1.2: O processo da ciência

Assim como a geologia, a física e a química, a biologia é uma ciência que reúne conhecimento sobre o mundo natural. Especificamente, a biologia é o estudo da vida. As descobertas da biologia são feitas por uma comunidade de pesquisadores que trabalham individualmente e juntos usando métodos acordados. Nesse sentido, a biologia, como todas as ciências, é uma empresa social como a política ou as artes.

Figura\(\PageIndex{1}\): Anteriormente chamadas de algas verde-azuladas, as (a) cianobactérias vistas através de um microscópio óptico são algumas das formas de vida mais antigas da Terra. Esses (b) estromatólitos ao longo das margens do Lago Thetis, na Austrália Ocidental, são estruturas antigas formadas pela estratificação de cianobactérias em águas rasas. (crédito a: modificação do trabalho pela NASA; dados da barra de escala de Matt Russell; crédito b: modificação do trabalho de Ruth Ellison)

Os métodos da ciência incluem observação cuidadosa, manutenção de registros, raciocínio lógico e matemático, experimentação e envio de conclusões ao escrutínio de outras pessoas. A ciência também requer imaginação e criatividade consideráveis; um experimento bem planejado é comumente descrito como elegante ou bonito. Como a política, a ciência tem implicações práticas consideráveis e algumas são dedicadas a aplicações práticas, como a prevenção de doenças (Figura\(\PageIndex{2}\)). Outras receitas científicas são amplamente motivadas pela curiosidade. Seja qual for seu objetivo, não há dúvida de que a ciência, incluindo a biologia, transformou a existência humana e continuará a fazê-lo.

Figura\(\PageIndex{2}\): Os biólogos podem optar por estudar a Escherichia coli (E. coli), uma bactéria que é residente normal do nosso trato digestivo, mas que às vezes também é responsável por surtos de doenças. Nesta micrografia, a bactéria é visualizada usando um microscópio eletrônico de varredura e colorização digital. (crédito: Eric Erbe; colorização digital de Christopher Pooley, USDA-ARS)

A natureza da ciência

A biologia é uma ciência, mas o que exatamente é ciência? O que o estudo da biologia compartilha com outras disciplinas científicas? Ciência (do latim scientia, que significa “conhecimento”) pode ser definida como conhecimento sobre o mundo natural.

A ciência é uma forma muito específica de aprender ou conhecer o mundo. A história dos últimos 500 anos demonstra que a ciência é uma forma muito poderosa de conhecer o mundo; ela é a grande responsável pelas revoluções tecnológicas que ocorreram durante esse período. No entanto, existem áreas do conhecimento e da experiência humana às quais os métodos da ciência não podem ser aplicados. Isso inclui coisas como responder questões puramente morais, questões estéticas ou o que geralmente pode ser categorizado como questões espirituais. A ciência não pode investigar essas áreas porque elas estão fora do reino dos fenômenos materiais, dos fenômenos da matéria e da energia, e não podem ser observadas e medidas.

O método científico é um método de pesquisa com etapas definidas que incluem experimentos e observação cuidadosa. As etapas do método científico serão examinadas em detalhes posteriormente, mas um dos aspectos mais importantes desse método é o teste de hipóteses. Uma hipótese é uma explicação sugerida para um evento, que pode ser testada. Hipóteses, ou explicações provisórias, geralmente são produzidas dentro do contexto de uma teoria científica. Uma teoria científica é uma explicação geralmente aceita, exaustivamente testada e confirmada para um conjunto de observações ou fenômenos. A teoria científica é a base do conhecimento científico. Além disso, em muitas disciplinas científicas (menos na biologia) existem leis científicas, muitas vezes expressas em fórmulas matemáticas, que descrevem como os elementos da natureza se comportarão sob certas condições específicas. Não há uma evolução de hipóteses por meio de teorias para leis, como se elas representassem algum aumento na certeza sobre o mundo. As hipóteses são o material do dia a dia com o qual os cientistas trabalham e são desenvolvidas dentro do contexto das teorias. As leis são descrições concisas de partes do mundo que são passíveis de descrições estereotipadas ou matemáticas.

