1.2: El Proceso Científico
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Pregunta
El proceso científico suele comenzar con una observación (a menudo un problema por resolver) que lleva a una pregunta. Recuerda que la ciencia es muy buena para responder preguntas que tienen que ver con observaciones sobre el mundo natural, pero es muy mala para responder preguntas que tengan que ver con la moral, la ética u opiniones personales.
| Preguntas que pueden ser respondidas usando la ciencia | Preguntas que no pueden ser respondidas usando la ciencia |
|---|---|
| • ¿Cuál es la temperatura óptima para el crecimiento de la bacteria E. coli? | • ¿Qué tan alto es Santa Claus? |
| • ¿Prefieren las aves comederos de un color específico? | • ¿Existen los ángeles? |
| • ¿Cuál es la causa de esta enfermedad? | • ¿Cuál es mejor: música clásica o rock and roll? |
| • ¿Qué tan efectivo es este medicamento en el tratamiento de esta enfermedad? | • ¿Cuáles son las implicaciones éticas de la clonación humana? |
Pensemos en un problema sencillo que comience con una observación y aplique el método científico para resolver el problema. Imagina que una mañana cuando te despiertas y giras el interruptor para encender tu lámpara de noche, la luz no se enciende. Esa es una observación que también describe un problema: las luces no se encienden. Por supuesto, a continuación harías la pregunta: “¿Por qué no se enciende la luz?”
Hipótesis
Recordemos que una hipótesis es una explicación sugerida que puede ser probada. Una hipótesis NO es la pregunta que estás tratando de responder — es cuál crees que será la respuesta a la pregunta y por qué. Para resolver un problema, se pueden proponer varias hipótesis. Por ejemplo, una hipótesis podría ser: “La luz no se enciende porque la bombilla está quemada”. Pero podría haber otras respuestas a la pregunta, y por lo tanto se pueden proponer otras hipótesis. Una segunda hipótesis podría ser: “La luz no se enciende porque la lámpara está desenchufada” o “La luz no se enciende porque la luz está apagada”. Una hipótesis debe basarse en información de antecedentes creíbles. Una hipótesis NO es solo una suposición (ni siquiera una educada), aunque puede basarse en tu experiencia previa (como en el ejemplo donde la luz no se enciende). En general, las hipótesis en biología deben basarse en una fuente de información creíble y referenciada.
Una hipótesis debe ser comprobable para que sea válida. Por ejemplo, una hipótesis que depende de lo que un perro piense no es comprobable, porque no podemos decir lo que piensa un perro. También debe ser falsificable, es decir, que puede ser desmentido por resultados experimentales. Un ejemplo de hipótesis no falsificable es “El rojo es un mejor color que el azul”. No hay ningún experimento que pueda demostrar que esta afirmación es falsa. Para probar una hipótesis, un investigador realizará uno o más experimentos diseñados para eliminar una o más de las hipótesis. Esto es importante: una hipótesis puede ser desprobada, o eliminada, pero nunca se puede probar. La ciencia no trata de pruebas como las matemáticas. Si un experimento no logra desmentir una hipótesis, entonces esa explicación (la hipótesis) se apoya como respuesta a la pregunta. Sin embargo, eso no quiere decir que más adelante, no vamos a encontrar una mejor explicación o diseñar un mejor experimento que se encuentre para falsificar la primera hipótesis y conducir a una mejor.
Variables
Una variable es cualquier parte del experimento que puede variar o cambiar durante el experimento. Normalmente, un experimento solo prueba una variable y todas las demás condiciones en el experimento se mantienen constantes.
- La variable que se prueba se conoce como la variable independiente.
- La variable dependiente es la cosa (o cosas) que estás midiendo como resultado de tu experimento.
- Una constante es una condición que es la misma entre todos los grupos probados.
- Una variable de confusión es una condición que no se mantiene constante y que podría afectar los resultados experimentales.
Una hipótesis suele tener el formato “Si [cambio la variable independiente de esta manera] entonces [observaré que la variable dependiente hace esto] porque [de alguna razón]”. Por ejemplo, la primera hipótesis podría ser: “Si cambias la bombilla, entonces la luz se encenderá porque la bombilla está quemada”. En este experimento, la variable independiente (lo que estás probando) estaría cambiando la bombilla y la variable dependiente es si la luz se enciende o no. Sería importante mantener constantes todos los demás aspectos del ambiente, por ejemplo, no meterse con el cable de la lámpara o intentar encender la lámpara usando un interruptor de luz diferente. Si toda la casa hubiera perdido energía durante el experimento porque un automóvil chocó contra el poste eléctrico, esa sería una variable confusa.
Es posible que hayas aprendido que una hipótesis puede formularse como una declaración de “Si.. entonces...”. Las hipótesis simples pueden formularse de esa manera (pero también deben incluir un “porque”), pero las hipótesis más complicadas pueden requerir varias oraciones. También es muy fácil confundirse tratando de poner tu hipótesis en este formato. Las hipótesis no tienen que formularse como declaraciones “si.. entonces..”, solo a veces es un formato útil.
