2.2 : La méthode scientifique

La méthode scientifique est un processus de recherche comportant des étapes définies qui incluent la collecte de données et une observation attentive.

Observation

Les avancées scientifiques commencent par les observations. Cela implique de remarquer un schéma, directement ou indirectement à partir de la littérature. Un exemple d'observation directe est de remarquer qu'il y a eu beaucoup de crapauds dans votre jardin depuis que vous avez allumé les arroseurs, alors qu'une observation indirecte consisterait à lire une étude scientifique faisant état de fortes densités de crapauds dans les zones urbaines dotées de pelouses arrosées.

Pendant la guerre du Vietnam (figure\(\PageIndex{a}\)), des articles de presse du Nord-Vietnam ont fait état d'une augmentation du taux de malformations congénitales. Bien que cette crédibilité de cette information ait d'abord été mise en doute par les États-Unis, elle a suscité des questions quant à la cause possible de ces anomalies congénitales. En outre, l'incidence accrue de certains cancers et d'autres maladies est apparue plus tard chez les anciens combattants du Vietnam qui étaient revenus aux États-Unis. Cela nous amène à l'étape suivante de la méthode scientifique, à savoir la question.

Figure\(\PageIndex{a}\) : Carte du Vietnam 1954-1975. Image tirée de l'imprimerie du Bureau des affaires publiques des États-Unis (domaine public).

Question

L'étape de questionnement de la méthode scientifique consiste simplement à se demander ce qui explique le schéma observé. Plusieurs questions peuvent découler d'une seule observation. Les scientifiques et le public ont commencé à se demander quelle est la cause des malformations congénitales au Vietnam et des maladies chez les anciens combattants du Vietnam. Cela pourrait-il être associé à l'utilisation militaire généralisée de l'herbicide Agent Orange pour défricher les forêts (figure\(\PageIndex{b-c}\)), qui a permis d'identifier plus facilement les ennemis ?

Figure\(\PageIndex{b}\) : Batterie de l'Agent Orange au Vietnam. Image du gouvernement américain (domaine public).

Figure\(\PageIndex{c}\) : Une forêt de mangroves saine (en haut) et une autre forêt après l'application de l'agent Orange. Image d'un auteur inconnu (domaine public).

Hypothèse et prévision

L'hypothèse est la réponse attendue à la question. Les meilleures hypothèses indiquent la direction proposée de l'effet (augmentations, diminutions, etc.) et expliquent pourquoi l'hypothèse pourrait être vraie.

• Hypothèse OK : l'agent Orange influence les taux de malformations et de maladies congénitales.

• Meilleure hypothèse : l'agent Orange augmente l'incidence des malformations et des maladies congénitales.

• Meilleure hypothèse : l'agent Orange augmente l'incidence des malformations et des maladies congénitales, car ces problèmes de santé ont été fréquemment signalés par les personnes exposées à cet herbicide.

Si deux hypothèses ou plus répondent à cette norme, la plus simple est préférée.

Les prédictions découlent de l'hypothèse. La prédiction explique quels résultats appuieraient l'hypothèse. La prédiction est plus précise que l'hypothèse car elle fait référence aux détails de l'expérience. Par exemple, « si l'agent Orange cause des problèmes de santé, les souris exposées expérimentalement à la TCDD, un contaminant de l'agent Orange, au cours du développement présenteront des malformations congénitales plus fréquentes que les souris témoins » (figure\(\PageIndex{d}\)).

Figure\(\PageIndex{d}\) : Structure chimique de la TCDD (2,3,7,8-tétrachlorodibenzo-p-dioxine), produite lors de la synthèse des produits chimiques contenus dans l'agent Orange. Il contamine l'agent Orange à des concentrations faibles mais nocives. Image d'Emeldir (domaine public).

Les hypothèses et les prédictions doivent pouvoir être testées pour garantir leur 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. Elles doivent également être falsifiables, c'est-à-dire qu'elles peuvent être testées et démontrées comme étant fausses. 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.

Les hypothèses sont des explications provisoires qui diffèrent des théories scientifiques. Une théorie scientifique est une explication largement 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, mais elles n'expliquent pas pourquoi elles se produisent.

Concevoir une expérience

Ensuite, une étude scientifique (expérience) est prévue pour tester l'hypothèse et déterminer si les résultats correspondent aux prévisions. Chaque expérience comportera une ou plusieurs variables. La variable indépendante est ce que les scientifiques supposent être à l'origine d'autre chose. Dans une expérience de manipulation (voir ci-dessous), la variable indépendante est manipulée par le scientifique. La variable dépendante est la réponse, la variable finalement mesurée dans l'étude. Les variables contrôlées (facteurs de confusion) peuvent affecter la variable dépendante, mais elles ne sont pas au centre de l'étude. Les scientifiques tentent de normaliser les variables contrôlées afin qu'elles n'influencent pas les résultats. Dans notre exemple précédent, l'exposition à l'agent Orange est la variable indépendante. On suppose qu'elle entraîne un changement de l'état de santé (probabilité d'avoir des enfants atteints de malformations congénitales ou de développer une maladie), la variable dépendante. De nombreux autres facteurs peuvent affecter la santé, notamment le régime alimentaire, l'exercice et les antécédents familiaux. Ce sont les variables contrôlées.

