Lo mismo y no lo mismo

Por Roald Hoffmann

Roald Hoffmann, Premio Nobel de Química en 1981, ha conseguido en esta obra una proeza que a muchos les parecía imposible: fascinar a los profanos con los descubrimientos de una ciencia que ha sido considerada, junto con las matemáticas, como una asignatura tediosamente obligatoria. Hoffmann nos demuestra que la química es una ciencia fundamental que nos descubre todo un universo; más aún: el universo mismo.

• Idioma: Español
• Editorial: Fondo de Cultura Económica
• Fecha de lanzamiento: 18 nov 2014
• ISBN: 9786071624789

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SECCIÓN DE OBRAS DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA

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LO MISMO Y NO LO MISMO

Traducción:

LETICIA GARCÍA URRIZA

Revisión técnica:

GUILLERMO MOSQUEIRA

ROALD HOFFMANN

Lo mismo y no lo mismo

Primera edición en inglés, 1995

Segunda edición en español, 1997

   Primera reimpresión, 2000

Primera edición electrónica, 2014

Diseño de portada: Fernando Berrón

Título original:

The same and not the same

Copyright © 1995 Columbia University Press

ISBN 0-231-10138-4

D. R. © 1997, Fondo de Cultura Económica

Carretera Picacho-Ajusco, 227; 14738 México, D. F.

Empresa certificada ISO 9001:2008

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ISBN 978-607-16-2478-9 (ePub)

Hecho en México - Made in Mexico

A mis maestros

del Columbia College

PRÓLOGO

EN ESTE LIBRO argumento que la química es interesante, tanto para quienes se dedican al arte, oficio, ciencia y negocio de las moléculas, como para los reflexivos consumidores de sus productos. El interés se deriva de una tensión inherente. Cada hecho o proceso de la ciencia, y la forma en que éstos son considerados, se encuentra en un precario equilibrio entre extremos opuestos. Y las polaridades de las sustancias y sus transformaciones resuenan con profundas fuerzas en nuestra psique.

1

¿Qué es lo que quieres cuando acudes a un médico con tu padre anciano, débil y febril? Compasión por supuesto, pero también un examen de laboratorio de la química de su sangre o un análisis del organismo que puede estar provocando una presunta neumonía. Y de ser necesario, un medicamento, un antibiótico adecuado para eliminar ese organismo del cuerpo de tu padre.

¿Contra qué me pronuncio cuando la ciudad decide poner cerca de mi casa un incinerador enorme de basura que recoja los desperdicios municipales e industriales de los alrededores del estado? Contra el tráfico, el olor, las posibles descargas en los pozos de los que proviene mi agua, de iones y moléculas y de otros contaminantes en el aire.

Las sustancias que esperas te dé el médico, las sustancias que me preocupa puedan aparecer en el agua y el aire son químicas. Como tú y como yo: sustancias químicas simples y complejas. Sin duda, de un médico esperas algo más que una prescripción de ciertos productos químicos: quieres atención y compasión. Y yo espero más que algunas palabras tranquilizadoras y un monitoreo continuo de la emisión de sustancias químicas por parte de la dependencia que instala el incinerador: quiero franqueza, un argumento realista del impacto ambiental y de las alternativas a la incineración. Pero en el mundo material, real, nosotros —tú y yo— nos enfrentamos y reaccionamos a sustancias que son químicas.

Estas sustancias químicas que deseamos y tememos (los químicos las llaman compuestos o moléculas, una vez que se encuentran en estado razonablemente puro) no son los componentes más grandes (del ámbito de la astronomía) ni los más pequeños (del dominio de la física). Se hallan justa y gratamente en medio, en nuestra escala humana. Tal es la razón de nuestro interés en ellas, no como constructos hipotéticos ajenos a nosotros, sino como algo de este mundo. Esas moléculas de fármacos o contaminantes tienen el tamaño preciso para interactuar, para bien o para mal, con las moléculas de nuestros cuerpos.

