Teoría, Hipótesis, y Leyes: _{Definiciones, ejemplos y sus roles en la ciencia}

Las teorías científicas

El término teoría tienen dos significados y esto frecuentemente crea confusión. En el lenguaje común, el término teoría generalmente alude a una especulación o a un presentimiento o suposición. Usted tal vez tiene una teoría sobre porqué su deporte favorito no está jugando bien o sobre quién se comió la ultima galleta del contenedor. Pero estas teorías no concuerdan con el uso científico del término. En la ciencia, una teoría es una serie de ideas bien comprobada y exhaustiva que explica un fenómeno en la naturaleza. Una teoría científica se basa en una gran cantidad de datos y observaciones que se han recopilado en el curso del tiempo. Las teorías científicas pueden ser probadas y afinadas con investigaciones adicionales le permiten que los científicos realicen predicciones. Aunque usted tenga un presentimiento acertado, la conjetura sobre quién se comió las galletas del contenedor no encaja con esta definición más rigurosa.

Todas las disciplinas científicas tienen teorías bien establecidas y fundamentadas. Por ejemplo, la teoría atómica describe la naturaleza de la materia y está respaldada por múltiples indicios sobre la manera en la que se comportan y reaccionan las sustancias en el mundo que nos rodea (vea nuestra serie Teoría Atómica). La teoría de las placas tectónicas describe los movimientos a gran escala de la capa externa de la Tierra y está respaldada por la evidencia proveniente de estudios sobre terremotos, las propiedades magnéticas de las rocas que componen el suelo oceánico y la distribución de volcanes en la Tierra (vea nuestra serie Placas Tectónicas). Los estudios exhaustivos sobre el ADN y los fósiles, además de otros tipos de pruebas científicas, respaldan la teoría de la evolución por selección natural que describe el mecanismo por el cual los rasgos hereditarios que afectan la sobrevivencia o el éxito reproductivo pueden causar cambios en organismos vivos en varias generaciones (vea nuestra serie sobre Charles Darwin para más información). Cada una de estas importantes teorías guían e informan la investigación científica en esos campos e integran una serie de ideas general y completa.

¿Cómo se desarrollan estas teorías fundamentales y por qué se considera que están tan bien respaldadas? Observemos más de cerca algunos de los datos y de las investigaciones que corroboran la teoría de la selección natural para ver mejor cómo se desarrolla una teoría.

El desarrollo de una teoría científica: la evolución y la selección natural

A veces, se calumnia a la teoría de la evolución por la selección natural cuando se dice que se trata de una especulación sobre el origen de las formas de vida moderna propuesta por Charles Darwin. Sin embargo, la teoría evolutiva no es una especulación y, aunque se le da el crédito correctamente a Darwin por ser el primero que articuló la teoría de la selección natural, sus ideas se fundamentan en más de un siglo de investigaciones científicas que le antecedieron y, desde ese entonces, están respaldadas por las investigaciones de más de un siglo.

La noción de fijeza: Linneo

La investigación sobre los orígenes y la diversidad de la vida proliferaron en los siglos XVII y XIX. Carlos Linneo un botanista sueco y el padre de la taxonomía moderna (vea nuestro módulo Taxonomía) Taxonomía I para más información) fue un cristiano devoto que creía en el concepto de la inmutabilidad o fijeza de las especies, una idea basada en una forma ideal que no ha cambiado con el tiempo. En las primera etapa de su carrera Linneo viajó de manera extensa y recopiló datos sobre las similitudes y diferencias estructurales entre diferentes especies de plantas. Al observar que algunas plantas muy diferentes tenían una estructura muy similar, empezó a desarrollar su obra cumbre Systema Naturae, de 1735 (Figura 1). En Systema, Linneo clasificó los organismos en grupos relacionados, sobre la base de las similitudes de sus características físicas. Desarrolló un sistema de clasificación jerárquica e inclusive estableció relaciones entre especies aparentemente dispares (por ejemplo, humanos, orangutanes y chimpancés) a partir de las similitudes físicas que observaba entre estos organismos. Lineo no trató explícitamente los cambios en los organismos ni dio la razón detrás de esta jerarquía, sino que al agrupar organismos a partir de sus características físicas, sugirió que las especies estaban relacionadas, por lo que desafió sin quererlo la noción de la inmutabilidad, por la cual cada especie está creada en una forma única e ideal.

