자연 실험

자연 실험(natural experiment)은 연구자가 통제할 수 없는 자연이나 기타 요인에 의해 결정되는 실험 및 대조 조건에 개인(또는 개인 집단)이 노출되는 연구이다. 노출을 통제하는 과정은 무선 배치와 유사하다고 주장된다. 따라서 자연 실험은 관찰 연구이며 무작위 대조 실험(개입 연구)의 전통적인 의미에서 통제되지 않는다. 자연 실험은 잘 정의된 하위 모집단에서 명확하게 정의된 노출(및 유사한 하위 모집단에서 노출의 부재)이 있어 결과의 변화가 노출에 합리적으로 기인할 수 있을 때 가장 유용하다. 이러한 의미에서 자연 실험과 비실험적 관찰 연구의 차이점은 전자는 인과 추론을 위한 조건을 비교하지만 후자는 그렇지 않다는 것이다.

자연 실험은 통제된 실험이 구현하기 매우 어렵거나 비윤리적인 경우, 예를 들어 역학 (의학)에서 다루는 여러 연구 분야(예: 원자 폭발 당시 히로시마 근처에 거주하는 사람들의 다양한 정도의 이온화 방사선 노출이 건강에 미치는 영향 평가) 및 경제학(예: 미국 성인의 학업량에 대한 경제적 이득 추정)과 같이 연구 설계로 사용된다.

역사
섬네일|right|220px|존 스노의 1854년 런던 소호 (런던) 콜레라 유행 당시 콜레라 사례의 군집을 보여주는 지도
가장 잘 알려진 초기 자연 실험 중 하나는 잉글랜드 런던에서 발생한 1854년 브로드 스트리트의 콜레라 유행이었다. 1854년 8월 31일, 소호 (런던)에서 대규모 콜레라가 발생했다. 다음 3일 동안 브로드 스트리트 근처에서 127명이 사망했다. 유행이 끝날 무렵 616명이 사망했다. 의사 존 스노는 사망 및 질병 지도를 사용하여 펌프 주변에 군집된 사례를 밝혀내어 발병의 원인을 가장 가까운 공공 급수 펌프로 확인했다.MacMahon B, Pugh TF. Epidemiologic Methods (Little, Brown; 1960); reissued as Epidemiology: Principles and Methods (Little, Brown; 1970) ()

이 예시에서 스노는 펌프의 물 사용과 콜레라로 인한 사망 및 질병 사이에 강한 연관성을 발견했다. 스노는 높은 발병률을 보이는 지역에 물을 공급하는 사우스워크 및 복스홀 상수도 회사가 템스강 하류의 폐수가 강으로 방류되는 지점에서 물을 얻었음을 발견했다. 반대로, 폐수 방류 지점 상류에서 물을 얻은 램버스 상수도 회사가 물을 공급하는 지역은 발병률이 낮았다. 19세기 중반 런던의 급수 시스템이 거의 무작위적으로 개발된 것을 고려할 때, 스노는 이러한 발전을 "가장 큰 규모의 실험"으로 보았다.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. 물론 오염된 물에 대한 노출은 어떤 과학자의 통제 하에 있지 않았다. 따라서 이 노출은 자연 실험으로 인정되었다.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) , chapter 1.3 (pp.  6–9).MacMahon, B., & Pugh, T.F. (1970). Epidemiology: Principles and Methods. Boston: Little, Brown.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.

최근 사례

가족 규모
앙그리스트와 에반스(1998)의 연구의 목표는 가족 규모가 어머니의 노동 시장 결과에 미치는 영향을 추정하는 것이었다. 적어도 두 가지 이유 때문에 가족 규모와 다양한 결과(예: 수입) 사이의 상관관계는 가족 규모가 노동 시장 결과에 어떻게 인과적으로 영향을 미치는지 알려주지 않는다. 첫째, 노동 시장 결과와 가족 규모 모두 관찰되지 않는 "제3의" 변수(예: 개인 선호도)의 영향을 받을 수 있다. 둘째, 노동 시장 결과 자체가 가족 규모에 영향을 미칠 수 있다("역인과관계"라고 함). 예를 들어, 여성이 직장에서 급여 인상을 받으면 출산을 미룰 수 있다. 저자들은 두 자녀 가족 중 두 아들이나 두 딸을 둔 가족이 아들 한 명과 딸 한 명을 둔 두 자녀 가족보다 셋째 자녀를 가질 가능성이 훨씬 더 높다는 것을 관찰했다. 따라서 첫 두 자녀의 성별은 일종의 자연 실험을 구성한다. 마치 실험자가 일부 가족에게 두 자녀를, 다른 가족에게는 세 자녀를 무작위로 배정한 것과 같다. 저자들은 그 후 셋째 자녀를 갖는 것이 노동 시장 결과에 미치는 인과적 영향을 신뢰할 수 있게 추정할 수 있었다. 앙그리스트와 에반스는 출산이 고학력 여성보다 가난하고 교육 수준이 낮은 여성에게 더 큰 영향을 미쳤지만, 셋째 자녀를 갖는 것이 소득에 미치는 영향은 그 자녀가 13세가 될 때쯤 사라지는 경향이 있음을 발견했다. 또한 그들은 셋째 자녀를 갖는 것이 남편의 소득에 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 발견했다.

