【研究方法】4. 科学研究中的比较

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【研究方法】4. 科学研究中的比较

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9月前

内容提纲

比较研究简史
在科学研究中应用比较
比较研究的应用：以香烟为例
跨学科比较研究
比较研究的局限性
现代活动中的比较研究

你知道么？

欧洲人第一次看到黑猩猩时，以为这是一个多毛的矮个子成年人。从对黑猩猩的研究可以看到，比较是一种重要的研究方法。后来，查尔斯·达尔文就是用比较研究发展出演化理论。

关键概念

通过观察所选择的或在不同条件下的组，通过比较来确定且量化两个或多个变量之间的关系。
比较包括审视已经发生的事件的“回顾性研究”和检验当前未来变化的“前瞻性研究”。
比较研究与实验研究有相似之处，它们都有实验组与对照组。但不同的是实验组，在比较研究中只是被观察，因为出于伦理考虑或条件不允许（例如在回顾性研究中）而没有被施加影响。

我们在动物园里看到黑猩猩（图 1），可能会想知道这种动物与人类有哪些相同之处。黑猩猩的面部表情与人类相似，使用双手的方式与我们大致相同，擅长使用不同的物体作为工具，甚至在被挠痒痒时会笑。不难理解，十七世纪的人看到第一批被捕并带回欧洲的黑猩猩时，他们感到迷惑，给这些动物贴上“侏儒”的标签，并推测它们是“成年”人类的发育不良版本。医生名叫爱德华·泰森（Edward Tyson）获得了一只因感染而死亡的“侏儒”，并开始对这种动物进行系统研究，列出了黑猩猩和人类之间的差异，推进建立比较研究这种科学方法。

图 1：黑猩猩图

比较研究简史

1698年，伦敦皇家学会会员泰森开始进行细致解剖，并于1699年发表《对森林中的人的解剖与猴子、猿、人的比较》（Orang-Outang，sive Homo Sylvestris），报告自己的发现。著作的题目再次反映了当时存在的误解。泰森指代黑猩猩所用的“Orang-Outang”一词并不代表它现代的意思——俾格米人，而是对马来语“森林中的人”的直译，因为当时人们就是这么认知黑猩猩。

泰森在解剖时非常小心。他精确测量并比较了许多解剖变量，例如“侏儒”、猿、人类的大脑尺寸。他记录了对“侏儒”的测量，包括毛发的生长方向：“全身毛发向下；但只有从手腕到肘部是向上的”（Russel，1967）。在威廉·考颇（William Cowper）的帮助下，泰森绘制了各种解剖结构的图画，并非常仔细地准确描绘了这些结构的尺寸，以便将它们与人类的结构进行比较（图 2）。通过对黑猩猩、猿、人类解剖尺寸的系统性比较，他得出以下结论：

它身体各部位的组织形式，更接近于人类的同等结构：但与人类不同的部分，显然比任何其他动物都更像猿。（Russell，1967）

泰森的比较研究非常准确。其他人引用他的研究，包括托马斯·亨利·赫胥黎（Thomas Henry Hexley）的《关于人类在自然中的地位的证据》（Evidence as to Man's Place in Nature，1863年）和查尔斯·达尔文的《人类的起源》（The Descent of Man ，1871年）。

图2：爱德华·泰森（Edward Tyson）绘制的的“侏儒”外观（左）和动物骨骼（右），出自第二版《侏儒解剖与猴、猿、人的比较》（Anatomy of a Pygmie Compared with that of a Monkey, an Ape, and a Man ，1751年）。

泰森系统且科学的方法促进了演化论的发展，并促进了比较解剖学领域的创立。此外，泰森的工作彰显了比较是一种重要的科学研究方法。

科学研究中应用比较

比较研究是众多科学研究方法中的一种。它也可以被看作是其他方法的混合，借鉴了实验研究（参见“科学实验”模块）和描述性研究（参见“科学描述”模块）的各个方面。与实验类似，比较旨在通过记录两个或多个受试者或群体之间观察到的差异和相似性来破译两个或多个变量之间的关系。与实验不同的是，比较研究人员并不对其中一组进行干预，而是观察一组因选择或不同环境条件下的群体。因此，比较涉及在更“自然”的环境中进行观察，不受实验限制，并以这种方式唤起与描述的相似性。

