Una
investigación biológica generalmente empieza con una observación, esto
es, con algo que llama la atención del biólogo. Por ejemplo, un biólogo
que estudia el cáncer puede notar que cierto tipo de cáncer no responde a
la quimioterapia y preguntarse por qué pasa eso. Una ecóloga marina, al
observar que los arrecifes de coral de su lugar de estudio se decoloran
(se vuelven blancos), puede empezar una investigación para entender las
causas de ese fenómeno.
¿Qué hacen los biólogos para dar seguimiento a esas observaciones? ¿De qué manera puedes
tú dar seguimiento a tus observaciones del mundo natural? En este artículo analizaremos el
método científico, un método lógico para la resolución de problemas usado por biólogos y muchos otros científicos.
El método científico
En
los fundamentos de la biología y otras ciencias se encuentra un método
de resolución de problemas llamado método científico. El
método científico tiene cinco pasos básicos (y un paso más de "retroalimentación"):
- Se hace una observación
- Se plantea una pregunta
- Se formula una hipótesis o explicación que pueda ponerse a prueba
- Se realiza una predicción con base en la hipótesis
- Se pone a prueba la predicción
- Se repite el proceso: se utilizan los resultados para formular nuevas hipótesis o predicciones.
El
método científico se usa en todas las ciencias (entre ellas, la
química, física, geología y psicología). Los científicos en estos campos
hacen diferentes preguntas y realizan distintas pruebas, sin embargo,
usan el mismo método para encontrar respuestas lógicas y respaldadas por
evidencia.
Ejemplo del método científico: no se tuesta el pan
Acerquémonos intuitivamente al método científico aplicando sus pasos a la resolución de un problema cotidiano.
1. Haz una observación
Supongamos que tienes dos rebanadas de pan, las pones en el tostador y presionas el botón. Sin embargo, tu pan no se tuesta.
- Observación: el tostador no tuesta.
2. Plantea una pregunta
¿Por qué no se tostó mi pan?
- Pregunta: ¿porqué mi tostador no tuesta?
3. Elabora una hipótesis
Una
hipótesis es
una respuesta posible a una pregunta, que de alguna manera puede
ponerse a prueba. Por ejemplo, nuestra hipótesis en este caso sería que
el tostador no funcionó porque el enchufe tomacorriente está
descompuesto.
- Hipótesis: tal vez el enchufe está descompuesto.
Esta
hipótesis no es necesariamente la respuesta correcta, sino una posible
explicación que podemos comprobar para ver si es correcta o si
necesitamos proponer otra.
4. Haz predicciones
Una
predicción es un resultado que esperaríamos obtener si la hipótesis es
correcta. En este caso, podríamos predecir que si el enchufe de
corriente está descompuesto, entonces conectar el tostador en otro
enchufe de corriente debe solucionar el problema.
- Predicción: si conecto el tostador en otro enchufe, entonces sí tostará el pan.
5. Pon a prueba las predicciones
Para
probar la hipótesis, necesitamos observar o realizar un experimento
asociado con la predicción. En este caso, por ejemplo, podríamos
conectar el tostador en otro enchufe y ver si funciona.
- Prueba de la predicción: conecta el tostador en otro enchufe y vuelve a intentar.
- Si el tostador sí funciona, entonces la hipótesis es viable, y es probable que fuera correcta.
- Si el tostador no funciona, entonces la hipótesis no es viable, y es probable que fuera incorrecta.
Los
resultados del experimento pueden apoyar o contradecir (oponerse) la
hipótesis. Los resultados que la respaldan no prueban de manera
contundente que es correcta, pero sí que es muy probable que lo sea. Por
otro lado, si los resultados contradicen la hipótesis, probablemente
esta no sea correcta. A menos que hubiera un defecto en el experimento
(algo que siempre debemos considerar), un resultado contradictorio
significa que podemos descartar la hipótesis y proponer una nueva.
6. Repite
El
último paso del método científico es reflexionar sobre nuestros
resultados y utilizarlos para guiar nuestros siguientes pasos.
Y el resultado es:
Panel izquierdo: ¡mi pan se tuesta! La hipótesis se respalda. Panel derecho: mi pan aún no tuesta. La hipótesis no se respalda.
