Revista Galega do Ensino

Transcrição

1

2

3 Revista Galega do Ensino Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

4

5 Revista Galega do Ensino COMITƒ DE REDACCIîN Ana Mar a Platas Tasende / Direcci n M. del Mar Lorenzo Moledo / Subdirecci n Mar a Natividad Rodr guez L pez / Secretar a Javier Vilari o Pintos / Ilustraci n CONSELLO ASESOR Antonio de Ron Pedreira Agust n Dosil Maceira Constantino Garc a Gonz lez Carlos Garc a Riestra Xesœs P. Gonz lez Moreiras Venancio Gra a Mart nez JosŽ Eduardo L pez Pereira SenŽn Montero Feij o JosŽ Carlos Otero L pez Carlos Pajares Vales Vicente Pe a Saavedra Mar a Pilar Mar PŽrez Mars çngel Rebolledo Varela Manuel Regueiro Tenreiro Mar a Jesœs Su rez Sixto JosŽ Luis Valcarce G mez TRADUCCIîN E CORRECCIîN LING êstica Bego a MŽndez V zquez COLABORACIîNS, CORRESPONDENCIA, INTERCAMBIO E PEDIDOS Conseller a de Educaci n e Ordenaci n Universitaria Direcci n Xeral de Pol tica LingŸ stica Edificio Administrativo San Caetano Santiago de Compostela revista.galega.ensino@mail.xunta.es

6

7 Nœmero especial Balances dun sžculo Volume I CIENCIAS COORDINADOR Carlos Pajares Vales

8 O ComitŽ de Redacci n non asume necesariamente as opini ns expostas polos autores Prohibida a reproducci n total ou parcial do contido sen a autorizaci n expresa da RGE Xunta de Galicia Edita: Conseller a de Educaci n e Ordenaci n Universitaria Direcci n Xeral de Pol tica LingŸ stica Imprime: Grafinova, S. A. Dep sito Legal: C ISSN: X

9 p p p p p p êndice Presentaci ns Presentación Manuel Fraga Iribarne Para unha fin de século Celso Curr s Fern ndez Limiar Carlos Pajares Vales p x. 15 p x. 17 p x. 19 Colaboraci ns As Ciencias Matemáticas no século XX Lu s A. Cordero A Teoría da Relatividade Alfonso V zquez Ramallo Mecánica cuántica J. S nchez GuillŽn p x. 23 p x. 45 p x. 65

10 p p p p p p Núcleos e partículas Carlos Pajares Vales Astrofísica e Cosmoloxía JosŽ M. Fern ndez de Labastida y del Olmo Química: balance dun século M. Arturo L pez Quintela A Bioquímica no final do milenio. Un século de historia Manuel Freire Rama A Xenética no século XX çngel Carracedo çlvarez A tectónica de placas e o impacto Kt. Unha gran revolución xeolóxica e unha gran controversia do século XX Federico Vilas Mart n p x. 85 p x. 109 p x. 141 p x. 157 p x. 175 p x. 193

11 p p p p p p p A Medicina no século XX Fernando Dom nguez Puente A Cirurxía no século XX Miguel Ca nzos Fern ndez Os computadores do século pasado SenŽn Barro Ameneiro Electrónica: Ciencia e Tecnoloxía Diego Cabello Ferrer / Carlos G mez-reino Carnota A Biotecnoloxía no século XX: o inicio dunha revolución? Tom s G. Villa / Juan M. Lema Rodicio Mente e cerebro Carlos Acu a Castroviejo Medio ambiente Felipe Mac as V zquez p x. 215 p x. 233 p x. 251 p x. 273 p x. 293 p x. 315 p x. 337

12 p p p p p Premios Nobel Fisiolox a ou Medicina F sica Qu mica Ciencias Econ micas p x. 361 p x. 367 p x. 374 p x. 381 Normas para os autores ComitŽ de Redacci n p x. 385

13 Presentaci ns

14

15 15 PRESENTACIÓN C mpre Ñe bo ser a facelo con talante e esp rito cr ticosñ un repaso s evoluci ns e variaci ns habidas nas diferentes reas do co ecemento no que o xžnero humano est inmerso e se desenvolve. ƒ costume das nosas culturas occidentais facer balances peri dicos dos logros acadados a partir das propostas presentadas. Deste xeito aval anse moitas veces os resultados nas reas cient ficas e tžcnicas nas que as posibilidades de lograr metas est n supeditadas de contino metodolox a e, sobre todo, tecnolox a alcanzable en cada momento. Outra cousa Ž o pensamento, a ideolox a, o criterio ou criterios con que se elixe unha li a de actuaci n. Isto non Ž cuesti n de menor importancia, pois sabemos que as conductas mudaron a miœdo os rumbos da nosa historia. Desde as ideolox as ata as maquinarias cient ficas e tžcnicas, todo pode quedar obsoleto. Adaptarse s tempos ten moito que ver con ser capaces de co ece-lo pasado e entende-la sœa evoluci n nos diferentes mbitos da actuaci n humana. Este co ecemento e mais este entendemento poder n ofrecernos un punto de apoio para seguirmos avanzando en ciencia, en tecnolox a, en pensamento, e axudarannos outros a discernirmos entre o que Ž verdadeira evoluci n e o que Ž un simple cambio. A Revista Galega do Ensino Ñnon pod a ser doutra maneirañ sœmase a esas reflexi ns con este nœmero extraordinario, Balances dun sžculo, dedicado a comproba-las evoluci ns e pescudar nos mžtodos baixo diferentes puntos de vista, coa calidade e o rigor s que xa nos ten acostumados. Manuel Fraga Iribarne Presidente da Xunta de Galicia Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

16

17 17 PARA UNHA FIN DE SECULO Os remates dos sžculos inclinan sempre reflexi n. Non a ser menos o deste, tan axitado nos terreos da historia, da sociedade e da pol tica coma innovador nos eidos do pensamento, das diversas ciencias, das comunicaci ns, do ensino, das leis ou das artes. A Revista Galega do Ensino, coa que esta Conseller a, desde hai anos, quere ofrecer profesorado v as de expresi n dos seus achados e de actualizaci n dos seus co ecementos, compr cese en editar, con motivo destas datas tan singulares, un nœmero especial no que se recollen estudios varios sobre o sžculo XX. As particulares visi ns dun nutrido grupo de especialistas en diferentes disciplinas sobre os principais acontecementos, as ideas ou os descubrimentos m is transcendentes deste sžculo demostran canto houbo de inquedanzas, canto de inventos e de poderosa forza creativa na œltima centuria, que parece se-la porta que abre infinito as posibilidades da nova, na que tan axi a nos corresponde entrar. Sen dœbida, estes Balances dun sžculo han gozar dunha entusiasta acollida por parte dos lectores e servir de punto de referencia para docentes e estudiosos interesados no desenvolvemento da cultura. Moito do que acadaron os nosos predecesores lžmbrase nas seguintes p xinas. Algœns, por certo, nin sequera foron os nosos predecesores: son os nosos coet neos, e viven e alentan canda n s mentres lle arrincan mundo os seus m is agochados segredos e nos entregan os logros finais das sœas incontables horas de dedicaci n. Non pode ser outra a maneira de conquistar un futuro que xa Ž presente. Celso Curr s Fern ndez Conselleiro de Educaci n e Ordenaci n Universitaria Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

18

19 19 LIMIAR Cando o conselleiro Celso Curr s e maila directora da Revista Galega do Ensino, Ana Mar a Platas, me propuxeron coordinar un volume sobre a Ciencia e a TŽcnica no sžculo XX, que fose complementario doutro volume dedicado s Letras e as Ciencias Sociais, pareceume que estes libros poder an ser de utilidade para profesores de institutos, colexios, universidades e, en xeral, para un amplo sector de lectores, sempre e cando se atinase nos enfoques e mais nos obxectivos. Nestes œltimos anos est n aparecendo e aparecer n moitas m is publicaci ns onde se repasen de xeito exhaustivo t dolos logros acadados e os problemas que restan nun determinado eido do co ecemento. Son artigos do tipo review nos que os lectores potenciais son os expertos dese eido determinado. Non Ž isto o que se pretende no noso caso. TamŽn est n sa ndo rœa 'enciclopedias' dedicadas sžculo XX onde se recollen varias disciplinas e se lles aplica unha orde tal que se poida atopar calquera dato relacionado con elas. Tampouco pretendemos facer unha obra deste tipo. Tr tase simplemente de contar, dun xeito que chegue a un gran nœmero de persoas, feitos relevantes da Ciencia e da TŽcnica no sžculo XX, cunha extensi n razoablemente limitada, de forma que un lector poida satisface-la sœa curiosidade nun tempo tamžn razoable, e que ademais lles sexa de proveito sobre todo a persoas que se moven no mundo do ensino, sen renunciar a outros lectores potenciais. Por todo isto, a elecci n dos temas non foi doada. Con seguridade non se atopar n algœns relevantes, pero a sœa inclusi n significar a a exclusi n doutros notables ou a extensi n excesiva do volume. Existe un gran consenso en considerar que o sžculo XX foi o sžculo da F sica e da Biolox a. Partindo delas, coidamos que hab a que trata-las dœas revoluci ns vividas dentro da primeira: a Relatividade e a Mec nica cu ntica; doutra banda a XenŽtica e a Bioqu mica maila Biolox a molecular dentro da segunda. As dœas revoluci ns * da F sica ilumin ronnos o mundo do m is grande e do m is pequeno, Ž Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

20 20 Carlos Pajares Vales dicir, a Astrof sica e a Cosmolox a e mailos nœcleos e as part culas elementais, o pulo das correspondentes en Biolox a, a medra da Biotecnolox a e a dr stica mudanza da Medicina. A todas estas disciplinas importantes no sžculo XX hab a que engadir as ciencias b sicas: Matem ticas, Qu mica e Xeolox a. O volume non pod a deixar de inclu -la Electr nica e Optoelectr nica por un lado e os ordenadores e a Tecnolox a da informaci n por outro, xurdidas en gran medida da F sica. A Cirurx a, a mente e o cerebro e mailo medio natural son tres grandes ramas do co ecemento que durante o sžculo XX experimentaron transformaci ns radicais. Esta foi a mi a elecci n. Todos estes temas son tratados por expertos destacados en cada materia, todos investigadores en Galicia, algœns con experiencia en divulgaci n; o resto fixeron un esforzo para ser comprensibles. Co volume p dese gozar e pasar uns momentos agradables. Polo menos esa Ž a mi a opini n. Sen embargo, esta opinion non Ž a importante. A importante Ž a sœa, que desexo sexa coincidente. Neste caso os obxectivos do volume estar n cumpridos. Carlos Pajares Vales Coordinador do volume de Ciencias

21 Colaboraci ns

22

23 23 AS CIENCIAS MATEMÁTICAS NO SÉCULO XX Lu s A. Cordero* Universidade de Santiago de Compostela ÒEntristŽceme que a xente culta nin sequera saiba que o meu tema existeó Paul R. Halmos Resumi-la evoluci n das Matem ticas longo do sžculo XX nunhas poucas p xinas Ž unha tarefa imposible. Tanto por raz ns obxectivas como por raz ns subxectivas, tendo en conta os modos de pensamento que temos os matem ticos e a nosa linguaxe tan especial, achegarlle lector os avances habidos neste sžculo no pensamento matem tico sen recorrer s f rmulas paržceme, cando me dispo o a comezar a escribir, algo irrealizable. Ademais, coido que un matem tico, enfronta-la tarefa de escribir un artigo como este, que se sup n de divulgaci n, debe ter en conta que polo menos a metade dos seus lectores deixar n de ler que atopen nel unha primeira ecuaci n, e non Ž dif cil imaxinar quž ocorrer cos que continœen daren coa segunda. As que eu, que comparto este punto de vista, vou tentar escribir este traballo sen utilizar f rmulas, confiado en que o meu lector saber desculparme polas moitas imprecisi ns, erros e omisi ns que sen dœbida hei cometer. AS CIENCIAS MATEMÁTICAS: A NOSA CULTURA INVISIBLE NinguŽn cun nivel cultural medio pode nega-la existencia do pensamento matem tico como algo inherente poder racional do home, formando parte da sœa natureza e da sœa historia. Na proposici n non de lei do Congreso dos Deputados sobre o Ano Mundial das Matem ticas 2000 dise: As Matem ticas son unha das m ximas expresi ns da intelixencia humana e constitœen un eixe central na historia da cultura e das ideas. Gracias sœa universalidade apl canse nas outras ciencias, nas ciencias da natureza, nas * Catedrático de Xeometría e Topoloxía. Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

24 24 Luís A. Cordero ciencias sociais, nas enxe er as, nas novas tecnolox as, e nas distintas ramas do saber mais nos diferentes tipos de actividade humana, de tal xeito que resultan ser fundamentais no desenvolvemento e progreso dos pobos. O impacto e influencia das Matem ticas na nosa forma actual de vida Ž indiscutible e džbese seu espectacular crecemento e aumento das sœas aplicaci ns, principalmene no œltimo tercio do sžculo XX, no que todo se matematiza. Moitas das cousas que forman parte da nosa vida coti e das que non poderiamos prescindir facilmente, como a radio, o telžfono, a televisi n, as calculadoras, os ordenadores, os c digos de barras, os discos compactos, o esc ner ou os satžlites artificiais, por exemplo, non ser an posibles sen a aplicaci n de numerosos resultados matem ticos. Malia iso, e a nda que a sœa historia se mide por milenios, os matem ticos temos que admitir que as Matem ticas son, sen dœbida, as m is impopulares de t dalas ciencias, e ocupan o œltimo posto da lista no que comunicaci n e co ecemento do home medio se refire. F. Hirzebruch sinala: Sen Matem ticas non haber a un pensamento l xico estructurado; o pensamento matem tico Ž un compo ente fundamental do mundo moderno. Historicamente as Matem ticas foron a chave que abriu as portas da ilustraci n. Hoxe, as Matem ticas puras poden a nda ser consideradas como o garda do graal do pensamento l xico. O CAMBIO DE SÉCULO: DO XIX Ó XX Ser a imposible falar dos logros acadados polas Matem ticas no sžculo XX sen facer referencia revoluci n experimentada polo pensamento matem tico longo do sžculo anterior. Non s a sœa linguaxe, sen n os fundamentos l xicos das Matem ticas actuais, dependen dun xeito esencial do acontecido durante o sžculo XIX. Unha das caracter sticas primordiais das Matem ticas Ž o seu rigor, Ž dicir, o coidado en non admitir m is que aquilo que fose probado por un razoamento, e fixar con precisi n as bases de todo razoamento. Sen embargo, este coidado non existiu sempre, como mostra a historia das Matem ticas nos sžculos XVII e XVIII, cando os continuadores da obra de Newton e de Leibniz, a nda que culminan as colosais creaci ns do C lculo infinitesimal e do C lculo integral, inquietaban seriamente os cient ficos e mais os fil sofos polas sœas ousad as nos esvarad os terreos do infinito e do infinitžsimo, que se atopaban na base de todo o c lculo, ousad as provocadas por unha incontrolada chamada intuici n. Non obstante, os r pidos progresos experimentados neses sžculos fixeron que as Matem ticas entraran no XIX Ñpara moitos o verdadeiro sžculo da Matem tica purañ nun per odo de axitado crecemento caracterizado por dous feitos: 1) a cr tica dos fundamentos, primeiro os da An lise, logo os da

25 As Ciencias Matemáticas no século XX 25 Xeometr a, e por œltimo tamžn os da L xica, e 2) por unha tendencia xeneralizaci n, tentando libera-las Matem ticas das presunci ns intuitivas e lograr que fosen un obxecto de estudio en por si, independentes da Filosof a natural. As melloras nos sistemas de c lculo, coa elaboraci n dun sistema rigoroso de an lise, conducen, nun œltimo termo, Mec nica cu ntica e Teor a da Relatividade, e, como consecuencia, a un co ecemento e comprensi n m is fondos da natureza da materia e do espacio. Doutra banda, cuestiona-la l xica do C lculo e da Xeometr a, desc brese un novo mundo para as Matem ticas nas teor as dos conxuntos infinitos e das xeometr as non-euclidianas, o que de feito conducir, longo do primeiro tercio do sžculo XX, mellor entendemento dos seus propios fundamentos. Estas dœas direcci ns, unha aplicada e con influencias alleas, a outra te rica, introspectiva e abstracta, te en en realidade unhas ra ces comœns e mostran a simbiose existente entre Matem tica pura e Matem tica aplicada. Dunha parte, J. Fourier ( ) intœe que toda funci n pode ser expresada como suma de certas funci ns b sicas simples que representan as vibraci ns peri dicas que forman os tons puros musicais ou as cores b sicas da luz. Esta idea de Fourier, motivada pola sœa an lise da calor nos corpos, Ž unha das m is importantes da historia das Matem ticas. Os estudios derivados deste descubrimento estžndense longo de todo o sžculo XIX e involucran os m is importantes matem ticos da Žpoca, como Dirichlet, Riemann, Weierstrass ou Cantor. Eles analizan quž Ž o que valida o mžtodo (a converxencia controlada das sumas infinitas) e quž Ž o que pode invalidalo. Os seus estudios perm tenlles s f sicos te ricos (seguindo o cami o no que a teor a Ž v lida) transforma-la F sica cl sica por medio destes novos instrumentos matem ticos. Pola sœa banda, os matem ticos exploran as moitas v as nas que o mžtodo de Fourier non funciona. Descobren deste xeito o amplo mundo, ata ent n desco ecido, dos conxuntos infinitos. Prodœcese asemade un descubrimento sorprendente e desconcertante: a Xeometr a euclidiana non Ž o œnico tipo de xeometr a posible. Hoxe sabemos que este achado se debe a K. F. Gauss ( ), o matem tico m is grande de t dolos tempos, quen nunca o publicou por medo rid culo; o creto da primeira publicaci n, en 1826, džbese atribu r a N. Lobachevski ( ) e J. B lyai ( ), que, dun xeito independente e case simult neo, deron a co ecer o que hoxe chamamos Xeometr a hiperb lica. A clave para tal achado at pase no feito de que un dos postulados da Xeometr a euclidiana, o Postulado da Paralela ou Postulado V, non Ž por forza certo. ƒ dicir, dos dez axiomas da Xeometr a euclidiana, o Axioma da Paralela pode ser negado e, as e todo, a nda Ž posible constru r cos nove restantes unha Xeometr a perfectamente consistente; ou o que Ž o mesmo, tal axioma Ž independente dos

26 26 Luís A. Cordero outros nove. Este descubrimento leva de contado pluralizaci n das Matem ticas: onde antes hab a unha xeometr a agora temos xeometr as e, nun œltimo termo, lxebras e non s unha lxebra, sistemas numžricos e non un s sistema numžrico. O pulo definitivo destas consideraci ns puramente abstractas sobre as xeometr as non-euclidianas prodœcese coa definici n por G. B. Riemann ( ) das Òconfiguraci ns n-dimensionaisó, co que se crean os modelos matem ticos que lle permitir n a A. Einstein ( ), anos m is tarde, o desenvolvemento da Teor a da Relatividade. Estas dœas direcci ns seguidas no sžculo XIX, se ben poden ser consideradas fundamentais, non foron certamente as œnicas. As necesidades da F sica matem tica provocaron o inicio do desenvolvemento da An lise complexa, Ž dicir, do estudio das funci ns sobre os nœmeros complexos. Este progreso, que se leva a cabo canda o da An lise de Fourier, segue a ter hoxe en d a aplicaci ns constantes non s na F sica matem tica sen n tamžn, por exemplo, desempe ando un papel central na resoluci n de arrevesados problemas da moi abstracta e pura Teor a dos Nœmeros Primos. Doutra banda, a Teor a de Grupos, iniciada por E. Galois ( ) tratar de resolve-lo problema, xa cl sico daquela, de atopar as ra ces dunha ecuaci n polin mica, a çlxebra de Boole, xermolo da l xica matem tica (G. Boole, ), ou a çlxebra de Matrices (A. Cayley ), xorden como consecuencia de consideraci ns puramente te ricas e como resposta a necesidades puramente intelectuais; con todo, co andar do tempo todas elas se te en mostrado claramente œtiles nas sœas aplicaci ns. Desta visi n do sucedido no sžculo XIX, incompleta e moi superficial, p dese extraer emporiso unha importante conclusi n que marca o devir das Matem ticas longo do sžculo XX: a nda que as Matem ticas est n moldeadas tanto pola necesidade de comprensi n da forma pura como pola determinaci n dun feito cient fico, mbolos dous moldes producen estructuras semellantes e, independentemente de se o seu desenvolvemento vžn motivado polo seu interese intr nseco, como se se realiza polo interese das sœas aplicaci ns, os problemas que se xeran e as estructuras necesarias para resolvelos comparten unha base l xica comœn, e s se diferencian na forma de seren expresados. Por iso, e dun modo case xeral, as Matem ticas eran xa aceptadas, a finais do sžculo XIX, como unha forma de pensamento axiomatizado. AS CIENCIAS MATEMÁTICAS NO SÉCULO XX O desenvolvemento experimentado polas Matem ticas longo do sžculo XX Ž, se non maior, si polo menos comparable de calquera das outras ciencias. O ocorrido nestes cen anos p dese resumir, dun xeito moi simple, dicindo que a sœa primeira

27 As Ciencias Matemáticas no século XX 27 metade estivo marcada pola idea de que Òcanta m is abstracci n, melloró; este concepto foi cambiando co paso do tempo, e semella que na segunda metade do sžculo o principio predominante pasou a ser que Òexisten niveis ptimos de abstracci nó. Postos a sinala-las influencias m is relevantes que condicionan o desenvolvemento das Matem ticas na primeira metade do sžculo, Ž obrigado asocialas, nunha inicial aproximaci n, cos nomes de dous ilustres matem ticos: Georg Cantor ( ) e David Hilbert ( ). Cando a Matem tica se mov a no medio dun mare magnum de novos conceptos e teor as e dunha nova linguaxe que nac a coa Teor a dos Conxuntos Infinitos de Cantor, prodœcese un feito que marca decisivamente o seu desenvolvemento posterior longo de todo o sžculo. En agosto do ano 1900 celebrouse en Par s o 2¼ Congreso Mundial de Matem ticas; na secci n de Bibliograf a e Historia, Ensino e MŽtodos, nunha sesi n presidida precisamente por Cantor, Hilbert pronunciaba unha conferencia titulada ÒOs problemas futuros das Matem ticasó. Nela presentaba unha lista de vintetržs problemas non resoltos que, na sœa opini n, eran os m is importantes cos que se enfrontaban as Matem ticas naquel momento e que deber an centra-lo traballo investigador nos seguintes anos. Os problemas propostos por Hilbert marcaron o devir das Matem ticas a partir do momento da sœa formulaci n e ata os nosos d as, David Hilbert presentou na súa conferencia do ano 1900 en París, que acadou moita sona, unha lista de vintetrés problemas matemáticos non resoltos. nos que, por certo, algœn deles a nda segue sen resolver. Tal foi a importancia desa lista de problemas que os matem ticos que lograron solucionar algœn deles obtiveron un reco ecemento un nime por parte de toda a comunidade matem tica. Pero m is importante a nda c lista de problemas de Hilbert foi a sœa proclamaci n de fe persoal na posible resoluci n de todo problema matem - tico, feita na primeira parte da conferencia e que se resume nas sœas propias palabras como segue: Ò(Os matem ticos) o mos sempre resoar esta chamada: aqu te-lo problema, bœscalle soluci n. Ti podes atopala polo razoamento

28 28 Luís A. Cordero puro. Xamais o matem tico ser levado a dicir: IgnorabimusÓ. Hilbert base base no convencemento de que a natureza das Matem ticas consiste en propo er e resolver problemas, polo que os instrumentos do pensamento puro na mente dos matem ticos creadores deben ser sempre suficientes para resolver calquera problema matem tico que se lles propo a. Segundo el, as esixencias e as condici ns xerais s que debe corresponde-la soluci n dun problema matem tico son dœas: 1», a exactitude da soluci n, que debe obterse por medio dun nœmero finito de conclusi ns; e 2», esa soluci n debe fundamentarse sobre un nœmero finito de hip teses proporcionadas polo mesmo problema e formuladas, en cada caso, con precisi n. O mžtodo axiom tico as propugnado por Hilbert non era algo novo, xa que foi o utilizado por Euclides, por exemplo; pero a Hilbert se debe que comezara a ser co ecido e utilizado, na sœa forma moderna, a finais do sžculo XIX. Como autžntico mestre da axiom tica, o esp rito de Hilbert exerceu unha profunda influencia no universo matem tico de principios do sžculo, e por iso debe ser considerado como un deses grandes homes que dominan e caracterizan toda unha Žpoca. O rigor da sœa linguaxe e a marabillosa perfecci n dos seus razoamentos fixeron que o seu traballo fose un modelo para t dolos matem ticos posteriores. O seu libro Grundlangen der Geometrie (Fundamentos da Xeometr a, 1» ed. 1899) marca o inicio da axiomatizaci n das Matem ticas, ou, por sermos m is precisos, da utilizaci n dos sistemas de axiomas formais como base de cada unha das disciplinas matem ticas e, eventualmente, de t dalas Matem - ticas. Non obstante, a implantaci n desta concepci n hilbertiana, esencialmente formalista, non foi doada; el mesmo co ec a mellor ca ningužn a grande influencia exercida polas outras dœas escolas de pensamento sobre a fundamentaci n das Matem ticas que xurdiron nos comezos do sžculo. Dunha parte estaba a Escola loxicista; os seus principais impulsores foron os ingleses B. Russell ( ) e A. N. Whitehead ( ). Os membros desta escola sosti an que a Matem tica Ž unha rama da L xica e, xa que logo, avogaban pola definici n dos conceptos matem ticos en termos de noci ns l xicas e a proba das sœas proposici ns como teoremas de l xica. Este enfoque non era novo xa que o principio de que as Matem ticas son derivables da L xica se remonta a Leibniz, quen distingu a entre verdades da raz n, ou necesarias, e verdades de feito, ou continxentes. En 1903, na sœa obra Principios da Matem tica, Russell escrib a: ÒO feito de que t dalas Matem ticas son l xica simb lica Ž un dos achados m is grandes da nosa Žpoca...Ó Doutra banda estaba a chamada Escola intuicionista, fundada por L. E. J. Brouwer ( ), que m is tarde se une Hermann Weyl (1885-

29 As Ciencias Matemáticas no século XX ). Brouwer concib a o pensamento matem tico como un proceso de construcci ns mentais que crea o seu propio universo, independente da experiencia e restrinxido s na medida en que debe de estar baseado na intuici n matem tica fundamental. Brouwer escribia: ÒO œnico fundamento posible para as Matem ticas ten que buscarse neste proceso constructivo, limitado pola obriga de captar con reflexi n, cultura e refinamento de esp rito quž teses son aceptables intuici n e evidentes mente e quž teses non o sonó. Como non reco ec a ningœn principio da L xica a priori, tampouco non reco ec a a tarefa matem tica de deducir conclusi ns a partir de axiomas; para el, os paradoxos eran un defecto da L xica e non da verdade matem tica, as que negaba a lexitimidade absoluta das regras aristotžlicas da L xica, chegando a citar a Lei do Tercio Excluso para conxuntos infinitos como exemplo de principio l xico que se estaba a aplicar con excesiva liberdade. Hilbert, reaccionando contra esta corrente, chegar a a declarar, alporizado, no ano 1924: ÒDespoxa-lo matem - tico da Lei do Tercio Excluso equivale a negarlle o telescopio astr nomo, ou o uso dos seus pu os boxeadoró. Co fin de salva-la Matem tica cl - sica da demoledora cr tica intuicionista, as como tamžn a Teor a Conxuntista de Cantor, que se estaba a crebar polo mal dos paradoxos, Hilbert propuxo que a Matem tica fose formulada como unha teor a axiom tica formal. Impulsou deste xeito unha terceira escola, a Escola formalista, baseada na filosof a de que todo o contido das Matem ticas pode transformarse nun sistema de f rmulas simb licas; xunto a este sistema formal existe un eido chamado Metamatem tica, dominio separado que serve de xustificaci n para o sistema de f rmulas, xa que o seu obxecto de investigaci n son as propias demostraci ns das Matem - ticas ordinarias. Esta concepci n formalista ou hilbertiana distingue os enunciados ÔreaisÕ dos ÔideaisÕ, segundo o seu uso implique ou non a posesi n dun significado intuitivo. Ademais, o engadido de Ôelementos ideaisõ a un sistema para completa-la sœa estructura e simplificar as o desenvolvemento da correspondente teor a, resultou ser un procedemento moi proveitoso. Hilbert e os seus seguidores cr an que co procedemento de edificar e formaliza-la demostraci n matem tica por medio dun sistema de postulados non contradictorios, poder a introducirse nas Matem ticas o mesmo tipo de certeza que as Leis de Newton introduciran na Mec nica dous sžculos antes. Sen embargo, do mesmo xeito que a Mec nica cu ntica botou por terra o determinismo newtoniano, as a publicaci n do Teorema de Incompletitude por Kurt Gšdel ( ), no ano 1931, fixo o mesmo coa certeza hilbertiana. No seu teorema Ñsen dœbida un dos resultados m is profundos da historia do pensamentoñ, Gšdel establece a sorprendente conclusi n de que as Matem ticas non poden ser encadea-

30 30 Luís A. Cordero das L xica, deixando sentado que a AritmŽtica e, a fortiori, a Ciencia matem tica, Ž unha teor a incompleta. Isto vi a a significa-lo seguinte: dado un conxunto calquera de axiomas que inclœa os da AritmŽtica, non existe ningœn proceso de demostraci n con forza abonda para probar que tal conxunto Ž, mesmo tempo, consistente e completo, xa que se fose completo ter a que ser contradictorio, e se non contžn contradicci ns ent n sempre existen enunciados matem ticos verdadeiros que non poden derivar do conxunto de axiomas de partida. Utilizando as palabras de Hilbert, Gšdel probou que nas Matem ticas sempre existe un ÒIgnorabimusÓ. Gšdel fac a ver as que as Matem ticas non son unha ciencia todopoderosa e que estaban moi lonxe de probalo todo como algœns pretend an, xa que nin sequera daban constatado a sœa propia consistencia. Po ase as mesmo en evidencia que se a Teor a de Conxuntos non Ž contradictoria cando se basea nun sistema de axiomas no que non figure o Axioma da Elecci n (que estipula a posibilidade de elixir un elemento en cada conxunto dunha familia de conxuntos), ent n tampouco o Ž a teor a obtida engad ndolle sistema o Axioma da Elecci n e a Hip tese do Continuo (que di que todo conxunto non numerable de nœmeros reais ten a potencia do continuo, entendendo por ÔcontinuoÕ o conxunto de t dolos nœmeros reais). Polo tanto, non se puido probar nin a veracidade nin a falsidade do Axioma da Elecci n e da Hip tese do Continuo, disxuntiva que divid a os matem ticos e coa que rematou no ano 1963 o americano P. J. Cohen ( ) probar no seu Teorema de Indicibilidade que se trata de dous axiomas independentes do resto, e que a supresi n dun ou de mbolos dous, e mesmo a negaci n de calquera deles, dar a orixe a Matem ticas diferentes. Por certo, Cohen deu as resposta primeiro dos problemas da lista proposta por Hilbert en En resumo, todas estas convulsi ns experimentadas pola axiom tica primitiva longo da džcada dos trinta provocaron modificaci ns substanciais na forma de pensamento matem tico e conduciron, en definitiva, inclusi n dun formalismo-clase no sistema e fusi n dos axiomas da Teor a de Conxuntos cos do C lculo l xico. En todo caso, un feito predominante acabou por ser incuestionable: o triunfo das ideas de Cantor. A introducci n por Cantor, nos œltimos anos do sžculo XIX, dos conxuntos infinitos no vocabulario das Matem ticas deu orixe Teor a de Conxuntos, e con ela proporcionou unha nova e rica linguaxe que permitiu achar novas demostraci ns de feitos xa co ecidos e, sobre todo, considera-las Matem ticas desde unha nova perspectiva, con resultados tan afagadores que logrou estimular enerxicamente as xeraci ns posteriores. A Teor a de Conxuntos, que deixara estampada unha impresi n indeleble nas cuesti ns filos ficas m is fondas dos fundamentos

31 As Ciencias Matemáticas no século XX 31 das Matem ticas, impulsou que os problemas m is arrevesados das sœas principais reas fosen repropostos e moitas veces resoltos; acus ronse daquela os efectos do poderoso pulo innovador xerado por ela. Por exemplo, cuesti ns sobre a estabilidade das soluci ns das ecuaci ns diferenciais, nas que as soluci ns representan traxectorias de obxectos en movemento, foron traducidas en problemas de xeometr a de certos conxuntos de puntos chamados superficies, o que axudou afianzamento dun novo campo nacente: a Topolox a. Dun xeito an logo, cuesti ns sobre a estructura comœn das matrices, dos grupos e dos conxuntos, conduciron amplo dominio hoxe co ecido como çlxebra abstracta. E mžtodos similares, seren aplicados An lise do sžculo XIX, levaron An lise abstracta, na que as integrais e derivadas do c lculo cl sico se aplican en espacios de dimensi n infinita. Estas tres disciplinas, çlxebra, An lise e Topolox a, representan a cultura comœn dun matem tico do noso sžculo. As definici ns, teor as e mžtodos destes tres campos conforman hoxe o fundamento da educaci n matem tica, e ningužn pode ser considerado culto en Matem ticas se non pode lelas e escribilas na linguaxe da çlxebra, da An lise e da Topolox a. Partindo destes tres campos, nados nos albores do sžculo XX, xorde a incrible variedade das Matem ticas dos nosos d as. Esta r pida exposici n das orixes, art fices e principais reas que levan s Matem ticas contempor neas, quedar a incompleta se non se cita a decisiva influencia exercida, entre os anos corenta e ata ben entrados os setenta, pola aparici n no mundo matem tico dunha iniciativa moi singular co ecida baixo o nome de Nicol s Bourbaki. No primeiro semestre do curso , un grupo de matem ticos franceses mozos, case todos antigos alumnos da Escola Normal Superior de Par s, formado principio por H. Cartan ( ), C. Chevalley ( ), J. Delsarte ( ), J. DieudonnŽ ( ) e A. Weil ( ), decidiron escribir xuntos un libro sobre An lise. Nun primeiro momento concib rono pensando nos estudiantes das universidades francesas e como substituto dun libro de E. Goursat, que consideraban xa anticuado, polo que decidiron redactar un novo texto que respondera axeitadamente s necesidades das Matem ticas do sžculo XX. Con este fin, comezaron a reunirse unha vez mes para discutiren o seu plan. Axi a, chegaron nesas reuni ns conclusi n de que non lles ser a posible limitarse s a escribir un texto de An lise. A çlxebra, por exemplo, que cambiara por completo nos œltimos anos como resultado dos impulsos vidos desde Alema a, debidos principalmente traballo de Emmy Noether ( ) e dos seus estudiantes, estaba xa a muda-la cara de toda a Matem tica. Doutra banda, as distintas ramas das Matem ticas ti an acadado un desenvolvemento de tal magnitude que a especializaci n era xa

32 32 Luís A. Cordero Henri Cartan (esquerda) e Jean Dieudonné (dereita) son dous dos fundadores do grupo Bourbaki. Os dous cóntanse entre os máis brillantes especialistas, á marxe das súas publicacións baixo o pseudónimo do matemático pantasma. absolutamente necesaria para case t dolos matem ticos. S aqueles da estatura cient fica dun David Hilbert ou dun Henri PoincarŽ pod an pensar en abranguer todo o conxunto da Matem tica. Para un matem tico medio, sen embargo, era xa pouco menos que imposible ter unha perspectiva completa da Matem tica e co ecer t dalas relaci ns existentes entre as sœas diferentes ramas. Todo isto fixo que o grupo comezara a decatarse do enorme que ter a de ser o seu traballo, polo que decidiron que tal tarefa non pod a facela un s individuo e que a sœa divisi n entre os distintos membros do grupo de acordo coa especializaci n de cadaqužn ser a contraproducente para o seu obxectivo final: expo e-los conceptos b sicos comœns a t dalas ramas das Matem ticas, en primeiro lugar, e, unicamente unha vez feito isto, dedicarse a cada unha das sœas reas. Desde o principio, Bourbaki non dubidou en adopta-lo mžtodo axiom - tico, polo que ten sido criticado duramente en moitas ocasi ns, pero el consider bao absolutamente necesario para poder acada-lo seu obxectivo. A idea, moi simple, que inspira o mžtodo axiom tico Ž a seguinte: no canto de

33 As Ciencias Matemáticas no século XX 33 defini-los obxectos que se van investigar, o que hai que facer Ž unha lista das propiedades fundamentais dos obxectos que se van utilizar no estudio. Estas propiedades t manse como axiomas, e a partir de aqu xa non Ž importante c les son os obxectos que se estudian. As demostraci ns constrœense de tal xeito que as sœas conclusi ns poden ser aplicadas tamžn a calquera outro obxecto que satisfaga eses mesmos axiomas. ƒ case incrible que unha idea tan sinxela, que transformou completamente as Matem ticas, tardara tanto tempo en ser posta en pr ctica. Esta decisi n de Bourbaki de utiliza-lo mžtodo axiom tico levouno necesidade de adoptar un novo ordenamento das diferentes ramas das Matem ticas, xa que non era posible mante-la divisi n cl sica en An lise, C lculo diferencial, Xeometr a, Teor a de Nœmeros, etc.; no seu lugar xurdiu a noci n de ÔestructuraÕ, que permitiu a introducci n do concepto de ÔisomorfismoÕ e, con el, unha nova clasificaci n das disciplinas fundamentais dentro das Matem ticas. Os primeiros fasc culos da obra de Bourbaki, que titulou Elementos de Matem tica, apareceron no ano 1939 e chegou a publicar arredor de cincuenta volumes; o emprego do singular no t tulo, Matem tica e non Matem ticas, plasma a idea que inspira o seu traballo, e que queda nidiamente exposta cando sinala: ÒO tratado toma as Matem ticas na sœa orixe e d demostraci ns completasó. Con partidarios entusiastas, pero tamžn con detractores moi importantes, ningužn, sen embargo, se atrever a nega-la influencia da obra de Bourbaki, sen a cal as Matem ticas do sžculo XX ser an algo totalmente distinto do que son: unha ciencia robustecida e unificada, cimentada sobre unha fonte œnica, a Teor a de Conxuntos, tal e como Hilbert preconizara. E, se ben quedan ramas das Matem ticas que deber n ser axiomatizadas sobre ese fundamento, e a nda que as Matem ticas seguen apuntando cara abstracci n e a xeneralizaci n, co paso dos anos comezan a recordar que os seus intereses e est mulos m is importantes sempre se atopan nas sœas aplicaci ns. Morris Klein sinala: ÒPretender desterrar das Matem ticas as sœas aplicaci ns equivaler a a querer concentra-la vida dun animal unicamente nos seus sos, sen dedicar atenci n s seus mœsculos, nervios e v scerasó. MATEMÁTICA PURA E MATEMÁTICA APLICADA Armand Borel, membro destacado do grupo Bourbaki, dixo nunha ocasi n: As Matem ticas son coma un grande iceberg; por baixo da superficie at panse as Matem ticas puras, f ra da vista da xente. Por riba da auga est a punta do iceberg, a parte visible que se deu en chamar Matem tica aplicada. A maior a da xente s ve esa punta que emerxe sobre a auga e non se decatan de que esa porci n que eles ven non existir a sen a outra porci n, moit simo m is grande, que permanece agachada da sœa vista por baixo da agua, a Matem tica pura.

