2.4. Física atómica

El modelo atómico de Bohr fue uno de los primeros  modelos clásicos del átomo caracterizado porque en él los electrones orbitan alrededor del núcleo atómico, a semejanza de los planetas girando en torno al Sol.

Nos permite explicar la reactividad y los enlaces químicos de ciertos elementos, pero se trata tan sólo de un modelo aproximado, ya que los electrones se encuentran realmente en los denominados orbitales electrónicos.
Estos orbitales pueden definirse como aquellas áreas donde existe mayor probabilidad de encontrar un electrón en función de las ecuaciones matemáticas de la mecánica cuántica (ecuación de Schrödinger). Los orbitales atómicos son representados con formas relativamente complejas procedentes del hecho de que los electrones no se comportan únicamente como partículas, sino también como ondas. Por tanto, el término "órbita" del modelo de Bohr es reemplazado por el de "orbital atómico" en la descripción mecánico-cuántica.

A continuación, paso a describir cuatro conceptos fundamentales que emplea la mecánica cuántica para poder describir el estado de un electrón, pero no te preocupes, intentaré hacerlo de una manera sencilla para que puedas entenderlo, ya que mucha gente cuando lee la palabra “cuántica” suele sentir algo de recelo por la complejidad que puede conllevar intentar comprender esta rama de la física. Estos cuatro conceptos son cuatro números que indican, cada uno de ellos, una propiedad del electrón:

▣      Número cuántico principal (n): nos indica la energía del orbital, la capa y la distancia promedio del electrón al núcleo. Los valores que puede adquirir son números enteros: 1, 2, 3....

▣      Número cuántico de momento angular u orbital (l): nos muestra la “forma” del orbital, depende de n y toma valores enteros comprendidos entre 0 y (n-1).

Valor de l	Tipo de orbital	Forma del orbital
1	s	Esférica
2	p	Dos esferas achatadas
3	d	Cuatro lóbulos
4	f	Exóticas y complejas

▣      Número cuántico magnético (m_l): describe la orientación del orbital según los ejes (X, Y, Z) correspondientes a las tres dimensiones del espacio. Sus valores son enteros entre –l y +l, incluyendo el cero.

▣      Número cuántico de espín-electrónico (m_s): a diferencia de los anteriores es un número cuántico independiente que posee uno de estos dos valores: +1/2 y -1/2, los cuales, representan los dos posibles movimientos de giro del electrón, tanto en sentido horario como antihorario.

Nombre	Número cuántico	Valores permitidos
Número cuántico principal	n	1, 2, 3...
Número cuántico orbital	l	0, 1, 2, 3...n-1
Número cuántico magnético	ml	-l, (-l+1)...0...(l+1), l
Número cuántico de espín-electrónico	ms	1/2, -1/2

Imagínate que quisiéramos caracterizar una prenda de vestir, podríamos hacerlo por ejemplo, mediante estas cuatro características:

▶      Su diseño que nos indicará si se trata de un pantalón, una camisa, una chaqueta....

▶      Su talla que nos ayudará a conocer si se trata de una prenda para niños, adolescentes o adultos.

▶      Su color: blanco, rojo, negro...

▶      El tipo de tejido empleado: nylon, algodón, lana...

Con esta analogía, lo que quiero expresar es que del mismo modo que una prenda podría ser definida con las cuatro propiedades que he descrito arriba, un electrón queda caracterizado por sus cuatro números cuánticos, mediante ellos sabremos, dentro de un átomo, de qué determinado electrón estamos hablando y cuál es su posición en el espacio.

Según avanzamos en la tabla periódica, los elementos se sitúan aumentando sucesivamente en una unidad el número de electrones y cumpliendo dos principios fundamentales, que son el principio de exclusión de Pauli y la regla de Hund:

▣      El primero de ellos establece que no pueden existir dos electrones, en un mismo átomo, con sus cuatro números cuánticos iguales, es decir, no pueden estar en lo que se conoce más técnicamente como el mismo estado cuántico. Si no se cumpliese este principio el comportamiento químico de todos los elementos sería distinto y la naturaleza no sería como la conocemos.

▣      La regla de Hund es una regla empírica que enuncia que el llenado con electrones de los orbitales atómicos de igual energía se va a realizar de tal modo, que se tiende a tener el número máximo de electrones desapareados dentro de ese orbital, con el fin de proporcionar mayor estabilidad al átomo. En este sentido nos comportamos de modo similar a los electrones cuando nos subimos a un autobús. Te habrás dado cuenta que preferimos estar “desapareados” en los asientos de un bús, sin nadie junto a nosotros. Y sólo cuando ya no tenemos posibilidad de hacerlo es cuando nos sentamos al lado de otra persona, los electrones, en los orbitales atómicos, actúan de la misma manera.

