Secció 2^a. L’estudi del microcosmos

La radioactivitat

A finals del segle XIX, entre les múltiples causes que originaren la crisi de confiança dels científics en el valor absolut de la ciència moderna, trobem el descobriment d’una sèrie de fenòmens naturals que, durant un cert temps, no reberen una adequada explicació dins dels esquemes conceptuals amb els quals treballaven. A mitjans d’aquell segle, només es coneixien dues de les quatre forces de la naturalesa que ara sabem que existeixen, la força de la gravetat i la força electromagnètica. La primera havia estat l’objecte d’estudi en el segle XVII per Isaac Newton, que havia explicat la seva llei bàsica de funcionament. La segona per James Clerk Maxwell, l’any 1864, en el treball on reuní en un únic fenomen natural les forces de l’electricitat i del magnetisme. No seria fins el segle XX que es comprengué el funcionament de les altres dues forces de la naturalesa, la coneguda com a força nuclear dèbil, relacionada amb el fenomen de la radioactivitat, i la força nuclear forta, que és la més intensa de totes i és la que manté unit el nucli dels àtoms. El descobriment del fenomen de la radioactivitat fou un dels elements que va dur els científics a anar més enllà de l’esquema conceptual elaborat durant l’època moderna.

En el camí que condueix cap al descobriment del fenomen de la radioactivitat, Johann Hittorf va fer el primer pas, en detectar els brillants raigs que s’emeten en l’interior d’un tub sotmès al buit quan flueix un corrent elèctric. Foren coneguts amb el nom de raigs catòdics. El novembre de 1895, Wilhelm Conrad Roentgen descobrí els ja famosos raigs X, molt emprats per al diagnòstic clínic. Tres mesos més tard, Henri Becquerel s’adonà que determinats compostos de l’urani produeixen una energia que, aparentment, sorgeix del no-res. És la radioactivitat.

L’any 1899, Joseph Thomson demostrà que els raigs catòdics són, en realitat, partícules infinitesimalment diminutes, els electrons₀, que poden ser desviades en la seva trajectòria per un camp electromagnètic₀. Ernest Rutherford completà aquesta nova comprensió de la naturalesa durant la primera dècada del segle passat mitjançant un transcendental experiment científic que li serví per demostrar que la causa de la radioactivitat natural es deu a la desintegració espontània que experimenta l’estructura de l’àtom de determinats elements químics relativament pesats.

Tots aquests descobriments obriren la porta als científics a un món aleshores completament desconegut: el microcosmos^[509].

L’exploració de l’àtom

En l’últim segle i mig, una de les activitats humanes més productives des del punt de vista científic ha estat explorar i comprendre d’una forma cada vegada més profunda la naturalesa i, molt en particular, l’estructura i el funcionament de l’àtom. Una comprensió que deu molt a la millora que han experimentat els instruments d’observació microscòpica. Però fou el descobriment de la radioactivitat que produeixen determinats elements químics naturals, allò que es convertí en la gran oportunitat a disposició dels físics per començar l’exploració de l’interior de l’àtom.

Ernest Rutherford s’adonà que l’ús intensiu de la radioactivitat que contenen alguns materials en experiments científics, permetia accelerar les partícules subatòmiques₀ a velocitats molt altes, i d’aquesta manera, es podia estudiar la matèria que es troba en l’interior de l’àtom. Més endavant, el propi Rutherford i el seu deixeble James Chardwick descobriren que el nucli de l’àtom està composat per partícules amb càrrega elèctrica positiva, i altres sense càrrega elèctrica, i s’adonaren que, per estudiar l’estructura del nucli, és necessari aplicar una quantitat d’energia molt superior que la necessària per investigar l’estructura general de l’àtom.

