La relación entre la QuÃmica y otras disciplinas cientÃficas
Objetivos: NCQ.1Reconoce las áreas de estudio relacionadas a la QuÃmica como Disciplina CientÃfica
NC.Q.1.2: Explica la relación entre las áreas de
estudio de las ramasde la QuÃmica tales como orgánica, analÃtica,
bioquÃmica y otras. ( 25 pts)
Originalmente
solo existÃa una Ciencia Natural. Con la adquisición de nuevos
conocimientos, ésta se dividió en diversas ramas, dando lugar a las
cuatro ciencias naturales clásicas: FÃsica, QuÃmica, BiologÃa y
GeologÃa. Desarrollos posteriores de las Ciencias Naturales clásicas
dieron lugar a nuevas especialidades [BioquÃmica, BiofÃsica, GeoquÃmica,
GeofÃsica, FÃsicoquÃmica (o QuÃmica-fÃsica), PaleontologÃa] como
hÃbridos de las anteriores. Desde hace unos años, la especialización se
está acentuando llegando a lo que considero tercera y cuarta
generaciones de Ciencias Naturales.
Los
cientÃficos de la naturaleza estudian la materia y la energÃa, asà como
la interacción entre las mismas. Las Matemáticas proporcionan sus bases teóricas. Muchas veces se ha calificado como “La Reina de las Ciencias”.
Posteriormente, con el desarrollo de las Ciencias Naturales, se
fueron estableciendo puentes entre ellas, creándose
especialidades hÃbrida. Recientemente ha surgido una tercera generación
de disciplinas cientÃficas derivadas.Entre ellas se pueden incluir BiologÃa Molecular,
AstrofÃsica, Ciencias Medio-ambientales, ToxicologÃa, Ciencia de los
Materiales, Nanociencia, entre otras. Actualmente la especialización de cada
ciencia es muy grande y el objeto de su estudio se está restringiendo.
La
frase que a veces mencionan los quÃmicos: “Todo lo que nos rodea, todo
lo que usamos cada dÃa, incluso nosotros mismos, es QuÃmica”, lleva
implÃcito la cotidianeidad de nuestra vida diaria.
Hay
muchas cosas que están fuera del ámbito de la QuÃmica. Antes he comentado que la energÃa y sus
interacciones son el objeto de estudio de los cientÃficos. Para explicar
la naturaleza, los cientÃficos [principalmente los fÃsicos, a partir de
las geniales investigaciones de Faraday (también quÃmico por sus
investigaciones y uno de los más grandes cientÃficos experimentales) y
de Maxwell (sentando las bases teóricas-matemáticas)] usamos la TeorÃa
de Campos, que proporciona la base teórica para entender la energÃa, las
fuerzas y las interacciones. Hasta que se consiga unificar todos los
campos de fuerza en una única teorÃa, las interacciones existentes en el
Universo se clasifican dentro de uno de estos cuatro tipos:
gravitatoria, electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte. Cada una
de estas interacciones actúa en determinadas circunstancias y son
responsables de ciertos fenómenos naturales. Por ejemplo, la interacción
fuerte es la responsable de que los protones y neutrones se mantengan
en el núcleo y la interacción débil es la responsable de la
radiactividad β y de iniciar
las reacciones termonucleares. Estas dos interacciones son de muy corto
alcance.
La
interacción gravitatoria [la primera fuerza en describirse (Newton)]
fue, durante mucho tiempo, una gran desconocida. Einstein, con la TeorÃa
General de la Relatividad, dio una explicación del origen de esta
interacción (aunque aún queda mucho por investigar en este campo). Esta
interacción actúa a todas las distancias y es la responsable de que los
objetos celestes estén dónde están y se muevan como se mueven, lo que
nos mantiene unidos a la superficie de la Tierra y la responsable de las
mareas (la atracción de la Luna sobre los océanos, ¡que son grandes
disoluciones acuosas!). La interacción gravitatoria es directamente
proporcional a la masa de los objetos (es decir, la cantidad de materia,
dependiente del número y del peso de las moléculas.
