Природний експеримент

Природний експеримент — це емпіричне дослідження, в якому особи (або скупчення особин) піддаються експериментальним та контрольним умовам, які визначаються природою або іншими факторами, не залежними від дослідників. Процес управління експозицією, можливо, нагадує випадкове призначення. Таким чином, природні експерименти є спостережними дослідженнями і не є контрольованим у традиційному розумінні рандомізованим експериментом. Природні експерименти є найкориснішими, коли була чітко визначена експозиція, що включає чітко визначену субпопуляцію (і відсутність експозиції у подібній субпопуляції), така, що зміни результатів можуть бути правдоподібно пов'язані з експозицією.^[1][2] У цьому сенсі різниця між природним експериментом та не експериментальним спостережним дослідженням полягає в тому, що перше включає порівняння умов, що прокладають шлях для причинно-наслідкового висновку, а друге — ні.

Природні експерименти застосовуються як план дослідження, коли контрольований експеримент здійснити надзвичайно важко або неетично, наприклад, у ряді дослідницьких областей, що стосуються епідеміології (наприклад, оцінка впливу на здоров'я різного ступеня впливу іонізуючого випромінювання у людей, які мешкали поблизу Хіросіми під час атомного вибуху^[3]) та економіки (наприклад, оцінка економічної віддачі від суми навчання у дорослих американців^[4]).^[1][2]

Історія

Мапа Джона Сноу кластеризації випадків холери у Сохо під час епідемії 1854 року у Лондоні

Одним із найвідоміших ранніх природних експериментів був спалах холери 1854 на Брод-стріт у Лондоні, Англія. 31 серпня 1854 року холера спалахнула у Сохо. Протягом наступних трьох днів біля Брод-стріт загинуло 127 людей. До кінця спалаху загинуло 616 людей. Лікар Джон Сноу визначив джерело спалаху як найближчу загальнодоступну водокачку, використовуючи мапу смертей та хвороб, яка виявила кластер випадків навколо насосу.

У цьому прикладі Сноу виявив сильний зв'язок між використанням води з насоса та смертю та хворобами внаслідок холери. Сноу виявив, що Southwark and Vauxhall Waterworks Company, яка постачала воду в райони з високим рівнем захворюваності, отримувала воду з Темзи нижче за течією, від місця звідки неочищені стічні води скидалася в річку. Навпаки, райони, куди постачалась вода від Lambeth Waterworks Company, яка отримувала воду вище за течією від скидів стічних вод, мали низький рівень захворіваності. Враховуючи майже безсистемний клаптиковий розвиток системи водопостачання в середині XIX століття в Лондоні, Сноу розглядав події як «експеримент … у найбільшому масштабі».^[5] Звичайно, вплив забрудненої води не був під контролем жодного вченого. Тому цей вплив було визнано природним експериментом.^[6][7][8]

Останні приклади

Розмір сім'ї

Мета дослідження Ангріст та Еванс (1998)^[9] полягала в оцінці впливу розміру сім'ї на результати праці матері на ринку праці. Принаймні з двох причин кореляція між розміром сім'ї та різними результатами (наприклад, заробітками) не повідомляє нам про те, як розмір сім'ї причинно впливає на результати ринку праці. По-перше, як на результати ринку праці, так і на розмір сім'ї можуть впливати неспостережувані «треті» змінні (наприклад, особисті уподобання). По-друге, самі результати ринку праці можуть вплинути на розмір сім'ї (так звана «зворотна причинність»). Наприклад, жінка може відкласти народження дитини, якщо вона отримує підвищення на роботі. Автори зауважили, що у сімей з двома дітьми, у яких є або двоє хлопчиків, або дві дівчинки, значно більша ймовірність мати третю дитину, ніж у дводітної сім'ї з одним хлопчиком та однією дівчинкою. Тоді стать перших двох дітей є свого роду природним експериментом: це так, ніби експериментатор випадковим чином призначив одним сім'ям двох дітей, а іншим — трьох. Тоді автори змогли достовірно оцінити причинний ефект народження третьої дитини на результати ринку праці. Ангріст та Еванс виявили, що виношування дитини має більший вплив на бідних та менш освічених жінок, ніж на високоосвічених жінок, хоча вплив на заробіток третьої дитини, як правило, зникає до 13-го дня народження цієї дитини. Вони також виявили, що народження третьої дитини мало впливало на заробіток чоловіків.^[9]