Amb la finalitat d’estudiar l’interior de l’àtom, a partir de la dècada dels anys trenta, es construïren uns aparells, els acceleradors de partícules₀, que acceleren la matèria a suficient velocitat per poder fer una anàlisi sistemàtica de les seves propietats. D’aleshores ençà, l’ús d’aquesta tecnologia ha fet possible el descobriment de moltes famílies d’estranyes partícules que han transformat la nostra visió del microcosmos. Ara sabem que el diminut nucli dels àtoms està format per entitats encara més petites que el propi àtom, que expliquen les seves propietats. Es creu que, en els propers anys, es podrien descobrir noves partícules fonamentals al gran laboratori que, durant el 2008, i encara que d’una forma accidentada, es posà en funcionament a la ciutat helvètica de Ginebra^[510].

Física o química?

Els avenços produïts en el coneixement de les forces de la naturalesa i de la matèria microscòpica anaren acompanyats d’una millor comprensió del funcionament del món natural a escales molt petites, aquelles que es donen a l’interior de l’àtom. L’any 1900, el físic alemany Max Planck proposà que la llum i les altres formes de radiació electromagnètica no poden ser emeses en quantitats arbitràries, sinó solament en determinats paquets d’una grandària determinada, els quanta₀, que tenen la important propietat de què no poden ser en cap cas menors a un llindar mínim. Allò que suggerí el científic alemany és que l’energia no apareix en forma contínua, sinó discontínua. Un quàntum constitueix la unitat mínima de radiació d’energia que es pot donar a l’Univers^[511].

L’any 1905, Albert Einstein aplicà la idea de les quantes de llum a l’explicació del dit «efecte fotoelèctric», fenomen que consisteix en el fet que, quan la llum d’un determinat color incideix sobre superfícies metàl·liques, els comunica una càrrega elèctrica positiva que és ocasionada per l’expulsió d’electrons procedents de les superfícies il·luminades. Per a cada color en concret, els electrons que s’emeten tenen tots el mateix contingut d’energia, però aquesta energia és diferent per a la llum procedent d’altres colors. Einstein explicà aquest fenomen de l’efecte fotoelèctric a partir del supòsit que la llum consistís en una corrent de quantes de llum individuals, confirmant així la hipòtesi de Planck. S’adonà, però, que la llum manifesta els seus efectes d’una manera dual, com a ona electromagnètica₀, però també com a conjunt de partícules de matèria.

A aquests treballs pioners de Planck i Einstein, seguiren tota una sèrie de desenvolupaments posteriors, tant a nivell teòric com experimental, que conduïren a donar una insòlita explicació del funcionament de l’Univers a escales molt petites. Es coneix la disciplina que recull tots aquests coneixements amb el nom de mecànica quàntica₀. És aquesta una teoria científica que estableix els principis que regulen el funcionament de la naturalesa a nivell subatòmic, i resulta essencial per comprendre la relació que uneix la física, la química i les matemàtiques.

Entre els autors que més contribuïren a la comprensió del funcionament de l’àtom, cal destacar el danès Niels Bohr. L’any 1922, proposà que els electrons giren entorn al nucli de l’àtom en un conjunt determinat d’òrbites fixes, i que les successives capes orbitals d’electrons poden contenir tan sols un nombre precís d’electrons. Havia comprès ja que les propietats dels elements químics vénen determinades pel nombre i la disposició dels electrons que estan situats en la seva capa més externa de l’àtom, que és la usada per interactuar en les reaccions químiques. El 1924, Wolfang Pauli demostrà que cap òrbita pot contenir més de dos electrons. Aquell mateix any, en la seva tesi doctoral, Louis de Broglie explicà que no solament la llum natural, sinó que qualsevol forma de radiació d’energia es comporta de manera dual, a vegades com si estigués constituïda per partícules de matèria, a vegades en forma d’ones electromagnètiques. També que, quan els electrons i altres partícules actuen com si fossin ones tenen un comportament similar a la que produeix la vibració d’una corda de guitarra, és a dir, que adopten tan sols certes freqüències₀ determinades. Això donà origen a un interpretació de l’àtom com si fos un conjunt d’ones electromagnètiques que giren al voltant d’òrbites, a cadascuna de les quals correspon un nivell d’energia diferent. El 1926, Erwin Schrodinger descriví l’òrbita que segueix l’electró al voltant del nucli com una ona o vibració electromagnètica que pot ser expressada per una fórmula matemàtica. Max Born s’adonà que l’equació de Schrodinger depèn en certa mesura de l’atzar. I el 1927, Werner Heisenberg demostrà que mai no podrem conèixer exactament el que succeeix a l’interior d’un àtom, doncs és impossible saber al mateix temps, amb precisió, la posició i la velocitat d’una partícula. És a dir, que quan més precisa és la mesura d’un dels dos paràmetres, menys ho és la de l’altre, i que la naturalesa solament es pot explicar emprant les lleis estadístiques de la probabilitat.