La
interacción electromagnética es la más estudiada y la que mejor se
comprende. Se debe a la interacción de partÃculas cargadas o neutras con
un momento magnético, es decir toda la materia “habitual”. La
interacción electromagnética es la responsable de que exista materia,
pues es la responsable de la formación de los enlaces entre los átomos y
de las interacciones no enlazantes. Realmente es la responsable de que
la materia no se deforme o rompa por la acción de la gravedad (se ha
escrito, aunque no sé si es rigurosamente cierto, que “de no existir la
cohesión entre las partÃculas del globo terráqueo, las fuerzas que
originan las mareas lo romperÃan”). Esta interacción es la que
interviene en la QuÃmica.
Realmente, ¿cual es el “sitio” de la QuÃmica?
“La QuÃmica entre la FÃsica y la BiologÃa”.
Asà comienza el “Libro de la QuÃmica Moderna” y el prefacio al mismo
(por Manfred Eigen, Premio Nobel en 1967) y tiene dos significados. Por
un lado, da idea de la centralidad de la QuÃmica como Ciencia y por
otro lado, intentamos ponernos a la altura de la BiologÃa y de la
FÃsica, que tienen dos grandes objetivos: entender la vida y el
Universo.
Sin
duda alguna, el objeto de estudio (la vida) de la BiologÃa es
apasionante, lo que tiene connotaciones materiales y espirituales para
el ser humano. Por otro lado, la FÃsica intenta descifrar las leyes que
rigen el Universo, desde el conjunto de galaxias hasta los componentes
más pequeños de la materia. El objeto de su estudio abarca dimensiones
desde 1026 m (tamaño aproximado del universo) hasta 10-16
m (tamaño de un quark, una partÃcula subnuclear). La FÃsica intenta
explicar la Naturaleza estableciendo leyes que se ajustan a los
principios de las interacciones de los cuatro campos fÃsicos:
gravitatorio, electromagnético, nuclear fuerte y nuclear débil. Uno de
los retos de la FÃsica es la unificación de todos los campos,
estableciendo una teorÃa única de campos.
Por
otro lado, en comparación con la FÃsica y la BiologÃa, la QuÃmica,
aparentemente, tiene objetos de estudio y objetivos más modestos. El
objeto de estudio de la QuÃmica son las moléculas, sus
constituyentes (los átomos), sus interacciones y propiedades. Aunque los
objetivos de la QuÃmica son modestos en comparación con los de la
FÃsica o la BiologÃa, es la ciencia que proporciona todas las
comodidades de nuestra vida diaria.
¿Cuáles
son los lÃmites de la QuÃmica? Puesto que el objeto de su estudio son
las moléculas y todo está hecho de moléculas, podemos pensar que la
QuÃmica estudia todo. Sin embargo, tradicionalmente, los lÃmites de la QuÃmica
los marca las Ciencias clásicas con las que hace frontera: la FÃsica y
la QuÃmica.
Se
ha dicho que la QuÃmica
empieza en la última capa electrónica y que el resto del átomo es “cosa”
de los fÃsicos. Es cierto que los electrones de la capa más externa
(electrones de valencia) son los que participan en las reacciones
quÃmicas, en la formación de enlaces y en las interacciones no
covalentes; y muchas veces se ha dejado de lado el papel del núcleo y
los electrones de las capas internas en el comportamiento quÃmico. Sin
embargo, los electrones de las capas más internas y (especialmente) los
núcleos no son inocuos en QuÃmica.
La QuÃmica Nuclear se explica por la teorÃas de
campo nuclear fuerte y débil y el comportamiento de los elementos
pesados se explica por la teorÃa cuántica-relativista, junto al hecho
de que el comportamiento de los electrones se explica por la teorÃa
electromagnética, puede llevar a la conclusión de que la QuÃmica puede
ser explicadas por la FÃsica en un planteamiento reduccionista.
