Биологические тесты необходимости и достаточности
 | Тема этой статьи Википедии может не соответствовать общему правилу по известности . ( декабрь 2021 г. ) |
Биологические тесты необходимости и достаточности относятся к экспериментальным методам и техникам , которые направлены на проверку или предоставление доказательств конкретных видов причинно-следственных связей в биологических системах. Необходимая причина – это та, без которой не было бы возможно возникновение следствия, а достаточная – это та, наличие которой гарантирует возникновение следствия. Эти концепции во многом основаны на идеях необходимости и достаточности в логике , но отличаются от них .
Тесты необходимости, среди которых методы повреждения или нокаута генов , и тесты достаточности, среди которых методы изоляции или дискретной стимуляции факторов, стали важными в современных экспериментальных планах, и применение этих тестов привело к ряд выдающихся открытий и выводов в области биологических наук.
Определения [ править ]
В биологических исследованиях эксперименты или тесты часто используются для изучения предсказанных причинно-следственных связей между двумя явлениями. [1] Эти причинно-следственные связи можно описать с помощью логических понятий необходимости и достаточности.
Рассмотрим утверждение, что явление x вызывает явление y. X будет необходимой причиной y, если возникновение y подразумевает, что x должно было произойти. Однако только возникновение необходимого условия x не всегда может привести к наступлению также и y. [2] Другими словами, когда какой-то фактор необходим для того, чтобы вызвать следствие, невозможно иметь следствие без причины. [3] Вместо этого X будет достаточной причиной у, если появление x подразумевает, что затем должно произойти у. [2] иными словами, когда какого-либо фактора достаточно, чтобы вызвать следствие, наличие причины гарантирует возникновение следствия. [3] Однако другая причина z может также вызвать y, а это означает, что y может произойти без возникновения x. [2] [3] В качестве конкретного примера рассмотрим условное утверждение «если объект представляет собой квадрат , то у него четыре стороны». То, что объект имеет четыре стороны, является необходимым условием, если верно, что он является квадратом; и наоборот, то, что объект является квадратом, является достаточным условием для того, чтобы было верно, что объект имеет четыре стороны. [4]
Для связи двух условий возможны четыре различные комбинации необходимости и достаточности. Первым условием может быть:
- необходимо, но недостаточно
- достаточно, но не обязательно
- и необходимое и достаточное
- ни необходимо, ни достаточно
чтобы второе условие было истинным. [4]
Непрофессионалы или начинающие учёные могут предпочесть думать об этих концепциях необходимости и достаточности определённым образом. В исследовании студентов психологов - больше студентов рассматривали необходимость в негативных терминах «если нет x, то нет y», а не логически эквивалентно «если y, то x», чем в отношении достаточности; большинство из них понимали достаточность как «если x, то y», а не логически эквивалентный «если нет y, то нет x». Этот результат также показал, что студенты с большей вероятностью предпочитали думать о причинах в прямом направлении (от x до y), а не в обратном (от y до x). [5]
Могут возникнуть недопонимания относительно видов доказательств, которые могут поддержать эти причинно-следственные связи; Исследование, в котором применялись причинные концепции необходимости и достаточности, показало, что студенты колледжей на уроках биохимии склонны ошибочно истолковывать корреляции как означающие достаточность для возникновения эффекта. [6] Исследование студентов-психологов также выявило потенциальное несоответствие в понимании достаточности: было обнаружено, что некоторые студенты понимали причину как достаточную для следствия, даже если следствие не всегда следовало за причиной; [5] в обратном же направлении следствие может иметь альтернативные причины, но причина может быть достаточной только в том случае, если она всегда приводит к возникновению эффекта.
Тесты на необходимость [ править ]
Необходимость можно доказать, только продемонстрировав, что система не работает, когда рассматриваемая часть не активна, то есть она необходима для функционирования. Биологические исследования используют различные методы для ингибирования структуры или генетического игрока, такие как повреждения и нокаут / удаление. Все эти методы попадают в категорию потери функции. [ нужна ссылка ]
Поражение [ править ]
Повреждение — это испытание на необходимость, предполагающее физическое повреждение конструкции, в результате которого она теряет свою функцию. Если повреждение структуры приводит к изменению системы, то эта структура необходима. [7] В разных научных дисциплинах поражение может выглядеть по-разному.
