Es gibt einen Unterschied zwischen hilfreichen Fiktionen und willkürlichen Fragen

In Zeiten erzwungener häuslicher Bildung wird der Lehrplan wahrscheinlich einer genaueren elterlichen Kontrolle unterzogen als jemals zuvor. Was werden professionelle Wissenschaftler daraus machen? Ich wurde durch eine Frage auf einem GCSE-Physikpapier gestoppt, die eine Zeichnung eines Experiments mit Feder und Gewichten zeigte, das das Hookesche Gesetz, die lineare Proportionalität von Kraft zu Dehnung, testen sollte. Das Lineal zur Messung der Federausdehnung wurde in einem schrägen Winkel dahinter gezeigt. Der Schüler wurde gebeten zu erklären, warum es wichtig war, zuerst das Lineal aufrecht zu stellen.

Es schien eine bizarre Frage zu sein, auf die ich mir nicht vorstellen konnte, welche Antwort die Prüfer suchten. Als ich es twitterte, schien meine Verwirrung gerechtfertigt. Einige fragten sich, ob das Lineal umfallen würde (es war nicht klar, ob es fixiert war). Einige fragten sich, ob es um Wiederholbarkeit ging – wenn Sie Ihre Ergebnisse wiederholen wollten, würden Sie Schwierigkeiten haben, wieder genau den gleichen Blickwinkel zu erhalten. Ein intelligenter GCSE-Student, den ich fragte, begann, eine Antwort in Form von Skalaren und Vektoren zu formulieren, und einige Befragte befürchteten, dass die Ergebnisse nicht gültig wären, wenn das Lineal nicht mit der Richtung der Gravitationskraft ausgerichtet wäre.

Einige Wissenschaftler vergaßen das erklärte Ziel, lediglich die Linearität zu demonstrieren, und sagten, dies würde die zusätzliche Belastung durch Trigonometrie zur Berechnung der tatsächlichen Ausdehnung einführen. Die prägnanteste Antwort war (expletives gestrichen): “Weil man so kein Lineal benutzt, Idiot!” Bezeichnenderweise prangerte ein Universitätsdozent für Physik dies als eine völlig blöde Frage an, während ein anderer darauf hinwies, dass eine gute Frage für den fähigen Studenten lauten könnte: “Warum ist es nicht wichtig, das Lineal aufrecht zu stellen?”

Was mich jedoch am meisten beunruhigte, war die Reaktion eines Pädagogen, der nicht sehen konnte, worum es ging. Die Schüler wissen, was sie sagen sollen, weil wir es ihnen gesagt haben, sagte er. Überdenken Sie es nicht – dies testet nur das Bewusstsein für den „guten Gebrauch von Geräten“. Und wenn professionelle Physiker ein Problem damit haben, werden sie irgendwann aufholen.

Ein paar Monate zuvor erhielt ich eine fast identische Antwort von einem anderen Pädagogen, als ich eine ähnlich verwirrende Frage in einer Mathematikarbeit twitterte: 12 – 2 × 4 + 3 =? Unweigerlich antworteten viele andere bei dieser Gelegenheit, indem sie die BODMAS-Mnemonik für die Reihenfolge der Operationen (oder Varianten davon) aufriefen. Aber eine ähnliche Frage “brach das Internet” und provozierte vor einem Jahr ein Editorial in der New York Times , als Leute, die verschiedene Schemata dieser Art gelernt hatten, darauf bestanden, dass nur ihre Antwort die richtige war. Meine Sorge war, dass Menschen, denen ein willkürliches System zur Lösung einer arithmetischen Summe beigebracht worden war, wie sie nur in Prüfungen anzutreffen war – und die ein echter Mathematiker niemals schreiben würde – offensichtlich den Eindruck hatten, dass das, was sie gelernt hatten, eine Grundregel der Mathematik war .