Ciências naturais

O que você esperaria ver em um museu de ciências naturais? Sapos? Plantas? Esqueletos de dinossauros? Exposições sobre como o cérebro funciona? Um planetário? Gemas e minerais? Ou talvez todas as opções acima? A ciência inclui campos tão diversos como astronomia, biologia, ciências da computação, geologia, lógica, física, química e matemática (Figura\(\PageIndex{3}\)). No entanto, os campos da ciência relacionados ao mundo físico e seus fenômenos e processos são considerados ciências naturais. Assim, um museu de ciências naturais pode conter qualquer um dos itens listados acima.

Figura\(\PageIndex{3}\): Alguns campos da ciência incluem astronomia, biologia, ciência da computação, geologia, lógica, física, química e matemática. (crédito: “Editor de imagens” /Flickr)

Não há um acordo completo quando se trata de definir o que as ciências naturais incluem. Para alguns especialistas, as ciências naturais são astronomia, biologia, química, ciências da terra e física. Outros estudiosos optam por dividir as ciências naturais em ciências da vida, que estudam os seres vivos e incluem biologia e ciências físicas, que estudam matéria não viva e incluem astronomia, física e química. Algumas disciplinas, como biofísica e bioquímica, se baseiam em duas ciências e são interdisciplinares.

Inquérito científico

Uma coisa é comum a todas as formas de ciência: o objetivo final de “conhecer”. A curiosidade e a investigação são as forças motrizes para o desenvolvimento da ciência. Os cientistas buscam entender o mundo e a forma como ele opera. Dois métodos de pensamento lógico são usados: raciocínio indutivo e raciocínio dedutivo.

O raciocínio indutivo é uma forma de pensamento lógico que usa observações relacionadas para chegar a uma conclusão geral. Esse tipo de raciocínio é comum na ciência descritiva. Um cientista da vida, como um biólogo, faz observações e as registra. Esses dados podem ser qualitativos (descritivos) ou quantitativos (consistindo em números), e os dados brutos podem ser complementados com desenhos, imagens, fotos ou vídeos. A partir de muitas observações, o cientista pode inferir conclusões (induções) com base em evidências. O raciocínio indutivo envolve a formulação de generalizações inferidas da observação cuidadosa e da análise de uma grande quantidade de dados. Os estudos do cérebro geralmente funcionam dessa maneira. Muitos cérebros são observados enquanto as pessoas realizam uma tarefa. A parte do cérebro que acende, indicando atividade, é então demonstrada como a parte que controla a resposta a essa tarefa.

O raciocínio dedutivo ou dedução é o tipo de lógica usada na ciência baseada em hipóteses. No raciocínio dedutivo, o padrão de pensamento se move na direção oposta em comparação com o raciocínio indutivo. O raciocínio dedutivo é uma forma de pensamento lógico que usa um princípio ou lei geral para prever resultados específicos. A partir desses princípios gerais, um cientista pode extrapolar e prever os resultados específicos que seriam válidos desde que os princípios gerais fossem válidos. Por exemplo, uma previsão seria que, se o clima estiver ficando mais quente em uma região, a distribuição de plantas e animais deve mudar. Foram feitas comparações entre distribuições no passado e no presente, e as muitas mudanças encontradas são consistentes com o aquecimento do clima. Descobrir a mudança na distribuição é uma evidência de que a conclusão sobre a mudança climática é válida.

Ambos os tipos de pensamento lógico estão relacionados aos dois principais caminhos do estudo científico: ciência descritiva e ciência baseada em hipóteses. A ciência descritiva (ou descoberta) visa observar, explorar e descobrir, enquanto a ciência baseada em hipóteses começa com uma pergunta ou problema específico e uma resposta ou solução potencial que pode ser testada. A fronteira entre essas duas formas de estudo costuma ser confusa, porque a maioria dos esforços científicos combina as duas abordagens. As observações levam a perguntas, as perguntas levam à formação de uma hipótese como uma possível resposta a essas perguntas e, em seguida, a hipótese é testada. Assim, a ciência descritiva e a ciência baseada em hipóteses estão em diálogo contínuo.