Ігрові шоу

У рамках економіки ігрові шоу — це часто вивчена форма природного експерименту. Хоча ігрові шоу можуть здаватися штучним контекстом, їх можна вважати природними експериментами через те, що контекст виникає без втручання вченого. Ігрові шоу використовувались для вивчення широкого кола різних типів економічної поведінки, таких як прийняття рішень під загрозою^[10] та кооперативна поведінка.^[11]

Заборона куріння

У Гелені, Монтана заборона на куріння діяла у всіх громадських приміщеннях, включаючи бари та ресторани, протягом шести місяців з червня 2002 року по грудень 2002 року. Гелена географічно ізольована і обслуговується лише однією лікарнею. Дослідники відзначили, що рівень інфарктів впав на 40 %, коли діяла заборона на куріння. Противники закону наполягли, щоб через півроку призупинити виконання закону, після чого рівень серцевих нападів знову зріс.^[12] Це дослідження було прикладом природного експерименту, який називається перехресним дослідженням^[en], коли експозиція на час знімається, а потім повертається. Дослідження також потенційно припускає, що нездатність контролювати змінні в природних експериментах може перешкодити дослідникам робити чіткі висновки. Критики стверджували, що особливо великий відсоток коливань темпів інфаркту міокарда, ймовірно, обумовлений випадковістю, враховуючи невелику чисельність популяції.^[13]

Випробування ядерної зброї

Випробування ядерної зброї викидало в атмосферу велику кількість радіоактивних ізотопів, деякі з яких могли вбудовуватися в біологічні тканини. Викидання припинилося після Договору про часткову заборону ядерних випробувань у 1963 році, який забороняв атмосферні ядерні випробування. Це нагадувало широкомасштабний експеримент з проходженням імпульсу^[en], але не могло бути проведено як звичайний експеримент на людях через наукову етику. Було можливим кілька видів спостережень (у людей, народжених до 1963 р.), наприклад, визначення швидкості заміщення клітин у різних тканинах людини.

Проєкт війни у В'єтнамі

Важливим питанням в економічних дослідженнях є те, що визначає заробіток. Ангріст (1990) оцінив вплив військової служби на доходи за життя.^[14] Використовуючи статистичні методи, розроблені в економетриці,^[15] Ангріст використав приблизне випадкове призначування(інші мови) Проєктом лотереї війни у В'єтнамі як інструментальну змінну, пов'язану з правом на участь лише військових. Оскільки багато факторів дозволяють передбачити, чи служить хтось на військовій службі, проєкт лотереї створює природний експеримент, коли призваних до військової служби можна порівняти з тими, хто не був призваний, оскільки ці дві групи не повинні суттєво відрізнятися до проходження військової служби. Ангріст виявив, що заробіток ветеранів в середньому був приблизно на 15 відсотків менше заробітку не ветеранів.

Промисловий меланізм

З Промисловою революцією у XIX столітті багато видів метеликів, включаючи добре вивченого П'ядуна березового, відповіли на забруднення атмосфери промисловістю навколо міст діоксидом сірки та сажею різким збільшенням частоти темних форм у порівнянні з колишніми рясними блідими, рябими формами. У ХХ столітті, коли регулювання покращувалось, а забруднення падало, створились умови для широкомасштабного природного експерименту, тенденція до промислового меланізму була змінена, і меланічні форми швидко стали рідкісними. Цей ефект привів еволюційних біологів Л. М. Кука та Дж. Р. Г. Тернера до висновку, що «природний відбір є єдиним достовірним поясненням загального спаду».^[16]