Aber wir müssen den Schülern etwas beibringen, weil sie immer vergessen, eindeutige Klammern hinzuzufügen, sagte der Pädagoge. Warum also nicht lehren, niemals eine mehrdeutige Gleichung zu schreiben? Weil sie das nie lernen werden, bestand der Erzieher darauf und fügte hinzu, dass ich zurück zur Akademie gehen und die Lehrer ihre Arbeit machen lassen sollte.

Es ist natürlich schwer zu vermeiden, dass den Schülern Vereinfachungen beigebracht werden müssen, die insbesondere in den Naturwissenschaften nicht unbedingt korrekt sind, da die ganze Geschichte zu überwältigend wäre. Der Mathematiker Ian Stewart und der Biologe Jack Cohen haben den Begriff “Lügen an Kinder” geprägt, um solche bequemen Fiktionen zu beschreiben. in Zusammenarbeit mit dem Autor Terry Pratchett in ihrem Buch The Science of DiscworldSie definierten diese als “eine Aussage, die falsch ist, aber dennoch den Geist des Kindes zu einer genaueren Erklärung führt, die das Kind nur schätzen kann, wenn es mit der Lüge vorbereitet wurde”. Das Atom des Sonnensystems von Ernest Rutherford oder das Atom der Oktettregel von Gilbert Lewis sind Beispiele, und tatsächlich könnte die Chemie mit ihnen voller sein als andere Wissenschaften – denken Sie an diese unrealistisch sauberen Unterteilungen in ionische und kovalente Bindungen oder wie Oxidationszustände zuerst erklärt werden .

Mein Verdacht ist, dass das Bildungssystem nicht so sehr von Lügen an Kinder (mit denen wir wahrscheinlich leben müssen) durchsetzt ist, sondern von Fragen und Schemata, die wirklich willkürlich, sinnlos oder einfach falsch sind und nur erfunden wurden, um zu sehen, ob sich die Schüler etwas merken können und erbrechen, was ihnen gesagt wird. Die Herrscherfrage ist eine davon, ebenso wie BODMAS und das berüchtigte frontale Adverbial – ein grammatikalischer Begriff, den kein Schriftsteller oder Grammatiker jemals verwendet hat, da er ausschließlich für den Unterricht erfunden wurde.

Pädagogen sagen sicherlich zu Recht, dass für den Unterricht spezielle Werkzeuge benötigt werden und dass diese manchmal zwangsläufig stumpf sind. Aber wenn diese Werkzeuge nicht nur vereinfachen, sondern tatsächlich im Widerspruch zur beruflichen Praxis stehen und den sachkundigeren Schüler verwirren, ist sicherlich etwas schiefgegangen.

Kirsty Penkman ist Leserin an der Universität von York in Großbritannien und leitet die Aminosäuredatierungsanlage  NEaar

Kirsty Penkman ist fasziniert von Opercula. Sie sind die “kleinen Falltüren”, mit denen sich viele Schneckenarten in ihren Schalen versiegeln, und sie sind Penkmans Lieblingsbiomineral. Sie ist nicht allein – die Leute sammeln sie seit Jahrhunderten und Opernschmuck war im viktorianischen Zeitalter in Mode -, aber für Penkman ist ihre Anziehungskraft eher wissenschaftlich als kosmetisch.

Penkman analysiert Aminosäuren in Biomineralien aus Fossilien, um ein Bild der Quartärperiode zu erstellen – eine Unterteilung der geologischen Zeit, die die letzten 2,6 Millionen Jahre umfasst und in der der Großteil der menschlichen Evolution stattgefunden hat. Opercula sind ideal, da ihre Aminosäuren in geologischen Zeiträumen sicher in Calciumcarbonatkristallen aufbewahrt werden.

