Del átomo a la estructura de la vida.
La relatividad general y la mecánica cuántica son las dos grandes teorías sobre las que se basa la actual representación del Universo. Un universo dinámico y en expansión, que encuentra sus orígenes en el big-bang. Las observaciones astronómicas realizadas hasta la fecha han confirmado las previsiones teóricas de la cosmología contemporánea. Pero además la relatividad general y la mecánica cuántica no sólo han destruido los fundamentos sobre los cuales descansaban los pilares básicos de la racionalidad occidental en la época moderna y nos permiten explicar la estructura del Universo, sino que también se han constituido en el núcleo central de los desarrollos de la ciencia del siglo XX. La formulación de la ecuación de Einstein por la que la energía y la materia están directamente ligadas (E=mc2) fue el fundamento teórico para el desarrollo de la física nuclear, que ha dado lugar a las bombas atómicas, pero también a las centrales nucleares o la medicina nuclear. Aplicaciones científicas que han marcado la sociedad posterior a la Segunda Guerra Mundial hasta el punto de que numerosos autores hablan de la Era nuclear para significar el sistema internacional de la guerra fría basado en la disuasión nuclear.
L a mecánica cuántica está en la base de una nueva rama de la física que ha tenido desarrollos espectaculares en la segunda mitad del siglo: la física del estado sólido. Wolfang Pauli fue el primero en desarrollar la nueva estadística de los metales, a partir de la introducción del espín del electrón, Sommerfeld impulsó estos trabajos desde la dirección del Instituto de física de Munich entre 1927 y 1928. Mediante la utilización de la ecuación cinética de Boltzmann obtuvo las expresiones de las conductividades eléctrica y térmica, además de estudiar la emisión termoiónica y los efectos galvanomagnéticos y termomagnéticos. El avance de estos estudios desembocó en 1947 en el descubrimiento del transistor, por parte de Walter Brattain, John Bardeen y William Shockey en los laboratorios Bell de los Estados Unidos. La teoría de Sommerfeld presentaba fuertes dificultades dado su carácter semiclásico, al igual que sucediera con el modelo atómico de Bohr de 1913, debido a la combinación de la física clásica y de la teoría cuántica, como la estadística de Fermi y Dirac. La solución vino en la misma dirección que desembocaría en 1926-1927 en la mecánica cuántica: el abandono de la física clásica. Fue Felix Bloch, alumno de doctorado de Werner Heisenberg quien dio el paso fundamental que llevaría a la teoría de bandas, base sobre la que se edificó la física del estado sólido, al establecer que no todos los niveles energéticos del electrón permitían la conductibilidad.
De esta forma entre 1928 y 1933 se comprendió el por qué de los metales y los aislantes y la naturaleza de los semiconductores. Hechos que tenían una enorme transcendencia para el desarrollo de la electrónica, las telecomunicaciones, la física de los metales y de los sólidos en general, con aplicaciones en los sectores metalúrgicos y fotográfico. Estados Unidos fue el país donde estos nuevos desarrollos teóricos encontraron un caldo de cultivo propicio para la investigación aplicada, merced a la colaboración de la industria y la Universidad: así ocurrió con John Slater desde el MIT con la colaboración de General Electric, o los cursos sobre física de los metales desarrollados por la Universidad de Pittsburgh financiados por la Westinghouse. Paralelamente, se desarrolló la química cuántica, a partir de la publicación del artículo de Walter Heitler y Fritz London sobre la molécula de hidrógeno en 1927, que junto con los trabajos de Friedrich Hund, Robert Mulliken y John Lennard-Jones, sobre el modelo órbital-molecular del enlace químico, desembocaron en los trabajos de Linus Pauling sobre la naturaleza del enlace químico.
