1.6: Experimentos científicos
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¿Qué es un experimento?
Un experimento es un tipo especial de investigación científica que se realiza bajo condiciones controladas. Como todas las investigaciones, un experimento genera evidencia para probar una hipótesis. Pero a diferencia de algunos otros tipos de investigaciones, un experimento implica manipular algunos factores en un sistema para ver cómo afecta el resultado. Idealmente, los experimentos también implican controlar tantos otros factores como sea posible para aislar la causa de los resultados experimentales.
Un experimento generalmente prueba cómo una variable en particular se ve afectada por alguna otra variable específica. La variable afectada se denomina variable dependiente o variable de resultado. La variable que afecta a la variable dependiente se denomina variable independiente. También se llama la variable manipulada porque esta es la variable que es manipulada por el investigador. Cualquier otra variable (variable de control) que también pueda afectar a la variable dependiente se mantiene constante, por lo que solo se miden los efectos de la variable independiente.
Experimento de escorbuto de Lind
Lind comenzó su experimento de escorbuto a bordo de un barco británico después de haber estado en el mar durante dos meses y los marineros habían comenzado a mostrar signos de escorbuto. Eligió un grupo de 12 marineros con escorbuto y dividió al grupo en 6 parejas. Los 12 marineros recibieron la misma dieta, pero cada pareja también recibió un suplemento diario diferente a la dieta (Tabla\(\PageIndex{1}\)).
| Par de Sujetos | Suplemento Diario a la Dieta Recibida por este Par |
|---|---|
| 1 | 1 cuarto de galón de sidra |
| 2 | 5 gotas de ácido sulfúrico |
| 3 | 6 cucharadas de vinagre |
| 4 | 1 taza de agua de mar |
| 5 | 2 naranjas y 1 limón |
| 6 | pasta picante y un trago de agua de cebada |
El experimento de Lind terminó después de apenas cinco días cuando los cítricos frescos se quedaron sin par 5. No obstante, los dos marineros de esta pareja ya se habían recuperado por completo o mejoraron mucho. Los marineros de la pareja 1 (recibiendo el cuarto de sidra) también mostraron alguna mejora, pero los marineros de las otras duplas no mostraron ninguno.
¿Se pueden identificar las variables independientes y dependientes en el experimento de Lind? La variable independiente es el suplemento diario que reciben los pares. La variable dependiente es la mejora/no mejoría en los síntomas del escorbuto. Los resultados de Lind respaldaron la cura de cítricos para el escorbuto, y pronto fue adoptada por la marina británica con buenos resultados. Sin embargo, el hecho de que el escorbuto es causado por una deficiencia de vitamina C no se descubrió hasta casi 200 años después.
Muestreo
El experimento de escorbuto de Lind incluyó solo 12 sujetos. Esta es una muestra muy pequeña según los estándares científicos modernos. La muestra en un experimento u otra investigación consiste en los individuos o eventos que realmente se estudian. Rara vez incluye a toda la población porque hacerlo probablemente sería poco práctico o incluso imposible.
Existen dos tipos de errores que pueden ocurrir al estudiar una muestra en lugar de toda la población: error casual y sesgo.
- Se produce un error casual si la muestra es demasiado pequeña. Cuanto menor es la muestra, mayor es la probabilidad de que no represente de manera justa a toda la población. El error de probabilidad se mitiga mediante el uso de una muestra más grande.
- El sesgo ocurre si la muestra no se selecciona aleatoriamente con respecto a una variable en el estudio. Este problema se mitiga teniendo cuidado de elegir una muestra aleatoria.
Se debe diseñar un experimento confiable para minimizar ambas fuentes potenciales de error. Se puede ver cómo se abordaron las fuentes de error en otro experimento histórico: el famoso ensayo de Jonas Salk en 1953 de su recién desarrollada vacuna contra la polio. El experimento masivo de Salk ha sido llamado el “mayor experimento de salud pública de la historia”.
Experimento de vacuna contra la polio de Salk
Imagine una epidemia a nivel nacional de una enfermedad contagiosa similar a la gripe que ataca principalmente a niños y a menudo causa parálisis. Eso es exactamente lo que sucedió en Estados Unidos durante la primera mitad del siglo XX. A partir de principios del siglo XX, hubo ciclos repetidos de epidemias de polio, y cada una parecía ser más fuerte que la anterior. Muchos niños terminaron con soporte vital en los llamados “pulmones de hierro” (ver foto abajo) porque sus músculos respiratorios estaban paralizados por la enfermedad.
