1.1 La science de la biologie

Objectifs d’apprentissage

Qu’est-ce que la biologie ? En termes simples, la biologie est l’étude de la vie. Il s’agit d’une définition très large, car la portée de la biologie est vaste. Les biologistes peuvent étudier n’importe quoi, de la vue microscopique ou submicroscopique d’une cellule aux écosystèmes et à l’ensemble de la planète vivante (Figure 1.2). En écoutant l’actualité quotidienne, vous vous rendrez compte rapidement des nombreux aspects de la biologie dont nous discutons chaque jour. Par exemple, les sujets de nouvelles récentes comprennent les éclosions d’Escherichia coli (Figure 1.3) dans les épinards et la contamination par Salmonella dans le beurre d’arachide. Parmi les autres sujets abordés, mentionnons les efforts visant à trouver un remède contre le SIDA, la maladie d’Alzheimer et le cancer. À l’échelle mondiale, de nombreux chercheurs sont déterminés à trouver des moyens de protéger la planète, de résoudre les problèmes environnementaux et de réduire les effets des changements climatiques. Toutes ces activités diverses sont liées à différentes facettes de la discipline de la biologie.

 

Le processus 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 d’autres disciplines scientifiques ? Nous pouvons définir la science (du latin scientia , qui signifie « connaissance ») comme des connaissances qui couvrent les vérités générales ou le fonctionnement des lois générales, surtout lorsqu’elles sont acquises et testées par la méthode scientifique. Il ressort clairement de cette définition que l’application d’une méthode scientifique joue un rôle majeur dans la science. La méthode scientifique est une méthode de recherche comportant des étapes définies qui comprennent des expériences et une observation attentive.

Nous examinerons en détail les étapes de la méthode scientifique plus tard, mais l’un des aspects les plus importants de cette méthode est la mise à l’essai d’hypothèses au moyen d’expériences reproductibles. Une hypothèse est une explication suggérée d’un événement, que l’on peut tester. Bien que l’utilisation de la méthode scientifique soit inhérente à la science, elle ne permet pas de déterminer ce qu’est la science. En effet, il est relativement facile d’appliquer la méthode scientifique à des disciplines comme la physique et la chimie, mais lorsqu’il s’agit de disciplines comme l’archéologie, la psychologie et la géologie, la méthode scientifique devient moins applicable à mesure que la répétition d’expériences devient plus difficile.

Toutefois, ces domaines d’études sont toujours des sciences. Considérez l’archéologie — même si on ne peut pas effectuer d’expériences reproductibles, des hypothèses peuvent encore être étayées. Par exemple, un archéologue peut émettre l’hypothèse qu’une culture ancienne existait en se fondant sur la découverte d’un morceau de poterie. Il ou elle pourrait formuler d’autres hypothèses au sujet de diverses caractéristiques de cette culture, qui pourraient être correctes ou fausses grâce à un appui continu ou à des contradictions d’autres constatations. Une hypothèse peut devenir une théorie vérifiée. Une théorie est une explication testée et confirmée d’observations ou de phénomènes. Par conséquent, il serait peut-être préférable de définir la science comme des domaines d’études qui tentent de comprendre la nature de l’univers.

Sciences naturelles

Qu’attendez-vous à voir 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 ? Peut-être tout ce qui précède ? La science englobe des domaines aussi divers que l’astronomie, la biologie, l’informatique, la géologie, la logique, la physique, la chimie et les mathématiques (Figure 1.4). Cependant, les scientifiques considèrent les domaines scientifiques liés au monde physique et à ses phénomènes et processus comme des sciences naturelles. Ainsi, un musée des sciences naturelles peut contenir n’importe lequel des objets énumérés ci-dessus.

