Nelle loro ricerche, i biologi utilizzano numerosi strumenti e procedure. Tuttavia, a prescindere dalle tecniche impiegate, l’esplorazione scientifica della vita presenta alcune tappe ricorrenti e facilmente riconoscibili. Davanti a un fenomeno di cui non conoscono la causa, infatti, i biologi:

1. compiono osservazioni sistematiche;
2. formulano una domanda;
3. elaborano un’ipotesi, ossia una possibile soluzione alla domanda;
4. traggono previsioni dall’ipotesi;
5. controllano la validità delle previsioni con ulteriori osservazioni o esperimenti.

Questo procedimento conferisce un solido fondamento al progresso delle conoscenze biologiche e costituisce, nel complesso, quello che chiamiamo metodo scientifico.

Da sempre i biologi osservano il mondo circostante; oggi questa capacità è potenziata da tecniche sofisticate come la microscopia elettronica, l’analisi del DNA, le immagini ottenute con la risonanza magnetica o i satelliti per il posizionamento globale (▶figura 8).

Molti progressi della biologia moderna derivano da importanti innovazioni tecnologiche. Per esempio, prima dell’invenzione del microscopio era impossibile osservare i microrganismi presenti nei cibi; quando gli alimenti deperivano, formando muffe e larve, gli scienziati non sapevano a cosa fosse dovuto questo fenomeno, perché non ne vedevano la causa.

Secondo alcuni, le larve si formavano spontaneamente grazie a un principio vitale contenuto nell’alimento. Nel Seicento, però, lo scienziato italiano Francesco Redi (1626-1698) osservò che le larve non si formavano quando i cibi erano posti in un recipiente chiuso: questo perché le larve nascevano dalle uova delle mosche che si posavano sugli alimenti, non dagli alimenti stessi.

Dopo qualche giorno, tuttavia, anche nei contenitori chiusi si osservava la formazione di muffe. Da dove venivano? Erano generate spontaneamente dal cibo o provenivano, di nuovo, dalla contaminazione con qualcos’altro? A queste domande, sorte dall’osservazione, bisognava rispondere con una nuova ipotesi.

L’osservazione di un fenomeno, come la formazione delle muffe, fa sorgere delle domande, per rispondere alle quali gli scienziati compiono ulteriori osservazioni o approntano opportuni esperimenti. A guidare le nuove osservazioni o la progettazione degli esperimenti, però, c’è sempre un’ipotesi, ovvero una possibile soluzione alla domanda.

Come fa lo scienziato a formulare un’ipotesi? Egli mette insieme i fatti che già conosce: per esempio, i risultati di esperimenti compiuti in precedenza o dai suoi predecessori. Questo tipo di ragionamento, che parte da un insieme di conoscenze particolari per arrivare a una loro (provvisoria) generalizzazione, si chiama logica induttiva.

Quando Louis Pasteur (▶figura 9A) si trovò ad affrontare l’enigma delle muffe, fece tesoro delle conoscenze acquisite dagli scienziati che vennero prima di lui. Dalle osservazioni di Francesco Redi, sapeva che gli alimenti si deterioravano a causa di fattori esterni, provenienti dall’aria e non dal cibo stesso. Se non erano le mosche, doveva trattarsi di qualcosa di estremamente piccolo, che rimaneva intrappolato nel recipiente insieme all’aria. A questi organismi invisibili, che popolano l’aria, Pasteur diede il nome di spore.

Il passo successivo del metodo scientifico consiste nell’adottare un tipo diverso di ragionamento, la logica deduttiva, che permette di formulare previsioni ricavandole dalle ipotesi. L’ipotesi di Pasteur era che le muffe fossero causate dalle spore contenute nel pulviscolo dell’aria. Se questo era vero, allora la muffa non doveva formarsi quando si impediva alle spore di venire a contatto con il cibo. Ma come fare, se le spore erano appunto invisibili a occhio nudo?

Pasteur ideò il seguente esperimento: preparò un brodo ricco di sostanze nutritive e lo fece bollire in una boccia di vetro, da lui progettata, dotata di un lungo collo sottile a forma di S (▶figura 9B). In questo modo, il calore avrebbe ucciso tutte le spore presenti nel contenitore. Dopo qualche tempo le spore, trasportate dall’aria, avrebbero potuto ricominciare a entrare nel recipiente raffreddato: Pasteur, però, previde che esse sarebbero rimaste intrappolate nel tratto iniziale del collo, senza riuscire a raggiungere il brodo (▶figura 9C). È importante sottolineare che Pasteur dedusse la sua previsione non dall’osservazione, ma dalla sua ipotesi di partenza. Il suo ragionamento partiva quindi da una considerazione generale per giungere alla previsione su un caso particolare. Una deduzione consiste proprio in questo: è un ragionamento condotto dal generale al particolare.