Teste de hipóteses

Os biólogos estudam o mundo vivo fazendo perguntas sobre ele e buscando respostas científicas. Essa abordagem também é comum a outras ciências e é frequentemente chamada de método científico. O método científico foi usado até mesmo nos tempos antigos, mas foi documentado pela primeira vez pelo inglês Sir Francis Bacon (1561-1626) (Figura\(\PageIndex{4}\)), que estabeleceu métodos indutivos para investigação científica. O método científico não é usado exclusivamente por biólogos, mas pode ser aplicado a quase tudo como um método lógico de resolução de problemas.

Figura\(\PageIndex{4}\): Sir Francis Bacon é considerado o primeiro a documentar o método científico.

O processo científico normalmente começa com uma observação (geralmente um problema a ser resolvido) que leva a uma pergunta. Vamos pensar em um problema simples que começa com uma observação e aplicar o método científico para resolver o problema. Numa manhã de segunda-feira, um aluno chega às aulas e descobre rapidamente que a sala de aula está muito quente. Essa é uma observação que também descreve um problema: a sala de aula está muito quente. O aluno então faz uma pergunta: “Por que a sala de aula é tão quente?”

Lembre-se de que uma hipótese é uma explicação sugerida que pode ser testada. Para resolver um problema, várias hipóteses podem ser propostas. Por exemplo, uma hipótese pode ser: “A sala de aula está quente porque ninguém ligou o ar condicionado”. Mas pode haver outras respostas para a pergunta e, portanto, outras hipóteses podem ser propostas. Uma segunda hipótese pode ser: “A sala de aula está quente porque há uma falha de energia e, portanto, o ar condicionado não funciona”.

Depois que uma hipótese é selecionada, uma previsão pode ser feita. Uma previsão é semelhante a uma hipótese, mas normalmente tem o formato “Se.. então..” Por exemplo, a previsão para a primeira hipótese pode ser: “Se o aluno ligar o ar condicionado, a sala de aula não estará mais muito quente”.

Uma hipótese deve ser testável para garantir que seja válida. Por exemplo, uma hipótese que depende do que um urso pensa não é testável, porque nunca se sabe o que um urso pensa. Também deve ser falsificável, o que significa que pode ser refutado por resultados experimentais. Um exemplo de hipótese infalsificável é “O nascimento de Vênus por Botticelli é lindo”. Não há nenhum experimento que possa mostrar que essa afirmação é falsa. Para testar uma hipótese, um pesquisador conduzirá um ou mais experimentos projetados para eliminar uma ou mais das hipóteses. Isso é importante. Uma hipótese pode ser refutada ou eliminada, mas nunca pode ser provada. A ciência não lida com provas como a matemática. Se um experimento falhar em refutar uma hipótese, encontramos suporte para essa explicação, mas isso não quer dizer que, no futuro, uma explicação melhor não seja encontrada, ou que um experimento mais cuidadosamente planejado seja encontrado para falsificar a hipótese.

Cada experimento terá uma ou mais variáveis e um ou mais controles. Uma variável é qualquer parte do experimento que pode variar ou mudar durante o experimento. Um controle é uma parte do experimento que não muda. Procure as variáveis e os controles no exemplo a seguir. Como um exemplo simples, um experimento pode ser conduzido para testar a hipótese de que o fosfato limita o crescimento de algas em lagoas de água doce. Uma série de lagoas artificiais são preenchidas com água e metade delas são tratadas com a adição de fosfato a cada semana, enquanto a outra metade é tratada com a adição de um sal que se sabe não ser usado por algas. A variável aqui é o fosfato (ou falta de fosfato), os casos experimentais ou de tratamento são os tanques com adição de fosfato e os tanques de controle são aqueles com algo inerte adicionado, como o sal. Apenas adicionar algo também é um controle contra a possibilidade de adicionar mais matéria à lagoa ter um efeito. Se as lagoas tratadas mostrarem menor crescimento de algas, encontramos suporte para nossa hipótese. Se não o fizerem, rejeitamos nossa hipótese. Esteja ciente de que rejeitar uma hipótese não determina se as outras hipóteses podem ou não ser aceitas; simplesmente elimina uma hipótese que não é válida (Figura\(\PageIndex{5}\)). Usando o método científico, as hipóteses que são inconsistentes com os dados experimentais são rejeitadas.