Il existe deux principaux types d'études scientifiques : les études expérimentales (expériences de manipulation) et les études observationnelles.

Dans une expérience de manipulation, la variable indépendante est modifiée par les scientifiques, qui observent ensuite la réponse. En d'autres termes, les scientifiques appliquent un traitement. Un exemple serait d'exposer des souris en développement à la TCDD et de comparer le taux de malformations congénitales à celui d'un groupe témoin. Le groupe témoin est un groupe de sujets qui ressemblent autant que possible à tous les autres sujets testés, à l'exception du fait qu'ils ne reçoivent pas le traitement expérimental (ceux qui le reçoivent sont connus sous le nom de groupe expérimental, de traitement ou de test). Le groupe témoin a pour but d'établir quelle serait la variable dépendante dans des conditions normales, en l'absence du traitement expérimental. Il sert de base de référence à laquelle le groupe de test peut être comparé. Dans cet exemple, le groupe témoin comprendrait des souris qui n'ont pas été exposées à la TCDD mais qui ont été traitées de la même manière que les autres souris (figure\(\PageIndex{e}\))

Figure\(\PageIndex{e}\) : souris de laboratoire. Dans le cadre d'une étude scientifique appropriée, le traitement serait appliqué à plusieurs souris. Un autre groupe de souris ne recevrait pas le traitement (le groupe témoin). Photo prise par Aaron Logan (CC-BY).

Dans le cadre d'une étude observationnelle, les scientifiques examinent plusieurs échantillons avec et sans cause présumée. Un exemple serait la surveillance de la santé des anciens combattants qui ont été exposés à différents niveaux d'exposition à l'agent Orange.

Les études scientifiques contiennent de nombreuses répliques. Des échantillons multiples permettent de s'assurer que tout schéma observé est dû au traitement plutôt qu'à des différences naturelles entre les individus. Une étude scientifique doit également être reproductible, c'est-à-dire que si elle est réalisée à nouveau, selon la même procédure, elle doit reproduire les mêmes résultats généraux. De plus, plusieurs études permettront de vérifier la même hypothèse.

Résultats

Enfin, les données sont collectées et les résultats sont analysés. Comme décrit dans le chapitre Math Blast, les statistiques peuvent être utilisées pour décrire les données et les résumer. Ils fournissent également un critère permettant de décider si la tendance des données est suffisamment forte pour étayer l'hypothèse.

L'expérience de manipulation présentée dans notre exemple a révélé que les souris exposées à des niveaux élevés de 2,4,5-T (un composant de l'agent Orange) ou de TCDD (un contaminant présent dans l'agent Orange) au cours du développement présentaient une malformation congénitale liée à la fente palatine plus fréquemment que les souris témoins (figure\(\PageIndex{f}\)). Les embryons de souris étaient également plus susceptibles de mourir lorsqu'ils étaient exposés à la TCDD que les embryons témoins.

Figure\(\PageIndex{f}\) : Fente labiale et palatine, une anomalie congénitale dans laquelle ces structures sont fendues. Photo prise par James Heilman, M.D. (CC-BY-SA).

Une étude observationnelle a révélé que l'exposition autodéclarée à l'agent Orange était positivement corrélée à l'incidence de multiples maladies chez les anciens combattants coréens de la guerre du Vietnam, notamment divers cancers, maladies des systèmes cardiovasculaire et nerveux, maladies de la peau et troubles psychologiques. Notez qu'une corrélation positive signifie simplement que les variables indépendantes et dépendantes augmentent ou diminuent simultanément, mais des données supplémentaires, telles que les preuves fournies par des expériences de manipulation, sont nécessaires pour documenter une relation de cause à effet. (Une corrélation négative se produit lorsqu'une variable augmente alors que l'autre diminue.)

Conclusion

Enfin, les scientifiques arrivent à une conclusion quant à savoir si les données appuient l'hypothèse. Dans le cas de l'agent Orange, les données selon lesquelles les souris exposées à la TCDD et au 2,4,5-T présentaient des fréquences plus élevées de fentes palatines, correspondent aux prévisions. De plus, les anciens combattants exposés à l'agent Orange présentaient des taux plus élevés de certaines maladies, ce qui confirme l'hypothèse. Nous pouvons donc accepter l'hypothèse selon laquelle l'agent Orange augmente l'incidence des malformations et des maladies congénitales.

