機器人也能當科學家(2/3)

撰文／Ross D. King｜譯者／王怡文
轉載自《科學人》2011年5月第111期

擬定假說，策劃實驗

科學家所遵循的科學方法，是先擬定假說，演繹出結果，再用實驗檢驗。同理，亞當會先提出關於酵母菌生物特性的新假說，然後用它的新陳代謝模型推論實驗結果，最後做實驗，看看觀察到的結果是否符合假說的推論。

整個過程始於亞當提出假說：哪個基因可能是孤兒酶的父母(見左欄)，接著亞當會用知識庫來鎖定最有可能成立的假說。例如，亞當知道2-胺基己二酸轉胺酶這個孤兒酶，其催化的反應是2-氧代己二酸加L-麩胺酸，會產生L-2-胺基己二酸和2-酮戊二酸（上述反應可逆）。這個反應很重要，因為它或許能用來製造抗黴菌劑，但這個酶的父母基因不明。到底是酵母菌的哪個基因編譯這個酶，為了擬定上述假說，亞當先查詢知識庫，看看是否有其他生物擁有編譯這個酶的基因，結果查到褐鼠（Rattus norvegicus）的基因Aadat符合條件。

亞當取得了Aadat編譯的酶蛋白質序列，然後查詢酵母菌基因裡是否能編譯出類似的蛋白質序列。亞當知道，如果蛋白質序列夠接近，就能合理推測它們有共同祖先。亞當也知道，如果蛋白質序列是同源的，共同祖先的功能或許會保留下來。因此亞當推論，編譯出相似蛋白質序列的基因或許功能相同。亞當發現，酵母菌裡YER152c、YJL060w和YJL202w這三個基因的序列與Aadat類似，於是提出假說：這三個基因都能編譯2-胺基己二酸轉胺酶。

亞當做了許多實驗來檢驗這個假說。它的冷凍櫃裡有完整的酵母菌菌株，每種菌株都移除了某個基因。它從中選出移除了YER152c、YJL060w和YJL202w的酵母菌來培養，然後檢查這三種菌株在某些化學物質（例如該酶催化反應中的L-2-胺基己二酸）中的生長情形。
下一步是菌株實驗。科學研究的經費向來有限，科學家又常競相解決問題，因此我們設計亞當時，就希望它能夠策劃有效率的實驗，便宜又迅速地檢驗假說。為了達此目的，亞當為每個假說設定了「正確機率」。這種設定是有爭議的，波柏（Karl Popper）等哲學家就否認假說有相對應的機率。然而大部份在做實驗的科學家都默認，某些類型的假說比較可能成立。例如，他們通常遵守「奧坎剃刀」的觀念，亦即一切條件相等時，簡單的假說比複雜的更可能成立。亞當還會考慮實驗成本──目前是化學藥劑的成本，更好的做法應該也要考慮時間成本。

我們給亞當設定的目標是，給定一組假說和相對應的可能性，以及可能的實驗和相對應的成本，讓它選擇一連串的實驗，用最小的期望成本，把假說淘汰到只剩一個。求最佳解的計算非常困難，但我們的分析顯示，亞當選擇實驗所用的近似策略，與其他策略（例如只選最便宜的實驗）相比，能更便宜快速地解決問題。有時亞當還能設計出一舉釐清多個假說的實驗。人類科學家很難做到這點，因為他們通常一次只考慮一個假說。

20個假說，12個新發現

亞當的人工智慧系統鎖定最有希望的實驗之後，就用它的機器設備來做實驗並觀察結果。亞當無法直接觀察基因或酶，只能觀察多少光穿透酵母菌菌落。亞當根據這些資料進行複雜的連鎖推理，檢驗證據是否與它的假說一致。這種連鎖推理在科學界很常見，例如天文學家用儀器觀測輻射線，根據所得數據推論遙遠星系中所發生的事。

判斷假說是否成立，對亞當來說是最困難的任務，有些基因移除後會影響酵母菌的生長狀況，科學家已經知道這類所有的基因。其他基因移除後通常只會造成生長時的微小改變。亞當運用高階機器學習技術，來判斷某個基因移除後所造成的微小變化是否會有顯著的影響。

亞當擬定的「酵母菌哪個基因編譯哪種酶」假說，有20個通過實驗檢驗。正如科學家提出的所有科學主張，亞當的結論也必須受到檢驗。因此，我們用亞當手上沒有的其他資訊來源，自己動手做新實驗來檢驗亞當的結論，發現有7個是已知的，1個似乎是錯的，12個是新發現。

我們自己動手實驗確認了之前所述的三個基因能編譯2-胺基己二酸轉胺酶。這些基因先前沒被發現的可能原因是，三個基因都編譯同一個酶，這和一般認定一個基因編譯一個酶的簡單功能對應不符。亞當周密的實驗和統計分析，對於解開這謎團至關重要。(待續)

(本文由教育部補助「AI報報─AI科普推廣計畫」取得網路轉載授權)