Cependant, il n’y a pas d’accord complet lorsqu’il s’agit de définir ce que comprennent les sciences naturelles. 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 comprennent la biologie, et les sciences physiques, qui étudient la matière non vivante et comprennent l’astronomie, la géologie, la physique et la chimie. Certaines disciplines comme la biophysique et la biochimie s’appuient à la fois sur les sciences de la vie et les sciences physiques et sont interdisciplinaires. Certains qualifient les sciences naturelles de « sciences pures » parce qu’elles reposent sur l’utilisation de données quantitatives. Les sciences sociales qui étudient la société et le comportement humain sont plus susceptibles d’utiliser des évaluations qualitatives pour mener des enquêtes et des conclusions.

Il n’est pas surprenant que les sciences naturelles de la biologie aient de nombreuses branches ou sous-disciplines. Les biologistes cellulaires étudient la structure et la fonction cellulaire, tandis que les biologistes qui étudient l’anatomie étudient la structure d’un organisme entier. Cependant, les biologistes qui étudient la physiologie se concentrent sur le fonctionnement interne d’un organisme. Certains domaines de la biologie se concentrent uniquement sur des types particuliers d’êtres vivants. Par exemple, les botanistes explorent les plantes, tandis que les zoologistes se spécialisent dans les animaux.

Raisonnement scientifique

Une chose est commune à toutes les disciplines de science : un objectif ultime de « savoir ». La curiosité et la recherche sont les forces motrices du développement de la science. Les scientifiques cherchent à comprendre le monde et son fonctionnement. Pour ce faire, ils utilisent deux méthodes de pensée logique : 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 scientifique de la vie comme un biologiste fait des observations et les enregistre. Ces données peuvent être qualitatives ou quantitatives, et on peut compléter les données brutes par des dessins, des images, des photos ou des vidéos. À partir de nombreuses observations, le scientifique peut déduire des conclusions (inductions) fondées sur des données probantes. Le raisonnement inductif consiste à formuler des généralisations déduites à partir d’une observation attentive et à analyser une grande quantité de données. Les études sur le cerveau en fournissent un exemple. Dans ce type de recherche, les scientifiques observent de nombreux cerveaux vivants pendant que les gens participent à une activité particulière, comme la visualisation d’images d’aliments. Le scientifique prédit ensuite que la partie du cerveau qui « s’allume » au cours de cette activité est la partie qui contrôle la réponse au stimulus sélectionné, dans ce cas, des images d’aliments. L’absorption excessive de dérivés radioactifs du sucre par les zones actives du cerveau provoque l’ « éclairage » des différentes zones. Les scientifiques utilisent un scanneur pour observer l’augmentation de la radioactivité qui en résulte. Ensuite, les chercheurs peuvent stimuler cette partie du cerveau pour voir si des réponses similaires se produisent.

Le raisonnement déductif ou la déduction est le type de logique utilisé dans la science fondée sur des hypothèses. Dans le raisonnement déductif, le modèle de pensée évolue dans la direction opposée au raisonnement inductif. Le raisonnement déductif est une forme de pensée logique qui utilise un principe général ou une loi pour prédire des résultats précis. À partir de ces principes généraux, un scientifique peut déduire et prédire les résultats précis qui seraient valides tant que les principes généraux sont valides. Les études sur les changements climatiques peuvent illustrer ce type de raisonnement. Par exemple, les scientifiques peuvent prédire que si le climat se réchauffe dans une région donnée, la répartition des plantes et des animaux devrait changer.

Les deux types de pensée logique sont liés aux deux voies principales de l’étude scientifique : la science descriptive et la science fondée sur des hypothèses. La science descriptive (ou découverte), qui est habituellement inductive, vise à observer, à explorer et à découvrir, tandis que la science fondée sur des hypothèses, qui est habituellement déductive, commence par une question ou un problème précis et une réponse ou une solution potentielle que l’on peut mettre à l’essai. La frontière entre ces deux formes d’étude est souvent floue, et la plupart des travaux scientifiques combinent les deux approches. La limite floue devient évidente lorsque l’on pense à la facilité avec laquelle l’observation peut mener à des questions précises. Par exemple, dans les années 1940, un homme a observé que les graines qui collaient à ses vêtements et le pelage de son chien avaient une minuscule structure de crochet. En les regardant de plus près, il a découvert que le dispositif d’adhésion était plus fiable qu’une fermeture à glissière. Il a finalement essayé de trouver le meilleur matériau qui agissait de la même façon et a produit la fermeture auto-agrippante communément connue aujourd’hui sous le nom de Velcro. La science descriptive et la science fondée sur des hypothèses sont en dialogue continu.

