1.1: El método científico

Objetivos de aprendizaje

• Identificar las características compartidas de las ciencias naturales.
• Resumir los pasos del método científico.
• Comparar el razonamiento inductivo con el razonamiento deductivo.
• Describir los objetivos de la ciencia básica y la ciencia aplicada.

El Proceso de la Ciencia

La ciencia incluye campos tan diversos como la astronomía, la biología, las ciencias de la computación, la geología, la lógica, la física, la química y las matemáticas (Figura\(\PageIndex{1}\)). Sin embargo, aquellos campos de la ciencia relacionados con el mundo físico y sus fenómenos y procesos son considerados ciencias naturales. Las ciencias naturales podrían clasificarse como astronomía, biología, química, ciencias de la tierra y física. Se pueden dividir aún más las ciencias naturales en ciencias de la vida, que estudian los seres vivos e incluyen la biología, y las ciencias físicas, que estudian la materia no viva e incluyen astronomía, geología, física y química. Algunas disciplinas como la biofísica y la bioquímica se basan tanto en la vida como en las ciencias físicas y son interdisciplinarias. A veces se hace referencia a las ciencias naturales como “ciencia dura” porque se basan en el uso de datos cuantitativos; las ciencias sociales que estudian la sociedad y el comportamiento humano tienen más probabilidades de utilizar evaluaciones cualitativas para impulsar investigaciones y hallazgos.

No es sorprendente que la ciencia natural de la biología tenga muchas ramas o subdisciplinas. Los biólogos celulares estudian la estructura y función celular, mientras que los biólogos que estudian la anatomía investigan la estructura de todo un organismo. Aquellos biólogos que estudian fisiología, sin embargo, se enfocan en el funcionamiento interno de un organismo. Algunas áreas de la biología se enfocan solo en tipos particulares de seres vivos. Por ejemplo, los botánicos exploran las plantas, mientras que los zoólogos se especializan en animales.

Figura\(\PageIndex{1}\): La diversidad de campos científicos incluye astronomía, biología, informática, geología, lógica, física, química, matemáticas y muchos otros campos. (crédito: “Editor de imágenes” /Flickr)

Razonamiento Científico

Una cosa es común a todas las formas de ciencia: un objetivo final “conocer”. La curiosidad y la indagación son las fuerzas impulsoras del desarrollo de la ciencia. Los científicos buscan entender el mundo y la forma en que opera. Para ello, utilizan dos métodos de pensamiento lógico: el razonamiento inductivo y el razonamiento deductivo.

El razonamiento inductivo es una forma de pensamiento lógico que utiliza observaciones relacionadas para llegar a una conclusión general. Este tipo de razonamiento es común en la ciencia descriptiva. Un científico de la vida como un biólogo hace observaciones y las registra. Estos datos pueden ser cualitativos (descriptivos) o cuantitativos (numéricos), y los datos brutos se pueden complementar con dibujos, imágenes, fotos o videos. A partir de muchas observaciones, el científico puede inferir conclusiones (inducciones) con base en la evidencia. El razonamiento inductivo implica formular generalizaciones inferidas de la observación cuidadosa y el análisis de una gran cantidad de datos.

El razonamiento deductivo, o deducción, es el tipo de lógica utilizada en la ciencia basada en hipótesis. En razón deductiva, el patrón de pensamiento se mueve en dirección opuesta en comparación con el razonamiento inductivo; es decir, los resultados específicos se predicen a partir de una premisa general. El razonamiento deductivo es una forma de pensamiento lógico que utiliza un principio o ley general para pronosticar resultados específicos. A partir de esos principios generales, un científico puede extrapolar y predecir los resultados específicos que serían válidos siempre y cuando los principios generales sean válidos. Los estudios sobre el cambio climático pueden ilustrar este tipo de razonamientos. Por ejemplo, los científicos pueden predecir que si el clima se vuelve más cálido en una región en particular, entonces la distribución de plantas y animales debería cambiar. Estas predicciones han sido hechas y probadas, y se han encontrado muchos de esos cambios, como la modificación de las áreas cultivables para la agricultura, con cambios basados en promedios de temperatura.

El razonamiento inductivo y deductivo a menudo se utilizan en tándem para avanzar en el conocimiento científico (Ejemplo\(\PageIndex{1}\)). Ambos tipos de pensamiento lógico están relacionados con las dos vías principales del estudio científico: la ciencia descriptiva y la ciencia basada en hipótesis. La ciencia descriptiva (o descubrimiento), que suele ser inductiva, tiene como objetivo observar, explorar y descubrir, mientras que la ciencia basada en hipótesis, que suele ser deductiva, comienza con una pregunta o problema específico y una respuesta o solución potencial que se puede probar. El límite entre estas dos formas de estudio suele ser borroso, y la mayoría de los esfuerzos científicos combinan ambos enfoques.