34 34 Luís A. Cordero A Matem tica aplicada pode ser considerada como aquela actividade ou actividades nas que as Matem ticas atopan a sœa aplicaci n m is al dos seus propios intereses. Pola sœa mesma natureza, a Matem tica aplicada Ž interdisciplinar e a ela deber an dedicarse, en termos ideais, s aqueles que non te en o principal interese nas Matem ticas por si mesmas. Desde este punto de vista, por exemplo, se a outra materia implicada fose a F sica, ser a dif cil decidir se os interesados nela son f sicos te ricos ou matem ticos aplicados, e mesmo se estamos a falar de F sica te rica ou de Matem tica aplicada. ƒ indiscutible que a relaci n entre as Matem ticas e moitas das outras ciencias leva experimentando un cambio substancial longo das œltimas džcadas, cambio que en xeral foi positivo e deu froitos claramente perceptibles. O desenvolvemento dos ordenadores, cada vez m is potentes, ten moito que ver con este cambio, pero non Ž o seu œnico responsable, a nda que nun nivel popular semella identificarse a Matem tica aplicada con aquela que utiliza os ordenadores como ferramenta. Emporiso, este cambio non afecta o feito de que a Matem tica continœa sendo unha ciencia esencialmente distinta de calquera outra. ç Matem tica cham ronlle, algunhas veces, a Ôra a das cienciasõ. Para algœns Ž algo superior, e a sœa existencia xustif case de seu; nesta visi n pl smase un sentimento de autosuficiencia e presunci n, que se reafirma coa consideraci n tan estendida entre moitos matem ticos de que s necesitan deles mesmos. Esta actitude mostra unha especie de sentimento case divino ou celestial, polo que a superioridade da mente sobre a materia atopa a sœa mellor expresi n nas Matem ticas, xa que elas son, mesmo tempo, a m is nobre e pura forma do pensamento. Seguramente unha das m is apaixonadas confesi ns, neste sentido, foi a do matem tico inglžs G. H. Hardy ( ), quen afirmou que a mellor forma de xustifica-la pr ctica das Matem ticas Ž a de consideralas como unha forma de arte. Diante desta actitude extrema de Hardy, que defendeu o estudio das Matem ticas como unha forma superior do co ecemento humano, independentemente da sœa utilidade social, at pase a postura oposta, que entende que s se deben considerar e estudiar aqueles aspectos das Matem ticas que sexan œtiles socialmente. Esta visi n atopou, probablemente, a sœa m xima expresi n na China, polo que Ž co ecida como ÔMao smo matem ticoõ. Baixo o ržxime de Mao declarouse, nun certo momento, unha moratoria sobre a investigaci n cient fica en xeral que afectou tamžn as Matem ticas. Os investigadores foron obrigados a realiza- -lo seu traballo de acordo co principio de que Òa investigaci n cient fica debe servi-la pol tica proletaria, os traballadores, os campesi os e os soldados, e estar integrada totalmente no proceso productivoó. Durante ese per odo funcionaron na China comitžs asesores

35 As Ciencias Matemáticas no século XX 35 que informaban sobre a importancia da investigaci n que se estaba a realizar en Matem ticas, as como sobre a sœa conformidade con ese principio pol tico; Ž dicir, sempre baixo o criterio de que a investigaci n que se fixese deb a estar dirixida resoluci n de problemas pr cticos, e que o seu ensino deber a basearse en aplicaci ns concretas. Ata se fixo presi n sobre os investigadores para que abandonasen o seu traballo en certas reas inœtiles para tal obxectivo, como ocorreu, por exemplo, coa Topolox a 1. As Matem ticas tamžn te en sido consideradas, durante longo tempo, como o Òservente da CienciaÓ; Ž dicir, como un operario cuantitativo que proporciona as ferramentas, e tamžn moitas veces o marco axeitado, s outras ciencias. Esta consideraci n non ten sentido na actualidade; hoxe son xa tantas as actividades nas que os matem ticos colaboran co resto dos cient ficos que as Matem ticas son m is un compa eiro de viaxe ca un servente. Unha terceira forma de concibi- -las Matem ticas Ž consideralas como a linguaxe da que dependen as outras ciencias para cuantifica-lo que fan. R. Feynmann, premio Nobel de F sica no ano 1965 polo seu traballo sobre a electrodin mica cu ntica, dixo: ÒO Universo semella ser indescritible non sendo coa linguaxe das Matem ticasó. Non Ž dif cil ilustrar esta afirmaci n, xa que os exemplos longo da historia son innumerables. Pola sœa relevancia, citarei s tres. Primeiro exemplo: Newton quer a achar un marco te rico que lle permitise describi-lo movemento dos obxectos baixo a influencia da forza da gravidade, inclu ndo nese marco as Leis de Kepler do movemento planetario, e logrou o seu obxectivo enuncia- -la sœa Lei de Gravitaci n Universal. Pero mesmo tempo desenvolveu o c lculo infinitesimal, un dos maiores logros da ciencia longo da historia. Segundo exemplo: Einstein empregou moitos anos en tratar de formular dun xeito preciso o feito de que a gravitaci n Ž unha consecuencia da curvatura do espacio-tempo, pero non sab a c mo expresalo en termos matem ticos. Contan as cr nicas que, certo d a, dirixiuse seu amigo M. Grossman e d xolle: ÒGrossman, tes que me axudar ou vou tolearó. Este amigo faloulle ent n a Einstein do traballo de Riemann sobre os espacios con curvatura. Neste contexto, o da Xeometr a non-euclidiana, xa se desenvolvera unha inxente cantidade de investigaci n b sica ou pura, que se atopaba en disposici n de ser usada. Einstein, que era ante todo un f sico e matem tico s por necesidade, respirou ent n aliviado e continuou co seu traballo sobre a Teor a da Relatividade Xeral. 1 En 1976, unha delegación de matemáticos americanos visitou a China, e tiveron entón a oportunidade de celebrar encontros informais con algúns matemáticos chineses. No informe que elaboraron sobre a visita recóllense descricións das súas entrevistas que permiten constata-la terrible realidade daquela situación.

36 36 Luís A. Cordero Esta conexi n entre as Matem - ticas e a F sica, tan clara nestes dous exemplos, ten estado presente en t dolos tempos, xa que a motivaci n m is importante da Matem tica foi desde sempre a F sica, ou, se se prefire, o mundo que nos rodea, motivaci n que segue a medrar co paso do tempo, tanto en extensi n coma en profundidade. S. Weinberg, tamžn premio Nobel de F sica, fala da existencia de coincidencias ÔsorprendentesÕ ou ÔfantasmaisÕ. Segundo el, sempre resulta sorprendente para o f sico que imaxina un novo concepto ou idea constatar, a posteriori, que os matem ticos xa estiveran antes al. A Teor a Abstracta de Grupos, que ningužn dubidar a en situar dentro da Matem tica pura, proporciona un claro exemplo desta situaci n. Terceiro exemplo: en esencia, un grupo Ž simplemente unha forma matem tica de expresa-la noci n de simetr a. Cando os f sicos descobren, na primeira metade do sžculo, a existencia da Teor a de Grupos, at panse con que iso Ž precisamente o que eles necesitan para unifica-las grandes leis da F sica (da conservaci n da enerx a, do momento, do spin, da carga, etc.). Estas leis resultan ser un reflexo da simetr a do mundo que nos rodea, e este sutil principio Ž un dos conceptos fundamentais na ciencia actual. Por exemplo, Ž ben sabido que, por raz ns bastante complexas, a pregunta m is b sica que se pode facer sobre unha part cula elemental Ž c l Ž o seu grupo de simetr as. O PODER DAS MATEMÁTICAS En termos xerais, s matem ticos sempre se nos acusa de vivir nunha torre de marfil, perdidos nun mundo de abstracci n formado por puntos infinitamente pequenos, circunferencias perfectamente redondas ou li as infinitamente delgadas, por exemplo; Ž dicir, obxectos ideais que son irrelevantes para o mundo que nos rodea. Pero coido que a abstracci n non Ž, en absoluto, algo malo ou negativo, e que a construcci n de modelos ideais do mundo noso redor sobre unha base matem tica ten resultado positiva en innumerables ocasi ns. LŽmbrese que o mundo non Ž como semella ser. Por exemplo, Àquen poder a imaxinar, mirando pola fiestra, que a masa se aproxima infinito cando un se achega velocidade da luz? Certamente, poderiamos preguntar: Àa quen lle interesa iso? ƒ obvio que lles interesa s f sicos, e supo o que tamžn s matem ticos, e, se a historia serve para algo, temos que admitir que tamžn lles interesa a moitos m is, a nda que a miœdo ese interese xurda anos, ou mesmo džcadas ou sžculos, despois de que a correspondente teor a matem tica fora desenvolvida. Por exemplo, a Xeometr a de Riemann, que foi esencial para a formulaci n da Teor a da Relatividade, foi formulada sesenta anos antes de que Einstein a utilizara. A Teor a de Grupos de Lie (S. Lie, ), fundamental na F sica actual, desenvolveuse polo menos trinta anos antes de se comezar a aplicar na F sica de

37 As Ciencias Matemáticas no século XX 37 Part culas. A Teor a de Galois, ferramenta indispensable na Criptograf a moderna, iniciou o seu cami o hai m is de cento cincuenta anos. Doutra banda, o descubrimento do positr n polo f sico P. A. M. Dirac ( ) amosa como, s veces, as Matem ticas chegan a ser Òm is reais c propia realidadeó. Dirac estableceu as ecuaci ns de movemento do electr n base ndose fundamentalmente en consideraci ns de simetr a. Pero sucedeu algo inesperado: as sœas ecuaci ns predic an a existencia dunha certa part cula, idžntica electr n en todo ag s na sœa carga. NinguŽn observara esta hipotžtica Ôantipart culaõ, pero os f sicos experimentais confirmaron rapidamente a sœa existencia. Este descubrimento ten sido catalogado como un dos grandes triunfos da F sica, pero te o para min que m is ben foi, de feito, un gran triunfo das Matem ticas. Perm tanme que describa outros exemplos, m is recentes no tempo, que amosan esa interrelaci n que se produce, sempre dun xeito inesperado e sorprendente, entre as Matem ticas e as outras ciencias, e que levan por medio das Matem ticas a obter elegantes soluci ns de problemas propostos nesoutras ciencias. Os qu micos xa sab an, desde comezos do sžculo, que cando un fluxo de raios X atravesa un cristal, cada un dos seus raios sofre unha difracci n bater cun tomo dentro do cristal; as, obte-la imaxe do cristal por medio dos raios X, o que se consegue Ž unha imaxe bidimensional na que o nivel de escuridade var a de acordo coa situaci n no espacio dos distintos tomos que forman o cristal. Isto era unha especie de xerogl fico para os qu micos, pois o que eles quer an era poder describir con precisi n a situaci n espacial dos tomos dentro do cristal. O problema co que topaban era o seguinte: os raios X, o mesmo ca calquera outra radiaci n electromagnžtica, p dense ver como ondas, ben determinadas pola sœa amplitude e a sœa fase; pero as imaxes bidimensionais obtidas por medio dos raios X detectan s as amplitudes das ondas e non as sœas fases, o que en definitiva fac a aparentemente imposible a deducci n da estructura tridimensional do cristal. Este problema, que durante džcadas intrigou s qu micos, non foi resolvido ata corenta anos m is tarde, redor de 1950, e a sœa soluci n džbese a un matem tico chamado H. Hauptman, quen se decatou de que pod a ser formulado en termos puramente matem ticos, e que para el exist a xa unha soluci n moi elegante. Ata aquel momento os cristal grafos s pod an observa-lo que poderiamos pensar como a ÔsombraÕ dun fen meno f sico, pero Hauptman probou que se pod a reconstru -lo fen meno f sico real a partir desa ÔsombraÕ, utilizando unha maquinaria matem tica xa cl sica e que se atopaba a disposici n da comunidade cient fica desde hab a arredor de cen anos: as tžcnicas da Teor a de

38 38 Luís A. Cordero Fourier 2. Por certo, Hauptman recibiu o premio Nobel de Qu mica en O feito certo e indiscutible Ž que a aplicabilidade ou non aplicabilidade dunha determinada teor a matem tica Ž algo non predicible. P. A. Griffiths, matem tico e director do Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, abunda nesta afirmaci n dicir: ÒCanto m is fundamental Ž a Matem tica implicada tanto m is ampla resulta se-la sœa aplicaci nó. Unha excelente ilustraci n deste feito xurdiu hai s unhas džcadas, cando o enxe eiro A. M. Cormack andaba busca dun mžtodo que lle permitise precisa-la localizaci n e densidade dun obxecto no interior do corpo humano sen ter que recorrer cirurx a. Daquela os mždicos s dispo- an dos raios X que, como xa dixemos, proporcionan informaci n unicamente en dœas dimensi ns. O problema que se prop n Ž o seguinte: se se fai pasar un feixe de raios a travžs dun obxecto de densidade variable, Ž posible medi-la cantidade de radiaci n que sae polo outro lado do obxecto e, polo tanto, c nta materia existe no obxecto longo da traxectoria de cada un dos raios do feixe. A cuesti n Ž c mo se poden reconstru -las distintas densidades no interior do obxecto a partir da informaci n as obtida. A soluci n para este problema, desde o punto de vista puramente matem tico, era xa co ecida desde moitos anos atr s, a partir dos traballos dun matem tico chamado J. Radon ( ). Usando as tžcnicas de Radon 3, Cormack observou que Ž posible determinar con toda precisi n a localizaci n e maila forma dun obxecto no interior do corpo humano a partir das imaxes do obxecto obtidas por medio dos raios X desde distintos ngulos. Naceu as o xa popular esc ner ou TAC, Ž dicir, a tomograf a axial computarizada. Este mesmo principio foi estendido posteriormente para obte-las imaxes por resonancia magnžtica, a nda dunha maior precisi n. En mbalas tžcnicas se realiza unha gran cantidade de medidas que son esencialmente unidimensionais, e util zase unha tžcnica puramente matem tica para reconstru r, a partir delas, unha imaxe tridimensional. M is recentemente, facendo uso das antipart culas descubertas por Dirac, desenvolveuse a tomograf a por emisi n de positr ns, que permite medir non s a anatom a, sen n tamžn o metabolismo do rgano en cuesti n. A. M. Cormack, enxe eiro, foi galardoado co premio Nobel de Medicina no ano A función densidade de electróns é unha función triplemente periódica, non negativa e con soporte moi pequeno, e é posible determina-los valores absolutos dos seus coeficientes de Fourier a partir de medidas experimentais. A partir disto, Hauptman foi quen de deduci-las fases das ondas a partir das intensidades na placa de raios X. 3 Existen moitas outras aplicacións da técnica de Radon, posiblemente non tan coñecidas nin de tanta repercusión popular. Por exemplo, a técnica de Radon utilízase en Oceanografía para determina-la temperatura dos océanos, o que non é algo intranscendente, xa que esa temperatura ten unha enorme influencia sobre o clima.

39 As Ciencias Matemáticas no século XX 39 Imaxe do cerebro por resonancia magnética R.N.M. Os estudios de Cormack deron pé ó nacemento do TAC e posteriores modificacións. Posiblemente unha das raz ns polas que as Matem ticas chegaron a ser de tanta utilidade Ž que lograron romper coas sœas barreiras internas. TŽ ase en conta que Henri PoincarŽ ( ) foi, probablemente, o œltimo matem tico do que se poder a dicir que ti a un co ecemento global das Matem ticas. O inmenso desenvolvemento acadado longo do sžculo XX fai imposible que ningužn posœa hoxe tal co ecemento. ƒ un feito indiscutible que a Segunda Guerra Mundial pode considerarse como unha fronteira no avance da maior a das ciencias, e podemos falar dun antes e un despois dela, polo menos no tocante s Matem ticas. Lamentablemente, a guerra foi desde sempre unha das motivaci ns m is importantes para o desenvolvemento de aplicaci ns en t dolos mbitos da ciencia, e as Matem ticas non son alleas a esta influencia. Nos Estados Unidos, durante a Segunda Guerra Mundial, os matem - ticos con m is talento foron recrutados para traballar nos centros de investigaci n do Goberno, nas industrias de guerra, etc. Unha lista non exhaustiva das actividades nas que eses matem ticos estiveron directamente implicados inclœe, por exemplo, a aerodin mica, a hidrodin mica, a bal stica, o desenvolvemento do radar e do sonar, a fabricaci n da bomba at mica, a criptograf a e a intelixencia militar, a fotograf a ažrea, a meteorolox a, a investigaci n operativa, o perfeccionamento dos ordenadores, a econometr a, os foguetes, a progresi n de teor as de control, etc. Foron innumerables os investigadores de sona involucrados nestas e noutras moitas actividades, igual que moitos dos seus disc pulos.

40 40 Luís A. Cordero A explosi n da bomba at mica sobre o Xap n e a posterior invenci n de novas bombas m is potentes, fixo que os f sicos at micos, que viv an nas sœas torres de marfil acadžmicas, experimentaran un fondo sentimento de culpabilidade, tamžn estendido comunidade matem tica. As Matem - ticas, que se consideraban a si mesmas como unha doutrina arredada, allea s influencias e condicionamentos impostos s outras ciencias polas realidades do mundo e libres da sœa contaminaci n, mostr ronse de sœpeto como algo que tamžn posu a a capacidade de producir un enorme dano. Algœns matem ticos comezaron ent n a distinguir no seu traballo unha parte boa, a Matem tica pura, e unha parte mala, a Matem tica aplicada de calquera tipo que fose. De feito, algœns matem ticos, e con eles toda unha xeraci n de disc - pulos, abandonaron para sempre o estudio das aplicaci ns. Por exemplo, N. Wiener ( ), que estivera involucrado na evoluci n de teor as de control, renunciou a todo apoio do Goberno seu traballo e dedicou o resto da sœa vida a un Òtraballo boó, en Biof sica, e activismo a prol dos dereitos humanos. Despois da Segunda Guerra Mundial chegou a Guerra Fr a e o inicio da carreira espacial. De novo, milleiros de matem ticos foron empregados nas actividades das industrias aeroespaciais, tanto nos Estados Unidos como na Uni n SoviŽtica; e algo semellante est pasando no momento actual co perfeccionamento te rico e industrial dos ordenadores. A implicaci n das Matem ticas nas actividades que, directa ou indirectamente, gardan algunha relaci n coa guerra ten acadado tal grao de importancia que xa se te en escoitado voces afirmando que, da mesma forma que a Primeira Guerra Mundial foi a guerra dos qu micos, e a Segunda Guerra foi a dos f sicos, a Terceira Guerra, que confiemos nunca se chegue a producir, ser a guerra dos matem ticos. Quizais este ser a un bo momento para lembrarlles s cient ficos en xeral, e s matem ticos en particular, a advertencia que os alquimistas fac an s seus disc pulos: ÒApartade os poderosos dos vosos laboratorios, pois abusan do sagrado misterio para po elo servicio do seu poder ego staó. En definitiva, por unha ou outra raz n, o feito certo Ž que as Matem ticas ve en caracteriz ndose nestes œltimos tempos por unha tendencia especializaci n en subcampos cada vez m is pequenos. Unha primeira consecuencia disto Ž que algœns destes subcampos est n sendo explorados moi a fondo. Unha segunda consecuencia Ž que os matem ticos temos un enorme problema de comunicaci n entre n s mesmos. ƒ innegable a persistencia desta fragmentaci n en pequenos subcampos 4, pero os seus efectos negativos quedan paliados polo feito de que 4 O Mathematics Subject Classification 2000, publicado por Math. Reviews e Zentralblatt für Math., abrangue 63 áreas, 557 subáreas e 5031 sub-subáreas.

41 As Ciencias Matemáticas no século XX 41 moitos problemas especialmente interesantes poden estudiarse agora desde unha perspectiva moito m is xeral. OUTRAS APLICACIÓNS DAS MATEMÁTICAS Do que levo dito ata agora, o meu lector poder a deducir que a relaci n das Matem ticas con outras ciencias s se produce, ou polo menos fundamentalmente, coa F sica. Tal conclusi n, quizais v lida antano, non ser a correcta hoxe en d a. As Matem ticas est n a facer numerosas contribuci ns a moitas outras disciplinas, tempo que esoutras disciplinas propo en tamžn novos retos s Matem ticas, con distintos tipos de problemas que levan a novas aplicaci ns, e as sucesivamente. Un exemplo ilustrativo disto proporci nanolo o estudio da din mica dos flu dos. O aparello matem tico deste campo xira, fundamentalmente, redor das chamadas ecuaci ns de Navier-Stokes. Actualmente estas ecuaci ns estanse utilizando para estudiar unha incrible cantidade de fen - menos, como por exemplo a aerodin - mica, a formaci n e comportamento dos furac ns, o fluxo sangu neo no coraz n, os fluxos a travžs de membranas porosas, a mestura do combustible nun carburador, a formaci n de cristais l quidos, o comportamento do plasma nun reactor de fusi n, o movemento das galaxias, as correntes, as nubes, os ventos, etc. Esta lista, a nda que incompleta, pode dar unha idea de por quž tanta xente se interesa nestas ecuaci ns. En particular, o estudio das turbulencias e do caos esperta un interese especial hoxe en d a, tanto desde o punto de vista te rico como desde o pr ctico. O estudio do comportamento ca tico, Ž dicir, desas situaci ns nas que pequenos cambios producen grandes efectos, Ž probablemente un dos aspectos das Matem ticas implicadas que atrae unha maior atenci n popular (lžmbrese o terrible efecto que unhas poucas molžculas de clorofluorocarbonados producen no ozono da nosa atmosfera). Algunhas outras reas das Matem ticas, a nda que non moitas, certamente, te en sido tamžn utilizadas no pasado nas chamadas Ciencias da Vida, como ocorre por exemplo coa Estat stica, se ben esa utilizaci n se produc a nun nivel non fundamental. Esta situaci n est cambiando. Gracias s novas tžcnicas creadas en tempos recentes e aparici n dos ordenadores, a Matem tica pode xa traballar coa complexidade dos organismos biol xicos e contribœe dun xeito importante seu mellor co ecemento. A capacidade das Matem ticas para distinguir modelos e organizar informaci n comeza a penetrar sistemas tan b sicos como, por exemplo, as redes de neuronas. O desenvolvemento do esc ner, xunto cos estudios sobre a din mica dos flu - dos, permitiu, por exemplo, a elaboraci n de modelos por ordenador do ril, do o do e do p ncreas e os do coraz n

42 42 Luís A. Cordero permitiron xa melloras no dese o das v lvulas artificiais. Hoxe, bi logos e matem ticos traballan xuntos no estudio dos mecanismos de duplicaci n do ADN. A denominada Teor a de N s, que moi poucos matem ticos dubidar an en cualificar como pura, xunto coa Teor a de Probabilidades e a Combinatoria, axudan a que os bi logos comprendan mellor a complexidade da mec nica tridimensional nas cadeas do ADN. ÀE que dicir da Econom a? As aplicaci ns das Matem ticas na Econom a son tamžn innumerables. O modelo do economista americano K. Arrow, premio Nobel de Econom a, permite predici-lo comportamento dos mercados libres; o Žxito deste modelo foi tal que se est producindo unha matematizaci n do conxunto das ciencias econ micas. Na industria, a modelizaci n por ordenador est a revolucionar todo dun xeito tal que aquelas industrias que non se adapten cambio corren o risco de quedar desfasadas. As melloras, tanto no hardware como na modelizaci n matem tica ou nos algoritmos implicados no software, fan avanzar estas aplicaci ns dunha forma extremadamente r pida. Un bo exemplo desta situaci n proporci nao o dese o dos microchips, que se realiza por mžtodos matem ticos utilizando a denominada Matem tica discreta 5. Outra rea b sica da Matem tica, a Teor a de Corpos Finitos, atopou numerosas e importantes aplicaci ns na teor a de ordenadores e nas comunicaci ns 6. MATEMÁTICA PURA OU MATEMÁTICA APLICADA? Hoxe en d a estamos xa afeitos a falar de que hai que elixir entre investigaci n ÔpuraÕ ou investigaci n ÔaplicadaÕ, dos Plans I+D, etc., e coido que tal disxuntiva Ž puramente artificial, polo menos en Matem ticas. De feito, unha gran parte do que se adoita chamar Matem tica pura ten a sœa orixe en investigaci n moi pr ctica, e reciprocamente. Nada impide que algœn d a, nun futuro qužn sabe se moi pr ximo ou a nda moi distante, o traballo realizado nun contexto esencialmente ÔpuroÕ, e por xentes visceralmente tan puras como o foi Hardy, retorne nun contexto de importante investigaci n pr ctica. E xa que a historia debe de 5 Unha tarefa estándar para comprobar placas con circuítos integrados consiste en mover un instrumento ó longo de centos ou milleiros de puntos no circuíto e realizar algunha tarefa ou proba en cada un deles. Cómo levar a cabo tal test no mínimo tempo posible é un caso particular do denominado problema do vendedor, é dicir, determina-lo camiño para visitar tódolos vértices dun grafo de forma que tal camiño sexa de lonxitude mínima. 6 Por exemplo, un reto para as compañías telefónicas consiste en construír sistemas que sexan ó mesmo tempo eficientes e robustos; é dicir, que utilicen o menor número posible de liñas para conduci-las chamadas, pero que asemade as dean reconducido con rapidez e eficacia cando o sistema sofre unha sobrecarga. Matematicamente isto pode ser calculado mediante un grafo do que os vértices serían as centrais telefónicas implicadas e as arestas representan as liñas telefónicas entre as distintas centrais.

43 As Ciencias Matemáticas no século XX 43 servirnos sempre como gu a, non resulta aventurado pensar que as aplicaci ns m is importantes a nda est n por chegar, e farano moi probablemente en reas que non poderiamos nin imaxinar neste momento. Penso que a forma m s apropiada de describi-la relaci n entre a Matem tica pura e a Matem tica aplicada Ž consideralas como simbi ticas; ningunha das dœas poder a sobrevivir sen a outra. A Matem tica aplicada necesita da pura para exerce-las sœas funci ns e acada-los seus obxectivos, e para que a Matem tica pura non resulte estžril, sen sentido e morta, necesita da revitalizaci n e o contacto coa realidade que s a Matem tica aplicada lle pode proporcionar. Paul R. Halmos, matem tico puro ÔmilitanteÕ, reflexionar sobre mbalas Matem ticas, escribe: Comprende-lo mundo e, quizais, cambialo, Ž a motivaci n do matem tico aplicado. Unha vez fixado un problema, as tžcnicas para resolvelo son elixidas e xulgadas en funci n da sœa efectividade; e a satisfacci n at pase de acordo co grao de coincidencia da soluci n obtida coa realidade e a sœa utilidade para realizar predicci ns. Pola contra, a motivaci n dun matem tico puro Ž, con frecuencia, simplemente a curiosidade. A elecci n da tžcnica para resolver un problema est dictada, polo menos en parte, pola sœa harmon a co contexto que o rodea, e a satisfacci n Ž maior na medida en que a soluci n atopada amose conexi ns insospeitadas entre ideas ou conceptos que parec an moi distantes entre si. Moitos matem ticos puros consideran a sœa actividade como unha arte. Os matem ticos aplicados parecen considera-lo seu tema, s veces, como unha simple sistematizaci n de mžtodos. Moitos matem ticos puros cren que a Matem tica aplicada non Ž outra cousa que unha bolsa chea de trucos, sen m is mžrito que o feito de que eses trucos funcionan. Para moitos matem - ticos aplicados a maior parte da Matem tica pura merece ser descrita como unha abstracci n sen m is sentido que o seu amor por si mesma e, polo tanto, sen mžrito ningœn. Este clima de tensi n entre Matem tica pura e Matem tica aplicada non Ž novo, nin tampouco Ž algo polo que debamos lamentarnos. De feito, esta tensi n Ž unha fonte inesgotable de novas matem ticas; primeiro a teor a acada a pr ctica e logo a pr ctica conduce a unha nova teor a. Esta situaci n Ž algo tan vello coma a propia Matem tica. BIBLIOGRAFÍA Cartan, H., ÒNicolas Bourbaki and Contemporary MathematicsÓ, The Math. Intelligencer vol. 2 (4) 1980, Casacuberta, C., e M. Castellet (eds.), Mathematica Research Today and Tomorrow, Lecture Notes in Math. 1525, Berl n, Springer-Verlag, Halmos, P. R., Selecta. Expository Writing, Berl n, Springer-Verlag, 1983.

44 44 Luís A. Cordero Kline, M., Mathematics in the Western Culture, Oxford, Oxford Univ. Press, Matem ticas. La pžrdida de la certidumbre, Madrid, Siglo XXI de Espa a Eds., Steen L. A. (ed.), Mathematics Today. Twelve Informal Essays, Berl n, Springer-Verlag, Mathematics Tomorrow, Berl n, Springer-Verlag, 1981.

45 45 A TEORÍA DA RELATIVIDADE Alfonso V zquez Ramallo* Universidade de Santiago de Compostela ALBERT EINSTEIN E A TEORÍA DA RELATIVIDADE A relatividade Ž unha teor a sobre o espacio e o tempo que modificou profundamente a nosa comprensi n do universo. A diferencia da Mec nica cu ntica Ña outra gran revoluci n conceptual da F sica do sžculo XXÑ a Teor a da Relatividade foi a creaci n individual dunha soa persoa: Albert Einstein. Por esta raz n, o autor destas li as pensa que convžn principiar este pequeno resumo das ideas b sicas da relatividade e das sœas consecuencias cun pequeno resumo biogr fico do creador da dita teor a. Albert Einstein naceu en Ulm (Alema a) no ano Fixo os seus primeiros estudios en Mœnic e s dez anos ingresou no Gymnasium Liutpold. Considerado un mal estudiante pola sœa indiferencia ante o ensino que recib a, algœns dos seus profesores aconsell ronlle abandona-los estudios. Sen embargo, Einstein ti a unha formaci n autodidacta en F sica e Matem ticas. îs dezasete anos ingresa no Instituto PolitŽcnico de Zœric, onde o seu desinterese polos cursos continuou e a piques estivo de suspende-los exames. En 1900 rematou os seus estudios. Gracias axuda dun amigo conseguiu un emprego na oficina de patentes de Berna. Este posto de traballo proporcionoulle unha certa seguridade econ - mica que lle permitiu elabora-las sœas innovadoras ideas illado das principais correntes da F sica. En 1905 deu prelo tres artigos revolucionarios. No primeiro deles daba unha explicaci n do efecto fotoelžctrico, pola que recibir a o premio Nobel en No segundo artigo desenvolv a unha teor a xeral dos movementos de axitaci n molecular. Finalmente, no terceiro formulaba a Teor a Especial da Relatividade. Malia o seu illamento, o seu traballo comezou a ser reco ecido, o que fixo que lle ofreceran postos docentes en Zœric, Praga e Berl n. En 1915, en plena Primeira Guerra Mundial, Einstein completou a sœa formulaci n da Teor a Xeral da Relatividade. Despois * Catedrático de Física Teórica. Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

46 46 Alfonso Vázquez Ramallo da chegada de Hitler poder en 1933, emigrou s Estados Unidos, onde ocupou un posto no Institute for Advanced Studies en Princeton. Einstein faleceu no ano ç marxe da F sica, Einstein destacou polo seu pacifismo e os seus valores morais. No que segue imos facer un percorrido polas ideas b sicas da Teor a da Relatividade, comezando polos seus antecedentes hist ricos. A Teor a da Relatividade tivo tal influencia na nosa percepci n da realidade e do universo, e deu lugar a tal cantidade de aplicaci ns pr cticas e tecnol xicas, que Ž dif cil facer unha lista exhaustiva dos seus logros directos ou indirectos. Como toda teor a cient fica, debe considerarse incompleta e, polo tanto, susceptible de ser modificada. Posto que a ciencia sen feitos experimentais se converte, en œltimo termo, en especulaci n, procuraremos na nosa exposici n inclu -las experiencias realizadas co prop sito de verifica-las diferentes predicci ns te - ricas. O que imos relatar Ž unha das m is grandes faza as intelectuais da historia da humanidade con consecuencias que persistir n durante os vindeiros sžculos. A FÍSICA A FINAIS DO SÉCULO XIX A f sica cl sica est constru da sobre dœas columnas b sicas: a Mec nica newtoniana e a Teor a electromagnžtica. Os logros destas dœas teor as son considerables e pode dicirse sen esaxeraci n que os co ecementos derivados delas son responsables da maior parte do progreso tžcnico acadado a finais do sžculo XIX. A mec nica de Newton permitiu describir de xeito razoablemente correcto o movemento dos obxectos materiais. A aplicaci n das leis de movemento de Newton deu lugar a un gran desenvolvemento da enxe er a. Por outra banda, as ecuaci ns newtonianas explican o movemento dos planetas e outros obxectos celestes con gran precisi n. A Teor a ElectromagnŽtica de Maxwell logrou unificar, nun mesmo marco te rico, os fen menos elžctricos, magnžticos e da luz. As ecuaci ns obtidas por Maxwell constitœen a culminaci n e a s ntese de moitas leis e observaci ns efectuadas desde o sžculo XVII sobre a luz, a electricidade e o magnetismo. A Mec nica cl sica ten os seus alicerces nunha determinada concepci n do espacio e do tempo. De feito, na Mec nica newtoniana adm tese implicitamente que o espacio e o tempo son inertes, no sentido de que o movemento dos corpos non inflœe en absoluto neles. Deste xeito, na teor a cl sica suponse que Ž posible introducir un tempo universal, œnico e absoluto, que transcorre uniformemente e de igual maneira para t dolos corpos. Como imos explicar m is adiante, estes conceptos cl sicos te en que ser revisados ante a evidencia dunha serie de feitos experimentais que os contrad n. O

47 A Teoría da Relatividade 47 resultado desta an lise Ž a Teor a da Relatividade, que sup n unha intensa revoluci n cient fica e filos fica, como consecuencia da cal a nosa comprensi n do mundo f sico cambia profundamente. Tal como acontece habitualmente na ciencia, a mesma F sica cl sica contžn o xerme das ideas relativistas. Para po er de manifesto este feito s hai que descubri-las inconsistencias e incompatibilidades entre o Electromagnetismo e a Mec nica cl sica. Neste sentido Ž importante resaltar que estas dœas teor as se comportan de xeito distinto cando se cambia de sistema de referencia. Un sistema de referencia Ž un sistema de coordenadas que permite fixa- -la posici n dos corpos no espacio e un sistema de reloxos que serve para determina-lo tempo; son unha clase destacada os chamados sistemas de referencia inerciais, que se definen como aqueles nos que unha part cula que se move libremente (Ž dicir, sobre a cal non se exerce forza ningunha) o fai cun movemento uniforme (ou sexa, con velocidade constante). Desta definici n sžguese que o movemento relativo de dous sistemas de referencia inerciais Ž o que corresponde a unha velocidade relativa constante. Para verificar este feito abonda considerar unha part cula libre que estea en repouso con respecto a un sistema de referencia inercial K. Posto que a part - cula Ž libre, o seu movemento noutro sistema inercial K«debe ser uniforme, Ž dicir, con velocidade constante. Dado que estaba en repouso no sistema K, a velocidade da part cula medida no sistema K«debe se-la velocidade relativa de K respecto de K«, o que proba a nosa afirmaci n. O Principio de Relatividade de Galileo establece que as leis da Mec nica cl sica son as mesmas en t dolos sistemas de referencia inerciais. Para verificar que a mec nica de Newton satisfai este principio, Ž esencial supo er que o tempo Ž absoluto e, polo tanto, independente do sistema de referencia. Unha consecuencia inmediata desta suposici n Ž a lei cl sica de composici n de velocidades, que establece que as velocidades se compo en como unha simple suma ordinaria. As, por exemplo, se algužn que vai nun tren en movemento lanza un obxecto, a velocidade deste medida por algužn que est parado na estaci n Ž a suma da velocidade con que foi lanzado desde o tren m is a velocidade do tren. Contrariamente que acontece na Mec nica newtoniana, a Teor a ElectromagnŽtica de Maxwell non satisfai o Principio de Relatividade de Galileo. Isto Ž unha consecuencia de que nas ecuaci ns de Maxwell intervžn explicitamente a velocidade de propagaci n das ondas electromagnžticas no baleiro. Esta velocidade coincide coa velocidade da luz no baleiro, que denotaremos por c, e Ž numericamente igual a trescentos mil quil metros por segundo. De feito, pens base que as ecuaci ns de Maxwell s eran v lidas cando se aplicaban a un sistema de referencia en repouso absoluto, que

48 48 Alfonso Vázquez Ramallo estar a ligado a un medio hipotžtico denominado Žter universal. Admit ase que o Žter era un medio que penetraba todo, homoxžneo e is tropo, que se atopa en repouso absoluto e enchendo todo o espacio. No sžculo XIX os f sicos ti an varias raz ns te ricas para crer na existencia do Žter; a principal era a propia natureza da interacci n electromagnžtica. Sab ase que o electromagnetismo se propaga por medio de campos e consider base que eses campos necesitaban un soporte material. As pois, os campos electromagnžticos e a luz non ser an m is que vibraci ns do Žter, da mesma maneira que o son non Ž outra cousa que un movemento oscilatorio dun gas. ƒ preciso sinalar que, desde o punto de vista da F sica do sžculo XIX, esta interpretaci n era, sen dœbida, a m is natural, xa que estaba en concordancia coa mentalidade mecanicista da Žpoca. Ademais, pens base que a interacci n gravitatoria, responsable da ca da dos corpos e do movemento dos astros, tamžn ti a o Žter como soporte material. Deste xeito, as teor as de campos co ecidas daquela consider banse simplemente como unha descrici n dos posibles movementos do Žter. Neste contexto hist rico xorde o problema de demostrar experimentalmente a existencia das velocidades absolutas. ƒ bastante doado dese ar un experimento ideal con este obxectivo: supo amos que temos un corpo que se move con respecto Žter inm bil. Imaxinemos que colocamos nel unha fonte e un detector de luz. Segundo a lei cl sica de composici n de velocidades, se o corpo se move na mesma direcci n e sentido da luz, esperar ase que a sœa velocidade fose menor, mentres que se nos movemos na direcci n contraria da propagaci n da luz, a velocidade desta deber a de ser maior. Emporiso, a velocidade da luz Ž moi grande comparada coas velocidades que se poden acadar con corpos macrosc picos. Isto quere dicir que, se medimos directamente a variaci n da velocidade da luz, o efecto vai ser m is pequeno c precisi n dos aparellos de medida e, polo tanto, inapreciable experimentalmente. A soluci n a este problema de medici n ach rona os f sicos americanos Michelson e Morley. No canto de medir directamente a velocidade, eles propuxeron compara-los tempos de percorrido da luz longo de dœas direcci ns distintas. Nunha das direcci ns o raio de luz percorr a un cami o paralelo direcci n de movemento respecto Žter, mentres que na outra direcci n a luz Ž perpendicular direcci n de movemento. Tras ser reflectidos en espellos, os raios fac anse coincidir. Se realmente a velocidade da luz dependera da direcci n de movemento, o tempo de percorrido dos dous raios ser a distinto e producir ase unha figura de interferencia facilmente observable. Michelson e Morley levaron a cabo o seu experimento por primeira vez en Como velocidade respecto Žter utilizaron a velocidade do movemento orbital da Terra. Para sorpresa

49 A Teoría da Relatividade 49 dos dous cient ficos e dos seus contempor neos, non se observou interferencia ningunha e, polo tanto, non se puido po er de manifesto a m is m nima influencia do movemento do interfer metro na velocidade da luz. O experimento de Michelson-Morley foi repetido en varias ocasi ns con instrumentos de maior precisi n e con idžntico resultado. Existen outras evidencias da constancia da velocidade da luz. En 1912, outro experimento fundamental foi proposto polo astr nomo holandžs W. de Sitter. Consist a en observa-la luz emitida por un sistema de estrelas dobres pr ximas entre si e que xiran arredor do centro de masa comœn. De Sitter sinalou que certas parellas destas estrelas te en un plano orbital case paralelo nosa visual, de xeito que cada estrela se afasta ou achega Terra alternativamente mentres xira redor da sœa compa eira. Se a velocidade da luz emitida pola estrela cando se afasta fose distinta da velocidade da luz emitida cando se achega a n s, poderiamos ver unha imaxe mœltiple dela. Isto non se observa experimentalmente pois soamente se ven as rbitas el pticas regulares que as dœas estrelas describen unha redor da outra. Moitas outras experiencias confirmaron o resultado negativo do experimento de Michelson-Morley. Sinalemos, por exemplo, unha verificaci n da constancia da velocidade da luz, realizada moi recentemente utilizando os sinais de radio dos satžlites artificiais do sistema de posici n global GPS. Esta an lise permitiu verifica-la independencia da velocidade da luz coa direcci n cunha precisi n de tres partes en mil mill ns. A TEORÍA ESPECIAL DA RELATIVIDADE Os feitos experimentais que acabamos de describir po en de manifesto a inexistencia do Žter e que, daquela, Albert Einstein, o creador da Teoría da Relatividade.