El que un ser humano sensato pueda tener una actitud ambivalente hacia las sustancias químicas, y ver en ellas perjuicio y beneficio, no es signo de irracionalidad sino de humanidad. La utilidad y el peligro son dos polos de una dualidad. Cualquier hecho de nuestro mundo es evaluado, a menudo en forma subconsciente, por nuestro maravillosamente racional e irracional pensamiento en términos de esta oposición. Sólo siendo insensible a experimentar uno deja de hacerse la pregunta dual: "¿Puede eso ayudarme?/¿Puede eso perjudicarme? Plantear esa pregunta dota al objeto de la interrogante, el eso", de una especie de vida. Está vinculado a ti. La tensión del hecho de que el objeto sea perjudicial o inocuo, o las dos cosas, lo hace interesante. La etimología de interés proviene de inter y esse, estar entre. La tensión que supone plantear la pregunta y debatirse en cuanto a la respuesta crea un vínculo entre los mundos material y espiritual.

Perjuicio o beneficio, perjuicio y beneficio, es sólo una de las oposiciones que hacen a la química interesante. En este libro exploraré también otras. La primera será la de identidad. Como sugiere el título de este libro, ésta es para mí la más importante. Después, examinaré dualidades como estático/dinámico, creación/descubrimiento, natural/no natural y revelar/ocultar.

Un hecho químico —una molécula, una reacción— se equilibra de alguna manera suspendido en el espacio multidimensional real y mental definido por estas dualidades. ¿Constituye una nueva molécula, o es una molécula hecha con anterioridad? ¿Es segura, o perjudicial, y para quién? ¿Está en reposo, como parece estar, o se está moviendo en realidad a la velocidad del sonido? ¿Es algo presente en la naturaleza o creado en un laboratorio? Una pregunta tras otra; preguntas que crean tensión, sobre todo si la respuesta es ninguna de las dos cosas, o ambas cosas. La tensión genera vida: la potencialidad del cambio. Si existe algo que sea central a la química, es el cambio.

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Este libro tiene un segundo propósito relacionado: contar qué es lo que en verdad hacen los químicos. No pretendo hacer propaganda a la química, sino abrir al lector una ventana al mundo de la química, para que

pueda ver cómo estas dualidades, en conexión con fuerzas psicológicas comunes a todos nosotros, toman parte en la vida de quienes practican este arte.

Comprender es darse la posibilidad de no tener miedo, de tal vez interesarse. El mundo del químico es penetrable. A partir de un examen de diversos casos mostraré al lector cómo se ordenan el intelecto y las herramientas para responder a las preguntas sencillas que cualquiera haría: ¿Cómo lo hago? ¿Qué tengo? ¿Cómo sucedió realmente eso? ¿Cómo decírselo a los demás, si he de decírselos? ¿Tiene algún valor?

Responder a estas sencillas preguntas lo lleva a uno de manera completamente natural a reflexionar acerca de las dualidades que subyacen a ellas. Así pues, ¿Qué tengo? se convierte en ¿Este polvo blanco es el mismo o distinto de un millón de polvos blancos (sí, por lo menos existe un millón, por lo menos) que han elaborado otros? Intentaré mostrar por medio de ejemplos, cómo tratan los químicos en su práctica este tipo de preguntas.

3

Puesto que el tema de las oposiciones o polaridades en el que hago hincapié está presente tanto en la materia como en la emoción, no hay manera de evitar a la persona humana, con su inmensa capacidad de curiosidad, audaz creatividad y temor. Comentaré el incidente de la talidomida, una falla del sistema y de los individuos. Hablaré de la complicada, creativa y trágica vida del gran químico alemán Fritz Haber. Haré una declaración personal de la que considero es la responsabilidad social de los científicos, y una propuesta, también a título personal, de cómo podría responder un químico a las preocupaciones ambientales. Mi propósito es hallar un término medio, por difícil que eso pueda ser.

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Los químicos no son más reflexivos que otras personas, pero los problemas que plantean y el oficio con el que responden a ellos, los lleva a considerar polaridades, y las tensiones asociadas a ellas. O las dualidades se amontonan entre sí, subconscientemente, en la mente del químico.