La méthode scientifique

Les biologistes étudient le monde vivant en posant des questions à ce sujet et en cherchant des réponses fondées sur des données scientifiques. Connue sous le nom de méthode scientifique, cette approche est également commune à d’autres sciences. La méthode scientifique a été utilisée même dans l’antiquité, mais l’Anglais Sir Francis Bacon (1561—1626) l’a d’abord documenté (Figure 1.5). Il a mis en place des méthodes inductives pour la recherche scientifique. La méthode scientifique n’est pas utilisée uniquement par les biologistes ; les chercheurs de presque tous les domaines d’étude peuvent l’appliquer comme méthode logique et rationnelle de résolution de problèmes.

Le processus scientifique commence généralement par une observation (souvent un problème à résoudre) qui mène à une question. Pensons à un problème simple qui commence par une observation et appliquons la méthode scientifique pour résoudre le problème. Un lundi matin, un élève arrive en classe et découvre rapidement que la salle de classe est trop chaude. C’est une observation qui décrit aussi un problème : la salle de classe est trop chaude. L’élève pose ensuite une question : « Pourquoi la salle de classe est-elle si chaude ? »

Proposition d’une hypothèse

Rappelons qu’une hypothèse est une explication suggérée que l’on peut mettre à l’essai. Pour résoudre un problème, on peut proposer plusieurs hypothèses. Par exemple, une hypothèse pourrait être : « La salle de classe est chaude parce que personne n’a allumé la climatisation ». Cependant, il pourrait y avoir d’autres réponses à la question et, par conséquent, on peut proposer d’autres hypothèses. Une deuxième hypothèse pourrait être : « La salle de classe est chaude parce qu’il y a une panne d’électricité, et donc la climatisation ne fonctionne pas. »

Une fois que l’on a choisi une hypothèse, l’élève peut faire une prédiction. Une prédiction est semblable à une hypothèse, mais elle a généralement le format « Si… alors… ». Par exemple, la prédiction de la première hypothèse pourrait être : « Si l’élève allume la climatisation, alors la salle de classe ne sera plus trop chaude ».

Mise à l’essai d’une hypothèse

Une hypothèse valide doit pouvoir être testée. Elle devrait également être falsifiable, ce qui signifie que les résultats expérimentaux peuvent la réfuter. Fait important, la science ne prétend pas « prouver » quoi que ce soit parce que les connaissances scientifiques sont toujours sujettes à modification avec des renseignements supplémentaires. Cette étape — l’ouverture aux idées réprouvées — est ce qui distingue les sciences des non-sciences. La présence du surnaturel, par exemple, n’est ni testable ni falsifiable. Pour tester une hypothèse, un chercheur effectuera une ou plusieurs expériences visant à éliminer une ou plusieurs des hypothèses. Chaque expérience comprendra une ou plusieurs variables et un ou plusieurs témoins. Une variable est toute partie de l’expérience qui peut varier ou changer au cours de l’expérience. Le groupe témoin a toutes les caractéristiques du groupe expérimental, sauf qu’il n’est pas assujetti à la manipulation supposée par le chercheur. Par conséquent, si les résultats du groupe expérimental diffèrent de ceux du groupe témoin, la différence doit être attribuable à la manipulation supposée, plutôt qu’à un facteur externe. Recherchez les variables et les contrôles dans les exemples qui suivent. Pour tester la première hypothèse, l’élève doit savoir si la climatisation est allumée. Si la climatisation est allumée mais ne fonctionne pas, il devrait y avoir une autre raison, et l’élève devrait rejeter cette hypothèse. Pour tester la deuxième hypothèse, l’élève pourrait vérifier si les lumières de la salle de classe sont fonctionnelles. Dans l’affirmative, il n’y a pas de panne de courant et l’élève devrait rejeter cette hypothèse. Les élèves doivent tester chaque hypothèse en effectuant des expériences appropriées. Sachez que le rejet d’une hypothèse ne permet pas de déterminer si l’on peut ou non accepter les autres hypothèses. Elle élimine simplement une hypothèse qui n’est pas valide (Figure 1.6) [lien vers Biology 2e]. À l’aide de la méthode scientifique, l’élève rejette les hypothèses qui ne sont pas compatibles avec les données expérimentales.