50 50 Alfonso Vázquez Ramallo non ten sentido falar de repouso absoluto. Isto levou a Einstein a retoma-lo Principio de Relatividade que, como xa sabemos, na sœa versi n cl sica non Ž satisfeito pola Teor a ElectromagnŽtica. A reformulaci n deste principio implica, necesariamente, un cambio das noci ns newtonianas absolutas do espacio e do tempo. Como resultado da sœa an lise, Einstein formulou a Teor a Especial da Relatividade, baseada nos dous postulados seguintes: 1) Principio de Relatividade de Einstein: as leis da F sica (e non soamente as da Mec nica) son as mesmas en t dolos sistemas de referencia inerciais. 2) Existe unha velocidade l mite de propagaci n das interacci ns que Ž a velocidade da luz no baleiro c. O primeiro destes postulados ind canos claramente que a transformaci n de coordenadas e tempo entre dous sistemas de referencia inerciais debe de diferir substancialmente da transformaci n de Galileo, pois esta œltima, como xa foi mencionado, non deixa invariante as ecuaci ns do electromagnetismo. No segundo postulado, Einstein elevou a categor a de principio unha caracter stica da electrodin mica de Maxwell. Neste postulado faise a hip - tese de que a velocidade m xima de propagaci n das interacci ns no baleiro ten un car cter universal, que est ligada s propiedades do espacio e do tempo e non depende do tipo particular de interacci n. En virtude do principio de relatividade, esta velocidade m xima debe se-la mesma en t dolos sistemas de referencia inerciais, o que est en consonancia cos resultados do experimento de Michelson-Morley. A existencia dunha velocidade l mite de propagaci n das interacci ns implica automaticamente que a velocidade con que se poden mover os corpos materiais non pode ser superior a c. De feito, se unha part cula puidese moverse cunha velocidade maior c da luz, o intercambio desta part cula entre dous corpos xerar a unha interacci n entre eles que se propagar a cunha velocidade superior da luz. Deste xeito, o segundo postulado de Einstein limita superiormente as posibles velocidades na natureza. C mpre salientar que, sen entrar en contradicci n coa Teor a da Relatividade, poden atoparse puntos que se moven cunha velocidade superior da luz, pero que, sen embargo, non transportan un corpo ou dan lugar a unha interacci n. Como exemplo disto, consideremos dœas varas AB e CD, tal como se amosa na figura 1. Supo amos que a vara CD rota con respecto punto C e que a vara AB est fixa. ConsiderŽmo-lo punto xeomžtrico P no cal as dœas varas se cortan. Se o ngulo que forman as dœas varas Ž tan pequeno como queiramos e se a lonxitude das varas Ž arbitrariamente grande, a velocidade do punto P poder ser tan grande como se queira.

51 A Teoría da Relatividade 51 Figura 1. Sen embargo, o punto P non corresponde a un œnico punto material das varas e, polo tanto, o seu movemento non vai acompa ado de transporte de enerx a e non pode transmitir interacci ns. Non Ž dif cil convencerse de que a constancia da velocidade da luz en t dolos sistemas de referencia inerciais contrad a noci n cl sica de tempo absoluto. Para ilustrar este feito consideremos dous sistemas de referencia K e KÕ. Sexan XYZ e XÕYÕZÕ os eixes de coordenadas de K e KÕ respectivamente. Supo amos que o sistema KÕ se move con respecto a K longo dos eixes X e XÕ, tal como se amosa na figura 2. Figura 2. Imaxinemos que desde o punto A, que est no eixe XÕ, enviamos sinais en sentidos opostos. Sexan B e C dous puntos do eixe XÕ que equidistan do punto de emisi n A. Os puntos B e C est n en repouso no sistema KÕ e, posto que a velocidade da luz Ž a mesma en t dalas direcci ns, os raios de luz chegar n, no sistema KÕ, no mesmo intre s puntos B e C. ƒ doado conclu r que, con todo, a chegada do raio a estes dous puntos non pode ser simult nea no sistema K. En efecto, para un observador no sistema K, o punto C vai encontro do raio de luz, mentres que o punto B se afasta del. A velocidade da luz en K vale o mesmo que en KÕ e, en consecuencia, o raio alcanzar o punto C antes c punto B. Deste xeito, dous sucesos simult neos nun sistema de referencia inercial non te en por quž selo noutro sistema inercial, o que rompe a concepci n cl sica do tempo como algo absoluto e independente do estado de movemento do observador. Dados dous sucesos arbitrarios, a sœa ordenaci n temporal pode depender do sistema de referencia. Daquela, nun sistema de referencia un suceso pode ser anterior a outro, mentres que Ž posible que para outro observador inercial sexa posterior. Existe, non obstante, unha situaci n na cal a ordenaci n temporal Ž independente do sistema de referencia. Isto acontece cando os dous sucesos poden conectarse por medio dun sinal que se propaga a unha velocidade menor ou igual da luz. Neste caso Ž sinxelo probar que o suceso que emite o sinal precede en t dolos

52 52 Alfonso Vázquez Ramallo sistemas de referencia o suceso que a recibe. As, no noso exemplo anterior, a emisi n da luz desde o punto A precede sempre no tempo, en t dolos sistemas de referencia, a chegada da luz s puntos B e C. En xeral, se dous sucesos se poden vincular causalmente entre si, Ž dicir, se un deles Ž a causa do outro, a sœa ordenaci n temporal Ž a mesma para t dolos observadores. Esta propiedade denom nase principio de causalidade e resulta crucial para a consistencia da teor a; de feito, se non se verificase este principio ser a imposible constru r teor as cient ficas predictivas pois non distinguiriamos causas de efectos. A ordenaci n temporal de dous sucesos depende do observador cando, tratar de conectalos cun sinal, este se propaga a unha velocidade superior da luz, o que, como sabemos, non est permitido polo segundo postulado de Einstein e, en consecuencia, estes dous sucesos non poden estar relacionados causalmente. As, a existencia dunha velocidade l mite das interacci ns est ligada principio de causalidade e evita que existan paradoxos. Para constru -lo formalismo matem tico da Teor a da Relatividade, considžrase un espacio vectorial de catro dimensi ns onde o tempo Ž a cuarta coordenada e os sucesos son simplemente puntos. Neste espacio vectorial def nese unha distancia entre puntos tal que dous puntos est n a distancia nula se os correspondentes sucesos poden conectarse por un raio de luz. Este espacio de catro dimensi ns denom nase espacio de Minkowski ou, simplemente, espacio-tempo. Para atopa-las leis de transformaci n entre diferentes sistemas de referencia inerciais s hai que obte-los cambios lineais de coordenadas do espacio-tempo que deixen invariante a mžtrica do espacio de Minkowski. A correspondente transformaci n de coordenadas denom nase transformaci n de Lorentz. Se temos dous sistemas de referencia como os da figura 2, a relaci n entre (x, y, z, t) e (xõ, yõ, zõ, tõ) Ž a seguinte: V tõ+ ÐÐÐ xõ c t = ÐÐÐÐÐÐÐÐÐ 2 V 1- ÐÐÐ 2 c 2 y = yõ xõ + VtÕ x = ÐÐÐÐÐÐÐÐÐ V 1- ÐÐÐ 2 z = zõ ObsŽrvese que na ecuaci n anterior aparece o cociente entre a velocidade V do sistema de referencia KÕ respecto a K e a velocidade da luz c. Se V Ž pequena con respecto a c, a ecuaci n anterior redœcese Lei de Transformaci n de Galileo e, en particular, os tempos t e tõ son iguais. Ademais, a transformaci n de Lorentz s est definida cando a velocidade V Ž estrictamente menor ca c. ƒ sinxelo extraer algunhas consecuencias importantes da transformaci n de Lorentz. Supo amos, en primeiro lugar, que temos unha regra que se atopa en repouso no sistema de c 2

53 A Teoría da Relatividade 53 referencia K e que Ž paralela eixe X. Sexa L 0 a lonxitude da regra medida no sistema K. Imos determinar c nto vale a lonxitude L para un observador ligado sistema de referencia KÕ, onde a regra se move con velocidade V. Para iso temos que determina-las coordenadas dos dous extremos da regra no sistema KÕ nun mesmo instante tõ. Usando a lei de transformaci n de Lorentz para a coordenada x p dese obte-la relaci n entre as lonxitudes en repouso (L 0 ) e en movemento (L): ÐÐÐÐÐÐÐ V L = L 1- ÐÐÐ 2 0 c 2 A ra z cadrada que aparece no segundo membro desta ecuaci n Ž menor ca un e, polo tanto, a lonxitude en repouso L 0 (denominada lonxitude propia) Ž maior c lonxitude en movemento L. Este resultado da Teor a da Relatividade denom nase contracci n de Lorentz. A transformaci n de Lorentz tamžn nos permite obte-la relaci n entre os tempos medidos por reloxos de dous sistemas de referencia distintos. Supo amos que un destes reloxos se atopa en repouso no sistema KÕ. Consideremos dous sucesos que ocorren no mesmo punto do espacio no sistema KÕ e sexa 0 o tempo transcorrido entre estes dous sucesos medido desde KÕ. A 0 denomin molo tempo propio. Facendo uso da lei de transformaci n de tempos, podemos obte-la relaci n entre 0 e o tempo medido por un observador ligado sistema de referencia K. Esta relaci n Ž: 0 = ÐÐÐÐÐÐÐÐÐ V 1- ÐÐÐ 2 c 2 Hendrik A. Lorentz. As ecuacións de Lorentz permitiron a Einstein elabora-la teoría completa da relatividade. N tese que no sistema K os dous sucesos ocorren nun punto que se move con velocidade V. Da ecuaci n anterior sžguese que 0 Ž menor ca, o que quere dicir que o reloxo de KÕ atrasa con respecto reloxo de K. Hai que sinalar que se consideramos intervalos de tempos entre sucesos que ocorren no mesmo punto de K, e se comparamos estes intervalos temporais coas medidas feitas desde o sistema KÕ, chegariamos conclusi n de que, contrariamente que acontec a antes, os reloxos de K atrasan con

54 54 Alfonso Vázquez Ramallo respecto s de KÕ. Isto non sup n contradicci n ningunha pois as dœas comparaci ns das marchas dos reloxos son completamente diferentes. De feito, para establecer que un reloxo de KÕ atrasa con respecto s reloxos do sistema K hai que proceder da seguinte maneira: supo amos que nun certo instante o reloxo de KÕ pasa por diante do reloxo de K e, nese intre, as indicaci ns dos dous reloxos coinciden. Para comparar posteriormente os tempos temos que cotexa-las indicaci ns do mesmo reloxo de KÕ coas do outro reloxo de K, que agora est situado no punto polo cal o reloxo de KÕ estea pasando nese intre. Segundo a Teor a da Relatividade, como resultado desta experiencia concluiriamos que o reloxo de KÕ atrasa con respecto s de K. Deste xeito, para compara-las marchas dos reloxos en dous sistemas de referencia prec sanse varios reloxos nun deles e un reloxo no outro. Polo tanto, este proceso non Ž simžtrico con respecto s dous sistemas: o reloxo que atrasa Ž sempre aquel que se compara con varios reloxos do outro sistema. ƒ tamžn interesante analiza-lo (mal) chamado paradoxo dos xemelgos. Imaxinemos dous xemelgos: un deles Ž astronauta e emprende unha viaxe a unha galaxia afastada, utilizando unha nave espacial capaz de moverse a velocidades pr ximas da luz. Segundo a relatividade, regreso da sœa viaxe o astronauta ser a m is novo c seu irm n. O posible paradoxo xorde do feito de que, desde o punto de vista do astronauta, o que se move non Ž el sen n o seu irm n. Polo tanto, poderiamos pensar que este œltimo deber a ter menos idade fin da viaxe. Isto, sen embargo, non Ž correcto pois os sistemas de referencia ligados s dous irm ns non son equivalentes. En efecto, o astronauta regresa Terra, o que quere dicir que describe unha traxectoria pechada e, a diferencia do seu irm n, un sistema de coordenadas ligado a el non Ž inercial. As pois, non existe ambigÿidade e o irm n m is vello Ž certamente aquel que ficou na Terra. ConvŽn observar que despois destas viaxes espaciais Ž posible adianta-lo futuro pero nunca se pode viaxar pasado. Isto œltimo, que acontece en moitas narraci ns de ciencia ficci n, violar a o principio de causalidade e soamente se poder a facer, no contexto da Teor a Especial da Relatividade, viaxando a velocidades superiores da luz, algo que, como xa sabemos, est prohibido polos postulados da teor a. Estas diferencias entre as indicaci ns de dous reloxos en funci n do seu estado de movemento son m nimas cando as velocidades s que se moven son pequenas comparadas coa velocidade da luz. Isto Ž o que acontece coas velocidades m ximas que a tecnolox a actual nos permite acadar en trens, avi ns, foguetes e outros medios de transporte. Polo tanto, para poder aprecia-las diferencias temporais predicidas pola Teor a Especial da Relatividade nestes casos debemos dispo- er de reloxos de extraordinaria

55 A Teoría da Relatividade 55 precisi n. Ende ben, o progreso da F sica proporci nanos instrumentos de medida do tempo coa exactitude requirida. Todo proceso f sico que se repite de xeito uniforme pode ser utilizado como reloxo. As medici ns m is precisas do tempo son aquelas feitas por medio dos denominados reloxos at - micos. O funcionamento destes reloxos est baseado no feito de que os tomos emiten radiaci n cunha frecuencia ben determinada. As, por exemplo, os tomos dun is topo do cesio de peso molecular 133 te en un estado fundamental desdobrado en dous pola interacci n magnžtica entre os electr ns e o nœcleo. Este desdobramento co Žcese co nome de estructura hiperfina. A frecuencia da radiaci n emitida na transici n dun electr n entre estes dous niveis serve para defini-lo segundo patr n no sistema internacional de unidades. As transici ns entre diferentes niveis dun tomo poden utilizarse para sintonizar un dispositivo electr nico con gran precisi n e, deste xeito, constru r un reloxo at mico. Para facžrmonos unha idea da exactitude que se pode conseguir, basta mencionar que cun reloxo constru do cun m ser de hidr xeno (que utiliza un mecanismo similar s reloxos de tomos de cesio) pode chegarse fant stica precisi n dun segundo en cen mill ns de anos, suficiente para detecta-los efectos relativistas nos corpos que se moven en velocidades moito m is pequenas c da luz. Nunha serie de experimentos realizados nos anos sesenta e setenta, varios reloxos at micos foron colocados en avi ns durante horas para verifica-los efectos relativistas. De feito, ademais da dilataci n temporal que depende da velocidade, existe un efecto gravitatorio que var a coa altura do voo. Estes dous efectos foron comprobados nestas experiencias cun grao aceptable de precisi n (1 %). A dilataci n relativista do tempo pasa de ser un pequeno efecto a ser enorme cando nos achegamos velocidade da luz. Isto non Ž posible coa tecnolox a actual para os corpos macrosc picos pero, sen embargo, Ž perfectamente factible para part culas subat micas. De feito, nin sequera Ž necesario acelera-las part culas ata velocidades pr ximas da luz, pois a Terra est sendo bombardeada arreo polos raios c smicos, que son nœcleos at micos que viaxan a travžs do espacio interestelar a velocidades pr ximas da luz. Estes nœcleos colisionan coas molžculas do aire das capas altas da atmosfera e dan lugar a moitas part culas que chegan de contino superficie da Terra. A maior parte das part culas que se orixinan na colisi n dos raios c smicos coas molžculas do aire son mu ns. Os mu ns son part culas da familia do electr n, pero unhas duascentas seis veces m is pesadas. Ademais, os mu ns son inestables, pois desintžgranse en electr ns e neutrinos. O seu tempo de vida media en repouso Ž de dœas millonžsimas de segundo. Se o

56 56 Alfonso Vázquez Ramallo tempo de vida media dos mu ns non dependese da velocidade, a nda viaxando velocidade da luz, estes percorrer an uns seiscentos metros por termo medio e, polo tanto, non chegar an superficie da Terra. Tendo en conta que os mu ns que chegan superficie terrestre son creados a uns quince quil metros de altura, Ž evidente que a sœa vida media en movemento debe de ser maior c vida media en repouso. ƒ sinxelo estima-lo valor da vida media en movemento: basta dividi-lo espacio percorrido polos mu ns (quince quil metros) pola velocidade da luz. O resultado desta divisi n Ž de cincuenta millonžsimas de segundo, Ž dicir, unhas vintecinco veces m is c s mu ns en repouso. Vemos que neste caso a dilataci n temporal relativista non se trata dunha pequena correcci n sen n, contrario, dun efecto moi grande. Na actualidade os mu ns poden producirse artificialmente nos aceleradores de part culas. En 1976 realizouse unha experiencia no Laboratorio Europeo de F sica de Part culas (CERN) onde se estudiou a vida media de mu ns que se mov an a unha velocidade igual a 0,9994 veces a da luz. Medindo a vida media dos mu ns en movemento e comparando o resultado da medida coa f rmula relativista (posto que co ecemos con exactitude a velocidade dos mu ns) demostrouse que o valor experimental coincide coa predicci n da Teor a da Relatividade cunha precisi n superior a dœas partes por mil. MECÁNICA RELATIVISTA Na Mec nica cl sica, as interacci ns entre part culas materiais represžntanse mediante unha enerx a potencial, que Ž funci n das coordenadas das part culas que interactœan. ƒ doado decatarse de que este xeito de describi- -las interacci ns sup n unha propagaci n instant nea destas e, polo tanto, Ž inconsistente co segundo postulado da Teor a Especial da Relatividade. Por outra banda, as ecuaci ns da Mec nica newtoniana non son as mesmas se se fai unha transformaci n de Lorentz, o que quere dicir que non satisf n o principio de relatividade de Einstein. Por estas raz ns queda claro que hai que constru r unha nova mec nica (a Mec nica relativista) que sexa compatible cos dous postulados de Einstein. Para que unha teor a verifique o principio de relatividade de Einstein ten que ser posible establecer unha formulaci n consistente dela no espacio- -tempo. Isto consžguese utilizando magnitudes vectoriais con catro compo entes: tres espaciais e unha temporal. Unha formulaci n deste tipo dise que Ž covariante relativista. A Teor a ElectromagnŽtica de Maxwell pode ser formulada deste xeito, o que asegura que as sœas leis se verifican en t dolos sistemas de referencia inerciais. Para establece-las leis relativistas do movemento dos corpos c mpre atopa-los vectores con catro compo- entes que conte an a informaci n das propiedades mec nicas dun sistema.

57 A Teoría da Relatividade 57 James Clerk Maxwell foi quen introduciu no século XIX o modelo estatístico no que se basea a teoría da cinética da materia. Dœas destas propiedades son a enerx a e o impulso. No contexto matem tico do espacio-tempo Ž doado probar que a enerx a e o impulso forman parte dun mesmo vector cuadridimensional. Isto Ž moi importante porque sup n unha certa equivalencia entre dœas magnitudes que son moi distintas na Mec nica newtoniana. Unha consecuencia da unificaci n da enerx a e o impulso Ž o feito de que a inercia, Ž dicir, a resistencia dun corpo a po erse en movemento, aumenta coa velocidade e tende a infinito cando a velocidade do corpo se achega da luz. Isto Ž consistente coa existencia dunha velocidade l mite. Imaxinemos que aplicamos unha forza constante sobre un corpo. Na Mec nica newtoniana este corpo ter a unha aceleraci n constante e, polo tanto, a sœa velocidade incrementar ase indefinidamente. O impulso dunha part cula relativista sobre a cal actœa unha forza constante aumenta tamžn cun ritmo constante. Sen embargo, cando a part - cula acada unha velocidade pr xima da luz, a sœa inercia tende a infinito e, polo tanto, a nda que o seu impulso medra indefinidamente, a sœa velocidade aprox mase asintoticamente velocidade da luz. Este tipo de comportamento relativista Ž hoxe en d a verificado a cot o nos aceleradores de part culas. Outra propiedade moi importante Ž o valor da enerx a dunha part cula nun sistema de referencia no que esta se atopa en repouso. A partir das ecuaci ns relativistas p dese demostrar que a dita enerx a Ž igual masa da part - cula multiplicada pola velocidade da luz cadrado. Esta afirmaci n Ž a chamada Lei de Equivalencia entre a masa e a enerx a, e pode expresarse matematicamente pola ecuaci n E=mc 2, unha das m is co ecidas da F sica. No contexto da Mec nica relativista Ž posible ter part culas de masa nula; o exemplo m is comœn Ž o fot n, que Ž o cuanto de luz. Unha part cula de masa nula m vese por forza velocidade da luz e a sœa enerx a E est

58 58 Alfonso Vázquez Ramallo relacionada co seu momento p pola ecuaci n E=pc. ƒ importante subli ar que non existe ningœn sistema de referencia no que o fot n se atope en repouso. De existir ter a que viaxar velocidade da luz, cousa que Ž imposible pois a transformaci n de Lorentz non est definida para V=c. Por esta raz n non ten sentido falar dun fot n en repouso e, de feito, sabemos que, segundo os postulados de Einstein, a luz se move mesma velocidade en t dolos sistemas de referencia e polo tanto a velocidade do fot n sempre debe ser igual a c. A Mec nica relativista desempe- ou un papel esencial na comprensi n da natureza cu ntica da luz. N tese que se supo emos que a luz est constitu da por fot ns, estamos adoptando unha interpretaci n corpuscular da radiaci n electromagnžtica. Isto sup n unha certa unificaci n entre a materia e a radiaci n e, de feito, a Cinem tica relativista Ž esencial para entende-los procesos de interacci n entre a materia e a radiaci n, tales como, por exemplo, o efecto Compton (dispersi n da luz por electr ns) ou os procesos de aniquilaci n de part culas e antipart culas, nos que a materia se transforma en radiaci n. A enerx a total dunha part cula Ž a suma da sœa enerx a en repouso (que depende da sœa masa) e da enerx a cinžtica (que depende da sœa velocidade). En calquera proceso f sico ten que se conserva-la enerx a total das part culas e non necesariamente algunha destas dœas contribuci ns por separado. Isto significa que, en particular, a masa non ten por quž conservarse. De feito, hai moitas reacci ns en F sica nuclear nas que a suma das masas dos productos finais Ž menor c suma das masas das part culas antes de se inicia-la reacci n. Nin sequera o nœmero de part culas ten que ser constante e, as, existen moitos procesos nos que se crean novas part culas ou nos que as part culas iniciais se aniquilan dando lugar a outras novas no estado final da reacci n. Sempre que nun proceso haxa unha diminuci n da masa total, e polo tanto das enerx as en repouso das part culas, necesariamente debe incrementarse a enerx a cinžtica. Deste xeito, neste tipo de proceso estamos convertendo a masa en enerx a. Este Ž precisamente o fundamento te rico da enerx a nuclear. Para ter unha idea das ordes de magnitude nesta equivalencia entre masa e enerx a, o m is apropiado Ž facer un sinxelo c lculo numžrico. Supo amos que convertemos un quilogramo de materia en enerx a. Por medio da ecuaci n E=mc 2 Ž inmediato verificar que un quilogramo de materia corresponde a 9 x joules. Esta enerx a Ž equivalente que se libera na combusti n de quince mill ns de barr s de petr leo. As aplicaci ns da radioactividade e a enerx a nuclear son, hoxe en d a, moi numerosas. Ademais do seu uso militar e das centrais nucleares, podemos sinala-las aplicaci ns mždicas (como tžcnica de diagn stico e tratamento) ou en Arqueolox a (para datar con precisi n os restos). ƒ tamžn

59 A Teoría da Relatividade 59 importante destacar que as reacci ns nucleares de fisi n son as responsables da radiaci n emitida polo Sol e as outras estrelas. Ademais, estas reacci ns serven para sintetiza-los elementos qu micos pesados a partir do hidr - xeno primordial e, polo tanto, son cruciais para a existencia da materia tal como se d en toda a sœa diversidade no noso planeta. As pois, se non se puidese transformar materia en enerx a simplemente non existiriamos nin n s nin o noso planeta. A TEORÍA XERAL DA RELATIVIDADE A Lei da Gravitaci n Universal de Newton describe a atracci n gravitatoria entre dœas masas en termos dunha interacci n instant nea que, como xa sabemos, Ž incompatible coa Teor a da Relatividade. Einstein era plenamente consciente deste problema e pœxose a traballar nel nada m is formula-la Teor a Especial da Relatividade. O seu punto de partida foi unha caracter stica importante da interacci n gravitatoria: o principio de equivalencia. A segunda lei de Newton establece que a aceleraci n que experimenta unha part cula Ž proporcional forza que se exerce sobre ela. A constante de proporcionalidade Ž a chamada masa inercial. En principio debemos distingui-la masa inercial da masa gravitatoria, que Ž a que aparece na expresi n da forza da gravidade na Lei da Gravitaci n Universal. Newton supuxo que estas dœas masas son iguais. Esta hip tese estaba baseada na observaci n experimental (que se remonta a Galileo Galilei no sžculo XVI) de que os corpos caen coa mesma aceleraci n con independencia da sœa masa. No sžculo XIX, esta igualdade entre a masa inercial e a masa gravitatoria foi verificada con moita m is precisi n polo f sico hœngaro Eštvos, que utilizou unha balanza de torsi n. Na actualidade, a igualdade entre as masas inercial e gravitatoria est comprobada experimentalmente cunha precisi n dunha parte en cen mil mill ns. Se t dolos corpos sofren a mesma aceleraci n nun campo gravitatorio con independencia da sœa masa, Ž claro que a interacci n gravitatoria pode anularse escollendo un sistema de referencia non inercial que se mova coa aceleraci n da gravidade. As, por exemplo, un observador situado nun ascensor en ca da libre non detectar a a atracci n gravitatoria exercida pola Terra sobre os diferentes corpos que viaxan con el no ascensor. Existe ent n unha certa equivalencia entre o campo gravitatorio e un sistema de referencia non inercial. Esta equivalencia entre un sistema de referencia acelerado e o campo gravitatorio ten un car cter local. Para ilustrar este punto imaxinžmo-lo campo gravitatorio da Terra. Este campo depende da distancia do punto centro da Terra e anœlase cando nos afastamos infinitamente del. Escollendo un sistema de referencia acelerado, podemos anula-lo campo gravitatorio

60 60 Alfonso Vázquez Ramallo nun punto arbitrario, pero non Ž posible facelo simultaneamente en t dolos puntos do espacio. Deste xeito, a diferencia entre un sistema non inercial e un campo gravitatorio Ž o seu diferente comportamento global. Cambiar de sistema de referencia non Ž outra cousa que facer un cambio de coordenadas no espacio-tempo e, deste xeito, un sistema de referencia non inercial Ž simplemente un sistema de coordenadas curvil neas no espacio- -tempo. A situaci n Ž similar que se d na xeometr a ordinaria. As, por exemplo, un plano pode ser parametrizado en coordenadas cartesianas (en termos de dœas distancias) ou en coordenadas polares planas (en termos dunha distancia e un ngulo). A descrici n dun plano en coordenadas curvil - neas Ž formalmente moi similar dunha superficie curva. De feito, toda superficie semella localmente un plano (o seu plano tanxente). Por esta raz n, para un observador na superficie da Terra non Ž obvio que esta te a forma esfžrica. Evidentemente hai maneiras de distinguir entre unha superficie plana e outra que non o Ž por medio de medidas efectuadas en diferentes puntos que po an de manifesto a curvatura da superficie. Baseado na analox a coa teor a de superficies, Einstein propuxo que o campo gravitatorio pode ser representado como unha curvatura do espacio- -tempo. A presencia dunha masa distorsiona o espacio-tempo e modifica a sœa xeometr a. O espacio e o tempo pasan as de ser un marco pasivo onde te en lugar os acontecementos, a converterse en participantes activos na din mica. Einstein denominou a sœa teor a da gravitaci n como Teor a Xeral da Relatividade, en contraste coa teor a especial que soamente se ocupa dos sistemas inerciais e os espacio-tempos planos. A teor a elaborada por Einstein Ž de grande elegancia e simplicidade e permite facer unha serie de predicci ns que poden ser verificadas experimentalmente. Unha destas predicci ns Ž que a luz se desv a da sœa traxectoria como consecuencia do campo gravitatorio. En 1915 Einstein calculou o valor concreto da desviaci n da luz pasar preto do Sol. Esta predicci n f xoa en plena Primeira Guerra Mundial, o que non foi obst culo para esperta-lo interese do astr nomo brit nico Eddington que, en 1919 (uns poucos meses antes do final da guerra), organizou unha dobre expedici n co obxectivo de verifica-la predicci n relativista nunha eclipse de sol. As medidas realiz ronse na illa de Pr ncipe (fronte costa da Guinea espa ola) e na cidade brasileira de Sobral, e confirmaron a predicci n de Einstein. Este Žxito tivo un grande efecto na opini n pœblica mundial e fixo moi popular a Teor a Xeral da Relatividade. Estas medidas foron repetidas con m is precisi n longo dos anos noutras eclipses e o resultado sempre foi concordante coa teor a. Na actualidade, as mellores observaci ns da desviaci n gravitatoria da luz son as realizadas cos qu sares, aproveitando o feito de que algœns

61 A Teoría da Relatividade 61 deles se observan no ceo con ngulos moi pr ximos e que nun per odo moi preciso do ano pasan por detr s do Sol. Medindo ent n a variaci n do ngulo relativo, pode estimarse o efecto relativista de desviaci n da luz. Os valores observados coinciden coa predicci n da Teor a Xeral da Relatividade cun erro dun 1 %. Outra consecuencia da atracci n gravitatoria da materia sobre a luz son as chamadas lentes gravitacionais, nas que a desviaci n gravitatoria da luz produce imaxes mœltiples dun mesmo obxecto. A primeira evidencia deste efecto obt vose en 1979, cando se observaron dous qu sares moi pr ximos e similares que resultaron ser unha imaxe dobre dun œnico qu sar. A Teor a Xeral da Relatividade resolveu un problema da Teor a da Gravitaci n Universal de Newton que levaba pendente desde a metade do sžculo XIX. Este problema era o do desprazamento do perihelio do planeta Mercurio. Como Ž ben co ecido, os planetas m vense arredor do Sol en rbitas el pticas. De feito, as perturbaci ns producidas polos movementos dos outros planetas producen pequenas desviaci ns respecto s traxectorias el pticas, unha das cales Ž o lento desprazamento do punto da rbita m is pr ximo Sol (o perihelio). Estas desviaci ns poden ser calculadas con grande Žxito na teor a newtoniana e, deste xeito, Adams e Le Verrier foron capaces de predicir no sžculo XIX a existencia e localizaci n do planeta Neptuno a partir das perturbaci ns da rbita de Urano. Exist a, con todo, unha diferencia de 43 segundos de arco por sžculo entre os valores calculados e observados para o desprazamento do perihelio de Mercurio. Einstein demostrou en 1915 que a Teor a da Relatividade d conta desta diferencia. As medidas actuais das rbitas dos planetas con radares de alta potencia confirman este resultado. Outros tipos de tests experimentais da relatividade ref rense retardo temporal dos sinais e desprazamento cara vermello das raias espectrais. Estes efectos foron verificados experimentalmente con gran precisi n en medidas realizadas no laboratorio e con foguetes e sondas espaciais. Neste sentido Ž interesante sinala-las medidas do retardo temporal efectuadas coas sondas Viking na superficie de Marte que permitiron verifica-la correcci n relativista cun erro do un por mil. TamŽn Ž interesante mencionar unha das predicci ns m is espectaculares da Teor a Xeral da Relatividade: os buratos negros. Estes obxectos f rmanse cando unha masa moi grande Ž comprimida nun volume moi pequeno, co que se xera unha rexi n do espacio- -tempo que non pode comunicarse co exterior. Existe hoxe en d a un certo consenso entre os astrof sicos en que estes obxectos existen nalgœns sistemas binarios de estrelas, nos qu sares e nos nœcleos activos das galaxias (vžxase o artigo de J. M. F. Labastida neste mesmo nœmero da REVISTA GALEGA DO ENSINO).

62 62 Alfonso Vázquez Ramallo En definitiva, a Teor a Xeral da Relatividade Ž na actualidade unha ferramenta imprescindible para poder interpreta-las observaci ns do Cosmos e para elaborar modelos que nos permitan avanzar na sœa comprensi n. RELATIVIDADE E MECÁNICA CUÁNTICA A Mec nica cu ntica describe os fen menos f sicos que ocorren a escalas de distancia at micas (para m is detalles consœltese o artigo de J. S nchez GuillŽn neste nœmero da REVISTA GALEGA DO ENSINO). A Teor a Especial da Relatividade Ž imprescindible para poder entende-la f sica dos procesos nos que interve en velocidades pr ximas da luz. Se estes dous requisitos sobre distancias e velocidades se satisf n simultaneamente Ž evidente que, por raz ns f sicas de consistencia, a teor a relevante ten que ser cu ntico- -relativista. A chamada Mec nica cu ntica relativista foi un primeiro intento de conciliar estas dœas grandes teor as f sicas do sžculo XX. O procedemento utilizado para estende-la Mec nica cu ntica dominio relativista Ž o de constru r novas ecuaci ns de onda compatibles cos principios da relatividade especial. Particularmente interesante Ž a ecuaci n de onda constru da por Dirac, que proporcionou unha teor a relativista do electr n. Quizais a m is espectacular das predicci ns da ecuaci n de Dirac foi a existencia das antipart culas, con propiedades moi similares s part culas, e que se aniquilan, dando lugar a radiaci n, cando se po en en contacto con elas. O descubrimento do positr n nos raios c smicos foi unha confirmaci n de que as ideas de Dirac son correctas. A pesar dos seus Žxitos, a Mec nica cu ntica relativista tamžn presentaba graves inconsistencias. Para resolver estes problemas desenvolvžronse as chamadas Teor as cu nticas de campos, nas que se abandona a formulaci n de teor a dunha part cula en favor dun formalismo de moitas part - culas, onde o nœmero destas non Ž necesariamente constante. As Teor as cu nticas de campos son as utilizadas para formula-lo chamado modelo est ndar da F sica das part culas elementais, que describe con grande Žxito a f sica de t dalas interacci ns elementais da materia ag s a gravidade. Sinalemos, a modo de exemplo, que o principio de exclusi n de Pauli e o tipo de estat stica cu ntica satisfeito polas diferentes part culas elementais son unha consecuencia do car cter cu ntico-relativista destas teor as. ƒ interesante lembrar neste punto que o principio de Pauli Ž un ingrediente crucial para entende-la disposici n dos electr ns nos tomos e, consecuentemente, determina as propiedades qu micas destes. A construcci n dunha teor a cu ntica consistente que incorpore os principios da relatividade xeral Ž un problema a nda non resolto. De feito, a elaboraci n dunha teor a cu ntica da gravidade Ž a meta de moitos dos

63 A Teoría da Relatividade 63 traballos m is actuais en F sica te rica. A teor a de supercordas Ž a m is cualificada candidata para constru -la chamada Çteor a de todoè que unifique t dalas interacci ns da natureza sen excepci n. Einstein dedicou, sen Žxito, os œltimos anos da sœa vida a tratar de atopar unha teor a unificada. Esta Ž unha tarefa para o sžculo XXI que, probablemente, requirir algunhas revoluci ns conceptuais e novos mžtodos. BIBLIOGRAFÍA [1] Einstein, Albert, Sobre la Teor a de la relatividad especial y general, Madrid, Alianza Editorial, [2] Schwinger, Julian, El legado de Einstein, Biblioteca Scientific American, Barcelona, Prensa Cient - fica, [3] S nchez Ron, JosŽ Manuel, El origen y desarrollo de la Relatividad, Madrid, Alianza Editorial, 1983.

64

65 65 MECÁNICA CUÁNTICA J. S nchez GuillŽn* Universidade de Santiago de Compostela 1. NOVO SÉCULO, NOVA FÍSICA A F sica 'cl sica', baseada nas leis de Newton da din mica de part culas e as de Maxwell para o campo electromagnžtico, Ž o resultado de tratar de entende-la natureza mesma escala en que se nos amosa, con obxectos de tama o relativamente grande. A finais do sžculo XIX parec a describir perfectamente t dolos feitos observados; incluso se deu un paso m is especulativo explicar Boltzmann a termodin - mica aplicando estas leis s a nda 'hipotžticos' tomos, que con tanto Žxito vi an empregando os qu micos durante todo o sžculo. Inclu u para isto a teor a da probabilidade e informaci n e, ademais, inici base as a F sica te rica. A medida que se foron desenvolvendo as tžcnicas experimentais e a sendo posible observar 'realmente' os tomos e os seus contitu ntes, viuse claro o comportamento da radiaci n e das part culas pequenas que se an descubrindo, como o electr n, era s veces ben diferente do observado nas experiencias habituais con obxectos do tama o do laboratorio. As leis da F sica cl sica non resultaban v lidas no mundo at mico e subat mico. En realidade non hai nada de asombroso en que as part culas pequenas non obedezan as leis da F sica cl - sica, pois esta utiliza conceptos como os de posici n, velocidade e traxectoria do movemento, baseados en experimentos realizados con obxectos grandes. ƒ a nosa experiencia a que nos di, en particular, que medi-la posici n x dunha part cula en varios intres t 1, t 2,..., a diferencia entre dœas posici ns x tende a cero cando o intervalo temporal entre as medici ns correspondentes t tende tamžn a cero. E nosa escala de tama os, paržcenos obvio que podemos dividir tantas veces como queiramos estes intervalos sen que cambie nada relevante. Son estas observaci ns emp ricas as que nos permiten defini-la velocidade como o l mite = lim ( x / t) t 0. Con x e determinados en todo momento podemos falar * Catedrático de Física Teórica. Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

66 66 J. Sánchez Guillén de traxectoria do movemento. Pero as extrapolaci ns son por veces enganosas, como sucedeu pensar que a Terra era chaira e, en efecto, pasar mundo at mico este esquema cl sico resulta problem tico. En primeiro lugar non est claro c mo podemos localizar part culas de tama os tan pequenos e determina-las sœas posici ns x. Isto p dese resolver utilizando microscopios e feixes de luz l ser, como instrumentos de medici n. Pero resulta que se facemos outra medici n, cabo dun tempo moi, moi curto t, atop monos con que moitas veces a diferenica x coa posici n anterior xa non tende a cero cando t 0. A medida que t diminœe, a diferencia x pode facerse cada vez m is err tica. î repeti-lo experimento varias veces, obtemos valores tanto m is arbitrarios de x, canto menor Ž t. Est claro que baixar a escalas moi pequenas xa non se poden definir velocidades e traxectorias. ƒ evidente que a propia estructura at mica pon l mites s divisi ns sucesivas indefinidas da materia. Iso xa non estaba claro para a enerx a e tardamos moito en decatarnos, a nda que, como se sabe pola relatividade, materia e enerx a son equivalentes. Existe unha escala dada pola constante de Planck _ h ~ joules (J) segundos(s) (1) que marca a fronteira para o dominio de aplicaci n ou validez da F sica cl sica. Como vemos, h _ Ž [enerx a] x [tempo] e representa a acci n dun proceso, que Ž a enerx a cinžtica (subtraendo a potencial cando a haxa) polo tempo que este dura, tendo en conta o seu comezo e fin e certos detalles do seu desenvolvemento. Cando as caracter sticas dun sistema son tales que as sœas acci ns correspondentes diminœen ata valores da orde de h _ (o cuanto m nimo de acci n), o que pasar considerar tomos e part culas soltos, o seu comportamento Ž ben distinto do previsto pola Mec nica cl sica e debe describirse por outras leis: as da Mec nica cu ntica. A primeira vista pode semellar estra o e contra o sentido comœn: Àcomo se pode predicir ent n o comportamento das part culas co tempo?, Àque suceder ir considerando part - culas m is grandes e pasar dominio das leis da F sica cl sica?... E Àpor quž todo isto? O primeiro Ž lembrar que nos obxectos t picos da nosa escala de tama os, hai polo menos 6 x tomos, que Ž o inverso da masa do prot n ou neutr n medida en gramos, pois son estes os que lles proporcionan esencialmente a masa nos tomos. Polo tanto, as observaci ns cl sicas son en certo modo o resultado de extrapolaci ns de mill ns de millons de mill ns de mill ns (24 ceros como m nimo) de part culas. Por iso os valores das enerx as, tempos e outras magnitudes das part culas at micas e subat micas resultan tan extremadamente pequenos se os medimos nas nosas unidades t picas da F sica cl sica (quilos, metros, etc.), como vimos arriba coa acci n, que reflicte t dalas sœas caracter sticas.