Figura\(\PageIndex{5}\): O método científico é uma série de etapas definidas que incluem experimentos e observação cuidadosa. Se uma hipótese não for suportada por dados, uma nova hipótese pode ser proposta.

Exemplo\(\PageIndex{1}\)

No exemplo abaixo, o método científico é usado para resolver um problema cotidiano. Qual parte do exemplo abaixo é a hipótese? Qual é a previsão? Com base nos resultados do experimento, a hipótese é apoiada? Se não for suportado, proponha algumas hipóteses alternativas.

1. Minha torradeira não tosta meu pão.
2. Por que minha torradeira não funciona?
3. Há algo errado com a tomada elétrica.
4. Se algo estiver errado com a tomada, minha cafeteira também não funcionará quando conectada a ela.
5. Eu conecto minha cafeteira na tomada.
6. Minha cafeteira funciona.

Solução

A hipótese é #3 (há algo errado com a tomada elétrica) e a previsão é #4 (se algo estiver errado com a tomada, a cafeteira também não funcionará quando conectada à tomada). A hipótese original não é suportada, pois a cafeteira funciona quando conectada à tomada. Hipóteses alternativas podem incluir (1) a torradeira pode estar quebrada ou (2) a torradeira não estava ligada.

Na prática, o método científico não é tão rígido e estruturado quanto parece à primeira vista. Às vezes, um experimento leva a conclusões que favorecem uma mudança na abordagem; muitas vezes, um experimento traz questões científicas inteiramente novas para o quebra-cabeça. Muitas vezes, a ciência não opera de forma linear; em vez disso, os cientistas continuamente fazem inferências e generalizações, encontrando padrões à medida que suas pesquisas prosseguem. O raciocínio científico é mais complexo do que o método científico sozinho sugere.

Ciência básica e aplicada

A comunidade científica vem debatendo nas últimas décadas sobre o valor de diferentes tipos de ciência. É valioso seguir a ciência com o objetivo de simplesmente adquirir conhecimento, ou o conhecimento científico só vale a pena se pudermos aplicá-lo para resolver um problema específico ou melhorar nossas vidas? Esta questão se concentra nas diferenças entre dois tipos de ciência: ciência básica e ciência aplicada.

A ciência básica ou ciência “pura” busca expandir o conhecimento, independentemente da aplicação de curto prazo desse conhecimento. Não está focado no desenvolvimento de um produto ou serviço de valor público ou comercial imediato. O objetivo imediato da ciência básica é o conhecimento em prol do conhecimento, embora isso não signifique que, no final, ele possa não resultar em uma aplicação.

Em contraste, a ciência aplicada ou “tecnologia” visa usar a ciência para resolver problemas do mundo real, possibilitando, por exemplo, melhorar o rendimento de uma safra, encontrar uma cura para uma doença específica ou salvar animais ameaçados por um desastre natural. Na ciência aplicada, o problema geralmente é definido para o pesquisador.

Algumas pessoas podem perceber a ciência aplicada como “útil” e a ciência básica como “inútil”. Uma pergunta que essas pessoas poderiam fazer a um cientista que defende a aquisição de conhecimento seria: “Para quê?” Uma análise cuidadosa da história da ciência, no entanto, revela que o conhecimento básico resultou em muitas aplicações notáveis de grande valor. Muitos cientistas acham que uma compreensão básica da ciência é necessária antes que uma aplicação seja desenvolvida; portanto, a ciência aplicada depende dos resultados gerados pela ciência básica. Outros cientistas acham que é hora de abandonar a ciência básica e, em vez disso, encontrar soluções para problemas reais. Ambas as abordagens são válidas. É verdade que existem problemas que exigem atenção imediata; no entanto, poucas soluções seriam encontradas sem a ajuda do conhecimento gerado pela ciência básica.