L a biología molecular es asimismo deudora de la física cuántica. Sin las técnicas de difracción de rayos X difícilmente se habría podido avanzar en el conocimiento de la estructura y funcionamiento de los procesos biológicos en el nivel molecular. En esta labor desempeñaron un papel pionero los británicos William Henry y William Lawrence Bragg. William Henry Bragg desentrañó en 1921 la estructura del naftaleno y del antraceno, mientras sus colaboradores Müller y Shearer investigaron la de los hidrocarburos. Su hijo William Lawrence Bragg se ocupó por esos años de la estructura de los minerales, sobre todo de los feldespatos. En 1938 Lawrence Bragg se hizó cargo de la dirección del laboratorio Cavendish en Cambridge, a raíz de la muerte de Rutherford en 1937, donde permaneció hasta 1953, convirtiendo el laboratorio de cristalografía en líder mundial de la física de materiales, con la ayuda financiera del Medical Research Centre. Las investigaciones impulsadas por Lawrence Bragg desembocaron en el descubrimiento de la estructura de la hemoglobina por Max Perutz entre 1953 y 1957. La aplicación de la difracción de rayos X permitió otro de los grandes logros científicos del siglo XX, el descubrimiento de la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN), la famosa doble hélice, por James Watson y Francis Crick en 1953 en el Cavendish. Dos acontecimientos que marcan la consolidación de la biología molecular y su transcendencia para el avance de las ciencias biomédicas.
E n el descubrimiento de la estructura del DNA desempeñó un papel de primer orden la química cuántica y uno de sus máximos representantes Linus Pauling, su concepción de la biología molecular derivaba de su formación como físico y su conocimiento de la teoría cuántica, según sus palabras ésta era: "una parte de la química estructural, un campo que estaba comenzando a desarrollarse cuando empecé a trabajar en la determinación de estructuras de cristales mediante difracción de rayos X en el California Institute of Technology en 1922". Pauling estaba convencido de que el futuro de la biología molecular pasaba por el conocimiento de la química de las macromoléculas, y que la clave de los procesos biológicos se encontraba en el comportamiento de los enlaces químicos de los átomos, especialmente del carbono. Esta convicción y la financiación de la Fundación Rockefeller concedida para investigaciones en el campo biomolecular desembocaron en 1950 en el descubrimiento por Pauling y Robert Corey de la estructura en forma de hélice de las cadenas de polipéptidos, base sobre la que se sustentaría el descubrimiento de la estructura de doble hélice del DNA.
Así pues, la mecánica cuántica ha permitido mediante el conocimiento del comportamiento de los fenómenos atómicos y de la estructura de la materia el desarrollo de nuevas disciplinas como la física de altas energías o la electrodinámica cuántica, o ha posibilitado importantes avances en múltiples disciplinas, desde la biología molecular y la bioquímica a la informática o la superconductividad. Avances que están en la base de algunas innovaciones tecnológicas más trascendentes de los últimos treinta años y que nos sitúan a las puertas de desarrollos aún más espectaculares. La mecánica cuántica ha permitido en el ámbito de la biología molecular avances sustanciales que han desembocado en el conocimiento de la estructura del DNA y en el comportamiento de los procesos bioquímicos básicos en el interior de la célula, contribuyendo de manera decisiva a la nueva teoría evolutiva que se ha levantado sobre la base de los resultados de la genética mendeliana y de la reinterpretación de la teoría darwinista.
El eclipse del darwinismo.
Si a la altura de 1875 las tesis darwinistas se habían abierto camino en la comunidad científica y extendido su influencia a los sectores ilustrados de la sociedad europea, vencidas las iniciales resistencias de los antidireccionalistas, a finales de siglo el darwinismo vio erosionado su prestigio entre los naturalistas, fruto del resurgimiento del neolamarckismo y de la ortogénesis.
En el cambio de siglo los oponentes a la selección natural estaban convencidos de la decadencia de la teoría darwinista como modelo explicativo del origen y evolución de los organismos vivos. Los principales argumentos en contra del darwinismo pueden resumirse en la discontinuidad del registro fósil, los cálculos de Kelvin sobre la edad de la Tierra, el problema de la existencia de estructuras no adaptativas, la aparente regularidad artificial de algunos mecanismos evolucionistas, las dificultades para explicar la variación y el argumento de la herencia mezclada. La selección natural se basaba en la afirmación de que los caracteres aparecían y se consolidaban en función de su valor en la lucha por la supervivencia. La existencia de caracteres no adaptativos constituía algo difícilmente explicable sobre la base del primado que la teoría darwinista atribuía a la adaptabilidad al medio en el proceso evolutivo. La excesiva regularidad artificial que parecía desprenderse de la selección natural fue otra objeción de peso debido a las dificultades para explicar la existencia de regularidades entre especies actuales muy alejadas entre sí o en el tiempo. Este problema fue uno de los argumentos claves para el desarrollo de la ortogénesis. Las variaciones entre individuos de la misma especie tampoco podían ser explicadas satisfactoriamente por el darwinismo, puesto que la combinación de selección natural y adaptabilidad al medio parecían apuntar a la uniformidad de los individuos de cada especie. El argumento de la herencia mezclada se constituyó en un ejemplo totalmente negativo para la selección natural, las mutaciones individuales no tenían ninguna significación en la evolución de la especie, en una época en la que la teoría mendeliana era todavía desconocida.