В психологии информацию о необходимости можно получить, наблюдая за изменениями в поведении, когда область мозга была разрушена случайно или вследствие болезни у человека или целенаправленно у лабораторного животного. [8] Другие дисциплины могут быть нацелены на конкретные типы клеток и отмечать их деградацию. Система GAL4/UAS «сообщает» о подмножестве интересующих генов, хотя она не оказывает независимого воздействия на ткани. [9] В сочетании с апоптотическим геном, таким как reaper (rpr), все клетки, которые экспрессируют интересующие гены вместе с GAL4/UAS , инициируют клеточную гибель, создавая легион, специфичный для определенного типа клеток. [10]
Классическим примером поражения в хронобиологии является исследование циркадной навигации у бабочек-монархов . В ходе знакового эксперимента доктор Кристин Мерлин и доктор Стивен Репперт удалили (повредили) усики бабочек-монархов и проверили их способность ориентироваться. [11] Они обнаружили, что «Монархи» не могли ориентироваться без своих усиков . [11] Использование исследователями повреждений позволило им прийти к выводу, что усики Монарха необходимы для навигации, поскольку их отсутствие препятствовало функционированию этой системы. [11]
Нокаут [ править ]
Нокаут инактивацию означает гена . Это можно сделать несколькими способами, например, изменив последовательность ДНК так, чтобы она больше не выполняла свою функцию, изменив область промотора , чтобы она не транскрибировалась, или полностью удалив ген. [12] Помимо помощи ученым в понимании функции гена, наблюдение за поведением или какой-либо другой переменной до и после удаления может стать аргументом в пользу его необходимости, если поведение или система перестают функционировать.
Аллада и др. выполнили нокаут дрозофилы гена CLOCK , ранее идентифицированного как циркадный ген посредством прямой генетики . В этом эксперименте они изменили ген Clock, чтобы помешать ему выполнять свою нормальную функцию. [13] Мухи с нокаутом по часам не демонстрировали двадцатичетырехчасовой ритм, как было зарегистрировано для неизмененных мух. [13] Это привело исследователей к выводу, что часы необходимы для двадцатичетырехчасового ритма мух. [13]
Критерии достаточности [ править ]
Достаточность можно доказать, продемонстрировав, что система может работать, когда рассматриваемый элемент активен без влияния других элементов. Однако это не говорит о том, что рассматриваемый элемент необходим для функционирования. Элемент позволяет системе функционировать, но его присутствие не требуется для функционирования системы.
Тесты достаточности в биологии используются, чтобы определить, позволяет ли присутствие элемента произойти биологическому явлению. Другими словами, если соблюдены достаточные условия, целевое событие может произойти. Однако это не означает, что отсутствие достаточного биологического элемента препятствует возникновению биологического события.
Тесты на достаточность включают усиление функции путем дискретной стимуляции и изоляцию биологического элемента для наблюдения за изменением целевого события. Эти типы методов необходимы для некоторых областей биологии . В частности, тесты достаточности распространены в области хронобиологии .
Дискретная стимуляция [ править ]
При выполнении дискретной стимуляции исследователи стремятся стимулировать исключительно интересующий биологический элемент. Возвращаясь к работе доктора Репперта и доктора Мерлина с бабочками-монархами, задаваясь вопросом о роли антенн в ориентации бабочки-монарха по солнечному компасу , исследователи освещали только антенны бабочки. [11] Они обнаружили, что одной лишь стимуляции антенн было достаточно, чтобы бабочки могли увлечься, по сравнению с нестимулированными бабочками, которые были вовлечены в такие же условия. В результате полетное поведение стимулированной группы было похоже на поведение бабочек, которых традиционно увлекали. В результате появились доказательства того, что антенн достаточно для ориентации по солнечному компасу.
Дискретная стимуляция также использовалась для исследования местоположения и количества циркадных кардиостимуляторов у растений, а именно арабидопсиса и табака . [14] Исследуя взаимодействие циркадных систем у интактных растений, Thain et al. поместили фольгу, закрывающую одну семядолю , и включили другую непокрытую семядолю в цикл света и темноты, состоящий из 12 часов света и 12 часов темноты (LD 12:12), на 6 часов раньше закрытой семядоли. Затем исследователи закрыли противоположную семядолю и включили только что обнаженную семядолю в цикл света и темноты 12:12 с задержкой на 6 часов, создав 12-часовую разницу между семядолями. Используя трансгенную биолюминесценцию , Thain et al. обнаружил, что два листа находились в противофазе друг с другом, демонстрируя пики люминесценции в разное время. Это послужило доказательством представления о том, что каждая семядоля достаточна для поддержания независимого циркадного ритма и имеет свой автономный циркадный осциллятор. [14]
Изоляция [ править ]
Метод выделения для определения достаточности предполагает проведение экспериментов на одном биологическом элементе, изолированном от взаимодействия с другими соответствующими биологическими элементами. Этот метод включает в себя удаление рассматриваемого элемента и помещение его в изолированные условия тестирования.