要注意的是，两个变量或对象的简单比较并不是比较研究。如果泰森只是简单地指出“俾格米人”看起来像人类而不测量骨骼长度和毛发生长模式，那么他的工作就不会被视为科学研究。比较研究涉及对两个或多个变量的性质和(或)行为进行系统编目，对它们之间的关系进行量化。

图 3：爱德华·泰森解剖的幼年黑猩猩骨骼，目前陈列在伦敦自然历史博物馆。

使用哪种研究方法是个人的选择，但也取决于研究人员受过的培训。在许多情况下，比较研究可能成为首选。

第一种情况是：科学家并不试图测量对变化的反应，而是试图理解两个主题之间的相似点和差异。例如，泰森没有观察到他的“侏儒”因实验治疗而发生变化。相反，他的研究是将未知的“侏儒”与人类和猿进行比较，以确定它们之间的关系。
第二种情况是：问题的实体规模或时间线可能会妨碍实验。例如，在古气候学领域，研究人员比较了从数百万年前沉积在世界海洋中的沉积物中取出的岩心，看看所有海洋的沉积成分是否相似，还是根据地理位置而有所不同。由于这些岩心中的沉积物是数百万年前沉积的，因此通过实验方法不可能获得这些结果。旨在研究过去事件（例如数百万年前沉积的沉积物岩心）的研究被称为“回顾性研究”。
第三种情况是：对对象组的伦理影响妨碍了实验设计。研究环境污染物的毒性或人类疾病传播的研究人员出于道德原因，不能故意使一群人接触毒素或疾病。在这些情况下，研究人员将开展一项比较研究，确定意外接触污染物或疾病的个人，并将他们的症状与未接触污染物或疾病的对照组进行比较。旨在研究从现在到未来的事件的研究，例如研究暴露于污染物的个体的症状发展，被称为“前瞻性研究”。

随着现代统计方法的引入，比较研究在十九世纪末和二十世纪初得到了显著加强。这些用于量化变量之间的关联（请参阅“科学统计”模块）。如今，统计方法对于量化许多比较研究中所考察的关系的性质至关重要。比较研究的结果通常以以下方式之一呈现：作为概率、作为统计显着性的陈述或作为风险声明。例如，2007年，通过比较第一个孩子和弟弟妹妹的测试成绩，发现出生顺序和智商之间存在统计学上的显著关系（置信度为 95%）（Kristensen & Bjerkedal，2007 ）。大量研究表明，吸烟者患肺癌的风险是不吸烟者的30倍（NCI，1997）。

【考考自己】科学家可能会选择进行比较研究，因为进行实验研究是不道德的。

a.真的

b.假的

比较研究的应用：以香烟为例

1919年，圣路易斯巴恩斯医院医学部主任乔治·多克 (George Dock) 博士要求教学医院的所有三年级和四年级医学生观察对一名患有罕见疾病的男子的尸检。他声称，大多数学生在他们的职业生涯中可能再也不会遇到这样的案例了。当医学生聚集在一起时，进行尸检的医生观察到，患者的肺部散布着大量黑色细胞，这些细胞对肺组织造成了广泛的损伤，并迫使气道关闭和塌陷。观察尸检的学生之一奥尔顿·奥克斯纳 (Alton Ochsner) 博士多年后写道：“我再次看到相同病例要到1936年，也就是17年后，6个月里看了9名肺癌患者。所有患者都是大量吸烟的男性，并且自第一次世界大战以来一直吸烟”（Meyer，1992）。

