Descripción en la Investigacion Científica: _{Observaciones y múltiples hipótesis de trabajo}

La descripción como un método de investigación científica

Estos primeros astrónomos usaban las descripciones de los fenómenos naturales para realizar inferencias sobre amplios principios físicos, tales como la rotación de la tierra o la naturaleza del sistema solar. Tal como se discutió en La práctica de la Ciencia (ver nuestro módulo Métodos de Investigación: La práctica de la ciencia), todos los métodos científicos suponen la recopilación de datos, el desarrollo y la prueba de una hipótesis, y ese sentido, el método descriptivo es igual. Este método usualmente incluye los siguientes pasos

1. La observación sistemática y la descripción detallada de un fenómeno en una manera que puede ser replicada – por ejemplo, la frecuencia de eclipses lunares, la composición y orientación de capas de piedra en Utah o el comportamiento de chimpancés en la naturaleza.
2. Estas y a veces otras líneas de evidencia son utilizadas para desarrollar una hipótesis o múltiples hipótesis para explicar un fenómeno.
3. Observaciones adicionales u otros tipos de investigación son llevadas a cabo para probar la hipótesis o para determinar la probabilidad de hipótesis en competencia.
4. Eventualmente, una teoría explicativa que cabe en las observaciones y evidencia puede ser desarrollada.

Este es un proceso iterativo que ocurre a muchas escalas: el proceso entero puede ocurrir en unos cuantos días para un científico, o durante muchas décadas o siglos y supone la contribución de muchos científicos, a veces de muchos campos de la ciencia.

Los estudios descriptivos también pueden ser exploratorios, en vez de que sean guiados por la prueba de una hipótesis. La Encuesta Geológica Americana (U.S. Geological Survey), por ejemplo, mantiene indicadores de riachuelos en muchos ríos de los Estados Unidos, que registran observaciones cotidianas de la cantidad de agua que fluye en ese punto. Éstos no fueron establecidos para probar una hipótesis específica, sino simplemente para conservar el registro. Los registros han resultado útiles para tratar cuestiones sobre los intervalos de la recurrencia de flujo, las fluctuaciones temporales y cotidianas en el flujo fluvial, y otras cuestiones acuáticas relacionadas. Sin embargo, no todas las descripciones de los flujos fluviales son científicas. Parte de la razón por la que los registros son tan útiles, se debe a que las descripciones son sistemáticas e implican el mismo rigor y consistencia que se requiere en el diseño de un experimento bien controlado (vea nuestro módulo Métodos de Investigación: Experimentación) o en la construcción de un modelo matemático útil (vea nuestro módulo Métodos de Investigación: Modelaje). La ubicación de cada indicador fluvial fue medido y calibrado para registrar exactamente el flujo a la misma hora cada día y en el mismo lugar. Se registran los mismos parámetros cada día y en cada estación, incluidos la altura del río, la temperatura del agua y el volumen del flujo. Sin esta consistencia, sería difícil establecer la exactitud y la confiabilidad de los datos que fueron recopilados.

A pesar de que la descripción sistemática puede utilizarse por sí misma como un método científico, es frecuentemente un componente de otros tipos de investigación científica. Los científicos que realizan experimentos, ante todo, deben estudiar y describir el sistema con el que van a experimentar. Los investigadores que inician estudios comparativos necesitan datos descriptivos sobre la población que están investigando, y los científicos que construyen modelos deben tener una representación exacta del sistema que están modelando.

La descripción en la práctica: G.K. Gilbert y la geología de la montañas Henry

En los Estados Unidos, la descripción fue usada extensivamente como un método de investigación científico durante la exploración del oeste. En los años 1860, el gobierno americano emprendió una serie de cuatro encuestas en el oeste americano: las encuestas King, Wheeler, Hayden y Powell se desarrollaron desde 1860 hasta 1879. Cada uno de estos equipos de encuestas incluía a un geólogo cuyo trabajo era observar y describir el paisaje. La exploración geológica de las montañas Henry, en el sur de Utah, ofrece una comprensión de los métodos de investigación descriptiva y uno de sus practicantes más respetados, como fue G.K. Gilbert.

