自然実験

自然実験とは、個人（または個人の集団）が、自然または研究者の制御が及ばない他の要因によって決定される実験条件と制御条件にさらされる研究である。曝露を管理するプロセスは、おそらくランダム割り当てに似ている。したがって、自然実験は観察研究であり、従来の意味でのランダム化実験（介入研究）では制御されていない。自然実験は、明確に定義された曝露とよく定義された部分集団（および同様の部分集団での曝露の欠如）があり、結果の変化が曝露に起因すると考えられる場合に最も有用である。^{[1] [2]}この意味で、自然実験と非実験的観察研究の違いは、前者には因果推論への道を開く条件の比較が含まれるが、後者には含まれないことである。

自然実験は、疫学（原爆投下時に広島近郊に住んでいた人々の電離放射線へのさまざまなレベルの被ばくによる健康への影響を評価するなど[3]）や経済学（米国の成人の就学量に対する経済的リターンを推定する^など[ 4 ^] ）が取り組むいくつかの研究分野のように、制御された実験の実施が極めて困難であったり、非倫理的である場合に研究デザインとして採用されます。^{[1] [2]}

最もよく知られている初期の自然実験の 1 つは、 1854 年にイギリスのロンドンで発生したブロード ストリートのコレラ流行です。1854 年 8 月 31 日、ソーホーで大規模なコレラ流行が発生しました。その後 3 日間で、ブロード ストリート付近の 127 人が死亡しました。流行が終わるまでに 616 人が死亡しました。医師のジョン スノーは、死亡者と病気の地図を使用して、ポンプ周辺に症例が集中していることを明らかにし、流行の発生源が最寄りの公共の給水ポンプであると特定しました。

この例では、スノーはポンプからの水の使用とコレラによる死亡や病気との間に強い関連性があることを発見した。スノーは、感染率の高い地区に水を供給していたサザーク・アンド・ヴォクソール水道会社が、未処理の下水が川に排出される下流のテムズ川から水を得ていたことを発見した。対照的に、下水排出地点の上流から水を得ていたランベス水道会社から水を供給されていた地区では、感染率は低かった。19世紀半ばのロンドンで水道供給がほぼ無計画にパッチワークのように発展していたことを考えると、スノーはそれを「最も大規模な実験」とみなした。^[5]もちろん、汚染された水への曝露は科学者のコントロール下になかった。したがって、この曝露は自然実験であると認識されている。^{[6] [7] [8]}

^{Angrist と Evans (1998) [9]}の研究の目的は、家族規模が母親の労働市場における成果に与える影響を推定することであった。少なくとも 2 つの理由から、家族規模とさまざまな成果 (たとえば、収入) の相関関係は、家族規模が労働市場における成果に因果的にどのような影響を与えるかについては教えてくれない。第 1 に、労働市場における成果と家族規模は、どちらも観察されない「第 3 の」変数 (たとえば、個人の好み) の影響を受ける可能性がある。第 2 に、労働市場における成果自体が家族規模に影響を与える可能性がある (「逆因果関係」と呼ばれる)。たとえば、女性は仕事で昇給すれば、子供を産むのを遅らせる可能性がある。著者らは、男の子 2 人または女の子 2 人の 2 人の子供がいる家族は、男の子 1 人と女の子 1 人の 2 人の子供がいる家族よりも、3 人目の子供を持つ可能性がかなり高いことを観察した。したがって、最初の 2 人の子供の性別は、一種の自然実験を構成する。つまり、実験者がランダムに一部の家族に 2 人の子供を、他の家族に 3 人の子供を産むように割り当てたのと同じである。その後、著者らは3人目の子供を持つことが労働市場の結果に及ぼす因果効果を信頼性をもって推定することができた。アングリストとエヴァンスは、3人目の子供を持つことによる収入への影響は子供が13歳の誕生日を迎えるまでに消える傾向があるにもかかわらず、出産は高学歴の女性よりも貧困層や低学歴の女性に大きな影響を及ぼすことを発見した。また、3人目の子供を持つことは夫の収入にほとんど影響を与えないことも発見した。^[9]

経済学では、ゲーム番組は自然実験の形態として頻繁に研究されています。ゲーム番組は人工的な文脈のように見えるかもしれませんが、科学者の介入なしに文脈が生まれるという事実から、自然実験と見なすことができます。ゲーム番組は、リスク下での意思決定^[10]や協力行動^{[11]など、さまざまな種類の経済行動を研究するために使用されてきました。}

モンタナ州ヘレナでは、2002 年 6 月から 12 月までの 6 か月間、バーやレストランを含むすべての公共スペースで禁煙が実施されました。ヘレナは地理的に孤立しており、病院は 1 つしかありません。研究者は、禁煙が実施されている間に心臓発作の発生率が 40% 低下したことを確認しました。法律反対派は 6 か月後に法律の施行を停止することに成功しましたが、その後心臓発作の発生率は再び上昇しました。^{[12]この研究は、}ケース クロスオーバー実験と呼ばれる自然実験の例であり、曝露を一時的に除去してから再び曝露させるものです。この研究では、自然実験では変数を制御できないため、研究者が確固とした結論を導き出せない可能性があることを示唆する独自の弱点も指摘されています。^[12]

核兵器実験により、大気中に大量の放射性同位元素が放出され、その一部は生物組織に取り込まれる可能性がある。 1963年の部分的核実験禁止条約により大気圏内核実験が禁止された後、放出は停止した。これは大規模なパルスチェイス実験に似ていたが、科学倫理上、人間を対象とした通常の実験としては実施できなかった。1963年以前に生まれた人々を対象に、さまざまな人間の組織における細胞の置換率の測定など、いくつかの種類の観察が可能になった。

経済学の研究において、収入が何によって決まるかは重要な問題である。アングリスト（1990）は兵役が生涯収入に与える影響を評価した。^[13]計量経済学で開発された統計的手法を用いて、^{[14]アングリストは}ベトナム戦争の徴兵くじのおおよそのランダム割り当てを活用し、それを兵役の適格性（または不適格性）に関連する操作変数として使用した。ある人が軍隊に入るかどうかを予測する要因は多数あるため、徴兵くじは、軍隊に徴兵された者と徴兵されなかった者とを比較できる自然実験の枠組みを形成する。なぜなら、兵役前の2つのグループに大きな違いはないはずである。アングリストは、退役軍人の収入は平均して非退役軍人の収入より約15％少ないことを発見した。

19世紀の産業革命とともに、よく研究されているオオシモフリエダシャクを含む多くの蛾の種が、都市周辺の二酸化硫黄と煤による大気汚染に反応して産業暗化を起こした。これは、以前は豊富だった淡い斑点のある種よりも暗い種の頻度が劇的に増加した現象である。20世紀には、規制が改善されて汚染が減少し、大規模な自然実験の条件が整ったため、産業暗化の傾向は逆転し、暗い種は急速に少なくなった。この影響から、進化生物学者のLMクックとJRGターナーは「自然選択が全体的な減少の唯一の信頼できる説明である」という結論に至った。^[15]

• 共通の庭の実験