Procesos científicos: predecir, interpretar datos, controlar variables (Cómo trabajar en la sala de clases) Por Prof. B. Yankovic, Setiembre, 2011 •
Predecir
Es un pronóstico razonable y verificable, sobre un hecho o acontecimiento nuevo o desconocido. Se caracteriza por anticipar lo que va a ocurrir; la inferencia, en cambio, explica o interpreta lo que ya ha ocurrido. Se predicen fenómenos como las horas de salida y la puesta del Sol, los eclipses, el tiempo atmosférico, etc. Las predicciones tienen su base en observaciones, mediciones e inferencias; una predicción que no se sustenta en antecedentes serios no es científica: es un adivinanza o conjetura. Un meteorólogo, por ejemplo, fundamenta sus predicciones en una serie de observaciones (datos) que provienen básicamente de dos fuentes: estaciones meteorológicas terrenas y oceánicas, y satélites meteorológicos. Además, el meteorólogo conoce perfectamente cómo se relacionan los factores del clima y fundamenta sus predicciones en la historia de sus registros y en las regularidades. El hombre de ciencia, precisamente, registra e interpreta las regularidades observadas para formular sus predicciones. Existe una estrecha relación entre hipótesis y predicciones. Las hipótesis son explicaciones de carácter provisorio para un conjunto de hechos o situaciones. A partir de ellas se pueden formular predicciones. Si éstas se cumplen, las hipótesis pueden seguir considerándose válidas; si no se cumplen, deben rechazarse o modificarse. Por ejemplo: Se ha observado que los murciélagos son capaces de orientarse en la más completa oscuridad sin chocar nunca con obstáculo alguno. ¿Cómo se explica este hecho? Hipótesis 1. La visión les permite una orientación perfecta. Hipótesis 2. La audición les permite una perfecta orientación. A partir de la hipótesis 1 se puede establecer una predicción como la siguiente: Si a los murciélagos se les priva de la vista, no podrán orientarse. Se comprueba después si esta predicción es válida, verificándose que, aun ciegos, los murciélagos siguen orientándose sin problemas. En este caso, la predicción no se cumple y la hipótesis debe modificarse. Al analizar la predicción que surge de la hipótesis 2 se realiza el siguiente experimento: se colocan unos tapones de latón en los oídos de un grupo de murciélagos, comprobándose que están desorientados y chocan contra los obstáculos. La predicción es verdadera, lo que da fundamento a la hipótesis respectiva.
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Interpretar datos
Los datos el resultado del trabajo científico y constituyen elementos que se someten a estudio, análisis e interpretación. La interpretación de datos es una de las etapas más importantes del trabajo científico, porque se proyecta en las conclusiones. Una adecuada interpretación de datos se fundamenta en un diseño experimental adecuado a la naturaleza del problema que se investiga; en la realización de observaciones y mediciones cuidadosas, y en el empleo de técnicas de investigación adecuadas. Los datos mismos tienen poco interés por sí mismos; lo importante es la nueva luz que surge al examinarlos; las generalizaciones que se pueden formular y las nuevas preguntas que plantean principalmente. En ciencias, los datos se suelen presentar en forma de tablas, gráficos, esquemas, etc. No hay ciencia sin datos; no hay investigación científica sin interpretación de datos. Por una parte es necesario ser riguroso para obtener datos; por otra, es fundamental ser muy cuidadoso para interpretarlos: las generalizaciones precipitadas no forman parte del trabajo propiamente científico. Al investigar, por ejemplo, la rapidez de evaporación de un líquido en función de determinados factores, el resultado del trabajo será una información, datos cuya interpretación permitirá establecer determinadas conclusiones. Por cierto que un buen trabajo experimental es la condición indispensable para obtener datos fiables y válidos. Si las observaciones y mediciones realizadas, las técnicas empleadas y el control de variables no son confiables, los datos obtenidos carecen de validez. Además, los datos no pueden someterse a análisis si no constituyen un volumen tal que permita establecer conclusiones. Esto significa que hay una relación estrecha entre el volumen de información obtenida y las conclusiones que se puedan formular. Si se está investigando, por ejemplo, en qué medida influye una dieta determinada en el desarrollo de las aves de corral, no será suficiente realizar tres o cuatro mediciones... Además de precisar bien las condiciones experimentales y realizar un adecuado control de variables será imprescindible obtener un volumen de datos que permita una conclusión de carácter general. No hay reglas precisas para determinar cuál es este volumen de datos; pero el experimentador lo determina considerando fundamentalmente la naturaleza de la investigación que realiza y las normas de carácter general que rigen en la comunidad científica. Finalmente, también es importante la obtención y el análisis de datos que guarden relación con el problema, lo que significa que si bien el caudal de información que se obtenga es importante, también lo es que dicha información sea atingente al problema.