게임 쇼
경제학 내에서 게임 쇼는 자주 연구되는 자연 실험의 형태이다. 게임 쇼는 인위적인 맥락처럼 보일 수 있지만, 과학자의 개입 없이 맥락이 발생한다는 사실 때문에 자연 실험으로 간주될 수 있다. 게임 쇼는 위험 하의 의사 결정 및 협력 행동과 같은 광범위한 유형의 경제 행동을 연구하는 데 사용되었다.

금연
헬레나 (몬태나주)에서는 2002년 6월부터 2002년 12월까지 6개월 동안 술집과 식당을 포함한 모든 공공장소에서 금연이 시행되었다. 헬레나는 지리적으로 고립되어 있고 단 하나의 병원만 있다. 연구원들은 금연이 시행되는 동안 심근 경색 발생률이 40% 감소했음을 관찰했다. 법 반대론자들은 6개월 후 법 집행을 중단시키는 데 성공했고, 그 후 심근 경색 발생률이 다시 증가했다. 이 연구는 케이스-교차 실험이라고 불리는 자연 실험의 한 예로, 노출이 일정 기간 제거되었다가 다시 돌아왔다. 이 연구는 또한 자연 실험에서 변수를 통제할 수 없는 것이 연구자들이 확고한 결론을 내리는 것을 방해할 수 있음을 잠재적으로 시사하는 자체적인 약점을 지적했다.

핵실험

핵실험은 대량의 방사성 동위 원소를 대기 중으로 방출했으며, 그 중 일부는 생물학적 조직에 통합될 수 있었다. 대기 중 핵실험을 금지한 1963년 부분적 핵실험 금지 조약 이후 방출이 중단되었다. 이것은 대규모 펄스-추적 실험과 유사했지만, 과학적 윤리 때문에 인간을 대상으로 정규 실험으로 수행될 수 없었다. 여러 유형의 관찰이 가능해졌다(1963년 이전에 태어난 사람들을 대상으로), 예를 들어 다른 인간 조직에서 세포 교체율을 결정하는 것과 같은 것들이다.

베트남 전쟁 징집

경제학 연구에서 중요한 질문은 소득을 결정하는 요인이다. 앙그리스트(1990)는 군 복무가 평생 소득에 미치는 영향을 평가했다. 계량경제학에서 개발된 통계적 방법을 사용하여 앙그리스트는 베트남 전쟁 징집 복권 (1969)의 대략적인 무선 배치를 활용하여 이를 군 복무 자격(또는 비자격)과 관련된 도구 변수로 사용했다. 많은 요인이 군 복무 여부를 예측할 수 있으므로 징집 복권은 군 복무 전 두 집단이 크게 다르지 않아야 하기 때문에 징집된 사람들과 징집되지 않은 사람들을 비교할 수 있는 자연 실험을 구성한다. 앙그리스트는 참전 용사의 소득이 비참전 용사의 소득보다 평균적으로 약 15% 적다는 것을 발견했다.

산업 흑화 현상

19세기 산업 혁명과 함께, 잘 연구된 회색가지나방을 포함한 많은 나방 종은 도시 주변의 이산화황과 그을음의 대기 오염에 산업 흑화 현상으로 반응했다. 이는 이전에 풍부했던 옅고 얼룩덜룩한 형태보다 어두운 형태의 빈도가 극적으로 증가하는 현상이었다. 20세기에는 규제가 개선되고 오염이 감소하여 대규모 자연 실험의 조건이 제공됨에 따라 산업 흑화 현상의 추세가 역전되었고, 흑색 형태는 빠르게 희귀해졌다. 이 효과로 인해 진화생물학자 L. M. 쿡과 J. R. G. 터너는 "자연선택이 전반적인 감소에 대한 유일한 신뢰할 수 있는 설명"이라고 결론지었다.

 같이 보기 
 공통 정원 실험

 각주 

분류:역학 (의학)
분류:실험
분류:관찰 연구