La Experimentación en la Investigacion Científica
Cualquiera que haya usado un teléfono celular sabe que ciertas situaciones requieren un poco de investigación: si se encuentra repentinamente en un área con una recepción telefónica mala, puede moverse un poco a la derecha o izquierda, caminar unos pasos para adelante o atrás, hasta agarrar el teléfono sobre su cabeza para recibir una señal mejor !ientras que los actos de un usuario de teléfono celular puedan parecer obvios, la persona que busca una recepción telefónica celular está en realidad realizando un e"perimento cient#fico: manipulando conscientemente un componente $la ubicación del teléfono celular% y observando los efectos de esa acción sobre otro componente $la recepción telefónica% &os e"perimentos cient#ficos son obviamente un poco más complicados y, generalmente implican un uso riguroso de controles, pero utilizan el mismo tipo de razonamiento que usamos en muchas situaciones de la vida cotidiana 'e hecho, los primeros e"perimentos cient#ficos documentados estaban diseñados para responder una pregunta cotidiana muy com(n: cómo funciona la visión
Una breve historia de los métodos experimentales
Figura 1: )lhazen $*+-ca./0*% representado en un billete
iraqu# de ./,/// dinares 1na de las primeras ideas sobre el funcionamiento de la visión humana proviene del filósofo griego 2mpédocles 2mpédocles alrededor alrededor del 3/ antes de nuestra era 2mpédocles pensaba que la diosa griega )frodita hab#a iluminado con fuego el ojo humano, y que la visión era posible debido a los rayos que emanaban de este incendio y que iluminaban los objetos a nuestro alrededor !ientras que varias personas desafiaron esta propuesta, la idea de que la luz irradiaba luz irradiaba desde el ojo humano probó ser sorprendentemente persistente hasta alrededor del año .,/// de nuestra era, cuando un cient#fico persa avanzó nuestro conocimiento de la naturaleza de la luz y, al hacerlo, desarrolló un enfoque novedoso y más riguroso para la investigación cient#fica )b4 5)l6 al-7asan ibn al-7asan ibn al-7aytham, también conocido como )lhazen )lhazen,, nació en el año *+ de nuestra era en la ciudad árabe 8asra, en el presente
9ra 'espués de leer trabajos de varios filósofos griegos, empezó sus estudios cient#ficos con f#sica, matemáticas y otras ciencias 1na de las contribuciones más significativas de )lhazen fue un volumen de siete tomos sobre la óptica titulado Kitab al-Manazir $posteriormente traducido al lat#n como Opticae Thesaurus Alhazeni o 2l libro de )lhazen sobre la óptica% !ás allá de la contribución que este libro hizo al campo óptico - este es un trabajo e"cepcional ya que basa sus conclusiones en evidencia e"perimental en vez de razonamiento abstracto - también resalta porque fue la primera publicación significativa en hacerlo &as contribuciones de )lhazen han probado ser tan significativas que su figura está representada en el billete de ./,/// dinares que emitió 9ra en ;//0 $
ambién descubrió que cubrir la linterna causaba que el lugar que ésta iluminaba se oscureciese, y descubrir la linterna hac#a qu e reapareciera el lugar iluminado )s#, )lhanzen ofreció alguna de la primera evidencia e"perimental de que la luz no emana del ojo humano sino que es emitida por ciertos objetos $como linternas% y que va de estos objetos en l#nea recta 2l e"perimento de )lhazen puede parecer muy simple hoy en d#a, pero su metodolog#a fue totalmente innovadora: él desarrolló una hipótesis basada en observaciones de una relación f#sica $que la luz proviene de objetos%, y después diseñó un e"perimento para probar esta hipótesis ) pesar de la simplicidad del método, el e"perimento de )lhazen fue un paso clave en la refutación de la teor#a de muchos años de que la luz emana del ojo humano, y fue un evento importante en el desarrollo de la metodolog#a de investigación cient#fica moderna ?unto de Comprensión @hy is )lhazen5s Aor considered a major event in the development of modern scientific research methodologyB •
7e developed a hypothesis based on observations and then designed an e"periment to test that hypothesis
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7is research confirmed that light comes from the human eye