A partir del nou marc teòric que ofereix la mecànica quàntica, al llarg de la dècada dels trenta, Linus Pauling oferí una explicació electrònica de les propietats observables de substàncies ben conegudes. Reuní totes les seves recerques en el seu influent tractat de química, «La naturalesa de l’enllaç químic», obra publicada l’any 1939, que es convertí en el llibre de referència de tots els químics occidentals en el període immediatament posterior a la Segona Guerra Mundial. Aquests progressos foren la base científica a partir de la qual es desenvoluparien tot un conjunt de tecnologies relacionades amb el domini del microcosmos^[512].

Però la mecànica quàntica obrí, alhora, una greu ferida en el si de la física. A escales infinitessimalment petites, sorgeixen contradiccions matemàtiques aparentment irresolubles que impedeixen comprendre el nostre Univers d’una manera coherent i racional. La matèria sembla obeir les lleis de la mecànica quàntica, mentre que la gravetat descriu, a grans trets, les lleis de la relativitat general. I de la mateixa manera que a finals del segle XIX, la incompatibilitat entre la física de Maxwell i la de Newton posà de manifest que alguna cosa fallava en la ciència que s’havia construït en els dos segles precedents, la incompatibilitat existent, en determinades situacions límit, entre la mecànica quàntica i la relativitat general, indica que cal trobar una teoria física més general que posi fi a les contradiccions que sorgeixen entre les dues teories. Aquesta va ser la principal tasca a la qual es va dedicar infructuosament Einstein en els últims anys de la seva vida, i aquest continua sent l’objectiu de molts físics contemporanis que encara cerquen una «teoria unificadora de la física»^[513].

L’electrònica₀ i la informàtica

La configuració del món contemporani deu molt als descobriments científics realitzats durant la primera meitat del segle passat. Bona part del progrés tècnic produït en la indústria contemporània té les seves arrels en els avenços teòrics que suposaren la mecànica quàntica i la química de Pauling, i que donaren lloc a la ciència de l’electrònica^[514]. El creixement registrat en moltes de les noves branques de la indústria s’explica també per l’augment continu en la velocitat de processament dels ordinadors, i pel procés de miniaturització dels seus components, que ha anat paral·lel al seu dràstic abaratiment. En la mesura que s’ha reduït el cost d’usar, adquirir i processar informació, s’ha accelerat també el ritme i l’eficiència en els processos d’adquisició de coneixement, un element aquest clau que explica l’evolució accelerada que ha seguit el món contemporani especialment en el món de les tecnologies de la comunicació^[515].

Amb el desenvolupament dels ordinadors personals, la informàtica de consum ha transformat l’organització del treball, ha donat una empenta definitiva al desenvolupament de l’electrònica de consum, i ha obert grans perspectives als intercanvis d’informació a llarga distància, ajudant també a crear una xarxa cada vegada més integrada a nivell planetari d’informació i coneixements que ara es troben a l’abast de molta gent.

L’organització del treball s’ha vist afectada per la introducció de sistemes de producció més flexibles, que s’adapten als gustos cada vegada més diferenciats dels consumidors. Amb la possibilitat d’introduir cadenes de producció més curtes, s’introduïren també innovadors sistemes d’aprovisionament d’estocs, que reduïen els costos, en assegurar que els productes solament se subministrarien quan eren requerits.

