La relación entre la Química y otras disciplinas científicas
Objetivos: NCQ.1Reconoce las áreas de estudio
relacionadas a la Química como Disciplina Científica
NC.Q.1.2: Explica la relación entre las áreas de
estudio de las ramasde la Química tales como orgánica, analítica,
bioquímica y otras. ( 25 pts)
Originalmente
solo existía una Ciencia Natural. Con la adquisición de nuevos
conocimientos, ésta se dividió en diversas ramas, dando lugar a las
cuatro ciencias naturales clásicas: Física, Química, Biología y
Geología. Desarrollos posteriores de las Ciencias Naturales clásicas
dieron lugar a nuevas especialidades [Bioquímica, Biofísica, Geoquímica,
Geofísica, Físicoquímica (o Química-física), Paleontología] como
híbridos 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
científicos de la naturaleza estudian la materia y la energía, así 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 híbrida. Recientemente ha surgido una tercera generación
de disciplinas científicas derivadas.Entre ellas se pueden incluir Biología Molecular,
Astrofísica, Ciencias Medio-ambientales, Toxicología, 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 químicos: “Todo lo que nos rodea, todo
lo que usamos cada día, incluso nosotros mismos, es Química”, lleva
implícito la cotidianeidad de nuestra vida diaria.
Hay
muchas cosas que están fuera del ámbito de la Química. Antes he comentado que la energía y sus
interacciones son el objeto de estudio de los científicos. Para explicar
la naturaleza, los científicos [principalmente los físicos, a partir de
las geniales investigaciones de Faraday (también químico por sus
investigaciones y uno de los más grandes científicos experimentales) y
de Maxwell (sentando las bases teóricas-matemáticas)] usamos la Teoría
de Campos, que proporciona la base teórica para entender la energía, las
fuerzas y las interacciones. Hasta que se consiga unificar todos los
campos de fuerza en una única teoría, 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 Teoría
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 partículas 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 partículas del globo terráqueo, las fuerzas que
originan las mareas lo romperían”). Esta interacción es la que
interviene en la Química.
Realmente, ¿cual es el “sitio” de la Química?
“La Química entre la Física y la Biología”.
Así comienza el “Libro de la Química 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 Química como Ciencia y por
otro lado, intentamos ponernos a la altura de la Biología y de la
Física, que tienen dos grandes objetivos: entender la vida y el
Universo.
Sin
duda alguna, el objeto de estudio (la vida) de la Biología es
apasionante, lo que tiene connotaciones materiales y espirituales para
el ser humano. Por otro lado, la Física 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 partícula subnuclear). La Física intenta
explicar la Naturaleza estableciendo leyes que se ajustan a los
principios de las interacciones de los cuatro campos físicos:
gravitatorio, electromagnético, nuclear fuerte y nuclear débil. Uno de
los retos de la Física es la unificación de todos los campos,
estableciendo una teoría única de campos.
Por
otro lado, en comparación con la Física y la Biología, la Química,
aparentemente, tiene objetos de estudio y objetivos más modestos. El
objeto de estudio de la Química son las moléculas, sus
constituyentes (los átomos), sus interacciones y propiedades. Aunque los
objetivos de la Química son modestos en comparación con los de la
Física o la Biología, es la ciencia que proporciona todas las
comodidades de nuestra vida diaria.
¿Cuáles
son los límites de la Química? Puesto que el objeto de su estudio son
las moléculas y todo está hecho de moléculas, podemos pensar que la
Química estudia todo. Sin embargo, tradicionalmente, los límites de la Química
los marca las Ciencias clásicas con las que hace frontera: la Física y
la Química.
Se
ha dicho que la Química
empieza en la última capa electrónica y que el resto del átomo es “cosa”
de los físicos. Es cierto que los electrones de la capa más externa
(electrones de valencia) son los que participan en las reacciones
químicas, 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 químico. Sin
embargo, los electrones de las capas más internas y (especialmente) los
núcleos no son inocuos en Química.
La Química Nuclear se explica por la teorías de
campo nuclear fuerte y débil y el comportamiento de los elementos
pesados se explica por la teoría cuántica-relativista, junto al hecho
de que el comportamiento de los electrones se explica por la teoría
electromagnética, puede llevar a la conclusión de que la Química puede
ser explicadas por la Física en un planteamiento reduccionista.
La
otra frontera “clásica” de la Química está con la Biología. El
descubrimiento de que los compuestos orgánicos no estaban ligados a
ninguna fuerza vital y que se podían preparar en el laboratorio [Wöhler
(1800-1882), síntesis de la urea en 1828] fue una revolución en Química.
A partir de ese momento, algunos químicos se interesaron por la
síntesis 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 Química Orgánica
estructural (posiblemente la teoría estructural de la Química Orgánica
es una de las mayores aportaciones intelectuales de los científicos, a
la que no se le ha dado el valor que merece). Otros químicos empezaron a
interesarse por las reacciones químicas en los organismos vivos, siendo
el origen de la Química Biológica o Bioquímica. Esta disciplina
científica se puede definir como la explicación química de los procesos
de la vida y se puede clasificar tanto como una parte de la Química como
de la Biología. Más recientemente ha surgido una nueva disciplina, la
Biología Química (Chemical Biology),
que, en mi opinión, veo como un invento y en la que no aprecio
diferencias con la Bioquímica (o la Química Biológica, denominación más
antigua) o con la Química Bioorgánica (la parte de la Química 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 Física en 1933) nació una
nueva ciencia, la Biología Molecular; que relacionada con la Bioquímica,
se centra en el estudio de las moléculas responsables de la transmisión
de la información genética. Por su componente “molecular”, esta ciencia
debería ser frontera entre la Química y la Biología, pero los métodos y
técnicas usadas por los biólogos moleculares son, aparentemente, muy
distintos de los de los químicos. A partir del “éxito” de la Biología
Molecular han surgido muchas subdisciplinas de la Biología 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 títulos con este término], que es un ejemplo de lo
indicado al principio de este artículo sobre la alta especialización de
las disciplinas científicas. Puesto que la Química es la Ciencia de las
moléculas, la Química también debería tener relación con estas “nuevas”
especialidades científicas (¿o es que los químicos nos hemos dejado robar la palabra “molecular”?).
Está
claro que los límites de cada Ciencia (especialmente la Física, la
Biología y la Química) 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 Química?¿Qué estudia la biología? ¿Qué estudia la física?
5. ¿ Cómo se originan las Química orgánica y Lla Bioquímica?
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 límites de cada ciencia son difusos todavia en nuestros días?
10. Si fueras a establecer una nueva especialidad dentro de la Química, ¿Comó la nombrarías?¿Por qué?