La experimentación como un método de investigación científica &a e"perimentación es un método de investigación cient#fico, tal vez el más reconocible, en un espectro de métodos que también incluye la descripción, la comparación y el modelaje $ver nuestros módulos 'escripción, Comparación, y !odelaje% !ientras que todos estos métodos comparten un enfoque cient#fico com(n, la e"perimentación es (nica ya que implica la manipulación de ciertos aspectos de un sistema real y la observación de los
efectos de esta manipulación 1sted puede resolver un problema de recepción telefónica celular al caminar alrededor del barrio hasta que vea una torre de teléfonos celulares, al observar a otros usuarios de teléfonos celulares para ver dónde los que reciben la mejor recepción están parados, o al buscar un mapa en la internet para la cobertura de la señal de teléfonos celulares >odos estos métodos también pueden ofrecer respuestas, pero cuando usted se mueve y prueba la recepción, usted está e"perimentando 2n el método e"perimental, una condición o parámetro, generalmente referido como una variable, es conscientemente manipulado $frecuentemente referido como un tratamiento% y se observa el resultado o efecto de esta manipulación sobre otras variables e les da a las variables nombres diferentes, dependiendo de si son las que están siendo manipuladas o las observadas: •
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Dariable independiente se refiere a la condición dentro de un e"perimento que es manipulado por el cient#fico Dariable dependiente se refiere a un evento o resultado de un e"perimento que puede ser afectado por la manipulación de la variable independiente
&a e"perimentación cient#fica ayuda a determinar la naturaleza de la relación entre variables independientes y dependientes ) pesar de que frecuentemente es dif#cil, o a veces imposible, manipular una sola variable en un e"perimento, a menudo los cient#ficos trabajan para minimizar el n(mero de variables qu e está siendo manipulado ?or ejemplo, a medida que nos movemos de un lugar a otro para captar una mejor recepción del teléfono celular, es probable que cambiemos la orientación de nuestro cuerpo, tal vez de mirando al sur, o mirando el este, o agarramos el celular a un ángulo diferente EFué variable afecta la recepción: la ubicación, la orientación o el ángulo del teléfonoB 2s clave que los cient#ficos entiendan qué aspectos de su e"perimento están manipulando, para que puedan determinar e"actamente el impacto de la manipulación ?ara limitar los resultados posibles de un procedimiento e"perimental, la mayor#a de los cient#ficos usan los e"perimentos como un sistema de controles 2n un estudio controlado, los cient#ficos realizan dos $o más% e"perimentos paralelos y simultáneos: un grupo de tratamiento, donde se observa el efecto de la manipulación e"perimental en una variable dependiente, y un grupo de control, que usa todas las mismas condiciones que el primero con la e"cepción del tratamiento mismo &os controles pueden caer en uno de esos grupos: controles negativos y controles positivos 2n un control negativo, el grupo de control está e"puesto a todas las condiciones e"perimentales e"cepto el tratamiento en s# &a necesidad de corresponder e"actamente todas las condiciones e"perimentales es tan grande que, por ejemplo, en un ensayo para un nuevo medicamento, se le dará al grupo de control negativo una p#ldora o l#quido que se parece e"actamente al medicamento, e"cepto que no contendrá el medicamento en s#, un control que frecuentemente se denomina como placebo &os controles negativos les permiten a los cient#ficos medir la variabilidad natural de las variables dependientes,
proporcionar un medio para medir errores en el e"perimento y, también, proveer una l#nea de base para medir en contra del tratamiento e"perimental )lgunos diseños e"perimentales también usan controles positivos 1n control positivo se realiza como un e"perimento paralelo e implica generalmente el uso de un tratamiento alternativo que el investigador sabe tendrá un efecto sobre la variable dependiente ?or ejemplo, cuando se prueba la efectividad de un medicamento nuevo para el alivio del dolor, un cient#fico puede administrar un tratamiento con placebo para un grupo de pacientes como un control negativo, y un tratamiento conocido como aspirina a un grupo aparte de individuos como un control positivo puesto que los aspectos sobre el alivio del dolor de la aspirina están bien documentados 2n ambos casos, los controles les permiten a los cient#ficos cuantificar los antecedentes de la variabilidad y rechazar las hipótesis alternativas que podr#an e"plicar el efecto del tratamiento en la variable dependiente ?unto de Comprensión 9n an e"periment, scientists try to manipulate as GGGGGGGG variables as possible at a time •
