1.7. El método científico experimental

Al caer una manzana desde la rama de un árbol, la gravedad hace que la manzana se acelere hacia abajo a 9.8 m/s2, mientras que el aire opone cierta resistencia a esa caída. El término caída libre refiere caída sin resistencia del aire al movimiento.

¿Cómo se obtiene el conocimiento científico?

En la Antigüedad, Aristóteles afirmaba que los cuerpos pesados caían más rápido que los cuerpos ligeros, y sus ideas prevalecieron hasta el Renacimiento.

Históricamente, la ciencia moderna comienza con Galileo Galilei, a quien se le reconoce como creador del método científico experimental, un procedimiento sistemático para obtener y aplicar el conocimiento científico, básicamente por dos aportaciones significativas:

  • Establecer las matemáticas como lenguaje formal de la ciencia.
  • Hacer el conocimiento científico experimentalmente verificable.

Es falso el “experimento clásico” de haber dejado caer cuerpos de diferentes pesos desde la torre inclinada de Pisa. No obstante, en discursos y demostraciones matemáticas acerca de dos nuevas ciencias (1638) y otros documentos originales de Galileo, sí están registrados los experimentos que él realizó para investigar la caída libre de los cuerpos, y de ellos ha sido adaptado el siguiente ejemplo simplificado de aplicación del método científico experimental para cuestionar una afirmación de Aristóteles.

1. Pregunta

Sin la resistencia del aire al movimiento, ¿los cuerpos pesados realmente caerían más rápido que los cuerpos ligeros?

2. Hipótesis

Los cuerpos pesados caen más rápido que los cuerpos ligeros.

Aristóteles

3. Predicción

Al comparar el deslizamiento sobre un plano inclinado de dos esferas cuya única diferencia es el peso, es predecible que la esfera de mayor peso se deslice hacia abajo más rápido que la esfera de menor peso.

4. Experimentación

Galileo experimentó el deslizamiento de esferas de diferentes pesos sobre planos inclinados para medir exactamente la distancia recorrida y minimizar la resistencia del aire. Midió el tiempo contando las oscilaciones de un péndulo.

Los datos por obtener, registrar, procesar y analizar son las distancias recorridas por cada esfera en función del tiempo, a diferentes grados de inclinación.

5. Análisis de resultados

De acuerdo con los datos registrados:

a) A una misma inclinación del plano, la aceleración es la misma para esferas cuya única diferencia es el peso.

b) A mayor inclinación del plano, mayor aceleración.

c) Las esferas alcanzan su máxima aceleración cuando el plano está en posición vertical.

Galileo descubrió entonces que, sin importar el peso del cuerpo, cuando la resistencia del aire es lo suficientemente pequeña como para ser insignificante, los cuerpos caen a una aceleración constante.

La expresión matemática que describe exactamente los resultados experimentales, es:

D x t2

Simbología

d = Distancia

t = Tiempo

Esta expresión significa que la distancia es proporcional al cuadrado del tiempo.

6. Conclusión

La hipótesis de Aristóteles es falsa.

El peso no influye en la caída libre de los cuerpos.

Analicemos ahora la generalización del método científico experimental.

Pregunta. La falta de conocimiento pleno sobre un fenómeno natural que está siendo observado, se expresa en forma de preguntas.

Hipótesis. Es una suposición razonable acerca de la respuesta a una pregunta.

Para que una hipótesis sea científica, debe referirse a la comprensión de la naturaleza y ser susceptible de probarse experimentalmente.

Las suposiciones que no son experimentalmente verificables, se denominan especulaciones, y la ciencia no se ocupa de ellas.

Predicción. La hipótesis científica se utiliza para predecir las consecuencias que tendría de ser cierta.

Experimentación. La predicción permite planear entonces un experimento bajo condiciones controladas, cuya realización proporciona medidas y datos que son registrados.

La descripción exacta de cada experimento hace posible reproducirlo y obtener los mismos resultados.Análisis de resultados. Consiste en procesar los datos para obtener información, cuya interpretación proporciona conocimiento sobre la predicción. Por lo general incluye:

Análisis de resultados. Consiste en procesar los datos para obtener información, cuya interpretación proporciona conocimiento sobre la predicción. Por lo general incluye:

  • conversión de unidades de medida, tabulación, graficación y procesamiento matemático de los datos registrados:
  • estudio de la relación que tienen los datos entre sí;
  • correlación de la información procesada y la predicción.

Es frecuente que el análisis de resultados conduzca a una expresión matemática que organiza la hipótesis, la predicción y los resultados experimentales.