Consideremos el caso del nitrógeno cuya configuración electrónica^[1] es 1s²2s²2p³, cuyos electrones se acomodan como sigue:

Puede observarse como en el caso del orbital p los electrones prefieren estar desapareados, y es que todos los orbitales en una capa (en nuestro ejemplo, la capa 2) deben encontrarse ocupados al menos por un electrón, antes de que se añada un segundo electrón a ese mismo orbital. Este hecho, y la regla de Hund que lo explica, surge con el propósito de que el átomo posea unas condiciones energéticas más estables.

---

[1] Establece el modo en el que se reparten los electrones entre los distintos niveles y orbitales.

Fuente: McGraw-Hill, Física Raymond A. Serway, 1993.
            McGraw-Hill, Química Raymond Chang, 1992.

2.3. Enlaces químicos

El enlace químico se define como aquella fuerza que une o enlaza a dos o más átomos del mismo o distinto elemento con la finalidad de constituir estructuras con un nivel superior de complejidad: las moléculas. Entre los enlaces más importantes que van a posibilitar la formación de macromoléculas biológicas, que estudiaremos con detalle posteriormente, se encuentran:

▣      Enlaces iónicos: formados entre iones con cargas opuestas. Un ejemplo clásico de este tipo de enlace lo constituye el cloruro sódico (NaCl), más comunmente conocido como sal de mesa. Esta molécula se forma por la ionización^[1] de los átomos de sodio (Na) y cloro (Cl), y la atracción de los iones resultantes.

▣      Enlaces covalentes: consisten en la compartición de electrones entre átomos para formar el enlace y satisfacer la regla del octeto^[2]. Los enlaces covalentes, a su vez, pueden dividirse en dos tipos:

1.     Enlaces covalentes polares: los electrones se encuentran desigualmente compartidos por los átomos (presentan distinta electronegatividad), de tal manera, que son más atraídos por uno de los núcleos que por el otro, con lo que una parte de la molécula se encuentra con una carga ligeramente positiva (δ+) y la otra, en cambio, ligeramente negativa (δ-). Un ejemplo sería la molécula de agua, en la que los dos átomos de hidrógeno  poseen una leve carga positiva y el oxígeno una leve carga negativa.

2.     Enlaces covalentes no polares: formados por dos átomos del mismo o diferente elemento los cuales comparten los electrones equitativamente. En el oxígeno molecular (O₂), por ejemplo, los electrones se distribuyen de manera igualitaria entre los dos átomos.

▣      Puentes de hidrógeno: interacciones débiles producidas entre el hidrógeno cargado positivamente y otros átomos (habitualmente nitrógeno y oxígeno) ligeramente negativos. Este tipo de enlace puede surgir entre distintas moléculas o dentro de la misma. Una de sus funciones más importantes es la unión de las dos hebras que constituyen la doble hélice de la molécula de ADN.

▣      Fuerzas de Van der Waals: atracciones débiles entre moléculas debidas al movimiento de electrones que producen, a su vez, ligeras fluctuaciones en las densidades electrónicas^[3] de estas moléculas, generándose así polos cargados positiva y negativamente. Contribuyen junto a los enlaces iónicos, covalentes y puentes de hidrógeno a la estructura tridimensional de las proteínas.

---

[1] Fenómeno por el que se producen iones.
[2] Establece que la gran mayoría de los átomos son más estables energéticamente cuando tienen ocho electrones en su capa electrónica más externa, también conocida como capa de valencia.
[3]  Probabilidad de encontrar un electrón en una cierta región del átomo

Fuente: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.

2.2. Algunas definiciones químicas

A continuación, voy a dar una serie de definiciones, básicas y sencillas, que nos permitan conocer los principios más fundamentales de la química atómica y que nos ayuden a entender otros conceptos que estudiaremos más adelante:

▣      Número atómico: nos indica el número de protones de un elemento concreto permitiéndonos distinguir unos de otros.

▣      Número másico: suma de protones y neutrones (los electrones se ignoran).

▣      Isótopo: aquellos átomos de un mismo elemento que conteniendo igual número de protones difieren en el número de neutrones.

▣      Masa atómica: se calcula a partir de los números másicos de los distintos isótopos de un elemento. Te daré un ejemplo de cómo se realiza su cálculo:

El Galio es un elemento químico con dos isótopos:  ⁶⁹Ga  y  ⁷¹Ga cuyas abundancias relativas son 60.2% y 39.8% respectivamente, su masa atómica es:

Masa atómica del Galio = [ (69*60.2) + (71*39.8) ] / 100 = 69.7 u, siendo u la unidad de masa atómica, la cual es aproximadamente la masa de un nucleón^[1].