Al contrario, un ragionamento che parta dai singoli fatti, dal particolare, per giungere a conclusioni generali si dice induzione; anche l’induzione ha un suo ruolo importante nel metodo scientifico, perché permette spesso di cogliere delle regolarità presenti in natura, vale a dire quelle che vengono chiamate leggi scientifiche. Una legge, tuttavia, non è una spiegazione, ma solo l’enunciazione del fatto che certi fenomeni si ripetono in modo prevedibile.

La previsione di Pasteur si rivelò esatta: anche dopo mesi, il brodo contenuto nella boccia rimaneva limpido e non si formava alcuna muffa.

Nella parte iniziale del recipiente, invece, si era accumulato il pulviscolo che, entrato dall’apertura, non era riuscito a superare il tratto ricurvo del collo.

Gli scettici risposero che la muffa non si era formata perché l’ebollizione aveva ucciso il principio vitale contenuto nel brodo.

Per rispondere a questa obiezione, Pasteur ripeté l’esperimento: questa volta, dopo l’ebollizione, ruppe il collo del recipiente, in modo che le spore potessero raggiungere il brodo (vedi ▶figura 9C).

Dopo qualche giorno, nonostante il riscaldamento subito, sul brodo si formava la muffa, dimostrando che questa era causata dalle spore.

Quando un’ipotesi viene confermata dagli esperimenti, lo scienziato può formulare una teoria generale, che spiega non solo il fenomeno osservato, ma tutti i fenomeni dello stesso tipo che saranno osservati anche in futuro. Nel caso di Pasteur, l’esperimento confermò la teoria della biogenesi, secondo cui la vita (come i microrganismi che compongono le muffe) nasce soltanto da altra vita (ovvero le spore contenute nell’aria) e non può generarsi spontaneamente a partire dalla materia inanimata.

La storia della scienza insegna che le teorie scientifiche non sono mai definitive, ma vanno incontro a continue trasformazioni, rivisitazioni e verifiche. Il fatto stesso che le teorie derivino da osservazioni ed esperimenti comporta che esse debbano sempre essere sottoposte a nuove prove, e che un giorno possano essere messe in discussione da ulteriori osservazioni.

Una teoria che venga costantemente verificata da esperimenti diversi si impone come un fatto scientifico. La teoria cellulare, per esempio, pur essendo il risultato di un procedimento analogo a quello descritto sopra (osservazione, ipotesi ed esperimento) si è imposta a tal punto che oggi consideriamo le cellule un fatto scientifico, sulla base del quale compiamo nuove osservazioni e formuliamo teorie più dettagliate, come quella della comunicazione cellulare. Lo stesso avviene con l’evoluzione delle specie, che da teoria è diventata un fatto scientifico fondamentale per la nostra indagine della natura: a partire da questo presupposto, la teoria evoluzionista cerca di formulare spiegazioni sempre più precise dei meccanismi evolutivi.

Altre volte, invece, uno strumento più preciso o una nuova prospettiva sull’oggetto di indagine portano lo scienziato a mettere in dubbio una teoria tradizionalmente accettata, e a cercare di modificarla o sostituirla con una più avanzata. Questa dinamicità delle teorie non intacca in alcun modo la loro autorevolezza; al contrario, è una garanzia di scientificità e rivela un carattere fondamentale del lavoro del ricercatore: la sua capacità di formulare domande sempre nuove e di porsi in modo critico nei confronti delle proprie conoscenze.

Un’apparente eccezione al metodo scientifico è costituita dalle scoperte avvenute in modo casuale, come quella della penicillina da parte di Alexander Fleming (1881-1955). Grazie a una coincidenza fortunata, infatti, Fleming si accorse che la contaminazione accidentale da parte di una muffa di una piastra batterica abbandonata aveva arrestato lo sviluppo dei batteri: egli scoprì così il primo antibiotico naturale e lo battezzò penicillina, in onore della muffa (l’ascomicete Penicillium notatum) che aveva la sorprendente capacità di uccidere i batteri (▶figura 10).

Casi come questo sono generalmente indicati come esempi di serendipità, ovvero di scoperte che giungono in modo casuale e inaspettato, quando il ricercatore stava studiando qualcos’altro. È innegabile che la fortuna giochi un ruolo importante in questi casi; a ben vedere, però, è necessario che lo scienziato abbia un’apertura mentale e una predisposizione tali da permettergli di riconoscere la scoperta. Come ammise lo stesso Fleming, se egli non fosse stato particolarmente interessato alla questione delle sostanze antibatteriche, la piastra contaminata sarebbe stata buttata via.