Um exemplo de como a ciência básica e a aplicada podem trabalhar juntas para resolver problemas práticos ocorreu depois que a descoberta da estrutura do DNA levou à compreensão dos mecanismos moleculares que governam a replicação do DNA. Fitas de DNA, únicas em cada ser humano, são encontradas em nossas células, onde fornecem as instruções necessárias para a vida. Durante a replicação do DNA, novas cópias do DNA são feitas, pouco antes de uma célula se dividir para formar novas células. A compreensão dos mecanismos de replicação do DNA permitiu que os cientistas desenvolvessem técnicas de laboratório que agora são usadas para identificar doenças genéticas, identificar indivíduos que estavam na cena do crime e determinar a paternidade. Sem a ciência básica, é improvável que a ciência aplicada exista.

Outro exemplo da ligação entre pesquisa básica e aplicada é o Projeto Genoma Humano, um estudo no qual cada cromossomo humano foi analisado e mapeado para determinar a sequência precisa das subunidades de DNA e a localização exata de cada gene. (O gene é a unidade básica da hereditariedade; a coleção completa de genes de um indivíduo é seu genoma.) Outros organismos também foram estudados como parte desse projeto para obter uma melhor compreensão dos cromossomos humanos. O Projeto Genoma Humano (Figura\(\PageIndex{6}\)) se baseou em pesquisas básicas realizadas com organismos não humanos e, posteriormente, com o genoma humano. Um objetivo final importante acabou sendo o uso dos dados para pesquisas aplicadas em busca de curas para doenças geneticamente relacionadas.

Figura\(\PageIndex{6}\): O Projeto Genoma Humano foi um esforço colaborativo de 13 anos entre pesquisadores que trabalham em diversos campos da ciência. O projeto foi concluído em 2003. (crédito: Programas do Genoma Energético do Departamento dos EUA)

Embora os esforços de pesquisa tanto na ciência básica quanto na ciência aplicada sejam geralmente cuidadosamente planejados, é importante observar que algumas descobertas são feitas por acaso, ou seja, por meio de um acidente afortunado ou de uma surpresa sortuda. A penicilina foi descoberta quando o biólogo Alexander Fleming acidentalmente deixou aberta uma placa de Petri da bactéria Staphylococcus. Um molde indesejado cresceu, matando a bactéria. O molde acabou sendo Penicillium e um novo antibiótico foi descoberto. Mesmo no mundo altamente organizado da ciência, a sorte — quando combinada com uma mente observadora e curiosa — pode levar a avanços inesperados.

Relatando trabalhos científicos

Quer a pesquisa científica seja uma ciência básica ou uma ciência aplicada, os cientistas devem compartilhar suas descobertas para que outros pesquisadores expandam e desenvolvam suas descobertas. A comunicação e a colaboração dentro e entre as subdisciplinas da ciência são fundamentais para o avanço do conhecimento na ciência. Por esse motivo, um aspecto importante do trabalho de um cientista é disseminar resultados e se comunicar com colegas. Os cientistas podem compartilhar os resultados apresentando-os em uma reunião ou conferência científica, mas essa abordagem pode alcançar apenas os poucos que estão presentes. Em vez disso, a maioria dos cientistas apresenta seus resultados em artigos revisados por pares que são publicados em revistas científicas. Artigos revisados por pares são artigos científicos que são revisados, geralmente de forma anônima, por colegas ou colegas de um cientista. Esses colegas são indivíduos qualificados, geralmente especialistas na mesma área de pesquisa, que julgam se o trabalho do cientista é adequado ou não para publicação. O processo de revisão por pares ajuda a garantir que a pesquisa descrita em um artigo científico ou proposta de bolsa seja original, significativa, lógica e completa. As propostas de subsídios, que são solicitações de financiamento de pesquisa, também estão sujeitas à revisão por pares. Cientistas publicam seus trabalhos para que outros cientistas possam reproduzir seus experimentos em condições semelhantes ou diferentes para expandir as descobertas. Os resultados experimentais devem ser consistentes com as descobertas de outros cientistas.