El desarrollo de la expresión matemática 1.2 resulta en la fórmula para calcular la distancia que recorre un cuerpo al caer libremente:

d = ½  gt2

La aceleración a causa de la gravedad (g), medida a nivel del mar y a una latitud de 45º, es de 9.806 m/s2.

Conclusión. El análisis de resultados permite concluir ya sea la veracidad o la falsedad de la hipótesis, por haber sido experimentalmente comprobada la predicción o no.

La expresión matemática obtenida por el análisis de resultados y la conclusión son consideradas una nueva hipótesis, la cual permite hacer otras predicciones para experimentos adicionales, creando así ciclos de investigación científica experimental que resultan en el avance de la ciencia.

Galileo fue precursor de la mecánica clásica desarrollada por Isaac Newton.

Con Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687), obra clásica en la que están enunciadas las leyes del movimiento de los cuerpos y la teoría de gravitación universal, Newton estableció la física como la más básica de las ciencias naturales y el fundamento de absolutamente toda la tecnología.

Formalmente, los hechos son datos verificables acerca de la naturaleza, y las teorías son explicaciones racionales de los hechos. Cuando una hipótesis ha sido probada un número muy grande de veces y siempre resulta cierta, tiende a volverse un principio o una ley.

Así, la investigación científica es un proceso sistemático de confrontación de ideas con la experiencia de la realidad, en la que ninguna idea se considera definitiva, porque siempre es posible modificarla con base en datos adicionales y experimentos más complejos.

La creatividad del investigador determina cómo obtener el conocimiento y en qué medida el método científico experimental le es útil para sus propósitos específicos, pero la esencia permanece: El conocimiento científico está en armonía con la razón y es experimentalmente verificable, siendo las matemáticas el lenguaje formal de la ciencia y la tecnología.

2.1. Características de los seres vivos

La fuente final de energía para todas las formas de vida en la Tierra, es el Sol.

El concepto de vida es aplicable en el nivel de organización de célula y en los niveles superiores constituidos por células, pero no en los niveles inferiores. Por definición, no hay vida sin células.

Los seres vivos utilizan energía obtenida del ambiente para hacer trabajo químico, osmótico y mecánico, el cual les permite mantener y reproducir su estructura compleja altamente organizada.

Sin un flujo de energía no hay vida.

La fuente final de energía para todas las formas de vida en la Tierra, es el Sol.

Dos procesos básicos sustentados por energía, dependientes de una estructura celular compleja altamente organizada, son el almacenamiento de la información genética y la expresión genética finamente regulada.

La vida está controlada por un programa genético.

Todos los seres vivos comparten al menos este conjunto básico de cuatro características:

1. Están constituidos por al menos una célula

2. Utilizan energía para mantener y reproducir su organización

3. Poseen una estructura compleja altamente organizada

4. Su función está controlada por un programa genético

Cada una de estas características está estrechamente asociada con las otras tres, y este conjunto básico soporta características adicionales como crecimiento, desarrollo, homeostasis, irritabilidad –i. e. capacidad de respuesta a estímulos ambientales–, capacidad evolutiva y otras.

Para que un sistema natural sea clasificado como vivo, es insuficiente que posea algunas de estas características: Debe poseerlas todas.

2.1.1. La célula, unidad básica de la vida

Imagen fluorescente de una célula endotelial. Los núcleos se tiñen de azul, las mitocondrias se tiñen de rojo y los microfilamentos se tiñen de verde.

Todos los seres vivos están clasificados en tres dominios:

1. Bacteria

Las bacterias son microorganismos unicelulares, como Escherichia coli, Vibrio cholerae, Anabaena cylindrica, Bacillus subtilis y otras.

2. Archaea

Las arqueas son microorganismos unicelulares, como Halobacterium salinarum, Archaeoglobus fulgidus, Metanococcus jannaschii y otras.

3. Eukarya

El dominio Eukarya incluye tanto organismos unicelulares como organismos multicelulares.

Saccharomyces cerevisiae es una levadura unicelular.

Caenorhabditis elegans es un nematodo constituido por 1090 células, de las cuales 131 entran en apoptosis –muerte celular programada.

Amanita muscaria es un hongo constituido por millones de células.

Homo sapiens está constituido por aproximadamente 100 billones (1014) de células.

La célula es la unidad estructural y funcional de todos los seres vivos.

Sin células no hay vida.

2.1.2. Los seres vivos utilizan energía para mantener y reproducir su organización

Las células vegetales verdes y diversos organismos fotosintéticos obtienen energía directamente de la luz solar.

El término “energía” proviene de los vocablos griegos en y ergon, cuya transliteración es en trabajo.

Energía es la capacidad de hacer trabajo.

La vida está sustentada por un flujo de energía.

Vida y energía son temas de estudio de la bioenergética, en particular de la termodinámica de sistemas fuera del equilibrio.

