Las partes de una investigación científica
Objetivo. Elegir un fenómeno celular que se pueda medir. Escribir la pregunta de investigación con su hipótesis. Reconocer las secciones de un informe científico.
para partir
Una encuesta de la revista Nature a 1.576 investigadores encontró que más del 70% había intentado repetir el experimento de otro científico sin conseguirlo, y que más de la mitad tampoco pudo repetir el suyo propio. Dos equipos ponen levadura con azúcar en una botella y le calzan un globo: uno anota que el experimento resultó, mientras el otro pregunta cuántos centímetros mide el globo si el agua está fría. La diferencia entre esas dos cosas es lo que armamos hoy.
Empezamos un bloque nuevo. En las sesiones que vienen van a diseñar y ejecutar su propia investigación de biología celular, y el trabajo con el que cierra este bloque se califica con eso: la pregunta que eligieron, el experimento que armaron y lo que concluyeron con los datos que ustedes mismos midieron.
Hoy vemos tres cosas: las piezas de una investigación, el catálogo de fenómenos celulares que se pueden medir en la sala y las secciones del informe con que se entrega el trabajo. Al final de la clase cada uno sale con su fenómeno elegido y su pregunta escrita.
Antes de empezar, decide para ti si cada afirmación es verdadera o falsa:
- Una hipótesis es una predicción de lo que va a pasar en el experimento.
- Si mantengo la temperatura igual en todos los tubos, esa temperatura es mi grupo control.
- La sección de resultados de un informe explica por qué salieron esos datos.
Las seis piezas, en orden
Toda investigación experimental recorre el mismo camino. Lo que cambia de un trabajo a otro es el tema, mientras que la estructura se repite igual en un laboratorio escolar y en una publicación científica.
Piezas 1 y 2: la pregunta y la hipótesis
Una pregunta de investigación sirve cuando se puede responder midiendo algo. “¿Cómo funciona la fermentación?” da para un libro entero, mientras que “¿cómo afecta la temperatura del agua a la cantidad de CO₂ que produce la levadura?” ya dice qué se va a cambiar y qué se va a medir.
Una pregunta no se inventa desde cero: se elige un molde y se rellena. Cada molde lleva a un diseño distinto, así que esta decisión ya define la forma que va a tener la tabla de datos.
| Molde | Forma | Ejemplo |
|---|---|---|
| Dosis-respuesta | ¿Cómo afecta [el nivel de X] a [Y] en [este sistema]? | ¿Cómo afecta la concentración de sacarosa al cambio de masa de trozos de papa? |
| Comparativa | ¿Difiere [Y] entre [A], [B] y [C]? | ¿Difiere el CO₂ que produce la levadura entre glucosa, sacarosa y edulcorante? |
| Umbral | ¿A partir de qué valor de [X] empieza a ocurrir [Y]? | ¿A partir de qué temperatura la membrana de la betarraga libera su pigmento? |
| Cinética | ¿Cómo cambia [Y] a medida que pasa el tiempo bajo [esta condición]? | ¿Cómo cambia el almidón de un trozo de pan a medida que pasa el tiempo en la saliva? |
| Reversibilidad | ¿El efecto de [X] sobre [Y] se revierte al retirar [X]? | ¿La plasmólisis de la cebolla en NaCl al 10 % se revierte en agua destilada? |
La hipótesis es una explicación posible de por qué ocurre lo que ocurre, escrita de modo que un experimento pueda darle la contra. Suele escribirse como “si… entonces… porque…”, y la parte que más pesa es el porque, que es donde entra la biología celular.
Ambas se parecen tanto que se escriben casi con las mismas palabras, y cumplen funciones distintas.
- Predicción: “al subir la temperatura del agua, el globo se va a inflar más”. Dice qué va a pasar.
- Hipótesis: “la fermentación la hacen enzimas del citoplasma de la levadura, así que al subir la temperatura por sobre cierto punto esas enzimas se desnaturan, la célula muere y la producción de CO₂ cae”. Dice por qué pasaría, y de ahí se deduce la predicción.
Una hipótesis que solo anuncia el resultado deja la evaluación sin nada que discutir, porque el experimento la confirma o la desmiente y ahí termina todo. Una hipótesis con mecanismo permite explicar también los datos que no calzaron.