图4：立体视觉卡片上的图像显示一位1900年左右抽烟的妇女

事实上，美国医生艾萨克·阿德勒 (Isaac Adler) 博士是第一个提出吸烟与肺癌之间存在联系，那是在1912年。他常观察到肺癌患者说自己是吸烟者。然而，阿德勒的观察也就是这么一说，他并没有提供任何科学证据来证明两者之间的关系。首次开展针对吸烟与肺癌的病例对照研究的是德国流行病学家弗朗茨·缪勒（Franz Müller），该研究在二十世纪30年代。穆勒向死于癌症的人的亲属发出了一份调查，并向他们询问死者的吸烟习惯。根据收到的答复，穆勒报告说，与轻度吸烟者相比，重度吸烟者的肺癌发病率更高。然而，这项研究存在许多问题。首先，它依赖于死者亲属的记忆，而不是第一手观察；其次，没有进行统计关联。此后不久，烟草业开始赞助研究，目的是推翻“吸烟有害健康”的观点（有关研究资助的更多信息，请参阅“科学机构与科学圈”模块）。

二十世纪50年代开始了几项严格控制的比较研究。1950年，恩涅斯特·韦德（Ernest Wynder）与伊瓦特·格兰姆（Evarts Graham）的一项回顾性研究比较了605名肺癌住院患者与780名其他疾病住院患者的吸烟习惯（Wynder & Graham，1950）。他们的研究表明，1.3%的肺癌患者不吸烟，而14.6%的其他疾病患者不吸烟。此外，51.2%的肺癌患者是“过度”吸烟者，而其他患者中只有19.1%是过度吸烟者。这两个比较都被证明具有统计学上的显着差异。分析数据的统计学家得出结论：

当肺癌患者的非吸烟者和高吸烟人群总数与患有其他疾病的患者进行比较时，我们可以拒绝吸烟对肺癌诱发没有影响的零假设。

韦德和格兰姆还提出，一个人的吸烟期与癌症临床症状的出现之间可能存在十年或更长时间的滞后。这对研究人员来说是一个重大挑战，因为任何前瞻性研究吸烟与肺癌之间关系的研究都必须持续多年。

理查德·多尔（Richard Doll）和奥斯丁·希尔（Austin Hill）1950年发表了一项类似的比较研究。他们表明，与其他疾病患者相比，肺癌患者的吸烟率在统计上更高（Doll & Hill，1950）。在讨论中，多尔和希尔提出了一个关于比较研究方法的有趣观点，他们说：

这并不一定表明吸烟会导致肺癌。或许肺癌导致人们吸烟，或许这两种肺癌和吸烟是同一个原因带来的结果。这些都能解释两者的关联。

他们接着断言，由于吸烟的习惯在肺癌发病之前就已形成，因此可以驳回肺癌导致吸烟的论点。因此，他们得出结论：“吸烟是肺癌产生的一个因素，而且是一个重要因素。”

尽管有这些实质性证据，烟草业和不带立场的科学家都提出反对，声称对吸烟的回顾性研究“有限、不确定、有争议”。业界表示，发表的研究并未证明因果关系，而是两个变量之间的虚假关联。美国国家癌症研究所的威廉·胡帕（Wilhelm Hueper）博士是一位长期从事癌症职业原因研究的科学家，他认为强调香烟是肺癌的唯一原因会损害对肺癌其他原因的研究支持。著名统计学家罗纳德·费舍尔（Ronald Fisher）也反对多尔等人的结论，据称是因为他们宣扬了对吸烟的“清教徒”观点。

烟草业发起了一场广泛的活动宣传错误信息，赞助并引用了表明吸烟不会引起“心脏疼痛”的研究，以分散人们对正在发表的有关香烟和肺癌的研究的注意力。该行业还强调了研究表明，戒烟的人患有轻度抑郁症，他们指出甚至一些医生自己也吸烟的事实作为香烟无害的证据（图5）。

