年度必读-《为什么：关于因果关系的新科学》

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导读

中介就是链式因果效应，如“柑橘类水果 → 维生素C → 坏血病”，在此例中，人们为错误地理解中介物是“酸性物质”付出了生命的代价。

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18 世纪中叶，詹姆斯·林德发现柑橘类水果可以预防坏血病。19 世纪中叶，约翰·斯诺发现被粪便污染的水导致了霍乱。（后来的研究发现了二者更具体的病因：缺乏维生素C 会导致坏血病，霍乱杆菌会引起霍乱。）这些杰出的发现都蕴含着一个幸运的巧合——其原因与结果恰巧是一对一的关系。霍乱杆菌是霍乱的唯一原因；或者，用我们今天的话来说，霍乱杆菌是霍乱的充分必要因。如果你没接触过霍乱杆菌，你就不会得病。同样，缺乏维生素C 也是坏血病的必要因，而如果你缺乏维生素C 的时间足够长，那么它也将是充分因。

在我们日常所使用的语言中，“为什么”这个问题至少有两个版本。第一个直截了当：你看到一个果，想知道因。

但“为什么”还有第二个版本，在这个版本中，提出这个问题是为了更好地了解已知的因和已知的果之间的联系。例如，当我们观察到柑橘类水果能用来预防坏血病时，我们就会提出这个问题：“为什么？柑橘类水果预防坏血病的机制是什么？”

寻找作用机制对于科学研究和日常生活而言都至关重要，因为在情况改变时，不同的作用机制会要求我们采取不同的行动。假设我们的橘子吃光了，而如果我们明白橘子预防坏血病的作用机制，我们只需要找到另外一种含有维生素C的食物，就可以继续预防坏血病了。而如果不知道机制，我们可能就会尝试着吃香蕉或者求助于其他并不能发挥同样作用的食物。

科学家使用“中介”（mediation）这个词来表达第二个版本的“为什么”。你可能曾在医学期刊上读到这样的句子：“药物B对心脏病发作的预防作用是由它对血压水平的调节来介导的。”这句话编码了一个简单的因果模型：药物 → 血压 → 心脏病发作。在这个例子中，药物降低了血压水平，进而降低了心脏病发作的风险。（对于原因 A 抑制了结果B 这种情况，生物学家通常会使用一种不同的符号 A ┤B 来表示，但在因果论文献中，A → B 通用于表达肯定的因和否定的因。）同样，我们也可以用因果模型来概括柑橘类水果对坏血病的影响：柑橘类水果 → 维生素C → 坏血病。

关于中介物，我们想问的一些典型问题是：它是否能解释全部结果？ 药物B 是否只能通过调节血压水平起作用，还是也可以通过其他机制起作用？安慰剂效应是医学领域中一种常见的中介物：如果一种药物只能通过病人对其药效的信念起作用，那么绝大多数医生都会认为这种药物是无效的。

以上所有问题都要求我们具备一种敏锐的判断力，以区分总效应、直接效应（不通过中介物）和间接效应（通过中介物）。在过去的一个世纪里，对科学家来说，即使只是给这些术语下定义都是一个重大的挑战。有些人受困于不允许说“因果关系”的禁忌，试图用不包含因果词汇的语言来定义中介。另一些人则完全摈弃中介分析，称直接效应和间接效应的概念“与其说是有助于理清统计思维，不如说是造成了更大的困惑”。

最早的对照试验之一就是詹姆斯·林德船长对坏血病的研究，这项研究发表于1747年。在林德的时代，坏血病是一种可怕的疾病，1500年至1800年间，大约有200万名水手因此丧命。林德和当时的所有其他人一样确定，食用柑橘类水果有助于预防这种可怕的疾病。早在19世纪，英国海军就规定所有的船只都必须携带充足的柑橘出海，因此，对英国海军来说，坏血病本应早已成为历史。通常，这一时间点在历史书中都标志着故事告一段落，我们可以开始庆祝科学方法的伟大胜利了。

然而，一个世纪后，当英国探险队开始极地探险时，这个完全可以预防的疾病突然卷土重来，这一事实实在令人惊讶。1875年的英国北极远征队，1894 年的杰克逊– 哈姆斯沃思北极远征队，还有最著名的两支远征队——1903 年和1911 年由罗伯特·福尔肯·斯科特率领的两支南极洲远征队，所有这些远征队都惨遭坏血病的侵袭。

为什么会发生这样的悲剧？原因还是那两个词：无知和傲慢——并且二者总是紧密结合在一起。到 1900 年，英国的医生们似乎已经忘记了一个世纪以前的教训。1903 年，斯科特远征队的医师科特利茨医生将坏血病归因于被污染的肉。此外，他还补充说：“所谓的‘抗坏血病剂’（能够预防坏血病的物质，比如酸橙汁）带来的好处只不过是一种错觉。”在1911 的远征中，斯科特特意带上了经过严格检查没有腐坏迹象的干肉，但并没有储备柑橘类水果或果汁（见图1）。他对医生意见的盲目信任很可能是这场悲剧的元凶。根据历史记录，5 名到达了南极的队员都死在了那里，其中两人死于不明疾病，极有可能是坏血病；还有一名队员在到达南极之前返回，活着回到了祖国，但已然患上严重的坏血病。

