Loe raamatut: «Naturaleza de la Ciencia para Todos»

II

La estructura de la naturaleza

La naturaleza tiene ciertas características generales que todo científico profesional reconoce consciente o inconscientemente, independiente de la disciplina científica que cultive.

Por ejemplo, sabemos que todos los objetos naturales tienen una estructura. Que existe un nivel microscópico y un nivel de mayor escala. como el astronómico o cosmológico, pasando por el nivel más a “escala humana” y que estos niveles están conectados.

Así, por ejemplo, sabemos que lo que ocurre a nivel de nuestros órganos, como un cáncer al pulmón, puede tener un origen a nivel molecular, a consecuencia de la inhalación de compuestos orgánicos cancerígenos producto de la combustión de tabaco.

Sabemos que nuestra naturaleza presenta patrones, que tiene mecanismos, que no es caótica. También entendemos que la naturaleza abarca mucho más de lo que podemos percibir desde nuestros sentidos. Es necesario conocer todas las características generales anteriormente mencionadas, si queremos entender la naturaleza de la ciencia.

La necesidad que tiene el científico de conjeturar se debe precisamente a la estructura de la naturaleza, a todos los niveles inaccesibles a nuestros sentidos.

Como la naturaleza posee una estructura, las ideas de la ciencia también deben tener una estructura que la corresponda. Esas ideas sistematizadas son las teorías, por lo que la estructura del conocimiento científico se encuentra estrechamente ligada al orden de la naturaleza. Si queremos comprender la actividad científica, su lógica, cronología y su filosofía, tenemos en primer lugar que conocer también la estructura de su objeto de estudio.

En este texto usaremos como sinónimos los conceptos de “naturaleza”, “realidad material”, “universo” de forma consciente y con un fin didáctico. Tengo muy claro que estos términos en la filosofía pura no son precisamente sinónimos, pero como este libro no está orientado a ese público, espero que se me acepte esta concesión.

Una vez aclarado el punto, comenzaremos a analizar la estructura de la naturaleza, partiendo con los objetos que la constituyen, los objetos materiales.

II.1 Objetos materiales

Las llamadas ciencias naturales o factuales estudian la naturaleza, el universo o la llamada realidad material. Respecto de este último concepto, utilicé la palabra “material” para clarificar únicamente que las llamadas ciencias naturales estudian los hechos que se dan en nuestra realidad. Por otra parte la palabra “materia” tiene un correlato en Física y en Química, por lo que nos ayudará muchísimo a comprender la estructura de la naturaleza desde los aportes de estas ciencias.

El acercamiento que la mayoría de la gente tiene con la naturaleza son experiencias sensoriales. Los colores, aromas, sabores, sonidos y texturas son experiencias enriquecedoras, fuente de inspiración y confort psicológico. Estas percepciones son fundamentales también para conocer el medio que nos rodea. Así, por ejemplo, el infante conoce su entorno a través de su visión, tacto y su boca y así aprende que el limón es ácido, que la taza de té quema, que el agua es fría, que papá “pisa fuerte”. Cuando el infante ya es un niño, se da cuenta que los adultos son más altos que los niños, que el dinero sale de los cajeros automáticos, que las tablets se utilizan tocando la pantalla con los dedos, que los juguetes se intercambian por dinero en las tiendas, que gritar y llorar es una manera para salirse con la suya, que las hormigas marchan en fila y así sucesivamente.

El conocer parte de la naturaleza a través de los sentidos no es propio sólo de los niños. Los adultos somos capaces de conocer la naturaleza de la misma forma, aunque esa curiosidad propia de los niños se va lamentablemente extinguiendo con el tiempo en la mayoría de nosotros. Así, por ejemplo, los habitantes de la ciudad de Mar del Plata en Argentina saben que la presencia de espuma en las olas mar adentro es un indicador de la proximidad de lluvias; en Chile se sabe que las arañas se tienden a ocultar en los rincones y en tribus africanas saben que los leones le temen al color rojo.