图5：1946年左右的香烟广告。

虽然科学研究开始影响卫生官员和一些立法者，烟草行业的游说工作却发挥了作用。1955年，美国联邦贸易委员会禁止烟草公司对其产品做出健康声明，却缺乏更重大的监管。1963年《纽约时报》发表的一篇社论，总结了全国人民的情绪，指出烟草业“说得有理”，在发布进一步报告之前，公众不应就香烟做出决策。

1951年，多尔和希尔招募了4万名英国医生进行一项前瞻性比较研究，以研究吸烟与肺癌发生之间的关联。与对肺癌患者进行及时追踪的回顾性研究不同，前瞻性研究旨追随该组人员。1952年，丘勒·哈蒙德（E. Cuyler Hammond）和丹尼尔·霍恩（Daniel Horn）在一项类似的前瞻性研究中招募了187783名美国白人男性。1959年，美国癌症协会 (ACS) 开始了两项大规模前瞻性研究中的第一项，研究吸烟与肺癌发展之间的关系。第一项 ACS 研究名为癌症预防研究 I，招募了超过100万人，并在近13年中跟踪他们的健康、吸烟等其他生活习惯、疾病发展、死亡原因、预期寿命（Garfinkel，1985）。

所有研究都表明，吸烟者比不吸烟者患肺癌与死于肺癌的概率更高。ACS 研究进一步表明，吸烟者患其他肺部疾病、冠状动脉疾病、中风和心血管问题的概率更高。两项ACS癌症预防研究最终表明，参与研究的吸烟者中有52%的死亡归因于香烟。

二十世纪下半叶，来自其他科学研究方法的证据提供多种证据，得出“香烟烟雾是肺癌主要原因”的结论：

对已故吸烟者肺部病理学的描述性研究表明，吸烟会对肺部造成严重的生理损伤。
让小鼠、大鼠和其他实验动物接触香烟烟雾的实验研究表明，香烟烟雾会导致这些动物患癌症（有关更多信息，请参阅“科学实验”模块）。
生理学模型将有助于证明香烟烟雾致癌的机制。

随着吸烟与肺癌和其他疾病相关的证据不断累积，公众、法律界、监管机构渐渐做出了反应。1957年，美国卫生局局长首次承认吸烟与肺癌之间存在关联，当时发布的一份报告指出：“显然，越来越多且一致的证据表明，过度吸烟是肺癌的致病因素之一。”1965年，美国国会不顾烟草业和刚刚接受烟草公司1000万美元资助的美国医学会的反对，通过了《联邦卷烟标签和广告法》，要求卷烟包装上印有这样的警告语：“ 注意：吸烟可能危害您的健康。（Caution: Cigarette Smoking May Be Hazardous to Your Health.）” 1967年，美国卫生局局长发布了第二份报告，指出吸烟是美国肺癌的主要原因。尽管烟草公司在此后的几十年里找到了保护自己的法律手段，但在1996年，布朗和威廉姆森烟草公司在一场烟草责任诉讼中被勒令支付75万美元；它成为烟草公司向个人支付的第一个责任奖。

【考考自己】_________研究着眼于过去的事件，而_________研究着眼于从现在到未来的事件。

a. 前瞻性、回顾性

b.回顾性、前瞻性

跨学科比较研究

比较研究应用于许多科学学科：人类学、考古学、比较生物学、流行病学、心理学、法医学。DNA指纹识别是一种基于比较科学的技术，用于利用生物证据来定罪或证明嫌疑人无罪。从嫌疑人以及犯罪现场留下的血液、精液、其他组织等生物证据中分离出DNA片段。比较嫌疑人的DNA与犯罪现场发现的DNA之间多达20个不同的DNA片段。如果所有片段都匹配，调查人员就可以计算出DNA来自嫌疑人而不是其他人的统计概率。因此，DNA匹配是用“百万分之一”或“十亿分之一”的错误概率来描述的。