Diez fenómenos celulares que se pueden medir en la sala
Este es el catálogo del que sale el trabajo. Todos se montan con lo que hay acá y todos entregan un número que se puede anotar en una tabla. La columna de lo que se cambia trae más de una opción a propósito, porque ahí es donde eligen ustedes.
| # | Fenómeno | Qué se cambia (VI) | Qué se mide (VD) | Grupo control |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Catalasa del hígado o la papa sobre el peróxido | temperatura, pH o tipo de tejido | altura de la espuma en mm a los 60 s | tubo con tejido hervido |
| 2 | Fermentación de la levadura | temperatura, tipo de azúcar o concentración | circunferencia del globo en cm a los 20 min | frasco con levadura hervida |
| 3 | Permeabilidad de la membrana de la betarraga | temperatura del baño, alcohol o detergente | intensidad del rojo del agua, escala de 0 a 5 | tubo de agua sin betarraga |
| 4 | Osmosis en trozos de papa | sacarosa 0; 0,2; 0,4 y 0,6 M | cambio de masa en gramos a los 30 min | trozo en agua destilada |
| 5 | Plasmólisis en epidermis de cebolla | NaCl 0; 0,9; 5 y 10 % | células con la membrana separada, de 50 | preparación en agua destilada |
| # | Fenómeno | Qué se cambia (VI) | Qué se mide (VD) | Grupo control |
|---|---|---|---|---|
| 6 | Amilasa de la saliva sobre el almidón | pH, temperatura o dilución de la saliva | segundos hasta que el lugol deja de virar a azul | tubo con saliva hervida |
| 7 | Fotosíntesis en discos de hoja de espinaca | distancia a la lámpara o bicarbonato | minutos hasta que floten 5 de 10 discos | vaso en oscuridad |
| 8 | Respiración de semillas germinadas | temperatura, o germinadas frente a secas | minutos hasta que el azul de bromotimol vira | frasco con semillas hervidas |
| 9 | Difusión y tamaño celular, en cubos de agar | arista del cubo: 0,5; 1 y 2 cm | mm que penetra el colorante en 10 min | cubo en agua sin colorante |
| 10 | Índice mitótico en raíz de cebolla | zona de la raíz o temperatura de germinación | células en mitosis, de 100 observadas | zona de la raíz que ya no crece |
Cuatro condiciones, y las cuatro se revisan antes de aprobar una pregunta.
- La respuesta es un número. Tiene que salir de una regla, una balanza, un cronómetro, una escala de color o un conteo al microscopio. Si la medición exige un instrumento que no tenemos, la pregunta no se puede responder acá.
- La variable independiente tiene tres valores o más. Con dos condiciones hay una comparación, y con cuatro aparece una tendencia, que es lo que permite decir algo sobre el mecanismo.
- Existe un grupo control. Tiene que poder describirse un grupo completo, tratado igual que los demás, sin el factor que se está probando.
- Se monta en dos sesiones con lo que hay. Ningún paso puede necesitar una espera de más de una hora ni un equipo que no esté en la sala.
Sondeo — 'Al aumentar la temperatura del agua, la levadura va a inflar más el globo' es una hipótesis, porque propone qué relación hay entre las dos variables.
Cada una de estas preguntas usa uno de los cinco moldes, salvo una que no sirve para investigar. Empareja cada molde con la pregunta que le corresponde:
Toca un término y luego su definición para emparejarlos.
Piezas 3 y 4: las variables y el diseño
Una variable es cualquier cosa que puede tomar valores distintos en el experimento, y el trabajo del investigador consiste en decidir qué papel cumple cada una.
- Variable independiente (VI): la que yo cambio a propósito. Es una sola y va en el eje X.
- Variable dependiente (VD): la que yo mido. Es la respuesta del sistema y va en el eje Y.
- Variables controladas: todas las demás, que mantengo iguales en todos los grupos para que la única diferencia sea la VI.
La forma más rápida de no confundir VI con VD es leer la frase completa: la VD depende de la VI. Si “el tamaño del globo depende de la temperatura del agua” tiene sentido, entonces la temperatura es la independiente y el tamaño del globo es la dependiente.
Dos exigencias del diseño que suelen omitirse y que valen puntaje en el trabajo:
- El grupo control. Sin el frasco con levadura hervida, cualquier globo inflado podría atribuirse al aire que entró al cerrar la botella. El control muestra el nivel de fondo contra el cual se comparan los demás.
- Las repeticiones. Una sola medición por condición deja el resultado a merced de un error puntual, así que cada condición se mide tres veces y se trabaja con el promedio.
Se llaman parecido y por eso se mezclan todo el tiempo.
- Una variable controlada es una condición que se mantiene igual en todos los frascos: los gramos de glucosa, el volumen de agua, la masa de levadura, el tiempo de medición.
- El grupo control es un frasco completo que recibe el mismo tratamiento que los demás sin el factor que se está probando. Sirve como punto de comparación.
En el experimento de la Fig. 2, poner los mismos 5 g de glucosa en los cinco frascos es una variable controlada. El frasco con levadura hervida es el grupo control: muestra cuánto se infla el globo cuando las células ya están muertas.