¿Qué es lo que nos aportan los sentidos para comprender el medio natural? En primer lugar nos hace ver que la naturaleza está compuesta de una gran diversidad de cosas. Una gran diversidad de los que los filósofos suelen llamar “entes” o “seres”, es decir, objetos materiales. Usted se podrá dar cuenta que la gran mayoría de estos objetos son naturales aunque el hombre y algunos animales han creado objetos artificiales. En la Figura 1 usted podrá observar 2 objetos naturales y 2 objetos artificiales muy familiares para la mayoría de nosotros, respecto de estos últimos, uno de estos objetos fue creado por abejas y otro por seres humanos.

Figura 1. Objetos naturales y artificiales. (Fotografías de http://commons.wikimedia.org)

La Figura 1 puede parecer trivial respecto de los objetos que muestra, pero realizar las comparaciones entre todos estos objetos no es algo simple. Por ejemplo, tanto la piedra como el árbol son objetos naturales por cuanto, son producto de la evolución espontánea de la naturaleza, es decir, son productos de los cambios regidos por las “leyes naturales”. La piedra es producto de la solidificación del magma y la posterior erosión de la roca, producto del clima, la solidificación y fusión del agua, el roce del viento etc. Lo mismo pasa con el árbol el cual es producto de las propiedades de los seres vivos, las leyes de la división celular, la fotosíntesis y así sucesivamente. Detrás de estos objetos está la presencia de las leyes naturales, en donde no hay una intervención directa de ninguna inteligencia (salvo que nos refiramos al origen de estas leyes, en donde ahí rozamos aspectos de fe). De ahí viene la clasificación de objeto natural y si desea saber cómo se han formado todos los objetos naturales, tendría usted que apelar principalmente a 3 grandes teorías: la teoría del Big Bang para comprender el origen de los fotones y del hidrógeno, la teoría Atómico Molecular y la Núcleo-síntesis Estelar para entender el origen de los átomos más pesados y las moléculas y finalmente la teoría Sintética de la Evolución para comprender el origen de los organismos.

La teoría de la Evolución nos dice que nosotros los seres humanos estamos también dentro de la categoría de objeto natural, somos producto de la evolución de la materia, siendo los últimos seres en emerger naturalmente, al menos en este planeta hasta donde sabemos.

Análogamente, los objetos artificiales, fueron creados por una inteligencia, en el caso de la Figura 1 ya sea la inteligencia del hombre o el instinto de una abeja en el caso de la torre Eiffel o del panal respectivamente. Naturalmente una torre Eiffel no se hubiese formado por la mera evolución de la materia, como tampoco un panal, salvo que consideremos a los instintos de la abeja como parte de la evolución, ahí este análisis se haría más complejo.

A pesar que tanto el panal como la torre Eiffel son objetos creados, no podemos desconocer que los átomos y las moléculas con los cuales están construidos son de igual forma objetos naturales, es decir, el hombre puede crear objetos pero no puede crear las partículas materiales básicas que los conforman ni alterar las leyes naturales que rigen su comportamiento.

Los objetos de la Figura 1 podríamos clasificarlos de igual manera como objetos vivos o inertes. Es claro que el árbol siendo el único objeto vivo que representa la Figura 1, no necesariamente se tendría que clasificar como natural por tener vida, me explico. Actualmente, ninguna inteligencia conocida ha logrado crear un objeto vivo (ser vivo de ahora en adelante). Ahora bien, los científicos han avanzado bastante al respecto y ya han logrado sintetizar virus (Wimmer, Mueller, Tumpey & Taubenberger, 2009), sintetizar proteínas (Choudhury, Golovine, Dedkova & Hecht, 2007), han logrado “matar” una célula y volver a revivirla con reactivos químicos de laboratorio (Gibson et al., 2010) han logrado igualmente sintetizar cromosomas para células de levadura (Dymond et al., 2011). Quizás el día de mañana podamos hablar de seres vivos artificiales, por ahora los seres humanos no podemos crear seres vivos sino que simplemente podemos reproducir seres vivos mediante el apareamiento, para lo cual usted sabrá que más que inteligencia hay que apelar al instinto, a nuestra capacidad física y dejarle el resto a las leyes de la biología.