Las dualidades —de las moléculas y el proceso de su hechura— son importantes, me parece, para crear un vínculo entre el químico y el que no lo es. Es posible responder a la cuestión: ¿Qué tengo?, y reflexionar sobre si la sustancia elaborada es la misma o no es la misma que otras. Pero ¿por qué es interesante tal pregunta? Porque la cuestión de la identidad, de nuestra identidad, conformada en la niñez mediante una complicada danza de conexiones y separaciones, es de gran importancia para nosotros. Los procesos de la naturaleza se conectan con el mundo interior de nuestras emociones.

Identidad y falsa representación, orígenes, bien y mal, compartir y ocultar, resurrección, riesgo y seguridad, y los obstáculos que hay que vencer, son algunos de los constructos psicológicos o estructuras míticas con los que se conecta el mundo de las moléculas. Estos puntos focales emocionales forman, consciente y subconscientemente, la maravillosa psicología lúdica del químico absorto en las moléculas; conocer esto ayuda a sentir lo que mueve a los químicos. Y pienso que la relación psicológico-material, expresada en las oposiciones, nos permite entender por qué las sustancias químicas nos agradan y también tememos.

PRIMERA PARTE

IDENTIDAD: EL PROBLEMA CENTRAL

I. LAS VIDAS DE LOS GEMELOS

JOYCE CAROL OATES, uno de los más talentosos y prolíficos escritores de Estados Unidos, ha escrito varios thrillers psicológicos bajo un mal disimulado seudónimo: Rosamond Smith. En uno u otro sentido estas novelas tratan de la complejidad, la riqueza y las amenazas que implica la condición de los gemelos, de similitud y diferencia.

En Lives of the Twins, publicado en 1987, Oates/Smith nos introduce en el mundo de una joven mujer, Molly Marks, quien se enamora de su terapeuta, Jonathan McEwen. Resulta que Jonathan tiene un gemelo idéntico, James, cuya existencia ha ocultado a Molly. Una misteriosa desgracia ha separado a los gemelos. James también es psicoterapeuta. Molly, obsesionada, busca a James e inicia con él una complicada relación. He aquí la descripción que hace Molly de los hermanos:

Sí, las ondas de su pelo caen en direcciones opuestas, pero es el mismo pelo, exactamente el mismo: la textura, el grosor, flexibilidad, el grado de veteado gris y las zonas oscuras. [...] Molly no sabe si sus dientes tienden a cariarse en lados opuestos de sus dentaduras, pero en todo se ven muy semejantes. Ambos tienen el incisivo izquierdo ligeramente mellado, lo cual les da, a los ojos románticos de Molly, un punsante aire sensual, como Mack the Knife. [...] Cuando Jonathan fuma, sostiene el cigarrillo con la mano derecha y, al exhalar el humo, tiene el hábito de arrugar el lado derecho de la cara; James sostiene el cigarrillo con la mano izquierda y al exhalar una voluptuosa nube de humo, arruga el lado izquierdo del rostro. Jonathan parece fumar sólo cuando está triste, mientras que James, quien nunca está triste, fuma cuando le place. James fuma la marca de cigarrillos que fumaba Jonathan cuando Molly lo conoció; ahora Jonathan está probando otras marcas, menos fuertes y menos agradables, en un esfuerzo por dejar totalmente de fumar.

Ambos usan la misma marca de hojas para rasurar, de desodorante, aspirinas, pasta de dientes... pero James aprieta el tubo de la pasta dental en cualquier parte, mientas que Jonathan la aprieta en el extremo y la va enrollando con cuidado.¹

¿Qué tienen que ver con la química los hábitos a veces idénticos, a veces especulares, de un par de gemelos de novela?