67 Mecánica cuántica 67 Resulta que os experimentos efectuados directamente coas part culas mostran que, se ben as diversas fluctuaci ns das sœas posici ns, x, parecen arbitrarias como dixemos, a sœa media si ten certa regularidade e iso Ž precisamente o que permite calcula-la Mec nica cu ntica. As, a nda que non poidamos defini-la velocidade instant nea no sentido cl sico, si podemos facelo no sentido da media. M is a nda, a Mec nica cu ntica demostra c mo tenden a cero as x, ou sexa as fluctuaci ns cu nticas, iren aumentando os valores das magnitudes caracter sticas dos obxectos. O mesmo ocorre con moitas outras magnitudes ademais das posici ns ou coordenadas. A idea de que as leis cu nticas se van achegando s leis cl sicas, ata coincidiren con elas nas condici ns macrosc picas adecuadas, postulouse nos comezos da Mec nica cu ntica (principio de correspondencia de Bohr) e foi unha axuda moi importante para a sœa construcci n. En seguida se demostrou rigorosamente que as medias que calcula a Mec nica cu ntica satisf n as leis cl sicas. Quedaba por establecer c mo se realiza a dita transici n cu ntica-cl - sica e, sobre todo, comprobar se esta era de natureza cu ntica, Ž dicir, se, en definitiva, as leis cu nticas eran universais e pod an explicar tamžn a propia F sica cl sica de Newton, Maxwell e Boltzmann. De feito, esta posibilidade, tan atractiva para a maior a, tivo detractores como o propio Einstein pois, como imos ver, encerra admiti-lo azar mesmo no comportamento individual de cada part cula e, polo tanto, certo grao inevitable de indeterminaci n. O paso escala cl sica, de tama- os grandes polo xeral, d se de forma natural considerar moitas part culas (Áo dif cil Ž illalas!). Esta transici n denom nase tecnicamente decoherencia (por se chamar coherencia a propiedade detr s da indeterminaci n) e resulta, como xa apuntamos, da interacci n das part culas estudiadas coas outras moitas do medio ambiente. Como Ž l xico, sempre se d nas nosas medidas, pois os propios aparellos son xa un medio ambiente. O proceso de medida entra a evidentemente interacci ns e Ž macrosc pico. A nda que o problema Ž complexo e a nda quede algœn aspecto menos claro, est ben entendido que pasar a obxectos m is grandes, o intervalo temporal m nimo para obter practicamente a media en cada medida se fai moi pequeno, de xeito que case sempre nos atopamos con este valor medio en cada proceso de medici n, como sucede na F sica cl sica. ÁPara unha part cula de 1g e 1cm a temperatura ambiente, o tempo t pico de desaparici n das fluctuaci ns cu nticas Ž de s! Dicimos 'case sempre' porque hai situaci ns excepcionais, nas que sistemas moi especiais como os superconductores, superflu dos, l seres ou estrelas de neutr ns (pœlsares), mante en a tempos e distancias macrosc picas as propiedades cu nticas, coas sœas fluctuaci ns caracter sticas. Pero en xeral, para part culas macrosc picas esta t cr tica

68 68 J. Sánchez Guillén faise tan pequena que non ten ningunha importancia na pr ctica. Desde fai un par de anos hai experimentos que permiten estudiar e comproba-los tempos de desaparici n das fluctuaci ns cu nticas, demostrando de forma espectacular as predicci ns da F sica cu ntica, que aparece as como a teor a fundamental que o explica todo; ag s a gravitaci n, que ten en construcci n a sœa formulaci n cu ntica, con resultados moi alentadores. 2. UN POUCO DE HISTORIA O primeiro paso cara F sica cu ntica deuno M. Planck no ano Aconteceu buscando unha f rmula que interpolase dous resultados te ricos que se obtiveran para a lei de distribuci n da radiaci n dun corpo negro coa frecuencia I( ). Experimentalmente obsžrvase unha curva cun m ximo no centro, nas frecuencias medias. Utilizando diferentes suposici ns, puidžrase reproducir coa F sica cl sica a curva experimental s para as zonas inicial (baixas frecuencias) e final (altas frecuencias), ou sexa, as sœas as ntotas para 0 e. M. Planck conseguiu achar empiricamente unha f rmula moi sinxela para toda a curva, interpolando entre as dœas as ntotas. Presentouna nun primeiro artigo publicado en 1900 sen espertar un interese especial. Pero M. Planck observou que a sœa f rmula coincid a perfectamente coa distribuci n experimental, demasiado perfectamente para ser unha casualidade. Tratou de comprender c mo se pod a chegar a esta f rmula teoricamente. Decatouse de que abondaba con facer unha soa suposici n ÑÁpero ben estra a!ñ: que a enerx a do campo electromagnžtico s pode cambiar descontinuamente, por porci ns ou cuantos de enerx a, e que cada un Ž proporcional frecuencia = 2 _ h (2) con h _ a constante ( s veces util zase h = 2 h), _ da que se deu o valor determinado experimentalmente en (1). Foi a primeira manifestaci n clara da nova F sica, da fenomenolox a cu ntica. Sen embargo necesit ronse case outros trinta anos para chegar formulaci n te rica actual da F sica cu ntica. Foron moitos os f sicos que fixeron grandes achegas seu desenvolvemento ademais de M. Planck. A. Einstein creou en seguida a teor a do efecto fotoelžctrico utilizando a hip tese de cuantizaci n de M. Planck. Pœidose verificar as directamente que a enerx a do campo electromagnžtico se transmite sempre polos cuantos de Planck, non s na emisi n. M is tarde, N. Bohr enunciou os seus postulados de cuantizaci n para explica-los espectros de radiaci n at mica. A nda que era un modelo e moi sinxelo, foi unha s ntese xenial dos elementos b sicos da F sica cu ntica, como imos ver no seguinte apartado. Ademais, acadou grandes Žxitos experimentais, como a resoluci n do problema dos distintos elementos (helio especialmente) nos espectros de estrelas, que deu convencido a Einstein da sœa validez. Precisamente

69 Mecánica cuántica 69 Max Planck e Albert Einstein, primeiro e terceiro pola esquerda, nunha recepción en Berlín no ano foi este quen demostrou por fin rigorosamente a propia f rmula da radiaci n de Planck utilizando os principios cu nticos coa idea de probabilidade de Boltzmann, dando orixe formulaci n moderna cu ntica de campos. Pero a F sica cu ntica como teor a (e non como receitas para calcular algœns casos particulares) empezou coa idea de L. de Broglie de que a materia (part culas) tamžn posœe propiedades ondulatorias en analox a co campo electromagnžtico, do que se acababa de establece-lo aspecto dual corpuscular. O seu razoamento foi moi l xico e xa o usamos arriba: se na relatividade son simžtricas (intercambiables) materia e enerx a, e a radiaci n (enerx a ondulatoria) comp rtase tamžn como part cula, as part culas (materia) deben comportarse pola sœa vez como ondas para mante-la simetr a. Base ndose nesta idea, W. Heisenberg e E. Schršdinger puideron formula-las bases da Mec - nica cu ntica en Por se-la nova ciencia tan diferente da F sica cl sica, requiriuse moito esforzo para a sœa comprensi n e para o desenvolvemento do formalismo matem tico adecuado. M. Born, N. Bohr, P. Dirac e W. Pauli contribu ron notablemente. O problema maior de Schršdinger foi que empezou co caso relativista, que era, como vimos, o que

70 70 J. Sánchez Guillén se pod a formular mellor seguindo principios xerais. Pero a interpretaci n das soluci ns que se obti an parec a imposible. Ademais, o problema que quer a resolver como demostraci n da nova teor a, os tomos lixeiros, Ž moi pouco relativista, pois as velocidades dos electr ns son centos de veces menores c da luz. Por iso, a sœa ecuaci n e a ideolox a b sica cu ntica son un dos saltos creativos m is sorprendentes da F sica. Foron Dirac e Pauli, seguindo os pasos de Einsten, os que conseguiron interpreta-la teor a relativista coa novidade de que describe, canda a materia, as antipart culas, a predicci n m is espectacular da Mec nica cu ntica relativista. Esta teor a, chamada tamžn cu ntica de campos, resultou de tal complexidade que non foi resolvida ata hoxe. Os principios e interpretaci n son comœns Mec nica cu ntica non relativista de Schršdinger. A F sica cu ntica describe o comportamento de obxectos pequenos con acci ns da orde da constante de Planck. ƒ dif cil imaxina-lo que iso significa, entre outras raz ns porque, como dixemos, a acci n non Ž un concepto intuitivo. VŽn a corresponder a unha suma acumulativa do tempo pola enerx a cinžtica dunha part cula (se Ž libre) do intre inicial final do seu percorrido. Na F sica cl sica sžguese unha traxectoria que a fai m nima. En xeral, unha acci n pequena corresponde a moi pouca enerx a ou a moi pouco tempo, como Ž o caso t pico dos constitu ntes œltimos da materia. Recordemos que nun gramo hai da orde de 6 x tomos. As, para mover un gramo un cent metro coas achegas enerxžticas dun tomo, necesitariamos esperar segundos (un ano ten s 10 7 ). Son, polo tanto, as leis da F sica cu ntica as que describen o comportamento das part - culas elementais como o electr n, o prot n, o neutr n, o neutrino e moitas m is. TamŽn a F sica at mica, nuclear e en parte molecular pertencen dominio da F sica cu ntica. A F sica cu ntica, desde logo, non invalida a F sica cl sica: os obxectos macrosc picos con acci ns moito maiores ca _ h obedecen as leis cl sicas cunha gran precisi n. De feito, como vimos, a F sica cu ntica explica precisamente, a travžs da decoherencia, o comportamento cl sico. En moitos casos, con todo, os efectos cu nticos sžntense ata a escala macrosc pica. As sucede cando se consideran fen menos a moi baixas temperaturas e, por conseguinte, con movemento moi lento das part culas, e se consegue unha acci n coordinada (coherente) dun gran nœmero deles, no estado s lido ou na radiaci n electromagnžtica. S a F sica cu ntica puido explica-lo comportamento dos electr ns nos corpos s lidos, ou fen menos como a superconductividade e a superfluidez, e conducir a inventos como o l ser. Polo outro extremo, hai part culas c smicas de tal enerx a (10 20 e V) que individualmente te en un comportamento practicamente cl sico na sœa interacci n chegar Terra. Subli emos finalmente que a influencia da F sica cu ntica non se

71 Mecánica cuántica 71 esgota coas posibilidades extensas das sœas aplicaci ns, que claramente est n a marca-lo noso futuro. A F sica cu ntica constitœe un paso revolucionario no desenvolvemento da F sica enteira como ciencia e posiblemente ata no desenvolvemento da mente humana e a sœa comprensi n do mundo. Demostra moi claramente que o noso co ecemento non debe pretender explicar sempre as novas rexi ns de fen menos da natureza polos mžtodos antigos, empregados anteriormente. Tampouco a ciencia debe abstraerse da observaci n, porque Ž unha parte da ciencia mesma e inflœe de xeito decisivo nas cuesti ns que poden suscitarse. Ademais ens nanos que os mžtodos de descrici n dos fen menos observados poden ser moi distintos do que sabemos desde hai sžculos, facžndose menos indirectos e necesitando un formalismo matem tico pouco comœn. Os Žxitos da Mec nica cu ntica fixžronnos s f sicos do cambio de milenio moito m is audaces e emprendedores en comparaci n cos anteriores. Nos anos seguintes demostracion da teor a cu ntica de campos ou relativista a mediados dos oitenta, propuxžronse varios esquemas do universo bastante revolucionarios, que inclœen a sœa propia orixe. Abranguen dimensi ns adicionais s tres ordinarias e as part culas elementais como vibraci ns de cordas, en vez de puntos sen dimensi n, e as sœas xeneralizaci ns a membranas. Ideas da Mec nica cu ntica tales como as de indeterminaci n (impensables antes), džixanse sentir noutras ramas do co ecemento, mesmo alžn das ciencias. 3. PROPIEDADES ONDULATORIAS DAS PARTÍCULAS A idea de que toda part cula posœe propiedades ondulatorias foi publicada por L. de Broglie no ano Postulou que co movemento dunha part cula de momento p = mv (ou sexa, masa x velocidade), est asociada unha onda de lonxitude = h/p (3) Hai varias observaci ns que conducen a esta idea. Non imos segui-lo cami o hist rico, sen n que discutiržmo-los dous fen menos m is demostrativos. Un dos feitos f sicos que non se pode explicar de ningunha maneira polas leis da F sica cl sica Ž a estructura do tomo. Segundo os experimentos de Rutherford, os tomos son como sistemas solares en miniatura: cunha part cula pesada no centro, o nœcleo, de tama o cen mil veces menor c do tomo, cargado positivamente, arredor do cal xiran un ou varios electr ns cargados negativamente. ConsiderarŽmo- -lo caso m is sinxelo do tomo de hidr xeno, cun s electr n xirando arredor dun prot n. A lei de Newton para a forza F = ma, onde a Ž a aceleraci n centr fuga, e a de Coulomb para a enerx a potencial V = -e 2 /r, onde e Ž a carga do prot n, dannos en seguida o valor da enerx a total das rbitas, E t = -e 2 /2r,

72 72 J. Sánchez Guillén que poden considerarse aproximadamente circulares, sendo r os seus radios. Como vemos, pode tomar calquera valor, iso si, negativo pois o electr n est ligado prot n e, polo tanto, E t diminœe canto maior sexa o seu valor numžrico (ou absoluto), Ž dicir, canto menor sexa o radio r. Segundo as leis de Maxwell ou electrodin mica cl sica, toda part cula cargada con aceleraci n emite ondas electromagnžticas e perde enerx a. Polo tanto, como vimos, o radio do electr n ir a diminu ndo de contino, Ž dicir, ir a caendo cara prot n no centro. No seu cami o o electr n emitir a radiaci n, cunha frecuencia dada pola de rotaci n, que evidentemente aumenta se facer menor o radio, pois Ž o nœmero de voltas por segundo. O espectro de radiaci n ser a un continuo con t dalas frecuencias maiores c correspondente radio inicial e o tomo deixar a sempre de existir acabar o electr n no prot n. As ser a a imaxe do tomo segundo a F sica cl sica. Ten pouco que ver co que se observa experimentalmente. Que a sœa vida deba rematar necesariamente contrad rotundamente o feito de que o tomo de hidr xeno pode existir un tempo indefinido. O espectro do tomo de hidr xeno tampouco Ž nada continuo na realidade. Experimentalmente obsžrvase un conxunto de li as con frecuencias discretas, que se describen pola relaci n emp rica de Balmer v = R (1/n 2-1/m 2 ) (4) con m e n enteiros (m > n) e R a constante de Rydberg de frecuencia. ÀComo se poder a tratar de dar unha explicaci n a estes feitos experimentais? ƒ ben sabido que, para explicar (4), N. Bohr supuxo que a enerx a do electr n no tomo pode tomar s algœns valores discretos E n, como xa mostrou o efecto fotoelžctrico. Como a frecuencia da onda emitida pasar o electr n do nivel E m E n vir dada segundo a relaci n de Planck (2), teremos = (E m - E n ) / 2 h (5) polo que evidentemente ha verificarse que E n = -2 hr/n 2 (6) para obte-lo resultado experimental (4). Este valor deduciuno Bohr aplicando as leis de Newton e Coulomb, como queda descrito, pero para cada rbita circular discretizada e, sobre todo, co seu principio de correspondencia. Con este xustificou a parte m is dif cil, que foi a relaci n da frecuencia de radiaci n coa do movemento circular e que obtivo de trata-los electr ns como un dipolo cl sico entre dœas rbitas extremas. A demostraci n da hip tese de discretizaci n dos niveis enerxžticos do electr n nun tomo proporcionouna a Mec nica cu ntica. En realidade p - dense entender xa os valores tan particulares (6) das propiedades ondulatorias do movemento dos electr ns, que foi precisamente o punto de partida de Schršdinger para a sœa formulaci n

73 Mecánica cuántica 73 xeral e matematicamnete rigorosa. Resum mo-lo argumento, pero podemos crelo e saltar par grafo seguinte. En efecto, supo amos que co electr n estea asociada dalgœn xeito unha onda que se propaga longo da sœa rbita do mesmo modo que o fai a onda nunha corda pechada nunha circunferencia. Sabemos que unha onda as non pode ter unha lonxitude de onda calquera, sen n que ha de ser discreta: a sœa lonxitude ha de ser un divisor da lonxitude da rbita e vžn dada por n = l/n = 2 r n /n con n un nœmero enteiro. Utilizando a condici n de Broglie (3) pola que n x p n = 2 h, obtžmo-la ecuaci n (6) facilmente e co propio valor da constante (R = me 4 /4 h 3 ); basta ter en conta que a enerx a cinžtica p 2 /2m coincide en valor absoluto n coa enerx a total -e 2 /2r n e substitu r p n. TamŽn se deduce axi a que r n x p n = 2 n h, Ž dicir, que o momento angular das part culas est as mesmo cuantizado. Este resultado, de capital importancia para a estructura da materia, tamžn o descubriu Bohr como unha consecuencia das sœas hip teses. A nda que o estudio dos tomos foi moi significativo, existen probas m is directas do comportamento ondulatorio das part culas pequenas como o electr n. BasŽanse no fen meno de interferencia caracter stico das ondas (Átan co ecido nas de radio!) e ausente nas part culas cl sicas. Un dos experimentos m is conclusivos foi o de Davisson e Germer no ano A nda que realizado despois da creaci n da Mec nica cu ntica, permanece ata hoxe un dos indicadores m is claros das manifestaci ns cu nticas no movemento das part culas, polo que merece unha discusi n m is detallada. Estudiaron a reflexi n dun feixe de electr ns incidente sobre un cristal baixo certo ngulo, seguindo o esquema usado anteriormente para a investigaci n da natureza dos raios X. ObsŽrvanse as os electr ns reflectidos nos diversos planos paralelos da rede cristalina mediante un detector que se lle pode varia-la posici n. Os electr ns percorren cami os distintos e, se tivesen un comportamento ondulatorio, haber interferencia entre eles. Esta Louis de Broglie chegou á conclusión de que electróns e protóns podían ter, coma a luz, propiedades ondulatorias.

74 74 J. Sánchez Guillén manifžstase con m ximos de intensidade, para certos valores do ngulo, a distancia entre os planos e a lonxitude de onda. ƒ o mesmo que sucede cos raios X e moi an logo arco da vella, onde os planos son a capa de auga que atravesa a luz solar. Para part culas cl sicas non se esperar a ver interferencia ningunha nin, polo tanto, m ximos nin m nimos. Pero o experimento realizado por Davisson e Germer deu resultados inequ vocos: os electr ns produciron unha interferencia clara cos m ximos caracter sticos. A lonxitude de onda de electr ns con velocidades diferentes mostrouse tamžn de acordo co postulado de De Broglie (3). Cabe subli ar que este tipo de experimento pode demostrar aspectos a nda m is profundos e significativos descubr ndonos en boa medida o que significa a natureza ondulatoria das part culas. O patr n de interferencia dos electr ns non depende da intensidade do feixe incidente, e as ata que se chega a intensidades tan baixas como para pensar que s uns poucos electr ns (ou ata un œnico electr n) caian sobre o cristal. ÀQue debe suceder neste caso? De Broglie pensaba que o electr n mesmo Ž como un paquete de ondas. Ent n un s electr n deber a da- -lo mesmo patr n de interferencia ca moitos deles, a nda que cunha intensidade moi baixa, Ž dicir, a mesma imaxe de interferencia. Pero en realidade sucede algo ben diferente. Cada electr n d un s punto na pantalla do detector, isto Ž, refl ctese cun ngulo fixo e comp rtase, polo tanto, como unha verdadeira part cula, enteira e puntual, sen se desdobrar en partes. Aparentemente os ngulos ou posici ns dos puntos onde aparecen na placa resultan arbitrarios. Sen embargo, repeti-lo experimento moitas veces os puntos vanse ordenando nun histograma regular que tende a coincidir coa curva do patr n de interferencia. Podemos conclu r de a que o electr n non Ž un paquete de ondas no sentido cl sico, sen n que o que proporciona a sœa onda asociada Ž m is ben a probabilidade de aparecer nun determinado lugar. ƒ instructivo tamžn ve-lo que ocorre cando o experimento do tipo Davisson e Germer se realiza con part culas meirandes. Para p crecente a lonxitude de onda faise moi pequena. A imaxe de interferencia amosa moitas oscilaci ns. Os detectores te en a sœa resoluci n propia e chega un momento no que non poden distinguir entre m ximos veci os, indicando ent n unha distribuci n homoxžnea efectiva que resulta face-la media sobre as oscilaci ns de interferencia. A imaxe Ž logo a que corresponde s part culas na F sica cl sica. Como vemos, a transici n da rexi n cu ntica cl sica procede dunha maneira bastante peculiar. Non se pode dicir que para part culas grandes non haxa interferencia; m is ben a interferencia resulta inobservable, de modo que as part culas grandes poden ser descritas nos termos da F sica cl sica.

75 Mecánica cuántica MECÁNICA CUÁNTICA: FUNCIÓN DE ONDA E OBSERVABLES A conclusi n que se segue dos feitos experimentais e mellor os explica Ž que o estado dunha part cula cu ntica non vžn caracterizado por certos nœmeros (os valores das coordenadas e momentos) como na cl sica, sen n por unha funci n, chamada de onda e que adoita designarse coa letra grega (t, r). Representa t dalas posibles propiedades ( quž), en todo instante (t, c ndo) e lugar (r, nde). ƒ o primeiro principio da Mec nica cu ntica. Resulta as que especificar un estado nesta require moita m is informaci n que na mec nica cl sica. Os estados caracter zanse agora por funci ns. A mec nica cu ntica basžase en que a funci n de onda determina por completo o estado dunha part cula, o que significa estrictamente que non fai falla engadir ningunha outra informaci n para saber todo o posible da part cula en consideraci n. ƒ l xico que unha informaci n tan absoluta te a un contido restrinxido. Como vimos, a funci n de onda non implica que a propia part cula sexa exactamente un paquete de ondas, unha perturbaci n localizada, sen n que a dita funci n se refire s probabilidade de presencia da part cula en calquera punto do espacio. A interpretaci n probabilista da funci n de onda, que foi proposta e elaborada por M. Born, N. Bohr e W. Heisenberg nos anos 1926 a 1930, est nos fundamentos da Mec nica cu ntica. O seu enunciado preciso di que a funci n de onda dunha part cula (t, r) representa a probabilidade, mediante o seu m dulo cadrado (t, r) 2 de encontra-la part cula en torno a r do espacio no instante t. Esta Ž a versi n m is simple. A estructura matem tica permite Ñe a natureza util zaos en efectoñ atributos moito m is sut s c posici n, como novos tipos de cargas ou momentos angulares intr nsecos (spins). ƒ unha peculiaridade moi importante da F sica cu ntica que unha part - cula que se encontra nun estado (con funci n de onda 1 ) poida estar vez con certa probabilidade noutro estado (funci n de onda 2 ). Isto džbese a que, dito sinxelamente, hai m is funci ns de onda diferentes ca estados independentes. Nesta situaci n, a funci n de onda que ha conter t dalas posibilidades do sistema ser unha combinaci n de 1 e 2, o que implica interferencia entre ambas. A probabilidade de presencia da part cula nun punto calquera vir dada ent n, non s pola suma dos seus m dulos cadrado, sen n tamžn polo producto ou solapamento de ambas. Esta contribuci n adicional probabilidade, an loga a un termo de interferencia, amosa que a informaci n probabil stica contida nas funci ns de onda se diferencia das leis estat sticas cl sicas nas que a probabilidade se refire comportamento do colectivo. Pero na Mec nica cu ntica a probabilidade Ž un atributo de cada part cula: o azar chega ata o individual.

76 76 J. Sánchez Guillén Un exemplo para visualizar claramente isto proporci nao o experimento Gedanken da dobre f sgoa, que asigna as funci ns de onda 1 e 2 s dœas posibilidades independentes que ten cada electr n de chegar s detectores dunha pantalla de observaci n pasando por unha das dœas f sgoas. Logo de repetir este experimento imaxinario moitas veces, o histograma de rexistros correspondente m dulo cadrado da funci n de onda total tender a a unha figura t pica da difracci n, co seu m ximo principal e os secundarios. Vexamos agora o que ocorre cando se intentan medir valores das coordenadas de posici n ou momentos dunha part cula na mec nica cu ntica. Como mostra o experimento, cada medici n proporciona por si mesma un valor aleatorio de t dolos posibles, con probabilidade dada a priori polos m - dulos cadrado das funci ns de onda correspondentes. î repeti-las medici ns podemos calcula-los valores medios da coordenada ou do momento cos valores resultantes de t dalas medidas. Son estes valores medios os que presentan certa regularidade, como dixemos, e polo tanto son os que constitœen o obxecto do estudio e descrici n da Mec nica cu ntica; entrar no dominio da F sica cl sica, pasan a se-las magnitudes ordinarias desta. Co ecendo as probabilidades de encontrar unha part cula en calquera punto do espacio ou cunha certa velocidade a travžs das funci ns de onda respectivas, p dense predicir estas medias (ou valores esperados). Para o seu c lculo, trat ndose de funci ns, non Ž estra o que as coordenadas de posici n ou as velocidades ve an dadas polas operaci ns sobre estas funci ns que as ditas magnitudes representan na sœa caracterizaci n matem - tica. Estas operaci ns son a multiplicaci n e derivaci n respectivamente. As magnitudes observables en Mec nica cu ntica corresp ndense, en efecto, a operadores en linguaxe matem tica, e ind canse adoito con letras maiœsculas A (r, p). O m is importante de todos Ž sen dœbida o que representa a enerx a, que se chama hamiltoniano e se indica por H (r, p). Acostuma te-la mesma estructura que na F sica cl sica, suma do termo cinžtico p 2 /2m e potencial V (r) (como o de Coulomb -e 2 /r por exemplo) s que agora r e p son operadores, que ga an a vida derivando e multiplicando as funci ns de onda. 5. A ECUCACIÓN DE SCHRÖDINGER Ata agora discutimos c mo se describe unha part cula en Mec nica cu ntica nun instante dado t: toda a informaci n acerca dela est inclu da na sœa funci n de onda (t, r). Agora imos discuti-la sœa evoluci n no tempo. Como na F sica cl sica, suponse que se se co ece toda a informaci n necesaria sobre a part cula nun instante inicial, o seu comportamento futuro est determinado. Isto significa en Mec nica cu ntica que, da-la funci n de onda no ins-

77 Mecánica cuántica 77 tante inicial, podemos calculala en calquera outro intre. Este principio real - zase aqu por medio dunha ecuaci n para (t), an loga s ecuaci ns de onda cl sicas pero cunha soa derivada respecto tempo, indicada por d/dt. Descubriuna Schršdinger no ano 1926 tratar de reproduci-lo comportamento ondulatorio das part culas e xeneralizalo para potenciais de calquera tipo, d (t, r) ih Ð ÐÐÐÐÐÐÐ = H(r,p) (t, r) dt (7) Esta ecuaci n substitœe a Lei de Newton para as part culas cu nticas. Na forma semžllase de difusi n da calor, inventada por Fourier, pero Ž complexa (i = -1), involucra operadores e o importante, como levamos visto, Ž a propia funci n, cun m dulo que Ž unha probabilidade. A forma de proceder Ž expresa-lo hamiltoniano (ou sexa, a enerx a cinžtica e potencial) mediante os operadores correspondentes e resolve-la ecuaci n coas condici ns especiais que caracterizan o sistema ou proceso ( s veces a condici n Ž simplemente que as propiedades relevantes son estacionarias e non mudan no tempo). As, obtemos (t, r) e con ela en principio sabemos todo o que se pode saber. Como analizamos a continuaci n, as medici ns en cu ntica supo en un certo cambio brusco a unha das posibilidades que (t, r) representa con probabilidade (t, r) 2. Pero a evoluci n da funci n de onda entre medidas, que Ž o que representa a ecuaci n de Schršdinger, Ž continua e determinista e por iso pode resolverse sen ambigÿidade. A ecuaci n de Schršdinger non se deduce na mec nica cu ntica sen n que Ž un postulado derivado de observaci ns emp ricas. Sen embargo, p dese xustificar a posteriori considerando as sœas consecuencias e compar ndoas co que en realidade ocorre na natureza. Como dixemos en 1, Ž moi doado demostrar que da ecuaci n de Schršdinger se segue que os valores medios de observables satisf n as leis da Mec nica cl sica (o principio de correspondencia). Isto significa que as part culas de tama o grande (ordinarias), con fluctuaci ns moi pequenas nas sœas variables, descr bense pola Mec nica cl sica cunha gran precisi n, de acordo coa nosa experiencia pr ctica. A Mec nica cu ntica Ž realmente completa e explica incluso c ndo Ž m is pr ctica a descrici n cl sica. 6. INCERTEZA CUÁNTICA Pasemos a discuti-lo que ocorre tratar de medir unha magnitude f sica calquera, como as coordenadas r, momentos p ou combinaci ns de ambas que en xeral representamos por A (r, p). InterŽsanos especialmente a precisi n coa que se poden determinar. î efectuar medici ns repetidas veces, obtense un conxunto de valores experimentais que fluctœan arredor do valor medio e a magnitude destas fluctuaci ns determina a precisi n do noso co ecemento de A. Canto menores

78 78 J. Sánchez Guillén sexan estas, tanto maior ser a precisi n do observable A. Como medida das fluctuaci ns ad itase introducir na teor a de probabilidade a dispersi n A, que non Ž m is que a media do cadrado das desviaci ns das medidas individuais respecto valor medio. A vžn dada directamente pola funci n de onda e est claro que Ž tanto maior canto m is ancha sexa a expresi n do seu m dulo (t, r) 2. PresŽntase un problema de grande importancia: Àexisten casos nos que a dispersi n A Ž igual a cero? ƒ moi f cil convencerse de que si, e que para isto a funci n de onda non pode ser calquera sen n que ha satisfacer unha relaci n moi especial co que tratamos de medir. A idea Ž simple: unha vez medido, sabemos exactamente en quž estado se atopa. A formulaci n matem tica Ž tamžn moi sinxela e as funci ns que a satisf n ch manse autofunci ns ou funci ns propias do operador A. Para as funci ns propias dos operadores correspondentes s magnitudes f sicas, as sœas medidas non fluctœan: os seus valores coinciden sempre co medio e ch manse autovalores ou valores propios. Chegamos as a unha caracterizaci n matem tica do proceso de medida: Cando nun experimento se mide unha magnitude caracter stica dunha part cula, como resultado deste, a part cula queda coa funci n propia correspondente autovalor medido. Significa que do cat logo completo de posibilidades que representa a priori a funci n de onda, medir selecci nase unha: o resultado. Antes de medir s sabi mo-la probabilidade de obter un certo valor; despois de medir, a funci n de onda queda reducida correspondente a ese valor medio exclusivamente. Sucesivas medidas desa mesma magnitude sempre dar n o mesmo resultado, con certeza absoluta. Se efectuamos en cambio a medida doutra magnitude distinta, teremos en xeral s certa probabilidade de achar un valor dado. O m is sorprendente acontece se facemos unha terceira medici n consecutiva, volvendo medi-la primeira das magnitudes, a que era certa antes da segunda medida. Como agora a certeza xa pasou segunda magnitude, para a primeira volvemos ter s certa probabilidade. Aparece as outra complicaci n moi caracter stica da Mec nica cu ntica: Àcales son as condici ns para que poidamos medir varias magnitudes f sicas vez? Na F sica cl sica sempre Ž posible. Pola contra, na Mec nica cu ntica s Ž posible cando esas magnitudes poidan comparti-las mesmas funci ns propias e que estas o sexan vez de t dolos operadores que as representan. Iso s ocorre en casos excepcionais, cando as magnitudes A, B, C... polas que nos preguntamos te en unha propiedade especial: que non importe a orde na que facžmo-las preguntas (as medidas). ÁA vida coti est chea de exemplos nos que a orde das preguntas inflœe nas respostas! Na linguaxe matem tica, as cantidades f sicas poden ser medidas simultaneamente sempre que os

79 Mecánica cuántica 79 seus operadores correspondentes polos que se representan sexan conmutables. Volvendo s caracter sticas dunha part cula, resulta que as representaci ns matem ticas de r e p (producto e derivada) non son conmutables. Por iso na Mec nica cu ntica non se pode medir vez unha coordenada e a compo- ente do momento (ou velocidade) na mesma direcci n. A restricci n sobre as medici ns de r e p p dese formular de forma precisa como unha cota infranqueable, dada pola constante de Planck e ch mase principio de incerteza de W. Heisenberg. r p h _ /2 (8) Significa que canto maior sexa a precisi n da coordenada, tanto menor ser a do momento e viceversa, de forma que o seu producto sexa sempre De esquerda a dereita: Jan Aler, Max Steenbeck e Warner Heisenberg. O último é o pai do principio de incerteza.

80 80 J. Sánchez Guillén polo menos _ h /2. ObsŽrvese que _ nas condici ns da F sica cl sica, h pode tomarse como nula e por iso non hai incerteza na pr ctica. Cabe subli ar que a relaci n (8) non Ž de seu algo completamente novo na F sica. Na teor a cl sica do movemento ondulatorio aparece unha certa restricci n sobre a localizaci n dun paquete de ondas. Pensemos, por exemplo, que habemos de recibir polo menos un per odo completo para detectar un ton musical correspondente a unha vibraci n. O que trae de novo a F sica cu ntica, parte da interpretaci n, Ž que a indeterminaci n se aplica a toda part - cula e Ž polo tanto unha relaci n universal. Suscitou moitas discusi ns no momento da creaci n da F sica cu ntica, porque parec a non estar de acordo coa nosa experiencia, que, a primeira vista, permitir a realizar unha medici n de r e p con maior precisi n c limitada por (8). PropuxŽronse varios experimentos que puideran contradici- -las relaci ns de incerteza (8). Todos eles, as como calquera dos mœltiples experimentos reais ou mentais (Gedanken) para falsificala, te en explicaci n clara dentro da F sica cu ntica. 7. SIMETRÍAS E LEIS DE CONSERVACIÓN A idea de simetr a non Ž nada novo da F sica cu ntica. TamŽn no mundo cl sico, como Ž ben sabido, hai moitos casos nos que se manifesta algunha simetr a, que sempre conduce a unha simplificaci n importante do seu tratamento. As sucede, por exemplo, cando o potencial no que se move a part cula non depende dos ngulos, sen n s da distancia orixe: as forzas centrais. Ent n o problema simplif case moit simo de xeito que fai posible a sœa resoluci n xeral. Na F sica cu ntica o fen meno de simetr a ten un papel a nda m is importante. Esencialmente džbese a dœas raz ns: A propia formulaci n do problema na Mec nica cu ntica Ž moito m is conveniente para a manifestaci n dunha simetr a que na Mec nica cl sica; nesta, os valores iniciais de r e p dunha part cula destrœen a simetr a, escollendo unha traxectoria de entre t dalas posibles, a cal en por si pode non posu r simetr a ningunha. Na Mec nica cu ntica, en cambio, a funci n de onda non involucra nada que poida contradici-la simetr a. A mesma formulaci n do problema aqu Ž simžtrica e as as consecuencias dunha simetr a na Mec nica cu ntica adoitan ser moito m is claras. A F sica cu ntica pretende se-la ciencia que explica a estructura do micro e do macrocosmos e, polo tanto, dar unha explicaci n existencia das propias forzas. O feito de que, por exemplo, un campo sexa central, para a F sica cu ntica non Ž un fen meno puramente emp rico. Trata de comprender por quž Ž central. Como unha posible li a de explicaci n (e case a œnica) œsase precisamente a idea de simetr a; Ž dicir, p rtese da idea de que

81 Mecánica cuántica 81 o potencial debe ser central por esixencia da simetr a. Con esixencias de simetr a a nda m is fortes soubo chegar a poder determinar case univocamente as propiedades das forzas fundamentais, que actœan entre as part culas na natureza, como ocorre coa invariancia de fase local chamada gauge. Esta simetr a reflicte a posibilidade de cambia-las funci ns de onda das part culas en todo o que non afecta probabilidade, dada polo seu m dulo cadrado, como o signo ou, m is en xeral, a fase. Se esta elecci n se fai dunha vez e igual en t dalas partes, ou sexa, globalmente, s se consegue unha simplificaci n para os c lculos; pero se, como Ž m is natural, se reivindica a liberdade de elecci n en calquera instante e en calquera lugar, ou sexa, para cada r e t, sucede algo de gran transcendencia: aparecen os axentes mediadores das forzas fundamentais e con t dalas sœas propiedades completamente determinadas. ƒ a œnica forma de asegura-la dita liberdade de elecci n. 8. INTERPRETACIÓN DA MECÁNICA CUÁNTICA Nos apartados precedentes describimos cualitativamente a ideolox a b sica da Mec nica cu ntica, utilizando unhas poucas f rmulas para dar unha impresi n o menos vaga posible. Esta xurdiu da experiencia e pasou innumerables comprobaci ns experimentais, algunhas dese adas especialmente para buscar calquera contradicci n. Ch maselle s veces a interpretaci n de Copenhaguen ou ortodoxa por raz ns hist ricas e tamžn porque existen algunhas interpretaci ns alternativas para tratar de evitar ou facer m is comprensibles algœns dos seus aspectos menos alcanzables para a intuici n cl sica. Entre as cuesti ns que presentaron dificultades destac mo-las seguintes. A) FORMALISMO MATEMçTICO Como levamos visto, a Mec - nica cu ntica utiliza matem tica moito m is abstracta c cl sica, o que non satisfixo a algœns nos seus comezos, pois parec alles que a concepci n da realidade se evaporaba nun formalismo. Efectivamente, a Mec nica cu ntica require unha matem tica m is complexa, pero hai que lembrar que estaba xa constru da e ben entendida. Ademais, Ž natural que problemas m is complicados precisen ferramentas m is avanzadas. De feito, hoxe util zanse habitualmente as tžcnicas t picas da Mec nica cu ntica para os problemas cl sicos complexos, como os de moitos corpos ou non lineais. Onde este primeiro inconveniente si se manifesta claramente Ž na gravidade cu ntica, en plena eclosi n actualmente. Aqu os f sicos temos de constru -la ferramenta matem tica, o que est resolvendo algœns problemas pendentes desta. çs veces as teor as f sicas nacen co cord n umbilical do formalismo do que logo se desprenden entenderse mellor,

82 82 J. Sánchez Guillén pero outras veces, como ocorreu co c lculo diferencial de Newton e Leibniz no nacemento da Mec nica, o formalismo Ž realmente importante e unha contribuci n adicional da F sica. B) CO ECEMENTO LIMITADO A restricci n esencial sobre o co ecemento dun sistema s probabilidades que encerra a sœa funci n de onda foi, como dixemos, dif cil de aceptar principio, mesmo por grandes f sicos, como nos recorda a famosa frase de Einstein de que o creador non pode xogar s dados. Curiosa frase se se pensa que todo o que acontece na natureza, desde a grande explosi n, pode considerarse como un gran xogo, ou sexa, o resultado do azar suxeito unicamente s leis da f sica e poucas m is. A cuesti n desde a F sica Ž se a Mec nica cu ntica Ž completa ou non. ƒ dicir, se existen outras variables que non co ecemos, ocultas, que polo tanto s se manifesten nunha media. Bell elaborou sistematicamente as consecuencias desta proposta, partindo do feito simple de que se o nœmero de variables aumenta, Ž l xico que a media das mesmas magnitudes non sexa igual predicida pola cu ntica. TŽ ense realizado moitos experimentos para dilucidar esta cuesti n, que tamžn comproban o propio proceso da media discutido a continuaci n, coa resposta sempre favorable Mec nica cu ntica. C) O PROCESO DA MEDIDA Pode parecer coma se o propio proceso de medici n, esencial na Mec nica cu ntica, producise o resultado. TamŽn orixinou reservas a reducci n brusca da funci n de onda correspondente valor medio. Utilizando leis de conservaci n absolutas, como a carga elžctrica ou similares, e experimentos con varias medici ns separadas, p dese formular como unha aparente transmisi n instant nea de informaci n, contra o principio de causalidade e a relatividade. Como ilustraci n, supo amos unha funci n de onda moi estendida no espacio dun sistema con s dœas posibilidades. Se se mide nun dos extremos, a funci n de onda queda colapsada opci n obtida e xa sabemos o que non obter a media no outro extremo (que pode traducirse que se obter con certeza se se trataba dunha dicotom a). Esta informaci n Ž virtual: non se pode facer efectiva ata que non se comuniquen os medidores e comparen, polo que non viola a causalidade. En calquera caso, esta realidade virtual Ž un feito comprobado e que ten incluso moitas aplicaci ns pr cticas, sempre limitadas pola velocidade finita da comunicaci n da informaci n. çs veces ch manlle realismo local s intentos de evitar estas conclusi ns, sobre todo coas variables ocultas, que como dixemos nunca se manifestaron. De t dolos xeitos, hai que admitir que o colapso da funci n de onda

83 Mecánica cuántica 83 aparece como algo brusco e descontrolado. O proceso de medida Ž esencial, pero en certo modo pode considerarse externo Mec nica cu ntica e, en definitiva, cl sico. Por iso algœns f sicos pensaron respostas a este posible problema conceptual, que pertencen m is ben terreo da epistemolox a. M vense entre dœas opci ns extremas; unha Ž recorrer consciencia dicindo que se produce na mente. Un dos problemas ser a a Cosmolox a, que est tratando o universo completo. O outro extremo Ž dicir que en realidade non hai tal colapso. Non ser a m is que un atallo para calcular certas propiedades, que representa unha complicada superposici n obxecto-equipo de medida. Nesta li a, a an lise detallada da F sica, tanto formal como experimental, da transici n cu ntica-cl sica (a decoherencia), como interacci n co medio, est progresando moito na actualidade. Isto permite explicar, como dixemos, coa mesma Mec nica cu ntica a transici n cl sica e o propio proceso de medida. No mbito m is filos fico da interpretaci n, as propostas foron desde as m is conservadoras que avogan por unha distinci n entre os terreos cu ntico e cl sico co resultado dunha especie de media co mesmo resultado. Ou de forma m is radical, recorrer existencia de cami os ou 'mundos' paralelos de forma que, en cada medida, o que se percibe como colapso non Ž outra cousa que a evoluci n cara a un deles. Esta opci n foi quizais a m is elaborada. 9. EPÍLOGO A Mec nica cu ntica naceu co sžculo XX e entrando no XXI est tan firmemente establecida que debe facer parte do noso capital cultural persoal e, desde logo, dos contidos das ensinanzas medias, que Ž a sœa mellor fonte. Nos nosos d as est penetrando en terreos novos tanto nas aplicaci ns (por exemplo, os tan buscados ordenadores cu nticos) coma no b sico coa cuantizaci n da gravitaci n, que Ž o œltimo reducto cl sico. Polo de agora esta tarefa Ž formal, pero o seu contido Ž tan fascinante coma a orixe do univeso e a din mica dos buratos negros, da existencia dos cales vaise acumulando evidencia. Polo tanto, convžn estarmos atentos, o que Ž doado na era da informaci n. Na direcci n da rede podemos seleccionar Quantum Physics e atoparžmo- -los œltimos avances, s veces de forma alcanzable. Lembremos, para rematar, que Balmer Ñprecursor da F sica cu ntica coa sœa f rmula (4)Ñ era profesor de instituto en Basilea, onde catrocentos anos antes un mždico, Paracelso, descubrira o hidr xeno. BIBLIOGRAFÍA 1 Schršdinger, Erwin, Cursos de la Universidad de Verano de Santander, 1, Madrid, Signo, 1935, Pascual, Pedro, e Alberto Galindo, Mec nica cu ntica, Madrid, Eude-

84 84 J. Sánchez Guillén ma Universidad, Manuales Eudema, Yndurain, Francisco, Mec nica cu ntica, Madrid, Alianza Universidad Textos, Alianza Editorial, S nchez GuillŽn, Joaqu n, e Mijail A. Braun, F sica cu ntica, Madrid, Alianza Universidad Textos, Alianza Editorial, 1993.

