Los límites de la Química. Parte 2: la Química entre la Física y la Biología


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 connotaciones. Por un lado, dai dea de la centralidad de la Química como Ciencia y, por otro lado, la Química se pone a la altura de la Biología y de la Física, que tienen dos grandes objetivos: entender la vida y el universo. En este “post” uso esta frase para reflexionar sobre los límites y fronteras de la Química, que espero desarrollare n posteriores artículos.

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. 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.

En comparación con la Física y la Biología, la Química, aparentemente, tiene objeto 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 (con las excepciones comentadas en el “post” anterior; es decir, lo que está influido por los campos gravitatorios y los nucleares). 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 (yo, a veces, también lo he explicado así) 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. El ejemplo más importante es el de una especie sin electrones, que es fundamental en Química; es el catión del átomo de hidrógeno, el protón [aunque debido a su gran reactividad (acidez y electrofilia), generalmente se encuentra coordinado a otras especies]. Por otro lado, la posición de los núcleos, su carga y masas determinan las posiciones más estables de los electrones en los átomos (la región del espacio dónde hay mayor probabilidad de encontrar al electrón) y en las moléculas determinan los mínimos en las superficies de energía potencial (las configuraciones más estables de las moléculas). Además, la posición y masa de los núcleos influyen en propiedades físico-químicas importantes como las frecuencias de vibración y rotación de las moléculas [con las aplicaciones en espectroscopia infrarroja (IR), Raman y de microondas]. También es importante el núcleo en espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), que es una herramienta fundamental en el estudio estructural, especialmente de moléculas orgánicas; y que es debida al acoplamiento energético de un núcleo con momento magnético (los que tienen un número impar de neutrones o de protones) con un campo magnético externo. Los núcleos tienen importancia en cinética química (la parte de la Química Física que investiga las velocidades de reacción) pues influyen en los efectos isotópicos cinéticos (KIE, de sus siglas en inglés, Kinetic Isotope Effect). El KIE es una herramienta valiosa en la investigación de mecanismos de reacción (estudiar en detalle como los reactivos se convierten en productos de una reacción química). Se ha encontrado que la velocidad de una reacción química depende del isótopo (átomos de un mismo elemento químico con distinto número de neutrones) del elemento que participa en la etapa limitante de la velocidad de la reacción. Cuanto mayor sea la relación entre las masas de los dos isótopos, mayor es el efecto isotópico; por eso, el KIE más importantes se producen en las reacciones en las están implicados átomos de hidrógeno/deuterio. Un tema de interés actual en Química es como los efectos relativistas influyen en las propiedades químicas y químico-físicas de los átomos y moléculas; este hecho tiene especial importancia en los elementos pesados (y superpesados) del sistema periódico, dónde la velocidad de los electrones de las capas internas es muy alta (cercana a la de la luz) y hay que tener en cuenta las ecuaciones de la Teoría de la Relatividad (teoría de Dirac de la mecánica cúantica relativista). Finalmente, esta discusión sobre la importancia del núcleo en Química no puede acabar sin mencionar la Química Nuclear. Aunque se ha apuntado que las interacciones nucleares son las responsables de la estabilidad/inestabilidad de los núcleos atómico y que estas son tema de la Física, también es cierto que la Química Nuclear es una parte importante de la Química, dónde investigan muchos químicos. De hecho, Otto Hahn (1879-1968, Premio Nobel de Química en 1946), el “padre” de la fisión nuclear, era químico de formación [Lise Meitner (1878-1968) sería la “madre”, injustamente olvidada por los Premios Nobel].

Estos últimos comentarios (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, que no comparto, pero que puede ser objeto de discusión en este blog.

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 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. En un próximo “post” discutiré la relación entre estas dos Ciencias y sus influencias mutuas. 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 en el “post” anterior 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 (realmente siempre lo han sido) y cada vez lo serán más, debido a la mayor interdisciplinaridad de estas tres Ciencias.

Nota sobre la distinción entre Química Física y Fisicoquímica.

En el artículo anterior comenté que hay ligeras diferencias entre Química Física y Fisicoquímica. Esta última la he considerado la traducción de Chemical Physics (quizás hubiese sido mejor traducirla como Física Química, pero esta denominación no la he encontrado en asignaturas, libros, etc., en castellano) y la anterior de Physical Chemistry. Yo, que soy químico orgánico, apenas “veo” diferencias entre las dos; pero las debe haber, cuando las dos disciplinas tienen diferentes categorías en la clasificación por materias de las revistas indexadas del Journal Citation Report (http://www.thomsonreuters.com/products_services/science/science_products/scholarly_research_analysis/research_evaluation/journal_citation_reports). Las diferencias entre una y otra son de matiz. La Química Física es una parte de la Química que usa los conceptos de la Física para explicar los fenómenos químicos. Por otro lado, la “Física Química” es la parte de la Física que estudia procesos químicos desde el punto de vista de la Física. Así, en las revistas de Física Química (Chemical Physics) se publican más artículos “teóricos”, “cuánticos” y de Física atómica y molecular.

