DIVULGACIÓN DE CONCEPTOS CIENTÍFICOS A TRAVÉS DE SU EVOLUCIÓN HISTÓRICA Francisco Jarabo* (fjarabo@ull.es), María del Cristo Marrero (mcmhdez@ull.es) y Francisco José García (frgarcia@ull.es) Departamento de Ingeniería Química y Tecnología Farmacéutica - Universidad de La Laguna 38200 La Laguna (Santa Cruz de Tenerife) ÁREA TEMÁTICA: Cultura y comunicación de la ciencia PALABRAS CLAVE: divulgación de conceptos científicos, transmisión de información científica, evolución de la ciencia y la tecnología. RESUMEN El estudio de la evolución de los conceptos científicos tiene aún un papel marginal en todos los ámbitos de la enseñanza y la divulgación. La esencia del conocimiento de una ciencia radica en percibir cómo han surgido sus principios, cómo se han formulado sus leyes y cuál ha sido el devenir experimental para conseguir establecer sus fundamentos teóricos. Las tecnologías de la información y las comunicaciones influyen de forma importante en la transmisión de conocimientos: en el modo de presentar la información, en la interacción del usuario con el medio y a través del medio, y en la forma en que el conocimiento está estructurado dentro del propio medio. Las nuevas tecnologías pueden transmitir la información de más formas que las que pueden hacerlo el texto o la palabra, debido a que hacen posible combinar diferentes elementos y proporcionar así una comprensión más rápida y más profunda. Se ha llevado a cabo el desarrollo de contenidos con el objetivo de divulgar diferentes aspectos de la ciencia a través de su evolución histórica. Cada área presenta sus propios protagonistas, de tal manera que pueda completarse la visión de la aportación de un personaje con el contexto en que se produjo y el efecto que tuvo sobre el pensamiento. La estructura de los contenidos está basada en un entorno virtual de hipertexto, accesible de forma lineal y ramificada. El propósito que se consigue con estas ciberpáginas es el acercamiento a los conceptos de tecnología, ciencia e ingeniería, esbozando el camino que lleva a un panorama histórico de los principales conceptos del desarrollo de la ciencia. Se logra así la divulgación científica aclarando y mejorando algunos conceptos y teorías, al contemplarlos en su contexto histórico. El documento completo, bajo el título “Huellas de los conceptos científicos” está ubicado en el enlace: http://fjarabo.quimica.ull.es/HCC/HCC.htm. PLANTEAMIENTO GLOBAL La Historia de la Ciencia sigue teniendo un papel marginal, en todos los niveles de la enseñanza. La esencia del conocimiento de una ciencia radica en percibir cómo han surgido los principios, cómo se han formulado las leyes y cuáles han sido las trayectorias experimentales que se han debido seguir hasta conseguir establecer las teorías que los explican. Por otro lado, las tecnologías de la información y las comunicaciones influyen en todos los aspectos de la divulgación. Y lo hacen principalmente de tres maneras: en el modo de presentar la información, en la interacción de los usuarios con el medio y a través del medio y en la forma en que el conocimiento está estructurado dentro del propio medio. Los nuevos medios pueden representar el conocimiento de más formas que las que puedan hacerlo el texto o la palabra, debido a que hacen posible combinar diversos elementos (textos, gráficos, sonidos, animaciones) y así proporcionar al usuario una comprensión más rápida y más profunda. El usuario interacciona con el medio y éste le da una oportunidad de ofrecer diferentes maneras de estructurar el conocimiento. Así, un documento web (tanto si está en la red como si está en un disco óptico) puede ser accedido de forma secuencial si posee una estructura lineal. Sin embargo, teniendo en cuenta que el entorno web está basado en el concepto de hipertexto (texto enlazado de forma no secuencial), el lector puede comenzar a consultar un documento de forma lineal y, en diferentes puntos puede ser derivado hacia otros documentos para su consulta, volviendo después al documento principal. También pueden organizarse los nuevos medios en una estructura ramificada o arborescente. El lector toma una decisión y, según ésta, es conducido hacia otra parte de la materia. El autor puede controlar la secuencia de acceso al material, principalmente cuando se trata de grandes áreas de estudio, descomponiéndolas en fragmentos más manejables por el lector. En cualquier caso, las diferentes estructuras han de ser adaptadas a los requerimientos inherentes de un conjunto de conocimientos determinado. Las nuevas tecnologías permiten dar una visión global y concreta, al mismo tiempo, de los problemas que conducen a los grandes temas de investigación, que se relacionan con los nombres de los personajes involucrados en ellos, con las respuestas que han sido obtenidas con el tiempo y con los nuevos campos del saber que se van abriendo.
