1.2 : Le processus de la science
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Comme la géologie, la physique et la chimie, la biologie est une science qui rassemble des connaissances sur le monde naturel. Plus précisément, la biologie est l'étude de la vie. Les découvertes de la biologie sont le fruit d'une communauté de chercheurs qui travaillent individuellement et ensemble selon des méthodes convenues. En ce sens, la biologie, comme toutes les sciences, est une entreprise sociale comme la politique ou les arts.
Les méthodes scientifiques comprennent l'observation attentive, la tenue de dossiers, le raisonnement logique et mathématique, l'expérimentation et la soumission de conclusions à l'examen minutieux des autres. La science exige également beaucoup d'imagination et de créativité ; une expérience bien conçue est généralement décrite comme élégante ou belle. Comme la politique, la science a des implications pratiques considérables et certaines sciences se consacrent à des applications pratiques, telles que la prévention des maladies (Figure\(\PageIndex{2}\)). D'autres avancées scientifiques sont largement motivées par la curiosité. Quel que soit son objectif, il ne fait aucun doute que la science, y compris la biologie, a transformé l'existence humaine et continuera de le faire.
La nature de la science
La biologie est une science, mais qu'est-ce que la science exactement ? Qu'est-ce que l'étude de la biologie partage avec les autres disciplines scientifiques ? La science (du latin scientia, qui signifie « connaissance ») peut être définie comme une connaissance du monde naturel.
La science est un moyen très spécifique d'apprendre ou de connaître le monde. L'histoire des 500 dernières années montre que la science est un moyen très puissant de connaître le monde ; elle est en grande partie responsable des révolutions technologiques qui se sont produites pendant cette période. Il existe toutefois des domaines de connaissance et d'expérience humaine auxquels les méthodes scientifiques ne peuvent pas être appliquées. Il s'agit notamment de répondre à des questions purement morales, à des questions esthétiques ou à ce qui peut généralement être classé comme des questions spirituelles. La science n'a pas pu étudier ces domaines parce qu'ils se situent en dehors du domaine des phénomènes matériels, des phénomènes de la matière et de l'énergie, et ne peuvent être ni observés ni mesurés.
La méthode scientifique est une méthode de recherche comportant des étapes définies qui incluent des expériences et une observation attentive. Les étapes de la méthode scientifique seront examinées en détail ultérieurement, mais l'un des aspects les plus importants de cette méthode est la vérification d'hypothèses. Une hypothèse est une explication suggérée d'un événement, qui peut être testée. Les hypothèses, ou explications provisoires, sont généralement produites dans le contexte d'une théorie scientifique. Une théorie scientifique est une explication généralement acceptée, minutieusement testée et confirmée d'un ensemble d'observations ou de phénomènes. La théorie scientifique est le fondement de la connaissance scientifique. En outre, dans de nombreuses disciplines scientifiques (moins en biologie), il existe des lois scientifiques, souvent exprimées sous forme de formules mathématiques, qui décrivent le comportement des éléments de la nature dans certaines conditions spécifiques. Il n'y a pas d'évolution des hypothèses, des théories aux lois, comme si elles représentaient une augmentation de la certitude quant au monde. Les hypothèses sont le matériel quotidien avec lequel les scientifiques travaillent et elles sont développées dans le contexte de théories. Les lois sont des descriptions concises de régions du monde qui se prêtent à une description formulée ou mathématique.
Sciences naturelles
À quoi vous attendriez-vous dans un musée des sciences naturelles ? Des grenouilles ? Des plantes ? Des squelettes de dinosaures ? Des expositions sur le fonctionnement du cerveau ? Un planétarium ? Des pierres précieuses et des minéraux ? Ou peut-être tout ce qui précède ? Les sciences incluent des domaines aussi divers que l'astronomie, la biologie, l'informatique, la géologie, la logique, la physique, la chimie et les mathématiques (Figure\(\PageIndex{3}\)). Cependant, les domaines scientifiques liés au monde physique et à ses phénomènes et processus sont considérés comme des sciences naturelles. Ainsi, un musée des sciences naturelles peut contenir n'importe lequel des objets énumérés ci-dessus.