La era de la Tierra: Leclerc y Hutton

De igual manera, a principios del siglo XVIII, Georges-Louis Leclerc, un naturalista francés, y James Hutton, un geólogo escocés, empezaron a desarrollar ideas nuevas sobre la edad de la Tierra. En esa época, mucha gente creía que la Tierra tenía 6,000 años, basándose en la estricta interpretación de los hechos detallados en el Viejo Testamento cristiano del influyente arzobispo escocés, Ussher. En su observación de los otros planetas y cometas en el sistema solar, Leclerc emitió la hipótesis de que la Tierra nació como una bola de roca hirviente, encendida y líquida cuya composición consistía sobre todo de hierro. Leclerc usó la velocidad del enfriamiento del hierro para calcular que la Tierra debía de tener, por lo menos 70,000 años para haber podido alcanzar su temperatura actual.

Hutton se acercó al mismo tema pero desde otra perspectiva, observando cerca de su casa en Escocia las relaciones entre las formaciones de diferentes rocas y las velocidades de los procesos geológicos modernos. Se dio cuenta que los procesos relativamente lentos de la erosión y sedimentación no podían crear en solo unos cuantos miles de años toda las capas de roca expuestas (vea nuestro módulo El Ciclo de las Rocas). Hutton sugirió, sobre la base de su exhaustiva recopilación de datos (solo una de sus múltiples publicaciones tenia 2,138 paginas), que la Tierra era mucho más antigua que la historia de la humanidad: cientos de millones de años.

Auque sabemos que Hutton y Leclerc le asignaron a la Tierra una edad inferior (de 4 mil millones de años), su trabajo hizo añicos lo que se creía desde hacía mucho tiempo y abrió una perspectiva a la manera cómo la vida puede cambiar en el curso de prolongadas escalas temporales.

Los estudios de fósiles conducen al desarrollo de una teoría ^ ~ de la evolución: Cuvier

Como la edad de la Tierra se había extendido por el trabajo de Leclerc y Hutton, otros científicos empezaron a dirigir su atención al estudio de la vida antigua. La principal manera de estudiar la vida antigua son los fósiles y varios importantes estudios sobre los mismos ayudaron a desarrollar de la teoría de la evolución. En 1795, Georges Cuvier empezó a trabajar en el Museo Nacional de Paris como naturalista y anatomista se interesó en los fósiles que se encontraban cerca de Paris, que alguna gente creía eran los restos de los elefantes que Hannibal usó para cruzar los Alpes cuando invadió Roma en el 218 a. C. En su estudio de los fósiles y de las especies vivas, Cuvier documentó diferentes patrones en la estructura dental y en el número de dientes de los fósiles y los elefantes modernos (Figura 2) (Horner, 1843). Basándose en estos datos, Cuvier planteó la hipótesis de que estos restos no eran los de Hannibal sino que eran de una especie diferente de animal que había deambulado por Europa y que se había extinguido hacia miles de años: el mamut. Antes de Cuvier, algunas personas habían hablado sobre la extinción de las especies, pero era en el marco de una oposición directa al concepto de la inmutabilidad de las especies: si todos los organismos estaban basados en una forma perfectamente adaptada e ideal, ¿cómo podían dejar de existir? Eso sugeriría que ya no era ideal.

Aunque el trabajo de Cuvier aportó una evidencia esencial para la extinción - una idea clave de la evolución - él era muy crítico de la idea que las especies podían cambiar con el tiempo. Como resultado de sus extensos estudios de la anatomía animal, Cuvier había desarrollado una visión holística sobre los organismos en la que declaraba que:

el número, la dirección y la forma de los huesos que componen cada parte del cuerpo de un animal siempre están en una necesaria relación con todas las otras partes, de tal manera que - uno puede inferir el todo a partir de cualquiera de ellas ....