“Wir begannen zu erkennen, dass die Mineralogie dieses Materials wirklich wichtig war”, erklärt Penkman. ‘Wir konnten die intrakristalline Fraktion in vielen verschiedenen Biomineralien isolieren, aber diejenigen aus Aragonit waren in diesen geologischen Zeiträumen anfällig für Mineralabbau. Dann wechselte ich zur Analyse dieser winzigen kalzitischen Opercula und sie sind nur ein Traum. Ich habe vielleicht 1500 Proben davon ausgeführt und 98% von ihnen zeigen ein geschlossenes Systemverhalten. Sie halten ihre Proteine ​​einfach über Millionen von Jahren als winzige Zeitkapseln schön gefangen. ‘

Sie beschreibt sich selbst als “analytische Chemikerin im Herzen”, obwohl die ultimative interdisziplinäre Chemikerin geeigneter sein könnte. ‘In Bezug auf Analysetechniken ist die Chromatographie unsere Hauptstütze. Wir verwenden auch Massenspektrometrie mit weicher Ionisation, XRD, SEM und FTIR. Wir müssen auch die Reaktionsmechanismen verstehen, wie Proteine ​​abgebaut werden. Und wir müssen verstehen, wie die organischen und anorganischen Teile fossiler Mineralien miteinander interagieren. Wenn Sie versuchen, ein komplexes System zu verstehen, versuchen Sie, all diese verschiedenen Facetten einzubeziehen. ‘

Im Zentrum ihrer Arbeit steht eine Datierungsmethode, mit der der Anteil linkshändiger und rechtshändiger Aminosäuren in einer Probe mittels HPLC analysiert wird. Weichtiere wie Schnecken, Muscheln und Austern bauen ihre Exoskelette aus Schichten von Kalziumkarbonat und winzigen Mengen Protein auf. Die Proteine ​​sind homochiral, aber im Laufe der Zeit razemisieren die Aminosäuren in fossilen Proteinen mit einer vorhersagbaren Geschwindigkeit, so dass der Grad der Racemisierung in einer Probe verwendet werden kann, um ihr Alter abzuschätzen. Um dies jedoch zuverlässig zu tun, muss Penkman zunächst feststellen, dass diese Proteine ​​zwischen Synthese und Analyse von der Außenumgebung abgeschottet wurden.

Die Datierung der Aminosäure-Racemisierung wurde ursprünglich entwickelt, um Muschel- und Gastropodenschalen jenseits der Grenzen der Radiokarbondatierung zu datieren. Penkman erweiterte die Technik auf Opercula und in jüngerer Zeit auf Zähne, indem er sie an Calciumphosphat anpasste. Um diesen Punkt zu erreichen, führte sie umfassende Experimente durch und testete die intrakristallinen Fraktionen in Tausenden von Proben, um diejenigen zu finden, die sich wie geschlossene Systeme verhalten, und validierte daher den Prozess als Datierungstechnik. “Das bedeutet, dass wir jetzt sowohl Säugetiere als auch die Muscheln, die sich neben den Säugetieren befanden, datieren können”, erklärt sie.

Anerkennung für Details

Penkman lebt von der analytischen Herausforderung, mit Fossilien zu arbeiten. „Die Dinge, nach denen Sie suchen, sind unglaublich konzentrationsarm, oft sehr degradiert und es gibt eine ganze Menge anderer Dinge, die Ihre Analyse erschweren, sowohl organische als auch anorganische. Ein Teil davon ist ursprünglich vorhanden, ein Teil ist kontaminiert. Aber das Schöne ist, wenn Sie den Teil, den Sie betrachten möchten, isolieren können, ohne ihn zu ändern, dann kann er Ihnen so viel über diesen bestimmten Organismus erzählen, aber auch über andere Dinge wie die vergangene Umgebung, unter Berücksichtigung der Zeitskala, die dies ist Fossil hat dort für gesessen. Ich liebe es, große Fragen beantworten zu können, die man sonst nicht in den Griff bekommt. ‘

Penkmans Arbeit führte dazu, dass sie zur Chemie-Preisträgerin der britischen Blavatnik Awards 2020 für junge Wissenschaftler ernannt wurde . Sie entscheidet immer noch, was sie mit ihrem Geldpreis von 75.000 Pfund anfangen soll: „Es ist so viel Geld, dass ich sorgfältig überlegen und etwas wirklich Nützliches daraus machen möchte. Vielleicht im Zusammenhang mit dem Verständnis des Klimas oder der Unterstützung von Gleichheit und Vielfalt in der Wissenschaft. ‘