- ¡Tiempo de repetir!
Panel
izquierdo (en caso que la hipótesis se respalde): ¿pero qué falla en el
enchufe? Panel derecho (en caso que la hipótesis no se respalde): eh...
quizá el tostador tiene algún alambre roto.
- Si la
hipótesis fue respaldada, podríamos realizar otras pruebas para
confirmarla, o bien revisarla para que sea más específica. Por ejemplo,
podríamos investigar por qué el enchufe está descompuesto.
- Si
la hipótesis fue rechazada, elaboraríamos una nueva. Por ejemplo, la
siguiente hipótesis podría ser que hay un alambre roto en el tostador.
En la mayoría de los casos, el método científico es un proceso
repetitivo.
En otras palabras, es un ciclo más que una línea recta. El resultado de
una ronda se convierte en la información que mejora la siguiente ronda
de elaboración de preguntas.
Los biólogos y otros científicos usan el
método científico para
hacerse preguntas acerca del mundo natural. El método científico
empieza con una observación, la cual lleva a los científicos a hacerse
una pregunta. Entonces él o ella plantearán una
hipótesis, una explicación comprobable que responda a la pregunta.
Una
hipótesis no necesariamente es correcta. Más bien es la "mejor
suposición" y los científicos deben ponerla a prueba para ver si
realmente es correcta. Los científicos comprueban las hipótesis haciendo
predicciones: si la hipótesis \text XX es correcta, entonces \text
YY debería ser cierta. Luego, realizan experimentos u observaciones para
ver si las predicciones son correctas. Si lo son, la hipótesis tiene
sustento. Si no, es el momento de plantear nuevas hipótesis.
¿Cómo se comprueban las hipótesis?
Cuando es posible, los científicos comprueban sus hipótesis usando experimentos controlados. Un
experimento controlado es
una prueba científica hecha bajo condiciones controladas, esto es, que
solo uno (o algunos) factores cambian en un momento dado, mientras que
el resto se mantiene constante. En la siguiente sección estudiaremos a
detalle los experimentos controlados.
En algunos casos, no hay
manera alguna de comprobar una hipótesis por medio de un experimento
controlado (ya sea por razones prácticas o éticas). En ese caso, un
científico puede poner a prueba la hipótesis haciendo predicciones sobre
patrones que deberían verse en la naturaleza si la hipótesis es
correcta. Entonces, puede recopilar datos para ver si el patrón
realmente está allí.
Experimentos controlados
¿Cuáles
son los ingredientes principales de un experimento controlado? Para
ilustrarlo, consideremos un ejemplo sencillo (incluso algo bobo).
Supón
que decido cultivar germen de soya en mi cocina, cerca de la ventana.
Siembro unas semillas de soya en una maceta con tierra, los pongo en el
alféizar de la ventana y espero a que germinen. Sin embargo, después de
varias semanas, no hay germinado. ¿Por qué? Bueno... resulta que olvidé
regar las semillas. Así que mi hipótesis es que no germinaron por falta
de agua.
Para comprobar mi hipótesis, realizo un experimento
controlado. Para ello, coloco dos macetas idénticas. Ambas tienen diez
semillas de soya sembradas en el mismo tipo de tierra y están colocadas
en la misma ventana. De hecho, solo hay algo que las diferencia:
- Riego una de las macetas todas las tardes.
- La otra maceta no recibe nada de agua.
Después
de una semana, germinaron nueve de diez semillas de la maceta que
recibe riego, mientras que en la maceta seca no germinó ninguna. ¡Parece
que la hipótesis "las semillas necesitan agua" es probablemente
correcta!
Veamos cómo este sencillo experimento ilustra las partes de un experimento controlado.
Panel 1: se preparan dos macetas idénticas. Se siembran 10 semillas en cada una. Las macetas se colocan cerca de la ventana.
Panel
2: se riega una de las macetas (grupo experimental). La otra maceta no
recibe agua (grupo control). La variable independiente es la cantidad de
agua proporcionada.
Panel 3: en la maceta experimental (con
riego), germinaron 9/10 semillas. En la maceta control (sin riego),
germinaron 0/10. La fracción de semillas germinadas en la variable
dependiente.