Примітки

1. DiNardo, J. (2008). Natural experiments and quasi-natural experiments. У Durlauf, Steven N.; Blume, Lawrence E (ред.). The New Palgrave Dictionary of Economics (вид. Second). Palgrave Macmillan. с. 856—864. doi:10.1057/9780230226203.1162. ISBN 978-0-333-78676-5. Архів оригіналу за 19 жовтня 2017. Процитовано 3 грудня 2020.
2. Dunning, Thad (2012). Natural Experiments in the Social Sciences: A Design-Based Approach. Cambridge University Press.
3. Friedman, G. D. (1980). Primer of Epidemiology (вид. 2nd). New York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-022434-6.
4. Rosenzweig, M. R.; Wolpin, K. I. (2000). Natural 'Natural Experiments' in Economics. Journal of Economic Literature. 38 (4): 827—874. doi:10.1257/jel.38.4.827.
5. Snow, J. (1855). On the Mode of Communication of Cholera (2nd ed.). London: Churchill. Excerpted in MacMahon, B. & Pugh, T.F. (1970). Epidemiology. Boston: Little Brown.
6. The 1854 cholera outbreak is the example of a natural experiment discussed often by David A. Freedman, e.g. in Statistical Models: Theory and Practice (Cambridge University Press) [1] [Архівовано 23 вересня 2015 у Wayback Machine.], chapter 1.3 (pp. 6–9).
7. MacMahon, B., & Pugh, T.F. (1970). Epidemiology: Principles and Methods. Boston: Little, Brown.
8. Snow's studies of the pattern of the disease were convincing enough to persuade the local council to disable the well pump by removing its handle. After the handle of the well-pump was replaced, the incidence of new cases dropped. In stopping the use of water from the well-pump, the authorities conducted, in effect, a second study, an uncontrolled intervention study, a study with an intervention group but no control group.
9. Angrist, J.; Evans, W. (1998). Children and Their Parents' Labor Supply: Evidence from Exogenous Variation in Family Size. American Economic Review. 88 (3): 450—477. JSTOR 116844.
10. Post; Van den Assem; Baltussen; Thaler (2008). Deal or No Deal? Decision Making under Risk in a Large-Payoff Game Show (PDF). American Economic Review. 98 (1): 38—71. doi:10.1257/aer.98.1.38. JSTOR 29729963. S2CID 12816022. SSRN 636508. Архів оригіналу (PDF) за 16 лютого 2021. Процитовано 3 грудня 2020.
11. van den Assem; van Dolder; Thaler (2012). Split or Steal? Cooperative Behavior When the Stakes Are Large. Management Science. 58 (1): 2. doi:10.1287/mnsc.1110.1413. S2CID 1371739. SSRN 1592456.
12. Sargent, R. P.; Shepard, R. M.; Glantz, S. A. (2004). Reduced incidence of admissions for myocardial infarction associated with public smoking ban: before and after study. British Medical Journal. 328 (7446): 977—980. doi:10.1136/bmj.38055.715683.55. PMC 404491. PMID 15066887.
13. Kabat, Geoffrey (5 червня 2004). Effect of public smoking ban in Helena, Montana. BMJ : British Medical Journal. 328 (7452): 1379. doi:10.1136/bmj.328.7452.1379-b. ISSN 0959-8138. PMC 420336. PMID 15178633.
14. Angrist, Joshua D. (1990). Lifetime Earnings and the Vietnam Draft Lottery: Evidence from Social Security Administrative Records. American Economic Review. 80 (3): 313—336. JSTOR 2006669.
15. Lambert, B. (2013). Natural experiments in econometrics. Youtube video. Архів оригіналу за 15 квітня 2021. Процитовано 3 грудня 2020.
16. Cook, L. M.; Turner, J. R. G. (2008). Decline of melanism in two British moths: spatial, temporal and inter-specific variation. Heredity. 101 (6): 483—489. doi:10.1038/hdy.2008.105. PMID 18941471.