科学は計画できるのか？あまり知られていない「夜の科学」

この記事は、ニューヨーク大学医学部の生化学および分子薬理学の教授であるイタイ・ヤナイ氏と、デュッセルドルフのハインリヒ・ハイネ大学のバイオインフォマティクスの教授であるマーティン・J・レルヒャー氏によってゲノム生物学誌に発表された一連の解説記事の一部です。原題は「What is the question?」です。現在のタイトルは翻訳者によって追加されました。

この記事は、ノーベル賞受賞者のフランソワ・ジャコブが提唱した「ナイトサイエンス」という概念を借用し、科学的研究プロセスにおける仮説や問題の探求における著者の経験を説明しています。世間の目にはよく組織化され、論理的に厳密な「昼間の科学」とは異なり、「夜の科学」は仮説を提案する前の探究プロセスを指します。アイデアがまだ成熟していないとき、科学には不安定で、曖昧で、盲目的な別の側面があります (前の記事「科学者は論文を発表していない夜に何をしているのか?」を参照)。

著者 |柳井 板井、マーティン・レルチャー

翻訳：周淑一

スティーブン・ホーキングは 1976 年に、情報パラドックスとして知られる重要なアイデアを提唱しました。これは非常に深く重要な観察です。ホーキングは正しい答えを得られなかったが、それは問題ではない。重要なのは彼が正しい質問をしたということだ。これにより議論が巻き起こり、解決までに25年かかりました。

—レナード・サスキンド（アメリカの物理学者）

科学に関する一般の最大の誤解は、科学者は問題解決に専念しているというものです。実際、問題を生み出すのは主に科学者です。以前、フランソワ・ジャコブが提唱した昼の科学と夜の科学の概念を紹介しました。設定された目標に向かって取り組み、実験室やコンピューターの前で問題を解決するのが昼の科学です。心が自由にさまよい、新しいアイデアを生み出し、隠れたつながりを発見する、これが夜の科学です。確かに、科学を論理的で段階的なプロセスとして想像するほうが簡単です。しかし、この予測不可能でさまよう夜の科学の過程においてこそ、新たな疑問が生じ、新たな発見への道が開かれ、現実に対する私たちの見方が大きく変わるのです。

あなたの質問は何ですか、アインシュタイン？

1900 年に ETH チューリッヒのハインリッヒ・フリードリヒ・ウェーバー教授のオフィスの壁に張り付いたハエになったと想像してください。

「何かご用件はございますか、アインシュタインさん？」教授は、一番嫌いな学生を見ながら、厳しい口調で言った。

「教授」と生意気な学生は話し始めた。「理論物理学における未解決の大きな問題とは何ですか? それを解決したいのです。」

「まあ、若者よ、もし君が私の講義に定期的に出席しているなら、今日未解決の大きな問題が 3 つあることを知っているはずだ。君の才能では、それらの問題を解決するのは希望的観測にすぎない。しかし、もう一度言おう。まず、マクスウェル方程式が光速の観測された不変性と一致するように、時間の概念をどのように変えるか。次に、離散単位の形での光の吸収と放出と黒体放射の概念との間の矛盾をどのように回避するか。最後に、重力を時間と空間の曲率としてどのように理解するか。」

こうした疑問を抱きながら、若きアインシュタインは急いで自分の作業台に戻った。この好奇心旺盛な科学者は、論理的なステップを一つ一つ大胆に踏みながら問題に一つずつ取り組み、その一歩一歩がエレガントな結論へと導くという、誰にも止められない存在でした。彼は40歳までに3つの問題すべてを解決し、今日私たちがよく知っている科学の象徴となった。科学の進歩はこのようにして起こります。分野の専門家が科学体系のギャップを特定し、解決すべき主要な問題をリストアップし、その後、世界中の研究者が知恵を絞ってその解決に取り組み、ついに幸運な一人が答えを導き出します。