Algunas lecturas recomendadas:

Potencias de diez. Sobre el tamaño relativo de los objetos del universo. P. Morrison y P. Morrison. Biblioteca Scientific American (Sabadell), 1984. Basado en el documental Powers of Ten. Un libro muy atractivo visualmente.

El libro de la Química moderna. J. Rudolph. Ediciones Omega (Barcelona), 1973. Lo leí cuando era adolescente y todavía lo sigo releyendo. Un libro muy bien escrito y traducido. Muy ameno, con mucha información de gran valor didáctico. Aunque ya tiene 38 años (la edición original es de 1971), aún es un libro muy recomendable y útil.

The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals. L. Pauling. Cornell University Press, 2ª edición, 1948. Un clásico de uno de los químicos más importantes de la historia. Una página web recogiendo su obra sobre este tema es http://osulibrary.oregonstate.edu/specialcollections/coll/pauling/bond/.

Coulson’s Valence. R. McWeeny. Oxford University Press (Oxford), 3ª edición, 1979. El original de Coulson (1952) es un libro clásico de estructura atómica y molecular. Esta edición ha sido preparada por McWeeny, un físico-químico experto en teoría cuántica. Es un libro de referencia sobre el tema, con gran utilidad didáctica.

Oswald Avery and the Origin of Molecular Biology. N. Russell, British Journal for the History of Science 1988, 21, 393 (http://www.jstor.org/stable/4026959) y Erwin Schrödinger and the Origins of Molecular Biology. K. R. Dronamraju, Genetics 1999, 153, 1071 (http://www.genetics.org/cgi/reprint/153/3/1071). Dos artículos sobre los orígenes de la Biología Molecular.

Bernardo Herradón (herradon@iqog.csic.es)

14 respuestas en “Los límites de la Química. Parte 2: la Química entre la Física y la Biología

  1. Leonardo Jaramillo

    Interesante aporte sobre la asociación directa que existe entre la Biología, la Física y la Química, me parece muy relevante el hecho de buscar ajustar y concatenar eventos que de hecho están de una u otra manera integrados.

    De hecho coexistimos con todo aquello que nos rodea, es decir hace parte nuestra,¿ de que valdría tener sensores visuales, auditivos, táctiles, olfatorios entre otros, si no para establecer comunicación e intercambio con esa "parte" fundamental que es el medio que nos rodea? ,

    Es cierto, muchas situaciones y demás asuntos no son de nuestro gusto o ……

  2. Leonardo Jaramillo

    agrado, pero hacen parte del proceso por el cual pasamos, ¿ de que manera o actuación podríamos modificar "positivamente" el curso de muchos eventos?, esto me parece complejo, pero pienso encontrar un resultado halagador en la consideración integradora.

    "El hombre, en su orgullo, creó a Dios a su imagen y semejanza"

    F. Nietzsche

  3. carolina

    lo de que no compartes con lo de el reduccionismo , es verdad a si duela ya que por ello la fisica es llamada la ciencia fundamental, donde de sus leyes partes otras ciencias como la quimica y biologia, ya que ademas de estudiar la materia y sus interaciones tambien estudia y busca esplicar lo mas pequeño que pueda existir y que es la materia y sobre todo buscar las leyes que rigen todo el universo, por ello tiene otras ramas como la optica,electricidad,etc donde para que ocurra una reacion quimica es fundamental el calor,la elctricidad la luz etc que nada mas y nada menos son fenomenos fisicos.(fundamental es muy diferente a la mas importate , fundamental significa que tiene las leyes y conceptos basicos y alli parten las demas, yo creo que el conocimiento es mas perfecto cuanto mas puntos de vista tenga, gracias esta es mu humilde opinion.

  4. Bernardo Herradon

    Reduccionismo.

    Estimada Carolina,

    Muchas gracias por tu valioso comentario. Espero que según vaya avanzando en el blog pueda escribir algo sobre el reduccionismo, con la intención de escribir poco y esperar comentarios.

    El reduccionismo es una teoría/postura filosófica relativamente reciente y se presta a interpretaciones.

    Cualquier científico debe "defender" su ciencia y no intentar reducirla a una ciencia "más fundamental". Considero que puede haber químicos y se puede hacer buena investigación en Química (especialmente en áreas más "artísticas" como es la síntesis orgánica) sin conocimientos de Física; pero una sólida formación en Física nos hará mejores químicos (yo sería mejor si tuviese más conocimientos de Física y Matemáticas, que, aún a mi edad, intento adquirir).

