§2 生物學中的探索實驗（3）現代生物學初期（1980s-1990s）

既布里恩之後，生物學哲學家開始思考是否生物學也有類似布里恩說的探索實驗？富蘭克林（Laura Franklin）注意到，當代生物學家使用能處理巨量資料的「寬」裝置（“wide” instrumentation），使生物學家以有別於以往用傳統、近乎手工的方式進行實驗研究，更能獲得科學進展，她認爲，這讓人認識到當代生物學中的探索實驗樣貌。

富蘭克林在2005年於《科學哲學》（Philosophy of Science）期刊上發表〈探索實驗〉一文。富蘭克林的分析相當細緻，她先區分培根式的實驗方法與波普式的實驗方法有何不同。如前面幾節所言，培根式的實驗方法標榜科學家在操作實驗前，不帶有任何一點預先存在的想法，實驗先於理論化活動﹔反之，波普式的實驗方法是主張實驗必定在理論成形之後，實驗本來就是為了檢驗理論而被設計存在的。

接著，富蘭克林舉兩個同為研究酵母菌基因體如何調控組蛋白產稱數量的實驗。一個實驗在1980年代，另一個在1990年代。1980年代的實驗由希瑞芙（Lynna Hereford）主持，當時她與研究團隊使用北方墨點法（The Northern Blot）來測量酵母菌mRNA的生產數量，北方墨點法是傳統沿用下來的測量方法。

為調查控制組蛋白數量的基因調控機制，希瑞芙當時心中有兩個理論，一個是組蛋白mRNA的轉錄與穩定度會隨細胞週期變化而被調控產生出不同產量（T1），另一個理論則假設，組蛋白mRNA數量在整個細胞週期間都是穩定的，其濃度會有波動變化是受到基因轉錄速率的變化而有波動（T2）。富蘭克林提到，以當時生物學界較流行的想法是相信組蛋白濃度是在組蛋白mRNA轉錄後才被調控的，換言之，是上述後者的理論（T2）（T1, T2是筆者自己為方便讀者理解而做的標記）。

希瑞芙研究團隊在酵母菌不同的細胞週期用北方墨點法測量組蛋白mRNA濃度，結果證實，組蛋白數量是受到組蛋白mRNA濃度波動而被調控的，也就是證實上述第一個理論為真。我們不在這裡詳述希瑞芙的實驗細節，回到富蘭克林的脈絡，她以這個實驗探討理論在實驗設計上扮演了何種角色。姑且不去爭論該實驗是否檢驗了兩個理論中的其中一個，但很清楚地，北方墨點實驗法確實幫助科學家在兩個候選理論中作出了選擇。

富蘭克林認為，希瑞芙的實驗有受到「理論指引（或譯為理論導向）」（theory-directed）。這裡所謂的「指引」是科哲家瑞德（Hans Radder）所說的意義，也就是，一個實驗可以受到某個理論的指引（甚至說「主導」也無妨），因為，說一個實驗受到某個理論的指引，未必就一定得認為它是為了檢驗理論。瑞德所謂的「理論指引」是指，科學家在計畫、設計、操作實驗過程中，理論確實在其中扮演提供「理論觀點」（the perspective of theories）的角色（Radder 2003）。換言之，說實驗與理論有關，未必一定要連結到檢驗功能。

隨著瑞德的想法，富蘭克林對「理論指引」進一步區分出兩個層次：第一個層次是，從分子生物學所累積形成的系統化知識以及常會被用來作可能機制的經典案例（如乳糖操控組），這些可利用的理論資源或知識，能幫助生物學家對感興趣研究的現象產生理論假說，正如希瑞芙的例子，她從當時主流的理論想法中，延伸提出自己的理論假設，富蘭克林將當時流行於科學社群中的想法稱為「理論背景」（theoretical background）（Franklin 2005: 891）。

「理論指引」的第二個層次是，能對研究者所關注的研究對象指引出物質將會有怎樣的特定行為，例如希瑞芙秉持某些理論上的理由（theoretical reasons）以及她自己掌握到一些相關的經驗證據，提出組蛋白應該是隨著細胞週期變動而跟著被調控的，富蘭克林將此稱為「局部理論」（local theory）。對富蘭克林而言，希瑞芙是把當時的理論背景和自己提出的局部理論結合起來形成新理論。