Grupos control y experimental
Hay dos
grupos en el experimento, los cuales son idénticos excepto porque uno
recibe un tratamiento (agua) y el otro no. El grupo que recibe el
tratamiento (en este caso, la maceta con agua) se llama
grupo experimental, mientras que el que no lo recibe (en este caso, la maceta seca) se denomina
grupo control. El grupo control proporciona la base que nos permite ver si el tratamiento tiene algún efecto.
Variables dependientes e independientes
El factor que es diferente entre el grupo experimental y el control (en este caso, la cantidad de agua) se conoce como
variable independiente.
Esta variable es independiente porque no depende de lo que pase en el
experimento. De hecho, es algo que el investigador elige, hace o añade
al experimento.
En contraste, la
variable dependiente en
un experimento es la respuesta que medimos para ver si el tratamiento
tuvo algún efecto, que en este caso es la cantidad de semillas
germinadas. La variable dependiente
depende de la variable independiente (en este caso, la cantidad de agua) y no al revés.
Los
datos experimentales son las observaciones hechas durante el experimento. En este caso, los
datos recopilados son la cantidad de semillas de soya germinadas después de una semana.
Variabilidad y repetición
Solo
nueve de las diez semillas de soya que fueron regadas germinaron. ¿Qué
sucedió con la décima? Puede que estuviera muerta, enferma o que solo
fuera lenta para germinar. Con frecuencia existen variaciones en el
material usado para experimentos, especialmente en biología (que estudia
seres vivos complejos), que el investigador no puede ver (en este caso,
la condición de las semillas de soya).
Debido al potencial de
variación que pueden tener, los experimentos en biología necesitan un
tamaño muy grande de muestra y, de manera ideal, repetirse varias veces.
El
tamaño de la muestra se refiere al número de
individuos puestos a prueba en un experimento, en este caso
las 1010 semillas de soya por grupo. Una muestra más grande y varias
repeticiones del experimento hacen que sea menos probable que lleguemos a
una conclusión errónea debido a la variación aleatoria.
Los biólogos y otros científicos también usan
pruebas estadísticas que
les ayudan a distinguir las diferencias reales de las causadas por
variación aleatoria (al comparar, por ejemplo, los grupos experimental y
control).
Experimento controlado de estudio de caso: el blanqueamiento de coral y el \text{CO}_2CO2
Como
un ejemplo más realista de un experimento controlado, analicemos un
estudio reciente sobre blanqueamiento de coral. Normalmente los corales
tienen pequeños organismos fotosintéticos que viven dentro de ellos y el
blanqueamiento sucede cuando dejan el coral, generalmente debido a
estrés ambiental. La fotografía siguiente muestra un coral blanqueado
frente a uno saludable, que se ve en la parte de atrás.
Fotografía que muestra un coral blanqueado en primer plano y un coral sano, color café, al fondo.
Crédito de imagen: "Blanqueamiento de los corales de Keppel" (CC BY 3.0)
Mucha
de la investigación sobre las causas del blanqueamiento se ha
concentrado en la temperatura del agua^11. Sin embargo, un equipo de
investigadores australianos elaboró la hipótesis de que otros factores
podrían ser importantes también. Específicamente, pusieron a prueba la
hipótesis de que los altos niveles de \text{CO}_2CO2, que acidifican el
agua de mar, podrían promover el blanqueamiento también^22.
¿Qué tipo de experimento harías
tú para comprobar esta hipótesis? Piensa en:
- ¿Cuál sería tu grupo experimental y cuál tu control?
- ¿Cuáles serían tus variables dependientes e independientes?
- ¿Cuál sería la predicción de los resultados para cada grupo?
¿Lo intentaste?
\text{pH}
- \text {pH}8.2
- \text{CO}_2\text{pH}7.9\text {pH}7.65
- \text{pH}
- 55
Dispositivo experimental para probar los efectos de la acidez del agua sobre el blanqueamiento del coral.
Grupo control: se colocan fragmentos de coral en un tanque con agua de mar normal (pH 8.2).
Grupo experimental 1: se colocan fragmentos de coral en un tanque con agua de mar ligeramente acidificada (pH 7.9).