Bien que cet exemple de « classe chaude » soit basé sur des résultats d’observation, d’autres hypothèses et expériences pourraient avoir des contrôles plus clairs. Par exemple, une élève pourrait assister à la classe le lundi et se rendre compte qu’elle avait de la difficulté à se concentrer sur le cours. Une observation pour expliquer cet événement pourrait être : « Quand je prends le petit déjeuner avant les cours, je suis mieux en mesure de faire attention. » L’étudiant pourrait alors concevoir une expérience avec un témoin pour tester cette hypothèse.

En science fondée sur des hypothèses, les chercheurs prédisent des résultats précis à partir d’une prémisse générale. Nous appelons ce type de raisonnement « déductif » : la déduction passe du général au particulier. Cependant, l’inverse du processus est également possible : parfois, les scientifiques tirent une conclusion générale à partir d’un certain nombre d’observations précises. Nous appelons ce type de raisonnement « inductif », et il passe du particulier au général. Les chercheurs utilisent souvent le raisonnement inductif et déductif en tandem pour faire progresser les connaissances scientifiques (Figure 1.7) [lien vers Biology 2e]. Au cours des dernières années, une nouvelle approche de vérification des hypothèses s’est développée à la suite d’une croissance exponentielle des données déposées dans diverses bases de données. À l’aide d’algorithmes informatiques et d’analyses statistiques de données dans les bases de données, un nouveau domaine de la « recherche sur les données » (aussi appelé recherche « in silico ») fournit de nouvelles méthodes d’analyse des données et de leur interprétation. Cela augmentera la demande de spécialistes en biologie et en informatique, une occasion de carrière prometteuse.

La méthode scientifique peut sembler trop rigide et structurée. Il est important de garder à l’esprit que, bien que les scientifiques suivent souvent cette séquence, il y a de la souplesse. Parfois, une expérience mène à des conclusions qui favorisent un changement d’approche. Souvent, une expérience apporte des questions scientifiques entièrement nouvelles au casse-tête. Souvent, la science ne fonctionne pas de façon linéaire. Au lieu de cela, les scientifiques tirent continuellement des inférences et font des généralisations, en identifiant des tendances au fur et à mesure que leurs recherches se poursuivent. Le raisonnement scientifique est plus complexe que la méthode scientifique ne le laisse supposer. Remarquez aussi que nous pouvons appliquer la méthode scientifique à la résolution de problèmes qui ne sont pas nécessairement de nature scientifique.

Deux types de science : Science fondamentale et science appliquée

La communauté scientifique a débattu depuis quelques décennies de la valeur des différents types de sciences. Est-il utile de poursuivre des recherches scientifiques pour simplement acquérir des connaissances, ou est-ce que les connaissances scientifiques n’ont de la valeur que si nous pouvons les appliquer à la résolution d’un problème particulier ou à l’amélioration de nos vies ? Cette question porte sur les différences entre deux types de sciences : la science fondamentale et la science appliquée.

La science fondamentale ou science « pure » vise à élargir les connaissances, peu importe l’application à court terme de ces connaissances. Elle n’est pas axée sur la mise au point d’un produit ou d’un service ayant une valeur publique ou commerciale immédiate. Le but immédiat de la science fondamentale est la connaissance dans l’intérêt du savoir, bien que cela ne signifie pas qu’en fin de compte, cela donnera lieu à une application pratique.