Sie sieht den Gewinn des Blavatnik-Preises auch als Gelegenheit, sich bei unterstützenden Kollegen zu bedanken und die integrative Kultur der Chemieabteilung der Universität York zu präsentieren. Penkman arbeitet seit sieben Jahren in Teilzeit und ist der Ansicht, dass die fortschrittlichen Richtlinien der Abteilung für ihren Erfolg von entscheidender Bedeutung waren. “Für Wissenschaftler, die eine andere Dimension in ihrem Leben haben, ist dies ein großer Unterschied, ob es sich um medizinische Probleme oder Behinderungen oder um die Verantwortung für die Pflege handelt oder um andere Faktoren.”

Penkman führt ihren Erfolg auch schnell auf zahlreiche Mitarbeiter zurück, darunter Archäologen, Klimatologen und Erdwissenschaftler. Aber wenn sie gezwungen wird, ihre eigenen Stärken aufzulisten, ist sie zurückhaltender. Ihre Antwort ist jedoch sicherlich aktuell, wenn auch nicht absichtlich. ‘Ich kümmere mich um das Detail. Ich würde lieber länger verbringen und es richtig machen. Ich generiere viele Daten. Anstatt nur eine Probe auszuführen, führe ich fünf aus – ich möchte wirklich sicherstellen, dass das, was ich sehe, ein echtes Signal ist. ‘ Sie räumt ein, dass ihr Ansatz möglicherweise dazu geführt hat, dass einige Dinge langsamer reifen, “aber zumindest wenn wir es richtig gemacht haben, haben wir es tatsächlich richtig gemacht”.

Matt Lightfoot über die Karriere in der Cambridge Structural Database

Matt Lightfoot ist ein Chemiker, der seit fast 20 Jahren nicht mehr in einem Labor gearbeitet hat. “Aber wenn Sie diesen Job machen, sind Sie von Chemie umgeben”, sagt er.

Als wissenschaftlicher Hauptredakteur am Cambridge Crystallographic Data Center (CCDC) kümmert sich Lightfoot um die Cambridge Structural Database (CSD), ein Archiv organischer und metallorganischer Kristallstrukturen, das seit den 1960er Jahren Verbindungen sammelt. Anfang dieses Jahres feierte der Zentralverwahrer einen wichtigen Meilenstein – seine einmillionste Struktur .

Als Lightfoot 2001 seine Karriere bei CCDC begann, war der CSD mit 200.000 Strukturen rund ein Fünftel seiner derzeitigen Größe. Er war bereits mit der Datenbank vertraut, nachdem er direkt an der Universität von Manchester in Alkalimetallkoordinationschemie promoviert hatte und während dieser Zeit regelmäßig den CSD benutzte. Lightfoot gehörte zu einem kleinen Team von Redakteuren, die daran arbeiteten, von Forschern eingereichte Kristallstrukturen in CSD-Einträge umzuwandeln.

“Während meiner Promotion war ich ziemlich viel im Labor, daher war es ein großer Unterschied, besonders früh”, erinnert er sich daran, dass er beim CCDC angefangen hat. “Sie könnten lange Zeit am Computer sitzen, weil [Datenbankeinträge vornehmen] ein ziemlich langsamer, manueller Prozess war.”

Damals wurde nur ein kleiner Teil der Strukturen elektronisch beim CSD eingereicht. Viele mussten aus gedruckten Zeitschriftenartikeln abgetippt werden. Und selbst wenn Strukturen im Dateiformat für kristallografische Informationen (dem Standardformat für die Darstellung kristallografischer Informationen) ankamen, war der Prozess der Eingabe in die Datenbank mühsam. “In der Datei sind nur Koordinaten angegeben, und es wird nicht angegeben, was mit was verbunden ist oder wie die Chemie ist”, sagt Lightfoot. “Wir mussten das alles klären.”