En sus dos viajes por el rio Colorado en los años 1870, John Wesley Powell se había interesado por las montañas Henry. Yacían al oeste del río a medida que se enroscaba a través del Cañón Glen, levantándose abruptamente de las mesetas que lo rodeaban. Sus picos oscuros hacían un contraste marcado con las capas de las rocas de color claro que rodean el río por todos sus lados (vea la fotografía en la Figura 2). No tuvo tiempo de explorar las montañas y por eso le asignó la tarea a Grove Karl Gilbert, un joven geólogo que había trabajado con él previamente. Gilbert pasó una semana en las montañas en 1875, y retornó durante un mes en 1876 con varios cuadernos llenos de notas, esbozos e hipótesis registrados cuidadosamente. En agosto de 1875, escribió las siguientes observaciones:

...La roca que se eleva hacia Hillers desde el sur, es el acantilado B. Está perdido en el ‘detrito’ sin aumentar la hondonada (7°) a la cual se aproxima. Pero más allá, hay arenas rojas y blancas – rocas más [profundas] se inclinaban casi verticalmente y se intercalaban con acequias. Es más, estas estrechas cadenas de colinas de arenisca parecían curvearse alrededor de la montaña, tan lejos como se extendían.

Hizo un esbozo, mostrado en la Figura 3 aquí debajo, en el que indica dónde había tomado las medidas y resume sus descripciones.

Gilbert recopiló ejemplares de cada tipo de roca catalogado en la Figura 3 y los describió. Las rocas de capas (catalogadas b, c, d, s y p en la Figura 3) eran todas rocas sedimentarias, que había visto con anterioridad en sus viajes, y las describió por color, tamaño del grano y los fósiles que contenían. El centro de la montaña Hillers era diferente, sin embargo: una roca ígnea formaba un magma que se enfriaba. Describió esta roca como "una pasta gris pálida con grandes cristales blancos de feldespato y cristales pequeños y grandes de hornblenda." Basándose en su composición determinó que era traquita, catalogada como t en la Figura 3. Gilbert esbozó la misma montaña desde varios ángulos diferentes y recopiló medidas de la orientación de las capas rocosas en todo el alrededor, a la vez que recopilaba datos básicos como la elevación.

Sólo unas páginas de cuaderno y un día después, Gilbert realizó el primer salto desde la observación y la recopilación de datos, a la hipótesis. Esbozó un dibujo transversal que ya no es una representación fiel del paisaje, sino una hipótesis de la formación de la montaña Hillers (Figura 4). Este modelo inicial toma en cuenta todas sus observaciones hasta ese entonces: las suaves laderas de las unidades de roca sedimentaria que iban hasta el pico, las rocas en descenso abrupto que continúan en todo el alrededor de la montaña y la roca ígnea en el centro. Le dedica poco texto a explicar su idea en ese punto, sólo escribió sobre la "reserva" de magma que se forma debajo de la superficie y deforma las capas rocosas por encima. Sabía que tenía más datos para recopilar y probar su hipótesis inicial; al día siguiente, escribió "No entiendo el lado noreste de Hillers." No podía todavía explicar qué ocurría ahí a través de su hipótesis inicial.