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Controlar variables
Cualquier factor que influye en un hecho o fenómeno es una variable. Controlar variables implica, en primer lugar, la identificación de los factores que influyen en un determinado fenómeno, en segundo lugar, manipular una variable y mantener constantes (controladas) todas las demás. Por ejemplo, la temperatura, humedad ambiental, vientos, presión atmosférica, son factores o variables del clima; la edad, el sexo, condiciones de higiene y alimentación, son variables que influyen en el desarrollo (estatura, peso, salud) de un ser vivo.
En el desarrollo infantil influyen una serie de variables o factores: alimentación, higiene, actividad, interacción social… además, del cariño y cuidado de los padres Img cuidadoinfantil.com
Cuando se realiza un trabajo experimental hay que establecer las posibles relaciones entre las variables, que se suelen clasificar en tres categorías: o Variable manipulada o independiente; o Variable respuesta o dependiente, y o Variables constantes o controladas, que no cambian. Veamos un ejemplo: si se estudia el crecimiento de un polluelo en función del tiempo, la variable manipulada, independiente, es el tiempo: el observador decide durante qué período lo medirá. El crecimiento (medido en función del peso, principalmente) es la variable dependiente o respuesta. Está relacionada con el tiempo, dependiendo de él. La variable experimental podría ser un tipo particular de alimentación que suponemos influye en el desarrollo. Es decir, la variable experimental sería el alimento. Otras variables se mantienen controladas, sin modificarse en todo el período que dure el experimento; por ejemplo, cantidad de alimento, calidad del alimento, temperatura ambiental, peso inicial de los polluelos, períodos del día en que reciben alimentación, etc. Para un investigador es fundamental identificar las variables que pueden influir en un determinado fenómeno y realizar un adecuado control de variables. También es importante considerar el experimento control o testigo. Para el caso de los polluelos, si se investiga que una determinada dieta -variable experimental- influye en el desarrollo de los polluelos, se separa un grupo experimental (que recibirá la dieta especial), y otro grupo,
control, que tiene las mismas características que el grupo experimental, pero que recibe la dieta considerada usual o normal. El experimento control permite una comparación de resultados: las diferencias, entonces, se pueden atribuir a la variable que se manipula.
Un trabajo que integra estos procesos LOS PROCESOS CIENTÍFICOS EN EL MARCO DE UNA INVESTIGACIÓN EXPERIMENTAL: ¿CUÁL ES LA CAUSA DE LAS ENFERMEDADES?
La historia del descubrimiento de las vitaminas nos puede ayudar mejor a conocer cómo opera la ciencia y la metodología científica a través de la observación, la formulación de hipótesis y la experimentación. En este caso particular reviste particular importancia el control de variables.
La teoría del germen Hasta 1880 predominaba sin contrapeso la llamada teoría del germen, de Pasteur, que postulaba que todas las enfermedades –excluyendo las mentales y las de carácter traumático – tenían su causa en los microorganismos. Christiaan Eijkman (1858 – 1930), médico holandés, pensó que una enfermedad también podría producirse por deficiencia nutricional; es decir, por la falta de algún componente esencial de la dieta.
• Hacia el año 1893 el gobierno holandés comisionó a Eijkman para que –junto a otros científicos- investigara sobre la enfermedad conocida como beriberi, en Java, Indonesia, entonces colonia de Holanda.
El beriberi: los hechos El beriberi es una enfermedad degenerativa, paralizante, que pueden sufrir tanto el hombre como los animales. Es una enfermedad de cierta ocurrencia en países donde
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el alimento básico es el arroz. En una de sus formas el beriberi presenta alteraciones neurológicas características: problemas para caminar, dolores en las pantorrillas y trastornos de la sensibilidad; en otra, presenta alteraciones de tipo cardíaco: dilatación del corazón e insuficiencia circulatoria. La palabra beriberi deriva del chino y significa ‘no puedo’, aludiendo a una característica general de la enfermedad: los pacientes tienen serios problemas para moverse.
Los antecedentes o datos disponibles •
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En 1747, el médico escocés James Lind (1716 – 1794), que trabajaba en la marina británica, descubrió la relación existente entre la aparición del escorbuto y la ausencia, en la dieta, de alimentos como verduras y frutas. Lind realizó una serie de experimentos para curar el escorbuto. Uno de los ‘remedios’ que estudió fue el jugo de naranjas y limón. El escorbuto es una enfermedad que provoca alteraciones en los huesos y en las paredes de los vasos capilares, produciendo hemorragias frecuentes en las encías y en la piel.