La química, la manera molecular de conocer lo natural y lo artificial, es una ciencia admirable, pródiga en la forma en que ha cambiado nuestro mundo. La química toca cada aspecto de la manera en que vivimos —incluyendo, por ejemplo, el uso de James y Jonathan de sus hojas de rasurar, desodorante, aspirinas y pasta de dientes—. Usamos ropas de colores que alguna vez sólo fueron accesibles para los potentados; estamos vivos cuando, en otros tiempos, ya habríamos muerto muchas veces. La figura I.1 muestra el índice de sobrevivencia en niños que padecen una diversidad de tumores sólidos —graficado en función de diferentes años de este siglo—.² No hay un gran cambio sino hasta que se introduce la quimioterapia.

FIGURA I.1. Porcentaje de sobrevivencia de niños a los que se les diagnosticaron diversos tipos de tumores sólidos durante el periodo 1940-1995. (Cortesía de F. Leonard Jones, M. D.)

Mediante la ciencia de las moléculas y su transformación hemos aprendido sobre el interior invisible de la materia, de las prolíficas formas en que los átomos se unen en la seda natural y en el nailon artificial. Y lavamos nuestras manzanas y otras frutas y verduras no tanto por la suciedad que haya en ellas, sino porque nos preocupan los residuos químicos que nosotros mismos hemos puesto en ellas. La figura I.2³ muestra un basurero de desechos químicos; la producción industrial ineficiente y el descuido humano a veces se combinan para contaminar nuestro ambiente.

FIGURA I.2. Barriles de desecho. (Foto de John Cunningham/Visuals Unlimited.)

Todo esto, en la compleja belleza del mundo real —totalmente contrapuesto (al igual que la personalidad humana y el arte) a la categorización simplista en términos del bien o el mal—, es la química. La imagen de Jano (fig. I.3)⁴ constituye una buena metáfora de lo mucho que tiene que ver el mundo exterior con la química.

La ambigüedad en la manera en que la química es percibida no es sino una dicotomía externa. Hay más. Ubicada en un lugar central entre el universo físico y el universo biológico, la química no se ocupa de lo infinitamente pequeño o grande, y sólo indirectamente se relaciona con la vida. Por lo cual a veces se la tipifica como sosa, de la misma forma en que a menudo se consideran aquellas cosas que están en un punto medio. Existe, empero, una doble sorpresa esperando al observador atento de la escena molecular; pues hay ahí un mundo rico y agitado, tanto en sus entrañas como en las emociones de quienes supuestamente de manera desapasionada (pero en realidad apasionados), se dedican a las artes moleculares. En este libro se explorarán las tensiones esenciales de la química; indagaré las polaridades que impulsan, separan y reforman el mundo de las moléculas.

FIGURA I.3. Hans Erni, Imagen de Jano, 1981.

¿Qué tienen que ver los gemelos con esto? Todo. Las preguntas implícitas en la descripción de los gemelos de Molly Marks son: ¿Quién eres?; ¿Eres distinto?; ¿Eres el mismo? La tensión en el caso de Molly está en el reconocimiento, en la identidad, en algo que es lo mismo y no lo mismo. El diálogo de un químico con la materia recalcitrante se inicia con las mismas agobiantes preguntas. Él o ella también se pregunta: ¿Quién eres?; ¿Eres distinto?; ¿Eres el mismo? Lo desconocido en el interior; la idea de un mimetismo molecular: estas metáforas conductoras del modelo de inmunología y fármacos amplían la noción de identidad molecular. Son metáforas determinantes porque, como veremos, atañen a las cuestiones insondables de la diferenciación, de la individuación, del yo.

II. ¿QUÉ ERES?

LA PRIMERÍSIMA PREGUNTA que un químico hace cuando se enfrenta a una muestra de algo nuevo bajo el sol —un polvo traído a un costo fantástico de la superficie lunar, un narcótico adulterado de los que se encuentran en la calle, un elixir extraído de un millar de glándulas de cucaracha— siempre es la misma: ¿Qué tengo? Esta interrogante resulta ser más complicada de lo que se podría creer, pues en el mundo real todo es impuro. Si tuvieras que examinar las cosas más puras de nuestro ambiente —los sellos de silicio, el azúcar que comemos, o algunos productos farmacéuticos— encontrarías que en el nivel de una parte por millón, ¡podrías no querer saber lo que hay ahí!