Independiente de la clasificación, todos los objetos de la Figura 1, están constituidos de la misma materia prima, átomos y moléculas. Independiente de si son objetos naturales o artificiales, independiente si le gusta o no mi clasificación, o si son seres vivos o inertes, todos ellos son objetos materiales. Las ciencias por lo tanto estudian los objetos materiales de la realidad. Este punto lo explicaremos con mayor detalle en los próximos capítulos, pero usted se podrá dar cuenta que la Biología por ejemplo estudia en general objetos materiales vivos e inertes, a diferencia de la Química la cual estudia átomos y moléculas independientemente si estas están formando parte de un sistema vivo o inerte.

En el siguiente esquema de la Figura 2 usted podrá observar tanto fotografías reales, como representaciones gráficas icónicas de objetos materiales.

Figura 2. Objetos materiales a distintos niveles, desde el subatómico al galáctico. (Fotografías de http://commons.wikimedia.org)

Los objetos materiales de la Figura 2 van desde la escala microscópica hasta un nivel cósmico. Todos ellos poseen la misma base material, es decir de partículas de electrones, protones, fotones, neutrones, etc. En el mundo microscópico, la Física se centra en el átomo y sus sub-partículas.

En la medida en que estos objetos se hacen más complejos, emergen las moléculas con nuevas propiedades, en donde la Química como disciplina científica estudia sus propiedades. El mundo de las macromoléculas y el mundo celular orgánico son terrenos principalmente de la Bioquímica y la Biología. Los seres vivos siguen siendo terreno de la Biología, salvo uno en especial, el ser humano respecto al cual emerge la Psicología y las Neurociencias, pasando por las sociedades de humanos donde la Sociología es la reina. Las sociedades de los otros seres vivos (ej: colonias, enjambres, manadas etc.) siguen siendo terreno de la Biología. Los objetos cósmicos, como los planetas, sistemas planetarios, galaxias y cúmulos galácticos quedan nuevamente en el mundo de la Física de gran escala donde predomina la física Newtoniana y la relatividad general de Einstein.

La estructura de la naturaleza nos muestra por lo tanto que está constituida de objetos materiales de distinto nivel. Por otra parte, estos objetos materiales están estrechamente relacionados mediante interacciones físicas, químicas o biológicas. Sin átomos no hay moléculas, sin moléculas no hay macromoléculas, células ni órganos y así sucesivamente. La realidad material es sistémica, es un sistema de objetos materiales y esa es la explicación por la cual las distintas ramas de la ciencia están, o debieran estar conectadas. Si no le queda del todo claro lo anterior tendremos que introducir el concepto de sistema para aclararlo. La afirmación que todas las ramas de la ciencia están conectadas genera un rechazo importante, principalmente en algunos círculos intelectuales dentro de las llamadas “Ciencias Sociales”. Ellas no son tema central de este libro, pero de todas formas no evadiremos el conflicto.

II.2 Sistemas materiales

Usted como persona no está aislado, sino que forma parte de sistemas, quizás el más próximo es su familia, donde usted interacciona con sus miembros. Con ellos se comunica, se ayuda mutuamente, colaboran en proyectos de vida, intercambian ideas, se entregan su amor, practican el altruismo, etc.

El ser humano está inserto en un sistema social, eso no cabe duda. Obviamente que existen las personas ermitañas, pero incluso estas personas no pueden vivir aisladas completamente ya que necesitan comer, dormir, necesitan de refugio, es decir, aunque no quieran relacionarse con los de su misma especie, sí necesitan relacionarse con otros seres vivos e inertes para poder sobrevivir.