▣      Radioisótopos: aquellos isótopos que consiguen una configuración electrónica más estable mediante la emisión de neutrones, protones y/o electrones.

▣      Tabla periódica: tabla en la que los elementos se hallan organizados en función de su número atómico y distribuidos en filas (períodos) y columnas (grupos).

▣      Iones: aquellos átomos que presentan mayor estabilidad cuando ganan electrones (denominados iones negativos o aniones, p. ej.: sulfuro S^2- , fluoruro F^-) o los pierden (conocidos como iones positivos o cationes, p. ej.: catión sodio Na⁺, catión plomo (Pb²⁺). 

▣      Molécula: dos o más átomos del mismo o distinto elemento químicamente unidos.

▣      Reacción química: ocurre cuando dos o más átomos se unen mediante un enlace para constituir una molécula o el proceso inverso cuando dos átomos son separados.

▣      Reactivos: sustancias empleadas al principio de una reacción química, normalmente al lado izquierdo de la misma.

▣      Productos: sustancias resultantes al final de una reacción, habitualmente en el lado derecho de la misma.

▣      Electronegatividad: se define como la tendencia del núcleo de un elemento a atraer electrones. Esta propiedad se incrementa a medida que nos desplazamos hacia arriba y hacia la derecha en la tabla periódica.

---

[1] Partículas que constituyen el núcleo atómico: protones y neutrones.

Fuente: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.

2.1. Introducción al átomo. Su estructura

La vida en su nivel más fundamental está compuesta de materia que se puede definir como cualquier sustancia que ocupa espacio y posee masa.

Iniciaremos nuestro estudio de la biología con el elemento más básico de la materia: el átomo, conoceremos su estructura, tipos, propiedades y cómo se organizan, mediante enlaces, para formar configuraciones con un nivel de complejidad superior, las denominadas moléculas.

Los átomos son los componentes estructurales de los llamados elementos químicos, los cuales, pueden definirse como aquellas formas únicas de materia que no se pueden descomponer (por reacciones químicas ordinarias) en sustancias más pequeñas, poseyendo unas propiedades físicas y químicas muy específicas.
La manera en que se designan se realiza mediante una letra mayúscula o combinación de dos letras en el caso de que la primera de ellas ya haya sido tomada por otro elemento, tales letras son denominadas símbolos químicos. Así, por ejemplo: H representa al elemento hidrógeno y He representa el elemento helio.
Los cuatro elementos más comunes en los organismos vivos, incluyendo el ser humano, son el oxígeno (O), el carbono (C), el hidrógeno (H) y el nitrógeno (N), cuyos porcentajes de presencia en los mismos son los siguientes:

Elemento	Porcentaje en seres vivos
Oxígeno	65%
Carbono	18%
Hidrógeno	10%
Nitrógeno	3%

Como acabo de mencionar, los componentes estructurales de los elementos son los denominados átomos, los cuales, son las unidades de materia más pequeñas que retienen todas sus propiedades químicas.

Las dos zonas en las que se encuentra dividido el átomo son:

▣      El núcleo, en el centro del mismo constituido por protones (p) y neutrones (n).

▣      Orbitando en torno al núcleo, los electrones (e^-) en la región más externa del átomo.

Protones y neutrones cuentan aproximadamente con la misma masa (1,67*10^-24 g) distinguiéndose por su carga eléctrica, ya que los primeros se encuentran cargados positivamente y los segundos sin carga neta.

La mayor contribución de los electrones al átomo radica en su carga, al ser igual que la del protón pero de signo contrario (negativa). Su masa, por el contrario, es muy inferior a los constituyentes del núcleo: 9,11*10^-28 g, lo que representa únicamente 1/800 de la masa atómica^[1] total.

Curiosamente, debido al pequeño tamaño de estas partículas, la inmensa mayoría de un átomo es espacio vacío ( > 99 %). Para que puedas imaginarte lo que esto supone, imagínate que el átomo tuviese el tamaño de una esfera que rodease a la torre Eiffel de 301 m. de altura, proporcionalmente, el núcleo estaría representado por el hueso de una cereza y los electrones serían puntas de alfileres.

Como consecuencia de este enorme vacío, podríamos plantearnos entonces por qué los objetos sólidos son impenetrables entre sí, y la respuesta se encuentra en la repulsión que se produce entre las capas electrónicas de los átomos, que cuentan con el mismo tipo de carga eléctrica (carga negativa).