many
•
feA
La experimentación en la prctica! el caso de Luis "asteur &os e"perimentos bien controlados proveen generalmente evidencia sólida de la causalidad, demostrando si la manipulación de una variable causa una respuesta sobre otra variable ?or ejemplo, ya desde el siglo D9 antes de nuestra era, )na"imander , un filósofo griego, especuló que la vida pod#a formarse de una mezcla de agua de mar, barro yluz solar &a idea probablemente proven#a de la observación de gusanos, mosquitos y otros insectos que HmágicamenteH aparec#an en marismas y otras áreas poco profundas ) pesar de que esta sugerencia fue desafiada en varias ocasiones, la idea de que los microorganismos vivientes pod#an generarse espontáneamente a partir del aire persistió hasta la mitad del siglo I9I 2n los años .J/, Kohn Leedham, un clérigo y naturalista escocés, afirmó que hab#a probado que la generación espontanea s# ocurr#a: los microorganismos crecen en ciertos alimentos como el caldo de sopa, hasta después que han sido hervidos brevemente y cubiertos Darios años después, el ábate y biólogo italiano, &azzaro pallanzani, encontró que los microorganismos crec#an en la sopa que estaba e"puesta al aire pero estaban ausentes de la sopa precintada ?or consiguiente, desafió las conclusiones de Leedham y formuló una hipótesis que los microorganismos suspendidos en el aire se asentaban en la sopa e"puesta pero no en la sopa precintada, y rechazó la idea de la generación espontánea Leedham refutó esa idea al argumentar que el crecimiento de bacteria en la sopa no se deb#a a que los microbios del aire se asentaban en la sopa, sino debido a que la generación
espontánea requer#a contacto con la Hfuerza de vidaH intangible en el aire en s# ?ropuso que el largo hervir de palanzani destru#a la Hfuerza de vidaH presente en la sopa, previniendo la generación espontánea en los recipientes cerrados, pero s# permitiendo que el aire restituya la fuerza de vida en los recipientes abiertos 'urante varias décadas, los cient#ficos han continuado debatiendo la teor#a de vida de la generación espontánea, con el apoyo de teor#as de varios cient#ficos notables inclu#dos <éli" ?ouchet y 7enry 8astion ?ouchet, 'irector del !useo Mouen de 7istoria Latural en
Figura #: &os dibujos de ?asteur de los frascos que usó $?asteur, .N+.% &a
)l usar controles y al duplicar su e"perimento $usó más de uno de cada tipo de frascos%, ?asteur pudo responder muchas de las preguntas que todav#a rodeaban la cuestión acerca de la generación espontánea ?asteur dijo acerca de su diseño e"perimental, HPo afirmo con la más perfecta sinceridad que nunca he tenido un solo e"perimento, arreglado tal como acabo de e"plicar, que me haya dado un resultado dudosoH $?orter, .*+.% 2l trabajo de ?asteur ayudó a refutar la teor#a de la generación espontánea - sus e"perimentos mostraron que el aire solo no causaba el crecimiento de la bacteria en el frasco, y su investigación confirmó la hipótesis que los microorganismos vivientes suspendidos en el aire pod#an asentarse en el caldo en los frascos abiertos a través de la gravedad ?unto de Comprensión 2"periments can provide evidence about Ahether changing one component of a system causes a response •
>rue
•
La experimentación a través de las disciplinas &os e"perimentos se usan a través de todas las disciplinas cient#ficas para investigar una multitud de preguntas 2n algunos casos, los e"perimentos cient#ficos se usan para propósitos e"ploratorios en los que el cient#fico no sabe qué es una variable dependiente 2n este tipo de e"perimento, el cient#fico manipulará una variable independiente y observará el efecto de la manipulación para identificar la variable $o variables% dependiente$s% ) veces, se usan los e"perimentos e"ploratorios en la biolog#a nutricional, cuando los cient#ficos investigan la función y el propósito de los nutrientes dietéticos 2n un enfoque, un cient#fico e"pondrá un grupo de animales a una dieta normal, y a un segundo grupo a una dieta similar e"cepto que le faltará una vitamina o nutriente
