La relación entre la Química y otras disciplinas científicas

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. Dependiendo del objeto de su estudio y la metodología empleada, las Ciencias Naturales se dividieron en Geología, Física, Química y Biología. Por encima de estas Ciencias Naturales y proporcionando sus bases teóricas están las Matemáticas, que muchas veces se ha calificado como “La Reina de las Ciencias”. Posteriormente, con el desarrollo de estas cuatro Ciencias Naturales, se fueron estableciendo puentes entre ellas, creándose especialidades híbridas: Química Física, Bioquímica, Biofísica, Geoquímica y Geofísica. Recientemente ha surgido una tercera generación de disciplinas científicas derivadas de algunas de las citadas anteriormente. Entre ellas se pueden incluir Biología Molecular, Astrofísica, Ciencias Medioambientales, Toxicología, Ciencia de los Materiales, Nanociencia, etc. Actualmente la especialización de cada ciencia es muy grande y el objeto de su estudio se está convirtiendo en cada vez más restringido. Por eso, cualquier científico que investigue en una de ellas y necesite “desplazarse” un poco de su ámbito científico, ya está haciendo investigación multidisciplinar (o interdisciplinar). Pero, ¿realmente existe esta multidisciplinaridad ¿ ¿Se llegará (en una especie de “Big-Bang” científico) a una investigación (más) generalista que la actual?

La frase que a veces mencionamos 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; y uno de los objetivos de los artículos de esta página web es que la Sociedad sea consciente de que la química aporta muchos beneficios a nuestras vidas.

Hay muchas cosas que están fuera del ámbito de la Química (al menos en una primera aproximación). 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 y tienen (relativamente) poco tienen que ver con la Química (¡excepto que se considere que el núcleo atómico no es tema de la Química o que la violación de la paridad por parte de la interacción débil, que posiblemente es el origen de la quiralidad de los compuestos químicos no es un asunto de la Química!,  esto se discutirá más adelante).

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) y no es importante en Química debido a que es una interacción mucho más débil que la interacción electromagnética.

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, como ya ha apuntado algún lector en el “post” anterior.

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 connotaciones. 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. En el resto del artículo usaré esta frase para reflexionar sobre los límites y fronteras de la Química, que espero desarrollar en 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. 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 (con las excepciones comentadas al inicio del artículo; 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, 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 proporción 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), el “padre” de la fisión nuclear (Lise Meitner (1878-1968) sería la “madre”, injustamente olvidada por los Premios Nobel], premio Nobel de Química (1946) era químico de formación.

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, y que será objeto de discusión de próximos artículos en esta página web.

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 (realmente siempre lo han sido) y cada vez lo serán más, debido a la mayor interdisciplinaridad de estas tres Ciencias.

Bernardo Herradón

Instituto de Química Orgánica General

CSIC

herradon@iqog.csic.es

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Comentarios (Ocultar)
  1. mary dice:

    gracias por toda la informacion encerio me ayudo mucho

  2. alexis dice:

    se paso de lanza la de quimica es un madral :(

(no será publicado)
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