Репперт и Мерлин использовали метод изоляции в своих исследованиях при изучении влияния выходных сигналов циркадных часов антенн монархов в 2009 на ориентацию по солнечному компасу - бабочек году. Исследователи отделили антенны от бабочки и поместили их в отдельные условия. Затем исследователи прикрепили патч к ячейке антенны и распылили одорант на изолированную клетку, чтобы определить, есть ли ритмичность в скорости ее срабатывания . [11] Они пришли к выводу, что он действительно демонстрирует ритмичность в своей реакции на одорант: скорость стрельбы высокая ночью и низкая днем. [11] Изоляция антенны доказывает ее достаточность, поскольку она является единственным биологическим элементом, поддерживающим ритм в системе.
Кроме того, они снова использовали этот подход в своем исследовании в 2012 году, изучая влияние временных отношений между антеннами бабочки-монарха на ее ориентацию по солнечному компасу . Исследователи проанализировали важность наличия обеих антенн для ориентации по солнечному компасу. Они проверили это, сняв с бабочки одну антенну и оценив ее поведение в полете. В результате они обнаружили, что одной антенны достаточно для правильной ориентации солнечного компаса, независимо от его латерализации. [15]
Метод выделения не ограничивается выделением отдельных клеток или органов для экспериментов. Его также можно использовать для анализа белков и их роли в организме. А именно, Накадзима и др. использовал это в 2005 году при работе с белками Kai, такими как KaiA , KaiB , KaiC , которые регулируют экспрессию циркадных генов у цианобактерий . Эти белки являются основными компонентами циркадных часов цианобактерий, изменяя их конформацию и состояние фосфорилирования в течение дня. [16] Ставя под сомнение петлю обратной связи транскрипции-трансляции как средство объяснения циркадных часов цианобактерий, Nakajima et al. выделили белки KaiABC путем лизирования S. elongatus и помещения их в пробирки с АТФ . Следовательно, in vitro фосфорилирование KaiC колебалось с периодом примерно 24 часа с несколько меньшей амплитудой , чем колебание in vivo . Это продемонстрировало, что белков KaiABC достаточно для поддержания циркадного ритма при обеспечении АТФ. Он также представил KaiABC как циркадный посттрансляционный осциллятор, который регулирует часы у S. elongatus , в тандеме с моделью петли обратной связи транскрипции-трансляции (TTFL) как механизма часов организма. [17]
Отзывы [ править ]
Использование понятий необходимости и достаточности при планировании эксперимента и интерпретации исследований подвергалось критике на том основании, что способ их использования не всегда может соответствовать значениям этих понятий в формальной логике. В частности, Ёшихара и Ёшихара раскритиковали использование фразы «необходимое и достаточное» для описания биологических факторов в исследованиях. Они утверждают, что исследователи, использующие эту фразу для описания важности одного фактора для другого, рискуют неправильно донести свои выводы до тех, кто интерпретирует эту фразу в логическом смысле, но в то же время приводит пример того, как командные нейроны формально определили, что применение идеи «необходимого и достаточного» к биологическим факторам в строго логическом смысле может быть чрезмерно ограничительным и привести к необоснованному отклонению некоторых выводов. В качестве альтернативного описания авторы предлагают использовать словосочетание «незаменимый и побуждающий». [18] [19]
Ссылки [ править ]
- ^ Чанг И.А., Джангиани Р.С., Прайс ПК (2015). «Основы эксперимента». Методы исследования в психологии – 2-е канадское издание . Виктория, Британская Колумбия: BCcampus. ISBN 978-1-77420-011-7 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с «Причинно-следственная связь» . Проверено 22 апреля 2021 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с «[M06] Необходимость и достаточность» . философия.hku.hk . Проверено 06 мая 2021 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Шварц Н. (1997). «Понятия необходимых и достаточных условий» . Архивировано из оригинала 21 декабря 2010 г. Проверено 22 апреля 2021 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Вершуерен Н, Шройенс В, Шекен В, д'Идевалле Г (01 сентября 2004 г.). «Толкование понятий «необходимость» и «достаточность» в прямых однокаузальных отношениях» . Современные письма по психологии. Поведение, мозг и познание (14, том 3, 2004 г.). дои : 10.4000/cpl.433 . ISSN 1379-6100 .
- ^ Коулман А.Б., Лам Д.П., Соовал Л.Н. (2015). «Корреляция, необходимость и достаточность: распространенные ошибки в научных рассуждениях студентов при интерпретации экспериментов» . Образование в области биохимии и молекулярной биологии . 43 (5): 305–15. дои : 10.1002/bmb.20879 . ПМИД 26146931 . S2CID 205519318 .