En otras palabras, Cuvier creía que cada parte de un organismo era un componente único y esencial de todo el organismo. Si una parte cambiaba, él creía que el organismo no podía sobrevivir. Su escepticismo sobre la capacidad de los organismos para cambiar lo condujeron a criticar toda la idea de la evolución y debido a prominencia en Francia como científico esta teoría fue poco aceptada en la comunidad científica.

Los estudios de invertebrados ^ ~ apoyan una teoría ^ ~ del cambio de especies: Lamarck

Jean Baptiste Lamarck, contemporáneo de Cuvier en el Museo Nacional de Paris, estudió los invertebrados como insectos y gusanos. Mientras trabajaba en la gran colección de invertebrados del museo, Lamarck quedó impresionado con el número y la variedad de los organismos. Estaba convencido de que los organismo podían, en realidad, cambian con el tiempo y declaró:

... el tiempo y las condiciones favorables son los dos principales medios que la naturaleza ha empleado para que existan todas sus producciones. Sabemos que para ella el tiempo es ilimitado y por ende siempre lo tiene a su disposición.

Esta era una novedad radical que se fundaba en la escala de tiempo prolongado que los geólogos habían recientemente establecido y se desviaba del concepto de la inmutabilidad y de las ideas de Cuvier. Lamarck propuso que los cambios que ocurrían durante la vida de un organismo podían trasmitirse a su descendencia y sugería que, por ejemplo, los hijos de un culturista heredarían sus músculos.

En realidad, el mecanismo por el cual Lamarck proponía que los organismos cambian con el tiempo era el equivocado y hoy en día se lo critica, en tono desdeñoso, por su idea de las "características adquiridas por herencia". Sin embargo, a pesar de que algunas de sus ideas fueron desacreditadas, Lamarck dio un respaldo a la teoría evolutiva, que otros utilizarían y ampliarían.

A principios del siglo XIX, un geólogo y explorador de canales británico, William Smith, añadió otro componente a la acumulación de la evidencia de la evolución. Smith observó que las capas de rocas expuestas en diferentes partes de Inglaterra se parecían: estas capas (o estratos) estaban ordenadas predeciblemente y cada capa contenía grupos distintos de fósiles. A partir de esta serie de observaciones, él desarrolló la hipótesis de que grupos específicos de animales aparecen uno detrás de otro en una secuencia definida durante la historia de la Tierra y esta secuencia se puede ver en las capas de las rocas. La hipótesis de Smith se basaba en su conocimiento de principios geológicos, que incluía la ley de superposición.

La ley de superposición plantea que los sedimentos están depositados en una secuencia de tiempo, con los últimos sedimentos depositados primero, o en el fondo, y las capas nuevas depositadas en la parte superior. El científico persa Avicenna fue el primero en desarrollar el concepto en el siglo XI, pero fue el científico danés Nicolas Steno que lo popularizó en el siglo XVII. Observen que la ley no declara cómo se depositan los sedimentos, simplemente describe la relación entre la edad de los sedimentos depositados.

Smith respaldó su hipótesis con exhaustivos dibujos de fósiles descubiertos en su investigación (Figura 3) lo que le permitió a otros científicos confirmar o disputar sus descubrimientos. De hecho, muchos científicos han confirmado su hipótesis que hoy en día se conoce como la Ley de la sucesión faunística. Su trabajo fue esencial para el desarrollo de la teoría evolutiva puesto que no solo confirmó el trabajo de Cuvier sobre la extinción de los organismos, sino que demostró que la aparición de formas de vida no se remonta a la creación del planeta. Más bien, los récords de los fósiles preservan una cronología de la aparición y desaparición de diferentes organismos del pasado y, por lo tanto, proveen pruebas sobre los cambios en los organismos en el tiempo.