Técnicamente, un ser vivo es un sistema abierto que está fuera del equilibrio termodinámico y tiende a permanecer en un estado estable.

Los seres vivos:

1. Son sistemas abiertos

Un sistema es aquella parte del Universo que está siendo considerada.

El resto del Universo se denomina ambiente, y hay un límite que separa al sistema del ambiente. Un sistema abierto intercambia materia y energía con el ambiente.

2. Están fuera del equilibrio termodinámico

El equilibrio termodinámico es un estado de “máxima entropía” en el que un sistema es incapaz de utilizar energía para hacer trabajo.

La entropía se utiliza de una manera informal como una medida del desorden… de la desorganización.

Los seres vivos son sistemas complejos altamente organizados, de muy baja entropía, y por estar fuera del equilibrio termodinámico tienen la capacidad de utilizar energía obtenida del ambiente para hacer:

a) Trabajo químico (síntesis de componentes celulares).

b) Trabajo osmótico (transporte a través de membranas).

c) Trabajo mecánico (contracción y locomoción).

La complejidad altamente organizada y la baja entropía son conseguidas haciendo trabajo, que incluye sacar desechos y disipar energía en forma de calor al ambiente.

3. Tienden a permanecer en un estado estable

A través del tiempo, los seres vivos hacen trabajo para mantener y reproducir su organización, evitando “caer” hacia el equilibrio termodinámico.

Cuando un ser vivo es desprovisto de un flujo de energía, su estado fuera del equilibrio deja de ser estable, y de manera espontánea tiende a alcanzar el equilibrio termodinámico. Comienza entonces un proceso irreversible de degradación celular hacia moléculas sencillas, con liberación de energía en forma de calor al ambiente, y la entropía progresivamente predomina.

Sin un flujo de energía, no hay vida.

La fuente final de energía para todas las formas de vida en la Tierra, es el Sol.

2.1.3. Los seres vivos poseen una estructura compleja altamente organizada

Las células vegetales verdes y diversos organismos fotosintéticos obtienen energía directamente de la luz solar. Son células fototrofas.

Todas las células animales, las células vegetales no fotosintéticas, las células fotosintéticas en la oscuridad y la mayoría de microorganismos obtienen energía de moléculas conseguidas en el ambiente. Son células quimiotrofas.

En la naturaleza, la fotosíntesis y la respiración crean un ciclo en el cual la energía de la luz solar es transformada en energía química, y a través de los alimentos esta energía química es aprovechada por todas las formas de vida en la Tierra.

El flujo de energía determina la estructura compleja altamente organizada de los sistemas naturales.

2.1.4. La vida está controlada por un programa genético

Los procesos celulares están sustentados por energía.

Dos procesos representativos, dependientes de una estructura celular compleja altamente organizada, son:

  • Almacenamiento de la información genética.
  • Expresión genética finamente regulada.

Un gen es una secuencia de ADN que codifica para una molécula de ARN; en genes que codifican para proteínas, el ARN a su vez codifica para una proteína.

En la biosfera hay más de 10 millones de especies, y cada una posee su propio conjunto de genes, y por consiguiente su propio conjunto de proteínas.

El genoma de la bacteria Escherichia coli, por ejemplo, está constituido por una secuencia de 4 639 221 pares de bases, contiene 4288 genes y este número es muy cercano al de proteínas diferentes que puede producir.

El genoma de Homo sapiens está constituido por una secuencia de 3 265 041 226 pares de bases, contiene menos de 30 mil genes y los procesa de modo que puede producir cerca de 60 mil proteínas diferentes.

Cada una de las células que constituyen a un organismo multicelular, posee el genoma completo del organismo, y a través del tiempo el contexto molecular y celular determina cuáles genes transcribir y traducir, y cuáles no, para realizar funciones específicas.

La expresión genética es el conjunto de todos los procesos por los cuales una célula convierte la información genética en ARN y proteínas.

La regulación es muy fina, está perfectamente coordinada a través del tiempo y básicamente sigue un programa de expresión selectiva de genes, cuya capacidad de adaptación a las condiciones ambientales variables es extraordinariamente alta.

La regulación de la expresión genética es mucho más compleja en eucariontes que en procariontes, no sólo por el mayor número de genes, sino también por las diferentes funciones realizadas a través del tiempo por las diferentes células de cada organismo multicelular.

En una célula eucariótica, el genoma está distribuido en varios cromosomas lineales, cuyas estructuras son el resultado de empacar de manera compacta numerosos nucleosomas.

Esto significa que los genes están prácticamente ocultos. Así, la expresión de un gen específico requiere el desplazamiento de nucleosomas para exponer ese gen, de modo que permita el acceso de una ARN polimerasa para iniciar la transcripción.

