Conferencia impartida en el Instituto de Química Orgánica General (4 de noviembre de 2009).

Bernardo Herradón

IQOG-CSIC

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¿Se puede innovar científicamente o tecnológicamente sin base científica? Valiendo la redundancia, la ciencia básica proporciona la base científica. ¿Aún perdura la dicotomía ciencia básica/ciencia aplicada? ¿Existe esta distinción? Cualquier persona con un mínimo de cultura científica estará de acuerdo con la frase de Louis Pasteur (1822-1895): “No existe una categoría de ciencia a la que podamos dar el nombre de ciencia aplicada. Hay ciencia y las aplicaciones de la ciencia, unidas como el fruto a su árbol”.

Por eso resulta sorprendente que el Sr. Rodríguez-Ibarra, una persona a la que se le supone formada e informada por su experiencia, pueda escribir de manera tan ignorante sobre ciencia básica e innovación. En un artículo del pasado 26 de octubre en el diario EL PAIS, el Sr. Rodríguez-Ibarra aplaude la decisión de la Ministra de Ciencia e Innovación de reducir la financiación básica y aumentar la de la aplicada. En dicho artículo el Sr. Rodríguez-Ibarra indica que “la investigación universitaria tiene un componente de básica que no puede seguir subvencionándose en tiempos de crisis”, desprecia el investigar “algunos fenómenos cuyo conocimiento nos puede hacer más cultos, pero que si no se investigan hoy se podrán demostrar mañana…..” , y propone “invertir en innovación, es decir, en gente que arriesgue y se proponga hacer cosas distintas que puedan ser convertidas en un proyecto empresarial”.

Cuando mi hijo (17 años) leyó el artículo comentó con su ironía habitual: “Qué inteligente es este señor, sólo se quiere centrar en el producto final sin gastar dinero ni energía en el camino”. Es decir, el Sr. Rodríguez-Ibarra propone una especie de teletransporte (por cierto, un fenómeno cuántico actualmente solo ciencia básica, pero que dará sus frutos en innovación) pasando del casi cero (la situación actual de la ciencia española) a las aplicaciones tecnológicas. Puesto que la finalidad de este blog es hablar de química, pondré dos ejemplos de lo que propone en Sr. Rodríguez-Ibarra en innovación química.

Una de ellas podría ser fabricar un medicamento que cure alguna enfermedad sin tratamiento actual (por ejemplo Chagas, Alzheimer, malaria, entre otras) sin conocer las causas que la provocan, sin diseñar moléculas para el tratamiento, sin sintetizar las moléculas, sin hacer ensayos biológicos in vitro, sin determinar las propiedades farmacológicas, sin hacer ensayos clínicos.

Otro ejemplo. Es conocido que el tamaño y la eficacia de los microprocesadores de ordenadores (que el Sr. Rodríguez-Ibarra habrá usado al escribir su artículo y que su construcción se basa en mucha investigación fundamental) está cercano a su límite basado en la tecnología del silicio. El futuro (aún no cercano) está en la computación molecular y cuántica. Estos últimos aún están en su desarrollo teórico por parte de los físicos (Ignacio Cirac es uno de los líderes en el campo) y se prevé que puedan fabricarse en 30-50 años. En los ordenadores moleculares, las expectativas están algo más cercana, pero no mucho. Bueno, pues el Sr. Rodríguez Ibarra, en su artículo sobre innovación sin investigación, propone construir ordenadores moleculares sin pensar en las características moleculares del material a usar, sin preparar los compuestos químicos, sin estudiar interacciones no-covalentes y reconocimiento molecular, y sin hacer los experimentos que prueben los conceptos.

Me gustaría contar una anécdota del gran Michael Faraday (1791-1867), que aunque no sea cierta parece adecuada para el asunto de este artículo (se non è vero, è ben trovato). Estaba enseñando sus experimentos sobre inducción electromagnética a un ministro, y éste le preguntó qué para que servía “eso”; a lo que Faraday contestó: “Aún no lo sé, pero seguro que en poco tiempo, estaremos pagando impuestos por ello”. Ni que decir tiene, que estos experimentos de ciencia básica fueron el origen de la producción industrial de electricidad. Con el planteamiento del Sr. Rodríguez-Ibarra aún estaríamos iluminándonos con lámparas de gas.

En ciencia y sus aplicaciones no hay atajos. A menos que el Sr. Rodríguez-Ibarra se refiera a “innovación” a copiar patentes extranjeras y esperar que no nos pillen, o construir ladrillos dodecahédricos, o bandejas de camarero con formas trapezoidales; que serán muy útiles para los dos pilares de nuestra “economía de pies de barro”: la construcción y el turismo.