Científicamente podemos decir que un ser humano necesita intercambiar materia y energía con los seres de su entorno. Lo mismo ocurre con todos los seres (u objetos como los denominamos en los capítulos anteriores) de la naturaleza. El herbívoro necesita de los vegetales y el carnívoro necesita del herbívoro, todos los animales necesitan de los carroñeros y todos necesitamos de los gusanos, bacterias e insectos. En última instancia todos necesitamos oxígeno, CO2 y ninguno de los seres vivos escapa de la necesidad directa o indirecta de la energía que nos aporta el sol.

Un objeto como un vegetal necesita intercambiar gases y energía con la atmósfera. Sin embargo, también el vegetal es en sí mismo un sistema ya que está compuesto de células. Estas células están intercambiando materia con sus vecinas, es decir, no son sólo un conjunto de células sino que forman parte de un sistema que las mantiene unidas, cohesionadas y vivas. La misma célula es un sistema compuesto de estructuras moleculares complejas, como por ejemplo su membrana, sus proteínas. Estos objetos macromoleculares al interaccionar le dan a la célula la capacidad de dividirse.

Por otra parte, en sí mismas estas moléculas se construyeron al enlazarse átomos, formando un nuevo sistema de núcleos de protones y neutrones, con electrones ubicados en sus respectivos orbitales. Ejemplo de esto es la molécula de agua, en donde dos átomos de hidrógeno se enlazan a un átomo de oxígeno formando un sistema molecular compuesto de 3 núcleos.

A distintos niveles podemos encontrar sistemas, tanto a nivel atómico molecular hasta el nivel del sistema solar, galaxias, cúmulos de galaxias. Tal como un árbol proyecta ramas, la naturaleza nos entrega distintas ramas en distintos niveles los cuales son todos sistemas, lo que intenta representar igualmente la Figura 2.

Es muy simple darse cuenta que estamos ante un sistema y no ante un conjunto. Así por ejemplo, cuando usted era niño y jugaba a las canicas, en su bolsillo usted tenía un conjunto de canicas, estos no eran un sistema por cuanto la presencia de una canica no afectaba en ningún aspecto la presencia de otra. Sus propiedades no se modifican en absoluto ya sea que usted tenga una o mil canicas. Si me permite la analogía de las canicas con los átomos (perdonen mis colegas químicos de profesión, pero esto tiene un propósito loable), en el caso de una molécula los átomos no son simples canicas formando un conjunto sino que estos están interaccionando ya que muchas de las propiedades de los átomos individuales se alteran al formar moléculas.

Para ejemplificar lo anterior basta con decir que un átomo aislado no vibra, sin embargo, cuando interacciona con otro formando una molécula, este podría vibrar. Sus electrones más internos cambian levemente su nivel de energía, pero sus electrones con los cuales forma los enlaces químicos cambian su distribución espacial y contribuyen a estabilizar este nuevo sistema, es decir, se hibridan como dirían los físicos y químicos cuánticos.

En la medida en que los objetos interaccionan para formar sistemas emergen algunas propiedades nuevas como también otras propiedades desaparecen. Así, por ejemplo el humano cuando está solo tiene la característica de disponer completamente de su tiempo. Sin embargo, cuando este se compromete, “pierde” esa libertad, pero emerge en él la capacidad de amar, reproducirse y comunicarse, procesos que no pueden hacerse solos. Acá tenemos entonces un claro ejemplo de propiedades emergentes y propiedades que se extinguen en la formación de un sistema.

En toda la naturaleza podemos ver el mismo patrón. El funcionamiento de una colmena es uno de los casos más maravillosos respecto de cómo interaccionan las partes (hormigas o abejas) para poder formar un sistema muy eficiente el cual es capaz de recolectar alimento para el invierno, cuidar huevos, crear puentes para sortear un obstáculo, reproducirse, etc., todo un sistema social.

Comprender que la naturaleza está estructurada en base a sistemas y que estos se manifiestan a distintos niveles (observable o inobservable, micro, macro o cosmológico) es fundamental para entender la actividad científica. Es evidente que para conocer la naturaleza, por lo tanto, es muy importante relacionar las partes de los sistemas que la componen, como además entender cómo interaccionan estas partes.