由于实验研究受伦理限制，比较方法也常用于涉及人类的研究。例如，2007 年，皮特·克里斯坦森（Petter Kristensen）和托·波杰克达尔（Tor Bjerkedal）发表了一项研究，他们比较了超过250000名挪威男性军人的智商（Kristensen & Bjerkedal，2007）。研究人员发现，出生顺序与智商之间存在显著关系，同一家庭中，第一个出生的男孩的平均智商比第二个出生的男孩的平均智商高出大约三个百分点。研究人员进一步表明，这种关系与社会因素而非生物因素相关，因为在第一个孩子死亡的家庭中长大的第二个孩子的平均智商与其他第一个孩子相似。人们可能会想象这种类型的研究可以通过实验进行，例如，有目的地将第一个出生的男孩从某些家庭中剔除，但伦理道德不允许这样进行。

比较研究的局限性

主要局限性之一是对可能影响研究的其他变量的控制。例如，多尔和希尔1950年指出，吸烟与癌症死亡之间的关联可能意味着：a) 吸烟导致肺癌，或b) 肺癌导致个体开始吸烟，或c) 第三个未知变量导致肺癌并导致人们吸烟（Doll & Hill，1950）。因此，比较研究人员经常不遗余力地选择两个除了所讨论的因素其它都相似的研究组。事实上，正是出于这个原因，许多人类比较研究都是在同卵双胞胎上进行的。例如，在烟草研究领域，数十项比较双胞胎研究已被用来检查从香烟烟雾对健康的影响到成瘾的遗传基础等各个方面。

【考考自己】对同卵双胞胎开展研究的优势在于：

a.受试者彼此认识。

b.有利于控制那些影响研究的变量。

现代活动中的比较研究

图6：“基林曲线”，是莫纳罗亚天文台测量的大气二氧化碳浓度的长期记录

尽管我们能从“香烟影响健康”的辩论中吸取教训，但还是存在对比较研究的误解。例如，二十世纪50年代末，斯克里普斯海洋学研究所的海洋学家查尔斯·基林 (Charles Keeling) 开始发表他从夏威夷莫纳罗亚天文台大气二氧化碳 (CO2) 水平长期描述性研究中收集到的数据（Keeling, 1958）。基林观察到大气中二氧化碳含量正在快速增加（图 6）。他和其他研究人员开始怀疑二氧化碳水平上升与全球平均气温上升有关，此后的几项比较研究将二氧化碳水平上升与全球气温上升联系起来（Keeling，1970）。结合建模研究（参见“科学研究建模"模块），它为全球气候变化与化石燃料燃烧（排放二氧化碳）之间的关联提供了证据。

然而，石油和化石燃料行业发起了一场反对气候变化研究的大型公关运动，此举让人想起烟草公司发起的斗争。一直到1989年，受石油工业资助的科学家还在撰写报告，称气候变化研究为“嘈杂的垃圾科学”（Roberts，1989）。与香烟的例子一样，早期的比较研究所面临的挑战是，有人说它不如实验研究可靠。但这实际上促进了科学性，因为它促使更多研究人员开展调查，提供了支持大气二氧化碳浓度与气候变化之间关联的多种证据。多方面科学证据的汇集促使联合国组织的政府间气候变化专门委员会发布了一份报告，指出“气候系统变暖是明确的”，“二氧化碳是最重要的人为温室气体”。（IPCC，2007 年）。”

比较研究是目前科学界使用的重要的研究方法之一。在无法开展实验研究的情况下，科学家用它来设计实验组与对照组，得到关于变量之间关系的宝贵信息。在香烟和气候变化的案例中，比较研究接受了公共领域的严格审查，通过澄清比较在科学中的作用、强调从这些研究中获得的数据的可靠性，这种方法变得更强有力了。

资料来源：

Anthony Carpi, Ph.D., Anne E. Egger, Ph.D. “Comparison in Scientific Research” Visionlearning Vol. POS-1 (5), 2008.

https://www.visionlearning.com/en/library/process-of-science/49/comparison-in-scientific-research/152

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来源：几只青椒

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