La trilogía I+D+i se lee de izquierda a derecha. No hay desarrollo sin investigación y no hay innovación sin I+D. Sólo los países con ciencia básica fuerte y con tradición (medible por el número de sus Premios Nobel en ciencias) generan beneficios a través de la innovación. Por eso en los países más avanzados, el presupuesto en ciencia básica para el año 2010 ha aumentado respecto a 2009. Como ejemplo sirve el presupuesto de Estados Unidos, dónde las dos principales agencias de financiación de la investigación básica (NIH y NSF) han aumentado sus presupuestos; lo que está de acuerdo con las palabras pronunciadas por el Presidente Obama en un discurso en la USA Nacional Academy of Science: “Hay quien considera que en estos duros momentos de crisis económica invertir en ciencia es un lujo. Discrepo totalmente. La ciencia es ahora más esencial para nuestra prosperidad, seguridad, salud, medioambiente y calidad de vida, de lo que nunca antes ha sido”.

La frase sobre “hacernos más cultos” es especialmente frustrante para personas como el autor de este artículo (y de muchos compañeros de este Weblog) que estamos dedicando esfuerzos y tiempo a la Cultura Científica (véase mi artículo en este blog o esta página web). Creo que una de las principales obligaciones de un dirigente político es la de aumentar la cultura de sus conciudadanos; como la cultura científica española es muy baja, esta tarea es especialmente necesaria en España.

Con propuestas como las que el Sr. Rodríguez-Ibarra hace en su artículo, ya entiendo por qué mi querida Extremadura no está a la cabeza de la Ciencia e Innovación mundial (ni española).

Quizás la clave esté en el párrafo final del artículo: “Ahora, cuando el proyecto y el líder pasan por dificultades, es el momento de decir que los de la última fila sabemos y queremos arrimar el hombro a cambio de nada”. ¿Se está postulando el Sr. Rodríguez-Ibarra como ministro o asesor? Por el bien de España espero que su oferta sea desestimada por trasnochada.

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

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El Premio Nobel de Química 2009 se ha concedido a los investigadores Venkatraman Ramakrishnan (doctor en física; nacido en la India, nacionalidad estadounidense, trabajando en el MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, Reino Unido), Thomas A. Steitz (doctor en biología molecular y bioquímica estadounidense profesor de biofísica molecular y bioquímica e investigador del Howard Hughes Medical Institute de la Yale University, Estados Unidos) y Ada E. Yonath (nacionalidad israelita, doctora en cristalografía de rayos-X e investigadora del Weizmann Institute of Science, Israel).

La investigación por la que han sido galardonados por el estudio de la estructura y función del ribosoma. El dogma central de la biología molecular, propuesto por Francis Crack, afirma que el DNA codifica (transcribe) el RNA mensajero y este la proteína (traducción). Aunque hay excepciones a este planteamiento (retrovirus, ribozimas, etc.), este es el mecanismo de expresión genética más frecuente y el producto final de la misma es una proteína que son la biomoléculas responsables de que las células (y la vida funcionen). La biosíntesis de proteínas se realiza en los ribosomas. Por lo tanto, el trabajo realizado por los tres investigadores galardonados es fundamental en entender las química a nivel molecular.

Sin embargo, por formación, por su posición profesional y por las áreas en las que publican, no podemos considerar que investiguen en química. En los últimos años el Premio Nobel de química se ha concedido frecuentemente a investigadores que no se pueden considerar que hagan investigación química (sólo por citar los más recientes: año 2008, proteínas fluorescentes; 2006, transcripción; 2004, degradación de proteínas; 2003, canales en membranas celulares; 1997, estudios sobre el ATP)

¿Es esto bueno o malo? Se puede ver desde las dos vertientes. La optimista: la química es una ciencia central que interacciona con otras disciplinas, extendiéndose hacia estas (según el comité Nobel hacia la biología). La pesimista: la química está perdiendo interés e influencia. En fin, puede haber opiniones para todos los gustos…

Bernardo Herradón

Instituto de Química Orgánica General

CSIC

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Resumen del I Curso de divulgación “Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad”

Autores: Bernardo Herradón y Carlos Miranda

Resumen_Curso_AQIS

Reseña del I Curso de divulgación “Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad”

Se ha publicado una reseña del curso en Anales de Química, 2009, 105, 159.