---

[1] Unidad de masa atómica (u) o dalton (Da) es aproximadamente la masa de un nucleón, ya sea un protón o neutrón y se define como la doceava parte de un átomo de carbon-12 neutro y no enlazado. Su valor equivale a 1,660*10^-27 kg.

Fuente: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.

1.2. El método científico

El proceso científico, normalmente, comienza con una observación (a menudo un problema que necesita solución) la cual conduce al planteamiento de una pregunta. Partiendo de esta pregunta se siguen los siguientes pasos:

▣         Proposición de una hipótesis

Recordemos que una hipótesis se trata de una explicación propuesta que puede ser comprobada. Por supuesto, pueden proponerse varias hipótesis para intentar resolver un único problema, ya que diferentes respuestas pueden ser capaces de responder a la misma pregunta.
Una vez elegida la hipótesis, se pasa a formular una predicción, similar a la hipótesis, pero con la estructura:
“Si . . . entonces . . .”

▣         Verificación de la hipótesis

Para comprobar las hipótesis planteadas (dado que, los fenómenos naturales no siempre ocurren con suficiente variación y flexibilidad) no basta únicamente con la observación, sino que el investigador también debe recurrir a la experimentación, diseñando uno o más experimentos con el fin de desechar una o más de estas hipótesis iniciales.
Cada uno de estos experimentos constará de:

▶      Una o más variables que se definen como cada una de las partes del experimento que puede variar o cambiar a lo largo del mismo.

▶      Uno o más grupos de control, los cuales contienen las características del grupo experimental, excepto que no se le aplica la hipótesis estudiada. De este modo, si los resultados del grupo experimental difieren del de control dicha diferencia más que a factores externos ha de achacarse a la aplicación de la hipótesis sometida a comprobación.

Podemos, sin pecar de injustos, conceder a Galileo el honor de haber introducido de manera sistemática la experimentación en el mundo de las ciencias naturales. Sin la experimentación, la ciencia moderna nunca habría alcanzado los avances que ha obtenido, y ésa es la razón por la que, hoy en día, los laboratorios son tan esenciales para los investigadores científicos.

A diferencia del pensamiento general la ciencia no busca probar nada, debido a que el entendimiento científico siempre está sujeto a modificaciones como consecuencia de la adquisición de nuevos conocimientos con el paso del tiempo. El objetivo, por tanto, es la comprobación de que las hipótesis planteadas sean refutadas o desaprobadas, lo que se conoce comúnmente con el término de “hipótesis falsable”.

Los diferentes pasos del método científico, de manera esquemática, se pueden representar de la siguiente manera:

Para aclarar estos conceptos  pondré un ejemplo muy simple que puede surgir en nuestra vida cotidiana:

Imagínate que te sientas para ver la televisión (de lo poco que pueda merecer la pena), pero ésta no se enciende (observación), te preguntas, por tanto, porqué no lo hace (pregunta). 

La primera hipótesis que te podrías plantear es que se haya producido un corte eléctrico en tu domicilio, para comrobarlo realizas el siguiente “experimento”: enciendes la lámpara que tienes en la misma habitación, pero ésta funciona (análisis del resultado), por tanto, la hipótesis es incorrecta.
Posteriormente, formulas una segunda posibilidad y piensas que el monitor está desenchufado (segunda hipótesis), echas una ojeada y compruebas si está enchufado o no (experimento), efectivamente lo está (análisis del resultado), hipótesis nuevamente incorrecta.
La tercera idea que se te ocurre es cerciorarte acerca del estado de las pilas del mando a distancia (tercera hipótesis), decides cambiárselas y finalmente el televisor se enciende (análisis del resultado), en consecuencia esta última suposición es la correcta.

Sin duda, se trata de un ejemplo muy elemental, pero a través de su exposición te puedes llegar a hacer una idea aproximada de cómo la ciencia trata de resolver cuestiones muchísimo más importantes y de enorme complejidad.

Fuente: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.

1.1. ¿Qué es la ciencia? Cómo funciona

El término ciencia procede del latín “scientia” (conocimiento), se puede definir como el conocimiento que cubre verdades generales o el funcionamiento de leyes generales, especialmente desarrolladas y examinadas a través del método científico. Este método desempeña, como consecuencia, un papel fundamental en la ciencia, basándose en una serie de pasos bien definidos entre los que se encuentra la observación y la experimentación. 

