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 

Publicado el 16 de octubre de 2009 

herradon@iqog.csic.es