この科学的プロセスを加速するために、科学的な質問のリストが公開されることは珍しくありません。国立がん研究所 (NCI) は、がん研究において挑戦的な問題を提起し、研究資金を提供しています。数学者たちは未解決の「ミレニアム問題」を7つ挙げ、それぞれに100万ドルの懸賞金を出すとしている。 Wikipedia には、物理​​学、化学、生物学、医学、神経科学など 14 の異なる分野における未解決の問題がリストされています。では、10年後にさまざまな分野の著名人が集まり、これらの質問に答えた賢い人々を指名し、ボーナスやメダルを授与し、次の「トップ10の質問リスト」をまとめると当然予想できるでしょうか?驚くべきことに、あるいは意外ではないかもしれませんが、1990 年から 2015 年までの生命科学における主要な発見をすべてリストし、それを私が特定した問題のリストと比較すると、両者の間にほとんど重複がないことがわかります (表 1)。

ご想像のとおり、アインシュタインのいわゆる「3つの問題」は、そもそもまったくのフィクションでした。彼が持っていたのは、主に彼自身の考えから生まれた物理現象に関するいくつかのパズルだけだった。最初の問題を例に挙げてみましょう。アインシュタインは学生時代に、興味深いパラドックスを発見しました。光速で光線を追っている自分を想像すると、光線は振動して停滞する一連の電磁波のように見えるはずですが、これは電磁放射の特性を完璧に説明するマクスウェル方程式に反します。アインシュタインは長年にわたり、この矛盾を解決するためにマクスウェル方程式を修正しようと試みました。彼は何度も失敗を繰り返したが、ある夜、友人に愚痴をこぼして家に帰る途中で、ひらめいた。問題はマクスウェルではなく、時間だったのだ。時間に対する私たちの理解自体が間違っていたらどうなるでしょうか?ある時点で、アインシュタインは方程式を解くのをやめ、考えをさまよわせるようになりました。言い換えれば、夜の科学的思考の中で、彼はついに問題を解決するための重要な疑問にたどり着いたのです。それは、「時間に対する認識を変えて、すべてを自己矛盾なくすることはできるのか？」という疑問です。この問題は他の誰かによって与えられたものではなく、アインシュタイン自身によって発見されました。

問題のリストに従うことの難しさは、良い問題、特に解決可能な問題はすべてすでに解決されていることです。では、なぜ科学者たちはその疑問を脇に置いて、考えを巡らせないのでしょうか?むしろ、「明確な疑問を持つ」というのが彼らの潜在意識にあるようです。結局のところ、ほとんどすべての科学論文の手がかりは明確な疑問から始まり、その後すぐに答えへと進んでいきます。実際、科学者が発見を説明する方法は、知識が実際にどのように生成されるかよりも、人間がどのように知識を伝達するかについて多くを語っているのかもしれません。これは、人々が常に良い物語を愛してきたからというだけではありません。物語全体を明確にするために、論理的なつながりを持つ直線的な説明が、確かに最も効果的な方法なのです。論文の直線的な物語の背後では、彼らは依然として問題を探しながら暗闇の中をさまようのに多くの時間を費やしているかもしれない。しかし、いったん正しい質問に出会うと、私たちの考え方が変わり、研究の方向性全体が完全に逆転することもあります。

未知の未知

私たちはよく知識体系を壁に例えます。断片化された知識がレンガのように組み合わされて全体を形成し、特定の領域における既知の分野を構成します。この比喩は、科学を進歩させるためには、この知識の壁を強化して拡大し、説明力を高め、教科書の枠を超えて拡張する必要があることを示唆しています。壁の穴は、既存の理論を改善し、充実させるために埋めることができる「知識のギャップ」であると考えられています。特定の問題を解決するということは、多くの場合、知識の壁の一角を取り除くことを意味します。