especifico &uego el investigador observará los dos grupos para ver los cambios fisiológicos espec#ficos o los problemas médicos que surgen en el grupo falto del nutriente que se está estudiando &os e"perimentos cient#ficos también son com(nmente usados para cuantificar la magnitud de la relación entre una o más variables ?or ejemplo, en los campos de la farmacolog#a y la to"icolog#a, se usan los e"perimentos cient#ficos para determinar la relación de la respuesta-dosis de un nuevo medicamento o qu#mico 2n estos enfoques, los investigadores realizan una serie de e"perimentos en los que se separa en grupos a una población de organismos, como los ratones de laboratorio, y cada grupo está e"puesto a una cantidad diferente del medicamento o del qu#mico de interés 2l análisis de los datos que surgen de estos e"perimentos $ver nuestro módulo 'atos: )nálisis e interpretación% supone la comparación del grado de la respuesta del organismo a la dosis de la sustancia administrada 2n este conte"to, los e"perimentos pueden proveer evidencia adicional para complementar otros métodos de investigación ?or ejemplo, en los años .** tuvo lugar un gran debate acerca de si los qu#micos en el humo de los cigarrillos causaban cáncer Darios investigadores hab#an realizado estudios comparativos $ver nuestro módulo Comparación% que indicaban que los pacientes fumadores ten#an una probabilidad superior en desarrollar cáncer de pulmón cuando se los comparaba con los no fumadores &os estudios comparativos difer#an ligeramente de los métodos e"perimentales en la medida que uno no manipula conscientemente una variableO al contrario uno observa las diferencias entre dos o más grupos dependiendo de si caen dentro del grupo de tratamiento o de control &as compañ#as de cigarrillos y los individuos pertenecientes a grupos de presión criticaron estos estudios, sugiriendo que la relación entre fumar y el cáncer de pulmón era fortuita Darios investigadores notaron la necesidad de un estudio claro de dosis-respuestaO sin embargo, las dificultades para introducir el humo de cigarrillo en los pulmones de los animales de laboratorio impidieron esta investigación ) mediados de los años . */, 2rnest @ynder y sus colegas tuvieron una ingeniosa idea: condesaron los qu#micos del humo de cigarrillos en un l#quido y lo aplicaron en varias dosis a la piel de un grupo de ratones &os investigadores publicaron los datos de un e"perimento dosis-resultado de los efectos del condensado del humo de tabaco en los ratones $@ynder et al, .*J% Como se ve en la
Figura $: 2l porcentaje de ratones con cáncer versus la cantidad de humo de cigarrillo HcondensadoH aplicado a su piel $fuente: @ynder et al, .*J%
)lgunas veces los enfoques e"perimentales y otros métodos de investigación no están claramente diferenciados, o los cient#ficos pueden usar una multitud de enfoques de investigación combinados ?or ejemplo, a las . :; am 2'> del 3 de julio de ;//, cient#ficos de la )dministración Lacional de )eronautica y 2spacio $Lational )eronautics and pace )dministration - L))% realizaron un estudio en los que chocaron violentamente y a propósito una nave espacial de 0J/ g llamada 'eep 9mpact con un cometa >empel . 1na nave espacial cercana fue parcialmente descriptiva ya que documentó la composición qu#mica del cometa, pero también fue parcialmente e"perimental ya que evaluó el efecto del choque de la sonda 'eep 9mpact con el cometa sobre la volatilización de los compuestos previamente no detectados, como el agua $)57earn et al, ;//% 2s particularmente com(n que la e"perimentación y la descripción se sobrepongan: otro ejemplo es la investigación de Kane Qoodall acerca del comportamiento de los chimpancés $detallada en el módulo 'escripción% ?unto de Comprensión 9n science, e"periments are commonly used to •
quantify the relationship betAeen variables
•
compare smoers and nonsmoers
Limitaciones de los métodos experimentales
Figura %: 1na imagen del cometa >empel ., +J segundos después del choque con la sonda 'eep 9mpact Crédito de la imagen: L))RK?&CaltechR1!' http:RRdeepimpactumdeduRgalleryR7M9G*0JG.html image S L))RK?&CaltechR1!'