La polio es causada por un virus, y aún no hay cura para esta enfermedad potencialmente devastadora. Afortunadamente, ahora se puede prevenir con vacunas. La primera vacuna contra la polio fue descubierta por Jonas Salk en 1952. Después de probar la vacuna a sí mismo y a los miembros de su familia para evaluar su seguridad, Salk emprendió un experimento a nivel nacional para probar la efectividad de la vacuna utilizando como sujetos a más de un millón de escolares. Es difícil imaginar un ensayo a nivel nacional de una vacuna experimental que utilice a niños como “conejillos de indias”. Nunca pasaría hoy. No obstante, en 1953, la poliomielitis golpeó tanto miedo en el corazón de los padres que aceptaron la palabra de Salk de que la vacuna era segura y con mucho gusto permitió que sus hijos participaran en el estudio.
El experimento de Salk estuvo muy bien diseñado. Primero, incluyó dos muestras aleatorias muy grandes de niños —600 mil en el grupo de tratamiento, llamado grupo experimental, y 600 mil en el grupo no tratado, llamado grupo control. El uso de muestras muy grandes y aleatorias redujo el potencial de error casual y sesgo en el experimento. A los niños del grupo experimental se les inyectó la vacuna experimental contra la polio. A los niños del grupo control se les inyectó una solución salina inofensiva (agua salada). La inyección salina fue un placebo. Un placebo es un tratamiento “falso” que en realidad no tiene ningún efecto sobre la salud. Se incluye en ensayos de vacunas y otros tratamientos médicos, por lo que los sujetos no sabrán en qué grupo (control o experimental) se les ha colocado. El uso de un placebo ayuda a los investigadores a controlar el efecto placebo. Se trata de una reacción de base psicológica a un tratamiento que ocurre solo porque el sujeto es tratado, aunque el tratamiento no tenga un efecto real.
Los experimentos en los que se usa un placebo son generalmente experimentos ciegos porque los sujetos son “ciegos” a su grupo experimental. Esto ayuda a prevenir sesgos en el experimento. A menudo, incluso los investigadores no saben qué sujetos se encuentran en cada grupo. Este tipo de experimento se llama experimento doble ciego porque tanto los sujetos como los investigadores son “ciegos” a lo que los sujetos están en cada grupo. El ensayo de vacunas de Salk fue un experimento doble ciego, y los experimentos doble ciego ahora se consideran el estándar de oro de los ensayos clínicos de vacunas, medicamentos terapéuticos y otros tratamientos médicos.
La vacuna contra la polio de Salk demostró ser muy exitosa. El análisis de los datos de su estudio reveló que la vacuna fue de 80 a 90 por ciento efectiva en la prevención de la polio. Casi de la noche a la mañana, Salk fue aclamado como un héroe nacional. Apareció en la portada de la revista Time y fue invitado a la Casa Blanca. A los pocos años, millones de niños habían recibido la vacuna contra la polio. Para 1961, la incidencia de poliomielitis en Estados Unidos se había reducido en un 96 por ciento.
Límites en la Experimentación
Los experimentos bien hechos son generalmente las investigaciones científicas más rigurosas y confiables. Sin embargo, su característica distintiva de manipular variables para probar resultados no es posible, práctica o ética en todas las investigaciones. Como resultado, muchas ideas no pueden ser probadas a través de la experimentación. Por ejemplo, los experimentos no pueden usarse para probar ideas sobre lo que nuestros antepasados comieron hace millones de años o cómo el fumar cigarrillos a largo plazo contribuye al cáncer de pulmón. En el caso de nuestros antepasados, es imposible estudiarlos directamente. Los investigadores deben confiar en evidencia indirecta, como observaciones detalladas de sus dientes fosilizados. En el caso del tabaquismo, no es ético exponer a los sujetos humanos al humo nocivo del cigarrillo. En cambio, los investigadores pueden utilizar grandes estudios observacionales de personas que ya son fumadores, con no fumadores como controles, para buscar correlaciones entre los hábitos de fumar y el cáncer de pulmón.