La compactación del genoma determina el principal modo de regulación en eucariontes. Cada gen requiere ser selectivamente activado para expresarse; sin un factor de transcripción específico para un gen, no hay expresión de ese gen.

Hay factores de transcripción que regulan la expresión de genes que a su vez codifican para otros factores de transcripción. Esto crea una red de regulación genética tan extensa como el número de genes presentes en el genoma.

Una propiedad dinámica de las redes de regulación es que pueden alcanzar sucesivamente diferentes estados de equilibrio, cada uno de los cuales corresponde a una combinación particular de genes encendidos y apagados.

En Arabidopsis thaliana, por ejemplo, las células que forman la flor, alcanzan los estados de equilibrio descritos en sistema binario.

En un organismo multicelular, todas las células contienen los mismos genes, y por consiguiente la misma red de regulación. Sin embargo, cada célula vive condiciones espaciotemporales diferentes y responde de manera particular a cambios ambientales y a señales de comunicación intercelular, por lo que diferentes células alcanzan diferentes estados de equilibrio, proceso que se conoce como diferenciación celular.

En el ser humano, por ejemplo, una neurona sintetiza acetilcolina, pero no hemoglobina como un eritrocito, ni viceversa, aun cuando ambas células comenzaron con la misma red de regulación.

Si los genes codificaran notas musicales de partituras, la regulación de la expresión genética equivaldría a ejecutar la “Sinfonía de la vida”.


Examen de repaso

1. Históricamente, la ciencia moderna comienza con Galileo, a quien se le reconoce como creador de:

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2. Es una suposición no verificable experimentalmente, y la ciencia no se ocupa de ella:

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3. Es la suposición razonable acerca de la respuesta a una pregunta, se refiere a la comprensión de la naturaleza y es susceptible de probarse experimentalmente:

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4. Es la indicación anticipada de las consecuencias que tendría la hipótesis científica de ser cierta:

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5.  La predicción permite planear un experimento bajo condiciones controladas, cuya realización proporciona medidas y datos que son registrados. La descripción exacta de cada experimento hace posible reproducirlo y obtener los mismos resultados.

¿Cómo se denomina este paso del método científico?

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6.  Consiste en procesar los datos para obtener información, cuya interpretación proporciona conocimiento sobre la predicción.

Es frecuente que conduzca a una expresión matemática que organiza a la hipótesis, la predicción y los resultados experimentales:

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7.  El análisis de resultados permite probar la veracidad o la falsedad de la hipótesis, por haber sido experimentalmente comprobada la predicción o no.

¿Cómo se denomina este paso del método científico?

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8. En ciencia, son datos verificables acerca de la naturaleza:

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9. Son explicaciones racionales de los hechos:

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10.  Complete el siguiente párrafo para construir un enunciado verdadero:

Cuando una hipótesis ha sido probada un número muy grande de veces y siempre resulta cierta, tiende a volverse un principio o __________________.

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11. Es la unidad básica de la vida:

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12. Es el estado de actividad de un organismo, cuya función está controlada por un programa genético, y sustentada por energía para mantener y reproducir su organización:

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13. Es la capacidad de una célula de responder ante estímulos ambientales:

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14. Es la tendencia de un ser vivo a permanecer en un estado estable:

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15.  Técnicamente, un ser vivo es un sistema abierto que está fuera del equilibrio termodinámico y tiende a permanecer en un estado estable.

¿Qué es un sistema abierto?

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16. Las células poseen la capacidad de hacer trabajo químico, osmótico y mecánico. ¿Qué concepto se define como "la capacidad de hacer trabajo"?

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17. ¿Cuál es la fuente final de energía para (prácticamente) todas las formas de vida que existen en la Tierra?

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18.  Los procesos biológicos de síntesis requieren energía y resultan en mayor complejidad y mayor organización. En contraste, los procesos de degradación liberan energía y resultan en menor complejidad y menor organización.

¿Cuál de los siguientes niveles de organización es el más complejo?

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19. Es una secuencia de ADN que codifica para un ARN; el ARN a su vez puede codificar para una proteína:

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20. Es el conjunto de todos los procesos por los cuales una célula convierte la información genética en ARN y, en su caso, proteínas:

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21.  En el ser humano, por ejemplo, una neurona sintetiza acetilcolina, pero no hemoglobina como un eritrocito, ni viceversa, aun cuando ambas células tienen la misma red de regulación genética.

¿Cómo se denomina el proceso por el cual las células alcanzan diferentes estados de equilibrio en la expresión genética?

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22. Es la característica de los seres vivos que refiere su capacidad de producir descendientes, cuya supervivencia es la continuidad de la vida:

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