Il n'y a pas d'accord complet lorsqu'il s'agit de définir ce que les sciences naturelles incluent. Pour certains experts, les sciences naturelles sont l'astronomie, la biologie, la chimie, les sciences de la Terre et la physique. D'autres chercheurs choisissent de diviser les sciences naturelles en sciences de la vie, qui étudient les êtres vivants et incluent la biologie, et en sciences physiques, qui étudient la matière non vivante et incluent l'astronomie, la physique et la chimie. Certaines disciplines, telles que la biophysique et la biochimie, s'appuient sur deux sciences et sont interdisciplinaires.
Enquête scientifique
Une chose est commune à toutes les formes de science : le but ultime de « connaître ». La curiosité et la recherche sont les moteurs du développement de la science. Les scientifiques cherchent à comprendre le monde et son mode de fonctionnement. Deux méthodes de pensée logique sont utilisées : le raisonnement inductif et le raisonnement déductif.
Le raisonnement inductif est une forme de pensée logique qui utilise des observations connexes pour arriver à une conclusion générale. Ce type de raisonnement est courant en science descriptive. Un spécialiste de la vie, tel qu'un biologiste, fait des observations et les enregistre. Ces données peuvent être qualitatives (descriptives) ou quantitatives (composées de chiffres), et les données brutes peuvent être complétées par des dessins, des images, des photos ou des vidéos. À partir de nombreuses observations, le scientifique peut tirer des conclusions (inductions) sur la base de preuves. Le raisonnement inductif implique la formulation de généralisations déduites d'une observation attentive et de l'analyse d'une grande quantité de données. Les études sur le cerveau fonctionnent souvent de cette façon. De nombreux cerveaux sont observés pendant que des personnes accomplissent une tâche. Il est alors démontré que la partie du cerveau qui s'illumine, indiquant une activité, est celle qui contrôle la réponse à cette tâche.
Le raisonnement déductif ou déduction est le type de logique utilisé dans la science basée sur des hypothèses. Dans le raisonnement déductif, le schéma de pensée évolue dans la direction opposée par rapport au raisonnement inductif. Le raisonnement déductif est une forme de pensée logique qui utilise un principe général ou une loi pour prévoir des résultats spécifiques. À partir de ces principes généraux, un scientifique peut extrapoler et prédire les résultats spécifiques qui seraient valides tant que les principes généraux le sont. Par exemple, on peut prédire que si le climat se réchauffe dans une région, la distribution des plantes et des animaux devrait changer. Des comparaisons ont été faites entre les distributions passées et présentes, et les nombreux changements constatés sont compatibles avec le réchauffement climatique. La découverte du changement de distribution prouve que la conclusion relative au changement climatique est valide.
Les deux types de pensée logique sont liés aux deux principales voies d'étude scientifique : la science descriptive et la science basée sur des hypothèses. La science descriptive (ou de découverte) vise à observer, explorer et découvrir, tandis que la science basée sur des hypothèses commence par une question ou un problème spécifique et par une réponse ou une solution potentielle qui peut être testée. La frontière entre ces deux formes d'études est souvent floue, car la plupart des projets scientifiques combinent les deux approches. Les observations mènent à des questions, les questions amènent à formuler une hypothèse en tant que réponse possible à ces questions, puis l'hypothèse est testée. Ainsi, la science descriptive et la science basée sur des hypothèses entretiennent un dialogue permanent.
Tests d'hypothèses
Les biologistes étudient le monde vivant en posant des questions à son sujet et en recherchant des réponses fondées sur la science. Cette approche est également commune à d'autres sciences et est souvent appelée méthode scientifique. La méthode scientifique a été utilisée même dans l'Antiquité, mais elle a d'abord été documentée par l'Anglais Sir Francis Bacon (1561—1626) (Figure\(\PageIndex{4}\)), qui a mis au point des méthodes inductives pour la recherche scientifique. La méthode scientifique n'est pas exclusivement utilisée par les biologistes mais peut être appliquée à presque tout en tant que méthode logique de résolution de problèmes.