しかし、この図は、知識や知見の蓄積が慎重に計画され、厳密にスケジュール化できるという誤った印象を与える可能性があります。それどころか、科学的発見の本質は予測不可能なものであり、新たな発見が既存の知識体系に適合しない可能性がある。研究の本来の目的はギャップを埋めることだったとしても、実際の結果はパズルの正しいピースではなく、むしろ予期せぬ新しい領域の開拓となるかもしれません。時には、古い壁に対して垂直に新しい壁を建てたり、古い壁の一部を壊したりしなければならないこともあります。多くの人にとって、この考えはあまり心地よいものではありません。結局のところ、私たちは一連の合理的な論理によって説明できる、整然とした美しい世界を好むのです。しかし、科学の最も興味深い未知とは、未知の未知、つまり、私たちが遭遇するまで存在すら気づかない未知なのです。

真に新しい問題、つまり未知の未知は予測不可能です。このような疑問を抱くには、昼間の科学だけでなく夜間の科学の取り組みも必要ですが、この側面は問題解決のプロセスによって見えにくくなることがよくあります。場合によっては、ホーキング氏が記事の冒頭で述べたように、科学者は何年もかけて問題に取り組むこともあります。彼らは体系的な訓練を受け、昼間の科学の研究方法（実験の設計と管理）を学びます。一方、夜間科学では、生徒自身がゆっくりと探究することが求められることが多い。研究室に新しく入った生徒は通常、仮説を検証する責任があり、彼らは科学を仮説の検証と同一視するかもしれない。多くの若いポスドクは、他人から与えられた問題を解決するのは博士課程の学生の仕事だと教えられてきましたが、今では彼らは未知の未知を自分自身で探求しなければなりません。

科学界が挙げる既存の問題（表 1 および 2 の左の列に挙げられている問題など）は、通常、非常に一般的なものであり、新たな研究の方向性を刺激するものではありません。このような質問に答えるには、元の質問を再編成して言い換え、焦点を再度絞る必要があることがよくあります。これにより、問題の新たな側面が明らかになり、現象に対する深い洞察を得た後にのみ可能になります。たとえば、「マイクロバイオームは腫瘍の成長に影響を与えますか？」これはもっともな質問ですが、あくまでも調査の出発点に過ぎません。少し分析し、その後、夜通し科学的に考えてみると、例えば、「マイクロバイオームは腫瘍の共犯者であり、腫瘍に操られているのか？」という疑問が浮かぶかもしれません。あるいは「細菌は腫瘍細胞に侵入するのか？」これらの新しい質問により、テストすべきまったく新しい仮説が生ま​​れる可能性があります。

場合によっては、新しい質問を提起する当初の意図が、特定の既存の問題に向けられたものではないかもしれませんが、それが予期せぬ形で後者の答えにつながることもあります。ある分野についての無知は、しばしば問題の発生を招きやすく、さらに新たな問題を発見するには、その分野における徹底的な研究が必要になります。例えば、フランシスコ・モヒカは、細菌ゲノムがなぜ特別な構造を持っているのかを説明するために、まったく新しい仮説を提唱した。研究者たちはこれを「クラスター化された規則的に間隔を置いた短い回文反復（CRISPR）」と呼んでおり、その間に等しい長さの「スペーサー」があり、その配列はランダムに見える。モヒカ以前には、この奇妙な構造に興味を持つ科学者はほとんどいなかった。 CRISPR に関して言えば、「なぜ細菌には CRISPR 要素があるのですか?」という質問になります。しかし、この質問は興味を引くにはあまりにも一般的であり、スペーサー領域はほとんど無視されてきました。しかし、モヒカ氏はこう尋ねた。「スペーサーと既知のDNA配列の類似性は何を示しているのか？」この疑問は、夜の科学から生まれ、さらに厳密な昼の科学によって答えられた、要点を突いたものでした。スペーサーはウイルス配列のコピーであり、細菌の獲得免疫システムを誘導して、対応するウイルスの侵入に抵抗し、その DNA を破壊するものです。表 2 には、問題に再び焦点を当ててブレークスルーを達成した例がさらに示されています。