Todo está de hecho bastante sucio. En especial las cosas naturales, que en promedio son mucho más impuras que las sintéticas. Bastante más. Se han encontrado en el vino unos 900 componentes de aroma volátil;¹ el magnífico vino alemán de Mosela, el Bernkasteler Doctor Trockenbeerenauslese de 1976, es identificado por un catador experto por la mezcla de ingredientes, sustancias químicas naturales (¿qué otra cosa hay?) que dan al vino su sabor y aroma. Curiosamente, el sabor y el aroma en conjunto, aun cuando los ingredientes sean sustancias químicas que pueden cuantificarse, finalmente escapa a la pericia del químico. Se necesita ser una persona que sepa de vinos, con un paladar y un olfato perceptivos, para distinguirlo.

¿Por qué son impuras las cosas naturales? Porque los organismos vivos son complejos y producto de la evolución. Se necesitan miles de reacciones químicas, millares de sustancias químicas, para hacer funcionar una uva o tu cuerpo. La naturaleza es una chapucera; las soluciones para asegurar la sobrevivencia de una planta o un animal son el resultado de millones de años de experimentación al azar. Los parches en la fábrica de la vida son de una diversidad asombrosa de formas y colores moleculares. Algo que funciona es elegido, y puesto en orden por todos esos experimentos naturales.²

De tal suerte que la pregunta realista no sería ¿Qué es?, sino ¿Cuánto hay de qué?. Uno debe separar una sustancia en sus componentes constitutivos. Cada componente es un compuesto, una agrupación persistente de átomos que no se separan. A ese grupo de átomos se le denomina molécula; un compuesto puro es una sustancia que consiste de un ensamblaje muy grande (las moléculas son diminutas) de moléculas idénticas. Cada compuesto tendrá propiedades muy distintas; el azúcar y la sal pueden ser sólidos cristalinos blancos solubles en agua, pero no es difícil distinguirlos por otros atributos físicos (y químicos, y biológicos) distintos.

FIGURA II.1. Fluorita en baritina. (Foto del Studio Hartmann.)

Después de la separación de una sustancia en sus componentes, uno quiere identificar los compuestos constitutivos. Para un químico, estructura significa la identidad de los átomos presentes en el compuesto puro, cómo esos átomos están conectados entre sí, y cuál es su disposición en el espacio.

Comencemos con el problema de la separación —por casualidad soy coleccionista de minerales—, y en la figura II. 1 les muestro una manera en que la naturaleza lleva a cabo dicha separación: cristales cúbicos de fluorita, en tonalidades que van de lavanda claro a pálido, encaramados en las alargadas hojas de cristal de baritina en este espécimen de la Schwarzwald —la región de la Selva Negra de Alemania—.³ Si dispusieran de tiempo (en una escala geológica), podrían observar que bajo ciertas circunstancias las sustancias se separarían unas de otras naturalmente, como éstas lo hicieron. El método se denomina cristalización fraccionada. Empero, la paciencia de la mayoría de los químicos no es del orden de los miles de años. Los cinco años que un estudiante de doctorado pasa en una escuela para graduados se acerca más al tiempo en que se ubica su paciencia. Los seres humanos buscan una técnica más rápida, y así se inventan máquinas para separar cosas.

La figura II.2 es el resultado de una máquina de ese tipo en funcionamiento. Este cromatógrafo de gases puede costar unos 5 000 dólares. Separa las moléculas mediante un proceso repetido, absorbiéndolas en pequeños granos semejantes a los de arena, y luego liberándolas. En esta dualidad de retener y soltar, las distintas moléculas encuentran un equilibrio distinto y pasan a través de la máquina más despacio o más rápido.

FIGURA II.2. Treinta y nueve picos, cada uno de los cuales contiene al menos un compuesto del aroma del cacao. El eje horizontal es el tiempo, en minutos, en el cual el componente es extraído de un cromatógrafo de gases. El eje vertical está relacionado con la concentración de los componentes. (Reimpreso con autorización de J. P.