Con el objetivo de proporcionar la información para profundizar en el conocimiento de la Ciencia mediante aspectos históricos, favoreciendo la cultura científica basada principalmente en los conceptos e ideas básicas, se ha abordado el diseño de un ciberentorno en el que se ofrece un marco basado en épocas históricas. La realización de un recorrido histórico por el campo de la Ciencia sin profundizar en sus contenidos ni en sus técnicas no exige especialización, pero sí un cierto espíritu crítico. Ello permite plantear las bases para una reflexión sobre la evolución y el significado de los conceptos e ideas implicados en el desarrollo de la Ciencia para poder comprender las grandes corrientes ideológicas que han atravesado sus disciplinas (Hernández, 2002). Este material se debe integrar en un esquema más general, en el que cada área desarrolla sus propios contenidos, ocupándose más de los aspectos científicos que de los aspectos históricos o epistemológicos. De esta forma, el lector puede completar su visión de la aportación de cada científico con el contexto en que se produjo y el efecto que tuvo sobre el pensamiento. Este trabajo forma parte de la creación de contenidos en el marco de una asignatura de libre elección para titulaciones del área de Ciencias Experimentales de la Universidad de La Laguna (Jarabo, 2005a). La incorporación al entorno virtual permitirá asimismo que la información esté disponible para el público en general y para profesores y alumnos de Enseñanza Secundaria, ámbito en el que este tipo de conocimientos está adquiriendo interés creciente. Se ha elaborado un marco estructural basado en un entorno virtual de hipertexto, proponiendo un conjunto de contenidos relativos a la evolución de los conceptos científicos en el tiempo y en las distintas disciplinas, de manera que la información pueda ser accedida de forma lineal o ramificada. La estructura hipertextual se consigue ramificando los contenidos, la facilidad de lectura en pantalla se debe a la construcción de unidades de texto reducidas y la orientación a través de los contenidos se logra utilizando coordenadas de referencia basadas en marcos o ventanas. Asimismo se han utilizado combinaciones de colores y las imágenes de resolución adecuada para facilitar el acceso al conjunto. ELEMENTOS DE LA CIBERPÁGINA El índice de contenidos está encabezado por un apartado de Introducción, en el que se plantea el propósito de la ciberpágina y su acercamiento a los conceptos de Tecnología, Ciencia e Ingeniería. Partiendo de la ciencia como deseo de saber, se esboza el camino que lleva de la opinión al conocimiento y una aproximación al concepto de Ciencia (Jarabo, 2005b). Para resumir la Ciencia anterior a la imprenta, una vez analizado el concepto de mito se aborda la Matemática como primera ciencia y se fija la civilización griega como la precursora de lo que hoy se conoce como Ciencia. Partiendo de la escuela de Mileto, que establece una única materia prima como origen de las cosas, se aborda el problema del cambio, se analiza la primera teoría atómica de Demócrito y se enumeran los conceptos establecidos por Pitágoras e Hipócrates. La escuela ateniense culmina con la aparición de la figura de Aristóteles, cuyas ideas del movimiento terrestre y celeste tuvieron una vigencia de veinte siglos. El período antiguo alcanza su culminación en Alejandría, donde destacan Euclides, Arquímedes y Ptolomeo. Los griegos legan a la posteridad tres grandes problemas matemáticos y su principal error es considerar la Ciencia como una forma de mirar al mundo, más que una forma de tratar con el mundo. Los romanos son grandes constructores, pero no consiguen impulsar la Ciencia. La denominada “larga noche de mil años” sólo permite resaltar en una primera etapa la transmisión del conocimiento antiguo por los árabes y en una segunda, los desarrollos experimentales de Alberto Magno y los desarrollos conceptuales de algunos ingleses (Grosseteste, Roger Bacon y Ockam). Hasta que Gutenberg concibe la imprenta. El Renacimiento está basado en los beneficios culturales que reporta la imprenta, que culminan con dos filósofos revolucionarios: Francis Bacon y René Descartes. Pero el gran paladín de la denominada “Revolución Científica” del siglo XVII es Galieo Galiei. Ahora la ciencia se vuelve inductiva y ha de ser parcelada, apareciendo los primeros “científicos profesionales”: Malpighi, Van Loevenhoek y Hooke en Biología; Fermat, Pascal y Leibnitz en Matemática; Boyle y Stahl en Química; y Torricelli, Huyghens y Roemer en Física. Se completa espectacularmente la Revolución Científica con la aparición de la figura de Isaac Newton, que marca la pauta de los siguientes dos siglos. Durante el siglo XVIII se produce un amplio movimiento denominado “Ilustración”, durante el cual las diferentes disciplinas van empezando a constituirse como ciencias independientes. En Biología destacan Linnaeus, Cuvier y Lamarck, que abren el libro de la Biología contemporánea, sin olvidar el nacimiento de la Geología con Smith, Werner y Hutton. En Matemática aparecen Goldbach, Euler, Lagrange y Gauss, que abren la puerta a la