「ストーリーテリング」

サスキンド氏が記事の冒頭でスティーブン・ホーキングについて述べたように、科学者が重要な疑問を投げかけると、たとえその答えが後に間違っていたことが判明したとしても、その疑問を投げかけたことに対して賞賛されるだろう。これは、これまで尋ねられたことのない質問は、当然のことながら古い認識を超えるためです。質問に答えるには、論理的なステップバイステップのプロセスに従うだけで済みますが、質問をするには、未知の世界への非論理的な飛躍が必要です。これが夜間科学の特徴です。

では、なぜそうではないように見えるのでしょうか?なぜ人々は質問よりも答えを重視するのでしょうか?これは、新たな問題が私たちの現実を変えるほど強力だからかもしれません。質問はその起源を消し去る傾向があります。一度質問されると、質問される前はどのような状況だったのかを想像するのは難しくなります。質問は現実の新たな側面を明らかにし、人々の注意はすぐに答えの探求へと引き寄せられます。これを視覚的に説明するために、ニューヨーカーの漫画コンテストを例に挙げてみましょう。漫画には面白いタイトルを考えなければなりません。これは、試したことのある人なら誰でもわかるように、困難な課題です (図 1 を参照、読者の皆さんはぜひ試してみてください)。しかし、一度他人のタイトルを読むと、固定観念を形成しやすく、その枠から抜け出すのは困難です (参照タイトルは図 2 のキャプションに隠されています)。同様に、新しい科学的な質問は、一度尋ねられたら明白に思えるかもしれません（「CRISPR スペーサーと既知の DNA 配列の類似性は何を示していますか？」など）が、それは質問される前から明白だったという意味ではありません。

図 1 ニューヨーカー漫画コンテスト: この漫画に面白いタイトルを付けられますか? |クレジット: www.JackZiegler.com、2005 年 5 月 9 日発行の New Yorker よりライセンス取得

質問を見つけることは、漫画本のタイトルを考えるのと同じように楽しいですが、非常に難しいと感じることもあります。科学者はすべてを知っていると一般の人々は期待することが多いのですが、私たちは日々の仕事の中で自分たちがかなり「愚か」であると感じることがよくあります。科学とは、私たちがまだ理解していない事柄を扱う芸術です。ドイツとアメリカのロケットの父、ヴェルナー・フォン・ブラウンはこう言った。「研究とは、自分が何をしているのか分からないときにやることだ。」科学は本当に謙虚なものだ。若い科学者にとって、答えや質問さえも分からないのが普通だということを理解するのは、しばしば困難です。この不確実性を受け入れることを学ぶことは、科学者としての私たちの成熟の一部です。

ユリ・アロン（分子生物学者）は、私たちが問題を再発見するプロセスを鮮明に描写しています。研究者は、特定のトピック「A」についてわかっていることに基づいて、一見興味深い科学的目標（仮説）であるポイント「B」に到達できるはずだと予測します。しかし、研究を進めるうちに状況は必然的に複雑化し、次々と障害が出現し、研究者たちは何度も迂回しなければならなくなりました。やがて彼は道に迷い、道がどこから始まるのか（突然崩れ落ちたように見えた）も、どこで終わるのか（手の届かないところにあるように見えた）もわからなくなった。ユーリー氏はこの状況を「雲の中にいる」と呼んでいます。つまり、元の問題を見失っているが、この状況の原因自体が奇妙であり、調査する価値のある刺激的な発見が隠されている可能性があるということです。雲から見ると状況は絶望的に思えたが、ユーリーは雲を科学の兆候とみなした。雲の中にいれば、非常に目立たないが興味深いものに偶然出くわすかもしれないのだ。学生はユリに「混乱しています」と言います。ユリは答えます。「ああ、よかった。クラウドにいるんですね！」最終的には、クラウドから浮かび上がる新たな疑問が、私たちを予期せぬ目的地「C」に導くかもしれません。