) pesar de que los e"perimentos cient#ficos proveen datos invaluables sobre las relaciones causales, s# tienen limitaciones 1na cr#tica hacia los e"perimentos es que no necesariamente representan situaciones de la vida real ?ara poder identificar claramente la relación entre una variable independiente y una variable dependiente, los e"perimentos están diseñados para que muchas otras variables contribuyentes se arreglen o sean eliminadas ?or ejemplo, en un e"perimento diseñado para cuantificar el efecto de la dosis de vitamina ) en el metabolismo de la beta-carotena en los humanos, haAna &eme y sus colegas tuvieron que controlar precisamente la dieta de sus voluntarios humanos $&eme, 'ueer et al, ;//0% &e pidieron a los participantes que limiten el consumo de comidas ricas en vitamina ) y además les pidieron que mantuvieran un diario preciso de todas las comidas consumidas durante una semana anterior al estudio 2n el momento del estudio, controlaron la dieta de los participantes al alimentarlos con las mismas comidas, descritas en la sección de métodos de su art#culo de investigación de esta manera: &as comidas estaban controladas en lo que respecta al tiempo y al contenido en el d#a de la administración de la dosis 2l almuerzo se serv#a a las h después de la dosis y consist#a en una comida congelada $2nchiladas, )mys Titchen, ?etaluma, C)%, un panecillo de arándanos con mermelada, una manzana y una banana y una galleta grande de pedazos de chocolate $?epperidge
2l diseño es clave para el é"ito o fracaso de un e"perimento ?equeñas variaciones en el montaje e"perimental podr#an afectar significativamente el resultado que se está midiendo ?or ejemplo, durante los años .*/, se realizaron una cantidad de e"perimentos para evaluar la to"icidad en los mam#feros del metal molibdeno, usando ratas como sujetos e"perimentales 9nesperadamente, estos e"perimentos parec#an indicar que el tipo de jaulas en el que estaban las ratas afectaba la to"icidad del molibdeno Como respuesta, Q 8rinman y Mussell !iller montaron un e"perimento para investigar esta observación $8rinman U !iller, .*+.% 8rinman y !iller alimentaron a dos grupos de ratas con una dieta normal y un suplemento de ;// partes por millón $ppm% de molibdeno e puso a un grupo de ratas en jaulas de hierro galvanizado $hierro cubierto de zinc para reducir la corrosión% y el segundo grupo en jaulas de hierro ino"idable &as ratas de las jau las de hierro galvanizado sufrieron más la to"icidad del molibdeno que las del otro grupo: ten#an mayores concentraciones de molibdeno en sus h#gados y menores niveles de hemoglobina en la sangre ?or lo tanto, se demostró que cuando las ratas mord#an sus jaulas, aquellas que estaban en las de hierro galvanizado absorb#an el zinc que cubr#a las barras de metal y se sabe que el zinc afecta la to"icidad del molibdeno ?or consiguiente, para controlar la e"posición al zinc, se necesitaban usar las jaulas de hierro ino"idable para todas las ratas &os cient#ficos también tienen una obligación de adherirse a l#mites éticos en el diseño y la realización de los e"perimentos 'urante la egunda Querra !undial, los doctores que trabajaban en la )lemania nazi realizaron muchos e"perimentos e"ecrables usando sujetos humanos 2ntre ellos hab#a un e"perimento con el propósito de identificar los tratamientos efectivos para la hipotermia en los humanos, en los que forzaron a los prisioneros de los campos de concentración a sentarse en agua congelada o los dejaban desnudos en el e"terior con temperaturas bajo cero y después los calentaban de varias maneras !uchas de las v#ctimas e"puestas se congelaron hasta morirse o sufrieron daños permanen tes Como consecuencia de los e"perimentos nazis y otras investigaciones poco éticas, los gobiernos de 2stados 1nidos y otros pa#ses y la comunidad cient#fica en general, han adoptado estándares cient#ficos estrictos 2ntre otras cosas, los estándares éticos $vea nuestro módulo &a ética cient#fica% requieren que los beneficios de la investigación sean superiores al riesgo de los sujetos humanos, y aquellos que participan lo hacen de manera voluntaria y sólo después de que saben totalmente de todos los riesgos que presenta esta investigación 2stas pautas tienen efectos a largo plazo: mientras que la indicación más clara en el debate sobre la causalidad del humo de cigarrillo y el cáncer pulmonar hubiese sido diseñar un e"perimento en el que se le pidiese a un grupo de personas empezar a fumar y a otro grupo que no fumase, ser#a poco ético de la parte de un cient#fico e"poner a propósito a un grupo de personas sanas a un agente que se sospecha causa cáncer Como alternativa, se iniciaron estudios comparativos $ver nuestro módulo Comparación% en humanos y estudios e"perimentales enfocados en sujetos animales &a combinación de estos y otros estudios ofrecieron una evidencia a(n más fuerte de la cone"ión entre fumar y el cáncer pulmonar que cualquier método por si solo lo hubiese hecho ?unto de Comprensión 2very e"periment precisely replicates a real-Aorld situation