Completa el diseño de la investigación de la Fig. 2 con el nombre que corresponde a cada elemento:
En este experimento la variable es la temperatura, porque es la que se cambia entre un frasco y otro. La variable es la circunferencia del globo, porque es la que se mide. Los gramos de glucosa, el volumen de agua y el tiempo de medición son variables , porque se mantienen iguales en todos los frascos. El frasco con levadura hervida es el grupo , porque recibe el mismo tratamiento sin las células vivas. Cada condición se mide tres veces para reducir el efecto de un error de puntual.
Piezas 5 y 6: los resultados y la conclusión
Los resultados son los datos tal como salieron, ordenados en una tabla y, cuando corresponde, llevados a un gráfico. Van sin interpretación: la tabla dice cuánto midió cada frasco y nada más.
El análisis viene después y describe lo que muestran esos datos, con el promedio de las repeticiones y la tendencia que se ve. La conclusión cierra el círculo: responde la pregunta inicial, dice si la hipótesis quedó apoyada o refutada y explica el resultado con biología celular.
Estos son los promedios de las tres repeticiones del experimento de la Fig. 2:
| Frasco | Temperatura | Circunferencia del globo a los 20 min |
|---|---|---|
| 1 | 5 °C | 2 cm |
| 2 | 20 °C | 9 cm |
| 3 | 35 °C | 21 cm |
| 4 | 60 °C | 3 cm |
| Control | levadura hervida, 20 °C | 0 cm |
Análisis. La producción de CO₂ sube de 5 °C a 35 °C y cae bruscamente a 60 °C. El frasco de 60 °C queda casi al nivel del control, así que a esa temperatura la levadura prácticamente dejó de fermentar. El control con 0 cm muestra que sin células vivas el globo no se infla, de modo que el gas de los otros frascos proviene de la fermentación.
Conclusión. La temperatura afecta la fermentación de la levadura con un óptimo cercano a los 35 °C. Esto apoya la hipótesis: hasta el óptimo, el calor acelera los choques entre las enzimas del citoplasma y el azúcar, mientras que por sobre ese punto rompe los enlaces que sostienen la estructura de esas proteínas, las enzimas se desnaturan y la célula muere. La caída a 60 °C es irreversible, lo que se puede comprobar enfriando ese frasco y volviendo a medir.
Alcance. El experimento midió cuatro temperaturas con levadura de panadería y glucosa, así que la conclusión vale para ese organismo y ese rango. Ubicar el óptimo con precisión exigiría medir cada 5 °C entre 25 °C y 45 °C.
Una conclusión honesta no dice más de lo que los datos permiten. Con cuatro temperaturas medidas se puede afirmar que el máximo está cerca de 35 °C, y afirmar que el óptimo es exactamente 35,0 °C exigiría mediciones que este diseño no tomó. Reconocer ese límite suma puntaje en lugar de restarlo.
Del diseño al informe: las secciones de un artículo científico
El trabajo se entrega con el formato de un artículo científico, que es el mismo que usan las publicaciones que van a citar. Las seis piezas que acabamos de ver no desaparecen, se reparten entre las secciones.
| Pieza de la investigación | Dónde va en el informe |
|---|---|
| Pregunta e hipótesis | Introducción, que termina justamente en la hipótesis |
| Variables, montaje y materiales | Materiales y métodos, en pasado e impersonal |
| Los números medidos | Resultados: tabla y gráfico, sin interpretar |
| Qué significan esos números | Discusión |
| Todo lo anterior, en cinco frases | Resumen, que se escribe al final aunque vaya primero |
Cada sección responde una pregunta distinta y ninguna invade a la otra. El error más caro del trabajo es interpretar los datos dentro de Resultados, que es la sección donde los datos van solos.
| Sección | Qué va | Qué no va |
|---|---|---|
| Título | La VI, la VD y el sistema, en una línea | Frases de efecto, signos de pregunta |
| Resumen | Cinco frases, con el dato numérico principal incluido | Detalles del montaje, citas, tablas |
| Introducción | Qué se sabe, qué falta saber, la pregunta y la hipótesis | Resultados, conclusiones |
| Materiales y métodos | El montaje paso a paso, las variables, el control y las repeticiones | Justificar por qué se eligió el tema |
| Resultados | Tabla de datos crudos, promedios, gráfico y una frase que apunta a cada uno | La palabra “porque”, explicaciones |
| Discusión | Qué responde la pregunta, la hipótesis, el mecanismo celular, el alcance y qué medir después | Datos que no aparecieron en Resultados |
Un resumen tiene cinco frases y unas 120 palabras. Este es de una investigación de betarraga.