Consulta\(\PageIndex{1}\)
Consulta\(\PageIndex{2}\)
Consulta\(\PageIndex{3}\)
Resultados
Los resultados de tu experimento son los datos que recopilas como resultado. En el experimento de luz, tus resultados son que la luz se enciende o la luz no se enciende. Con base en tus resultados, puedes llegar a una conclusión. Tu conclusión utiliza los resultados para responder a tu pregunta original.
Podemos poner el experimento con la luz que no va a entrar en la figura anterior:
- Observación: la luz no se enciende.
- Pregunta: ¿por qué no se enciende la luz?
- Hipótesis: la bombilla está quemada.
- Predicción: si cambio la bombilla (variable independiente), entonces la luz se encenderá (variable dependiente).
- Experimento: cambiar la bombilla dejando iguales todas las demás variables.
- Analiza los resultados: la luz no se encendió.
- Conclusión: La bombilla no está quemada. Los resultados no apoyan la hipótesis, ¡es hora de desarrollar una nueva!
- Hipótesis 2: la lámpara está desenchufada.
- Predicción 2: si enchufo la lámpara, entonces la luz se encenderá.
- Experimento: enchufar la lámpara
- Analiza los resultados: ¡la luz encendida!
- Conclusión: La luz no se encendería porque la lámpara estaba desenchufada. Los resultados apoyan la hipótesis, ¡es hora de pasar al siguiente experimento!
En la práctica, el método científico no es tan rígido y estructurado como podría aparecer al principio. A veces un experimento lleva a conclusiones que favorecen un cambio de enfoque; a menudo, un experimento trae al rompecabezas preguntas científicas completamente nuevas. Muchas veces, la ciencia no opera de manera lineal; en cambio, los científicos continuamente hacen inferencias y hacen generalizaciones, encontrando patrones a medida que avanza su investigación. El razonamiento científico es más complejo de lo que sugiere el método científico por sí solo.
Grupos de Control
Otro aspecto importante del diseño de un experimento es la presencia de uno o más grupos de control. Un grupo de control le permite hacer una comparación que es importante para interpretar sus resultados. Los grupos de control son muestras que te ayudan a determinar que las diferencias entre tus grupos experimentales se deben a tu tratamiento en lugar de a una variable diferente: eliminan explicaciones alternativas para tus resultados (incluyendo error experimental y sesgo del experimentador). Aumentan la confiabilidad, a menudo a través de la comparación de mediciones de control y mediciones de los grupos experimentales. A menudo, el grupo control es una muestra que no se trata con la variable independiente, sino que por lo demás se trata de la misma manera que su muestra experimental. Este tipo de grupo control contiene todas las características del grupo experimental excepto que no se le da la manipulación sobre la que se plantea la hipótesis (no se trata con la variable independiente). Por lo tanto, si los resultados del grupo experimental difieren del grupo control, la diferencia debe deberse a la manipulación hipotética, más que a algún factor externo. Es común en experimentos complejos (como los publicados en revistas científicas) tener más grupos de control que grupos experimentales.
Ejemplo\(\PageIndex{1}\)
Pregunta: ¿Qué fertilizante producirá el mayor número de tomates cuando se aplique a las plantas?
Predicción e Hipótesis: Si aplico diferentes marcas de fertilizantes a las plantas de tomate, la mayor cantidad de tomates se producirán a partir de plantas regadas con la Marca A porque la Marca A anuncia que produce el doble de tomates que otras marcas líderes.
Experimento: Compra 10 plantas de jitomate del mismo tipo del mismo vivero. Elige plantas que sean similares en tamaño y edad. Divida las plantas en dos grupos de 5. Aplicar la Marca A al primer grupo y la Marca B al segundo grupo de acuerdo a las instrucciones de los paquetes. Después de 10 semanas, cuente el número de tomates en cada planta.
Variable Independiente: Marca de fertilizante.
Variable dependiente: Número de tomates.
El número de tomates producidos depende de la marca de fertilizante aplicada a las plantas.
Constantes: cantidad de agua, tipo de suelo, tamaño de maceta, cantidad de luz, tipo de planta de tomate, tiempo de cultivo de las plantas.
Variables de confusión: cualquiera de las anteriores que no se mantenga constante, sanidad vegetal, enfermedades presentes en el suelo o planta antes de su compra.
Resultados: Los tomates fertilizados con Marca A produjeron un promedio de 20 tomates por planta, mientras que los tomates fertilizados con Marca B produjeron un promedio de 10 tomates por planta.
Querrías usar la Marca A la próxima vez que cultives tomates, ¿verdad? ¡Pero y si te dijera que las plantas cultivadas sin fertilizante produjeron un promedio de 30 tomates por planta! Ahora, ¿qué usarás en tus tomates?