Le processus scientifique commence généralement par une observation (souvent un problème à résoudre) qui soulève une question. Réfléchissons à un problème simple qui commence par une observation et appliquons la méthode scientifique pour le résoudre. Un lundi matin, un élève arrive en classe et découvre rapidement qu'il fait trop chaud. C'est un constat qui décrit également un problème : la salle de classe est trop chaude. L'élève pose ensuite une question : « Pourquoi la salle de classe est-elle si chaude ? »
Rappelons qu'une hypothèse est une explication suggérée qui peut être testée. Pour résoudre un problème, plusieurs hypothèses peuvent être proposées. Par exemple, une hypothèse pourrait être la suivante : « La salle de classe est chaude parce que personne n'a allumé la climatisation ». Mais il pourrait y avoir d'autres réponses à la question, et d'autres hypothèses peuvent donc être proposées. Une deuxième hypothèse pourrait être la suivante : « La salle de classe est chaude à cause d'une panne de courant, et donc la climatisation ne fonctionne pas ».
Une fois qu'une hypothèse a été sélectionnée, une prédiction peut être faite. Une prédiction est similaire à une hypothèse, mais elle a généralement le format « Si... alors... ». Par exemple, la prédiction de la première hypothèse pourrait être la suivante : « Si l'élève allume la climatisation, la salle de classe ne sera plus trop chaude ».
Une hypothèse doit pouvoir être testée pour garantir sa validité. Par exemple, une hypothèse qui dépend de ce que pense un ours n'est pas vérifiable, car on ne peut jamais savoir ce que pense un ours. Il doit également être falsifiable, ce qui signifie qu'il peut être réfuté par des résultats expérimentaux. Un exemple d'hypothèse infalsifiable est « La naissance de Vénus par Botticelli est magnifique ». Aucune expérience ne pourrait prouver que cette déclaration est fausse. Pour vérifier une hypothèse, un chercheur réalisera une ou plusieurs expériences destinées à éliminer une ou plusieurs hypothèses. C'est important. Une hypothèse peut être réfutée ou éliminée, mais elle ne peut jamais être prouvée. La science ne traite pas de preuves comme les mathématiques. Si une expérience ne parvient pas à réfuter une hypothèse, nous trouvons des preuves à l'appui de cette explication, mais cela ne veut pas dire qu'à terme, aucune meilleure explication ne sera trouvée ou qu'une expérience plus soigneusement conçue sera trouvée pour falsifier l'hypothèse.
Chaque expérience comportera une ou plusieurs variables et un ou plusieurs contrôles. Une variable est toute partie de l'expérience qui peut varier ou changer au cours de l'expérience. Un contrôle est une partie de l'expérience qui ne change pas. Recherchez les variables et les contrôles dans l'exemple suivant. À titre d'exemple simple, une expérience pourrait être menée pour vérifier l'hypothèse selon laquelle le phosphate limite la croissance des algues dans les étangs d'eau douce. Une série de bassins artificiels sont remplis d'eau et la moitié d'entre eux sont traités en ajoutant du phosphate chaque semaine, tandis que l'autre moitié est traitée en ajoutant un sel dont on sait qu'il n'est pas utilisé par les algues. La variable ici est le phosphate (ou l'absence de phosphate), les cas expérimentaux ou de traitement sont les étangs additionnés de phosphate et les bassins témoins sont ceux dans lesquels un élément inerte a été ajouté, tel que le sel. Le simple fait d'ajouter quelque chose permet également de se prémunir contre la possibilité que l'ajout de matière supplémentaire dans l'étang ait un effet. Si les étangs traités présentent une moindre croissance d'algues, nous avons trouvé des preuves à l'appui de notre hypothèse. S'ils ne le font pas, nous rejetons notre hypothèse. Sachez que le rejet d'une hypothèse ne détermine pas si les autres hypothèses peuvent être acceptées ; cela élimine simplement une hypothèse qui n'est pas valide (Figure\(\PageIndex{5}\)). En utilisant la méthode scientifique, les hypothèses incompatibles avec les données expérimentales sont rejetées.