図 2 科学的方法の明示的（昼間の科学）および暗黙的（夜間の科学）な観点。

図 1 の漫画の優勝タイトルは、「時間も場所もないよ、ダグ!」です。

不確実性を受け入れる

仮説を繰り返し修正するには長い時間がかかることがありますが、科学的方法は質問から答えまでの単純なプロセスであると考えられることが多いです。しかし、現実はそれほど秩序立ったものではありません。多くの場合、トピックといくつかの現象から始まり、そこからいくつかのパターンを要約し、関連するいくつかの質問をすることができますが、明確な仮説を立てたり、直接的なテストを実施したりするには、まだほど遠い場合があります (図 2)。私たちの経験では、非常に具体的な仮説を持ってプロジェクトを開始した場合でも、最終結果は当初の期待とは大きく異なることがよくあります。

したがって、計画を持たず、特定の問題を再構築したり解決したりしようとしない夜の科学が最も実り多いと言えるでしょう。仮説を放棄した科学者は自由に探求し、関連性を見出すことができます。ある意味では、物事がどうあるべきかという期待、つまり仮定は、私たちの潜在的な新しいアイデアを妨げる重荷となる可能性があります。夜間の科学によって問題が明確化され、再定義されると、研究者は昼間の科学の力をフルに活用して問題を解決できるようになります。この意味で、大きな発見は、答えであると同時に疑問そのものでもあることが多いのです。

基礎科学は好奇心によって推進され、その研究の多くは自由な探究であり、夜間科学はその基本的な部分を占めています。しかし、資金提供機関は多くの場合、研究には明確な方向性と仮説が必要であることを求めます。 Night Science の一部は、椅子に座ってコーヒーを飲みながら行うことができますが、残りの時間は、大規模で複雑なデータセットを扱います。この研究に資金を提供しなければ、新たな疑問の出現が抑制され、科学の進歩が妨げられる可能性がある。科学研究​​において、最終的に解決される疑問は、当初提起された疑問とは異なる場合が多いからだ。

もちろん、私たちは皆、提起された問題に対処するために多くの時間を費やしています。たとえば、遺伝子の特定の制御構造や遺伝子ファミリーの進化を研究する場合があります。しかし、これは通常、これらの問題を解決することで新しい興味深い問題が生まれることを期待して行われます。ヒトゲノムの配列解析は良い例です。最初の科学的な疑問は明確でした（「ヒトゲノムの DNA 配列は何か？」）が、本当に興味深い疑問はその後に初めて現れました。

本当に予想外のアイデアは、ありきたりの道から生まれるものではありません。代わりに、私たちは夜の科学の指導の下で、さまざまな現象から始めて未知の問題を探しながら、手探りで前進することしかできません。この不確実性を受け入れて雲の上へと飛んでいくことは、たとえ自分が無知で迷っていると感じたとしても、自由で刺激的なことです。夜の科学 - 疑問やアイデアを生み出すこの分野は、名前さえないほど神秘的なようです。しかし、私たちは従うべきパターンがまだあると信じており、それについてはこのシリーズの今後の記事で議論する予定です。

特別なヒント

1. 「Fanpu」WeChatパブリックアカウントのメニューの下部にある「特集コラム」に移動して、さまざまなトピックに関する人気の科学記事シリーズを読んでください。

2. 「Fanpu」では月別に記事を検索する機能を提供しています。公式アカウントをフォローし、「1903」などの4桁の年+月を返信すると、2019年3月の記事インデックスなどが表示されます。

著作権に関する声明: 個人がこの記事を転送することは歓迎しますが、いかなる形式のメディアや組織も許可なくこの記事を転載または抜粋することは許可されていません。転載許可については、「Fanpu」WeChatパブリックアカウントの舞台裏までお問い合わせください。