| Frase | Qué hace |
|---|---|
| “La membrana plasmática está formada por una bicapa de fosfolípidos con proteínas insertas, y su integridad depende de la temperatura.” | Contexto. Una sola frase de biología celular, la que hace falta para entender la pregunta. |
| “Se investigó a partir de qué temperatura la membrana de las células de betarraga empieza a liberar su pigmento al agua.” | Pregunta. En pasado e impersonal, con “se investigó” o “se determinó”. |
| “Se sumergieron cilindros de betarraga de igual tamaño en baños de agua a 20, 40, 55 y 70 °C durante 5 minutos, tres por temperatura, y se comparó el color del agua con una escala de 0 a 5.” | Qué se hizo. El montaje comprimido en una frase, con la VI, sus valores y las repeticiones. |
| “El color se mantuvo en 0 hasta los 40 °C y subió a 2 a los 55 °C y a 5 a los 70 °C.” | Qué se encontró. Con los números. Un resumen sin ningún número no sirve de nada. |
| “Los resultados indican que la membrana pierde su integridad por sobre los 40 °C, lo que es consistente con la desorganización de la bicapa lipídica y la desnaturación de sus proteínas.” | Qué significa. Una sola frase de interpretación, sin exagerar lo que los datos permiten. |
El resumen se escribe último, con la tabla de resultados ya en la mano, porque las frases 4 y 5 salen de ahí.
Un equipo investiga a partir de qué porcentaje de alcohol la membrana de la betarraga libera su pigmento. Prepara tubos con alcohol al 0, 20, 40 y 60 %, sumerge un cilindro de betarraga en cada uno y compara el color del agua con una escala de 0 a 5. Para ahorrar tiempo propone eliminar el tubo que lleva solo agua sin betarraga, argumentando que igual usará cilindros del mismo tamaño y el mismo tiempo en todos los tubos. ¿Qué le falta a ese razonamiento?
Una pareja investiga la osmosis colocando trozos de papa de igual masa en soluciones de sacarosa de distinta concentración y pesándolos después de 30 minutos. Obtiene que los trozos ganan masa en agua destilada, la mantienen en sacarosa al 0,3 M y la pierden en sacarosa al 0,6 M. Concluye: 'la osmosis demuestra que las células vegetales siempre absorben agua'. ¿Cuál es el principal problema de esa conclusión?
Elige UNO de los diez fenómenos del catálogo y deja tu investigación armada. Escribe: (1) la pregunta, usando uno de los cinco moldes y sin dejar corchetes; (2) la hipótesis con su 'porque'; (3) la variable independiente con los valores que vas a probar; (4) la variable dependiente con la unidad y el instrumento; (5) tres variables controladas; (6) el grupo control; (7) cuántas repeticiones; (8) el título de tu informe; y (9) las dos primeras frases del resumen, la de contexto y la de la pregunta.
síntesis
Para cerrar
Hoy quedaron ordenadas las seis piezas, el catálogo de diez fenómenos que se pueden medir acá y las secciones del informe con que se entrega el trabajo. La pregunta se elige con uno de los cinco moldes, y ese molde ya decide la forma que va a tener la tabla de datos.
Tres distinciones concentran la mayor parte de los errores y conviene tenerlas escritas en el cuaderno: la hipótesis explica mientras que la predicción anuncia, una variable controlada es una condición fija mientras que el grupo control es un grupo completo de comparación, y los resultados muestran los datos mientras que la discusión los explica.
Lo que sigue es el trabajo de investigación. Llegan con su fenómeno elegido y su pregunta escrita en la guía, porque esa sesión se ocupa entera en dejar el diseño aprobado y empezar a redactar la introducción y los métodos.
Piensa sobre tu aprendizaje
- Vuelve a las tres afirmaciones del inicio. ¿Cuáles resultaron falsas y por qué?
- ¿Qué fenómeno del catálogo elegiste y con qué molde quedó escrita tu pregunta?
- De las secciones del informe, ¿cuál crees que te va a costar más escribir y por qué esa?
referencias
Bibliografía
- 01OpenStax (2018). Biology 2e, cap. 1 'The Study of Life'. https://openstax.org/books/biology-2e
- 02Campbell, N. & Reece, J. (2017). Biología (7ª ed.). Editorial Médica Panamericana.
- 03Ministerio de Educación de Chile (2019). Bases Curriculares 3° y 4° medio, plan de formación diferenciado: Biología Celular y Molecular.
- 04Programa Explora, ANID. Orientaciones para la investigación escolar. https://www.explora.cl
- 05Day, R. & Gastel, B. (2016). How to Write and Publish a Scientific Paper (8ª ed.). Greenwood.
- 06Khan Academy (en español). La ciencia de la biología. https://es.khanacademy.org
- 07Baker, M. (2016). 1,500 scientists lift the lid on reproducibility. Nature, 533, 452-454.