Finalmente, dos elementos ajenos a la propia teoría darwinista también contribuyeron a su declive. En primer lugar, la repugnancia que algunos naturalistas mantenían todavía respecto del carácter materialista que parecía apuntar la selección natural, el neolamarckismo y la ortogénesis ofrecían un espacio para la reintroducción de interpretaciones teístas, eliminando las desagradables consecuencias de una acción ciega de la Naturaleza. Por otra parte, otros naturalistas se mostraban profundamente en desacuerdo con los postulados del darwinismo social, que era derivado directamente de la selección natural, por el que se justificaba la superioridad racial, en un momento en el que las teorías raciales comenzaban a estructurarse dentro del núcleo matriz de determinados movimientos sociopolíticos o por los excesos en los que habían caído algunos partidarios de la antropología criminal y de las corrientes higienistas, a la hora de explicar los problemas de marginación social, sobre la base de la degeneración hereditaria.
El término neolamarckismo había surgido de la mano del norteamericano Alpheus Packard en 1885. Fue en Norteamérica donde esta corriente encontró se mayor difusión, sobre todo entre los paleontólogos. Las razones del resurgimiento de las tesis lamackianas pueden explicarse en dos grandes direcciones. De un lado, la mayor adecuación explicativa de las tendencias lineales observadas en el registro fósil. De otro, su capacidad para integrar la herencia de los caracteres adquiridos. La creencia de que el crecimiento individual (ortogenia) recapitula la historia evolucionista de la especie (filogenia) concordaba con la visión neolamarckiana de la variación y la herencia tal como fue enunciada por la ley biogenética de Haeckel y la ley de la aceleración del crecimiento de la escuela norteamericana. Para los neolamarckianos los caracteres adquiridos como consecuencia del desarrollo del individuo y de su capacidad de adaptabilidad al medio eran posibles por su incorporación en la edad adulta al plasma germinal, especie de célula madre en la que se depositaban los caracteres hereditarios. El neolamarckismo encontraba, por tanto, posibles puntos de contacto con la ortogénesis en su combate contra el darwinismo.
La ortogénesis compartía con el neolamarckismo la teoría de la recapitulación. La primera excluía la influencia del medio ambiente, mientras la segunda lo incorporaba a través del uso-herencia explicativo de los caracteres adquiridos. La ortogénesis significaba, según su principal difusor Theodor Eimer, una teoría basada en la evolución lineal no adaptativa. En otras palabras, la variación de las especies era debida a la existencia de una predisposición interna del organismo en sentido unidireccional, al postular que la naturaleza del organismo debía predisponerle a variar exclusivamente en una dirección determinada sin la intervención del medio ambiente. Para los ortogenistas cada una de las especies se regía por un patrón regular de desarrollo en el que la desaparición de una especie venía provocada por la senilidad de la misma. La argumentación de la ortogénesis respondía a un movimiento de más amplio alcance que engarzaba con la percepción de determinados círculos ilustrados europeos sobre la decadencia de la civilización occidental, que tras la hecatombe de la primera guerra mundial se abrió paso en amplios círculos de la opinión ilustrada. El éxito de La Decadencia de Occidente de Spengler es una clara manifestación de esta percepción.
El nacimiento de la Genética y la teoría de la evolución.