A Gilbert sólo le quedaban unos cuantos días en las montañas Henry, en ese verano, mientras continuaba en su viaje exploratorio. Al año siguiente (1876) retornó, sin embargo, a la tarea de recopilar más datos para revisar su simple e inicial hipótesis. Después de un mes de recopilar datos de encuestas y de las orientaciones de las unidades rocosas, Gilbert y su equipo se quedaron atascados en el campamento por la lluvia y nieve. Gilbert tomó esta oportunidad para resumir sus descubrimientos y exponer el desarrollo de su pensamiento en el curso de sus exploraciones. Redibujó el esbozo del año anterior y escribió una explicación para su nuevo modelo:

La estructura más sencilla de la montaña Henry es una lenticular masa de [roca ígnea] por encima de la cual se arquean los estratos… La forma de la masa de [roca ígnea] nunca se muestra totalmente, pero puede ser descrita de manera general en varios casos…Las inyecciones se combina y agrupan de varias maneras. Una masa de roca ígnea con láminas por encima y por debajo puede ser vista como un sistema de emisiones de una chimenea.

Gilbert incluye una representación más realista del proceso en lo que respecta a las montañas Henry específicamente (Figura 5). Ya entonces, Gilbert se planteaba una pregunta acerca de estas intrusiones: ¿por qué el magma no llegó a la superficie?

Gilbert publicó su Reporte geológico de las montañas Henry, ("Report on the Geology of the Henry Mountains") en 1877 (Gilbert, 1877). En su publicación, denominó laccolito a este nuevo tipo de intrusión (más adelante lo cambió a lacolito). Formalizó sus esbozos, medidas y preguntas de investigación en una teoría coherente sobre la formación de las montañas Henry, y notó que muchas otras montañas de la región se habían formado a través del mismo proceso. Propuso dos respuestas diferentes para su pregunta sobre las causas subyacentes de la intrusión relacionadas a las densidades relativas y a la "penetrabilidad" de las rocas sedimentarias, pero su interrogante aún está sin resolver hoy en día. El informe de Gilbert está considerado como un hito clave en la geología, no sólo por el nuevo tipo de intrusión que propuso, sino por la manera muy sistemática en la que usó un método descriptivo de la ciencia; como consecuencia, Gilbert se convirtió en un líder de la nueva Investigación Geológica en Estados Unidos (U.S. Geological Survey). Fue muy valorado y respetado y dos veces presidente de la Sociedad Geológica Americana (Geological Society of America).

El trabajo de Gilbert también sentó las bases para investigaciones posteriores sobre las montañas Henry. Las medidas más detalladas de las fallas y los pliegos en las capas rocosas, también proporcionaron una confirmación sólida a su hipótesis sobre el lacolito (Jackson & Pollard, 1988). Más recientemente, los investigadores han experimentado con modelos análogos físicos para tratar de entender por qué la magma no llegó a la superficie al construir capas sedimentarias de arena, y al inyectar las capas inferiores con gel de silicio para estimular la magma (Roman-Berdiel, Gapais, & Brun, 1995).

La Descripción a través de diferentes disciplinas

La descripción como un método de investigación no es algo del pasado, ni tampoco consiste solamente de esbozos. Las medidas en curso de las concentraciones de CO₂ en la atmósfera, como ésas empezadas por Charles Keeling en el volcán de Hawai Mauna Loa, en 1958, son una descripción cuantitativa de la composición de la atmósfera en el tiempo (vea nuestro módulo El Ciclo Carbónico). Estas medidas mundiales y cotidianas les han permitido a los científicos desarrollar hipótesis sobre la respuesta atmosférica a las erupciones volcánicas, a los contaminantes y las crecientes emisiones de gases invernaderos. El registro atmosférico se ha extendido a 650,000 años a través del muestreo y de la descripción de las concentraciones de CO₂ en las burbujas de aire atrapadas en los centros de hielo taladrados en Groenlandia y Antártica (Figura 6). Estos datos revelan un patrón cíclico de concentraciones de CO₂ que ha ayudado a los científicos climáticos a desarrollar un mejor conocimiento del clima a largo plazo. Basándose en estos descubrimientos, los climatólogos han desarrollado modelos para evaluar los impactos posibles de un creciente y continuo aumento de las concentraciones de CO₂ en la atmosfera.