接著，富蘭克林舉第二個實驗是1990年代由斯培爾曼（Paul Spellman）所主導的實驗。斯培爾曼在一開始於實驗設計和實驗裝置上就和希瑞芙不同。原因是，從1990年間起，所有研究與基因表現主題相關的生物學家都紛紛從北方墨點實驗法轉換為DNA微陣列實驗裝置。理由是，北方墨點實驗法一般只能測量mRNA一到兩種基因表現，而DNA微陣列測量裝置卻可以測量mRNA所有的基因表現。因此，雖然兩種裝置都在測量mRNA，但「寬度」差很多，後者的寬度是前者的千倍以上，這也就是為什麼DNA微陣列後來有「寬」裝置（“wide” instrumentation）之名。

根據富蘭克林，雖然斯培爾曼和希瑞芙都在調查酵母菌的基因調控機制（斯培爾曼在論文一開始就提到希瑞芙的研究），但他的企圖更大，他想知道的是酵母菌裡所有基因體在細胞週期間的調控情形。如此，斯培爾曼不去想當時有什麼相關理論假說，他就是用DNA微陣列實驗對酵母菌基因體進行全面、地毯式的「掃描」，企圖透過大規模調查，建立出一組基因目錄，為酵母菌在不同細胞週期的各階段建立出一套類似「邏輯電路」（“logical circuitry”）的機制模型（Franklin 2005: 893）。

富蘭克林認為，雖然斯培爾曼在操作DNA微陣列實驗時，腦中或許沒有預設一個特定理論，但我們不能因此就說他的微陣列實驗與理論完全無關。至少，在理論指引的第一層次上，斯培爾曼和希瑞弗一樣，都不可避免地會受到理論背景的指引。因為有理論背景指引，實驗者才能在實驗過程的某些微小階段中，進行因果推理。斯培爾曼較希瑞弗沒有的是局部理論，也就是他的DNA微陣列實驗不存在第二層次的理論指引。

回到培根式與波普式實驗的區分，富蘭克林認為，真正使斯培爾曼實驗被視為培根式或探索實驗，不在於有沒有局部理論的差別，因為認真講起來，兩人的實驗都與理論背景有關。她認為，真正的差異在於，斯培爾曼用寬裝置找到了過去從未見過但有趣的生物活動模式，這幫助斯培爾曼團隊形成新的假說，特別是過去想都沒想過的新假說（因為看到的資料與過去完全不同）。寬裝置對當代生物學實作重要，不只是因為它們精密、準確、快速而已，更重要的是它能產生的巨量資料能帶給科學家啟迪性（heuristics），使他們從實驗資料中看出窄裝置無法顯現的規律性，進而形成有別於當時理論背景、競爭對手的新假說，而且是可行、可落實的新假說，這才是探索實驗真正本質之所在，也才是真正符合培根精神的地方。

到此，富蘭克林已觸及科學實驗哲學另一個重要的問題，那就是：到底決定科學實驗方法價值的方法是什麼？該如何評價一個科學方法是更適當的？過去很長一段時間，科學哲學認為科學方法的目標在追求真理（truth），而實驗存在的目的就是使理論所能表徵的真理達最大化，但富蘭克林用當代生物學實驗實作的例子讓我們看到，生物學家使用「窄」裝置和「寬」裝置對科學發現的影響有多大，畢竟，裝置可測量資料的寬度決定科學實驗的進行速度，這使得當代科學方法評價不能只重視「真理」的表徵及其理論證成，現在更要顧及「功效」（efficiency）。因為，真正第一線在實驗枱工作的科學家，他們需要的不只是真理，而是他們現在就要。對他們而言，真正有幫助的實驗方法是既不浪費時間，也不浪費資源的有效方法（Franklin 2005: 894-896）。

總之，富蘭克林透過這篇論文，讓我們知道，當代生物學中，高通量的實驗裝置，不僅符合布里恩對探索實驗的刻畫，符合「以技術為主」、「不受特定理論指導」的特性，寬裝置真正受科學家喜愛是因為它所能「跑」出來巨量資料，能引領科學家得出新想法、新實驗設計，這才是讓他們向科學發現邁出探索步伐的重要動力。

① Radder, Hans (2003). “Technology and Theory in Experimental Science.” In Hans Radder (ed.), The Philosophy of Scientific Experimentation. Pittsburgh: University of Pittsburgh Press.

② Hereford, Lynna, Mary Ann Osley, J. Richard Ludwing II, and Calvin S. McLaughlin (1981). “Cell-Cycle Regulation of Yeast Histone mRNA.” Cell 24: 367-375.

③ Spellman, Paul T., Gavin Sherlock, Michael Q Zhang, Vishwanath R Iyer, Kirk Anders, Michael B Eisen, Patrick O Brown, David Botstein, and Bruce Futcher (1998.) “Comprehensive Identification of Cell Cycle-Regulated Genes of the Yeast Saccharomyces cerevisiae by Microarray Hybridization.” Molecular Biology of the Cell 9: 3273-3297.