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狗：我虽然不是人，但巴甫洛夫是真的……会做实验

来源：科普中国

图片：生态学家亚瑟·哈斯勒（Arthur Hasler，左）因解释银大马哈鱼的归巢行为而闻名。（威斯康星大学麦迪逊分校湖沼研究中心）

银大马哈鱼（又名银鲑鱼）是一种神奇的鱼类。它们原产于太平洋西北部，从淡水中孵化，然后开始向海洋迁移。当繁殖季来临时，它们会返回淡水区域生产，这中间间隔400英里（644千米）。

威斯康星大学的生态学家和生物学家亚瑟·哈斯勒对银大马哈鱼找到出生的水域的行为十分好奇。1960年，他用了一个基本的科学原则——假说——来寻找答案。

什么是假说？假说是对自然界中观察到的现象进行的一种试探性的、可检验的解释。假说关注的范围很小，这一点与可以涵盖广泛的可观察现象并可以从不同的证据中得到结论的理论不同。而且，如果你的假说或者理论是准确的，那么真实得出的结果就是你预测的结果。

回到 1960年的哈斯勒和银大马哈鱼。哈斯勒一个直接的想法是银大马哈鱼依靠眼睛定位它们的水系。为了测试这个想法，哈斯勒首先找到几条已经回到出生水系的鱼，然后遮住了一部分鱼的眼睛，一部分保持不变，然后把这些鱼扔到另一片遥远的海域。如果眼睛定位的猜想是正确的，那么那些被蒙住眼睛的鱼就不会返回原来的水域。

事情发展超出了预期。蒙住眼睛和没有蒙住眼睛的鱼都以相同的速度回到了原来的水域。（还有其他的佐证实验证明嗅觉，而非视觉是物种归巢行为的关键。）

虽然哈斯勒的蒙眼假说被证明是错误的，但还有其他更好的例子。今天我们来看历史上三个最著名的实验，以及检验假说所用的方法。

巴甫洛夫和他的狗（1903-1935）

假设：如果一只狗受到条件反射（比如说流口水）的影响，那么接受食物之前经常接受相同中性刺激（节拍器或者铃声）的狗会将这种刺激和进食行为联系起来。最后，当这只狗遇到上述的刺激时，就算没有投喂任何食物，它也会不自觉流口水。

实验：诺贝尔奖得主伊万·巴甫洛夫（Ivan Pavlov）的名字也被认为是人类最好的朋友的代名词。1903年，这位出生于俄罗斯的科学家开始了长达数十年的实验，涉及到狗的各种条件反射。

将一盘食物放在饥饿的狗面前，它会流口水。在这种情况下，食物给予的刺激会自动触发流口水的条件反射，后者是一种天生的，未经训练的反应。

相比之下，节拍器或者铃声是一种中性的刺激。对于狗来说，噪音并没有任何意义，也不会产生任何本能反应，但是看见食物会产生本能反应。

因此，每当巴甫洛夫和他的实验助手喂食狗狗时，都会播放节拍器或者铃声，从而让狗在心理上将节拍器或者铃声和进餐联系起来。由于反复实验，每当听到声音，哪怕没有投喂，狗狗也会不自觉流口水。

根据传记作家丹尼尔·菲利普·托德斯（Daniel Philip Todes）在传记《伊万·巴甫洛夫：俄罗斯的科学生命》（"Ivan Pavlov: A Russian Life in Science"）中的内容，巴甫洛夫的巨大革新在于他能够通过测量每只狗产生的唾液的数量来量化它的反应。每只狗遇到与食物有关的刺激时，都会以一定的速率分泌口水。

巴甫洛夫和他的助手们也利用条件反射来研究其他动物生理学的假设。在一次著名的实验中，一只狗被测试了它分辨时间的能力。在节拍器以每分钟60次的速度敲击时，这只狗可以得到食物。但在每分钟40次的慢节奏之后，它没有得到任何食物。结果表明：巴甫洛夫训练的动物可以在较快的节奏而非慢的节奏下分泌唾液。很明显，它能分辨出这两个有节奏的节拍。