Al contrario de la experimentación, algunas veces la meta principal de los métodos descriptivos es la de evitar explícitamente la manipulación de cualquiera de las variables, como en los estudios ecológicos que buscan describir las interacciones naturales entre los organismos en el medio ambiente. La meta de Jane Goodall en el Parque nacional de Gombe en Tanzania, cuando empezó a trabajar en los años 1960, consistía en la observación no invasiva de los chimpancés en la selva. Uno de sus primeros trabajos, El uso de los instrumentos y el lanzamiento en una comunidad de chimpancés libres ("Tool-using and aimed throwing in a community of free-living chimpanzees"), publicado en 1964, empezaba con el dato que se había observado sobre el uso de instrumentos en los chimpancés en cautiverio, pero mucha gente quería saber si este comportamiento existía en las poblaciones salvajes.

Para poder contestar esta pregunta, Goodall observó a los chimpancés en su hábitat natural y tomó detalladas notas. El trabajo de Goodall suponía largos días, semanas y meses en el campo. Al principio de su estudio, simplemente se sentaba cerca de los chimpancés para asegurarse que los animales estarían cómodos con su presencia y se comportarían normalmente, ya que no quería que su estancia en el lugar, fuese una variable que afectara el comportamiento de los animales. Luego Goodall puso cajas llenas de bananas en áreas dónde sabía que los chimpancés las encontrarían. Los tipos de datos que presentó en su trabajo incluían descripciones como la siguiente:

Luego de tirar y empujar las cajas hasta 5 minutos, cada animal partió una rama y le quitó las hojas. Luego, dos animales trataron de ponerlas debajo de las tapas de las cajas…Ninguno de los tres habían visto a los otros tratar de resolver el problema de esta manera.

Es importante reconocer que Goodall sí manipuló el medio ambiente (le dio a los chimpancés algo nuevo para mirar – cajas de bananas), pero no trató de manipular su comportamiento – ese era el objetivo de sus observaciones y descripciones. Ella usó esta y otras observaciones para desarrollar nuevas ideas sobre los chimpancés como animales que usan instrumentos, que piensan de manera independiente y que pueden enseñarse entre ellos (Goodall, 1964). De esta manera, Goodall revolucionó nuestro conocimiento de los primates no humanos y de los orígenes humanos.

De hecho, en cierto sentido Goodall estaba realizando un experimento con los chimpancés: ¿qué harían con las cajas de bananas cerradas? Esta pregunta de investigación particular está en alguna parte dentro de un continuo entre la experimentación y la descripción, y resalta cómo se complementan los diferentes métodos de investigación unos a otros. Es particularmente común que la experimentación y la descripción se sobrepongan: otro ejemplo es la misión de NASA Impacto profundo (Deep Impact), descrita en el módulo Experimentación.

Las limitaciones del método descriptivo

La descripción es ampliamente usada a través de la investigación científica y hay pocas limitaciones para su uso. Es un método muy útil para las preguntas dónde la experimentación es imposible, tal como la determinación de eventos en la historia de la tierra. A pesar de la amplia aplicabilidad del método en la ciencia, es un desafío establecer relaciones de causa y efecto a través de la descripción solamente. Por el contrario, los estudios descriptivos producen frecuentemente información sobre la función o forma de los fenómenos, como el trabajo de Gilbert, y el establecimiento de relaciones físicas, espaciales y temporales.

La descripción sistemática también puede producir fácilmente explicaciones sin rigor científico, como es evidente en las mitologías y leyendas de muchas culturas. Los primeros griegos eran excelentes observadores del medio ambiente y desarrollaron explicaciones mitológicas para procesos naturales que hoy en día entendemos de manera científica. Por ejemplo, como la mayoría de los pueblos agricultores, los griegos observaron y monitorearon el cambio de las estaciones, el ciclo regular de plantas en ciernes y crecimiento de la primavera, seguido de la abundancia en el verano, la cosecha del otoño, y los campos estériles en el invierno. Estas observaciones están resumidas en el mito de Demeter, la diosa de la agricultura y su hija Perséfone, que fue raptada por Hades y llevada al Infierno. En el mito, Demeter hace un trato con Hades para compartir a Perséfone: durante seis meses del año, Perséfone vive con su madre en la superficie y la felicidad de Demeter está reflejada en la primavera y verano, mientras que los seis meses cuando Perséfone retorna al Infierno, están marcados por la pena de Demeter y por eso los cultivos se marchitan y mueren. Claramente, estas observaciones de los cambios estacionales son válidas, pero la explicación mitológica no es científica.