Marion et al., Helvetica Chimica Acta, 50, 1967: 1509-1516.)

El artículo del que se tomó esta figura describe el trabajo de un grupo de químicos que se dieron a la tarea de analizar el aroma del cacao fresco.⁴ ¿Por qué querría alguien hacer eso? Bien podrían querer hacerlo los laboratorios Nestlé, de Vevey, Suiza. Sus químicos tomaron dos mil kilogramos de cacao ghaniano puro, extrajeron el aroma con vapor y diclorometano. Concentraron el extracto en sólo cincuenta mililitros. Y después hicieron pasar a través del cromatógrafo de gases pequeñas porciones. En la figura se pueden ver treinta y nueve picos en cierta escala de tiempo, conforme emergen de su difícil prueba de unión y separación en el cromatógrafo. Cada uno de estos picos es al menos un componente; los químicos de los laboratorios Nestlé en realidad identificaron cincuenta y siete compuestos diferentes, treinta y cinco de los cuales no se sabía que contuviera el cacao. La complejidad del mundo nos rebasa. Los 57 compuestos (cada uno hecho de una infinidad de moléculas idénticas) pudieran no ser necesarios para producir el aroma del cacao. Pero es notable cuán complicada es en realidad esa mezcla natural.

La siguiente tarea es averiguar con precisión qué moléculas están presentes en cada uno de los treinta y nueve picos. En ciertos casos, cuando las moléculas cooperan, si cristalizan pulcramente, entonces, con un aparato llamado difractómetro de rayos X (cuyo precio es de unos 100 000 dólares) y una semana de trabajo, es posible determinar la estructura de la molécula.

Un ejemplo de esas estructuras moleculares cristalográficamente determinadas se muestra en la figura II.3.⁵ ¡Ésta no es una molécula que deba encontrarse en el aroma del cacao! Contiene tres átomos de rodio —hasta donde sé nadie ha encontrado rodio en el cacao—. No es que los organismos naturales eviten los metales; el hierro, el cobre, el manganeso, el cinc, el magnesio, e incluso los raros molibdeno y selenio, tienen un papel central en los sistemas vivos. Pero el rodio, fundamental para el funcionamiento del convertidor catalítico de tu automóvil (sobre el cual se abunda en el capítulo XXXIV), no es un oligoelemento biológico esencial. Muestro la molécula sólo para indicar el detalle con que se puede determinar la forma molecular. En esta representación de Star Wars pueden verse algunos números; indican las distancias entre los átomos. Puede recopilarse incluso ese detalle métrico.

FIGURA II.3. Dos vistas de la estructura (en un cristal) de Rh3 (C5H5)2 (CO)

III. GIRÍNIDOS

SIN EMBARGO, a menudo las moléculas no cooperan con nosotros revelándonos sus misterios en forma tan directa. Pueden no proporcionar los preciosos cristalitos necesarios para la técnica (cristalografía de rayos X) descrita al final del capítulo anterior. Permítaseme narrar una breve historia de cómo ciertos químicos determinaron la estructura de una molécula sin contar con una solución cristalográfica directa. La historia proviene del trabajo de unos colegas míos —Jerrold Meinwald, químico orgánico, y Thomas Eisner, neurobiólogo, entomólogo y fisiólogo de insectos, ambos de Cornell—. Habían estado trabajando juntos durante los últimos treinta años en ecología química: los sistemas de comunicación y defensa de los insectos. Los insectos son los más grandes químicos. Más que otras especies, ellos usan productivamente moléculas simples y complejas, por separado y en mezclas tipo perfume, para comunicarse en la alimentación, defensa, reproducción

Comentarios para Lo mismo y no lo mismo

[acrn_1 · Calificación: 4 de 5 estrellas]

This book is sure interesting, but it lacks some of the style and refinement of the great science book writers. Sadly, because i am quite interested in chemistry, but the school books were way too dull.