85 85 NÚCLEOS E PARTÍCULAS Carlos Pajares Vales* Universidade de Santiago de Compostela INTRODUCCIÓN Desde os tempos m is remotos, nas m is antigas civilizaci ns, o home preguntouse polo interior das cousas, furgou dentro delas e tentou co ecer quž Ž o que lles d consistencia e se existe algo subxacente e comœn a todas elas a pesar da sœa infinita variedade. Hai m is de 2500 anos, en Grecia, Tales constatou que calquera substancia pod a clasificarse como s lido, l quido e gas; dado que a auga exist a nas tres formas, Ànon se pod a da-lo caso de que fose a auga o constitu nte de toda a materia? Na mesma li a de pensamento, Arist teles e os seus seguidores postularon que a materia estaba formada por terra, lume, aire e auga. O seu mestre Plat n elaborou a idea da existencia de estructuras formais b sicas, como as figuras xeomžtricas fundamentais a partir das cales se ÔformabanÕ t dalas cousas. Plat n supo a que estas estructuras b sicas eran tri ngulos. Anteriormente Leucipo e o seu disc pulo Dem crito (585 a. C.) suxeriron a posibilidade de que a materia estivese constitu da por pequenas part culas indivisibles, os tomos ( ). A construcci n de t dalas cousas a partir doutras pezas elementais non Ž, desde logo, unha verdade necesaria que tarde ou cedo ti a que establecerse. As, por exemplo, en culturas orientais e tamžn en determinados momentos do sžculo XX pensouse que exist a unha globalidade, de tal xeito que todo estea composto de todo, as que calquera parte inflœe e d consistencia, en maior ou menor medida, a calquera outra parte, e reciprocamente. Neste esquema non Ž certo que uns poucos elementos constrœan t dalas cousas; s poder a selo no sentido dunha aproximaci n realidade, v lida en determinadas condici ns cando se puidese despreza-la influencia da maior parte de elementos. O sžculo XIX comezou co establecemento da moderna teor a at mica da materia. Sab ase que unha gran variedade de substancias pod an obterse combinando diferentes cantidades * Catedrático de Física Teórica. Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

86 86 Carlos Pajares Vales duns poucos elementos. Dalton, en 1808, propuxo que estas combinaci ns se entender an se cada elemento estaba constitu do por tomos. A combinaci n de tomos de distintos elementos produc a as molžculas das substancias non elementais. Supuxo que os tomos eran indivisibles e por iso adoptou o nome grego. En 1869, Dimitri Mendeleev descubriu que ordena-los elementos at - micos do m is lixeiro (hidr xeno) m is pesado, as sœas propiedades se repet an a intervalos regulares (sistema peri dico dos elementos). Esta regularidade apuntaba, como se ver a posteriormente, a que os tomos non son elementais sen n sistemas complexos, compostos doutros ÔelementosÕ. As diferentes combinaci ns destes elementos dan lugar s distintos tomos, o que explicar a as regularidades. O sžculo remata con dous descubrimentos fundamentais na busca da elementalidade: o descubrimento do electr n por J. J. Thomson en 1897, premio Nobel 1906 (posteriormente Millikan medir a a carga, premio Nobel 1923) e o da radioactividade por H. Becquerel, Pierre e Marie Curie (p. N. 1903). Rutherford (p. N. de Qu mica 1908), traballando no laboratorio Cavendish de Cambridge que dirix a Thomson, demostra nos anos que a radiaci n de Becquerel ti a tres compo entes diferentes: a radiaci n, e. Esta œltima resultou ser radiaci n electromagnžtica de alta frecuencia, incluso superior dos raios X descubertos por Roentgen en 1896 (p. N. 1901). A radiaci n consist a en electr ns e a en part culas masivas cargadas positivamente e que posteriormente foron identificadas como nœcleos de tomos de helio. Co sžculo estržase tamžn a Mec nica cu ntica. O d a de Santa Luc a de 1900, Planck (p. N. 1918) explica a dependencia na frecuencia e na temperatura da densidade de enerx a do chamado corpo negro e introduce a hip tese de que a radiaci n era absorbida ou emitida en cantidades discretas proporcionais frecuencia da dita radiaci n. E = h (1) A constante de Planck h escrib ase e calcul base por primeira vez. Einstein (p. N. 1921) retomaba en 1905 a dita hip tese para explica-lo efecto fotoelžctrico, indo m is al supo er que a radiaci n electromagnžtica non s era absorbida ou emitida en cantidades h, sen n que eran part culas de energ a h. O mesmo ano 1905, Einstein tamžn publicaba a Teor a da Relatividade Restrinxida, coa que se transformaba radicalmente o concepto de espacio e tempo e se contemplaban as transformaci ns de masa en enerx a e reciprocamente de enerx a en masa. A Mec nica cu ntica Ñconstru - da na džcada dos anos vinteñ e a Relatividade constitœen dœas grandes revoluci ns cient ficas conceptuais imprescindibles para comprender multitude de fen menos f sicos; en concreto, fixeron posible o avance na busca da elementalidade.

87 Núcleos e partículas 87 DESCUBRIMENTO DO NÚCLEO ATÓMICO Na mesma primeira džcada, Rutherford e Soddy descubriron que algœns tomos pod an desintegrarse espontaneamente, producindo outros tomos. TamŽn Pierre Curie e Marie Curi-Sklodowska descobren novos elementos radioactivos, o radio e o polonio (a Marie Curie concedžronlle por isto o premio Nobel de Qu mica 1911) nos productos de desintegraci n do uranio. Con todo isto empeza a sospeitarse que os tomos te en estructura interna e que esta deber a diferir moi pouco duns tomos a outros pr ximos no sistema peri dico. Nos anos , Ernest Rutherford Ñagora en ManchesterÑ, Ernest Marsden e Hans Geiger realizaron diversos experimentos cos que demostraban que efectivamente os tomos posu an unha estructura interna: o nœcleo. Os experimentos consist an en bombardear unha folla delgada de ouro con part culas provenientes dunha fonte de radio (1) (ver figura 1). Fonte de radio Colimador L mina de ouro Figura 1. Experimento de Rutherford. Pantalla Se a distribuci n de materia dentro do tomo fose homoxžnea, esperar ase que a maior parte de part culas sa - sen cara a adiante e moi poucas a grandes ngulos. Sen embargo sa an moitas m is das esperadas a grandes ngulos e mesmo algunhas rebotaban para atr s. Segundo Rutherfod Çfoi coma se dispararas unha bala de 4 cm contra un anaco de papel de seda e rebotara cara a atr s golpe ndoteè. Dentro dos tomos hab a concentraci ns de materia moito m is pesadas c s part culas. O tomo est composto de electr ns situados en capas, no exterior dun nœcleo cunha carga positiva igual nœmero de electr ns exteriores. O nœcleo ten unhas dimensi ns duns cantos fermi 1 fm = cm. Como as dimensi ns dos tomos son da orde de amstrongs, 1 = 10-8 cm, os nœcleos son cen mil veces m is pequenos c s tomos. Isto non quere dicir que os tomos estean practicamente baleiros. Os electr ns est n ligados s nœcleos mediante a forza atractiva (por teren cargas opostas) coulombiana. Esta forza elžctrica entre cargas, responsable de que estean ligados os electr ns nœcleo e que non escapen, Ž debida existencia dun campo elžctrico que dota de consistencia o espacio entre os electr ns e o nœcleo. Outra maneira de expresa-lo mesmo, Ž dicir que entre os electr ns e o nœcleo se intercambian fot ns, os ÔcuantosÕ do campo electromagnžtico existente. Estes fot ns dan consistencia e enchen o espacio entre os electr ns exteriores e o nœcleo.

88 88 Carlos Pajares Vales O experimento de Rutherford Ž t pico de toda unha serie de ensaios que se sucederon longo do sžculo para tratar de explora-lo interior de obxectos cada vez m is pequenos. Fundamentalmente, o experimento consta dun feixe de part culas (part - culas no experimento anterior) aceleradas para dotalas dunha enerx a E e un momento p suficientemente alto, que inciden sobre un branco. As ondas asociadas s part culas do feixe te en unha lonxitude relacionada co momento lineal p da part cula P = h / (2) de tal maneira que se se quere explorar un branco de tama o caracterizado polo radio R, se verifica R (figura 2). tama os m is pequenos, neces tanse aceleradores m is potentes. ESTRUCTURA DO NÚCLEO. PROTÓNS E NEUTRÓNS A estructura electr nica dos tomos expl case rapidamente, primeiro cos modelos simplificados de Bohr (p. N. 1922) e Sommerfeld e despois coa formulaci n da Mec nica cu ntica e en particular da ecuaci n de Shršdinger (p. N. 1933), o principio de incerteza de Heisenberg (p. N. 1932) e o principio de Pauli (p. N. 1945). Sen embargo, poucas cousas se sab an sobre o nœcleo central, parte de que Figura 2. Lonxitude de onda menor có tamaño do obxecto. Ondas con lonxitude de onda maior c radio son insensibles branco, non se dan conta da sœa existencia. Canto m is pequeno Ž o branco que queremos explorar, menor Ž a lonxitude de onda e m is grande debe ser p e, polo tanto, maior a enerx a da part cula lanzada como sonda. Por iso, a medida que se quere entrar m is no interior e explorar Erwin Schrödinger, premio Nobel de Física en 1933, na súa intervención no XIV Congreso da Asociación Española para o Progreso das Ciencias celebrado en Santiago de Compostela no ano 1934.

89 Núcleos e partículas 89 estaba cargado positivamente e que era moi denso. Diversos experimentos para estudia-lo nœcleo foron realizados por Rutherford e Chadwik na džcada dos vinte, no Laboratorio Cavendish de Cambridge, que Rutherford volvera sucedendo a Thomson no cargo de director. TamŽn Irene Joliot-Curie e Frederic Joliot (p. N. de Qu mica 1935) realizaban uns experimentos similares en Par s. Rutherfod suxerira a existencia dunha part cula neutra, de masa practicamente igual do prot n. Chadwick (p. N. 1935) demostrou finalmente, en 1932, a existencia do neutr n mediante un experimento no que lanzaba part - culas provenientes dunha fonte radioactiva sobre un branco de berilio. T - ase observado nos experimentos mencionados anteriormente que se produc a radiaci n penetrante neutra. Chadwick estudiou esta radiaci n, facžndoa incidir sobre parafina de cera, substancia rica en hidr xeno. A radiaci n, chocar cos nœcleos de hidr xeno, prot ns, fac aos retroceder (1) (ver figura 3). Estes prot ns eran detectados por unha c mara de ionizaci n que contžn gas e dous electrodos. Cando os prot ns entran na c mara, golpean os electr ns dos tomos do gas facendo que estes queden ionizados con carga positiva, o que provoca unha diferencia de potencial nos electrodos. Se estes electrodos est n encaixados nun circu - to exterior, aparece unha corrente elžctrica. Chadwick pod a as medi-lo nœmero de prot ns e a sœa enerx a para deducir que deb an de ser golpeados Berilio Part culas Neutr ns Figura 3. Experimento de Chadwick. por part culas da mesma masa e neutras, neutr ns. Un nœcleo de masa A veces a dun prot n ou neutr n ten Z prot ns (igual nœmero c de electr ns) e A - Z neutr ns. O nœcleo dun tomo de Z electr ns ten que ter Z protones para ser neutro, pero pode ter diferente nœmero de neutr ns. îs nœcleos co mesmo Z e diferente A ch maselles is - topos. A forma dun nœcleo Ž aproximadamente esfžrica cun radio R, R = R o A 1/3, R o = 1.1 fm, segundo revelaron definitivamente os experimentos de colisi ns de electr ns con nœcleos iniciados no acelerador de Stanford por Hofstadter en 1953 (p. N. 1961). FORZAS NUCLEARES Parafina Prot ns Detector Os prot ns do nœcleo at mico experimentan a repulsi n coulombiana; sen embargo, o feito de permaneceren unidos no nœcleo implica a existencia dunha forza atractiva moi poderosa capaz de vence-la repulsi n electromagnžtica. Debido sœa intensidade ch mase forza forte e Ž experimentada polos prot ns e neutr ns pero non polos electr ns (en xeral exercerase entre todo un conxunto de part culas chamadas hadr ns e non entre outro

90 90 Carlos Pajares Vales conxunto de part culas chamadas lept ns); a forza Ž de curto alcance, uns poucos fermis, en contraste coa forza electromagnžtica que ten alcance infinito. Este comportamento diferente suxeriulle a Yukawa en 1935 (p. N. 1949) predici-la existencia do mes n (en realidade son tres +, -, o cunha masa de cerca de 140 Mev) que ti a nas interacci ns fortes o mesmo papel c fot n nas electromagnžticas. En efecto, se consider mo-lo potencial V = exp (- r) / r (potencial de Yukawa) a sœa transformada de Fourier Ž 1/ (q ), que corresponde intercambio dunha part cula de masa, entre as part culas sometidas potencial V. No caso de interacci n coulombiana, V (r) = 1 / r, alcance infinito e = 0, masa do fot n. No caso de interacci n forte V(r) 0 se r > 1/ 1 fermi. Polo tanto = Mev. Outra maneira equivalente de deduci-lo mesmo resultado Ž utilizando o principio de incerteza enerx a-tempo de Heisenberg. En 1947 o mes n foi detectado por Powell (p. N. 1950) e outros colegas en experimentos de raios c smicos. Anteriormente detect - rase o mes n - de masa 105 Mev que se cr a que era a part cula predicida por Yukawa. Sen embargo non o era, dado que os mu ns son lept ns e non interaccionan fortemente. Os raios c smicos consisten en diversas part culas (3)(4)(5) (prot ns, nœcleos, electr ns, neutrinos, fot ns) que inciden sobre a Terra provenientes do exterior (a orixe extraterrestre foi demostrada por Victor Hess, p. N. 1936, mediante experiencias realizadas nun globo en 1912) e son detectadas mediante tžcnicas baseadas nos trazos que deixan as part culas en emulsi ns fotogr ficas e na c mara de nžboa de Wilson (p. N. 1927). As tžcnicas relacionadas con esta œltima foron desenvolvidas por Blackett (p. N. 1948) e os seus colaboradores. O balance entre a forza forte e a electromagnžtica Ž responsable da estabilidade dos nœcleos e, polo tanto, do rango de valores permitidos para A e Z. Nœcleos con Z > 118 non se co ecen, pois a medida que aumenta o nœmero de prot ns crece fortemente a repulsi n electrost tica e Ž moi dif cil compensala. Para Z pequeno, os nœcleos estables te en aproximadamente o mesmo nœmero de neutr ns ca de prot ns N Z A/2. Os nœcleos m is pesados deben ter m is neutr ns para compensa-lo aumento de interacci ns coulombianas, ata que chega un momento en que a dita compensaci n xa non Ž posible. As estrelas de neutr ns poden pensarse como nœcleos estables a nda que neste caso Z O e A Ž da orde de miles de bill ns. Debido gran disparidade entre o nœmero de nucle ns (prot ns e neutr ns) dos nœcleos usuais e as estrelas de neutr ns, ultimamente especulouse coa posibilidade da existencia de materia estable que cubrise o gran salto en masa. Ser a materia estra a, na que intervir a conxuntamente cos quarks ordinarios o quark estra o do que falaremos m is adiante. A posibilidade de existencia de materia estra a en forma

91 Núcleos e partículas 91 de estrelas, as como a sœa posible detecci n, Ž un t pico hoxe en d a de grande interese. Dado un nœcleo estable, Ž necesario proporcionar enerx a para extraer un dos seus nucle ns. Obviamente, esa enerx a ser m is grande ou m is pequena dependendo de se o nucle n est na superficie ou no interior, pero en calquera caso podemos falar de enerx a media. ƒ a enerx a de ligadura B, necesaria para rompe-lo nœcleo A causa da equivalencia entre enerx a e masa, E = mc 2, a diferencia entre a suma da masa dos nucle ns e a masa do nœcleo M(A, Z) Ž B/c 2. B/c 2 + M(A,Z) = Zm p + (A-Z)m n (3) Figura 4. Enerxía de ligadura por nucleón en función de A. A enerx a de ligadura por nucle n B/A depende de A (como se representa na figura 4). AprŽciase que os valores maiores de B/A est n no rango 50 < A < 120, e polo tanto nœcleos con A dentro dos ditos valores Ž m is dif cil rompelos. Ademais da interacci n forte, responsable entre outras cousas de que os prot ns e neutr ns estean ligados formando os nœcleos, existe outra forza a nivel nuclear, a interacci n džbil responsable da desintegraci n de nœcleos. Unha desintegraci n Ž a que experimenta o neutr n que se transforma nun prot n e emite un electr n. Se s fose as, por conservaci n de enerx a e momento, o electr n sa nte debe ter unha enerx a fixa. Sen embargo a enerx a que se med a variaba dunha maneira continua entre dous l mites. Igualmente, dado que o neutr n ten spin 1/2 non pode desintegrarse en prot n e electr n s, pois te-las dœas spin 1/2, combinalas conxuntamente co momento angular orbital que Ž enteiro, d un nœmero enteiro. Niels Bohr, nunha carta a Pauli, expresa que chegou a pensar que a escala nuclear quizais non se conservaba a enerx a. Pauli non pod a considerar tal hip tese e en 1931 propuxo a existencia dunha misteriosa part cula, o neutrino, que deber a ter spin 1/2 para que se conservase o momento angular, masa nula ou moi pequena e carga cero, e que interaccionase moi debilmente coa materia. A reacci n ser a: n p + e Ð +. A proposta foi acollida con grande escepticismo pola comunidade cient fica, escepticismo que crec a a medida que pasaba o tempo sen que fose detectado o neutrino. Finalmente, en 1956, despois de m is de dœas džcadas, Cowan e Reines (p. N. 1985), nun experimento realizado no reactor nuclear de Savannah River, (afluente do r o

92 92 Carlos Pajares Vales Columbia nos Estados Unidos), lograban detectalo gracias a que no reactor hai unha gran cantidade de neutr ns, de tal maneira que se desintegrar pod a alcanzarse unha estat stica alta de neutrinos (un bill n por cm 2 e segundo) e as, colocando no seu cami o moitas toneladas dunha soluci n de cadmio, conseguir que algœn puidese interaccionar ocasionalmente. î observa-los productos da interacci n, deduciron a existencia do neutrino incidente. Ademais do electron existe o mu n - m = 105 Mev xa mencionado anteriormente e o tau n -, m = 1.77 Gev, descuberto por M. Perl (p. N. 1995) en Ademais do neutrino e asociado electr n, L. Lederman, M. Schwartz e J. Steinberger (p. N. 1988) demostraron en 1964 a existencia doutras clases de neutrinos. îs membros das tres xeraci ns e (4) e m Jack Steinberger, premio Nobel de Física en 1988, durante unha conferencia na Universidade de Santiago de Compostela.

93 Núcleos e partículas 93 ch maselles lept ns. A todas elas as gnaselle-lo nœmero cu ntico lept nico +1. O nœmero cu ntico lept nico Ž conservado nas reacci ns entre part culas. A interacci n džbil Ž de moi curto alcance. Similarmente interacci n electromagnžtica na que se realiza intercambiando un fot n, neste caso interc mbianse as part culas W ± e Z o que te en unha gran masa, 80 e 91 Gev respectivamente, responsable do curto alcance da interacci n (2) (tamžn da sœa džbil intensidade, dado que esta Ž inversamente proporcional neste caso cadrado das masas das part culas intermediarias). A predicci n da existencia das ditas part culas pesadas realizouse dentro do contexto da teor a unificadora das interacci ns džbiles e fortes proposta por S. Weinberg e A. Salam en 1967 (p. N. 1979). A teor a base base nas teor as de campos de gauge non abelianos proposta por Yang e Mills en 1954, englobaba por unha parte a descrici n das interacci ns džbiles mediante o lagrangiano de Fermi, primeiramente proposto por este nos anos 33 e 34 para describi-la interacci n de nœcleos (foi a primeira utilizaci n dos campos asociados a part culas de spin 1/2 cuantificados) e posteriormente mellorado por N. Cabibbo; por outra parte, a electrodin mica cu ntica desenvolvida independentemente por R. P. Feynman, J. Schwinger e S. Tomonaga (p. N. 1965) que Ž a cuantificaci n da teor a electromagnžtica. A teor a de unificaci n de Weinberg e Salam non empezou a tomarse en consideraci n seriamente ata que G.Õt Hooft Ñna sœa tese de doutoramento dirixida por M. VeltmanÑ demostrou a renormalizaci n da teor a, Ž dicir, que as diverxencias que aparec an nesa teor a de campos pod an tratarse coherentemente. G.Ôt Hooft e Veltman foron galardoados por iso co p. N A teor a de unificaci n electrodžbil prediciu a existencia de correntes džbiles neutras que foron observadas por primeira vez en 1973 no Centro Europeo de Part culas Elementais de Xenebra. No ano 83, Carlo Rubbia, fronte dunha colaboraci n de m is de douscentos f sicos, detectou por primeira vez as tres part - culas W ± e Z o predicidas, polo que recibiu o p. N. en 1984 que compartiu con S. Van der Meer, quen desenvolveu unhas determinadas tžcnicas de aceleradores (arrefriamento estoc stico) que fixeron posible alcanzar nos aceleradores enerx as necesarias para detecta-las ditas part culas. O Žxito do descubrimento foi unha empresa europea de grande importancia. A modo de exemplo, citemos que o New York Times en primeira p xina encabezaba a noticia do descubrimento co t tulo ÒEuropa 3 USA 0Ó. FISIÓN E FUSIÓN NUCLEAR Se un nœcleo pesado rompe en dous m is lixeiros, a curva da figura 4 indica que a enerx a de ligadura por nucle n Ž m is grande nos nœcleos fisionados ca no nœcleo pesado orixinal e, polo tanto, liberarase enerx a no proceso. A fisi n espont nea Ž un proceso

94 94 Carlos Pajares Vales moi raro; sen embargo a fisi n pode ser inducida bombardeando un nœcleo, por exemplo o uranio 235, con neutr ns. O proceso de fisi n m is t pico Ž Figura 5. Reacción en cadea. o debuxado na figura 5, no que: 1) neutr n lento, de baixa enerx a, Ž absorbido por un nœcleo de uranio 235; 2) o nœcleo faise inestable; 3) o nœcleo def rmase, divid ndose en dous; 4) como resultado da fisi n aparecen os nœcleos estables de bario e cript n conxuntamente con dous ou tres neutr ns. Na reacci n libžrase enerx a; 5) os neutr ns producidos que sexan lentos poden chocar contra outro nœcleo de uranio 235 dando lugar de novo proceso. ƒ a reacci n en cadea orixe da explosi n nuclear, a chamada bomba at mica. Nun reactor nuclear esa explosi n contr lase mediante ÔmoderadoresÕ que usualmente son barras de boro ou cadmio que absorben neutr ns e polo tanto reducen o nœmero de fisi ns. A enerx a liberada, que Ž da orde de m is dun mill n de veces a liberada nun proceso qu mico, util zase para quentar un flu do, normalmente auga, que pola sœa vez se dirixe a unha turbina para a xeraci n de corrente elžctrica. A historia da fisi n nuclear e a da obtenci n da bomba at mica Ž moi interesante. Digamos brevemente que nos primeiros anos da džcada dos trinta, E. Fermi en Italia conseguira a tžcnica de enlentecer neutr ns e modifica-los nœcleos de varios tomos, logrando diversos is topos. Irradiou uranio en 1934 pero non interpretou correctamente o que suced a. Por outra parte, aproveitou a viaxe para recolle-lo premio Nobel en 1938 para non volver Italia de Mussolini. En Alema a, Otto Hahn (p. N. de Qu mica 1944) e Lisa Meitner fixeron experimentos an logos e atoparon como subproducto bario, que Ž moito m is lixeiro c uranio. Lisa Meitner, xud a, tivo que fuxir de Alema a a Suecia, onde contactou con Otto Frisch, quen interpretou correctamente o fen meno f sico. Italia e Alema a perderon moito tempo elaborando a bomba at mica, tempo que non perderon os aliados, que desenvolveron o proxecto

95 Núcleos e partículas 95 Manhattan no que precisamente Fermi tivo un papel importante. Na fusi n nuclear, dous nœcleos moi lixeiros fœndense nun m is pesado. De novo (de acordo coa figura 4), a enerx a de ligadura por nucle n do estado inicial (os nœcleos moi lixeiros) Ž inferior correspondente estado final (o nœcleo pesado) e polo tanto libžrase enerx a. O proceso de fusi n m is co ecido Ž o que se produce no interior das estrelas, queimando hidr xeno, prot ns e liberando enerx a que permite contrabalancea-la forza gravitatoria que tende a aperta-la estrela. Os diversos procesos foron estudiados en detalle por H. A. Bethe (p. N. 1967). TamŽn son os procesos de fusi n os responsables da chamada nucleos ntese dos elementos que sucedeu nos primeiros instantes do universo, calculada por W. A. Fowler (p. N. 1983). A nda que o potencial destructivo da fusi n foi ensaiada inicialmente en 1952 coa bomba de hidr xeno, experimentos liderados na Uni n SoviŽtica por Andrei Sakharov e nos Estados Unidos por E. Teller, o desenvolvemento da fusi n para producir electricidade a nda non se conseguiu a pesar do enorme esforzo realizado e das grandes vantaxes da fusi n como fonte de enerx a. En efecto, o combustible b sico Ž deuterio ou auga pesada abundante e, polo tanto, barato. A fusi n non produce materiais radioactivos de longa vida. O proceso de fusi n p rase instantaneamente se se cesa a subministraci n de combustible, as que Ž seguro fronte a accidentes. Con tantas vantaxes, Ž m is dram tica a pregunta: Àpor que Ž tan dif - cil a fusi n controlada? As reacci ns de fusi n dependen de tres par metros b sicos (6) : temperatura, densidade e tempo de confinamento. Para que os nœcleos de dous tomos cheguen a fusionarse, te en que aproximarse s sœas distancias nucleares e por iso deben estar despoxados dos electr ns que os rodean, polo que o combustible ha estar en estado de plasma, Ž dicir, gas ionizado. Un plasma no que os i ns deben ter enerx a abonda como para vence-la repulsi n coulombiana e as producir numerosas reacci ns de fusi n e polo tanto moita enerx a neta. Para dota-los i ns do plasma de suficiente enerx a, este deber a de estar a unha temperatura de cen mill ns de graos. Por outra parte, tamžn Ž necesario que haxa un nœmero m nimo de colisi ns para que se produza unha cantidade apreciable de reacci ns de fusi n e polo tanto o plasma debe ter unha densidade m nima. Unha vez creado o plasma a alta temperatura, c mpre mantelo dita temperatura durante un certo tempo suficiente para que se produza enerx a neta. Manter un plasma quente non Ž doado, pois tende a arrefriarse por difusi n, Ž dicir, movementos de part culas desde onde existe unha concentraci n alta a outras onde haxa unha baixa concentraci n. O tempo que tardar a o plasma en arrefriarse se non se quentase constantemente, ch mase tempo de confinamento.

96 96 Carlos Pajares Vales Para conseguir que o plasma non arrefr e, o mžtodo m is eficaz Ž o seguido no modelo Tokamak (Toroidal Kamera Magnetik) no que se confina mediante campos magnžticos (ver figura 6). Desta maneira, ev tase que o Figura 6. Esquema dun dispositivo Tokamak. (Tomado de J. A. Tagle, La fusión nuclear, Edit. Debate, Madrid, 1995). plasma perda enerx a bater coas paredes de recintos convencionais e tamžn a deterioraci n destes. As part culas do gas ionizado xiran arredor das li as de campo magnžtico e se non existise difusi n transversal a elas, non as poder atravesar quedar an atrapadas. En 1969, investigadores rusos conseguiron cun Tokamak un plasma a cinco mill ns de graos a alta densidade durante centžsimas de segundo. Logo en Harwell (Reino Unido) e Princeton obtivžronse resultados importantes, pero a nda se est lonxe da meta perseguida. Diversos programas internacionais apuntan a conseguir un prototipo de reactor nuclear de fusi n, producci n de enerx a neta, antes do primeiro cuarto de sžculo. MODELOS NUCLEARES. NÚMEROS MÁXICOS A gran complexidade das interacci ns fortes, xunta o feito de que os nœcleos poden ter ata m is de 250 nucle ns, fai que sexa moi dif cil desenvolver un tratamento exacto da estructura nuclear. Por iso se desenvolveron modelos aproximados, razoablemente simples e capaces de describi-lo comportamento dos nœcleos. Un dos modelos m is vellos Ž o da gota l quida, inventado por G. Gamow. Nunha gota l quida os compo entes, tomos ou molžculas, est n ligados formando a gota dun xeito que nalgœn sentido Ž similar que sucede no nœcleo, a nda que a forza sexa moi diferente en alcance e intensidade. As, como exemplo de similitude, nos dous sistemas, a gota e o nœcleo, hai na superficie unha forza cara a adentro exercida sobre os seus compo entes, resultando un efecto de tensi n superficial que fai que tanto a gota coma o nœcleo te an unha forma aproximadamente esfžrica. O modelo da gota l quida, engad ndolle a repulsi n elžctrica entre prot ns, Ž capaz de reproduci-la dependencia da enerx a de ligadura en A (fig. 4); sen embargo non pode reproducir propiedades importantes como os niveis de enerx a do nœcleo. O modelo de capas Ž especialmente axeitado para isto e resulta

97 Núcleos e partículas 97 an logo en certo sentido a unha descrici n do tipo niveis at micos nivel do nœcleo. Considerando un neutr n, mentres estea no centro non experimentar ningunha forza neta xa que se compensar n as forzas exercidas por t dolos nucle ns sobre el. Polo tanto o potencial ser a constante para r ~ o. Sen embargo, se o neutr n est pr ximo superficie do nœcleo, experimentar unha forza atractiva cara interior, que ser m is forte canto m is preto estea da superficie (tensi n superficial). Finalmente, a forza e o potencial ser n nulos cando o nucle n estea f ra do nœcleo. O potencial ser similar representado na figura 7. Os prot ns est n igualmente confinados nun pozo de potencial como na figura, cunha lixeira diferencia na superficie debido forza elžctrica que experimentar n. Enerx a potencial Distancia Nœcleo Figura 7. Enerxía potencial media que sente un nucleón nun núcleo. Neses pozos, os nucle ns ocupar n toda unha serie de niveis de enerx a espaciados de acordo coa soluci n da ecuaci n de Schšdinger co dito potencial. Os niveis de enerx a est n caracterizados por diversos nœmeros cu nticos, da mesma maneira que os niveis de enerx a dun electr n nun tomo. Debido principio de Pauli, os neutr ns (prot ns), seren part culas de spin 1/2, non poden dous deles te- -los mesmos nœmeros cu nticos e isto fai que cada nivel te a un nœmero m ximo de neutr ns e prot ns; cando o alcanza dise que a capa est chea. As capas est n cheas no momento en que o nœmero de prot ns Z e o de neutrones A - Z toma os valores Z = 2, 8, 20, 28, 50, 82 A - Z = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 que son os nœmeros m xicos. Os nœcleos coas capas cheas son m is estables c s nœcleos con A e Z pr ximos a elas. Exemplos deles son: helio (Z = 2 A = 4), os xeno (Z = 8 A = 16), chumbo (Z = 82 A = 208). O cometido que desempe an Ž similar dos gases nobres cando se fala de tomos. As propiedades de nœcleos cuns poucos nucle ns en exceso ou defecto respecto s que te en as capas cheas expl canse facilmente en termos deses ÔburatosÕ. Sen embargo, cando hai moitos buratos a situaci n faise m is complicada e Ž m is apropiado o uso do chamado modelo colectivo, desenvolvido por Aage Bohr (fillo de Niels), B. Mottelson e J. Raiwater (p. N. 1975). Polas sœas achegas modelo de capas

98 98 Carlos Pajares Vales (o modelo de capas con encaixe jj, que inclœe o encaixe spin- rbita) a Mar a Goeppert Mayer e a Jensen foilles concedido o p. N A traxectoria de Mar a Goeppert Mayer Ž un exemplo de tenacidade e intelixencia, coas que vence obst culos tradicionais que inclœen a discriminaci n por ser muller. Estudiou con Max Born en Gottingen e logo de obte-lo doutoramento casou cun americano, Joseph Mayer, con quen foi s Estados Unidos en 1930 onde non conseguiu un posto universitario debido s regras discriminatorias existentes. S moito m is tarde, en 1946, cando o seu marido se trasladou Universidade de Chicago, ela conseguiu un posto de traballo a tempo parcial no recentemente creado Laboratorio Nacional de Argonne, situado a sesenta quil metros de Chicago (7). ANTIPARTÍCULAS No ano 1930, Dirac postulou que por cada part cula deb a existir outra part cula chamada antipart cula, con t dalas propiedades intr nsecas iguais (masa, spin) ag s a carga elžctrica e outros nœmeros cu nticos considerados como cargas (nœmero bari nico, nœmero lept nico, extra eza...) que te en as opostas s que ten a part cula. Entre as reacci ns posibles, as antipart culas poden aniquilarse colisionar coas part culas, producindo fot ns. As, a un electr n corresp ndelle a antipart cula chamada positr n que se aniquila mediante a reaci n e + + e Ð + Dirac introduciu o seu postulado para esquiva-la existencia de estados con enerx a negativa soluci ns da ecuaci n relativista para part culas de spin 1/2 que el mesmo propuxera. Dirac supuxo que t dolos niveis de enerx a negativa estaban ocupados por electr ns e que o conxunto formaba o baleiro, Ž dicir, o estado de enerx a m is baixa. Cando faltaba un electr n (de enerx a negativa) dese baleiro, aparec a un oco que se comportaba coma se tivese carga positiva e enerx a positiva. Ese ÔocoÕ Ž o positr n e tap base mediante un electr n de enerx a positiva, transform ndose a enerx a do oco (positr n) e do electr n en fot ns. A hip tese de Dirac ten os seus puntos febles e carece de autoconsistencia (o baleiro supono neutro, a nda que estea cheo de electr ns de enerx a negativa) e s despois de que se introducira a cuantificaci n dos campos (segunda cuantificaci n) se clarificou o problema. En calquera caso, a sœa predicci n espectacular da existencia de antipart - culas foi comprobada axi a descubrir C. D. Andersen (p. N. 1936), en 1932, positr ns nas cascadas atmosfžricas producidas polos raios c smicos. Posteriormente descubr ronse antiprot ns, antineutr ns e numerosas antipart culas. TamŽn se obtiveron, en experimentos con aceleradores, nœcleos lixeiros de antimateria, Ž dicir, formados por antiprot ns e antineutr ns.

99 Núcleos e partículas 99 Figura 8. Apantallamento da carga eléctrica. Apuntemos que por primeira vez aparece o baleiro cunha estructura. Este aparente paradoxo: o baleiro ten ÔalgoÕ, Ž comœn nas teor as cu nticas de campos. As, en electromagnetismo, se colocamos unha carga negativa seu redor cržanse cargas positivas e negativas debido existencia dun campo elžctrico producido pola carga orixinaria. As cargas positivas e negativas orižntanse como se ilustra na figura 8, de tal maneira que o medio no que est n se polariza. Miscroscopicamente, na electrodin mica cu ntica, a explicaci n deste fen meno Ž que unha part - cula cargada, por exemplo un electr n, emite fot ns que pola sœa vez producen pares positr n-electr n. Estes pares orižntanse de tal xeito que os positr ns estean m is cerca do electr n orixinario c s electr ns (debido interacci n coulombiana, cargas de signo oposto atr ense e do mesmo signo repžlense). Desta forma o medio queda polarizado. A creaci n de pares electr n-positr n e a sœa posterior aniquilaci n non require por forza a existencia dun electr n orixinario que emita fot ns, sen n que pola contra pode darse no baleiro. A aparente violaci n da conservaci n da enerx a non ser a tal se se aniquilan nun tiempo t que cumpra o principio de incerteza enerx a-tempo de Heisenberg E t ~ h (5) Desta maneira o baleiro queda dotado de estructura. CLASIFICACIÓN DAS PARTÍCULAS ELEMENTAIS Con motivo do estudio das interacci ns fortes, mediante experimentos de aceleradores empez ronse a descubrir toda unha serie de part culas (pola sœa activa participaci n neste proceso, L. W. çlvarez obtivo o p. N. 1968). A principios dos sesenta, o nœmero superaba amplamente as cen. ÀComo se poder a po er orde en todo aquel zoo? Unha situaci n similar producirase nos diversos elementos, tomos, do sistema peri dico, ou nos diversos nœcleos. A orde nos tomos e os nœcleos establecžrase acudindo a un principio de simetr a, o de Pauli, que permit a nun caso clasificar en capas os diversos electr ns e noutro os prot ns e neutr ns. Por iso, ante a gran variedade de part culas busc base a simetr a que permitise entender tal diversidade e clasifica-las part culas. M. Gell-Mann, Zweig e Y. NeÕeman independentemente, propuxeron que a simetr a buscada era SU(3)

100 100 Carlos Pajares Vales (o conxunto de matrices 3.x 3, unitarias e determinante 1). ƒ dicir, as interacci ns fortes eran invariantes fronte s transformaci ns do dito grupo, cando ese grupo se aplicaba s part culas elementais que senten as interacci ns fortes (hadr ns). En linguaxe m is matem tica, asignaron a cada part cula un vector que fose vector base dunha representaci n irreducible do grupo. Todas estas representaci ns p dense obter a partir de dœas, que se chaman fundamentais (8) e te en dimensi n 3, 3 e 3*. îs tres vectores base da representaci n 3, Gell-Mann chamoulles quarks (nome arbitrario tomado de Finnegans Wake de James Joyce, sen significado en inglžs): o quark up u, o quark down d e o quark estra o s. Os vectores das representaci ns des gnanse polos nœmeros cu nticos: hipercarga Y, isosp n T e terceira compo ente de isosp n T 3. O isosp n T foi introducido por Heisenberg para describir que o prot n e o neutr n eran ÔiguaisÕ respecto interacci n forte. Os dous ti an o mesmo T(T=1/2), diferenci ndose pola terceira compo ente, T 3 = +1/2 para o prot n e T 3 = -1/2 para o neutr n. Igualmente, a t dolos hadr ns se lles asigna un T e un T 3. A hipercarga est relacionada coa carga elžctrica mediante a relaci n de Gell-Mann e Nishijima Q = T 3 + Y/2 (6) Os quarks d, u e s te en Q= -1/3, 2/3 e -1/3 respectivamente; u e d son dobretes con T=1/2 e T 3 =-1/2 respectivamente. Os vectores da representaci n 3* son os antiquarks, d, u e s que te en Q, Y e T 3 opostos s correspondentes s quarks. T dolos hadr ns de spin enteiro (mes ns) obtž ense a partir dun quark e un antiquark qq Ð (os quarks suponse que te en spin 1/2). Os hadr ns de spin semienteiro (bari ns) f rmanse a partir de 3 quarks qqq. Desta maneira, t dolos hadr ns quedan clasificados e obtž ense os seus nœmeros cu nticos a partir de qq Ð ou qqq (ver, por exemplo, referencias 1, 2 e 8). Ademais de clasificar t dolos hadr ns co ecidos, tamžn prediciu a existencia dalgœns como a Ð, part cula de spin 3/2 formada por 3 quarks s, confirmado en 1964 en experimentos do acelerador de Brookhaven. M. Gell- -Mann recibiu o p. N. en 1969; na explicaci n, o comitž Nobel tamžn mencionaba a Y. NeÕeman. A este, o mesmo ano, foille concedido o premio Einstein que por primeira vez se outorgaba a algužn non norteamericano. A nda que os quarks deran lugar a predicci ns espectacularmente comprobadas e clasificaci n dos hadr ns, non se posu a evidencia f sica real da sœa existencia. Por iso en 1969 se realizaron no acelerador lineal de Stanford colisi ns profundamente inel sticas electr n-prot n. Nos choques en que o electr n Ž desviado a grande ngulo, o fot n intermedio formado (ver figura 9) ten gran momento e por tanto pequena co que puede ÔverÕ o interior do prot n. O experimento (an logo de Rutherford no seu d a) demostraba inequivocamente que o prot n ti a partes, os hipotžticos quarks. îs tres principais responsables do experimento, J. J. Friedman, H. W. Kendall e

101 Núcleos e partículas 101 Figura 9. Colisión e+p e+x (x denota particulares que resultan da rotura do protón). R. Taylor, concedžronlle-lo p. N. en îs tres quarks d, u e s engad ronse outros tres. Primero en 1974, S. Ting e B. Richter (p. N. 1976) descubriron, traballando independentemente un en Brookhaven e outro en Stanford, a part cula J de masa 3.1 Gev estado ligado do quark encantado c e do seu antiquark c Ð. En seguida se descubriron mes ns e bari ns que conti an o quark c ou o antiquark c Ð. En 1975, un equipo liderado por L. Lederman descubriu a part cula upsilon de masa 9.45 Gev, De esquerda a dereita, primeiro J. Cronin (premio Nobel de Física en 1980), segundo I. Prigonine (premio Nobel de Química en 1972) e cuarto B. Richter (premio Nobel de Física en 1976), nun acto na Universidade de Santiago de Compostela.

