (Ni, Mg,...)

Но такая классификация также не дает возможности искать эффект по его свойствам, его проявлениям, что необходимо как для решения новых задач, так и для объяснения биологических явлений. В поисках других подходах к структурированию картотеки эффектов можно обратиться к указателю физических эффектов, разработанному в ТРИЗ По сравнению с нашей картотекой, он несет в некотором роде противоположную функцию.

Физический эффект принято описывать в модели:

(*) bg3.gif (2495 bytes)

И классификация эффектов в такой модели производится либо по входу, либо по выходу, а области возможного применения эффекта дают второе, дополнительное основание для классификации.

Итак, классификация биоэффектов по их применению не создает основы для построения

гипотез, т.к. не дает никакого представления о структуре эффекта. Попробуем ответить на вопрос, какая классификация позволила бы нам продвинуться вперед в нашем вопросе.

Классификация, пригодная для построения биологических гипотез, должна опираться на структуру или на механизм биологического эффекта. Можно описать биологические эффекты в моделях, аналогичных описанию физэффектов и классифицировать либо по “входу”, либо по “выходу”.

Мы предлагаем такие модели биоэффектов:

Индикация:

1-й вариант.

bg4.gif (2447 bytes)

Пример: Замечено, что рисунок паутины зависит от питания паука. Самые незначительные примеси яда изменяют характер плетения. Криминалисты заинтересовались такими способностями пауков. Если причину гибели установить трудно, пауку дают каплю крови погибшего человека и смотрят на рисунок сети. Составлены специальные альбомы с фотографиями паутины после принятия пауками различных ядов.

bg5.gif (2438 bytes)

2-й вариант.

bg6.gif (2280 bytes)

Пример: Обнаружили, что, когда растению становится трудно добывать воду из пересохшей почвы, стебель растения начинает издавать ультразвуковые шумы. Присоединив к стеблям специальные микрофоны, можно уловить эти шумы и включать поливальные установки только тогда, когда сами растения этого требуют. Результат - экономия воды и надежный урожай.

bg7.gif (2550 bytes)

Надо учесть, что на биообъект, кроме полей (МАТХЭМ) могут действовать и другие, чисто биологические факторы, такие как голод, опасность, наличие особи противоположного пола, иерархическая структура сообщества (порождающая определенные взаимоотношения особей).

Вещество.

bg8.gif (2196 bytes)

В бедных металлургических выработках в специальных отстойниках разводится колония тионовых бактерий, переводящих медь в раствор. Раствор, насыщенный бактериями, закачивают в пробуренные скважины и затем поднимают на поверхность. Простой химической обработкой из раствора получают чистую медь. Аналогично используют серобактерии и железобактерии. С помощью литотрофных бактерий в США получают 10% от общего количества всей производимой в стране меди.

bg9.gif (2645 bytes)

Возможна конкретизация изменений: синтез, преобразование, перенос, удаление (поглощение), накопление.

Поле.

bg10.gif (2273 bytes)

Пример: Кусты и деревья являются мощным экраном, который сдерживает проникновение электронаводок.

bg11.gif (2424 bytes)

Конкретизация изменений поля?

На основе предложенных моделей целесообразно создать таблицу биоэффектов, в которой по заданным изменениям на “входе” можно было бы найти “выход” и наоборот (аналогично модели физэффекта (*)).

Критерии идеальности в оценке гипотез и биологического механизма

Во-первых, необходимо сказать, что критерии идеальности для гипотезы и для механизма будут разными, т.к. функции у этих двух систем различны. Гипотеза нужна для объяснения явления, а механизм – это технология процесса.

Механизм идеален в том случае, если при его работе организм затрачивает минимум ресурсов (внешних и внутренних) и получает при этом достаточный результат.

Идеальность гипотезы заключается в том, что она объясняет механизм явления, не противореча существующим знаниям, при этом она должна содержать минимум информационных ресурсов. Но даже идеальная гипотеза может оказаться несостоятельной, правильность гипотезы доказывается только экспериментально.

Заключение

В этой работе была осуществлена попытка рассмотреть рассмотреть возможности применения инструментов ТРИЗ для синтеза и оценки биологических гипотез. Рассмотрено применение многоэкранной схемы и системного оператора для выявления причин исследуемого явления, предложено использование информационного фонда ТРИЗ картотеки биоэффектов для определения механизма явления.

В дальнейшем планируется:

Список литературы

  1. Блум Ф., Лейзерсон А., Хофстедтер Л. Мозг, разум и поведение.-М: Мир, 1988.
  2. Дерзкие формулы творчества./ Сост. А.Б. Селюцкий. - Петрозаводск: Карелия, 1987. - (Техника - молодежь - творчество).
  3. Иванов Г.И. Формулы творчества, или как научиться изобретать: Книга для учащихся старших классов. - М.: Просвещение, 1994.
  4. Кауфман Б.З. Преферентное поведение беспозвоночных.-Петрозаводск, 1995.
  5. В.И. Тимохов. Картотека биологических эффектов. Рукопись.-Гомель, 1992.
  6. Шанс на приключение./ Сост. А.Б. Селюцкий. - Петрозаводск: Карелия, 1991. (Техника - молодежь - творчество).

На оглавление