Portada de una publicación sobre James Lind: “la verdadera historia de la lucha de un hombre contra la ignorancia, las ideas preconcebidas y contra una enfermedad mortal: el escorbuto”
• Observación importante: a finales del siglo XVIII el escorbuto había desaparecido prácticamente de la marina británica: los marinos tomaban diariamente un vaso de •
jugos cítricos. Cuando Vasco de Gama dobló el cabo de Buena Esperanza, en 1497, perdió, a causa del escorbuto, cien de los ciento sesenta hombres de su tripulación. Ahora conocemos la causa: en la época de las exploraciones, con largas trayectorias, la dieta de los marinos consistía en carne salada y un cierto tipo de galletas que podía almacenarse durante largo tiempo sin descomponerse. Lo mismo ocurría con la carne salada... recordemos que en ese tiempo se desconocían los procesos de conservación por refrigeración. Por cierto, no podían conservarse frutas y verduras.
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El beriberi adquirió mayor importancia a contar desde 1870, cuando se introdujeron molinos de acero para descascarar el arroz. Desde entonces, y durante cincuenta años, el beriberi fue enfermedad predominante en el Oriente. El único país de dieta rica en arroz, donde sin embargo no había problemas de beriberi era la India. Allí existía la costumbre de sancochar el arroz antes de la molienda. (Hoy sabemos que este proceso de cocción parcial reduce la pérdida de tiamina, vitamina B1, compuesto que recién sería sintetizado en 1936. Diez años antes del viaje de Eijkman a Indonesia, el médico japonés Kanchiro Takaki demostró, en 1882, que la gente que comía en exceso arroz blanco sin cáscara, era afectada por el beriberi. Takaki sugirió reemplazar el exceso de arroz de la dieta por alimentos vegetales, carne y leche. Así se hizo, con éxito: la gente no enfermaba de beriberi. No se sabe si toda esta información fue conocida o analizada por Eijkman; se supone – dado su afán meticuloso y escrutador – que dispuso de todos estos datos.
La primera hipótesis de Eijkman
La situación de contexto de Eijkman era la siguiente: por una parte la teoría del germen parecía ser general; además, venía de trabajar con Roberto Koch, descubridor del bacilo de la tuberculosis. No es de extrañar, entonces, que la primera hipótesis de Eijkman considerara a los microorganismos como causantes del beriberi. Hipótesis
: Si el beriberi se debe a un microorganismo;
Predicción
: Entonces deberá ser contagiosa.
La suerte ayudó un poco a Eijkman: observó que un grupo de pollos de su laboratorio había enfermado de polineuritis, enfermedad de signos parecidos al beriberi. Experimento : Eijkman hizo un experimento sencillo con los polluelos, para averiguar si su predicción era o no verdadera. Colocó, en una misma jaula, polluelos enfermos y sanos. Estos no enfermaron. Conclusión
: El beriberi no sería una enfermedad contagiosa. Esta conclusión no tiene carácter definitivo porque los datos –si bien claros- no son suficientes para establecer conclusiones categóricas.
Accidente
: Eijkman observó otro hecho: los polluelos enfermos habían sanado. ¿Qué había ocurrido? El encargado de las jaulas, por error, cambió la alimentación a los polluelos, dándoles arroz con cáscara, en lugar de arroz sin cáscara.
Ahora: Hipótesis
: Si el beriberi es un trastorno que se debe a un problema de alimentación que se manifiesta cuando los polluelos comen arroz sin cáscara;
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Predicción
: Entonces, si se les alimenta con arroz entero, con cáscara, no enfermarán.
Experimento : Eijkman diseñó un experimento para averiguar si su predicción era verdadera y si, consecuentemente, la hipótesis se podía seguir sustentando.
El experimento clave
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Separó dos grupos de pollos, normales. Todos de la misma edad, y de peso similar. Entonces, estos factores o variables se mantuvieron constantes. Además, los polluelos se mantuvieron en condiciones ambientales similares en cuanto a temperatura, iluminación, horarios de alimentación. (Las variables que se mantienen constantes se llaman variables controladas). Durante dos semanas Eijkman dio igual cantidad de alimento a los polluelos, pero separó dos grupos: a. Grupo A. Les dio arroz con cáscara; b. Grupo B. Les dio arroz sin cáscara.
(Antes de continuar con la información de Eijkman, analicemos su experimento. Durante un (tiempo) dos semanas... La variable ‘tiempo’ que el investigador manipula, porque él decide durante cuánto tiempo realizará el experimento, se llama variable manipulada o independiente. Arroz con cáscara, arroz sin cáscara, también son variables independientes, elegidas por el investigador).