102 102 Carlos Pajares Vales traballando co acelerador do laboratorio Fermi. Esta part cula Ž un estado ligado dun novo quark b (bottom) e o seu antiquark Ð b. Finalmente en 1994, tamžn no laboratorio Fermi, descubr - ronse sucesos que non poder an interpretarse sen a existencia dun novo quark t (top) e o seu antiquark. Desta maneira temos tres xeraci ns de quarks: u c t,, (7) d s b que agrupamos en tres dobretes. ÀPor que hai o mesmo nœmero de xeraci ns de quarks c que viramos de lept ns? No c lculo da vida media de desintegraci ns de certas part culas aparecer an infinitos que s poden cancelarse se se cumpre unha relaci n entre as cargas dos lept ns e a dos quarks da xeraci n correspondente. TamŽn xorde a pregunta: Àpor que s tres xeraci ns de pares de quarks e lept ns? Hai dœas evidencias experimentais (9) de que non pode haber m is: nos experimentos do CERN mediuse a desintegraci n de Z o con gran precisi n, estando en total acordo coa existencia de tres xeraci ns de lept ns. Por outra parte, a nucleos ntese do deuterio e do helio efectuada nas primeiras etapas do universo Ž moi sensible tamžn nœmero de xeraci ns de lept ns. A proporci n actual dos citados elementos exclœe case definitivamente m is xeraci ns. Observemos que, unha vez m is, o m is pequeno do universo ten que ver co m is grande. CONFINAMENTO DOS QUARKS Os quarks existen dentro dos hadr ns e mesmo as non se viron libres f ra das part culas. ÀPoderiamos obter quarks libres e polo tanto carga fraccionaria?, Àcomo son as forzas entre os quarks dentro do hadr n? Os quarks interaccionan intercambiando unhas part culas chamadas glu ns (glue en inglžs significa pegamento). Os quarks mantž ense ligados no prot n debido s glu ns que se intercambian, que actœan como unha especie de pegamento. Os glu ns, a diferencia do que suced a na interacci n electromagnžtica cos fot ns, interaccionar n entre eles directamente, Ž dicir, pžganse uns a outros. Os glu ns son os portadores da interacci n forte e a teor a que os estudia ch mase Cromodin mica cu ntica (1). Na figura 8 ilustr base o fen meno da polarizaci n. Debido apantallamento de carga, se med mo-la carga neta en valor absoluto a unha distancia maior c tama o da carga orixinal, atop monos que esta Ž menor c carga orixinal. Se diminu mo-la distancia, a carga aumenta. No caso da Cromodin mica cu ntica, a constante que desempe a o papel da carga elžctrica Ž a carga de cor, pero neste caso, debido a que os glu ns interaccionan con eles mesmos, o apantallamento da carga de cor Ž completamente diferente. A carga de cor diminœe coa distancia. Por iso, a forza entre os quarks a moi pequenas distancias Ž nula, o que explica por quž

103 Núcleos e partículas 103 os quarks se comportan coma se estivesen libres dentro do prot n. ƒ a liberdade asint tica. ÀQue sucede a distancias m is grandes, cando intentamos separar un quark dos outros dous nun prot n ou un quark dun antiquark nun mes n? Crese que en condici ns normais Ž imposible obter quarks libres, a nda que no hai unha demostraci n rigorosa deste confinamento. O fen meno do confinamento dos quarks dentro dos hadr ns Ž moi similar que sucede nun material superconductor. Un superconductor ten a susceptibilidade magnžtica cero = 0 e polo tanto as li as do campo magnžtico externo H son rexeitadas e non penetran nel. A analox a coa situaci n en Cromodin mica cu ntica (QCD) real zase cambiando o campo magnžtico polo campo creado polas cargas de cor dos quarks dentro do hadr n, o material superconductor polo baleiro externo en QCD e o baleiro externo en QED( =1) polo interior do hadr n (ver figura 10). Figura 10. Material superconductor (diamagnetismo perfecto, =0) versus o baleiro en cromodinámica cuántica (perfecto dialéctrico de cor K=0). O interior e o exterior est n intercambiados nos dous casos. Da mesma maneira que as li as de H son rexeitadas, as li as do campo debido s cargas de cor son rexeitadas polo baleiro e polo tanto confinadas interior do hadr n. As, os quarks non poden sa r do hadr n. LIBERACIÓN DOS QUARKS. SOPA DE QUARKS E GLUÓNS O confinamento dos quarks poder a deixar de cumprirse a altas temperaturas e presi ns. De feito, nunha etapa da evoluci n do universo, pr xima orixe, arredor de 10-5 seg., debeu de existir unha sopa de quarks e glu ns a moi altas temperaturas. Na busca da elementalidade foise do complexo simple; de macromolžculas pasamos a molžculas, tomos, nœcleos, prot ns e neutr ns, quarks e glu ns. O proceso na historia do universo foi revžs. Despois da etapa na que haber a quarks e glu ns a moi altas temperaturas, empez ronse a condensar os quarks, se arrefria-la temperatura por efecto da expansi n do universo, sufrindo unha transici n de fase, formando os hadr ns. Posteriormente, os prot ns e neutr ns empezar an a nucleos ntese formando nœcleos at micos (ata o ferro), seguindo o proceso en dereitura complexidade. ÀP dense obter en laboratorio quarks e glu ns libres (9), verificando a transici n de fase? Desde a džcada dos

104 104 Carlos Pajares Vales oitenta, estanse facendo no Centro Europeo de Part culas (CERN) de Xenebra experimentos consistentes en colisi ns de nœcleos pesados a moi alta enerx a, contra nœcleos pesados para intentar obter quarks e glu ns libres. A idea subxacente Ž a seguinte: moitas das colisi ns prodœcense entre os prot ns e neutr ns dun nœcleo e os doutro nœcleo. En cada colisi n individual, dada a alta enerx a do choque, poder anse producir moitas part culas e, por mor da colisi n resultar an tamžn miles delas. Sen embargo, cada part cula ocupa un determinado volume e, seren moitas, o volume dispo ible colisionar os dous nœcleos, menos durante un certo tempo da orde de 1-2 segundos, Ž moito menor c volume necesario para producir tal cantidade de part culas. Durante un certo tempo s teržmo-los constitu ntes das part culas, os quarks e glu ns nun volume de arredor de R 2 v, sendo V a velocidade do choque e ~ 1-2 seg. Despois ese volume aumentar, diminuir a sœa temperatura e os quarks e glu ns formar n os hadr ns observados. O feito de se produciren ou non como etapa intermedia os quarks e glu ns ten diversas consecuencias que poden verificarse experimentalmente. Actualmente hai unha certa polžmica sobre se se obtivo ou non a sopa de quarks e glu ns, sobre todo en colisi ns centrais Pb-Pb. En calquera caso, os experimentos do novo acelerador de Brookhaven (EUA), do que se esperan os primeiros datos para este mesmo ano, e os do futuro gran colisionador de hadr ns (LHC) do CERN, dilucidar n a cuesti n e permitirannos co ecer c mo foi aquela transici n de fase pr xima orixe do universo e c mo son as forzas responsables do confinamento dos quarks. SIMETRÍAS NAS PARTÍCULAS ELEMENTAIS O concepto de simetr a Ž tan vello coma a civilizaci n. C mo naceu Ž un misterio que se cadra permaneza para sempre. Sen embargo o home sempre se sentiu profundamente impresionado polas estructuras simžtricas do mundo f sico e biol xico. Na medida en que a civilizaci n humana se desenvolve, a simetr a penetra en t dalas disciplinas da actividade humana: pintura, literatura, arquitectura, escultura, mœsica. O ÇCrab CanonÈ de J. S. Bach Ž un dueto de viol ns no que a mœsica dun Ž o resultado de aplica-la moviola mœsica do outro; a mœsica dun Ž o resultado de lle aplica-la inversi n temporal outro (9). O concepto de simetr a tal como o usamos no exemplo musical, Ž dicir, transformaci n baixo a cal o sistema obtido coincide co orixinal, tivo a sœa materializaci n matem tica no sžculo XIX, primeiro con Galois ( ), e logo con Sophus Lie ( ) que crearon o concepto de grupo e a teor a de grupos continuos (grupos de Lie) respectivamente. Sen embargo, o papel

105 Núcleos e partículas 105 important simo da simetr a en F sica non Ž co ecido ata este sžculo e xustamente son a Teor a da Relatividade e a Mec nica cu ntica as dœas teor as que revolucionan a F sica, as que determinaron o papel decisivo das simetr as. Na primeira establžcese que as leis da F sica son invariantes fronte s transformaci ns de Lorentz, e despois do establecemento da Mec nica cu ntica quedou claro que as leis de conservaci n son unha consecuencia dunha simetr a (esta relaci n poder ase ter establecido na Mec nica cl sica). No dominio das part culas elementais xa apunt mo-lo papel da simetr a na introducci n dos quarks. As interacci ns džbiles posœen unha determinada simetr a de gauge e as interacci ns fortes outra. ƒ a simetr a a que establece e determina a interacci n. Respecto s simetr as discretas, cr ase que t dalas interacci ns eran invariantes fronte paridade P, intercambio da esquerda e a dereita, a C conxugaci n de carga cambio de signo das cargas (Q, Y, T 3, S...) e da inversi n temporal. Esta crenza viuse incrementada coa demostraci n por Pauli e LŸders, independentemente en 1955, de que o producto das tres deb a ser invariante para calquera interacci n. Emporiso, T. D. Lee e C. N. Yang (p. N. 1957) propuxeron en 1956 que a paridade era violada nas interacci ns džbiles, indicando un experimento de desintegraci n de nœcleos no que se poder a verifica-la sœa proposta. O experimento foi realizado por Madame C. N. Yang, premio Nobel de Física en 1957, nunha das súas visitas a Santiago de Compostela. Wu un ano despois e confirmou a violaci n. Pauli non creu moito na proposta de Lee e Yang e dedicouse a po er papeli os no despacho de Madame Wu dicindo que o experimento dar a un resultado negativo.

106 106 Carlos Pajares Vales O producto de CP tampouco Ž conservado polas interacci ns džbiles como demostraron experimentalmente en 1964 J. Cronin, V. Fitch (p. N. 1980) e colaboradores, estudiando as desintegraci ns do mes n K o e a sœa antipart - cula K Ð o en 2 e 3 pi ns. A violaci n de CP sup n unha evidencia indirecta da violaci n da inversi n temporal. A violaci n de CP Ž un dos requisitos necesarios para explicar por quž o universo no que que vivimos est composto de materia e non de antimateria (materia formada por estados ligados de positr ns con antinœcleos, Ž dicir, nœcleos formados por antiprot ns e antineutr ns). De acordo coa proposta de Andrei Sakharov (p. N. da Paz), ademais disto neces tase que o prot n sexa inestable, a nda que a sœa vida media sexa extremadamente grande como pred n algunhas teor as de unificaci n de t dalas interacci ns e que o universo tivese unha etapa inicial de rapid sima expansi n. PROBLEMAS NON RESOLTOS E PERSPECTIVAS Anteriormente xa mencionamos unha das principais inc gnitas: o confinamiento dos quarks. Unha segunda inc gnita fundamental Ž o problema das masas, Ž dicir, c mo adquiren as part culas as sœas masas e en concreto os quarks e as part culas de gauge, como W ±, Z o. O problema das masas das part culas gauge pœxose de relevo desde o comezo da sœa formulaci n. Nun seminario, en Princeton en 1955, sobre as teor as de Yang-Mills, Yang foi requirido varias veces por Pauli sobre o dito problema; o seminario interrompeuse e s proseguiu debido insistencia do anfitri n Oppenheimer. Ser a quince anos despois cando Higgs e, independentemente, Brout e Engels, propuxeron o mecanismo de Ôrotura espont nea da simetr aõ, introducindo a(s) part cula(s) de spin cero, chamada de Higgs, e o campo asociado a ela. A busca do Higgs Ž un dos principais obxectivos e desaf os que ten a F sica de part culas elementais e unha das raz ns polas que Europa, coa colaboraci n dos Estados Unidos e Xap n, aprobou adapta-lo acelerador de 27 quil metros de per - metro, actual LEP (gran colisionador electr n-positr n) para que se puidesen acelerar hadr ns, transform ndose no LHC (gran colisionador de hadr ns) que colisionar hadr ns cunha enerx a ata ev contra hadr ns coa mesma enerx a. ÔCazarÕ o Higgs ou demostra-la sœa non existencia pode ensinarnos a comprender quž Ž a masa. Macroscopicamente, Newton estableceu quž Ž a resistencia (inercia) que te en os corpos cambio de movemento. ÀComo se xera esta resistencia microscopicamente? Un ministro de investigaci n do Reino Unido ofreceu hai uns anos unha botella de champa a decente a quen, nunha p xina, lle explicara quž Ž a part cula Higgs e por quž se quere atopar, mesmo gastando gran cantidade de di eiro dado que se ti a que constru -lo LHC. A explicaci n ti a de ser comprensible para un avogado como era el. Un dos ga adores da oferta, D. Miller, deu a seguinte expli-

107 Núcleos e partículas 107 caci n de c mo a part cula Higgs actœa para que as part culas te an masa e c mo o mesmo adquire masa: consideremos un c ctel ofrecido a unha colectividade, por exemplo, membros do partido conservador. O sal n est cheo, coas persoas uniformemente repartidas. En cada sitio hai algužn. O campo asociado part cula Higgs ten un valor no espacio. Neste caso Ž constante, Ž o mesmo xa sexa nun lugar ou noutro, posto que hai o mesmo nœmero de xente en calquera lugar. De repente entra Margaret Thatcher. A medida que ela vai pasando polo sal n, os admiradores forman unha aglomeraci n local arredor dela. Esta aglomeraci n aumenta a inercia a deixar de moverse. Ela non pode pasar porque hai moitos que van detr s. Noutras palabras, ela adquire masa. Igualmente se houbese un rumor entre os asistentes, sen necesidade de que estivese Margaret Thatcher, provocar anse aglomeraci ns provocando resistencia a que deixase de propagarse o rumor. O mesmo campo asociado part cula de Higgs adquire masa. Mediante esta analox a simple descr bense dœas das ideas fundamentais: as part culas te en diferente masa porque interaccionan de forma distinta co campo asociado part cula de Higgs que impregna todo o espacio. A maior interacci n, maior masa. A segunda idea fundamental Ž a rotura espont nea da simetr a. î principio hai a mesma densidade de persoas en calquera sitio do sal n. ƒ unha simetr a perfecta. Despois, aparecen as aglomeraci ns, rompe a simetr a. Esa rotura d lugar a que as part culas adquiran diferente masa. A diferenciaci n non se pode dar doutra maneira que rompendo a simetr a. Unha part cula s pode ser ela mesma e diferente das outras, porque hai unha rotura da perfecci n, da orde da simetr a. Un terceiro problema na F sica de Part culas Ž o desco ecemento te rico que se ten sobre toda unha serie de constantes e par metros, como a velocidade da luz c, a constante de Planck h, a constante de gravitaci n universal G, a carta do electr n e, etc. Incluso en teor as ambiciosas, como a que unifica as interacci ns electromagnžticas e džbiles, aparecen constantes non establecidas teoricamente e o seu valor s Ž determinado experimentalmente. Tense especulado que o valor desas constantes Ž ese e non outro porque se non non poder a haber vida intelixente na Terra. ƒ o famoso principio antr pico. Non imos entrar a discutir aqu ese principio. M is ambiciosa fisicamente Ž a busca dunha teor a que unifique t dalas interacci ns, a electromagnžtica-džbil, a forte e a gravitatoria, na que queden determinadas t dalas constantes e par metros dentro da mesma teor a. Ser a unha teor a do todo. Hoxe en d a, unha esperanza desa teor a constitœena as Teor as de supercordas, que poden engloba-la chamada supersimetr a, simetr a na que clasifican no mesmo grupo fermi ns e bos ns. Non cabe dœbida de que estes tres problemas fundamentais far n que a busca da elementalidade sexa no sžcu-

108 108 Carlos Pajares Vales lo XXI tan apaixonante como o foi no sžculo XX e que estea chea de insospeitadas sorpresas como sucedeu neste œltimo. Algœn lector poder a estar pensando: Àpara que serve todo isto? ƒ a pregunta que fixo o ministro de Facenda brit nico e ilustre economista Gladstone f sico Michael Faraday no sžculo XIX. A resposta foi: ÒNon o sei, pero seguro que os seus sucesores cobrar n impostos por isoó. Efectivamente, Faraday acababa de descubri-la inducci n electromagnžtica, clave para o funcionamiento dos motores elžctricos, entre outras cosas. Igualmente, no noso caso o fundamental foi o impresionante avance no co ecemento do m is pequeno. Indirectamente tamžn foi a orixe de important simos instrumentos aplicados a moi diversos campos. A busca do elemental deu lugar historicamente a mœltiples aplicaci ns. A xeito de exemplo citžmo-lo descubrimento dos raios X, o esc ner, a resonancia magnžtica nuclear, o squid (dispositivo superconductor de interferencia cu ntica), a tecnolox a de baleiro, as melloras no tratamento de datos, a arquitectura de ordenadores, a rede www, a electr nica de alta velocidade e un longo etcžtera que sen ningunha dœbida reverteu en beneficio da Humanidade. Sendo todo isto importante, no Ž comparable co feito de que a Humanidade continœe buscando alžn, no m is pequeno e no m is grande, seguindo o impulso inicial que lle permitiu sa r dos bosques tropicais e propagarse pola Terra toda. BIBLIOGRAFÍA (1) Close, F., La cebolla c smica, Barcelona, Edit. Cr tica, (2) Braun, M., ÒAs part culas elementais e as sœas interacci nsó, Revista Galega do Ensino, 25, 1999, (3) Pajares C., ÒOs raios c smicosó, Revista Galega do Ensino, 27, 2000, (4) Zas, E., Revista Espa ola de F sica 10, 2, 1996, (5) Cronin, J., T. K.Gaisser e S. P. Swordy, Investigaci n y Ciencia, marzo (6) Tagle, J. A., La fusi n nuclear, Madrid, Edit. Debate, (7) Twentieth Century Physicsc, Vol. I, II, III, Inst. Of Physics Publishing and American Instituye of Physics Press, Bristol e Nova York, (8) Pajares, C., ÒÀDe que est n feitas as cousas? As part culas elementaisó, Revista Galega do Ensino, 16, maio 1997, (9) Steinberger, J., C. N. Yang, A. Capella, D. Fern ndez de Labastida e M. B ez, en Estructuras del Universo, Edit. Univ. Santiago de Compostela, (10) Pajares, C., De lo m s peque o a lo m s grande del Universo, Santiago de Compostela, Ed. Compostela, 1996.

109 109 ASTROFÍSICA E COSMOLOXÍA JosŽ M. Fern ndez de Labastida y del Olmo* Universidade de Santiago de Compostela Nun balance de fin de sžculo como o que se presenta neste artigo Ž natural comezar pregunt ndose c les eran os co ecementos que se ti an sobre o universo hai cen anos. A realidade Ž que daquela eran ben escasos comparados cos que manexamos hoxe en d a. Nesa Žpoca a penas dispo iamos dun co ecemento rudimentario da nosa galaxia e a nda non se sab a a resposta a preguntas tan b sicas como, por exemplo, por quž as estrelas brillan. O co ecemento do universo era moi limitado: non exist an nin as ferramentas para observalo nin a F sica na que interpreta-las observaci ns. O sžculo que agora d cabo caracterizouse polo descubrimento de novas clases de obxectos a medida que os instrumentos para observa-lo universo foron evolucionando. Paralelamente, foron descubr ndose os fundamentos da F sica, o que permitiu o espectacular desenvolvemento da Astrof sica. Non esquezamos que o obxectivo desta disciplina Ž interpreta-las observaci ns astron micas dos obxectos que poboan o universo, como as estrelas e as galaxias, en termos de modelos f sicos. A Cosmolox a persegue os mesmos fins que a Astrof sica pero tratando o universo dunha forma unificada, como un todo. çmbalas dœas forman parte da Astronom a, que se define como a ciencia que estudia a orixe, a evoluci n, a composici n, a distribuci n e o movemento da materia maila radiaci n presente no universo. No sžculo que agora termina experiment - mo-la chamada terceira idade da Cosmolox a, froito do descubrimento da Teor a Xeral da Relatividade por Albert Einstein. Fican moi atr s a visi n xeocžntrica do universo da primeira idade, culminada por Ptolomeo no sžculo II, e a visi n heliocžntrica de CopŽrnico no sžculo XVI. Hoxe sabemos que vivimos nun universo que evoluciona arreo e que contžn miles de mill ns de galaxias dentro da esfera que somos quen de observar. Ademais, dispo emos dun modelo, o do big bang, o da grande explosi n, baseado non s na Teor a da Relatividade Xeral que * Catedrático de Física Teórica. Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

110 110 José M. Fernández de Labastida y del Olmo describe a interacci n gravitatoria, sen n tamžn nas teor as f sicas correspondentes resto das interacci ns fundamentais. Este modelo proporciona unha explicaci n cualitativa e cuantitativa da evoluci n do universo desde unha fracci n de segundo despois do seu nacemento ata o presente, uns catorce mil mill ns de anos m is tarde. Todo este progreso no noso co ecemento era impensable hai cen anos. Neste artigo presentarase primeiramente un balance dos principais avances na Astrof sica; describiržmo- -las propiedades f sicas da materia e a radiaci n que poboan o noso universo. A continuaci n, equipados con ese co ecemento, estudiarase o modelo cosmol xico est ndar, o modelo do big bang, revisando os seus fundamentos e limitaci ns. Para finalizar, analizaranse algunhas das preguntas clave que deber n ser afrontadas no sžculo que agora comeza. 1. OS INSTRUMENTOS A Astrof sica diferžnciase das demais ciencias experimentais en que nela non se poden preparar, modificar ou controla-los obxectos que estudia. Debido a isto depende profundamente do grao de desenvolvemento dos seus instrumentos de observaci n para medir aspectos dos sinais que nos chegan do espacio exterior. Estes sinais est n constitu dos fundamentalmente por radiaci n electromagnžtica. S en contadas ocasi ns puidemos estudiar corpos extraterrestres nos nosos laboratorios; Ž o caso das rochas lunares e dos meteoritos ou rochas provenientes doutras zonas do sistema solar que caen na Terra. Nas œltimas džcadas tamžn se estudiaron sinais vidos do exterior, constitu dos por neutrinos e por raios c smicos, termo utilizado para as part culas de moi alta enerx a que te en a sœa orixe alžn do sistema solar. Sen embargo, ata o momento, non Ž moita a informaci n extra da do seu estudio. O noso co ecemento do universo džbese fundamentalmente s observaci ns baseadas na radiaci n electromagnžtica. A radiaci n electromagnžtica procedente de f ra do noso planeta chžganos nun rango de enerx as que cobre gran parte do espectro electromagnžtico, desde ondas de radio con lonxitudes de onda de metros ata raios gamma con lonxitudes de onda de billonžsimas de metro. A luz visible corresponde a unha pequena franxa deste amplo espectro que abrangue doce ordes de magnitude. Ata os anos trinta as nosas observaci ns eran puramente pticas e polo tanto s se co ec an obxectos que emit an luz visible, como as estrelas, e obxectos sobre os que a luz visible se reflect a, como os planetas e os satžlites. Nas œltimas džcadas o uso de novos instrumentos capaces de medir radiaci n electromagnžtica proveniente do espacio exterior noutras zonas do espectro permitiu mellorar de forma espectacular o noso co ecemento do universo.

111 Astrofísica e Cosmoloxía 111 A lonxitude de onda da radiaci n emitida por un corpo est relacionada coa sœa temperatura. Os obxectos temperados emiten radiaci n infravermella (lonxitudes de onda de dez milžsimas de metro) e os m is quentes, radiaci n de alta enerx a en forma de raios X o raios gamma. Un mesmo obxecto presenta un aspecto moi diferente dependendo da zona do espectro electromagnžtico no que se estea observando. Por exemplo, no rango do espectro visible, unha das maiores estructuras observadas no universo, un cœmulo de galaxias, aparece como un conxunto de miles de mill ns de estrelas brillantes, cunha temperatura de aproximadamente graos. Sen embargo, se esa estructura Ž observada no rango do espectro correspondente s raios X, o que se observa Ž un plasma intergal ctico a moi altas temperaturas: 10 mill ns de graos. Por outra parte, se a observaci n se fai no infravermello, at pase po tžpedo intergal ctico a temperaturas duns centos de graos. A informaci n obtida nos distintos rangos constitœe un importante ingrediente para entende-los fen menos que te en lugar nos variados obxectos que poboan o noso universo. A Astrof sica necesita medi-la posici n, a intensidade, a lonxitude de onda, a polarizaci n e a variaci n no tempo dos sinais que nos chegan. Para iso utiliza unha variedade de instrumentos que se centran fundamentalmente en detecta-los sinais de natureza electromagnžtica. Sen embargo, debido presencia da atmosfera terrestre, s parte destes sinais chega superficie da Terra. A maior parte do espectro electromagnžtico da radiaci n proveniente do espacio exterior non pode observarse desde a superficie terrestre debido a que a atmosfera Ž opaca ou moi pouco transparente f ra das rexi ns do espectro visible e de parte do de ondas de radio. A necesidade de obter informaci n no rango m is amplo posible do espectro obrigou a colocar algœns destes instrumentos en rbita arredor da Terra. Os instrumentos que se dese an para formar imaxes de obxectos moi distantes denom nanse telescopios. Os primeiros foron os de tipo ptico, que proporcionan imaxes no rango do espectro visible. Nesta categor a est n desde os sinxelos telescopios dese ados por Galileo no sžculo XVII ata o moderno telescopio espacial Hubble. Os telescopios para formar imaxes no rango das ondas de radio, os radiotelescopios, comezaron a constru rse nos anos trinta. Hoxe dispomos de avanzados radiotelescopios como o de Arecibo en Porto Rico e o Very Large Array (VLA) en Novo MŽxico. Existen tamžn telescopios infravermellos, en xeral situados a grandes alturas para evitar que non todo o sinal infravermello chegado do exterior sexa absorbido pola atmosfera. Para explorar outras zonas do espectro electromagnžtico dese ronse distintos tipos de telescopios que se colocaron en globos, naves espaciais e satžlites artificiais. Gracias a eles dispo emos na actualidade de

112 112 José M. Fernández de Labastida y del Olmo informaci n no rango do ultravioleta, os raios X e os raios gamma. O problema m is importante co que se enfrontan os telescopios Ž que a cantidade de enerx a que nos chega dunha determinada fonte Ž moi pequena. Por exemplo, a enerx a que recibimos dalgunha das estrelas m is brillantes durante os œltimos mil anos Ž aproximadamente a mesma que se necesita para levantar este volume uns cent metros. Por iso os instrumentos de detecci n deben dese arse de xeito que sexan sensibles s sinais m is minœsculos. Os constitu ntes elementais da radiaci n electromagnžtica son os fot ns. Moitos dos obxectos do noso universo producen emisi ns que supo en a recepci n duns poucos fot ns. Actualmente os telescopios contan con sistemas electr nicos que permiten grava-lo impacto de case t dolos fot ns que lles chegan. Isto, m is a colocaci n de telescopios no espacio exterior, resolveu en gran medida o problema relacionado coas baixas intensidades dos sinais que impactan nos nosos instrumentos de medida. A interacci n electromagnžtica recollida nun telescopio xera unha serie de datos que son recompilados en forma de espectro. Un espectro Ž unha gr fica na que se debuxa a intensidade do sinal recibido en relaci n coa sœa lonxitude de onda nun determinado rango, que depende do tipo de telescopio. Nos telescopios pticos, este rango Ž o do espectro visible e tipicamente as gr ficas resultantes presentan as chamadas li as espectrais. A presencia destas li as džbese a que os tomos sofren transici ns de enerx a que xeran a emisi n e absorci n de fot ns a lonxitudes de onda concretas. A cada tomo pode asociarse un conxunto de li as espectrais que o identifica. Por iso, a partir das gr ficas xeradas por un telescopio ptico, podemos co ece-la natureza da fonte que orixinou o sinal recibido. Por exemplo, gracias a estes estudios, s bese que as estrelas conte- en abundantes cantidades de hidr xeno e helio. Os sinais recibidos constitœen unha firma do estado dun obxecto pois non s permiten obter informaci n sobre os seus constitu ntes, sen n tamžn sobre a sœa distribuci n a partir das intensidades correspondentes a cada li a espectral. Calquera modelo que se formule dun obxecto debe conducir a un espectro de li as espectrais como os observados. Na actualidade dispo emos de modelos que fan predicci ns acordes coas observaci ns. 2. OS OBXECTOS A Astrof sica non se limita a realizar unha descrici n do observado; trata de entende-lo observado de maneira que usando as leis da F sica Ž posible inferir de quž est n feitos os obxectos e c mo evolucionan co transcurso do tempo. Isto faino propo endo modelos que a miœdo conducen realizaci n de novas observaci ns para confirmalos. Se retom mo-lo exemplo do cœmulo de galaxias discutido anteriormente, as medidas realizadas indican que as galaxias se moven a altas

113 Astrofísica e Cosmoloxía 113 velocidades. Un modelo que describa a evoluci n do cœmulo deber explicar se a forza gravitatoria entre galaxias Ž suficiente para mantelas xuntas, mesmo movžndose a velocidades tan extremas. Ata hoxe non se co ece ningœn modelo satisfactorio para explicar este fen meno, a non ser que parte das galaxias se introduza no sistema unha enorme cantidade de materia adicional. Esta materia, comunmente chamada materia escura, ha supo e-lo 90 % da materia do cœmulo para dispo- er dun modelo consistente. Nas zonas do espectro electromagnžtico observadas non hai rastro desta materia escura. Tr tase dun dos problemas abertos m is interesantes da Astrof sica. A soluci n pode ser simplemente que existan obxectos similares s planetas vagando entre as galaxias en enormes cantidades, ou, pola contra, que desco- ez mo-la existencia de novos tipos de materia presentes no noso universo. As especulaci ns relativas a esta segunda posibilidade te en sido numerosas nas œltimas džcadas. Os obxectos que compo en o universo son variados en formas e tama- os. Sen embargo, todos, desde os m is pequenos s m is grandes, est n fortemente dominados pola forza da gravidade. Na evoluci n destes obxectos a gravidade ten un papel fundamental impo endo unha tendencia universal que o obriga a facerse cada vez m is pequeno. A sœa vida consiste basicamente nunha continua loita por vencer esta tendencia, a miœdo usando as outras interacci ns fundamentais. Se nalgœn momento da vida dun obxecto esa tendencia universal debida gravidade non pode resistirse, este colapsa indefinidamente e convžrtese nun burato negro. Un obxecto desta natureza f rmase cando se fai tan pequeno en relaci n sœa masa que a gravidade no interior dunha esfera centrada nel Ž tan grande que nada pode escapar, nin sequera a luz. A forma en que os distintos obxectos do universo vencen a tendencia universal colapso propiciada pola gravidade Ž variada. A forza debida gravidade nun obxecto Ž tanto m is grande canto maior Ž a masa do obxecto. Diferentes tipos de forzas de presi n contrarrestan nos planetas e nas estrelas a forza gravitatoria orixinando ciclos evolutivos. Estes comprenden desde a vida tranquila dos planetas inactivos ata as violentas conductas das estrelas moi masivas. No caso dos cœmulos de galaxias, a forma en que se compensa a tendencia universal da gravidade Ž diferente. Aqu os constitu ntes interaccionan s gravitatoriamente e o xeito de evita-lo colapso džbese a que estes est n en rbita. O SISTEMA SOLAR Despois destas consideraci ns xerais sobre os obxectos que poboan o universo, principi mo-la sœa descrici n. Por volta do noso planeta encontr monos co sistema solar. Este consta dunha estrela, o Sol, os planetas e outros obxectos como satžlites, asteroides e cometas. Entre os planetas, habitamos un con caracter sticas moi espe-

114 114 José M. Fernández de Labastida y del Olmo ciais que permitiron a existencia da vida. Coma no caso de calquera outro obxecto do universo, a evoluci n dun planeta est dominada fundamentalmente pola gravidade. Os planetas son corpos pequenos abondo como para que a forza da gravidade que tende a comprimilos sexa tan feble que non se poida producir no seu interior a fusi n nuclear do hidr xeno en helio, fen meno omnipresente na maior parte da vida dunha estrela. Igual c resto dos obxectos do universo, os planetas form ronse por acrecencia e a sœa evoluci n depende fundamentalmente do seu tama o. Os planetas pequenos como Mercurio ou Plut n son corpos que levan inactivos moito tempo. Debido sœa masa tan pequena, a enerx a tžrmica producida despois do colapso gravitacional que orixinou a sœa formaci n foi moi pequena. Por outra parte, a sœa capa rochosa externa Ž tan fina que a pouca enerx a tžrmica que houbo xacando foi expulsada axi a. En xeral, as superficies destes planetas, unha vez formadas, permanecen inalteradas para sempre ag s cando algœn obxecto colisiona con eles. Amais dos planetas pequenos, satžlites como a Lœa, e asteroides como os que poboan o cinto existente entre Marte e Xœpiter, levaron unha vida igualmente mon tona. As condici ns que agora existen nestes obxectos son practicamente as mesmas c s presentes na sœa formaci n hai 4500 mill ns de anos. Constitœen polo tanto un interesante conxunto de f siles c smicos. Existen outros obxectos pequenos no noso sistema solar que, a pesar de selo, tiveron unha evoluci n menos mon tona c s que acabamos de describir. Cando un corpo pequeno se atopa preto doutro meirande, a forza gravitatoria exercida polo grande sobre o pequeno produce neste unha serie de deformaci ns, de natureza similar s mareas, que determinan totalmente a sœa evoluci n. Os cometas son corpos que sofren este fen meno. Estes obxectos son pequenos anacos de xeo (duns dez quil metros de lonxitude) que acheg rense Sol segregan po e gas. Outro exemplo de corpos sometidos a un fen meno similar son os aneis dos planetas de gran tama o, como Xœpiter e Saturno. A enorme masa destes planetas orixina deformaci ns nos satžlites que a rodean producindo a sœa destrucci n. O resultado Ž a formaci n dunha gran cantidade de pequenos corpos que est n en rbitas arredor dos planetas e que vistos desde lonxe semellan formar un anel. Os planetas de tama o medio como Marte, Venus ou a Terra te en unha capa externa o suficientemente mesta como para que a enerx a tžrmica interna sexa expedida lentamente, durante unha gran fracci n do tempo transcorrido desde a sœa formaci n. A calor que flœe desde o interior produce fen menos como os volc ns, os movementos tect nicos e a execci n de gases que xeran atmosferas. Os outros catro planetas do noso sistema solar, os de gran tama o, Xœpiter, Saturno, Urano e Neptuno,

115 Astrofísica e Cosmoloxía 115 presentan propiedades moi distintas s dos anteriores. Son fundamentalmente gasosos, formados por hidr xeno e helio, cunha composici n m is parecida do Sol ca da Terra. Todos eles te en un nœcleo rochoso. O seu aspecto exterior Ž moi cambiante e Ž nestes planetas onde se producen os fen menos m is virulentos do noso sistema solar, tirante o Sol. De t dolos obxectos do noso sistema solar, o Sol ten un papel crucial. ƒ o obxecto m is masivo (m is de veces a masa da Terra ou unhas 1000 veces a de Xœpiter), arredor do cal est n en rbita os planetas. Tr tase dunha estrela de tama o medio da que temos moita informaci n debido sœa proximidade. As sœas caracter sticas son comœns s dos obxectos que a continuaci n se describen. AS ESTRELAS O interior dun obxecto cunha masa superior oito por cento da do Sol (unhas oitenta veces a masa de Xœpiter) quece tanto que se producen procesos de fusi n nuclear no seu interior durante un longo per odo de tempo. Os obxectos que experimentan este fen meno denom nanse estrelas. î contrario c s planetas, que s reflicten parte da luz que reciben, as estrelas, froito do proceso de fusi n nuclear presente no seu interior, emiten luz propia e brillan. Como ocorre en xeral con t dolos obxectos que poboan o universo, nunha estrela compiten dœas forzas, a da gravidade e a nuclear. Esta œltima xera unha presi n interna que contrarresta o colapso gravitatorio. Tal proceso permanece en equilibrio durante un longo per odo de tempo, miles de mill ns de anos, emitindo pola sœa vez enerx a espacio interestelar. Esa enerx a Ž a que observamos en forma de radiaci n electromagnžtica e, no caso do Sol, Ž a responsable da nosa existencia. Na vida dunha estrela chega un momento en que as fontes xeradoras dos procesos de fusi n no seu interior se esgotan e a forza gravitatoria vence e produce o seu colapso. Se a masa final da estrela Ž pequena, esta termina sendo unha anana branca ou unha estrela de neutr ns. Se, pola contra, a masa Ž moi grande, a estrela sofre colapsos indefinidamente ata se converter nun burato negro. Incluso cando son observadas cos telescopios m is potentes, as estrelas aparecen ante n s coma puntos de luz; mesmo as Ž posible obter bastante informaci n sobre elas. Unha das propiedades de uso m is comœn Ž o brillo. Tom ndoo como referencia xerouse a noci n de magnitude dunha estrela: as estrelas m is brillantes son as de primeira magnitude. A noci n cl sica de magnitude foi evolucionando, e hoxe en d a responde a unha cantidade definida con precisi n en termos do fluxo de enerx a nun determinado rango de frecuencias proveniente da estrela que atravesa a superficie dun telescopio. Outras propiedades importantes das estrelas son a distancia que se atopan da Terra, a temperatura, a luminosidade, a masa e o radio. Para as estrelas m is pr ximas, a distancia m dese

116 116 José M. Fernández de Labastida y del Olmo por triangulaci n, usando o di metro da rbita terrestre como lonxitude b sica e medindo o desprazamento da posici n dunha estrela cando se observa desde dous puntos opostos da rbita. A distancia a estrelas m is afastadas obtense a partir das estrelas chamadas Cefeidas. Para describir c mo se mide a partir delas Ž preciso falar primeiro doutras propiedades como a temperatura e a luminosidade das estrelas. A temperatura dunha estrela obtense a partir de medidas do seu espectro e da sœa cor, axust ndoas a modelos que describen o estado das estrelas. A temperatura util zase para clasifica-las estrelas nunha secuencia espectral; cada clase den tase por letras concretas do alfabeto. Percorrendo o espectro desde as m is quentes s m is fr as estas son: O, B, A, F, G, K e M. çs veces estas letras ve en precedidas doutras cando se trata dunha clasificaci n dentro dun determinado tipo de estrelas; por exemplo, se se tratar de ananas brancas, cada letra vir a precedida dun D. TamŽn se utilizan sub ndices numžricos para subdividi- -las clases: os menores corresponden s maiores temperaturas. As propiedades m is significativas na vida dunha estrela son a masa, a luminosidade e o radio. A masa Ž dif - cil de medir; s en situaci ns nas que unha estrela est en rbita arrededor doutra Ž posible determina-la sœa masa utilizando a terceira lei de Kepler. Esta lei relaciona o per odo e o radio da rbita coa masa do sistema. A luminosidade Ž a potencia de emisi n total da estrela e determ nase a partir do fluxo de enerx a que esta emite e da distancia; se f Ž o fluxo e d a distancia, a luminosidade L toma a forma: L = 4 d 2 f. Finalmente, o radio m dese a partir da temperatura e a luminosidade, usando a relaci n termodin mica que relaciona a emisividade e dun corpo negro coa sœa temperatura T, e = T 4, onde Ž a constante de Stefan- -Boltzman. Tendo en conta que a luminosidade Ž e multiplicado pola rea da superficie da estrela, 4 R 2, sendo R o seu radio, obtense para o cadrado deste, R 2 = L / 4 T 4. As medidas que normalmente se efectœan dunha estrela son o fluxo, a distancia e a temperatura; a partir delas obtense Ñmediante as relaci ns anterioresñ a luminosidade e o radio. Sen embargo, en moitas ocasi ns hai que proceder de forma diferente. Por exemplo, o procedemento baseado na triangulaci n para medir distancias s Ž factible para estrelas pr ximas. A distancia a estrelas m is afastadas obtense partindo da medida do fluxo f. O procedemento neste caso consiste en localizar unha estrela Cefeida na zona onde se quere medi-la distancia. Estas estrelas son variables e o seu comportamento axœstase a unha relaci n sinxela entre o seu per odo de variaci n e a sœa luminosidade; medindo este per odo obtense a luminosidade que permite deduci-la distancia a partir da medida do fluxo e a relaci n considerada no par grafo anterior, L = 4 d 2 f. Unha Cefeida Ž unha œtil vara de medir para determinar distancias no universo.