- ^ Вайдья А.Р., Пуджара М.С., Петридес М., Мюррей Э.А., Fellows LK (август 2019 г.). «Исследования повреждений в современной нейронауке» . Тенденции в когнитивных науках . 23 (8): 653–671. дои : 10.1016/j.tics.2019.05.009 . ПМК 6712987 . ПМИД 31279672 .
- ^ Лавонд Д.Г., Стейнмец Дж.Э. (2003). «Методы поражения для поведенческих экспериментов». В Лавонд Д.Г., Стейнмец Дж.Э. (ред.). Справочник по классической тренировке . Бостон, Массачусетс: Springer US. стр. 249–276. дои : 10.1007/978-1-4615-0263-0_8 . ISBN 978-1-4615-0263-0 .
- ^ Вайарт С., Дель Бене Ф., Варп Э., Скотт Е.К., Траунер Д., Байер Х., Исакофф Е.Ю. (сентябрь 2009 г.). «Оптогенетическое вскрытие поведенческого модуля спинного мозга позвоночных» . Природа . 461 (7262): 407–10. Бибкод : 2009Natur.461..407W . дои : 10.1038/nature08323 . ПМК 2770190 . ПМИД 19759620 .
- ^ Уайт К., Тахаоглу Э., Стеллер Х. (февраль 1996 г.). «Убийство клеток генным жнецом дрозофилы». Наука . 271 (5250): 805–7. Бибкод : 1996Sci...271..805W . дои : 10.1126/science.271.5250.805 . ПМИД 8628996 . S2CID 20522069 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж Мерлин С., Гегир Р.Дж., Репперт С.М. (сентябрь 2009 г.). «Антеннальные циркадные часы координируют ориентацию по солнечному компасу у мигрирующих бабочек-монархов» . Наука . 325 (5948): 1700–4. Бибкод : 2009Sci...325.1700M . дои : 10.1126/science.1176221 . ПМЦ 2754321 . ПМИД 19779201 .
- ^ «Нокаут генов: шаги, методы и применение» . Генетическое образование . 2019-12-02 . Проверено 21 апреля 2021 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Аллада Р., Уайт Н.Э., Со У.В., Холл Дж.К., Росбаш М. (май 1998 г.). «Мутантный гомолог часов млекопитающих дрозофилы нарушает циркадные ритмы и транскрипцию периода и вневременья» . Клетка . 93 (5): 791–804. дои : 10.1016/S0092-8674(00)81440-3 . ПМИД 9630223 . S2CID 1779880 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Thain SC, зал A, Millar AJ (август 2000 г.). «Функциональная независимость циркадных часов, регулирующих экспрессию генов растений» . Современная биология . 10 (16): 951–6. дои : 10.1016/S0960-9822(00)00630-8 . ПМИД 10985381 . S2CID 14438917 .
- ^ Гуэрра П.А., Мерлин С., Гегеар Р.Дж., Репперт С.М. (июль 2012 г.). «Несогласованное время между антеннами нарушает ориентацию по солнечному компасу у мигрирующих бабочек-монархов» . Природные коммуникации . 3 : 958. Бибкод : 2012NatCo...3..958G . дои : 10.1038/ncomms1965 . ПМЦ 3962218 . ПМИД 22805565 .
- ^ Коэн SE, Golden SS (декабрь 2015 г.). «Циркадные ритмы цианобактерий» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 79 (4): 373–85. дои : 10.1128/MMBR.00036-15 . ПМЦ 4557074 . ПМИД 26335718 .
- ^ Накадзима М., Имаи К., Ито Х., Нишиваки Т., Мураяма Ю., Ивасаки Х. и др. (апрель 2005 г.). «Восстановление циркадных колебаний фосфорилирования цианобактерий KaiC in vitro». Наука . 308 (5720): 414–5. Бибкод : 2005Sci...308..414N . дои : 10.1126/science.1108451 . ПМИД 15831759 . S2CID 24833877 .
- ^ Ёшихара М, Ёшихара М (03 апреля 2018 г.). « «Необходимое и достаточное» в биологии не обязательно является необходимым — путаница и ошибочные выводы являются результатом неправильного применения логики в области биологии, особенно нейробиологии» . Журнал нейрогенетики . 32 (2): 53–64. дои : 10.1080/01677063.2018.1468443 . ПМК 6510664 . ПМИД 29757057 .
- ^ «Фразу «необходимо и достаточно» обвиняют в ошибочности нейробиологии» . Природа . 558 (7709): 162. Июнь 2018 г. Бибкод : 2018Natur.558R.162. . дои : 10.1038/d41586-018-05418-0 . ПМИД 29895927 . S2CID 48354584 .