 

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Aquí hay un ejemplo de cómo los dos tipos de razonamiento podrían ser utilizados en situaciones similares.

En el razonamiento inductivo, donde se extrae una conclusión de una serie de observaciones, se puede observar que los miembros de una especie no son todos iguales, los individuos compiten por los recursos y las especies generalmente se adaptan a su entorno. Esta observación podría llevar entonces a la conclusión de que los individuos más adaptados a su entorno tienen más probabilidades de sobrevivir y pasar sus rasgos a la siguiente generación.

En el razonamiento deductivo, que utiliza una premisa general para predecir un resultado específico, uno podría comenzar con esa conclusión como premisa general, luego predecir los resultados. Por ejemplo, a partir de esa premisa, se podría predecir que si la temperatura promedio en un ecosistema aumenta debido al cambio climático, los individuos mejor adaptados a temperaturas más cálidas superarán a los que no lo son. Un científico podría entonces diseñar un estudio para probar esta predicción.

 

El método científico

Los biólogos estudian el mundo vivo planteando preguntas al respecto y buscando respuestas basadas en la ciencia. El método científico es un método de investigación con pasos definidos que incluyen experimentos y observación cuidadosa. El método científico se utilizó incluso en la antigüedad, pero primero fue documentado por Sir Francis Bacon de Inglaterra (1561-1626; Figura\(\PageIndex{2}\)), quien estableció métodos inductivos para la investigación científica. El método científico no es utilizado exclusivamente por los biólogos sino que puede aplicarse a casi todos los campos de estudio como un método lógico y racional de resolución de problemas.

Es importante señalar que a pesar de que existen pasos específicos para el método científico, el proceso de la ciencia suele ser más fluido, con científicos yendo y viniendo entre pasos hasta llegar a sus conclusiones.

Figura\(\PageIndex{2}\): A Sir Francis Bacon (1561—1626) se le atribuye ser el primero en definir el método científico. (crédito: Paul van Somer)

Observación y pregunta

Los científicos son buenos observadores. En el ámbito de la biología, los naturalistas a menudo harán una observación que lleve a una pregunta. Un naturalista es una persona que estudia la naturaleza. Los naturalistas suelen describir estructuras, procesos y comportamientos, ya sea con sus ojos o con el uso de una herramienta como un microscopio. Un naturalista puede no realizar experimentos, pero puede hacer muchas buenas preguntas que pueden llevar a la experimentación. Los científicos también son muy curiosos. Buscarán respuestas conocidas a sus preguntas o realizarán experimentos para aprender la respuesta a sus preguntas.

Pensemos en un problema sencillo que comience con una observación y aplique el método científico para resolver el problema. Un lunes por la mañana, un estudiante llega a clase y rápidamente descubre que el aula es demasiado cálida. Esa es una observación que también describe un problema: el aula es demasiado cálida. Entonces el alumno hace una pregunta: “¿Por qué el aula es tan cálida?”

Proponer una hipótesis

Una hipótesis es una suposición educada o una explicación sugerida para un evento, que puede ser probada. En ocasiones, se puede proponer más de una hipótesis. Una vez seleccionada una hipótesis, el alumno puede hacer una predicción. Una predicción es similar a una hipótesis pero normalmente tiene el formato “Si. entonces..”.

Por ejemplo, una hipótesis podría ser: “El aula es cálida porque nadie encendió el aire acondicionado”. No obstante, podría haber otras respuestas a la pregunta, y por lo tanto se pueden proponer otras hipótesis. Una segunda hipótesis podría ser: “El aula está caliente porque hay una falla eléctrica, y así el aire acondicionado no funciona”. En este caso, tendrías que probar ambas hipótesis para ver si alguna de ellas podría ser soportada con datos.

Una hipótesis puede convertirse en una teoría verificada. Esto puede suceder si ha sido probado y confirmado repetidamente, es general y ha inspirado muchas otras hipótesis, hechos y experimentaciones. No todas las hipótesis se convertirán en teorías.