Charles Darwin hizo su entrada en este ambiente: Linneo había desarrollado una taxonomía de organismos basándose en sus relaciones físicas, Leclerc y Hutton demostraron que el transcurso del tiempo en la historia de la Tierra era suficiente como para que los organismos pudiesen cambiar, Cuvier demostró que algunas especies de organismos se habían extinguido, Lamarck propuso que los organismos cambian con el trascurso del tiempo, y Smith estableció una cronología de la aparición y desaparición de diferentes organismos en los récords geológicos.

Desde 1831, Charles Darwin recopiló datos durante su trabajo de naturalista en el HMS Beagle. Tomó abundantes notas sobre la geología de los lugares que visitó, encontró importantes fósiles de animales extinguidos en Patagonia e identificó un gigante perezoso denominado Megatherium. Además, estaba en Chile cuando un terremoto dejó capas de mejillones vivos fuera del agua donde se preservarían durante años.

Tal vez, lo más conocido que hizo fue estudiar abundantemente los animales de las islas Galápagos y notar que las especies de tortugas, sinsontes y pinzones tenían sutiles diferencias que las hacía adaptarse fácilmente a su ambiente.

Este amplio espectro de datos le permitió a Darwin proponer la idea sobre cómo cambian los organismos "mediante la selección natural" (Figura 4). Pero esta idea no se basaba solo en su trabajo, también en la acumulación de las pruebas y las ideas de muchos otros científicos anteriores. Su propuesta contenía y explicaba muchos de los indicios y trabajos anteriores y por lo tanto formaba la base de una teoría científica nueva y sólida sobre el cambio de los organismos: la teoría de la evolución por selección natural.

Las ideas de Darwin se basaban en pruebas y datos tan convincentes que si él no las hubiese articulado, otra persona lo hubiese hecho. Es más, entre 1858 y 1859, Alfred Russel Wallace, un naturalista británico le escribió a Darwin una serie de cartas donde exponía la selección natural como medio del cambio evolutivo que se presentaron en la prominente y muy conocida en esa época, Sociedad Lineana de Londres (vea nuestro módulo Las instituciones y asociaciones científicas). Esta larga cadena de investigaciones recalca que las teorías no son el trabajo de un solo individuo. Sin embargo, también demuestra que frecuentemente son la creatividad y la perspicacia de un individuo lo que permite agrupar todas las piezas y proponer una teoría nueva. Ambos, Darwin y Wallace eran experimentados naturalistas que estaban familiarizados con el trabajo de otros científicos. Aunque todos los trabajos anteriores a 1830 contribuyeron a la teoría de la evolución, el enfoque de las investigaciones posteriores cambió con los de Darwin y Wallace ya que ellos presentaron una serie de ideas bien fundamentadas y completas lo que convirtió a esta teoría en una pieza fundamental de la investigación biológica.

La expansión, la verificación y el perfeccionamiento de las teorías científicas

Genética y evolución: Mendel y Dobzhansky

Desde que Darwin y Wallace publicaron sus ideas, muchas investigaciones han verificado y expandido la teoría de la evolución por la selección natural. Darwin no tenia un concepto para los genes, el ADN o el mecanismo por el cual se heredaban las características en las especies. Un contemporáneo de Darwin, el monje austriaco Gregor Mendel, presentó en 1865 su histórico estudio Experimentos de hibridación en plantas, donde presentaba los patrones básicos de la herencia genética y describía qué características (y cambios evolutivos) pueden heredarse en los organismos (vea nuestro módulo Genética I para más información). A pesar de esto, no fue hasta mucho más tarde que se describió a un "gen" como la unidad que se heredaba.

En 1937, el especialista de genética ucraniano Theodocious Dobzhansky publicó La genética y el origen de las especies, un trabajo fundamental en el que describía a los genes y demostraba que el cambio ocurre debido a la mutación de los genes. El estudio definía la evolución como "el cambio en la frecuencia de un alelo en la reserva genética" (Dobzhansky, 1982). Este y otros estudios en el campo de la genética han ampliado el trabajo de Darwin y expandido el alcance de la teoría.