Lind emprendió su experimento para probar los efectos de los cítricos sobre el escorbuto en un momento en que miles de marineros estaban muriendo a causa de esta enfermedad nutricional mientras exploraba el mundo. Los exploradores actuales son astronautas en el espacio, y su nutrición también es crucial para el éxito de sus misiones. Sin embargo, mantener una buena nutrición en los astronautas en el espacio puede ser un desafío. Un problema es que los astronautas tienden a comer menos mientras están en el espacio. No sólo están muy ocupados en sus misiones, sino que también pueden cansarse de las raciones de comida espacial. El ambiente del espacio es otro problema. Factores como la microgravedad y la mayor exposición a la radiación pueden tener importantes efectos en la salud humana y requerir ajustes nutricionales para ayudar a contrarrestarlos. Una forma novedosa de estudiar la nutrición y la salud de los astronautas son proporcionados por los astronautas gemelos idénticos Scott y Mark Kelly (Figura\(\PageIndex{3}\)).
Los Kellys son los primeros astronautas gemelos idénticos, pero los estudios gemelos no son nada nuevo. Los científicos han utilizado gemelos idénticos (homocigóticos) como sujetos de investigación durante muchas décadas. Los gemelos idénticos tienen los mismos genes, por lo que cualquier diferencia entre ellos generalmente se puede atribuir a influencias ambientales más que a causas genéticas. Mark Kelly pasó casi un año completo en la Estación Espacial Internacional (ISS) entre 2015 y 2016, mientras que su gemelo, Scott Kelly, se quedó en el suelo, sirviendo como control en el experimento. Es posible que hayas notado mucha cobertura mediática del regreso de Mark Kelly a la Tierra en marzo de 2016 porque su continua estadía en el espacio fue la más larga de cualquier astronauta estadounidense en ese momento. La NASA está aprendiendo mucho sobre los efectos de los viajes espaciales a largo plazo en el cuerpo humano midiendo y comparando indicadores nutricionales y otros datos de salud en los gemelos.
Revisar
- ¿En qué se diferencian los experimentos de otros tipos de investigaciones científicas?
- Identificar las variables independientes y dependientes en el ensayo nacional de Salk con vacuna antipoliomielítica.
- Comparar y contrastar error casual y sesgo en el muestreo. ¿Cómo se puede minimizar cada tipo de error?
- ¿Cuál es el efecto placebo? Explique cómo el diseño experimental de Salk lo controlaba.
- Rellene los espacios en blanco. La variable _____________ se manipula para ver los efectos sobre la variable ___________.
- Verdadero o Falso. En estudios de gemelos idénticos, la variable independiente es su genética.
- Verdadero o Falso. Los experimentos no se pueden hacer en humanos.
- Verdadero o Falso. Los tamaños de muestra más grandes son generalmente mejores que los más pequeños en experimentos científicos.
- Responde las siguientes preguntas sobre el experimento de escorbuto de Lind.
- ¿Por qué crees que era importante que las dietas de los marineros se mantuvieran todas iguales, aparte del suplemento diario?
- ¿Se te ocurren algunos factores distintos a la dieta que podrían haber sido potencialmente diferentes entre los marineros que podrían haber afectado el resultado del experimento?
- ¿Por qué crees que los marineros que bebieron sidra tuvieron alguna mejoría en sus síntomas de escorbuto?
- Explique por qué los experimentos doble ciego se consideran más rigurosos que los experimentos ciegos regulares.
- ¿Por qué son tan útiles los estudios que utilizan gemelos idénticos?
- ¿Crees que es necesario incluir un placebo (como una inyección con solución salina en un experimento de pruebas de drogas) en experimentos que usan animales? ¿Por qué o por qué no?
Explora más
Mira esta entretenida charla TED, en la que el bioquímico, Kary Mullis, habla sobre el experimento como base de la ciencia moderna.
Echa un vistazo a este video para conocer más sobre la realización de experimentos científicos:
Atribuciones
- Lengua escorbútica por CDC, dominio público vía Wikimedia Commons
- Pabellón de pulmón de hierro por la Administración de Alimentos y Medicamentos, dominio público vía Wikimedia Commons
- Mark y Scott Kelly por NASA/Robert Markowitz, dominio público vía Wikimedia Commons
- Texto adaptado de Biología Humana por CK-12 licenciado CC BY-NC 3.0