En algunos casos, hasta las descripciones que no debían ser científicas en su momento pueden ser utilizadas por científicos posteriormente. Por ejemplo, muchos personajes históricos han sido diagnosticados con enfermedades o males, aún mucho después de sus muertes, por historiadores y científicos que examinan concienzudamente diarios, cartas y otras fuentes primarias para las descripciones de los síntomas que padecieron.

En 1979, Peter Spargo, un químico de la Universidad de Ciudad del Cabo formó un equipo con un científico forense, C.P. Pounds, para determinar la causa de un episodio de "locura" que Isaac Newton tuvo entre 1692-93. Muchos historiadores han notado excentricidades en el comportamiento de Newton durante este periodo, como se refleja en sus cartas y registros. Basándose en la descripción de sus actos contenidos en estas cartas y registros, Spargo y Pounds resumieron los síntomas de la enfermedad de Newton como "insomnio severo, sensibilidad extrema en las relaciones personales, pérdida de apetito, delirios de persecución y amnesia." Notaron que durante este mismo periodo, Newton estaba ocupado con experimentaciones alquímicas intensas y plantearon una hipótesis de que Newton estaba experimentando un envenenamiento metálico fuerte (Spargo & Pounds, 1979). En otras palabras, a pesar de que las descripciones del comportamiento de Newton no fueron realizadas para documentar exhaustivamente su mal, de todas maneras fueron usadas para desarrollar una hipótesis científica. Spargo y Pounds pudieron probar su hipótesis al obtener una muestra del pelo de Newton que efectivamente reveló niveles significativos de mercurio, arsénico, oro, cloro, antimonio y plomo – todos metales capaces de producir desordenes neurológicos temporales como los que tenía Newton.

La descripción en la práctica moderna

A pesar de que muchos científicos siguen esbozando sus descripciones con lápiz y papel, los instrumentos disponibles para los estudios descriptivos han proliferado y se han hecho más poderosos. Por ejemplo, el uso de la difracción con rayos-X les permite a los geólogos ir más allá de la simple descripción de campo de una roca, hacia una descripción detallada de los componentes químicos de los minerales individuales (ver nuestro módulo Minerales III: Los Silicatos). Esta misma técnica les permitió a Crick, Franklin, Watson y Wilson describir la estructura molecular del ADN como una doble hélice (ver nuestro módulo ADN II: La estructura del ADN). Otros instrumentos, como los espectrómetros de masa, permiten determinar la edad absoluta de cosas, como la lava de las erupciones volcánicas y huesos de los sitios arqueológicos, mientras que científicos como Gilbert que trabajaron antes de que estas tecnologías fuesen inventadas, sólo podían asignar edades relativas a las rocas que estudiaba. Muchas de nuestras tecnologías más avanzada y costosas están basadas en la realización de descripciones muy exactas: por ejemplo, la tecnología satelital de posicionamiento global (GPS) le permite a los ecologistas, oceanógrafos y a muchos otros precisar exactamente la ubicación de su muestra y realizar análisis más detallados de los datos espaciales; la imagen de resonancia magnética (MRI) nos permite ver nuestros órganos dentro de nuestros cuerpos para un diagnóstico médico más exacto. Estas técnicas se usan hoy en día en una variedad de disciplinas científicas, ofreciendo un nuevo conocimiento sobre sistemas complejos de gran escala, que interactúan entre ellos.