Exemple\(\PageIndex{1}\)
Dans l'exemple ci-dessous, la méthode scientifique est utilisée pour résoudre un problème quotidien. Quelle partie de l'exemple ci-dessous correspond à l'hypothèse ? Quelle est la prédiction ? Sur la base des résultats de l'expérience, l'hypothèse est-elle étayée ? S'il n'est pas soutenu, proposez des hypothèses alternatives.
- Mon grille-pain ne fait pas griller mon pain.
- Pourquoi mon grille-pain ne fonctionne-t-il pas ?
- Il y a un problème avec la prise électrique.
- Si quelque chose ne va pas avec la prise, ma cafetière ne fonctionnera pas non plus lorsqu'elle est branchée.
- Je branche ma cafetière sur la prise.
- Ma cafetière fonctionne.
Solution
L'hypothèse est #3 (il y a un problème avec la prise électrique) et la prédiction est #4 (si quelque chose ne va pas avec la prise, la cafetière ne fonctionnera pas non plus lorsqu'elle est branchée sur la prise). L'hypothèse initiale n'est pas étayée, car la cafetière fonctionne lorsqu'elle est branchée sur la prise. D'autres hypothèses peuvent inclure (1) le grille-pain est peut-être cassé ou (2) le grille-pain n'était pas allumé.
Dans la pratique, la méthode scientifique n'est pas aussi rigide et structurée qu'il n'y paraît à première vue. Parfois, une expérience aboutit à des conclusions qui favorisent un changement d'approche ; souvent, une expérience amène des questions scientifiques entièrement nouvelles au casse-tête. Bien souvent, la science ne fonctionne pas de manière linéaire ; au contraire, les scientifiques tirent continuellement des inférences et des généralisations, trouvant des modèles au fur et à mesure de leurs recherches. Le raisonnement scientifique est plus complexe que ne le suggère la méthode scientifique à elle seule.
Sciences fondamentales et appliquées
La communauté scientifique débat depuis quelques décennies de la valeur des différents types de science. Est-il utile de poursuivre des études scientifiques simplement pour acquérir des connaissances, ou les connaissances scientifiques n'ont-elles de valeur que si nous pouvons les appliquer à la résolution d'un problème spécifique ou à l'amélioration de nos vies ? Cette question met l'accent sur les différences entre deux types de sciences : les sciences fondamentales et les sciences appliquées.
La science fondamentale ou science « pure » cherche à élargir les connaissances indépendamment de l'application à court terme de ces connaissances. Il n'est pas axé sur le développement d'un produit ou d'un service ayant une valeur publique ou commerciale immédiate. L'objectif immédiat de la science fondamentale est la connaissance au service de la connaissance, mais cela ne signifie pas qu'en fin de compte, elle ne débouche pas sur une application.
En revanche, la science appliquée ou « technologie » vise à utiliser la science pour résoudre des problèmes du monde réel, permettant, par exemple, d'améliorer le rendement des cultures, de trouver un remède à une maladie particulière ou de sauver des animaux menacés par une catastrophe naturelle. En sciences appliquées, le problème est généralement défini pour le chercheur.
Certaines personnes peuvent percevoir les sciences appliquées comme « utiles » et les sciences fondamentales comme « inutiles ». Une question que ces personnes pourraient poser à un scientifique prônant l'acquisition de connaissances serait la suivante : « Pourquoi ? » Un examen attentif de l'histoire des sciences révèle toutefois que les connaissances de base ont donné lieu à de nombreuses applications remarquables d'une grande valeur. De nombreux scientifiques pensent qu'une compréhension de base de la science est nécessaire avant de développer une application ; par conséquent, la science appliquée repose sur les résultats générés par la science fondamentale. D'autres scientifiques pensent qu'il est temps de passer de la science fondamentale à la recherche de solutions à des problèmes réels. Les deux approches sont valables. Il est vrai que certains problèmes exigent une attention immédiate ; toutefois, peu de solutions pourraient être trouvées sans l'aide des connaissances issues de la science fondamentale.