Matemática contemporánea. En Química se desarrolla el estudio de los gases, queda formulada, pero olvidada, la hipótesis de Avogadro, y Lavoisier compendia todas las ideas básicas de la nueva Química contemporánea. Por su parte, diversas ramas de la Física ya avanzan en paralelo: la Óptica, conducida por Herschell, Ritter, Wollaston, Rittenhouse y Fraunhofer; Electricidad y Magnetismo, en la que surgen nombres como Du Fay, Franklin, Coulomb, Galvani, Volta, Ampére, Oersted y finalmente Faraday; y el conjunto Calor , Trabajo, Energía, desarrollado por Daniel Bernuilli, Black, Watt y Rumford. La Física Contemporánea se desarrolla porque la industria del vapor plantea el concurso de la ciencia para unificar conceptos; Mayer, Joule y Helmholz definen la conservación de la energía, mientras que Carnot, Kelvin y Clausius desarrollan la degradación de la energía. Se afianza la Termodinámica como una poderosa herramienta aplicable a otras disciplinas. Thomas Young y Jean Fresnel resucitan la teoría ondulatoria de la luz, si bien basada en el concepto de “éter”, hasta que en 1887 Michelson y Morley llevan a cabo el experimento fallido más importante de la historia y demuestran que éter no existe. El concepto de campo introducido por Faraday proporciona un vínculo unificador a los fenómenos eléctricos y magnéticos a través de la formulación de James Maxwell y de las experiencias de Heinrich Hertz. La radiación emitida a causa de la temperatura de un cuerpo y la emisión de luz mediante excitación no pueden explicarse mediante las ecuaciones de Maxwell. Max Planck formula la “teoría cuántica”, el límite de la Física “clásica” y la Física “moderna”. Albert Einstein aplica la teoría cuántica de Planck para explicar el efecto fotoeléctrico produciéndose un cambio de escala en la interpretación de los fenómenos: cuando se analizan a escala subatómica se manifiesta una nueva “estructura fina”. En 1905 Einstein presenta por primera vez su “teoría de la relatividad especial”, que no contradice las leyes del movimiento de Newton, sólo constituye una generalización de las mismas. En 1916 presenta su “teoría de la relatividad general”, que sí se diferencia en sus principios de la gravitación universal de Newton, aunque sus resultados prácticos dificultan su diferenciación. Si se ha demostrado que la luz se comporta como una partícula, también puede ser posible la inversa, el comportamiento de las partículas como ondas electromagnéticas. Esta tesis (“dualidad onda-corpúsculo”) es planteada por Luis de Broglie y confirmada experimentalmente por Davisson y Thomson. El desarrollo por Werner Heisenberg de la mecánica matricial y por Erwin Schrödinger de la mecánica ondulatoria lleva al planteamiento de la “mecánica cuántica” basada en la ecuación de Schrödinger, que maneja probabilidades de encontrar al electrón en un punto determinado del espacio. Su consecuencia más importante es el principio de incertidumbre, que supone la renuncia al principio de causalidad: cualquier intento para especificar la estructura y la evolución de un sistema atómico, sólo encontrará aleatoriedad e indeterminación; el uso de la experimentación queda en entredicho. La Química Contemporánea se inicia una vez definido el concepto de elemento químico cuando, Richter, Proust y Dalton establecen las bases de la estequiometría. El propio John Dalton desarrolla una nueva teoría atómica coherente que permite establecer una tabla de pesos atómicos relativos. El enunciado de la ley de los volúmenes de combinación por Gay Lussac y el redescubrimiento por Cannizaro de la hipótesis de Avogadro hacen que la teoría atómica finalmente encaje. La búsqueda de una periodicidad para relacionar los elementos de modo sistemático llevan a Döbereiner, Newlands, Meyer y finalmente a Mendeleiev a un esquema muy simple que revela insospechadas analogías entre los elementos: el sistema periódico. Los rayos X permiten a Moseley establecer el concepto de número atómico, perfeccionando el sistema periódico existente. También Ostwald introduce en 1900 el concepto de mol en relación con la cantidad de sustancia. El interior del átomo empieza a ser explorado por Rutherford, pero se replantea mediante la revolucionaria teoría cuántica de Planck, obteniéndose el modelo atómico de Bohr-Sommerfeld, que lleva a la interpretación teórica de los datos espectroscópicos mediante órbitas electrónicas basadas en números cuánticos. La aplicación posterior de la ecuación de Schrödinger a la estructura electrónica del átomo delimita el concepto de orbital atómico. Su extensión a la interpretación al enlace químico proporciona la teoría de los orbitales moleculares de Hund. A la luz de la teoría atómica, la unidad fundamental del pensamiento químico es el átomo o la molécula, por lo que se define ahora una unidad de cantidad de sustancia que sea fácil de manejar