Para el caso de las hormigas, es muy importante conocer las propiedades de una hormiga aislada, como también conocer cómo esta interacciona con otras de su especie para sobrevivir y formar estos sistemas tan maravillosos que son sus colmenas, con sus propiedades que emergen cuando ellas interaccionan, cuando se dan sus relaciones de cooperación, de liderazgo, sumisión, su división de tareas.

Ningún objeto natural está aislado, estos se encuentran en estrecha relación con otros objetos materiales. Por ejemplo, el árbol se encuentra en estrecha relación con el sol, el aire, el suelo y el agua, de lo contrario moriría en poco tiempo. El árbol forma parte por lo tanto de un sistema, mejor llamado “ecosistema terrestre”, que quiere decir que el árbol es un objeto material que se relaciona con otros objetos materiales en un entorno en donde la relación común de todos ellos es en general la corteza terrestre. Esto es necesario por cuanto el árbol requiere como mínimo intercambiar materia y energía con su entorno, intercambia materia con el aire absorbiendo su CO2 y con el suelo absorbiendo agua y nutrientes, intercambia energía con el sol absorbiendo sus fotones y de pasada nos entrega O2, semillas y frutos.

Todo objeto material forma parte de sistemas y la ciencia nos muestra que eso es un patrón natural. Usted y yo como objetos materiales formamos parte de una familia, de un sistema social, económico y de un sistema “alimenticio” llamado cadena trófica. Desde un objeto tan pequeño como un átomo el cual forma parte de un cristal o de una molécula a través de fuerzas atractivas y repulsivas, hasta un objeto tan grande como una estrella la cual forma parte de un sistema planetario y de una galaxia unidos mediante un campo gravitatorio, no existen objetos que no intercambien al menos algo de energía con otros. La realidad, el universo, la naturaleza por lo tanto es sistémica. En la Figura 3 se muestran esquemas de 3 sistemas muy conocidos, un ecosistema a la izquierda, un sistema de juego de fútbol al centro y un esquema de un sistema de un cristal de diamante.

Como mencionamos anteriormente, un ecosistema es un sistema en sí donde los seres vivos e inertes se relacionan entre sí mediante el intercambio de masa y de energía.

Ahora bien, el sistema 4-4-2 del fútbol en la Figura 3 es un sistema por que los jugadores se mueven en bloque, mientras unos atacan otros defienden. Los mediocampistas se relacionan con los delanteros mediante pases-gol y a la vez con los defensas ya sea cubriendo los espacios o rotando el balón. Si cada jugador actuara por su cuenta, el equipo sería un caos y probablemente perdería.

Figura 3. Sistemas naturales y artificiales. A la izquierda tenemos un ecosistema terrestre, en el centro un sistema de juego futbolístico y a la derecha un sistema cristalino. (Fotografías de http://commons.wikimedia.org)

Finalmente en un diamante hablamos de un sistema, puesto que los átomos que lo componen interaccionan dándole una geometría especial que le entrega una alta dureza, elevados puntos de fusión y una alta rigidez.

Por otra parte, si analizamos un objeto individual independiente del sistema donde este se encuentre, nos damos cuenta que el objeto material es en sí mismo un sistema también. Por ejemplo usted y yo no sólo formamos parte de los sistemas anteriormente descritos sino que nuestro cuerpo humano es un sistema por sí solo. Somos un sistema compuesto de órganos como el corazón, pulmones, hígado, riñones, cerebro. Estos órganos deben intercambiar energía, gases, nutrientes, impulsos eléctricos, hormonas, etc., para sustentar nuestro ser. Evidentemente que este sistema maravilloso como el cuerpo humano debe interaccionar con el exterior para nutrirse, pero el punto es que distintos objetos materiales estrechamente relacionados conforman nuestro cuerpo.