Los resultados fueron los previstos por Eijkman: muchos de los pollos alimentados con arroz sin cáscara, enfermaron. En cambio, ninguno de los pollos alimentados con arroz entero desarrolló la enfermedad.
Análisis del trabajo de Eijkman • El experimento fue diseñado para probar una predicción específica. Los resultados confirman la predicción. Entonces, la predicción puede seguir siendo aceptada. • En este experimento resaltan las hipótesis, predicciones, experimento y el control de variables como procesos científicos. Pero, seguramente Ud. puede determinar que se realizaron observaciones, mediciones, clasificaciones, registro y análisis de datos. • Eijkman usó el llamado ‘experimento control’ o testigo, que es el grupo de polluelos alimentados con arroz sin cáscara. El otro grupo, alimentado con arroz con cáscara, es el grupo experimental. Los grupos experimentales son usualmente aquellos que representan la situación normal, mientras los grupos experimentales representan la variación o situación que se va a investigar. En el caso descrito lo normal era alimentar los polluelos con arroz descascarado. - ¿Por qué es importante el llamado experimento control? Simplemente porque es una base de comparación para los resultados experimentales.
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¿Por qué es importante mantener variables constantes, controladas? Porque cualquier variación en los resultados -en este caso referida a los polluelos enfermos- podrá atribuirse a una causa específica: el factor o variable que se investiga. De otra forma, si los polluelos se alimentaran, por ejemplo, con distinta cantidad de alimento... los resultados podrían atribuirse a este hecho. Tendríamos otras bases para comparar. Por esta razón, los investigadores realizan un riguroso control de variables. La llamada variable respuesta o dependiente es aquella que es investigador no puede cambiar a voluntad, porque depende de otra. En nuestro ejemplo, los polluelos sanos y enfermos (después de dos semanas) constituyen las variables respuesta. Que los polluelos están sanos o enfermos depende del tipo de alimentación. Entonces, la variable experimental corresponde al cambio realizado: suministrar arroz con cáscara.
Las conclusiones Eijkman supuso, al principio, que el grano de arroz contenía una toxina desconocida que sería neutralizada por alguna sustancia presente en la cáscara. En 1901 este error fue corregido por otro médico holandés, Gerrit Crijns, que seguía estudiando el beriberi en Java, con posterioridad al regreso de Eijkman. Crinjs dio la explicación correcta: el beriberi se producía como consecuencia de la falta de un factor alimenticio en la dieta. Este factor actuaba en cantidades pequeñísimas, y su falta producía alteraciones graves en el sistema nervioso. Eijkman, en sus series experimentales, logró provocar polineuritis en polluelos, curándolos después con una dieta adecuada. Los resultados se extrapolaron e los enfermos de los hospitales, donde la dieta podía ser perfectamente controlada.
Las vitaminas: Funk y Hopkins
Casimiro Funk (1884 – 1967)
Frederick Hopkins (1861- 1947)
En 1912 el bioquímico 1967), afirmó que el beriberi, enfermedades carenciales.
polaco Casimiro Funk (1884 – el escorbuto y la pelagra, eran
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Propuso el nombre de vitaminas para denominar a sustancias que son esenciales para la vida del organismo, aunque sea en dosis muy pequeñas. La proposición de Funk quedó establecida con carácter definitivo. Casimiro Funk aisló la niacina de la cáscara del arroz, pero al darse cuenta que no se relaciona con el beriberi, no le dio importancia. Otros científicos descubrirían - más tarde – su conexión con la pelagra. Esta enfermedad se caracteriza porque la piel se pone áspera y dolorosa, como si se tratara de una insolación grave. Se debe a la falta de niacina en la alimentación. El término pelagra significa “piel áspera o dolorosa”. Frederick Hopkins (1861 – 1947), en experimentos realizados en ratas, descubrió que estos animales no pueden vivir con una dieta de leche artificial y necesitaban otras sustancias, que llamó factores accesorios, hoy llamados como vitaminas. En particular, la leche de vaca, añadida a la dieta de las ratas, corregía las deficiencias, por lo que debería contener vitaminas. Su célebre experimento se ilustra con el siguiente gráfico:
Tarea • • • •
Averiguar los datos biográficos básicos sobre los investigadores que aparecen citados en “Un trabajo que integra procesos”; Estudiar y presentar el trabajo experimental que realizó de C. Eijkman sobre la alimentación de las plantas; Analizar y explicar el gráfico alusivo al experimento de Hopkins; En no más de dos páginas tamaño carta, presentar un trabajo sobre la información básica sobre los vitaminas y las llamadas enfermedades carenciales.
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