Evolución bajo el microscopio: Lenski

Más recientemente, en 1989, el doctor Richard Lenski, un científico de la Universidad de Michigan, aisló una bacteria llamada Escherichia coli y ese fue el primer paso de la prueba experimental más extensa que se ha realizado hasta hoy en día sobre la teoría evolutiva y que buscaba duplicar la evolución y la selección natural en un laboratorio.

Después de que el microbio se multiplicó, Lenski aisló los descendientes en doce cepas diferentes, cada uno en su medio de cultivo con glucosa, y predijo que la composición genética de cada cepa cambiaria con el transcurso del tiempo para adaptarse a su cultivo específico, tal como indica la teoría evolutiva. El cultivo de estas doce variedades han producido más de 40,000 generaciones bacterianas (afortunadamente son mucho más cortas que las humanas) y han sido expuestas a diferentes tipos de presión como el calor, el frio, los antibióticos y las infecciones de otros microorganismos. Con estas poblaciones genéticamente aisladas, Lenski y sus colegas han estudiado docenas de aspectos de la teoría evolutiva y, en 1999, publicaron un trabajo que demostró que las mutaciones genéticas seleccionadas al azar eran comunes dentro de las poblaciones y muy diversas entre las diferentes bacterias individuales. Sin embargo, las mutaciones "fundamentales" que están asociadas con los cambios benéficos en el grupo son compartidas por todos los descendientes de la población y son mucho más raras que las mutaciones aleatorias, tal como lo predice la teoría de la evolución por selección natural (Papadopoulos et al., 1999).

Equilibrio puntuado: Gould y Eldredge

Aunque muchas investigaciones y pruebas respaldan las teorías científicas establecidas, como la teoría de la evolución, esto no quiere decir que no se las puede perfeccionar a medida que se descubren nuevas informaciones o perspectivas sobre los datos existentes. Por ejemplo, en 1972, el biólogo Stephen Jay Gould y el paleontólogo Niles Eldredge le dieron una nueva mirada a los datos existentes para estudiar la duración de los cambios evolutivos. Gould y Eldredge no querían poner en entredicho la teoría de la evolución, más bien, la usaron como su guía para hacer preguntas más especificas y aportar elementos y matices a la misma. Esto ocurre con todas la teorías científicas: proveen un marco para investigaciones posteriores. En su época, muchos biólogos creían que la evolución ocurría gradualmente, que los cambios en los organismos eran pequeños y que ocurrían a un ritmo relativamente constante. Se conoce a la idea con el nombre de gradualismo filético y tiene su raíz en el concepto geológico llamado uniformitarianismo. Después de examinar los datos disponibles, Gould y Eldredge encontraron una explicación diferente y sugirieron que la evolución consiste en largos periodos de estabilidad interrumpidos por instancias ocasionales de cambios dramáticos; un proceso que llamaron equilibrio interrumpido.

Como hizo Darwin mucho antes, esta propuesta tiene su raíz en la evidencia y la investigación de los cambios evolutivos y está respaldada por múltiples indicios. En realidad, actualmente se considera que el equilibrio interrumpido es una teoría de la biología evolutiva. El equilibrio interrumpido no es una teoría tan general como la teoría de la selección natural. En las ciencias, algunas teorías, como la evolutiva, son generales y engloban muchos conceptos, mientras que otras, como la teoría del equilibrio interrumpido, se concentran en conceptos a una escala menor o más enfocada. El equilibrio interrumpido no contradice o debilita el concepto de la selección natural, más bien, representa un cambio en nuestra comprensión de los ritmos del cambio en los organismos y es una teoría dentro de una teoría. Hoy en día, la teoría de la evolución por selección natural incluye el gradualismo y el equilibrio interrumpido para describir el ritmo del cambio.