Resultados incluyendo grupo control: Los tomates que no recibieron fertilizante produjeron más tomates que cualquiera de las marcas de fertilizantes.
Conclusión: Aunque el fertilizante Marca A produjo más tomates que la Marca B, ¡ninguno de los fertilizantes debe ser usado porque las plantas cultivadas sin fertilizante produjeron la mayor cantidad de tomates!
A menudo se utilizan grupos de control positivo para demostrar que el experimento es válido y que todo ha funcionado correctamente. Se puede pensar en un grupo de control positivo como un grupo en el que deberías poder observar lo que estás midiendo (“la cosa” debería suceder). Las condiciones en un grupo de control positivo deben garantizar un resultado positivo. Si el grupo de control positivo no funciona, puede haber algo mal con el procedimiento experimental.
Se utilizan grupos de control negativo para mostrar si un tratamiento tuvo algún efecto. Si su muestra tratada es la misma que su grupo de control negativo, su tratamiento no tuvo ningún efecto. También puedes pensar en un grupo de control negativo como un grupo donde NO deberías poder observar lo que estás midiendo (“la cosa” no debería suceder), o donde no debes observar ningún cambio en la cosa que estás midiendo (no hay diferencia entre el grupo tratado y el grupo control). Las condiciones en un grupo de control negativo deben garantizar un resultado negativo. Un grupo placebo es un ejemplo de un grupo de control negativo.
Como regla general, se necesita un control positivo para validar un resultado negativo, y un control negativo para validar un resultado positivo.
- Lees un artículo en el NY Times que dice que algunas espinacas están contaminadas con Salmonella. Quieres probar las espinacas que tienes en casa en tu refrigerador, así mojas un hisopo estéril y lo limpias sobre las espinacas, luego limpia el hisopo en una placa de nutrientes (placa de petri).
- Se observa el crecimiento. ¿Significa esto que tu espinaca está realmente contaminada? Considera una explicación alternativa para el crecimiento: el hisopo, el agua o la placa están contaminados con bacterias. Podrías usar un control negativo para determinar qué explicación es verdadera. Si un hisopo está mojado y se limpia en una placa nutritiva, ¿crecen las bacterias?
- No se observa el crecimiento. ¿Significa esto que tu espinaca es realmente segura? Considera una explicación alternativa para que no haya crecimiento: La salmonela no puede crecer en el tipo de nutriente que usaste en tus platos. Se podría usar un control positivo para determinar qué explicación es verdadera. Si limpia una muestra conocida de bacterias Salmonella en el plato, ¿crecen las bacterias?
- En un ensayo de drogas, a un grupo de sujetos se les administra un nuevo medicamento, mientras que a un segundo grupo se le administra un medicamento placebo (una píldora de azúcar; algo que aparece como el medicamento, pero que no contiene el ingrediente activo). Se mide la reducción de los síntomas de la enfermedad. El segundo grupo que recibe el placebo es un grupo de control negativo. Podría esperarse una reducción en los síntomas de la enfermedad simplemente porque la persona sabe que está tomando un medicamento por lo que debería estar mejorando. Si el grupo tratado con el medicamento real no muestra más una reducción en los síntomas de la enfermedad que el grupo placebo, el medicamento realmente no funciona. El grupo placebo establece una línea de base con la que se puede comparar el grupo experimental (tratado con el fármaco). No se requiere un grupo de control positivo para este experimento.
- En un experimento que mide la preferencia de las aves por diversos tipos de alimento, un grupo de control negativo sería un “comedero placebo”. Este sería el mismo tipo de comedero, pero sin comida en él. Las aves pueden visitar un comedero solo porque están interesadas en él; un comedero vacío daría un nivel de referencia para las visitas de aves. Un grupo de control positivo podría ser un alimento que se sabe que le gusta a las ardillas. Esto sería útil porque si ninguna ardilla visitara alguno de los comederos, no se podía decir si esto era porque no había ardillas alrededor o porque no les gustaba ninguna de tus ofrendas de comida.
- Para probar el efecto del pH sobre la función de una enzima, querría un grupo de control positivo donde supieras que la enzima funcionaría (pH no cambiado) y un grupo de control negativo donde supieras que la enzima no funcionaría (sin enzima agregada). Necesitas el grupo de control positivo para que sepas que tu enzima está funcionando: si no viste una reacción en ninguno de los tubos con el pH ajustado, no sabrías si fue porque la enzima no estaba funcionando en absoluto o porque la enzima simplemente no funcionó a ninguno de tus pH probados. Necesitas el grupo de control negativo para que puedas asegurarte de que no se produzca ninguna reacción en ausencia de enzima: si la reacción procede sin la enzima, tus resultados no tienen sentido.
Referencias
Texto adaptado de: OpenStax, Biología. OpenStax CNX. Mayo 27, 2016 http://cnx.org/contents/s8Hh0oOc@9.10:RD6ERYiU@5/The-Process-of-Science.