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 lieu de cela, les scientifiques tirent continuellement des inférences et des généralisations, trouvant des modèles au fur et à mesure de leurs recherches (figure\(\PageIndex{g}\)). Même si l'hypothèse était confirmée, les scientifiques pourraient continuer à la tester de différentes manières. Par exemple, des scientifiques explorent les effets de l'agent Orange en examinant les effets à long terme sur la santé des anciens combattants du Vietnam.

Figure\(\PageIndex{g}\) : La méthode scientifique est une série d'étapes définies qui incluent des expériences et une observation attentive. Les étapes sont les suivantes : faire une observation, poser une question, formuler une hypothèse qui répond à la question, faire une prédiction basée sur l'hypothèse, réaliser une expérience pour tester la prédiction, analyser les résultats et rapporter les résultats. Que l'hypothèse soit confirmée ou non, les résultats sont tout de même rapportés. Si une hypothèse n'est pas étayée par des données, une nouvelle hypothèse peut être proposée.

Les résultats scientifiques peuvent influencer la prise de décisions. En réponse aux preuves concernant les effets de l'agent Orange sur la santé humaine, une indemnisation est désormais disponible pour les anciens combattants du Vietnam qui ont été exposés à l'agent Orange et ont développé certaines maladies. L'utilisation de l'agent Orange est également interdite aux États-Unis. Enfin, les États-Unis ont commencé à nettoyer des sites au Vietnam qui sont toujours contaminés par la TCDD.

S'appuyer sur le travail des autres

Ce n'est que rarement qu'une découverte scientifique prend toute son ampleur. Si tel est le cas, cela risque de révolutionner la façon dont les scientifiques perçoivent le monde qui les entoure et d'ouvrir de nouveaux domaines de recherche scientifique. La théorie de l'évolution de Darwin et les règles d'héritage de Mendel sont des exemples de tels développements révolutionnaires. Cependant, la majeure partie de la science consiste à ajouter une autre brique à un édifice qui a été lentement et minutieusement construit par des travaux antérieurs.

Le développement d'une nouvelle technique jette souvent les bases de progrès rapides dans de nombreux domaines scientifiques différents. Il suffit de considérer les avancées de la biologie rendues possibles par la découverte du microscope optique et, plus tard, du microscope électronique. Tout au long de ces pages, vous trouverez de nombreux exemples de procédures expérimentales. Chacun a été développé pour résoudre un problème particulier. Cependant, chacune d'elles a ensuite été reprise par des travailleurs d'autres laboratoires et appliquée à leurs problèmes.

De la même manière, la création d'une nouvelle explication (hypothèse) dans un domaine scientifique incite souvent les travailleurs de domaines connexes à réexaminer leur propre domaine à la lumière des nouvelles idées. La théorie de l'évolution de Darwin, par exemple, a eu un impact énorme sur pratiquement toutes les sous-spécialités de la biologie et des sciences de l'environnement. À ce jour, les scientifiques de spécialités aussi différentes que la biochimie et la biologie de la conservation sont guidés dans leurs travaux par la théorie de l'évolution (figure\(\PageIndex{g}\)).

Figure\(\PageIndex{h}\) : La compréhension de la grenouille à pattes jaunes des montagnes, menacée d'extinction sous l'angle de l'évolution et de la génétique, a contribué à sa conservation. Photo prise par Isaac Chellman/NPS (CC-BY).

Références

Comité de l'Institute of Medicine (États-Unis) chargé d'examiner les effets sur la santé des anciens combattants du Vietnam de l'exposition aux herbicides. Les anciens combattants et l'agent Orange : effets sur la santé des herbicides utilisés au Vietnam. Washington (DC) : National Academies Press (États-Unis) ; 1994. 2, Histoire de la controverse sur l'utilisation d'herbicides.

Neubert, D., Dillmann, I. Effets embryotoxiques chez les souris traitées avec de l'acide 2,4,5-trichlorophénoxyacétique et de la 2,3,7,8-tétrachlorodibenzo-p-dioxine. L'arche de Naunyn-Schmiedeberg. Pharmacol. 272, 243-264 (1972).

Stellman, J.M., et Stellman, S.D. (2018). L'agent Orange pendant la guerre du Vietnam : la question persistante de son impact sur la santé des civils et des militaires. Journal américain de santé publique, 108 (6), 726—728.

Yi, S. W., Ohrr, H., Hong, J.S., et Yi, J.J. (2013). Exposition à l'agent Orange et prévalence de maladies autodéclarées chez les anciens combattants coréens du Vietnam. Journal de médecine préventive et de santé publique = Yebang Uihakhoe chi, 46 (5), 213—225.

Attribution

Modifié par Melissa Ha à partir des sources suivantes :

• Le processus scientifique à partir de la biologie environnementale par Matthew R. Fisher (sous licence CC-BY)
• Méthodes scientifiques issues de la biologie par John W. Kimball (sous licence CC-BY)