El desenvolupament de l’electrònica de consum ha revolucionat totes les formes de lleure. D’una banda, amb la indústria dels videojocs, un sector aquest que s’ha difós coetàniament amb els ordinadors personals. De l’altra, amb l’aparició de tot un conjunt d’aparells electrònics que han augmentat les formes de produir i escoltar música a qualsevol lloc.

Els intercanvis d’informació a llarga distància ha estat una de les moltes conseqüències derivades del fenomen tecnològic i social que representa Internet. Aquesta xarxa ha constituït una de les revolucions tecnològiques més importants que s’han realitzat en els darrers temps. El seu avantatge principal és que ofereix als seus usuaris la possibilitat de transmetre informació de forma gairebé instantània i gratuïta la qual, a més a més, pot ser llegida des de qualsevol ordinador que hi estigui connectat^[516].

La molècula de la vida

Al llarg dels segles XIX i XX, els avenços que es produïren en l’àmbit de les ciències física i química com a conseqüència dels estudis sobre l’àtom, resultaren d’una magnitud equivalent a aquells que experimentaren les ciències de la vida gràcies als estudis sobre la cèl·lula₀. Aquests últims i, molt en particular, els que es concentraren en el seu nucli, obriren el camí cap a una millor comprensió de la constitució bàsica dels éssers vius.

Ja en la segona meitat del segle XIX, Friedrich Miescher havia identificat les substàncies que composen el nucli de les cèl·lules dels éssers vius. Descobrí que aquesta molècula està formada per diversos grups d’àcids. Richard Altman els batejà amb el nom d’àcids nucleics. D’altra banda, Walter Fleming observà que aquest nucli contenia estructures filamentoses que, posteriorment, serien conegudes amb el nom de cromosomes₀.

L’any 1900, el botànic neerlandès Hugo de Vries identificà que dins d’aquesta substància es troba el gen₀, que és el material responsable de la transmissió dels caràcters hereditaris. Aquell mateix any, de Vries, Carl Correns i Erich Tschermak, redescobriren, d’una forma independent i coetània, els principis fonamentals que regeixen el mecanisme concret de transmissió de l’herència biològica. Principis que ja havien estat establerts pel monjo Gregor Mendel en un treball pioner però quasi desconegut durant algun temps, que fou publicat l’any 1865, on havia posat de manifest la relació que existeix entre les matemàtiques i la botànica^[517].

En les primeres dècades del segle passat, poc després d’haver-se identificat els gens com els principals agents transmissors de l’herència biològica, es descobrí també que aquests es transmeten a les següents generacions amb canvis o errors produïts a l’atzar, que reben el nom de mutacions. Aquest descobriment permeté emplenar un buit important en la teoria evolutiva de Darwin i Wallace. Els fundadors de la teoria evolutiva no havien pogut donar una explicació coherent sobre l’herència que donés compte de la persistència, de generació en generació, de les variacions sobre les que actua la selecció natural. Si no hi ha variació, no hi ha res que es pugui seleccionar. El fenomen de les mutacions genètiques permet explicar l’enorme diversitat d’éssers vius que hi ha al món, doncs, encara que la majoria d’aquestes produeixen canvis evolutius que són perjudicials per a l’individu que les experimenta i, en conseqüència, no deixarà descendència, o aquesta acabarà essent eliminada pel mecanisme de la selecció natural, hi ha alguns pocs casos per als quals aquest fenomen no té efectes favorables ni desfavorables, o fins i tot, opera favorablement, incorporant propietats noves que resulten beneficioses per l’individu i llurs descendents. En aquests casos, si es donen les circumstàncies ambientals apropiades, aquestes innovacions biològiques poden persistir^[518].