En revanche, la science appliquée ou la « technologie » vise à utiliser la science pour résoudre des problèmes du monde réel, ce qui permet, par exemple, d’améliorer le rendement d’une culture, de trouver un remède à une maladie particulière ou de sauver des animaux menacés par une catastrophe naturelle (Figure 1.8). En science appliquée, le problème est généralement défini pour le chercheur.

Certaines personnes peuvent percevoir la science appliquée comme « utile » et la science fondamentale comme « inutile ». Une question que ces personnes pourraient poser à un scientifique qui prônait l’acquisition de connaissances serait la suivante : « À quoi ça sert ? » Cependant, un examen attentif de l’histoire des sciences révèle que les connaissances de base ont donné lieu à de nombreuses applications remarquables de grande valeur. De nombreux scientifiques pensent qu’une compréhension fondamentale de la science est nécessaire avant que les chercheurs développent une application. Par conséquent, la science appliquée repose sur les résultats que les chercheurs génèrent grâce à la science fondamentale. D’autres scientifiques pensent qu’il est temps de passer de la science fondamentale pour trouver des solutions à des problèmes réels. Les deux approches sont valides. Il est vrai qu’il y a des problèmes qui exigent une attention immédiate ; cependant, les scientifiques trouveraient peu de solutions sans l’aide de la vaste base de connaissances que la science fondamentale génère.

Un exemple de la façon dont les sciences fondamentales et appliquées peuvent travailler ensemble pour résoudre des problèmes pratiques est survenu après la découverte de la structure de l’ADN qui a mené à une compréhension des mécanismes moléculaires régissant la réplication de l’ADN. Des brins d’ADN, uniques chez tous les humains, se trouvent dans nos cellules, où ils fournissent les instructions nécessaires à la vie. Lorsque l’ADN se réplique, il produit de nouvelles copies de lui-même, peu de temps avant qu’une cellule ne se divise. La compréhension des mécanismes de réplication de l’ADN a permis aux scientifiques de mettre au point des techniques de laboratoire que les chercheurs utilisent maintenant 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 Projet Génome Humain, une étude dans laquelle les chercheurs ont analysé et cartographié chaque chromosome humain pour déterminer la séquence précise des sous-unités d’ADN et l’emplacement exact de chaque gène. (Le gène est l’unité de base de l’hérédité représentée par un segment d’ADN spécifique qui code pour une molécule fonctionnelle. La collection complète de gènes d’une personne est son génome.) Les chercheurs ont étudié d’autres organismes moins complexes dans le cadre de ce projet afin de mieux comprendre les chromosomes humains. Le Projet Génome Humain (Figure 1.9) s’est appuyé sur la recherche fondamentale sur des organismes simples et, plus tard, sur le génome humain. Un objectif final important est finalement devenu l’utilisation des données pour la recherche appliquée, la recherche de remèdes et de diagnostics précoces pour des maladies génétiquement apparentées.

Bien que les scientifiques planifient habituellement soigneusement les efforts de recherche en sciences fondamentales et en sciences appliquées, notez que certaines découvertes sont faites par sérendipité, c’est-à-dire au moyen d’un accident chanceux ou d’une surprise chanceuse. Le biologiste écossais Alexander Fleming a découvert la pénicilline lorsqu’il a accidentellement laissé ouverte une boîte de Pétri de bactéries Staphylococcus. Une moisissure indésirable s’est développée sur le plat, tuant la bactérie. La curiosité de Fleming pour étudier la raison de la mort bactérienne, suivie de ses expériences, a conduit à la découverte de l’antibiotique pénicilline, qui est produite par le champignon Penicillium. Même dans le monde hautement organisé de la science, la chance, lorsqu’elle est combinée à un esprit observateur et curieux, peut mener à des percées inattendues.