La découverte de la structure de l'ADN a permis de comprendre les mécanismes moléculaires régissant la réplication de l'ADN, qui a permis de comprendre comment les sciences fondamentales et appliquées peuvent travailler ensemble pour résoudre des problèmes pratiques. Des brins d'ADN, uniques chez chaque être humain, se trouvent dans nos cellules, où ils fournissent les instructions nécessaires à la vie. Lors de la réplication de l'ADN, de nouvelles copies de l'ADN sont fabriquées, peu de temps avant qu'une cellule ne se divise pour former de nouvelles cellules. La compréhension des mécanismes de réplication de l'ADN a permis aux scientifiques de mettre au point des techniques de laboratoire qui sont aujourd'hui utilisées pour identifier les maladies génétiques, identifier les personnes qui se trouvaient sur les lieux d'un crime et déterminer la paternité. Sans science fondamentale, il est peu probable que la science appliquée puisse exister.
Un autre exemple du lien entre la recherche fondamentale et la recherche appliquée est le Human Genome Project, une étude dans le cadre de laquelle chaque chromosome humain a été analysé et cartographié afin de déterminer la séquence précise des sous-unités de l'ADN et l'emplacement exact de chaque gène. (Le gène est l'unité de base de l'hérédité ; la collection complète de gènes d'un individu constitue son génome.) D'autres organismes ont également été étudiés dans le cadre de ce projet afin de mieux comprendre les chromosomes humains. Le projet du génome humain (Figure\(\PageIndex{6}\)) s'est appuyé sur des recherches fondamentales menées sur des organismes non humains et, plus tard, sur le génome humain. Un objectif final important a finalement été d'utiliser les données pour la recherche appliquée visant à trouver des traitements pour des maladies génétiquement liées.
Bien que les efforts de recherche en sciences fondamentales et en sciences appliquées soient généralement planifiés avec soin, il est important de noter que certaines découvertes sont faites par hasard, c'est-à-dire par hasard ou par surprise. La pénicilline a été découverte lorsque le biologiste Alexander Fleming a accidentellement laissé ouverte une boîte de Pétri contenant des staphylocoques. Une moisissure indésirable s'est développée, tuant la bactérie. La moisissure s'est avérée être du Penicillium et un nouvel antibiotique a été découvert. Même dans le monde scientifique hautement organisé, la chance, lorsqu'elle est associée à un esprit attentif et curieux, peut mener à des avancées inattendues.
Rapport sur les travaux scientifiques
Que la recherche scientifique soit une science fondamentale ou une science appliquée, les scientifiques doivent partager leurs découvertes pour que d'autres chercheurs puissent élargir et développer leurs découvertes. La communication et la collaboration au sein des sous-disciplines scientifiques et entre celles-ci sont essentielles à l'avancement des connaissances scientifiques. C'est pourquoi la diffusion des résultats et la communication avec ses pairs constituent un aspect important du travail d'un scientifique. Les scientifiques peuvent partager les résultats en les présentant lors d'une réunion ou d'une conférence scientifique, mais cette approche ne peut atteindre que le petit nombre de personnes présentes. La plupart des scientifiques présentent plutôt leurs résultats dans des articles évalués par des pairs publiés dans des revues scientifiques. Les articles évalués par des pairs sont des articles scientifiques qui sont revus, généralement de manière anonyme, par les collègues ou les pairs d'un scientifique. Ces collègues sont des personnes qualifiées, souvent des experts dans le même domaine de recherche, qui jugent si les travaux du scientifique se prêtent ou non à la publication. Le processus d'évaluation par les pairs permet de s'assurer que la recherche décrite dans un article scientifique ou une proposition de subvention est originale, significative, logique et approfondie. Les propositions de subvention, qui sont des demandes de financement de la recherche, sont également soumises à un examen par les pairs. Les scientifiques publient leurs travaux afin que d'autres scientifiques puissent reproduire leurs expériences dans des conditions similaires ou différentes afin de développer les résultats. Les résultats expérimentaux doivent être cohérents avec les résultats d'autres scientifiques.