Però l’avenç teòric més important en la comprensió del fenomen de la vida arribà durant la Segona Guerra Mundial. Erwin Schrodinger s’adonà que, de la mateixa manera que Mendel havia posat de manifest les relacions entre matemàtiques i botànica, i els físics que treballaven en el camp de la mecànica quàntica havien aconseguit explicar les íntimes relacions existents entre la física i la química, la física podia ajudar molt a definir el fenomen de la vida. En un petit llibre titulat «Què és la vida?», publicat l’any 1944, descriví la vida com un sistema capaç d’obtenir ordre del seu entorn. Explicà que els organismes vius exploren el seu entorn d’una forma que no té equivalent en l’àmbit de la matèria inanimada. Posà de relleu també que, segons la física coneguda, un gen havia de ser una sèrie regular d’unitats que es repeteixen sense arribar a ser idèntiques. Imaginà el gen com una molècula llarga i estable dotada d’un codi capaç de donar origen a una gran diversitat de formes de vida.

De forma coetània, Oswald Thomas Avery descobrí que els gens estan formats per un àcid desoxirribonucleic₀ (ADN).

Les aportacions de Schrodinger, i l’estimulant descobriment d’Avery, foren el punt de partença que guià les recerques sobre la molècula de la vida després de la Segona Guerra Mundial. L’any 1953, els científics britànics Francis Crick i James Watson descobriren que l’estructura de l’ADN té una forma de doble hèlix, i explicaren el seu mecanisme de replicació. Cadascuna de les dues cadenes de la doble hèlix representa un reflex de l’altra. En la divisió cel·lular, aquesta última propietat permet que, llevat accidents, es repeteixi el mateix missatge una i altra vegada^[519].

El Projecte Genoma₀ Humà

El descobriment de l’estructura de la molècula de l’ADN obrí la possibilitat de desenvolupar una nova branca de la biologia, la genètica₀. Al mateix temps, les relacions de la biologia amb les matemàtiques es feren més estretes. Poc després del descobriment de l’estructura de l’ADN, Henry Quastler i Hubert Yockey suggeriren que el paper d’aquesta molècula podria ser similar al que té un programa informàtic que conté una informació que permet l’execució de càlculs rutinaris. L’any 1961, Rolf Landauer i Charles Bennet s’adonaren que, des d’un punt de vista estrictament formal, la relació entre matemàtiques i biologia s’assembla al problema que es plantegen els criptògrafs quan volen desxifrar missatges.

En tots dos casos es tracta de trobar el significat d’un codi. En el cas de la genètica, el significat de les seqüències de bases que formen el gen. A partir de totes aquestes idees, s’ha volgut tractar els organismes vius com si fossin màquines capaces d’executar programes, i reproduir-se a sí mateixes. En la creació d’organismes genèticament modificats allò que fan els investigadors que treballen en el camp de l’enginyeria genètica és aïllar un fragment d’ADN, que després reinsereixen en el programa d’un hoste qualsevol. Els descendents de l’hoste es comporten com si haguessin estat reprogramats a partir del nou fragment del programa que s’ha afegit^[520].

Com a conseqüència directa de tots aquests avenços en el camp de la biologia, l’any 1978, mitjançant un procediment pioner de seqüenciació₀ i clonació genètica₀, es començà a produir de forma massiva insulina humana. L’èxit d’aquesta iniciativa fou el punt de partença d’una de les indústries més dinàmiques de les últimes dècades^[521]. En els vuitanta, l’ús dels nous coneixements biològics s’emprà també en l’àmbit social, per a la identificació de persones, tant a la recerca de proves per determinar qui havia estat el criminal responsable d’una violació, com en la determinació de la paternitat en els casos que la filiació d’una persona fos controvertida. L’atracció per la nova disciplina científica es disparà a partir de les expectatives que ha generat l’elaboració del mapa del genoma humà^[522], tasca que fou completada l’any 2003. S’espera que, a partir dels coneixements que aportarà, es podran comprendre millor les malalties de transmissió hereditària i, eventualment, trobar la millor forma de guarir-les.