mediante la medida de una masa o un volumen: el nuevo mol adquiere en 1961 rango de magnitud fundamental. La Matemática Contemporánea aparece después de que, durante varios siglos el sistema geométrico de Euclides permaneciese intocable, hasta que Lobachevski, Bolyai y Riemann publican sus geometrías no euclidianas. Asimismo se logra la aritmetización del análisis desde que se definen las funciones (Bolzano, Cauchy, Dirichlet y Weierstrass), se consideran los números como estructuras intelectuales (Hankel, Dedekind, Cantor) y se incluye la operación del paso al límite junto a las demás operaciones aritméticas. Ahora el álgebra puede ampliarse a elementos que no sólo son números reales y las cuatro operaciones aritméticas: “cuaterniones” (Hamilton), “teoría de las extensiones” (Grassmann), “lógica matemática” (Boole) o “matrices” (Cayley). Galois, Kronecker, Dedkind y Lie conducen el álgebra hacia la estructura de grupo, mientras que Cantor, Zermelo, Fränkel y Skolem establecen las bases de la teoría de conjuntos. Se establecen también los conceptos de “vector” (Gibbs, Töplitz) y de “tensor” (Ricci-Curbastro, Levi-Civita), decisivos en la formulación de la teoría de la relatividad general de Einstein. Pearson es uno de los fundadores de la estadística y del desarrollo de modelos de distribución de probabilidades, al que contribuyen Gosset, Markov y Kolmogorov. La convicción de que toda la vasta área de razonamiento matemático puede fundamentarse mediante el método axiomático se derrumba: Kurt Gödel establece que no puede ser demostrada la propia consistencia de los axiomas (“teorema de incompletitud”). También la mente humana tiene su cuota de “incertidumbre cuántica”: las verdades demostrables no pueden ser distinguidas a priori de las verdades indemostrables, por lo que el uso de la razón queda en entredicho. Aunque todavía queda algún viejo problema pendiente (la conjetura de Goldbach), transcurrido un siglo desde la formulación de los problemas del siglo XX, en el año 2000 se dan a conocer los Siete Problemas del Milenio, seleccionados por un equipo de expertos entre aquellas cuestiones clásicas cuya solución se ha resistido durante años. La Biología Contemporánea, o la ciencia de lo vivo, ya no se conforma con el estudio descriptivo de los organismos, creándose la necesidad de indagar en las causas que mantienen todas las funciones biológicas. Claude Bernard analiza los procesos celulares aplicando principios físicos y químicos; Schleiden y Schwann establecen que la célula es la unidad constitutiva de los seres vivos (Teoría Celular), lo que es ratificado por Siebold y por Virchow, que la extienden a los tejidos enfermos. En 1858, Charles Darwin publica su “Origen de las especies”, considerado el libro más importante de la historia de la Biología, en el que presenta el concepto de desarrollo de la vida o “evolución” mediante el mecanismo de “selección natural”. La aplicación de esta teoría a la especie humana permite afirmar que ésta desciende de un primate simiesco; el descubrimiento de diferentes “eslabones perdidos” ha afianzado con el transcurso del tiempo el concepto de evolución. La teoría evolutiva de Darwin no explica adecuadamente el mecanismo de la herencia; es Gregor Mendel quién descubre sus claves mediante un exhaustivo trabajo experimental, pero sus trabajos, base de la Genética, permanecen desconocidos. En 1900, De Vries, Correns y Seysenegg llegan simultánea e independientemente a conclusiones similares a las de Mendel, descubren sus obras y hacen públicas las leyes de la herencia. La química de colorantes es de gran ayuda para la Citología: Flemming descubre los cromosomas y el proceso de mitosis, Van Beneden descubre la meiosis y Sutton relaciona los cromosomas con la herencia. El “factor” hereditario de Mendel se convierte en un gen (parte de los cromosomas que contiene un factor hereditario). Y su estudio se hace más fácil debido al fenómeno de la mutación descubierto por De Vries