Uno de los aspectos más importantes del método científico es la comprobación, mediante experimentos repetibles, de las hipótesis planteadas, entendiendo por hipótesis una posible explicación de un hecho que puede ser comprobada. Las hipótesis, a su vez, pueden convertirse en teorías verificadas, las cuales son explicaciones examinadas y confirmadas mediante observaciones o fenómenos. Hay que destacar el hecho de que una hipótesis esté bien propuesta no implica necesariamente su validez, ya que podría darse el caso que dicha hipótesis resultase ser falsa.

Imaginemos, que de modo similar como supuestamente Galileo hizo en la torre de Pisa, nos encontramos en la azotea de un edificio con la intención de medir cuánto tiempo tarda una pelota en llegar al suelo, entre las hipótesis que podríamos formular se encuentran las siguientes:

▣         Ese tiempo dependerá del material del que esté hecho la pelota.

▣         Ese intervalo variará en función de la altura del edificio.

▣         Dicho lapso de tiempo depende de la masa de la pelota.

▣         Por último, ese intervalo temporal está determinado por la apariencia estética de la pelota.

Tanto la primera hipótesis, como la segunda y la tercera podrán ser verdaderas o falsas, pero siempre serán verificadas a través de diversos experimentos. Por ejemplo, podemos emplear pelotas de diversos materiales (hierro, madera, plástico...) con distintas masas (50 g, 150 g, 250 g...), o podemos lanzarla desde edificios con diferentes alturas. Sin embargo, la última hipótesis indicada no es válida, puesto que la estética no se puede medir y por tanto, no se puede examinar mediante la realización de experimentos.

El objetivo común de todas las ciencias es conocer, los científicos buscan el entendimiento del mundo y la manera en la que éste funciona, para hacerlo emplean dos métodos de razonamiento lógico:

▣      Razonamiento inductivo: aquella forma de razonamiento lógico que utiliza observaciones relacionadas entre ellas con el fin de alcanzar una conclusión general. A partir de muchas observaciones, datos en bruto (cualitativos y/o cuantitativos) y un profundo análisis infieren conclusiones (inducciones) basándose en evidencias.

▣      Razonamiento deductivo: en este tipo de argumento se emplean principios generales o leyes para predecir resultados específicos. Por tanto, se trata de un patrón de razonamiento que se mueve en dirección opuesta al anterior. Partiendo de unos principios generales, el científico puede extrapolar y pronosticar efectos concretos que serán válidos siempre y cuando dichos principios también lo sean.

Ambos tipos de razonamiento se van a aplicar conjuntamente para permitir el avance del conocimiento científico.

Fuente: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.

1. ¿Qué es la biología?

Todos tenemos una idea más o menos aproximada de lo que es la biología y su campo de estudio, puesto que es una de las asignaturas básicas que cursamos desde niños en el colegio. Sin embargo, ya que esta sección del blog está dedicada a ella, me gustaría comenzar desde cero dando una definición de la misma.
Esta ciencia tiene como objetivo la investigación de los organismos vivos, sus interacciones, así como su medio ambiente. Su ámbito es muy amplio y abarca desde el mundo submicroscópico y microscópico de la célula hasta la totalidad del planeta, pasando por los ecosistemas.

Se engloba dentro de las denominadas ciencias naturales cuyo objeto de estudio son el mundo físico, sus fenómenos y procesos. Una división bastante común entre las ciencias naturales establece la diferenciación entre las ciencias de la vida (fundamentalmente biología y medicina) y las ciencias físicas que estudian la materia inerte (física, química, astronomía y geología). Del mismo modo, encontramos también otras ramas interdisciplinarias construidas sobre esta división, como son la biofísica y la bioquímica.
Las ciencias naturales, en ocasiones, se conocen como "ciencias puras" al basarse en la utilización de datos cuantitativos, mientras que las ciencias sociales, para conducir sus investigaciones acerca del estudio del comportamiento humano y social, emplean más a menudo evaluaciones cualitativas.

La biología, como comentaba, debido a su amplio campo de estudio se compone de muchas especialidades y subdisciplinas. Así, por ejemplo, los fisiólogos analizan el funcionamiento interno de los organismos vivos, los biólogos que estudian la anatomía se centran en la estructura de los mismos, los zoólogos se especializan en la investigación de la fauna, los botánicos en la flora y así sucesivamente.
Pero en este blog y debido al propósito del mismo me centraré primordialmente en dos campos:

▣      La biología molecular que es el estudio de las macromoléculas constituyentes de la vida (incluyendo las interacciones entre moléculas tales como el DNA, el RNA y las proteínas).

▣      La biología celular que se ocupa de la célula, su estructura y las funciones que sus distintos constituyentes desempeñan.

Fuente: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.