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>rue
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La experimentación en la prctica moderna 2n toda investigación cient#fica se comparten los resultados de los e"perimentos con la comunidad cient#fica obre estos resultados se construyen e inspiran nuevos e"perimentos e investigaciones adicionales ?or ejemplo, )lhazen estableció que la luz emitida por los objetos penetra el ojo humano, y la pregunta natural que se hizo era HEcuál es la naturaleza de la luz que penetra el ojo humanoBH 'urante muchos años, se debatieron dos teor#as comunes sobre la naturaleza de la luz ir 9saac LeAton fue uno de los principales partidarios de una teor#a que suger#a que la luz estaba hecha de pequeñas part#culas 2l naturalista inglés Mobert 7ooe $que ten#a el interesante t#tulo de Curador de 2"perimentos en la ociedad Meal de &ondres% apoyaba una teor#a diferente que planteaba que la luz era un tipo de onda, como las ondas sonoras 2n .N/., >homas Poung realizó un e"perimento cient#fico que ya es clásico y que ayudó a resolver esta controversia Poung, como )lhazen, trabajó en un cuarto oscuro y permitió que la luz entrase sólo a través de un pequeño hueco de una cortina $
Figura &: 2l e"perimento de Poung del rayo de luz dividido ayudó a aclarar que la luz tiene una naturaleza como una onda
)pro"imadamente .// años más tarde, en .*/, nuevos e"perimentos condujeron a )lbert 2instein a concluir que la luz e"hibe propiedades de ambas ondas y part#culas &a teor#a dual onda-part#cula de 2instein es hoy en d#a generalmente aceptada por los cient#ficos &os e"perimentos persisten para ayudar a refinar nuestra comprensión d e la luz a(n hoy en d#a )dicionalmente a esta teor#a onda-part#cula, 2instein también propuso que la velocidad de la luz era constante y absoluta in embargo, en .**N un grupo de cient#ficos dirigidos por &ene 7au mostraron que se pod#a reducir la velocidad de la luz de su velocidad normal
de 0 " ./N metros por segundo a un mero .J metros por segundo con un aparato e"perimental especial $7au et al, .***% &a serie de e"perimentos que empezó con el trabajo de )lhazen hace ./// años condujo a una comprensión progresiva más profunda sobre la naturaleza de la luz ) pesar de los instrumentos con los que los cient#ficos realizan e"perimentos pueden haberse hecho más complejos, los principios detrás de los e"perimentos controlados son sorprendentemente similares a aquellos usados por ?asteur y )lhazen hace cientos de años
'esumen !anipular y controlar variables son aspectos claves que separan a la e"perimentación de otros métodos de investigación cient#fica 2ste módulo resalta los principios de e"perimentación por medio de ejemplos históricos, incluyendo el trabajo de )lhazen en el año ./// 2C y &ouis ?asteur en la década de .N+/
Conceptos Clave •
&a e"perimentación es un método de investigación en el que una o más variables son manipuladas conscientemente y en el que se observa el resultado o efecto de esta manipulación sobre otras variables
•
&os diseños e"perimentales frecuentemente usan controles que proveen una medida de variabilidad dentro de un sistema y un control para fuentes de error
•
&os métodos e"perimentales son aplicados com(nmente para determinar las relaciones causales o para cuantificar la magnitud de la respuesta de una variable Lectura (dicional
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!odeling in cientific Mesearch
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'escription in cientific Mesearch
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Comparison in cientific Mesearch 'eferencias
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suspension dans l5atmosphYre 2"amen de la doctrine des générations spontanées $2"trait% /omptes rendus! 5%$.%, ..3;-..30, 0 juin !émoire sur les corpuscules organisés qui e"istent dans l5atmosphYre 2"amen de la doctrine des générations spontanées Annales des sciences naturelles $partie zoologique% $ér 3% .+, -*N •
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