Natürlich hat sich seitdem viel geändert. Mittlerweile sind 99% der Einreichungen beim Zentralverwahrer elektronisch, und spezielle Software hilft, einen Großteil des Prozesses zu automatisieren. Das CCDC hat auch Vereinbarungen mit den meisten großen Verlagen, die kristallografische Informationen aus akzeptierten Veröffentlichungen direkt einreichen.

Es war vor ungefähr neun Jahren, sagt Lightfoot, als ernsthafte Anstrengungen unternommen wurden, um den CSD effizienter und automatisierter zu machen. Zu diesem Zeitpunkt leitete er die Gruppe der Datenbankeditoren. “Wir haben ungefähr 25 bis 30 Strukturen pro Tag bearbeitet, und das war nicht nachhaltig, als wir 50 bis 60.000 pro Jahr bekamen”, sagt er. Dies führte zu einer Überprüfung des Prozesses und Lightfoot wurde beauftragt, ein dreijähriges Projekt zur Überholung der internen Systeme zu leiten, damit das Team schneller und effektiver arbeiten kann.

“Ich wurde zum Product Owner – einer Art interner Benutzeranforderungsperson, die einem Entwicklerteam hilft, die Anforderungen zu verstehen”, sagt er. Die Aufgabe bestand darin, eng mit den Entwicklern zusammenzuarbeiten, um die veraltete Software des CSD von Grund auf neu zu schreiben. Lightfoots frühere jahrelange Erfahrung als Redakteur war von unschätzbarem Wert – er wusste, wie die Datenbank funktionierte und verstand die Bedürfnisse der Forscher, die sie verwenden würden.

2013 wurde das neue System eingeführt. Jetzt können seine Redakteure täglich etwa 100 Strukturen verarbeiten.

Im Anschluss daran ist Lightfoot weiterhin Produktbesitzer und kümmert sich um interne und externe Projekte. “Ich verbringe jetzt wahrscheinlich die Hälfte meiner Zeit mit Entwicklern und die Hälfte mit der Datenbank”, sagt er. “Es ist ziemlich abwechslungsreich und ziemlich beschäftigt.”

Eines der Projekte, an denen er derzeit beteiligt ist, ist die Zusammenarbeit mit anderen Datenbanken, die Strukturdaten zu anorganischen Verbindungen enthalten, um den Zugang zu ihren Daten über ein vom CCDC entwickeltes Ablagerungsportal zu verbessern. “Wir haben viele gute Rückmeldungen darüber erhalten, wie nützlich es für die Community ist, da die Grenze zwischen anorganisch und organisch immer weniger wichtig wird”, sagt Lightfoot.

Der Zentralverwahrer selbst wächst und entwickelt sich weiter, und die Geschwindigkeit, mit der neue Strukturen eingereicht werden, nimmt weiter zu. Laut Lightfoot war der Meilenstein von einer Million Strukturen für die kristallografische Community ein ziemlicher Erfolg, und mit dem Aufkommen der Technologie für maschinelles Lernen, die große Datenmengen verarbeiten kann, liegen viele aufregende Möglichkeiten vor uns.

“In vielen Disziplinen gibt es keine so gute Ressource”, sagt er. “Als ich anfing, gab es etwas mehr als 200.000 [Strukturen], und jetzt gibt es eine Million – das sind ziemlich viele Daten.” Maschinelles Lernen hat dem CCDC bereits geholfen, die automatische Kuratierung neuer Strukturen zu verbessern, und Lightfoot möchte ähnliche Ansätze verwenden, um mehr über die in der Datenbank enthaltenen Strukturdaten zu erfahren. Wichtig ist, dass die neue Technologie auch der breiteren wissenschaftlichen Gemeinschaft neue Möglichkeiten eröffnet: “Ich freue mich, dass unsere hohe Datenqualität es anderen ermöglicht, KI und maschinelles Lernen zu nutzen, um neue Erkenntnisse aus dem CSD zu gewinnen.”