E l redescubrimiento en 1900 de las leyes de la mutación genética, establecidas por Mendel en 1865, cambió radicalmente la perspectiva sobre el problema de la evolución de las especies. Las cuestiones en torno a la variación y la herencia dejaron de ser contempladas desde la visión morfológica que había dominado a la teoría darwinista y al neolamarckismo. Por otra parte, se encontró una explicación consistente dentro de la genética mendeliana a la presencia de caracteres no adaptativos. Hugo de Vries fue el reintroductor de la genética mendeliana al postular su teoría de la mutación, que no hacía referencia a la selección al afirmar que eran los factores internos y no los externos los fundamentales en la evolución. Si bien es cierto que en los primeros pasos de la genética mendeliana, como en el caso de De Vries, no enlazaron con las teorías darwinistas, fue el desarrollo de la genética la que posibilitó la recuperación del darwinismo, eso sí con algunas importantes correcciones, a la hora de explicar el origen y evolución de los organismos vivos. Neolamarckismo y ortogénesis terminaron por desaparecer de la escena ante su imposibilidad de incorporar satisfactoriamente los resultados de la genética mendeliana. Apareció así la nueva síntesis moderna.
L a actual teoría de la evolución cristalizó a partir de las obras de Theodosius Dobzhansky Genetics and the Origin of Species (1937 y 1941); Ernst Mayr Sistematics and the Origin of Species (1942) y George G. Simpson Tempo and Mode in Evolution (1944), que en el campo de la genética, la zoología y la paleontología sentaron las bases de la nueva síntesis moderna. La genética de poblaciones se ha constituido en una de las disciplinas centrales de la moderna teoría evolutiva al suministrar modelos y parámetros relevantes del cambio evolutivo, mediante la distribución de las frecuencias de los genes en las poblaciones. Los desarrollos más recientes de Clegg y Epperson (1985) y Lewontin (1985) han puesto de manifiesto la inmensa variabilidad genética de las poblaciones naturales, al menos para genes estructurales que codifican enzimas, incorporando modelos estocástico-poblacionales (modelos de conducta de las poblaciones que se rigen probabilísticamente con dirección al azar). El potencial evolutivo de una población está determinado por la variabilidad genética presente en la población. La evolución se presenta cuando por mutación aparece un alelo más eficaz que el alelo salvaje correspondiente.
E l desarrollo de la biología molecular ha contribuido decisivamente a la nueva teoría de la evolución. El gen ha dejado de ser un punto en el cromosoma para transformarse en una secuencia de información bioquímica. El establecimiento del modelo estructural del DNA por Watson y Crick en 1953 permitió fijar el contenido informacional de los genes sobre la base de las secuencias de aminoácidos. El conocimiento de la estructura del DNA ha permitido avanzar la importancia de los procesos de replicación en la variabilidad molecular que dan lugar a mutaciones, así como la importancia de las regiones no codificadoras en el control de la expresión génica.
El proyecto del genoma humano actualmente en marcha ha sido posible gracias al desarrollo de la biología molecular. El alcance del proyecto del genoma constituye una de los grandes debates científicos del final del milenio. El conocimiento exacto de la estructura de cada uno de los genes y sus funciones y anomalías están permitiendo ya avanzar en el combate contra algunas de las enfermedades irreversibles del hombre, incluso antes de que se manifiesten. Son los casos del aislamiento del gen que interviene en el cáncer de colon, el problema de la hemofilia...
L a genética permite detectar la existencia de genes desencadenantes de enfermedades y establecer técnicas analíticas para la prevención precoz de enfermedades, como el cáncer, que de otra forma serían irreversibles. La ingeniería genética está a las puertas de lograr la corrección o eliminación de los genes defectuosos que están en la base de una variada gama de enfermedades. Sin embargo, la controversia surge ante el peligro de que el conocimiento preciso del genoma humano y el desarrollo de la ingeniería genética, posibiliten modificaciones dirigidas a alterar algunos de los rasgos de la herencia genética del hombre. En la actualidad la creación de nuevas especies vegetales o animales con el fin de incrementar la producción agraria es objeto de serios debates. Los criterios productivistas vinculados a los laboratorios de las grandes empresas del sector han provocado en numerosas ocasiones efectos perversos, por la sustitución de especies autóctonas que han terminado en la degradación del lecho ecológico con el consiguiente empobrecimiento del ecosistema.
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