Probando una hipótesis

Una hipótesis válida debe ser comprobable. También debe ser falsificable, es decir, que puede ser desmentido por resultados experimentales. Es importante destacar que la ciencia no pretende “probar” nada porque los entendimientos científicos siempre están sujetos a modificaciones con mayor información. Este paso, la apertura a las ideas desmentidas, es lo que distingue a las ciencias de las no ciencias. La presencia de lo sobrenatural, por ejemplo, no es comprobable ni falsificable. Para probar una hipótesis, un investigador realizará uno o más experimentos diseñados para eliminar una o más de las hipótesis. Cada experimento tendrá una o más variables y uno o más controles. Una variable es cualquier parte del experimento que puede variar o cambiar durante el experimento. El grupo control contiene todas las características del grupo experimental excepto que no fue manipulado. 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. Busque las variables y controles en los ejemplos que siguen. Para probar la primera hipótesis, el alumno averiguaría si el aire acondicionado está encendido. Si el aire acondicionado está encendido pero no funciona, debería haber otra razón, y esta hipótesis debe ser rechazada. Para probar la segunda hipótesis, el alumno podría comprobar si las luces en el aula son funcionales. Si es así, no hay corte de energía, y esta hipótesis debe ser rechazada. Cada hipótesis debe ser probada mediante la realización de experimentos apropiados. Tenga en cuenta que rechazar una hipótesis no determina si las otras hipótesis pueden ser aceptadas o no; simplemente elimina una hipótesis que no es válida (Figura\(\PageIndex{3}\)). Utilizando el método científico, se rechazan las hipótesis que son inconsistentes con los datos experimentales.

Si bien este ejemplo de “aula cálida” se basa en resultados observacionales, otras hipótesis y experimentos podrían tener controles más claros. Por ejemplo, una estudiante podría asistir a clase el lunes y darse cuenta de que tenía dificultades para concentrarse en la conferencia. Una observación para explicar este hecho podría ser: “Cuando desayuno antes de clase, estoy mejor en condiciones de prestar atención”. El estudiante podría entonces diseñar un experimento con un control para probar esta hipótesis.

 

Conexión visual

Figura\(\PageIndex{3}\): El método científico consiste en una serie de pasos bien definidos. En el paso 1, se hace una observación. En el paso 2, se hace una pregunta sobre la observación. En el paso 3, se propone una respuesta a la pregunta, llamada hipótesis. En el paso 4, se realiza una predicción basada en la hipótesis. En el paso 5, se realiza un experimento para probar la predicción. En el paso 6, se analizan los resultados para determinar si la hipótesis es correcta o no. Si una hipótesis no está sustentada por datos experimentales, se puede proponer una nueva hipótesis. En cualquier caso, se reportan los resultados.

 

El método científico puede parecer demasiado rígido y estructurado. Es importante tener en cuenta que, aunque los científicos suelen seguir esta secuencia, existe flexibilidad. 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. Observe, también, que el método científico se puede aplicar para resolver problemas que no son necesariamente de naturaleza científica (Ejemplo\(\PageIndex{2}\)).

 

Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

En el siguiente ejemplo, se utiliza el método científico para resolver un problema cotidiano. Coincidir los pasos del método científico (elementos numerados) con el proceso de resolver el problema cotidiano (elementos con letras). Con base en los resultados del experimento, ¿es correcta la hipótesis? Si es incorrecto, proponga algunas hipótesis alternativas.

Pasos del Método Científico

1. Observación
2. Pregunta
3. Hipótesis (respuesta)
4. Predicción
5. Experimento
6. Resultado

Proceso de solución de un problema cotidiano

1. Hay algo mal con la toma de corriente.
2. Si algo anda mal con el tomacorriente, mi cafetera tampoco funcionará cuando está enchufada a ella.
3. Mi tostadora no tosta mi pan.
4. Enchufe mi cafetera a la toma de corriente.
5. Mi cafetera funciona.
6. ¿Por qué no funciona mi tostadora?

 

Dos Tipos de Ciencia: Ciencia Básica y Ciencia Aplicada

La comunidad científica viene debatiendo desde hace décadas sobre el valor de diferentes tipos de ciencia. ¿Es valioso perseguir la ciencia por el simple hecho de obtener conocimiento, o el conocimiento científico solo tiene valor si podemos aplicarlo para resolver un problema específico o para mejorar nuestras vidas? Esta pregunta se centra en las diferencias entre dos tipos de ciencia: la ciencia básica y la ciencia aplicada.

La ciencia básica o ciencia “pura” busca ampliar el conocimiento independientemente de la aplicación a corto plazo de ese conocimiento. No se centra en desarrollar un producto o un servicio de valor público o comercial inmediato. El objetivo inmediato de la ciencia básica es el conocimiento por el bien del conocimiento, aunque esto no significa que, al final, no resulte en una aplicación práctica.