（图1 斯科特北极探险队成员每天的口粮。一种明显缺少的食物类型是：含有维生素C 的水果）

事后看来，科特利茨给出这样的建议就相当于犯了渎职罪。为什么才过了一个世纪，詹姆斯·林德的宝贵经验就这样被彻底抛诸脑后，甚至不予理会了呢？部分原因是，医生们并没有真正理解柑橘类水果是如何预防坏血病的。换言之，他们不了解那个关键的中介物是什么。

从林德那个时代开始，人们一直认为（但从来没有证明过），柑橘类水果能预防坏血病的原因在于其含有的酸性物质。换言之，医生是用如下的因果图来理解这个过程的：

柑橘类水果 → 酸性物质 → 坏血病

根据这个图示，任何酸的东西都能预防败血病，如果当时有可口可乐的话，恐怕连它也会被认为是一种有效的药品。起初，水手吃的是西班牙柠檬；之后，出于经济方面的考虑，他们开始用西印度酸橙替代柠檬，这种酸橙跟西班牙柠檬一样酸，但只含有相当于后者1/4的维生素C。更糟糕的是，他们开始通过加热烹煮来“提纯”柠檬汁，而这种做法会进一步破坏水果所含的维生素C。换言之，他们所做的是一步步让中介物失效。

1875年，当发现北极探险队的水手们在饮用了柠檬汁的情况下仍然患上了坏血病时，医学界陷入了极度的困惑。他们同时还发现，那些吃了新鲜肉制品的水手没有得坏血病（实际原因是北极熊肝脏含有维生素C），而那些吃了罐头肉的人却得了坏血病。于是，科特利茨和其他医生便错误地将腌肉当作坏血病的罪魁祸首。阿尔姆罗斯爵士还杜撰了一种理论，认为是被污染的肉中的细菌引起了食用者的“尸碱中毒”，从而导致其患上了坏血病。而柑橘类水果可以预防坏血病的理论就这样被扔进了垃圾箱。

直到人们发现了真正的中介物，这一混乱的局面才得到改善。 1912年，一位名叫卡西米尔·冯克的波兰生物化学家提出了微量元素的存在，他称其为“维生素”。1930年，阿尔伯特·圣捷尔吉分离出了能够预防坏血病的特定元素。它不是医学界过去所说的什么酸性物质，而是一种特殊的酸，现在被我们称为维生素C或“抗坏血酸”（作为对昔日 “抗坏血病剂”的致敬）。

1937 年，圣捷尔吉因这一发现获得诺贝尔奖。多亏了圣捷尔吉，我们现在知道了这条真正的因果路径：柑橘类水果 → 维生素C → 坏血病。从这个故事中我们就可以看到，中介分析绝不仅仅是一个抽象的数学练习。

除了对坏血病预防机制的确定，因果推断的应用实例还来自社会各个领域的方方面面：比如，社会科学领域中“伯克利招生悖论”的解决以及对学历和工作经验工资水平影响的分析；公共健康领域中对19 世纪伦敦霍乱发生原因的分析，对吸烟是否致癌争论的解决及吸烟行为对新生儿影响的分析，以及对诸多现实生活中存在的悖论的解决，这些悖论包括有关“运动—胆固醇水平”的辛普森悖论、有关“饮食—体重”的罗德悖论，以及有关止血带作用和好坏胆固醇的悖论，等等。可以说，因果思维是一切科学技术的基础。而珀尔教授这部关于因果关系科学的科普著作如同为我们开启了一扇窗，让我们看到了更广阔的天地。

（本文整合自《为什么：关于因果关系的新科学》）

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《为什么：关于因果关系的新科学》

作者：朱迪亚·珀尔，达纳·麦肯齐

出版社：中信出版社

作者介绍：

[美] 朱迪·珀尔 Judea Pearl

现加州大学洛杉矶分校计算机科学教授，“贝叶斯网络”之父，2011年因创立因果推理演算法获得图灵奖，同时也是美国国家科学院院士，IEEE智能系统名人堂第一批10位入选者之一。 目前已出版3本关于因果关系科学的经典著作，分别为《启发法》（1984）、《智能系统中的概率推理》（1988）和《因果论：模型、论证、推理 》（2009）。他还获得过多项顶级科学荣誉，包括认知科学领域的鲁梅哈特奖、物理学及技术领域的富兰克林奖章以及科学哲学领域的拉卡托斯奖。

[美] 达纳·麦肯齐 Danna Mackenzie

普林斯顿大学数学博士，自由科学记者，知名科普作家，著有《无言的宇宙》等作品，其学术论文多次收录于《科学》《新科学家》《科学美国》《探索》等重量级期刊。

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