De nombreuses revues et la presse populaire n'utilisent pas de système d'évaluation par les pairs. Un grand nombre de revues en ligne en libre accès, dont les articles sont disponibles gratuitement, sont désormais disponibles. Nombre d'entre elles utilisent des systèmes rigoureux d'évaluation par les pairs, mais certaines ne le font pas. Les résultats de toute étude publiée sur ces forums sans examen par les pairs ne sont pas fiables et ne devraient pas servir de base à d'autres travaux scientifiques. À une exception près, les revues peuvent autoriser un chercheur à citer une communication personnelle d'un autre chercheur concernant des résultats inédits avec l'autorisation de l'auteur cité.
Résumé
La biologie est la science qui étudie les organismes vivants et leurs interactions entre eux et avec leur environnement. La science tente de décrire et de comprendre la nature de l'univers en tout ou en partie. La science comporte de nombreux domaines ; les domaines liés au monde physique et à ses phénomènes sont considérés comme des sciences naturelles.
Une hypothèse est une explication provisoire d'une observation. Une théorie scientifique est une explication bien testée et régulièrement vérifiée d'un ensemble d'observations ou de phénomènes. Une loi scientifique est une description, souvent sous forme de formule mathématique, du comportement d'un aspect de la nature dans certaines circonstances. Deux types de raisonnement logique sont utilisés en science. Le raisonnement inductif utilise les résultats pour produire des principes scientifiques généraux. Le raisonnement déductif est une forme de pensée logique qui prédit les résultats en appliquant des principes généraux. Le fil conducteur de la recherche scientifique est l'utilisation de la méthode scientifique. Les scientifiques présentent leurs résultats dans des articles scientifiques évalués par des pairs publiés dans des revues scientifiques.
La science peut être fondamentale ou appliquée. L'objectif principal de la science fondamentale est d'élargir les connaissances sans attendre une application pratique à court terme de ces connaissances. L'objectif principal de la recherche appliquée est toutefois de résoudre des problèmes pratiques.
Lexique
- science appliquée
- une forme de science qui résout des problèmes du monde réel
- science fondamentale
- science qui cherche à élargir les connaissances indépendamment de l'application à court terme de ces connaissances
- contrôle
- une partie d'une expérience qui ne change pas au cours de l'expérience
- raisonnement déductif
- une forme de pensée logique qui utilise un énoncé général pour prévoir des résultats spécifiques
- science descriptive
- une forme de science qui vise à observer, à explorer et à découvrir des choses
- falsifiable
- pouvant être réfuté par des résultats expérimentaux
- hypothèse
- une explication suggérée pour un événement, qui peut être testée
- science basée sur des hypothèses
- une forme de science qui commence par une explication précise qui est ensuite testée
- raisonnement inductif
- une forme de pensée logique qui utilise des observations connexes pour arriver à une conclusion générale
- sciences de la vie
- un domaine scientifique, tel que la biologie, qui étudie les êtres vivants
- sciences naturelles
- un domaine scientifique qui étudie le monde physique, ses phénomènes et ses processus
- article évalué par des pairs
- un rapport scientifique qui est examiné par les collègues d'un scientifique avant sa publication
- sciences physiques
- un domaine scientifique, tel que l'astronomie, la physique et la chimie, qui étudie la matière non vivante
- science
- connaissances portant sur des vérités générales ou sur le fonctionnement des lois générales, en particulier lorsqu'elles sont acquises et testées par la méthode scientifique
- droit scientifique
- une description, souvent sous forme de formule mathématique, du comportement de certains aspects de la nature dans certaines conditions spécifiques
- méthode scientifique
- une méthode de recherche comportant des étapes définies qui incluent des expériences et une observation attentive
- théorie scientifique
- une explication minutieusement testée et confirmée des observations ou des phénomènes
- variable
- une partie d'une expérience qui peut varier ou changer