y acelerado mediante radiaciones ionizantes por Muller y mediante productos químicos por Blakeslee. Tampoco es desdeñable el “arma biológica” descubierta por Morgan: la mosca del vinagre, pequeño insecto con sólo cuatro pares de cromosomas. A principios del siglo XIX es habitual clasificar las sustancias químicas de los tejidos vivos en tres grupos: carbohidratos, lípidos y proteínas. No obstante, termina demostrándose que, químicamente, la vida es única. En la línea del concepto químico de “catalizador” se trabaja ahora con los fermentos. Los trabajos de Payen, Schwann, Kühne, Buchner, Harden, Michaelis y Menten, Summer y Northrop establecen las bases para considerar las enzimas en el contexto más general de las proteínas. Por su parte, Miescher aísla el ácido nucleico, Kossel encuentra que está formado por tres componentes (fosfato, azúcar y bases) y Levene establece que el nucleótido es el fundamento de los ácidos nucleicos y acuña los términos ARN y ADN; Todd confirma las conclusiones de Levene y sintetiza todos los nucleótidos naturales. A partir de los trabajos de Beijerinck y de Stanley sobre el virus del mosaico del tabaco se consigue demostrar que todos los virus son nucleoproteínas y, por tanto, todos contienen ácidos
nucleicos. Casperson permite demostrar que los cromosomas están formados por nucleoproteínas, por lo que se sospecha que los genes son moléculas de nucleoproteínas. En definitiva, los cromosomas contienen información para un conjunto de enzimas, patrón que se conoce como código genético. Según los trabajos de Avery y de Hershey, los virus contienen ARN, ADN o ambos; dentro de la célula el ADN sólo se halla en los genes. La herencia se basa, pues, en el ADN. Basándose en los estudios de Chargaff, de Pauling y de Wilkins sobre las estructuras helicoidales de las proteínas, Francis Crick y James Watson sugieren que la molécula de ADN consiste en una doble hélice, modelo que se publica en 1953 y que explica elegantemente la replicación de la molécula de ADN y las mutaciones. La catálisis de la formación de los ácidos nucleicos por enzimas para su síntesis queda demostrada experimentalmente por Severo Ochoa y Arthur Kornberg. La transmisión de los mensajes genéticos en el interior de la célula es elucidada por Palade, que descubre los ribosomas, y por Hoagland, que descubre el mecanismo ARN mensajero - ARN transferente. Finalmente se identifica el código genético como el sistema por el cual un triplete de nucleótidos (“codón”) codifica una aminoácido. El diccionario con la clave se elabora en pocos años: Nirenberg establece la primera correspondencia entre un codón y un aminoácido, mientras que Khorana termina de descifrar completamente la clave. El estado actual es la determinación de la secuencia de los nucleótidos, identificar los genes y conseguir, descifrar, finalmente, el código genético. Mientras tanto se ha estado buscando el origen de la vida: Alexander Oparim describe las condiciones hipotéticas que habrían sido necesarias para la aparición de la vida sobre la Tierra y Stanley Miller reproduce experimentalmente las condiciones de la Tierra primitiva, consiguiendo formar algunos aminoácidos sencillos. CONCLUSIÓN Se ha tratado de proporcionar un panorama histórico general de los principales momentos y conceptos del desarrollo de la Ciencia, mostrando una idea de la evolución de los saberes y de las técnicas. Se mejora la comprensión de algunos conceptos y teorías a través de su desarrollo histórico, clarificando algunos preconceptos equivocados relacionados con las diferentes ramas de la Ciencia que poseen muchos estudiantes, probablemente influidos por los medios de comunicación. Finalmente, se ofrece una relación entre la ciencia, la técnica y la sociedad que ha ido evolucionando con el tiempo y que permitirá analizar las investigaciones científicas con nuevos elementos de juicio, proporcionando una amplia base para la divulgación de la Ciencia en general. Este material está públicamente disponible en el servidor web: http://fjarabo.quimica.ull.es/HCC/HCC.htm BIBLIOGRAFÍA Hernández, M. (2002). La enseñanza de la Historia de la Ciencia en Secundaria. Documentos de Historia de la Ciencia, Fundación Canaria Orotava de Historia de la Ciencia. Jarabo, F. (2005a). El hipertexto como aportación al estudio de la historia de los conceptos científicos, VII Congreso Internacional sobre Investigación en Didáctica de las Ciencias, 7 - 9 septiembre, Granada. Jarabo, F. (2005b). Los conceptos científicos en los diferentes ámbitos y entornos educativos, I Reunión Iberoamericana de Asociaciones de Promoción de la Investigación, 2 - 5 diciembre, Salamanca.