La
otra frontera “clásica” de la QuÃmica está con la BiologÃa. El
descubrimiento de que los compuestos orgánicos no estaban ligados a
ninguna fuerza vital y que se podÃan preparar en el laboratorio [Wöhler
(1800-1882), sÃntesis de la urea en 1828] fue una revolución en QuÃmica.
A partir de ese momento, algunos quÃmicos se interesaron por la
sÃntesis orgánica (es decir, el arte y la técnica de preparar moléculas,
naturales o artificiales; basándose en los conocimientos sobre la
reactividad de los compuestos orgánicos) y en la QuÃmica Orgánica
estructural (posiblemente la teorÃa estructural de la QuÃmica Orgánica
es una de las mayores aportaciones intelectuales de los cientÃficos, a
la que no se le ha dado el valor que merece). Otros quÃmicos empezaron a
interesarse por las reacciones quÃmicas en los organismos vivos, siendo
el origen de la QuÃmica Biológica o BioquÃmica. Esta disciplina
cientÃfica se puede definir como la explicación quÃmica de los procesos
de la vida y se puede clasificar tanto como una parte de la QuÃmica como
de la BiologÃa. Más recientemente ha surgido una nueva disciplina, la
BiologÃa QuÃmica (Chemical Biology),
que, en mi opinión, veo como un invento y en la que no aprecio
diferencias con la BioquÃmica (o la QuÃmica Biológica, denominación más
antigua) o con la QuÃmica Bioorgánica (la parte de la QuÃmica Orgánica
interesada en las moléculas de interés biológico). A partir de la mitad
del siglo XX, tras los experimentos de Avery (1877-1951) sobre la
identificación del ADN como portador de la información genética, y la
publicación del libro What is life?
de Schrödinger (1887-1961, Premio Nobel de FÃsica en 1933) nació una
nueva ciencia, la BiologÃa Molecular; que relacionada con la BioquÃmica,
se centra en el estudio de las moléculas responsables de la transmisión
de la información genética. Por su componente “molecular”, esta ciencia
deberÃa ser frontera entre la QuÃmica y la BiologÃa, pero los métodos y
técnicas usadas por los biólogos moleculares son, aparentemente, muy
distintos de los de los quÃmicos. A partir del “éxito” de la BiologÃa
Molecular han surgido muchas subdisciplinas de la BiologÃa que llevan el
adjetivo “molecular” [en el catálogo de revistas electrónicas del CSIC (http://bibliotecas.csic.es/revelectronicas/erevistas_busquedas.html)
hay un centenar de tÃtulos con este término], que es un ejemplo de lo
indicado al principio de este artÃculo sobre la alta especialización de
las disciplinas cientÃficas. Puesto que la QuÃmica es la Ciencia de las
moléculas, la QuÃmica también deberÃa tener relación con estas “nuevas”
especialidades cientÃficas (¿o es que los quÃmicos nos hemos dejado robar la palabra “molecular”?).
Está
claro que los lÃmites de cada Ciencia (especialmente la FÃsica, la
BiologÃa y la QuÃmica) son difusos y
cada vez lo serán más, debido a la mayor interdisciplinaridad de estas
Ciencias.
I. Contesta las preguntas a continuación en oraciónes completas.
1. ¿Cuáles son las ciencias naturales fundamentales?
2. Identifica las especialidades y como surgen.
3. ¿Cuáles son las 4 interacciones básicas del universo? ¿Cómo se producen?
4. ¿Cuál es el “sitio” de la QuÃmica?¿Qué estudia la biologÃa? ¿Qué estudia la fÃsica?
5. ¿ Cómo se originan las QuÃmica orgánica y Lla BioquÃmica?
6. Menciona otras disciplinas ue han surgido a partir de las ciencias naturales.
7. ¿ Qué establece el libro What is life?
de Schrödinge? ¿Qué premio obtuvo?
8. ¿Qué estudia la quimica nuclear? ¿Considera que es un planteamiento reducionista?
9. ¿Por qué los lÃmites de cada ciencia son difusos todavia en nuestros dÃas?
10. Si fueras a establecer una nueva especialidad dentro de la QuÃmica, ¿Comó la nombrarÃas?¿Por qué?
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