Otros términos científicos: hipótesis y leyes

Uno de los desafíos para entender términos científicos como teoría es que ni siquiera dentro de la comunidad científica existe una definición precisa. Algunos científicos debaten sobre si ciertas propuestas merecen la denominación de hipótesis o de teoría y otros usan estos términos de manera intercambiable. Sin embargo, existe una diferencia en estos términos. Una hipótesis es la propuesta de una explicación para un fenómeno observable. Las hipótesis, así como las teorías, se basan en observaciones que provienen de la investigación. Por ejemplo, la hipótesis de LeClerc que declaraba que la Tierra se enfrió a partir de una bola hirviente de hierro no era una conjetura al azar; más bien, él desarrolló su hipótesis basándose en la información de los meteoritos que observaba.

Frecuentemente, un científico propone una hipótesis antes de que la investigación la confirme como medio de predecir el resultado del estudio y ayudar a definir mejor los parámetros de la investigación. Para LeClerc, su hipótesis le permitió usar los parámetros conocidos (el ritmo de enfriamiento del hierro) para seguir trabajando. Un componente clave de una hipótesis científica formal es que tiene que ser comprobable y falsificable. Por ejemplo, cuando Richard Lenski aisló sus doce cepas de bacteria, probablemente emitió una hipótesis que decía que las mutaciones al azar, causarían que las diferencias apareciesen dentro de un periodo en las diferentes cepas de la bacteria. Pero cuando se genera una hipótesis en las ciencias, un científico también emitirá una hipótesis alternativa, una explicación que explica el estudio si los datos no apoyan la hipótesis original. Si las diferentes cepas de bacteria del estudio de Lenski no se separaban en el periodo indicado, tal vez el ritmo de la mutación era más lento de lo que se imaginó al principio.

Así que puede preguntarse, ¿si existe tanto apoyo para las teorías, llegan estas a convertirse en leyes? La respuesta es negativa y no porque no reciban el apoyo suficiente, sino porque las teorías y las leyes son dos cosas muy diferentes. Las leyes describen fenómenos, frecuentemente matemáticos. Las teorías, sin embargo, explican fenómenos. Por ejemplo, en 1687, Isaac Newton propuso una Teoría de la Gravedad que describía a la gravedad como una fuerza de atracción entre dos objetos. Como parte de su teoría, Newton desarrolló la Ley de la gravedad universal que explica cómo funciona esta fuerza. Esta ley declara que la fuerza de la gravedad entre dos objetos es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre estos dos objetos. La ley de Newton no explica porqué esto es verdad, sino que describe cómo funciona la gravedad (vea nuestro módulo La Gravedad para más información). En 1916, Albert Einstein desarrolló su teoría de la relatividad general para explicar los mecanismos de los efectos de la gravedad. El trabajo de Einstein desafió la teoría de Newton y se ha concluido, después de muchas pruebas e investigaciones, que describe con mayor precisión este fenómeno. Aunque el trabajo de Einstein ha remplazado el de Newton como la explicación principal de la gravedad en la ciencia moderna, se sigue usando la Ley de la gravedad universal de Newton ya que describe de manera razonable y simple la fuerza de la gravedad bajo varias circunstancias. De igual manera, la Ley de la sucesión faunística de Smith no explica porqué los organismos se suceden unos a otros de una manera distintiva y predecible en las capas de las rocas, sino que describe con precisión el fenómeno.

Las teorías, las hipótesis, y las leyes conducen el progreso científico

Las teorías, las hipótesis y las leyes no son simplemente importantes componentes de la ciencia, sino que conducen el progreso científico. Por ejemplo, hoy en día la biología evolutiva es un campo de la ciencia enfocado en los orígenes y la descendencia de las especies. Actualmente, los geólogos usan las placas tectónicas como un modelo conceptual y una teoría guía cuando estudian los procesos del funcionamiento de la corteza terrestre. Y los físicos se refieren a la teoría atómica cuando predicen la existencia de las partículas subatómicas que no se han descubierto. Esto no quiere decir que la ciencia "se acabó" o que ya se descubrieron todas las teorías importantes. Igual que con la evolución, el progreso en la ciencia ocurre gradualmente y con dramáticos estallidos. Los dos tipos de progreso son fundamentales para crear unas bases sólidas de conocimiento con datos que sirvan como fundamento y unas teorías científicas que estructuren ese conocimiento.