Existem muitos periódicos e a imprensa popular que não usam um sistema de revisão por pares. Um grande número de periódicos on-line de acesso aberto, periódicos com artigos disponíveis sem custo, estão agora disponíveis, muitos dos quais usam sistemas rigorosos de revisão por pares, mas alguns deles não. Os resultados de quaisquer estudos publicados nesses fóruns sem revisão por pares não são confiáveis e não devem formar a base para outros trabalhos científicos. Em uma exceção, os periódicos podem permitir que um pesquisador cite uma comunicação pessoal de outro pesquisador sobre resultados não publicados com a permissão do autor citado.

Resumo

A biologia é a ciência que estuda os organismos vivos e suas interações uns com os outros e com seus ambientes. A ciência tenta descrever e compreender a natureza do universo no todo ou em parte. A ciência tem muitos campos; os campos relacionados ao mundo físico e seus fenômenos são considerados ciências naturais.

Uma hipótese é uma explicação provisória para uma observação. Uma teoria científica é uma explicação bem testada e consistentemente verificada para um conjunto de observações ou fenômenos. Uma lei científica é uma descrição, geralmente na forma de uma fórmula matemática, do comportamento de um aspecto da natureza sob certas circunstâncias. Dois tipos de raciocínio lógico são usados na ciência. O raciocínio indutivo usa resultados para produzir princípios científicos gerais. O raciocínio dedutivo é uma forma de pensamento lógico que prevê resultados aplicando princípios gerais. O fio condutor em toda a pesquisa científica é o uso do método científico. Cientistas apresentam seus resultados em artigos científicos revisados por pares publicados em revistas científicas.

A ciência pode ser básica ou aplicada. O principal objetivo da ciência básica é expandir o conhecimento sem qualquer expectativa de aplicação prática de curto prazo desse conhecimento. O objetivo principal da pesquisa aplicada, no entanto, é resolver problemas práticos.

Glossário

ciência aplicada

uma forma de ciência que resolve problemas do mundo real

ciência básica

ciência que busca expandir o conhecimento, independentemente da aplicação de curto prazo desse conhecimento

controle

uma parte de um experimento que não muda durante o experimento

raciocínio dedutivo

uma forma de pensamento lógico que usa uma declaração geral para prever resultados específicos

ciência descritiva

uma forma de ciência que visa observar, explorar e descobrir coisas

falsificável

capaz de ser refutado por resultados experimentais

hipótese

uma explicação sugerida para um evento, que pode ser testada

ciência baseada em hipóteses

uma forma de ciência que começa com uma explicação específica que é então testada

raciocínio indutivo

uma forma de pensamento lógico que usa observações relacionadas para chegar a uma conclusão geral

ciências da vida

um campo da ciência, como a biologia, que estuda os seres vivos

ciências naturais

um campo da ciência que estuda o mundo físico, seus fenômenos e processos

artigo revisado por pares

um relatório científico que é revisado pelos colegas de um cientista antes da publicação

ciência física

um campo da ciência, como astronomia, física e química, que estuda matéria não viva

ciência

conhecimento que abrange verdades gerais ou a operação de leis gerais, especialmente quando adquirido e testado pelo método científico

direito científico

uma descrição, geralmente na forma de uma fórmula matemática, para o comportamento de algum aspecto da natureza sob certas condições específicas

método científico

um método de pesquisa com etapas definidas que incluem experimentos e observação cuidadosa

teoria científica

uma explicação exaustivamente testada e confirmada para observações ou fenômenos

variável

uma parte de um experimento que pode variar ou mudar

Contribuidores e atribuições

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