Rapports sur les travaux scientifiques

Que la recherche scientifique soit une science fondamentale ou appliquée, les scientifiques doivent partager leurs conclusions afin que d’autres chercheurs puissent élargir leurs découvertes et s’appuyer sur celles-ci. La collaboration avec d’autres scientifiques (lors de la planification, de la réalisation et de l’analyse des résultats) est importante pour la recherche scientifique. Pour cette raison, des aspects importants du travail d’un scientifique sont la communication avec ses pairs et la diffusion des résultats à ses pairs. 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 quelques privilégiés qui sont présents. La plupart des scientifiques présentent plutôt leurs résultats dans des manuscrits évalués par des pairs qui sont publiés dans des revues scientifiques. Les manuscrits évalués par les pairs sont des articles scientifiques que les collègues ou les pairs d’un scientifique examinent. Ces collègues sont des personnes qualifiées, souvent des experts dans le même domaine de recherche, qui jugent si le travail du scientifique convient ou non à la publication. Le processus d’examen par les pairs permet de s’assurer que la recherche dans un document 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, font également l’objet d’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 d’approfondir les résultats.

Un article scientifique est très différent de l’écriture créative. Bien que la créativité soit requise pour concevoir des expériences, il existe des lignes directrices fixes pour la présentation des résultats scientifiques. Premièrement, la rédaction scientifique doit être brève, concise et exacte. Un article scientifique doit être succinct, mais suffisamment détaillé pour permettre aux pairs de reproduire les expériences.

Le document scientifique comprend plusieurs sections précises : introduction, matériels et méthodes, résultats et discussion (IMRD). Cette structure est parfois appelée le format « IMRD ». Il y a habituellement des sections de reconnaissance et de référence ainsi qu’un résumé (résumé concis) au début du document. Il peut y avoir d’autres sections selon le type de texte et la revue où il sera publié. Par exemple, certains documents de synthèse nécessitent un aperçu.

L’introduction commence par des renseignements brefs mais généraux sur ce qui est connu dans le domaine. Une bonne introduction donne également la justification du travail. Elle justifie le travail effectué et mentionne brièvement la fin de l’article, où le chercheur présentera l’hypothèse ou la question qui motive la recherche. L’introduction fait référence aux travaux scientifiques publiés par d’autres personnes et nécessite donc des citations suivant le style de la revue. Utiliser le travail ou les idées d’autrui sans citation appropriée est un plagiat.

La section sur les matériaux et les méthodes comprend une description complète et exacte des substances utilisées par les chercheurs, ainsi que de la méthode et des techniques qu’ils utilisent pour recueillir des données. La description doit être suffisamment détaillée pour permettre à un autre chercheur de répéter l’expérience et d’obtenir des résultats similaires, mais elle n’a pas besoin d’être verbeuse. Cette section comprendra également de l’information sur la façon dont les chercheurs ont effectué les mesures et les types de calculs et d’analyses statistiques qu’ils ont utilisés pour examiner les données brutes. Bien que la section sur les matériaux et les méthodes donne une description exacte des expériences, elle n’en traite pas.

Certaines revues exigent une section sur les résultats suivie d’une section de discussion, mais il est plus courant de combiner les deux. Si la revue ne permet pas de combiner les deux sections, la section des résultats décrit simplement les constatations sans autre interprétation. Les chercheurs présentent les résultats sous forme de tableaux ou de graphiques, mais ils ne présentent pas d’information en double. Dans la section de discussion, les chercheurs interpréteront les résultats, décriront comment les variables peuvent être reliées et tenteront d’expliquer les observations. Il est indispensable de mener une recherche documentaire approfondie pour situer les résultats dans le contexte de recherches scientifiques publiées antérieurement. Par conséquent, les chercheurs incluent également des citations appropriées dans cette section.

Enfin, la section des conclusions résume l’importance des résultats expérimentaux. Bien que le document scientifique réponde presque certainement à une ou plusieurs questions scientifiques soulevées par les chercheurs, toute bonne recherche devrait mener à plus de questions. Par conséquent, un document scientifique bien fait permet aux chercheurs et aux autres de poursuivre et d’approfondir les résultats.

Les articles de synthèse ne suivent pas le format de l’IMRAD parce qu’ils ne présentent pas de conclusions scientifiques originales ou de documentation primaire. Au lieu de cela, ils résument et commentent les constatations qui ont été publiées en tant que documentation principale et comprennent généralement des sections de référence détaillées.