结论：有了正确的条件反射，再加上大量的耐心，你可以让一只饥饿的狗对中性刺激做出反应，以一种既可预测又可科学量化的方式在提示下流口水。

图片：巴甫洛夫证明可以让一只饥饿的狗在中性刺激下产生流口水的反应。©HOWSTUFFWORKS

牛顿的棱镜（1665）

假设：如果白光是可见光谱中所有颜色的混合，它们以不同的波长传播，那么当一束白光穿过玻璃棱镜时，每种颜色都会以不同的角度折射。

实验：在艾萨克·牛顿（Isaac Newton）之前，颜色是一个科学谜团。1665年的夏天，牛顿在英国剑桥的一间暗室里面进行玻璃棱镜的实验。

他在一扇百叶窗上开了一个四分之一英寸（0.63厘米）的圆孔，从而可以使一束阳光进入暗室。当牛顿举起一个棱镜对着这条光线时，一片长方形的多色光被投射到了对面的墙上。

其中包含红色、橘色、黄色、绿色、蓝色、靛蓝和紫罗兰色的分离层。从上到下，这段光层高13.5英寸（33.65厘米），直径仅为2.6英寸（6.6厘米）。

牛顿推断，这些颜色隐藏在阳光中，但当棱镜以不同的角度弯曲（或“折射”）太阳光时，这些颜色就会被分离开来。

不过，他不是百分之百地确定这一推断。因此牛顿又做了一个小小的变动，这一次，他拿了另一块棱镜将这些彩虹版的光拦截，一旦折射的光进入新的棱镜，它们会重新组合成一束圆形的白色的光束。换句话说，牛顿把一束白光分解为一束不同的颜色，然后重新组装成白色，多么奇妙的实验技巧啊！

结论：阳光是彩虹中所有颜色的混合体，这些颜色可以通过光的折射进行单独分离。

图片：1665年，牛顿证明阳光是彩虹中所有颜色的混合体，这些颜色可以通过光的折射分离。

潘恩的海星（1963-1969）

假设：如果捕食者限制它们猎食的物种的数量，那么在消灭主要的捕食者之后，这个区域内的被捕食者的数量就会增多。

实验：赭色海星（Pisaster ochraceus），又名紫色海星，这种生物的胃延展性很好，以贻贝、帽贝、藤壶、蜗牛和其他倒霉的受害者为食。在华盛顿州的一些海滩岩石（和潮汐池）上，这种海星是顶级捕食者。

罗伯特·潘恩（Robert Paine）也是因为它成为科学界的名人。作为一名生态学家，潘恩对顶级捕食者在环境中扮演的角色非常着迷。1963年6月，他在华盛顿州的尼亚湾展开了一项雄心勃勃的实验。一年来，潘恩通过人为介入，使得这片海岸线的岩石周围的紫色海星全部消失。

这是一项艰苦的工作，潘恩不得不经常用撬棍从岩石的各种角落撬出任性的海星，然后把它们扔到海里。

实验之前，潘恩在测试的区域观察到了15种不同种类的动物和藻类生态，到1964年6月，也就是他开始清洗海星的一年后，这个数字已经下降到了8个。

紫色海星消失之后，藤壶的数量猛增，之后，加利福尼亚贻贝取代了这些藤壶，它们开始主宰整个地形。这些贻贝铺满了整个岩石区域，从而驱逐了其他的物种，使得岩石区域对于大多数以前的居民来说都不再适合居住：甚至连海绵、海葵和藻类，这些紫色海星不吃的物种都被大量驱逐了。

所有的这些物种在潘恩没有影响到的另一片海岸线上继续繁衍生息。后续实验使他确信，紫色海星是这个生态中的重要一环，它对环境的影响很大。去掉这个物种之后，整个系统都会变得混乱。

结论：顶级捕食者不仅影响它们捕猎的动物。消灭顶级捕食者会引发连锁反应，从根本上改变整个生态系统。

图片：生态学家罗伯特·潘恩从岩石区域移除所有海星之后，他预计贻贝、藤壶和倭奴的数量会增加，他错了。JERRY KIRKHART/FLICKR (CC BY 2.0)

最后，有趣的是什么？

与普遍的观点相反，巴普洛夫在他的实验中几乎从未用过铃铛，他更偏向于用节拍器、蜂鸣器、小风琴和电击。

作者：Mark Mancini

翻译：Nuor

审校：C&C

原文链接：

https://science.howstuffworks.com/innovation/scientific-experiments/hypothesis.htm

翻译内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

编辑：zhenni

关键词： 巴甫洛夫 大马哈鱼 条件反射

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