117 Astrofísica e Cosmoloxía 117 Para obte-la distancia que est unha galaxia remota basta atopar nela unha Cefeida e medi-lo seu per odo e brillo. Unha vez descritas as propiedades b sicas que observamos das estrelas, estamos en condici ns de analiza- -la sœa evoluci n. As estrelas f rmanse cando as nubes de gases interestelares resultan inestables e sofren un colapso gravitacional. Os detalles do proceso que orixina o nacemento dunha estrela non se co ecen ben porque te en lugar no interior dunha nube de gas que non emite luz. A informaci n de que dispomos conseguiuse basicamente a partir da radioastronom a. TŽ ense formulado varios mecanismos para explicar c l Ž a orixe da inestabilidade que causa o colapso gravitacional. Unha das propostas sostžn que as inestabilidades se deben s ondas de choque que produce unha supernova achegada no medio interestelar. As supernovas son estrelas pr ximas seu estadio final que sofren unha enorme explosi n cando empeza a extinguirse o proceso interno de fusi n. O modelo m is asentado da formaci n do sistema solar basžase no colapso dunha nube de gas que andaba rotando, de xeito que parte dela non se incorporou Sol sen n que formou un disco seu redor. O material deste disco condensouse en materia s lida. Estes s lidos colisionaron entre eles debido forza da gravidade, e froito dunha continua acrecencia form ronse os planetas e os satžlites. Os planetas no interior do sistema solar est n formados fundamentalmente de material rochoso debido a que a parte interior do disco era a que estaba m is quente. As estrelas fórmanse cando inmensas nubes de gas colapsan baixo a súa propia gravidade. Unha vez que unha estrela completou a fase de colapso gravitacional e o seu interior quece ata unha temperatura superior s catro mill ns de graos,

118 118 José M. Fernández de Labastida y del Olmo as reacci ns de fusi n comezan. Estas forman unha cadea na que catro prot ns forman un nœcleo de helio emitindo dœas part culas cargadas positivamente: dous positr ns. A cadea de reacci ns Ž exotžrmica, e proporciona a calor suficiente como para manter unha estrela como o Sol no seu estado actual durante uns mill ns de anos. As estrelas m is masivas queiman o seu combustible nuclear moito m is de pržsa e te en unha vida m is curta. O desenvolvemento da F sica nuclear permitiu constru r modelos que describen o proceso que se produce no interior da estrela e c mo parte da sœa enerx a Ž transferida espacio exterior. Estes modelos pred n a temperatura, a luminosidade e o tama o para unha estrela dunha determinada masa. Os resultados te ricos concordan de forma moi satisfactoria coas observaci ns. A fase da vida dunha estrela na que queima de forma regular o seu combustible nuclear Ž co ecida como a fase da secuencia principal. A orixe desta denominaci n radica na situaci n que as estrelas ocupan durante esta fase no diagrama de Hertzsprung- -Russell. Neste diagrama a ordenada Ž a luminosidade, que medra cara a arriba; a abcisa Ž a temperatura, que decrece cara dereita. As estrelas que se atopan na fase mencionada distribœense longo dunha franxa caracter stica co ecida como a secuencia principal. Cando unha estrela comeza a ter unha idade avanzada abandona esta franxa e sitœase noutras zonas caracter sticas do diagrama. AS XIGANTES VERMELLAS A maior a das estrelas do universo te en aproximadamente o mesmo radio. Este obtense a partir da lei de radiaci n do corpo negro, como xa indicamos, unha vez medidas a luminosidade e maila temperatura. En xeral, as estrelas m is luminosas son as de m is alta temperatura. Existen sen embargo excepci ns a esta regra; de feito, algunhas poden observarse a simple vista. Varias das estrelas m is brillantes do ceo nocturno son claramente vermellas e moi luminosas. A cor avermellada implica baixa temperatura e, polo tanto, de acordo coa regra xeral, deber an ser pouco luminosas. Este comportamento distinto džbese a que se trata de estrelas en idade avanzada que xa abandonaron a secuencia principal. Os seus radios son da orde de varios centos de veces o radio do Sol. Por esta caracter stica, e pola sœa cor, estas estrelas denom nanse xigantes vermellas. O seu tama o Ž tan grande que se o centro dunha delas estivese localizado no centro do Sol, a Terra estar a no seu interior. Os modelos f sicos que explican a evoluci n das estrelas pred n un comportamento como o observado. Unha estrela permanece na secuencia principal ata que esgota o seu combustible nuclear. Cando deixan de producirse procesos de fusi n nuclear no seu interior, a zona central da estrela contr ese e faise moi densa. A estrela deixa de ser

119 Astrofísica e Cosmoloxía 119 homoxžnea e, debido a que o peso das molžculas no interior Ž maior c das do exterior, prodœcese un gradiente de presi n que expulsa unha enorme capa de hidr xeno para f ra. O tama o da estrela medra considerablemente e as capas externas arrefr anse. A estrela resultante corresponde a unha luminosidade maior c que ti a, pero cunha temperatura inferior. As xigantes vermellas te en unha vida bastante efžmera. Nestas estrelas seguen a producirse reacci ns de fusi n do hidr xeno nunha capa que rodea o nœcleo central. Este nœcleo est formado fundamentalmente de helio e nel prodœcense reacci ns nucleares que involucran elementos m is pesados. Tres nœcleos de helio fusi nanse para producir un nœcleo de carbono e este, pola sœa vez, trala captura de nœcleos de helio adicionais, produce elementos como o os xeno e o ferro. O ferro Ž o elemento do sistema peri dico cun nœcleo mellor ligado; en t dalas reacci ns de fusi n nas que participa, os elementos resultantes son m is pesados c s de partida e ent n Ž preciso subministrar enerx a para que se produzan. Existen procesos de fusi n exotžrmicos para elementos m is lixeiros c ferro pero todos son endotžrmicos para os m is pesados. Neste œltimo caso s a fisi n pode producir enerx a. A fisi n, contrario que a fusi n, Ž un proceso no que un nœcleo se descomp n en nœcleos m is lixeiros. A fisi n Ž a responsable dos procesos que ocorren na explosi n dunha bomba at mica ou na xeraci n de enerx a dun reactor nuclear. Por outra parte, a fusi n Ž a responsable da bomba H ou de hidr - xeno, baseada no mesmo proceso nuclear que se produce no interior das estrelas. Fixemos unha descrici n das estrelas consider ndoas como obxectos illados no medio interestelar. Pero a miœdo forman os chamados sistemas binarios nos que unha estrela est en rbita respecto a outra, de forma semellante a como os planetas do sistema solar est n en rbita arredor do Sol. Cando as estrelas se atopan moi preto, a m is masiva delas, e que polo tanto evoluciona m is de pržsa, non se converte nunha xigante vermella Ñseguindo o proceso descritoñ porque non hai espacio para a sœa enorme capa externa. No canto de enguli-la estrela acompa ante, o que se produce Ž un continuo dep sito de masa nela. O intercambio de masa prol ngase polo resto da vida combinada das estrelas, orixinando fen menos moi enerxžticos e explosivos nos estadios finais. AS ANANAS BRANCAS Logo duns cantos centos de mill ns de anos, os procesos de fusi n nuclear presentes nunha xigante vermella tamžn se esgotan e a estrela sofre un novo colapso gravitacional. Neste colapso a estrela faise tan densa que o seu interior se poboa da denominada materia dexenerada. Un dos principios fundamentais da Mec nica cu ntica, o principio de incerteza, implica que as posici ns das part culas non poden co ecerse con precisi n. S Ž posible

120 120 José M. Fernández de Labastida y del Olmo determina-la rexi n do espacio que poden ocupar. ƒ coma se existise un movemento intr nseco de maneira que pode considerarse que as part culas posœen unha presi n propia. As mesmo, o principio de exclusi n de Pauli, tamžn de natureza cu ntica, limita o nœmero de electr ns que poden estar presentes nun determinado nivel at - mico (para m is detalles, consœltese o artigo "Mec nica cu ntica", de J. S nchez GuillŽn neste nœmero da REVISTA GALEGA DO ENSINO). A densidades moi altas supžrase un l mite a partir do cal a materia posœe unha presi n de natureza puramente cu ntica. Este tipo de presi n, denominada presi n de dexeneraci n, non depende da temperatura e, a nda que presente, Ž desprezable a densidades ordinarias. Sen embargo, cando a densidade Ž moi alta, a presi n de dexeneraci n faise dominante. As primeiras part culas que sofren o efecto desta presi n son os electr ns, resist ndose a ser comprimidos polo colapso gravitatorio. Cando o nœcleo dunha estrela chega a un estado no que este Ž contrarrestado pola presi n de dexeneraci n debida s electr ns, a estrela convžrtese nunha anana branca. Este nome džbese a dœas propiedades. No colapso que se orixina a estrela sofre unha notable reducci n de tama o. Unha estrela cunha masa coma a do Sol reduce o seu tama o unhas 1000 veces. As ananas brancas son brancas porque inicialmente est n moi quentes debido enorme compresi n; despois dese estado inicial arrefr an lentamente e logo duns miles de mill ns de anos ap ganse. Permanecen fr as eternamente soportando unha densidade de m is de dez toneladas por cent metro cœbico. AS ESTRELAS DE NEUTRÓNS Non t dalas estrelas terminan convertžndose en ananas brancas; s as m is lixeiras, aquelas que no seu estado inicial ti an unha masa inferior a oito veces a masa do Sol, evolucionan da forma descrita. As estrelas m is masivas chegan sœa fase final cunha masa superior chamado l mite de Chandresekhar (1,4 veces a masa do Sol) e o colapso gravitacional correspondente condœceas a un estado distinto dunha anana branca. Neste tipo de estrelas a forza gravitacional resulta tan grande que non pode ser contrarrestada pola presi n de dexeneraci n debida s electr ns. A estrela colapsa ata alcanzar unhas densidades tan altas que os electr ns e os prot ns se combinan para formaren neutr ns. Estes neutr ns forman pola sœa vez materia dexenerada, orixinando unha presi n abonda para contrarresta-la forza gravitacional. Isto ocorre cando a masa da estrela no seu estado final, a nda que elevada, non supera tres veces a masa do Sol. O producto deste proceso Ž a creaci n dunha estrela de neutr ns. As estrelas de neutr ns son moi densas, te en un tama o moi reducido, pode ser tan pequeno coma o da illa de S lvora, a nda que conte an unha masa superior do Sol. No colapso gravitatorio que orixina unha estrela de neutr ns em tese de forma brusca unha enorme cantidade

121 Astrofísica e Cosmoloxía 121 de enerx a en forma de raios X, raios gamma e neutrinos. Esta emisi n Ž a responsable de que a capa externa da estrela, enriquecida pola nucleos ntese previa, explote de forma violenta nunha supernova. Neste proceso expœlsanse elementos pesados medio interestelar. O remanente despois da explosi n Ž un nœcleo at mico xigante formado por neutr ns que se fai invisible nun curto per odo de tempo e que acada densidades da orde dos centos de mill ns de toneladas por cent metro cœbico. Nunha galaxia como a nosa est mase que se produce unha explosi n correspondente a unha supernova cada trinta anos. As e todo, non sempre Ž posible observala porque o po interestelar a miœdo o impide. En 1987 produciuse a observaci n dunha supernova na Gran Nube de Magallanes, unha galaxia irregular satžlite da nosa, que moitos astr nomos catalogaron como a observaci n m is espectacular desde a invenci n do telescopio. O seu estudio supuxo un notable avance no noso co ecemento sobre as propiedades das supernovas. As estrelas de neutr ns foron descubertas debido a observaci ns astron micas de raios X, raios gamma e ondas de radio. Neste œltimo contexto descubr ronse os pœlsares, obxectos emisores de pulsos compostos por ondas de radio de forma regular. O per odo destes pulsos Ž moi estable e, en xeral, de segundos. Un dos pœlsares m is famosos Ž o da nebulosa do Cangrexo que nos chega unhas trinta veces por segundo. As observaci ns no decrecemento desta frecuencia suxiren que a sœa orixe tivo lugar hai novecentos anos. Probablemente a orixe deste pœlsar corresponde supernova observada polos astr nomos chineses no ano Observouse que os pulsos provenientes dos pœlsares tamžn conte en raios gamma e raios X. Os pœlsares foron identificados como estrelas de neutr ns en rotaci n, formadas despois da explosi n correspondente a unha supernova. Para que un obxecto rote coa frecuencia que o fai un pœlsar este ha ser moi compacto. O pulso de radiaci n electromagnžtica que emite džbese emisi n producida por part culas que se moven a velocidades relativistas no enorme campo magnžtico producido pola estrela. O pulso varre unha zona do espacio de forma similar a como o fai a luz do faro da illa de S lvora. Debido direcci n da emisi n, non sempre se observa o pulso proveniente dun pœlsar, por iso existen remanentes de explosi ns debidas a supernovas das cales non se identificou o pœlsar correspondente. OS BURATOS NEGROS As estrelas cunha masa inicial superior a cincuenta veces a masa do Sol chegan sœa fase final con masas que superan o l mite das tres masas solares correspondente s estrelas de neutr ns. Cando unha estrela chega sœa etapa derradeira cunha masa superior a este l mite, o seu nœcleo colapsa indefinidamente e cržase un burato negro. Os buratos negros foron propostos no contexto da Teor a Xeral da

122 122 José M. Fernández de Labastida y del Olmo Relatividade, en 1916, e identificados por primeira vez en Os buratos negros son dif ciles de observar porque o campo gravitacional que xeran Ž tan intenso que a radiaci n electromagnžtica non pode escapar del. Isto orixinou que a busca de buratos negros sexa un importante campo de investigaci n. A nda que a luz non pode escapar dun burato negro, este pode formar parte dun sistema binario de estrelas, absorbendo materia da sœa estrela compa- eira. Esta materia, antes de ser atrapada, quece e xira derredor do burato negro emitindo enormes cantidades de raios X. Ata o momento tž ense observado varios sistemas binarios que posœen estas caracter sticas. Un deles Ž Cygnus X-1 que, parte de ser unha intensa fonte de emisi n de raios X, estimouse que a sœa masa Ž oito veces Símil xeométrico dun burato negro. (Tomado de Quest Edit. Rialp). a masa do Sol. A masa determ nase a partir do per odo e das variaci ns na luminosidade da estrela que a acompa a. A masa do burato negro est concentrada nunha rexi n moi pequena do espacio e exerce unha forte atracci n gravitacional sobre as part culas que andan preto. ƒ tan forte que a velocidade de escape por volta del Ž superior da luz e polo tanto ningunha part cula situada no interior desa zona pode escapar sœa atracci n. A distancia centro do burato negro cal a velocidade de escape Ž a velocidad da luz co Žcese como o radio do burato negro, e a superficie esfžrica correspondente como o horizonte. O radio depende da masa do burato negro e pode ser moi pequeno; para un burato negro de masa igual do Sol, o radio Ž duns tres quil metros. A estructura do interior do burato negro Ž desco ecida. Se s utiliz mo-la Teor a Xeral da Relatividade, tr tase dun punto singular de densidade infinita. Sen embargo, non se pode confiar totalmente nesta teor a cando se describen situaci ns con densidades tan elevadas como as que te en lugar nesa situaci n. O feito mesmo de que apareza unha singularidade Ž unha manifestaci n de que a teor a Ž incompleta. C mpre dispo er dunha teor a da interacci n gravitatoria que te a en conta os efectos cu nticos para poder ter unha descrici n m is realista do interior destes obxectos. Nos anos setenta fixžronse progresos notables no estudio dos aspec-

123 Astrofísica e Cosmoloxía 123 tos cu nticos dos buratos negros. Os traballos de Yakov B. Zel'dovich e Stephen Hawking conduciron a predicir que os buratos negros sofren un proceso de evaporaci n. Estes primeiros estudios cu nticos indican que o burato negro pode non ser tan negro coma se pensaba. O fen meno de evaporaci n prodœcese debido emisi n dun tipo de radiaci n comunmente co ecido hoxe como a radiaci n de Hawking. Para explicar en quž consiste, comecemos lembrando outra das consecuencias do principio de incerteza. Segundo este principio mec nico- -cu ntico, Ž posible viola-la lei de conservaci n da enerx a, sempre que se faga en espacios de tempo moi curtos. O universo Ž quen de producir masa e enerx a pero s se estas desaparecen axi a. Noutras palabras, poden darse fluctuaci ns do baleiro de xeito que se creen parellas de part culas e antipart - culas que despois dun breve per odo de tempo se aniquilen. Cando unha destas fluctuaci ns ten lugar preto do horizonte dun burato negro pode ocorrer que unha das part culas caia no seu interior e a outra escape; a que escapa leva as unha enerx a neta do burato negro e un observador no exterior interpreta que este est emitindo part culas. Este fen meno ocorre seguido e o resultado Ž a emisi n dun fluxo de part culas: a radiaci n de Hawking. A enerx a que se emite na radiaci n de Hawking fai que o burato negro vaia perdendo masa. O ritmo que se emite esta radiaci n Ž tanto m is grande canto menor Ž a masa do burato negro. Co transcurso do tempo o burato negro radia cada vez con m is intensidade e mingua cada vez m is r pido. Describi-lo que ocorre nos procesos finais da evaporaci n Ž entrar a nda m is no terreo do especulativo. Non se descarta que simplemente se evapore totalmente e, polo tanto, o burato negro desapareza. TŽ ense realizado estimaci ns sobre o tempo que tardar a un burato negro en evaporarse. Para un que te a aproximadamente o dobre de masa que o Sol, a predicci n Ž duns anos (un un seguido de setenta ceros), enorme comparada coa idade do universo (tan s da orde de anos). Esta cifra, unida feito de que ademais nas primeiras Žpocas a emisi n de radiaci n de Hawking Ž a m s džbil, implica que o efecto Ž irrelevante desde o punto de vista da Astrof sica. A finais dos anos setenta apuntouse a posible existencia de buratos negros primordiais. Estes formar anse no big bang, con masas pequenas comparadas coa do Sol, que se ter an evaporado completamente na actualidade. Estes obxectos, de existiren, ter an deixado unha pegada en termos de radiaci n gamma que non se observou ata hoxe. Desde un punto de vista experimental p dese afirmar que non se ten evidencia da evaporaci n de ningœn tipo de burato negro. A VÍA LÁCTEA As estrelas que poboan o universo aparecen agrupadas de maneira que forman estructuras m is extensas. Estas estructuras clasif canse en

124 124 José M. Fernández de Labastida y del Olmo cœmulos de estrelas, galaxias, cœmulos de galaxias e cu sares. O Sol forma parte da galaxia denominada V a L ctea, que ten unha cantidade de masa visible da orde de mill ns de veces a masa da dita estrela. A evoluci n destas estructuras est regulada pola interacci n gravitatoria. Dentro dunha galaxia, as estrelas aparecen a miœdo agrupadas en cœmulos de estrelas. Un exemplo que quizais resulte familiar Ž o cœmulo das Pleiades, sete das cales poden observarse a simple vista nas noites claras do outono cando se elevan no leste despois do solpor. Estas sete son parte dun cœmulo dunhas cen estrelas que se descobren cando se mira cun telescopio. Nos cœmulos como o das Pleiades, un conxunto de estrelas nacen xuntas e seguen a mesma rbita arredor da galaxia que pertencen durante uns cantos centos de mill ns de anos, ata que forzas similares s das mareas as arredan. Na nosa galaxia existen cœmulos de estrelas moito maiores, con decenas de miles de estrelas, que est n en rbita lonxe do plano que forma a galaxia. Nesas rexi ns as forzas separadoras son m is febeles e eses cœmulos mante- en a sœa estructura durante per odos de tempo moito m is longos. A V a L ctea Ž unha galaxia de forma espiral, co Sol situado nun dos seus brazos, aproximadamente a dous tercios da sœa lonxitude total. O noso sistema solar tarda uns douscentos cincuenta mill ns de anos en dar unha volta arredor do seu centro. Igual c maior a das galaxias espirais, a V a L ctea Ž moi delgada e contžn unha gran cantidade de po e gas interestelar (aproximadamente un dez por cento da sœa masa total). Nela obsžrvase un subsistema formado por materia m is antiga, estructuralmente diferente, que se denomina halo gal ctico. A materia deste halo m vese en rbitas el pticas que tenden a conducila contra o centro da galaxia. O centro da V a L ctea contžn un obxecto de caracter sticas singulares en relaci n coas do resto dos seus compo- entes. ƒ dif cil estudia-la natureza deste obxecto xa que os sinais que nos chegan desa zona te en que atravesar rexi ns densas en material interestelar. A informaci n que posu mos džbese detecci n de ondas de radio. Todo indica que no centro hai un potente emisor destas ondas non superior en tama o noso sistema solar. Moitos astr nomos comparten a opini n de que quizais no centro da nosa galaxia se atope un burato negro cunha masa da orde dun mill n de veces a masa do Sol. Os co ecementos sobre a nosa V a L ctea revelan a existencia dun problema nos nosos modelos f sicos. A partir do estudio do movemento das estrelas situadas en planos perpendiculares plano da galaxia, conclœese que a materia observada non Ž suficiente para explica-las sœas traxectorias. Os c lculos indican que fai falta o dobre da materia observada para dispor dunha explicaci n satisfactoria. A situaci n compl case a nda m is se se analiza o movemento de obxectos a grandes distancias do centro da galaxia. Neste caso

125 Astrofísica e Cosmoloxía 125 c mpre dispor de dez veces a masa observada. Todo isto indica que a V a L ctea contžn materia que non observamos, denominada comunmente materia escura. Non co ecemos na actualidade c l Ž o seu contido, pero unha posibilidade Ž que estea formada por obxectos subestelares nos que as reacci ns nucleares non desempe an un papel importante quentando o seu interior. Estes obxectos, con masas entre dez e cincuenta veces a masa de Xœpiter, son co ecidos como ananas marr ns e na œltima džcada tž ense observado algœns candidatos. Sen embargo, polo momento non se posœe informaci n sobre a sœa abundancia. AS GALAXIAS A forma espiral da V a L ctea non Ž a œnica que as galaxias adquiren. Segundo a sœa feitura, as galaxias clasif canse en espirais, el pticas e irregulares. Estas formas te en que ver coas sœas propiedades: as galaxias espirais con brazos m is soltos e as irregulares conte en un maior nœmero de estrelas novas e m is cantidade de gas interestelar. Pola contra, nas galaxias el pticas o gas interestelar est ausente e as sœas estrelas te en unha avanzada idade comœn. Estas peculiaridades fan que as galaxias espirais sexan m is azuladas c s el pticas. A caracter stica que lle atribu mos V a L ctea de posu r dœas poboaci ns de estrelas, unha no halo e outra no disco, Ž compartida por moitas outras galaxias. A evoluci n do halo Ž sinxela: t dalas estrelas se formaron simultaneamente e todas elas van envellecendo vez, sendo as m is masivas as primeiras en se converter en xigantes vermellas. No disco, sen embargo, a vida Ž menos rutineira. Neste caso, a materia interestelar producida cando as xigantes vermellas evolucionan a ananas brancas e a estrelas de neutr ns permanece no disco e xera a formaci n de novas estrelas. Parte da materia segregada polas xigantes vermellas Ž rica en elementos pesados e por iso as estrelas novas conte en maiores cantidades de carbono, nitr xeno, os xeno e ferro c s estrelas de maior idade. No halo enc ntrase unha proporci n moito m is pequena de elementos pesados ca no disco. As galaxias conte en en xeral os dous tipos de poboaci ns de estrelas: halo e disco. As el pticas non adoitan conter disco e nas espirais cos brazos moi soltos o halo acostuma estar ausente. A evoluci n das galaxias el pticas Ž moi sinxela: t dalas estrelas envellecen tempo e abandonan a secuencia principal en momentos distintos dependendo da sœa masa inicial. Nas galaxias espirais as estrelas m is antigas expulsan materia interestelar que se recicla para formar novas estrelas. Nalgunhas estrelas espirais observouse que a poboaci n de estrelas novas Ž moi elevada. No que respecta formaci n das galaxias, todo parece indicar que hai dous factores predominantes: as propiedades intr nsecas da galaxia e o contorno no que se encontran. Respecto primeiro, Ž natural que a masa e o

126 126 José M. Fernández de Labastida y del Olmo Dúas vistas de galaxias espirais. Arriba a NGC 2997 e debaixo un `perfil da NGC 4565 onde se mostra con claridade a protuberancia central e o fino bordo externo do disco. A nosa galaxia, a Vía Lactea, é deste tipo. momento angular inicial desempe en un papel importante. As galaxias cunha velocidade angular elevada te en unha maior tendencia a seren espirais. Unha velocidade angular pequena favorece en cambio a formaci n dunha galaxia el ptica sen disco. O contorno tamžn Ž determinante no proceso de formaci n. Observouse que as galaxias que forman un grupo de galaxias non moi grande tenden a ser el pticas. As galaxias el pticas de gran tama o enc ntranse xeralmente no nœcleo de cœmulos de galaxias moi poboados. OS CÚMULOS DE GALAXIAS Coma as estrelas, as galaxias aparecen agrupadas. Sen embargo, contrariamente caso das estrelas, a distancia entre galaxias dun mesmo cœmulo Ž s un factor entre dez e trinta veces a dimensi n lineal das galaxias. Os cœmulos de galaxias observados presentan un enorme rango no que respecta nœmero de galaxias que conte en. Algœns est n formados por un conxunto pequeno de galaxias, como Ž o caso do Grupo Local que pertence a V a L ctea, consistente en tres galaxias espirais de gran tama o (unha delas a V a L ctea) e m is dunha ducia de galaxias m is pequenas. Outros chegan a conter miles de galaxias enormes e infinidade de galaxias m is pequenas. Xeralmente, nestes cœmulos o centro est poboado de galaxias el pticas de gran tama o, con masas de ata cen veces a da V a L ctea. Nos cœmulos m is poboados observouse a existencia de materia intercumular que sup n aproximadamente o dez por cento da masa total. Os cœmulos de galaxias aparecen pola sœa vez agrupados nos denominados supercœmulos, con forma de acio. Entre estes acios aparecen enormes zonas baleiras onde a penas se atopan unhas poucas galaxias illadas. Esta estructura parece producirse en t dalas direcci ns e pžnsase que Ž universal. Os estudios realizados sobre a din mica dos cœmulos e supercœmulos de galaxias conducen a conclu r que a materia que se observa neles Ž insuficiente para mantelos ligados gravita-

127 Astrofísica e Cosmoloxía 127 cionalmente. O mesmo ca no caso das galaxias, destes estudios dedœcese que unha gran parte da materia do universo non foi observada. Esta materia escura constitœe o noventa por cento da masa total dun cœmulo ou supercœmulo. A natureza desta materia non observada Ž un dos grandes problemas con que se enfrontan hoxe en d a a Astrof sica e a Cosmolox a. OS CUÁSARES A principios dos anos sesenta descubr ronse uns obxectos que non encaixaban en ningunha das estructuras estudiadas ata aquel momento. Trat - base de obxectos de tama o reducido situados a enormes distancias, que brillaban tanto coma galaxias pr ximas completas. A gran distancia asociada a estes obxectos deb ase alto desprazamento cara vermello que presentaba o seu espectro electromagnžtico. Como se describe polo miœdo na pr xima secci n, existe unha relaci n entre a distancia dun obxecto e o desprazamento cara vermello do seu espectro; canto m is arredado, maior Ž o dito desprazamento. Por outra parte, a escala de tempo en que estes obxectos presentaban variaci ns indicaba que se trataba dunha estructura de tama o reducido, segundo observaci ns recentes, do tama o do sistema solar. Para unha distancia tan grande, o brillo observado implicaba que estes obxectos ti an unha luminosidade da orde dun mill n de veces a do Sol. Desde o seu descubrimento, barall ronse diversos modelos para explica-los cu sares. Hoxe en d a adquiriu solidez o modelo que asocia os cu sares a nœcleos de galaxias moi activos. Os cu sares semellan m is unha estrela ca unha galaxia porque a emisi n proveniente do seu nœcleo Ž tan grande que ensombrece calquera outra procedente das sœas estrelas veci as. As observaci ns apuntan a que a fonte de enerx a fundamental deste nœcleo Ž un burato negro xigante de pž de mil mill ns de veces a masa do Sol. Cando se produce acrecencia de materia por este burato negro xigante, xžranse chorros de part culas a altas enerx as con efectos que se te en observado cos radiotelescopios. Os cu sares posœen unha luminosidade tan grande que poden ser detectados a enormes distancias. O cu sar m is distante que se observou est situado a uns mill ns de anos- -luz. Cando observamos un obxecto tan remoto estamos mirando cara a atr s no tempo xa que a luz procedente del tardou mill ns de anos en chegar ata n s. O estudio destes obxectos achega polo tanto informaci n sobre c mo era o universo daquela. As observaci ns indican que nesa Žpoca os cu sares eran moito m is abundantes ca en tempos m s pr ximos. O feito de non atopar cu sares a distancias maiores s mill ns de anos fai pensar que estes, e posiblemente tamžn as galaxias, non se formaran anteriormente. Tales datos conducen a conclu r que o noso universo evolucionou moito desde a sœa existencia e que o seguir facendo no futuro. O estudio desta

128 128 José M. Fernández de Labastida y del Olmo evoluci n desde un punto de vista global Ž o obxectivo principal da Cosmolox a, que ser o tema central da seguinte secci n. 3. A VISIÓN GLOBAL Unha vez descritos os obxectos que poboan o universo, podemos facernos preguntas sobre o universo como un todo. Cuesti ns deste tipo levan sendo unha constante longo da historia. Desde tempos moi remotos o home interrogouse sobre c l Ž a orixe do universo, c mo evoluciona (ou m is ben se evoluciona ou non) e quž pasar con el no futuro. Unha simple ollada ceo nunha noite clara transmite a sensaci n de estarmos contemplando unha enorme cantidade de obxectos inm biles. Unha observaci n perseverante longo dunha vida humana indica que a posici n dos obxectos no ceo Ž basicamente constante. A idea de que o universo evoluciona como un todo Ž moi recente, propœxose neste sžculo hai uns oitenta anos. A dispo ibilidade nesa Žpoca de novos telescopios e espectr grafos moito mellores c s seus predecesores (a nda que moi primitivos se os comparamos co est ndar actual) permitiu obter informaci n ata ent n desco ecida sobre os obxectos que ocupan o noso universo. Astr nomos como Edwin Hubble obtiveron o espectro da radiaci n electromagnžtica emitida desde galaxias moi distantes. A sorpresa das medidas efectuadas foi que os espectros aparec an desprazados cara a lonxitudes de ondas m is longas. Este fen meno co Žcese como o desprazamento vermello. Tr tase dunha manifestaci n do chamado efecto Doppler, aplicable a calquera fonte de radiaci n (ben sexa acœstica ou electromagnžtica) en movemento. A miœdo temos experimentado nas rœas da nosa cidade c mo o ton da sirena dunha ambulancia cambia cando pasa preto de n s. As ondas acœsticas que recibimos son emitidas primeiro por unha fonte que se achega a n s e despois por unha que se arreda. Este fen meno ocorre cos obxectos do universo en movemento respecto a n s. A lonxitude de onda da radiaci n que nos chega Ž superior esperada, o que indica que a fonte correspondente se aparta de n s. Se unha estrela en repouso con respecto noso telescopio emite luz, a distancia entre as frontes de ondas que lle chegan Ž a mesma c lonxitude de onda da luz emitida pola estrela. Se a estrela se esta aproximando a n s, a distancia entre as frontes de onda Ž m is pequena (a luz viaxa sempre mesma velocidade nun determinado medio) e o noso telescopio mide unha lonxitude de onda inferior da luz emitida. Prodœcese nese caso un desprazamento no espectro cara azul. Pola contra, se a estrela emisora se est afastando do telescopio, as frontes de onda chžgannos m is distanciadas e a lonxitude de onda que medimos Ž superior da luz emitida. Prodœcese ent n un desprazamento vermello. A partir da diferencia en lonxitude de

129 Astrofísica e Cosmoloxía 129 onda obtense facilmente a velocidade da fonte emisora respecto telescopio. A LEI DE HUBBLE Nos anos vinte observouse que os espectros da radiaci n electromagnžtica emitida polos obxectos que poboaban o noso universo se achaban sempre desprazados cara vermello. Edwin Hubble descubriu que ademais exist a unha relaci n sinxela entre a velocidade respecto Terra da fonte emisora e a distancia que esta se encontraba. Concretamente, se v Ž a velocidade e d a distancia, os datos obtidos axust banse relaci n v = H d, onde H Ž unha constante, denominada constante de Hubble en honor seu descubridor. A lei de Hubble foi confirmada experimentalmente longo dos setenta anos transcorridos des que foi proposta. O seu descubrimento demostra que o universo se expande. A sœa forma funcional non implica que a Terra sexa o centro do universo. O universo en expansi n no que vivimos Ž coma un biscoito de froitas que se est a expandir no forno. Cada un dos anacos de froita observa c mo os m is se separan del. Para cada galaxia, t dalas demais se est n apartando respecto a ela. A constante de Hubble est relacionada coa idade do universo. Se supo emos que a velocidade de expansi n do universo non cambiou (hip tese bastante razoable segundo o noso co ecemento actual), o tempo t que lle levou expandirse, de tal maneira que unha galaxia concreta estea situada a unha distancia d da Terra, vžn determinada pola ecuaci n (tan familiar) que relaciona distancia, velocidade e tempo: d = v t. Combinando esta relaci n coa lei de Hubble obtense que t = 1/H, Ž dicir, o inverso da constante de Hubble Ž a idade do universo. O valor da constante de Hubble non se co ece moi ben porque Ž unha cantidade dif cil de medir. Por unha parte, as galaxias que conducen a unha medici n m is exacta de H son as que est n m is arredadas pois o movemento aleatorio destas respecto Terra resulta desprezable. Por outra, precisamente para esas galaxias a medici n da distancia Ž m is complicada. Durante moitos anos a idade do universo estivo cifrada entre e mill ns de anos. As observaci ns realizadas nos œltimos anos polo telescopio espacial Hubble permitiron reducir notablemente a incerteza neste valor. Os œltimos resultados publicados froito da an lise dos datos obtidos con este telescopio calculan que a idade do universo Ž de mill ns de anos, cunha incerteza de mill ns de anos arriba ou abaixo. Isto constitœe unha significativa mellora respecto s acoutamentos anteriores, que s foi posible gracias colocaci n dun telescopio no espacio. O BIG BANG A explicaci n m is sinxela da lei de Hubble consiste en postular que inicialmente todo o universo estaba concentrado a moi alta densidade. A explosi n desa configuraci n tan densa

130 130 José M. Fernández de Labastida y del Olmo produciu a expansi n do espacio e que cada un dos obxectos no universo se estea separando de t dolos demais. Este modelo, co ecido como do big bang ou da grande explosi n, pred que a evoluci n do universo comezou hai aproximadamente mill ns de anos. A idea de que o universo ten un principio orixina moitas preguntas de car cter filos fico. A m is obvia Ž quž hab a antes do big bang. Os nosos co ecementos actuais non te en resposta a esta pregunta pero o feito de que se puidera expresar en relaci n co modelo do big bang inquietou a moitos cient ficos. Ata os anos sesenta, cando a lei de Hubble era a œnica de car cter cosmol xico que se co ec a, formul ronse unha variedade de modelos onde o universo non evolucionaba. Esta situaci n cambiou nos anos sesenta co descubrimento dunha serie de pegadas do big bang que fac an este modelo cada vez menos incuestionable. O rastro do big bang m is importante atopado ata agora Ž a radiaci n de fondo de microondas. Coma en moitas outras ocasi ns, o descubrimento produciuse no marco da realizaci n dun proxecto de investigaci n que non espertaba moito interese. En 1965, Arno Penzias e Robert Wilson andaban embarcados nun proxecto dos laboratorios Bell, tratando de identificar t dalas fontes de ru do de fondo nunha antena con calibraci n de alta resoluci n. O obxectivo era que unha vez realizada a identificaci n puideran co ecer con precisi n o fluxo recibido pola antena procedente dunha fonte de microondas. Penzias e Wilson non deron identificado certa cantidade de ru do de fondo. Pouco despois descubriuse que ese ru do era o eco da grande explosi n inherente modelo do big bang. O sinal detectado resultou se-lo mesmo en t dalas direcci ns nas que se mediu, e axi a se observou que se axustaba espectro de emisi n dun corpo negro a unha temperatura duns 2,7 K. Un corpo negro Ž un obxecto que absorbe toda a radiaci n que lle chega. Nos œltimos anos mediuse a radiaci n de fondo de microondas con gran precisi n. As observaci ns recentes realizadas polo espectr metro FIRAS do COBE (Cosmic Background Explorer) indican que as desviaci ns do espectro dun corpo negro son menores a 300 partes por mill n, e que a temperatura Ž 2,727 ± 0,002 K. Ademais, observouse que esta temperatura Ž basicamente a mesma, independentemente da direcci n na que se mida. Isto dinos que o universo Ž is tropo. O significado da radiaci n de fondo de microondas descuberta por Penzias e Wilson entendeuse rapidamente gracias a Robert Dicke, a nda que a existencia dun fen meno desa natureza fora predicida con anterioridade por George Gamow. Nas Žpocas m is temper s do universo, este estaba moi quente e polo tanto era moi rico en fot ns. Cando o universo acadou a idade dun mill n de anos arrefriara abondo como para que a materia deixase de estar ionizada, produc ndose o desencaixamento da radiaci n e a materia. A radiaci n presente nese

131 Astrofísica e Cosmoloxía 131 momento observ mola hoxe moi fr a, co espectro t pico dun corpo negro que alcanza a sœa maior intensidade no rango das microondas. Se observasžmo-la radiaci n de fondo cara a atr s no tempo, veriamos c mo a sœa temperatura aumenta. A medida que nos achegasemos a Žpocas m is temper s, observari mo-la radiaci n cada vez m is quente e o universo m is denso, ata llegar un intre no que puidese crearse materia. Nese momento estariamos no estado no que a radiaci n e a materia comezaban a acercarse a unha situaci n de equilibrio. A validez da lei de Hubble e a detecci n da radiaci n de fondo de microondas demostran que o universo estivo expand ndose durante un longo per odo de tempo. Outro dato importante en favor da teor a do big bang Ž a observaci n dunha abundancia dos elementos m is lixeiros do universo consistente coas predicci ns baseadas na nucleos ntese da teor a do big bang. Cando o universo ti a unha idade de aproximadamente uns minutos, a temperatura era tan alta que se produciron elementos lixeiros como o helio e o litio por medio de reacci ns nucleares. A teor a pred que arredor de 1/4 da masa do universo deber a corresponder helio, que concorda coas observaci ns experimentais. A HOMOXENEIDADE E A ISOTROPÍA Ademais de is tropo Ñcomo demostran as observaci ns da radiaci n de fondo de microondasñ, o universo Ž tamžn homoxžneo. Un universo homoxžneo Ž aquel no que as sœas propiedades son as mesmas en calquera punto. Isto s Ž certo de forma aproximada para o noso universo, pero Ž unha aproximaci n excelente cando se estudian grandes rexi ns. Isotrop a e homoxeneidade son dous dos puntos de partida do modelo do big bang. A descrici n matem tica deste modelo asenta na soluci n s ecuaci ns da relatividade xeral de Einstein que se obte- en impo e-las ditas propiedades. Estas ecuaci ns relacionan a xeometr a do espacio-tempo co seu contido de materia (para m is detalles, consœltese o artigo "A teor a da relatividade", de A. V zquez Ramallo neste nœmero da REVISTA GALEGA DO ENSINO). A soluci n, co ecida como a soluci n de Friedmann-Lemaitre-Robertson- -Walker, vžn dada en termos dun factor de escala c smico que contžn a informaci n de c mo evolucionan t dalas lonxitudes f sicas do universo (distancias entre galaxias, lonxitudes de onda dos fot ns, etc.) co transcorrer do tempo. En realidade, existen tres tipos de soluci ns s ecuaci ns da relatividade xeral de Einstein coas hip teses mencionadas. No primeiro tipo, o universo exp ndese tan de vagar que a atracci n gravitatoria ser a capaz de frea-la expansi n e chegar a un momento a partir do cal as galaxias empezar an a achegarse unhas s outras. O universo sufrir a un colapso e ter a un final. No segundo tipo, a expansi n Ž tan r pida que a atracci n gravitatoria non poder a parala, as galaxias estar an separ ndose constantemente. Por œltimo, no terceiro tipo, o universo