En contraste, la ciencia aplicada o “tecnología”, tiene como objetivo utilizar la ciencia para resolver problemas del mundo real, haciendo posible, por ejemplo, mejorar el rendimiento de un cultivo o encontrar una cura para una enfermedad en particular. En la ciencia aplicada, el problema suele definirse para el investigador.

Algunos individuos pueden percibir la ciencia aplicada como “útil” y la ciencia básica como “inútil”. Una pregunta que estas personas podrían plantear a un científico que aboga por la adquisición de conocimientos sería: “¿Para qué?” Una mirada cuidadosa a la historia de la ciencia, sin embargo, revela que los conocimientos básicos han dado como resultado muchas aplicaciones notables de gran valor. Muchos científicos piensan que es necesaria una comprensión básica de la ciencia antes de que se desarrolle una aplicación; por lo tanto, la ciencia aplicada se basa en los resultados generados a través de la ciencia básica. Otros científicos piensan que es hora de pasar de la ciencia básica y en su lugar de encontrar soluciones a problemas reales. Ambos enfoques son válidos. Es cierto que hay problemas que exigen atención inmediata; sin embargo, pocas soluciones se encontrarían sin la ayuda de la amplia base de conocimiento generada a través de la ciencia básica.

Un ejemplo de cómo la ciencia básica y aplicada pueden trabajar juntas para resolver problemas prácticos ocurrió después del descubrimiento de la estructura del ADN condujo a una comprensión de los mecanismos moleculares que rigen la replicación del ADN. Las hebras de ADN, únicas en cada ser humano, se encuentran en nuestras células, donde proporcionan las instrucciones necesarias para la vida. Durante la replicación del ADN, el ADN hace nuevas copias de sí mismo, poco antes de que una célula se divida. Comprender los mecanismos de replicación del ADN permitió a los científicos desarrollar técnicas de laboratorio que ahora se utilizan para identificar enfermedades genéticas, identificar individuos que estaban en la escena del crimen y determinar la paternidad. Sin la ciencia básica, es poco probable que la ciencia aplicada existiera.

Otro ejemplo del vínculo entre la investigación básica y aplicada es el Proyecto Genoma Humano, un estudio en el que se analizó y mapeó cada cromosoma humano para determinar la secuencia precisa de subunidades de ADN y la ubicación exacta de cada gen. (El gen es la unidad básica de la herencia; la colección completa de genes de un individuo es su genoma). Otros organismos menos complejos también han sido estudiados como parte de este proyecto con el fin de obtener una mejor comprensión de los cromosomas humanos. El Proyecto Genoma Humano (Figura\(\PageIndex{4}\)) se basó en investigaciones básicas realizadas con organismos simples y, posteriormente, con el genoma humano. Un objetivo final importante finalmente se convirtió en el uso de los datos para la investigación aplicada, buscando curas y diagnósticos tempranos para enfermedades genéticamente relacionadas.

Figura\(\PageIndex{4}\): El Proyecto Genoma Humano fue un esfuerzo colaborativo de 13 años entre investigadores que trabajan en diferentes campos de la ciencia. El proyecto, que secuenció todo el genoma humano, se completó en 2003. (crédito: Programas Genómicos del Departamento de Energía de Estados Unidos)

Si bien los esfuerzos de investigación tanto en la ciencia básica como en la ciencia aplicada suelen ser cuidadosamente planificados, es importante señalar que algunos descubrimientos se hacen por casualidad, es decir, por medio de un accidente afortunado o una sorpresa afortunada. La penicilina fue descubierta cuando el biólogo Alexander Fleming dejó abierta accidentalmente una placa de Petri de la bacteria Staphylococcus. Un moho no deseado creció en el platillo, matando a las bacterias. El moho resultó ser Penicillium, y se descubrió un nuevo antibiótico. Incluso en el mundo altamente organizado de la ciencia, la suerte, cuando se combina con una mente observadora y curiosa, puede conducir a avances inesperados.