    Mi opinión es intermedia entre el reduccionismo y la total independencia de la Química.

    Por otro lado, también hay muchos Químicos convencidos de que la Física no explica la Química y para ello ponen como ejemplo claro la incapacidad de explicar el sistema periódico a través de la mecánica cuántica (¿quizas la mecánica cuántica no es la teoría definitiva?). Quizás el más significativo en esta posición es Scerri, un filósofo de la Química, editor de Foundations of Chemistry y un experto en el sistema periódico (http://www.chem.ucla.edu/dept/Faculty/scerri/).

    Un libro interesante sobre los fundamentos físicos de la Química es "The Physical Basis of Chemistry" (Warren) (http://www.sciencedirect.com/science/book/9780127358550).

    Espero que podamos seguir escribiendo y recibiendo vuestros comentarios sobre reduccionismo en este blog.

  5. carolina

    Lo que sucede es que la fisica no solo tiene mecanica cuantica, todavia le falta por descubrir nuevas ramas, por ejemplo la teoria de la relatividad es un poco moderna, y revoluciono toda la ciencia, la fisica en realiadad es fundamental , y todo proceso quimico lleva consigo un proceso fisico fundamental, con decirte de que utilizan la materia ya estamos hablando de fisica(fisica ciencia que estudia la materia energia la luz etc y sus interaciones) , lo mismo si hablamos de tiempo espacio etc , por ello la fisica es la ciencia fundamental, y creo que no has entendido el reduccionismo ya que lo que se desea buscar es que de los conceptos fundamentales de la fisica partan las otras ciencias, y no se desea quitar el prestigio ni la importacia de la quimica, solamente es decir que todo se base en unas pocas pero poderosas leyes universales, de alli es lo que se esta buscando la teoria del todo, ( una importante teoria es la de cuerdas, si es verdad, toda la ciencia tiene conceptos fundamentales de fisica, ademas la quimica no puede explicar que es la luz(no se puede mirar el atomo, ya que son fotones), ni el color , ni la energia , que son conceptos base en quimica la fisica solamente es como el punto de partida de las otras ciencias, y toda ciencia es importante, ademas el profesor que usted dice es de los mismos especulativos, ya que antes de nacer la teoria cuantica de la relatividad se estaba aceptando que la fisica , no era fundamental pero con estas teorias revolucionarias se esta demostrando lo contrario, como digo fundamental solo significa que son los conceptos mas basicos que se pueda tener , es decir la base, ademas la fisica no esta completa y en el futuro se descubriran mas ramas y se abrira mas su forma de ver y estudiar el universo, y por decirte la fisica es la diciplina academica mas antigua(incluyendo la astronomia, ya que se toma como una rama de la fisica(cosmologia o astronomia),) eso es veridico si no consulta (wikipedia physics) y otras investigaciones, ademas tarde o temprano con alguna teoria se demostrara que la fisica es la ciencia fundamental.(fundamental es decir que parten de ella)

  6. carolina

    lo que sucede es que la fisica no solo tiene parte cuantitativa(regido por la matematicas), si no que ne cierta forma es cualitativa e impredecible (se utiliza la filosofia), por que un fenomeno fisico, se conosca o no se conosca es indiferente, sigue interactuando, por lo tanto si el ser humano no tuviera las matematicas es cierto que la fisica no seria exacta hasta depronto ni ciencia, pero hay que tener en cuenta que el fenomeno seguiria su rumbo es decir no se alteraria, todo ser humano y todo fenomeno en el universo esta regido por los fenomenos fisicos, ya que estamos en un tiempo, espacio y energia , y esto es lo mas fundamental del universo, la matematicas ayuda a la fisica como "ciencia", Rama del saber para tratar de dar una vision aproximada del mundo , pero no es el fenomeno el que en realidad es matematisado, si no es la forma subjetiva de como ver el ser mediante el analizis matematico el fenomeno, ademas la fisica no solo tiene su parte matematica , tambien tiene su parte abstracta , la que se denomina fisica teorica , que no es visto por los sentidos ni se puede experimentar a un , por ejemplo la teoria de la relatividad de einstein,la teoria de cuerdas,los universos paralelos, etc ademas te hago lo siguiente el universo , sus leyes y sus fenomenos son idependientes de que halla o no halla vida(por ejemplo otros planetas no tienen vida y son regidos por la leyes de la fisica), por lo tanto es independiente de que halla o no existan los seres humanos(una cosa es que transforme la naturaleza(nadie inventa o crea ya que todo lo saca de ella inventar o crear es sacar de la nada),por lo tanto es independiente de que la conoscan o no, por lo tanto si fueramos,ciegos,sordos,mudos,sin tacto no podriamos comenzar con el primer conocimiento el especular sensitivo, por lo tanto no existirian las ramas del saber(ojo rama del saber es diferente a fenomeno),como la filosofia,la matematicas,la fisica,quimica etc, pero los fenomenos si existirian,ademas hay una discucion filosofica si en realidad la matematicas existen naturalmente o es una vision del hombre idealista de tratar ver su realidad, haci que no cofunda lo abastracto con los fenomenos(ya que la matematicas es importante para la ciencia pero no para los fenomenos)