Grupo experimental 2: se colocan fragmentos de coral en un tanque con agua de mar más fuertemente acidificada (pH 7.65).
La acidez del agua es la variable independiente.
Se permite que transcurran 8 semanas para cada uno de los tanques.
Grupo control: en promedio hay un blanqueamiento del 10% en los corales.
Grupo experimental 1 (acidez media): en promedio, hay un blanqueamiento de cerca del 20% en los corales.
Grupo experimental 2 (acidez alta): en promedio, hay un blanqueamiento de cerca del 40% en los corales.
El grado de blanqueamiento del coral es la variable dependiente.
\text {pH}\text {pH}7.0
20\%40\%10\%
Prueba de hipótesis no experimental
Algunos
tipos de hipótesis no pueden comprobarse por medio de experimentos
controlados, ya sea por razones éticas o prácticas. Por ejemplo, una
hipótesis acerca de la infección viral no puede ponerse a prueba con
personas sanas y dividiéndolas en dos grupos para infectar a uno de
ellos: infectar a personas sanas no sería ético ni seguro. Del mismo
modo, un ecólogo que estudia los efectos de la lluvia no puede hacer que
llueva en una parte del continente mientras mantiene otra seca como
control.
En situaciones como estas, los biólogos pueden usar
formas no experimentales de comprobación de hipótesis. En una prueba de
hipótesis no experimental, un investigador predice observaciones o
patrones que deberían verse en la naturaleza si la hipótesis es
correcta. Luego recopila y analiza los datos para ver si los patrones
están presentes.
Estudio de caso: la temperatura y el blanqueamiento de coral
Un
buen ejemplo de prueba de hipótesis basada en observación proviene de
los primeros estudios sobre el blanqueamiento del coral. Como se
mencionó anteriormente, el blanqueamiento de coral sucede cuando los
corales pierden los microorganismos fotosintéticos que viven dentro de
ellos, lo que hace que se vuelvan blancos. Los investigadores
sospecharon que la alta temperatura del agua podría ser la causa del
blanqueamiento y pusieron a prueba esta hipótesis de manera experimental
a pequeña escala (utilizando fragmentos aislados de coral cultivados en
tanques)^{3,4}3,4.
Lo que más les interesaba saber a los
ecólogos era si la temperatura del agua estaba causando el
blanqueamiento de muchas especies distintas de coral en su hábitat
natural. Esta pregunta, mucho más amplia, no podía responderse de manera
experimental, ya que no sería ético (ni siquiera posible) cambiar
artificialmente la temperatura del agua alrededor de los arrecifes de
coral.
Mapa
coloreado que representa las temperaturas superficiales del mar
alrededor del mundo con diferentes colores. Los colores más cálidos, la
mayoría cercanos al ecuador, representan temperaturas más calientes,
mientras que los mas fríos, la mayor parte cerca de los polos,
representan temperaturas más frías.
Crédito de imagen: "Temperatura superficial del mar en el mundo", de NASA (dominio público)
En
cambio, para probar la hipótesis de que las ocurrencias de
blanqueamiento naturales eran provocadas por aumentos en la temperatura
del agua, un equipo de investigadores hizo un programa de computadora
para predecir eventos de blanqueamiento basados en información de tiempo
real sobre la temperatura del agua. Por ejemplo, este programa
generalmente podría predecir el blanqueamiento de un arrecife en
particular cuando la temperatura del agua en el área del arrecife
excediera su máxima promedio mensual por 11^\circ \text C∘C o más^{1}1.
El
programa fue capaz de predecir muchos eventos de blanqueamiento semanas
o incluso meses antes de que fueran reportados, incluyendo un evento de
blanqueamiento muy grande en la Gran Barrera de Coral en 1998^{1}1. El
hecho de que un modelo basado en la temperatura pudiera predecir los
eventos de blanqueamiento apoyaba la hipótesis de que las altas
temperaturas del agua provocan el blanqueamiento en los arrecifes de
coral.
https://cerebrodigital.org/post/Que-es-el-metodo-cientifico-y-como-aplicarlo?fbclid=IwAR0Yd01tYHRs3vYfmRBmtGixj4bsm5yAchT55oM2f63kU4zdPseTulOZY6g
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