Reportando Trabajo Científico

Ya sea que la investigación científica sea ciencia básica o ciencia aplicada, los científicos deben compartir sus hallazgos para que otros investigadores puedan expandirse y construir sobre sus descubrimientos. La colaboración con otros científicos, al planificar, realizar y analizar resultados, es importante para la investigación científica. Por esta razón, aspectos importantes del trabajo de un científico son la comunicación con pares y la difusión de resultados a los pares. Los científicos pueden compartir resultados presentándolos en una reunión o conferencia científica (Figura\(\PageIndex{5}\)), pero este enfoque puede llegar solo a los pocos seleccionados que están presentes. En cambio, la mayoría de los científicos presentan sus resultados en manuscritos revisados por pares que se publican en revistas científicas. Los manuscritos revisados por pares son artículos científicos que son revisados por colegas o compañeros de un científico. Estos compañeros son individuos calificados, a menudo expertos en la misma área de investigación, que juzgan si el trabajo del científico es adecuado o no para su publicación. El proceso de revisión por pares ayuda a asegurar que la investigación descrita en un artículo científico o propuesta de subvención sea original, significativa, lógica y exhaustiva. Las propuestas de subvenciones, que son solicitudes de financiamiento para la investigación, también están sujetas a revisión por pares. Los científicos publican su trabajo para que otros científicos puedan reproducir sus experimentos en condiciones similares o diferentes para ampliar los hallazgos. Los resultados experimentales deben ser consistentes con los hallazgos de otros científicos.

Figura\(\PageIndex{5}\): Las conferencias científicas son un medio de reportar hallazgos científicos. A menudo, los científicos presentan hallazgos que planean publicar o que han publicado recientemente en conferencias. Estos son los beneficiarios de la Beca PLANTS para estudiantes universitarios que asistan a BOTANIA 2018, conferencia organizada por la Botanical Society of America. Imagen de The Botanical Society of America (CC-BY-NC-SA).

 

Un artículo científico es muy diferente a la escritura creativa. Si bien se requiere creatividad para diseñar experimentos, existen pautas fijas a la hora de presentar resultados científicos. Primero, la escritura científica debe ser breve, concisa y precisa. Un artículo científico debe ser sucinto pero lo suficientemente detallado como para permitir que sus compañeros reproduzcan los experimentos.

El artículo científico consta de varias secciones específicas: introducción, materiales y métodos, resultados y discusión. Esta estructura a veces se llama el formato “IMrad”, un acrónimo de Introducción, Método, Resultados y Discusión. Normalmente hay secciones de reconocimiento y referencia así como un resumen (un resumen conciso) al inicio del trabajo. Podría haber secciones adicionales dependiendo del tipo de papel y la revista donde se publicará; por ejemplo, algunos trabajos de revisión requieren un esquema.

La introducción comienza con información breve, pero amplia, de antecedentes sobre lo que se conoce en el campo. Una buena introducción también da la justificación del trabajo; justifica el trabajo realizado y también menciona brevemente el final del trabajo, donde se presentará la hipótesis o pregunta de investigación que impulsa la investigación. La introducción se refiere al trabajo científico publicado de otros y por lo tanto requiere citas siguiendo el estilo de la revista. Usar el trabajo o ideas de otros sin una cita adecuada se considera plagio.

La sección de materiales y métodos incluye una descripción completa y precisa de las sustancias utilizadas, así como el método y las técnicas utilizadas por los investigadores para recopilar datos. La descripción debe ser lo suficientemente minuciosa como para permitir que otro investigador repita el experimento y obtenga resultados similares, pero no tiene que ser detallada. Esta sección también incluirá información sobre cómo se realizaron las mediciones y qué tipos de cálculos y análisis estadísticos se utilizaron para examinar los datos brutos. Aunque la sección de materiales y métodos da una descripción precisa de los experimentos, no los discute.

Algunas revistas requieren una sección de resultados seguida de una sección de discusión, pero es más común combinar ambas. Si la revista no permite la combinación de ambas secciones, la sección de resultados simplemente narra los hallazgos sin ninguna interpretación adicional. Los resultados se presentan mediante tablas o gráficas, pero no se debe presentar información duplicada. En la sección de discusión, el investigador interpretará los resultados, describirá cómo pueden relacionarse las variables e intentar explicar las observaciones. Es indispensable realizar una extensa búsqueda bibliográfica para poner los resultados en el contexto de investigaciones científicas previamente publicadas. Por lo tanto, en esta sección también se incluyen citas adecuadas.

Finalmente, la sección de conclusión resume la importancia de los hallazgos experimentales. Si bien es casi seguro que el artículo científico respondió a una o más preguntas científicas que se plantearon, cualquier buena investigación debería llevar a más preguntas. Por lo tanto, un trabajo científico bien hecho deja las puertas abiertas para que el investigador y otros continúen y amplíen los hallazgos.

Los artículos de revisión no siguen el formato IMRad porque no presentan hallazgos científicos originales (no son literatura primaria), sino que resumen y comentan los hallazgos que se publicaron como literatura primaria y suelen incluir extensas secciones de referencia.

Atribuciones

Curada y autoría de Kammy Argel usando 1.2 (The Process of Science) de Biology 2e por OpenStax (licenciado CC-BY).