  7. Moisés

    los fenomenos existirán por sí solos,pero las "leyes" físicas se deben simplemente a la cabeza humana poniendo orden en lo que ve(y oye,toca,etc).en mi opinión, las matemáticas son más independientes de la mente humana que las leyes físicas, pues los teoremas en matemáticas surgen de forma necesaria(si no nos equivocamos al deducirlos) a partir de los axiomas, y las leyes físicas vienen de la observación, con los errores que eso conlleva.Además ten en cuenta que nunca se ha hecho ninguna teoría física que lo pueda explicar todo, es decir, la materia no sigue exactamente ni las leyes de la mecánica, ni las de la relatividad, ni las de la mecánica cuántica, ni creo que ninguna otra ley que podamos inventar.

    en resumen, que el fenomeno seguira actuando, pero como bien descubrió el pavo de bertrand russell, mañana las leyes podrían ser otras

  8. Moisés

    Historia del pavo inductivista por Bertrand Russell

    Este pavo descubrió que, en su primera mañana en la granja avícola, comía a las 9 de la mañana. Sin embargo, siendo como era un buen inductivista, no sacó conclusiones precipitadas. Esperó hasta que recogió una gran cantidad de observaciones del hecho de que comía a las 9 de la mañana e hizo estas observaciones en una gran variedad de circunstancias, en miércoles y en jueves, en días fríos y calurosos, en días lluviosos y en días soleados. Cada día añadía un nuevo enunciado observacional a su lista. Por último, su conciencia inductivista se sintió satisfecha y efectuó una inferencia inductiva para concluir: “Siempre como a las 9 de la mañana”. Pero ¡ay! Se demostró de manera indudable que esta conclusión era falsa cuando, la víspera de Navidad, en vez de darle la comida, le cortaron el cuello. Una inferencia inductiva con premisas verdaderas ha llevado a una conclusión falsa.

    No podemos utilizar la inducción para justificar la inducción

    http://ipes.anep.edu.uy/documentos/informatica/propuestas/Cincias_natur/propuesta_tres/CdeNat2/historia_russell.doc

  9. por carolina

    lo que deseo acerte entender, es que asi no existan las leyes fisicas, (nunca existira una ley de la fisica del todo, por la imperfecion del ser(ya que la ley fisica es del conocimiento , y muy diferente es el fenomeno fisico que es real), los fenomenos fisicos siguen siendo universales ya que lo mas basico del universo es la materia,la energia el tiempo espacio y las fuerzas y eso es el area de estudio de la fisica, por mas que duela(a mi me gusta la quimica y por cosa rara soy quimico), estamos gobernados por los fenomenos fisicos, la velocidad de la luz, la relatividad del universo, las ondas electromagneticas etc, nunca conoceremos el verdadero potencial de los fenomenos, pero lo unico que estamos seguros es que estan alli en el universo, y este es regido por ellos.

  10. martin jaramillo

    En un futuro no muy lejano sabremos que:

    El universo crece.

    La energía materia se reproduce.

    El tiempo es eterno.

    El tiempo y el espacio son distintos.

    No existen sino tres dimensiones espaciales.

    El espacio es infinito, tridimensional e indeformable.

    La energía oscura es la materia prima de la materia visible.

    No existe la energía oscura.

    El universo se expande aceleradamente porque gira sobre si mismo.

    La energía se crea y se recicla.

    El fondo cósmico de microondas no es el eco del bigbang sino la energía degradada.

    El Universo es mucho más grande de lo que siempre se ha creído.

    No habrá ni muertes térmicas ni desgarres.

    La velocidad de la luz no es constante ni en el vacio.

    Los agujeros negros no son eternos.

    Todos los agujeros negros explotan.

    Las explosiones de rayos gama son también consecuencia de las explosiones de agujeros negros.

    No existen realidades ni universos paralelos.

    La realidad existe independientemente del sujeto observador.

    Ver artículo completo:

    http://www.articuloz.com/ciencia-articulos/teoria-optimista-sobre-el-universo-1044310.html

    martinjaramilloperez@gmail.com

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