132 132 José M. Fernández de Labastida y del Olmo exp ndese coa velocidade xusta para evita-lo colapso. No primeiro tipo de modelo o universo non Ž infinito no espacio, tr tase dun universo pechado. A gravidade Ž forte abondo como para curva-lo espacio, que se pechar a sobre si mesmo. Nos outros dous tipos o espacio Ž infinito e o universo non ten fin, tr tase de universos abertos, o primeiro curvado e o segundo plano. Que o noso universo poida ser pechado non quere dicir que puidera ter un bordo onde remata. Para imaxinarmos quž se quere dicir por un espacio finito no primeiro tipo de soluci ns, debemos considerar unha analox a cunha dimensi n menor. A superficie da Terra Ž bidimensional e finita, sen bordos. Por moito que viaxemos pola superficie da Terra nunca chegaremos a un punto onde esta termine; de feito, Ž posible que topemos co punto de partida. O mesmo ocorre nas soluci ns do primeiro tipo pero nunha dimensi n superior. Tr tase dun universo tridimensional, finito e sen bordos. Coma na Terra, poderiamos viaxar e chegar punto de partida. Sen embargo, xa que a velocidade que podemos facelo non pode ser superior da luz, tardariamos tanto que lle dar a tempo universo a se comprimir de novo e dar cabo. ƒ importante salienta-lo feito de que a nda que inicialmente as hip teses de isotrop a e homoxeneidade foron introducidas por Einstein para simplifica-lo problema matem tico, resultou que proporcionan unha descrici n do universo bastante atinada tanto a tempos temper ns coma na actualidade cando se calcula a media sobre distancias suficientemente grandes. Pero dos tres tipos de soluci ns posibles s un corresponde noso universo. Para saber c l, c mpre co ece-la sœa densidade media. Se a densidade Ž inferior a un certo valor cr tico, a gravidade ser insuficiente para frea-la expansi n. Se a densidade Ž superior valor cr tico, a gravidade parar a expansi n nalgœn momento futuro e comezar o colapso do universo. Medi- -la densidade do universo Ž dif cil porque hai que inclu -la materia escura da cal se sabe moi pouco. As estimaci ns realizadas nas œltimas džcadas indican unha densidade inferior cr tica e favorecen unha soluci n do segundo ou terceiro tipo. En calquera dos tres tipos de soluci ns existe un comezo do universo no que a densidade de materia era moi alta, infinita. Nese momento tivo lugar a grande explosi n, o big bang, e desde ent n ata os nosos d as o universo exp ndese. En xeral, na F sica, cando existe unha situaci n na que unha cantidade f sica se fai infinita, dise que se ten unha singularidade. A presencia de singularidades constitœe unha limitaci n: ind canos que a teor a non Ž aplicable nesa situaci n e que para describila correctamente debemos inclu r aspectos que non estamos considerando. Desde o descubrimento destas soluci ns, os f sicos tž ense preguntado se a Teor a da Relatividade Xeral pred a existencia da singularidade inicial ou se trata simplemente dunha propiedade particular da soluci n

133 Astrofísica e Cosmoloxía 133 encontrada. Os teoremas sobre a existencia de singularidades de Stephen Hawking e Roger Penrose dos anos setenta responderon a esta pregunta de forma positiva. Isto indica que unha descrici n baseada s na relatividade xeral Ž incompleta cando se te en densidades demasiado altas. ƒ razoable que as sexa; nesas situaci ns os efectos da mec nica cu ntica son importantes e c mpre combina-la f sica do m is grande, a relatividade xeral, coa f sica do m is pequeno, a Mec nica cu ntica, para obter unha descrici n coherente. Polo momento non se sabe c mo facelo, a construcci n dunha teor a da gravidade cu ntica Ž un dos grandes problemas con que a F sica se enfronta no sžculo que agora comeza. A EVOLUCIÓN DO UNIVERSO Nas œltimas džcadas avanzouse considerablemente na creaci n dun modelo que describa a evoluci n do universo. Hoxe en d a, facendo uso das leis correspondentes s catro interacci ns fundamentais, disponse dun que resulta moi satisfactorio a partir dun momento moi pr ximo grande explosi n inicial. A medida que nos achegamos momento inicial, t = 0, o universo faise tan denso que Ž necesario utiliza-la teor a cu ntica da gravidade. Polo momento non se disp n dunha teor a deste tipo e por iso o modelo non Ž v lido para tempos anteriores a segundos. Este tempo, denominado tempo de Planck, Ž extremadamente pequeno, tr tase dunha fracci n decimal con 43 ceros. Toda a materia que agora vemos no universo, miles de mill ns de galaxias, estaba daquela comprimida no tama o dun nœcleo at mico. A densidade tan extrema que se acadaba nese intre era de gramos por cent metro cœbico, enorme comparada coa densidade da auga (1 gramo por cent metro cœbico) e inimaxinable comparada coa densidade media do universo actual (un tomo de hidr xeno por cent metro cœbico). Para tempos posteriores tempo de Planck, disponse dun modelo que describe o estado do universo ata os nosos d as, con predicci ns atinadas en xeral cando se comparan cos fen menos observados. çs altas densidades nas que se encontraba o universo en tempos posteriores de Planck, a sœa temperatura era enorme. A temperatura ind cano-la velocidade media que se moven as part culas. Nesa Žpoca as sœas velocidades eran tan elevadas que pod an vence-las forzas entre elas. Produc anse moitas colisi ns moi enerxžticas que daban como resultado a producci n doutras part culas en pares part cula-antipart cula. As part culas e antipart culas interaccionan pola sœa vez e aniqu lanse. Nese estado do universo primordial ti a lugar unha cadea de procesos cu nticos cunha estructura que a variando a medida que se produc a a expansi n e o universo arrefriaba. Se a temperatura baixa, a velocidade das part culas diminœe e non se producen os procesos de creaci n de pares; dominan ent n as aniquilaci ns e os agrupamentos das part culas.

134 RA.CIN 4/4/01 21:47 Página José M. Fernández de Labastida y del Olmo Evolución do universo. As distintas épocas da evolución do universo, segundo o modelo do big bang ou grande explosión, represéntanse ó longo da liña do tempo. Paralelas a esta represéntanse liñas que indican a temperatura, a enerxía cinética media das partículas e a densidade do universo. Así mesmo, inclúese información sobre o tamaño do universo tomando como unidade o seu tamaño actual.

135 Astrofísica e Cosmoloxía 135 Estes fen menos dan lugar que se co ece como big bang nucleos ntese. Desde o tempo de Planck ata que transcorreu o primeiro segundo, o universo expandiuse de tal forma que a sœa densidade pasou dos gramos por cent metro cœbico a s gramos por cent metro cœbico. Durante este per odo o universo consist a nunha mestura en equilibrio tžrmico das part culas elementais caracter sticas das altas enerx as. Entre estas part - culas encontr banse as tres familias de quarks e lept ns que hoxe constitœen o piar do chamado modelo est ndar das part culas elementais e as interacci ns fundamentais. Os detalles do que ocorreu en gran parte desta Žpoca son bastante especulativos, xa que cos aceleradores de part culas m is potentes de que se disp n (por exemplo, o LEP no CERN ou Centro Europeo de Investigaci ns Nucleares) non se alcanzou a enerx a suficiente. Mesmo nas enerx as acadadas se estudiaron m is colisi ns de part culas illadas c comportamento de agregados destas, a nda que nos œltimos anos se progresou considerablemente neste œltimo aspecto (para m is detalles consœltese o artigo "Nœcleos e part culas", de C. Pajares Vales neste nœmero da REVISTA GALEGA DO ENSINO). Na ilustraci n da evoluci n do universo pode verse c mo o novo acelerador en construcci n do CERN, o LHC, supor unha mellora, pero, as e todo, encontraržmonos moi lonxe das enerx as propias das part culas nas Žpocas m is temper s do universo. O modelo est ndar das interacci ns fundamentais (verificado hoxe con gran precisi n ata as enerx as alcanzadas no acelerador LEP) Ž froito da rotura de simetr a dun modelo m is fundamental. Os fen menos de rotura de simetr a prodœcense cando o sistema baixo consideraci n se configura nun estado que posœe unha simetr a inferior da teor a f sica que goberna o seu comportamento. Conforme vai arrefriando, o universo evoluciona en estados que cada vez corresponden a unha simetr a menor. O modelo mormente aceptado Ž o chamado modelo de grande unificaci n onde a interacci n forte aparece unificada coa electrodžbil. Na etapa inmediatamente posterior tempo de Planck atop monos cun universo formado por materia e antimateria en equilibrio no que tres das interacci ns que agora co ecemos se encontran unificadas nunha. A medida que o universo arrefr a, a enorme simetr a dos modelos de grande unificaci n rompe e as interacci ns fundamentais comezan a diferenciarse. Antes de se cumpri-la primeira millonžsima de segundo, a interacci n forte xa se diferenciara da electrodžbil e produc ase a asimetr a entre materia e antimateria. ƒ ent n cando comeza a rompe-la interacci n electrodžbil en džbil e electromagnžtica, e cando os quarks empezan a confinarse en prot ns e neutr ns. ChŽgase as s albores do primeiro segundo, cun universo unhas dez mil veces m is pequeno c actual con t dalas interacci ns fundamentais diferenciadas. ƒ importante

136 136 José M. Fernández de Labastida y del Olmo remarcar que o co ecemento de gran parte deste per odo da evoluci n do universo Ž bastante especulativo. Existen modelos alternativos e seguir n propo Žndose outros no futuro, ata que algœn quede marcado por ir acompa ado dalgunha pegada clara que permanecera ata os nosos d as e sexa observada. Un segundo despois do big bang, a temperatura do universo era de mill ns de graos e estaba composto por fot ns, electr ns, positr ns, neutrinos, antineutrinos, prot ns e neutr ns. Segundo vai descendendo a temperatura, a creaci n de pares de electr ns e positr ns deixa de ser posible e estes aniqu lanse entre si deixando un remanente de electr ns debido mencionada asimetr a materia-antimateria. Os neutrinos e os antineutrinos, en virtude do car cter tan feble da forza con que interaccionan, non se aniquilan e quedan poboando o universo de forma similar s fot ns que forman a radiaci n de fondo de microondas. Este remanente desa Žpoca Ž dif cil de observar debido enorme dificultade que entra a a detecci n de neutrinos, e ata hoxe non se te en indicios experimentais da sœa existencia. Aproximadamente cen segundos despois do big bang, a temperatura era de mill ns de graos. A esta temperatura os prot ns e os neutr ns comezan a combinarse en nœcleos de deuterio que pola sœa vez se combinan con m is prot ns e neutr ns para formaren nœcleos de helio e outros menos lixeiros como os de litio e berilio. Os modelos actuais que describen as interacci ns fundamentais fan unha predicci n para a producci n de helio nesta Žpoca que, como xa se indicou, Ž consistente coa observada experimentalmente. ƒ importante destacar que, nestas predicci ns, un ingrediente importante Ž o nœmero de especies de neutrinos. Sabemos a partir dos experimentos realizados no CERN nesta œltima džcada que s existen tres especies, valor que concorda perfectamente coa abundancia de helio observada. A producci n de helio e dos demais elementos lixeiros tivo lugar durante as primeiras horas posteriores big bang. Despois, longo dos cen mil anos seguintes, o universo seguiu expand ndose ata que a temperatura descendeu a uns poucos miles de graos, temperatura cal os electr ns non dispo an de enerx a suficiente para vence-la interacci n electromagnžtica, combin ndose consecuentemente en tomos. Cando este proceso se completou xa non exist an part culas cargadas e a interacci n entre fot ns e materia reduciuse considerablemente. Prodœcese ent n o desencaixamento da materia e da radiaci n, non existe o equilibrio tžrmico entre elas. A radiaci n evoluciona en equilibrio tžrmico por si mesma ata os nosos d as deixando unha pegada clara na radiaci n de fondo de microondas. A partir dos cen mil anos comezan a aparecer no universo pequenas variaci ns da densidade na distribuci n da materia que conducen formaci n de galaxias. Conforme transcorre

137 Astrofísica e Cosmoloxía 137 o tempo, o gas de hidr xeno e helio das galaxias disgržgase en nubes m is pequenas que comezan a colapsarse e a xerar estrelas. Hai uns mill ns de anos produciuse o colapso dunha nube de gas que deu lugar a unha insignificante estrela nun dos brazos dunha galaxia. Esta estrela ti a un planeta no que despois de transcorridos uns cantos centos de mill ns de anos empezaron a producirse reacci ns qu - micas nos seus ocžanos que induciron un fen meno co ecido como a vida. Correron mill ns de anos, e logo de produc rense complexos procesos de natureza biol xica, apareceron criaturas intelixentes nese planeta. Estas criaturas puxžronlle o nome Sol estrela e V a L ctea galaxia, e nun per odo relativamente curto de tempo foron quen de descubrir c mo evolucionara o universo do que fac an parte. A INFLACIÓN O modelo est ndar cosmol xico que describimos ten algœns problemas inherentes. Podemos preguntarnos por exemplo por quž o universo Ž tan uniforme como se nos presenta. Observamos zonas do universo que semellan basicamente iguais, tan separadas unha doutra que a luz non tivo tempo para viaxar entre elas. Non foi posible que a luz puidera flu r para iguala-las sœas respectivas densidades e temperaturas. Como consecuencia, a uniformidade observada tivo que precede-la expansi n. Outra pregunta que pon en dificultades o modelo est ndar cosmol xico Ž por quž a velocidade de expansi n do universo Ž a que Ž, xusto a suficiente para contrarresta-lo efecto de atracci n exercido pola forza gravitatoria conxunta de toda a materia presente no universo. ƒ preciso facer un axuste moi fino nas condici ns temper s do universo para que este, despois do longo per odo de tempo transcorrido, non terminara nun enorme colapso ou nunha expansi n tan r pida que non deixar a que se orixinaran as estrelas e as galaxias. O mesmo ca no caso das fluctuaci ns, Ž moito m is satisfactorio dispo er dun modelo que non precise duns axustes tan finos para poder predici-la situaci n actual, un modelo no que o universo observado sexa un producto natural baixo unha ampla banda de condici ns nun pasado remoto. As limitaci ns descritas non invalidan o modelo est ndar cosmol xico pero si apuntan a sœa inconclusi n. Co obxectivo de completalo, nos anos oitenta propœxose a teor a da inflaci n. Esta teor a postula que o universo atravesou nas sœas Žpocas m is temper s un estado de expansi n moi r pida, de a o nome de inflaci n. Contrariamente caso est ndar no que a expansi n se deceleraba co tempo, segundo a nova teor a a expansi n aceler base durante un certo per odo de tempo, inducindo un distanciamento entre os obxectos cada vez m is r pido. O propio espacio se expand a m is r pido c velocidade da luz, estando os obxectos quietos respecto espacio e, polo tanto, sen entrar en contradicci n coa relatividade. Debido a esa expansi n primordial, as part culas puideron estar nalgœn

138 138 José M. Fernández de Labastida y del Olmo momento tan preto unhas doutras que nese estado ti an densidades e temperaturas comœns. M is tarde, durante a inflaci n, algunhas partes do universo perderon contacto. O modelo pred as mesmo un universo plano, do tipo terceiro entre os tres descritos anteriormente. Desde os oitenta ten habido observaci ns que parec an desbota-la posibilidade dun universo plano, e a teor a da inflaci n sufriu diversas modificaci ns. Na actualidade, gran parte da comunidade cient fica opina que dunha ou doutra forma houbo un per odo de inflaci n que de forma natural explica por quž o universo onde vivimos Ž o que Ž no contexto do modelo est ndar cosmol xico. Por outra parte, observaci ns moi recentes apuntan a confirmaci n de que, en efecto, o universo Ž plano. 4. AS PREGUNTAS No comezo dun sžculo como no que estamos inmersos, despois do balance do progreso acontecido no que agora remata, Ž natural preguntarse c les son as grandes cuesti ns pendentes. Emprender unha tarefa deste tipo entra a grandes riscos. Practicamente t dalas preguntas que nos fixeramos no ano 1900 ser an consideradas como irrelevantes uns anos despois. Sen embargo, a situaci n non Ž a mesma. O avance da ciencia que se produciu no sžculo XX supera de sobra o de t dolos sžculos anteriores xuntos. Estamos polo tanto nunha posici n vantaxosa para atrevernos a facer preguntas sen que estas queden f ra de lugar nuns poucos anos. ÀSaberemos facer uso desta vantaxe? Un dos problemas fundamentais que habemos de enfrontarnos Ž o da materia escura. As observaci ns indican que practicamente o noventa por cento da materia do universo non se manifesta nunha forma que deramos detectado experimentalmente. Ten habido moitas especulaci ns sobre a natureza deste tipo de materia pero ningunha resultou conclu nte. Este problema aparece mesturado co da constante cosmol xica que agora brevemente describimos. As ecuaci ns da relatividade xeral poden inclu r un termo adicional caracterizado por unha constante que se denomina constante cosmol xica. Este termo introduciuno Einstein para que estas ecuaci ns puideran ter soluci ns con universos est ticos, acorde co que se cr a na sœa Žpoca. Unha vez que se fixo firme a lei de Hubble, que favorec a un universo en expansi n, esta constante resultou inc moda e intentouse durante moitos anos encontrar algunha explicaci n para que sexa tan pequena, consonte se segue das observaci ns experimentais. Todo parece indicar que a resposta a preguntas como as da materia escura e a da constante cosmol xica poden estar encerradas en problemas de ndole m is formal ou fundamental como Ž o da gravidade cu ntica. A Teor a Xeral da Relatividade que describe a interacci n gravitatoria

139 Astrofísica e Cosmoloxía 139 mostrouse intransixente coa Mec nica cu ntica, ag s nos t midos avances que se fixeron sobre os aspectos cu nticos dos buratos negros. Non se disp n polo de agora dunha teor a cu ntica da gravidade completa pero si existe unha candidata moi notable: a teor a de cordas. Esta teor a, amais de cumprir esa funci n, tamžn proporciona un marco no que as catro interacci ns fundamentais se encontran unificadas, unha das metas m is perseguidas nas œltimas džcadas polos f sicos te ricos. Na teor a de cordas, os obxectos b sicos non son part culas puntuais sen n obxectos que posœen unha lonxitude intr nseca, similares a anacos infinitamente delgados de cordas. Os modos de vibraci n destas cordas, semellantes s notas que emite unha corda de viol n, son as part culas elementais. As cordas te en polo tanto unha infinidade de part culas; sen embargo, s unhas poucas te en masas lixeiras, que ser an as relacionadas m is directamente coas part - culas que co ecemos. A teor a de cordas pode albergar no seu seo o modelo est ndar das part culas elementais, que con tanta precisi n se verificou experimentalmente. Isto Ž unha propiedade importante desta teor a pero a fundamental Ž que tamžn contžn a Teor a da Relatividade Xeral. Polo momento non sabemos moito da teor a de cordas, se ben na œltima džcada lžvanse feito importantes progresos. Esta teor a foi capaz de ofrecer unha descrici n microsc pica dalgœns tipos de buratos negros, feito que non se lograra anteriormente. Queda moito que avanzar no desenvolvemento da teor a de cordas, e con seguridade ha ser un dos campos de estudio m is importante dos f sicos te ricos en gran parte do sžculo que agora comeza. Dela pode nacer unha explicaci n do que ocorreu no noso universo en tempos da orde do tempo de Planck que evite a singularidade e que, a nda que non resolva a pregunta de quž hab a antes do big bang, te a como consecuencia, por exemplo, a irrelevancia desta. O novo modelo desa etapa tan temper que poder a emerxer ter que afronta-la resoluci n doutras preguntas que est n a nda sen contestar, desde a orixe da materia escura ou a descrici n da Žpoca de inflaci n, ata a explicaci n da asimetr a entre a materia e a antimateria. Desde un punto de vista de observaci n, os retos son tamžn enormes. Discernir se o noso universo Ž pechado ou aberto Ž un deles. Recentemente acheg ronse novos datos, os do proxecto Boomerang, que favorecer an un universo plano. ƒ dicir, parece que a densidade do noso universo Ž aproximadamente a densidade cr tica que fai que o universo se expanda indefinidamente pero ritmo m is lento posible. Estes resultados est n de acordo cos modelos de inflaci n m is pioneiros. Outro reto importante Ž observa-la distribuci n de neutrinos de fondo remanentes das primeiras Žpocas da evoluci n do noso universo. Un campo importante que merece a atenci n de f sicos experimentais e te ricos, no que sen dœbida se far un notable esforzo nos anos vindeiros, Ž o

140 140 José M. Fernández de Labastida y del Olmo dos raios c smicos. Por este nome co Žcense os fen menos producidos por part culas a moi altas enerx as que penetran a atmosfera terrestre. A nda que non son moitas, o fluxo destas part culas Ž elevado abondo como para poder ser observadas experimentalmente. O seu estudio Ž moi importante porque se trata de procesos de moi altas enerx as, hoxe por hoxe irreproducibles nos aceleradores dos laboratorios de f sica de altas enerx as. Por œltimo, enlazando cos aspectos m is especulativos, podemos preguntarnos se, tal e como parece predicir unha descrici n do comezo do universo baseado na teor a de cordas, o universo constaba inicialmente de m is das catro dimensi ns, tres espaciais e unha temporal, que agora co ecemos. Se esta teor a Ž a apropiada, esa propiedade Ž inevitable. Un universo cunha dimensi n espacial superior a tres Ž dif cil de imaxinar. Se tivesemos que acepta-la sœa existencia, o importante ser a ser capaces de estudia-la teor a ata o punto de que puidesemos identifica-las pegadas que disto deber an permanecer hoxe. A sœa observaci n, as como a doutros posibles tipos de rastros relacionados coa teor a de cordas, constituir an uns dos grandes retos experimentais nas pr ximas džcadas. Pero primeiro hai que predicilas. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA Bowers, Richard L., e Terry Deeming, Astrophysics, Boston, Jones and Bartlett, Hawking, Stephen, Historia del tiempo: del big bang a los agujeros negros, Madrid, Alianza, D. L Silk, Joseph, The Big Bang, Nova York, W. H. Freeman and Company, Thorne, Kip S., Agujeros negros y tiempo curvo: el escandaloso legado de Einstein, Nova York, W. W. Norton and Company, Wald, Robert M., Space, Time and Gravity, Chicago, The Chicago University Press, Weinberg, Steven, Los Tres primeros minutos del universo, Madrid, Alianza, D. L. 1996, (1977).

141 141 QUÍMICA: BALANCE DUN SÉCULO M. Arturo L pez Quintela* Universidade de Santiago de Compostela A nosa maneira de vivir, pero tamžn Ñe m is importanteñ a nosa filosof a e maila nosa concepci n da vida, mudaron por completo neste œltimo sžculo. A nosa actual concepci n do mundo (no que por suposto nos inclu - mos) Ž dif cil de entender sen ter en conta os recursos tecnol xicos e os avances cient ficos tan extraordinarios que se te en dado nos œltimos cen anos. ÀComo se pode entende-la nosa forma de vida sen estes cada vez m is r pidos e ÔmemoriadosÕ ordenadores, a nda que sigan sendo sumamente ÔtontosÕ?, Àcomo se pode concibi-la vida actual sen t dolos medios de transporte?, Àcomo se entende a existencia sen te-la oportunidade de vibrar coa nosa mœsica m is querida almacenada dixitalmente nestes planos CD?, e Àque poderiamos facer sen os materiais que utilizamos decote para vestirnos, sentarnos, calzarnos, para gozar das nosas afecci ns, para facer e illa-las nosas casas, etc.? Sen os grandes avances das ciencias e m is concretamente da Qu mica, que tiveron lugar neste œltimo sžculo, nada disto ter a sido posible. A Qu mica era, a principios de sžculo, pouco m is que unha serie de leis e receitas emp ricas obtidas a partir de experimentos realizados en precarias condici ns. As leis cl sicas da F sica impo an un marco extremadamente r xido posible interpretaci n dos experimentos que comezaron a realizarse ent n. Axi a se observou que aquelas leis cl sicas Ñpensadas como inmutablesñ non s non permit an explica-los feitos experimentais da Qu mica sen n que, a nda peor, moitas veces parec an estar en franca contradicci n con eles. En poucos anos, a presi n dos feitos experimentais en contra das leis cl sicas foi tan grande que unha enorme explosi n de novas ideas comezou a aparecer por t dalas partes deitando o novo zume que hab a cambiar por completo a nosa concepci n da Qu mica, das Ciencias Naturais e, en definitiva, a nosa concepci n do mundo. * Catedrático de Química-Física. Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

142 142 M. Arturo López Quintela Ocupar anos moito tempo e espacio realizar unha descrici n pormenorizada de t dolos avances importantes que se deron na Qu mica durante este sžculo. Por iso ofreceremos neste artigo unha visi n moi personalizada Ña nda que xeralñ do que consideramos que foi crucial no desenvolvemento desta fermosa ciencia. E molo facer esquematizando estes avances por reas tem ticas segundo unha certa orde cronol xica. Primeiramente comentaržmo-los pasos m is decisivos que houbo que dar para senta-las bases da Qu mica cu ntica. Era dif cil, a principios do sžculo XX, atopar unha explicaci n razoable Ñpartindo dos postulados da Mec nica cl sicañ para un nœmero cada vez m is importante de experimentos que se foran realizando longo deses primeiros anos. Max Planck soubo dar un paso esencial Ñe arriscado para o seu tempoñ considerar que a enerx a era unha variable non continua: a enerx a est cuantizada en paquetes (cuantos) de valor h, sendo a frecuencia da onda de enerx a e h unha constante que recibir a por iso o nome de constante de Planck. En seguida se observa que a idea de Planck Ž excelente e comeza a aclararse o escuro e desesperanzador panorama que a Mec nica cl sica deixara no seu intento de explica-lo mundo dos tomos e as molžculas. Einstein aplica con notable Žxito as ideas de Planck para explica-lo efecto fotoelžctrico e a capacidade calor fica dos s lidos, e Bohr desenvolve unha primeira Ña nda que err neañ idea moi intuitiva de c mo poder a ser o tomo. Sen embargo, as cousas non eran tan doadas. O pensamento cl sico lineal estaba moi arraigado e nesas condici ns era moi dif cil avanzar. Cr ase que no mundo at mico un poder a atopar unha ecuaci n (igual ca no mundo cl sico) a partir da cal obteri mo-la informaci n que procurabamos. Heisenberg foi o encargado de botar abaixo esta idea impo er certas condici ns: existen variables conxugadas non compatibles (por exemplo, posici n e momento; enerx a e tempo, etc.), de xeito que se co ecemos unha desas variables con suficiente precisi n, automaticamente perdemos toda a informaci n precisa respecto da outra variable. Houbo ent n que renunciar concepto do ÔprecisoÕ e o ÔdeterminadoÕ, e substitu los polo ÔindeterminadoÕ e ÔimprecisoÕ introducindo para isto a ÔprobabilidadeÕ. Xa non poderiamos falar dunha ecuaci n que predixera nde se atopa un determinado electr n dun tomo nun intre particular, sen n que deberiamos conformarnos con co ece-la probabilidade de encontrar ese electr n nunha rexi n determinada do espacio. Este importante aspecto non se pode pasar por alto, pois sup n un reco ecemento impl cito da nosa limitaci n respecto co ecemento que podemos posu r das partes m is pequenas da materia. Era dif cil aceptar esta idea, mesmo para aqueles que contribu ran dun xeito ou doutro sœa concepci n, como por exemplo Einstein, que sempre se rebelar a contra as consecuencias das sœas propias teor as.

143 Química: balance dun século 143 Por se isto non abondase, un novo feito, ligado coa natureza das cousas (entžndase, por exemplo, a natureza dun electr n ou dun neutr n ou dun fot n de radiaci n) vir a complicar a nda m is o problema. Moitos experimentos realizados cos tomos e molžculas daban a entender que os electr ns eran corpœsculos moi pequenos cunha masa determinada (e polo tanto localizada xalundes no espacio). Pero, por outra parte, outros experimentos requir an, sorprendentemente, para a sœa explicaci n que os electr ns foran tratados como ondas. Cando se pensa nunha onda, automaticamente se lle asocia unha extensi n espacial porque as ondas ve en determinadas pola sœa frecuencia, que representa a repetici n dun per odo espacial na unidade de tempo. Pero ent n, Àcomo encaixar esta idea de onda coa da part cula (algo moi concreto e localizado no espacio)? De Broglie deu o primeiro paso na busca dunha explicaci n introducindo a hip tese Ñm is tarde confirmadañ de que a toda part cula se lle pode asociar unha onda cunha frecuencia caracter stica. Con todo, isto non aclara a dœbida anterior pois non se trata de que unha entidade (a part cula) leve consigo outra entidade (onda). Nese caso, tratar ase de dœas entidades conxuntas. Non Ž as : s existe unha œnica entidade e por iso, anos m is tarde, acu ar ase para ela a inimaxinable (polo menos para min) expresi n: Ôentidade onda-corpœsculoõ. Logo de andar manexando este concepto durante o resto deste sžculo e ver que si interpreta adecuadamente os feitos experimentais, seguimos (Áe, moi probablemente, seguiremos!) pregunt ndonos quž pode ser algo que reœna como esencia do seu ser dous conceptos aparentemente contrarios. Pero deixemos este dif cil interrogante nunha parte da nosa mente (para pensar quizais niso, de vez en cando) e sigamos co noso breve percorrido polo mundo at mico-molecular. E. Schršdinger ser a o encargado de introducir, en xaneiro de 1926, a ecuaci n que os qu micos vi an buscando desde moito tempo atr s: unha ecuaci n a partir da cal se puidera co ecer todo acerca dese tomo ou molžcula, ben Ž certo que coas limitaci ns que mencionamos, Ž dicir, Ž unha ecuaci n de probabilidades e non conduce m is que obtenci n de funci ns de onda, e o seu cadrado d nos probabilidades de encontra-los electr ns (orbitais). Felices coa ecuaci n de Schršdinger debaixo do brazo, os qu - micos ti an por primeira vez unha ferramenta coa cal se poder an non s interpretar t dolos feitos experimentais co ecidos ata ent n, sen n Ñe m is importanteñ predicir outros novos desde a nosa mesa de despacho sen necesidade de ir laboratorio. ÀNon era isto como o descubrimento da pedra filosofal coa que moitos so aran? Con todo, a euforia inicial pouco hab a durar de novo. En primeiro lugar, a ecuaci n de Schršdinger non permite explicar determinados fen menos relativistas. Isto non obstante foi resolvido por

144 144 M. Arturo López Quintela P. A. M. Dirac quen, en 1928, descubriu a ecuaci n relativista mecanocu ntica que lle permitiu predici-la existencia do spin do electr n. Este concepto fora anteriormente proposto por Uhlenbeck e Goudsmit para explicar algunhas observaci ns realizadas en espectros at micos. E, outra volta, aparece unha interrogante: Àque Ž realmente ese spin? Certamente podemos dicir que o spin Ž un momento angular intr nseco que posœen as ondas-part culas elementais. Dunha forma non moi precisa, poder ase pensar nel como nun momento angular debido xiro da part cula sobre o seu propio eixe, pero esta imaxe non Ž correcta pois o spin non Ž un efecto cl sico. De novo debemos asumi-la nosa limitaci n respecto representaci n ou imaxe que este concepto representa. Posteriormente observar ase tamžn que aquelas part culas que posœen spin enteiro (en unidades da constante reducida de Planck) obedecen estat stica de Bose-Einstein (vžxase m is adiante) e non hai restricci n en canto nœmero de part culas que poden existir nun determinado nivel enerxžtico, mentres aquelas que posœen spins semienteiros (electr ns, por exemplo) responden estat stica de Fermi-Dirac, sen que poida haber m is dunha part - cula por nivel cu ntico de enerx a (Principio de exclusi n de Pauli). Por outra parte, pronto se viu que, a nda que se dispo a dunha ecuaci n para dar resposta s nosas preguntas, s eramos capaces de resolve-la ecuaci n para situaci ns sumamente sinxelas. Para sermos m is precisos, a ecuaci n de Schršdinger s se pode resolver de forma exacta para o tomo de hidr xeno ou i ns hidroxenoides (aqueles que posœen unicamente un s electr n), pois a presencia de termos correspondentes s interacci ns interelectr nicas fai inviable a sœa resoluci n anal tica. ƒ necesario ent n introducir aproximaci ns para a aplicaci n da ecuaci n de Schršdinger a casos concretos. D. R. Hartree e V. Fock idearon un mžtodo iterativo (mžtodo de campo autoconsistente) para resolver de forma aproximada a ecuaci n e poder as ser aplicada a casos m is complexos. A aproximaci n Hartree-Fock (H-F) transformaba a ecuaci n irresoluble de Schršdinger para n electr ns en n ecuaci ns resolubles, unha para cada electr n. En 1951 Roothaan demostrou que a maneira m is conveniente de expresa-los orbitais utilizados na aproximaci n H-F Ž en forma de combinaci n lineal dun conxunto de funci ns, denominadas Ôfunci ns baseõ. O qu mico desexar a, sen embargo, poder aplica-la ecuaci n de Schršdinger a molžculas, e para iso c mpre introducir novas aproximaci ns. A aproximaci n de Born- -Oppenheimer considera de forma correcta que os electr ns se moven moito m is de pržsa c s nœcleos, o que permite resolve-la ecuaci n de ondas para os electr ns mantendo fixas as posici ns dos nœcleos. Emporiso, dentro desta aproximaci n Ž necesario realizar a nda outras para poder levar a bo termo o estudio de molžculas.

145 Química: balance dun século 145 Un paso importante foi a aplicaci n a molžculas do mžtodo autoconsistente H-F; pero isto s foi posible a partir dos anos sesenta mediante o uso de ordenadores. Como as molžculas est n compostas por tomos enlazados, util zanse orbitais at micos (OA) como funci ns base e cada orbital molecular (OM) expržsase ent n como unha combinaci n lineal de OA (aproximaci n CLOA). Esta aproximaci n introducida por Mulliken e Hund ser a de grande importancia para o co ecemento do enlace qu mico. A contribuci n de cada OA na combinaci n CLOA calcœlase ent n resolvendo as ecuaci ns H-F. Neste campo hai que reco ece-lo gran labor levado a cabo por J. A. Pople, que desenvolveu a maior parte dos mžtodos computacionais utilizando funci ns gaussianas (Programas GAUSSIAN) como funci ns base, m is doados de integrar c s m is precisos orbitais at micos (funci ns de Slater). A nda que con estes procedementos se necesita utilizar un maior nœmero de funci ns base para Ôconstru rõ a molžcula, redœcense en cambio de forma moi notable os tempos de c lculo. Os estudios te ricos de molžculas realizados nos termos descritos denom nanse c lculos ab initio e son os m is usados na actualidade, gracias desenvolvemento dos cada vez m is r pidos ordenadores. Sen embargo, polas dificultades de c lculo, sobre todo cando as molžculas posœen moitos tomos ou estes te en un peso at mico alto (posœen polo tanto un elevado nœmero de electr ns), faise necesario realizar aproximaci ns para resolver algunhas das integrais m is dif ciles que aparecen no c lculo. Algunhas destas integrais poden ser avaliadas experimentalmente (por exemplo, mediante mžtodos espectrosc picos) e outras poden ser introducidas como par metros axustables, evitando as o seu custoso c lculo. Os mžtodos que realizan estas aproximaci ns denom nanse mžtodos semi- -emp ricos e foron os m is usados durante a primeira metade do sžculo XX. Debemos destacar aqu, dentro destes mžtodos, unha aproximaci n que conseguiu notables Žxitos no estudio de molžculas con enlaces pi, desenvolvida por E. HŸckel a principios dos anos trinta e que se co ece como aproximaci n HŸckel, consistente en tratar de forma independente os electr ns sigma e pi das molžculas. Antes de finalizar esta r pida visi n das orixes da Qu mica cu ntica debemos destaca-la aparici n, nos derradeiros anos do sžculo, da tžcnica do funcional de densidade Ñdebido fundamentalmente a W. KohnÑ que permitiu dar un salto cuantitativo importante no tama o dos sistemas estudiados e abriu as portas estudio cuantitativo dos s lidos nanoestructurados que, por posu ren un nœmero elevado de tomos (normalmente pesados) eran dif ciles de abordar polos mžtodos antes mencionados. Fixemos referencia s dificultades que ten a resoluci n da ecuaci n de ondas para un sistema tan ÔsimpleÕ como unha molžcula de varios tomos.

146 146 M. Arturo López Quintela Pero o qu mico ten que enfrontarse normalmente co comportamento, non dunha molžcula, sen n dun nœmero moi elevado delas (da orde dun mol, Ž dicir, aproximadamente molžculas). Ben Ž certo que ser a totalmente absurdo resolver unha ecuaci n de ondas que contivese a informaci n de todo ese elevado nœmero de molžculas. A nda que puidesemos resolve-la dita ecuaci n, de pouco nos hab a servir, pois far anos falta m is tempo c idade actual estimada do universo para imprimir toda a informaci n. ÁCanto tempo necesitariamos despois para procesala no noso finito cerebro! Por iso, desde principios de sžculo desenvolveuse unha disciplina coa intenci n de uni-las propiedades dun tomo ou molžcula (obxectivo da Qu mica cu ntica que acabamos de sinalar) coas dos sistemas macrosc picos e que se denomina Mec nica estat stica. Sen esta extraordinaria ferramenta pouco poder a dicir hoxe en d a a Qu mica verbo dos seus compostos e das reacci ns entre eles. Os nomes de Maxwell, Boltzmann e Gibbs est n ligados evoluci n desta rea. Ser a Boltzmann o encargado de desenvolve-la estat stica que leva o seu nome e que permite estudia-lo comportamento dun sistema formado por un nœmero elevado de part culas distinguibles, co ecido o comportamento das part culas individuais. Esta estat stica haber a ser ampliada por Fermi e Dirac (para a sœa aplicaci n a fermi ns, como por Enrico Fermi no laboratorio da Universidade de Roma.

147 Química: balance dun século 147 exemplo os electr ns) e por Bose e Einstein (para a sœa aplicaci n a bos ns, como por exemplo os fot ns). Os primeiros Žxitos da Mec nica estat stica foron impresionantes. As, a modo de exemplo, a entrop a est ndar do He calculada a partir da Mec nica estat stica (30.11 u. e.), coincid a de forma case exacta coa determinada experimentalmente (30.13 u. e.). Mediante sinxelos modelos utilizados para describi-las molžculas individuais (como o rotor r xido ou o oscilador harm nico), a Mec nica estat stica puido, en poucos anos, abordar con suma elegancia o c lculo de magnitudes tan complexas e variadas como constantes de equilibrio en fase gasosa ou capacidades calor ficas (e a sœa dependencia coa temperatura) de s lidos cristalinos. Neste œltimo cap tulo son destacables as achegas de Einstein e Debye con cadansœa teor a que levan os seus respectivos nomes. A pesar dese Žxito, as limitaci ns da Mec nica estat stica fixžronse notar axi a polas mesmas raz ns c s aludidas para a Qu mica cu ntica. Co Žcense perfectamente hoxe en d a as ecuaci ns que hai que utilizar para obte-lo comportamento estat stico dunha cantidade elevada (por exemplo, un mol) de calquera substancia en equilibrio. Sen embargo, o problema reside de novo no c lculo. Este c lculo p dese levar a cabo de forma relativamente simple cando o sistema Ž ideal, Ž dicir, cando non existen interacci ns entre as molžculas (ou tomos, i ns, etc.) do sistema. Sen embargo, cando existen interacci ns (como sucede nun gas real ou nun l quido) resulta imposible resolve-las integrais que aparecen (integral de configuraci n). Ornstein e Zernicke, no ano 1914, desenvolveron un mžtodo aproximado para ter en conta estas interacci ns, que resultar a importante para o co ecemento non s de l quidos sinxelos e as sœas mesturas, sen n tamžn para disoluci ns m is complexas, como poden se-las disoluci ns de pol meros e coloides. Unha das aplicaci ns m is importantes da Mec nica estat stica foi o estudio de disoluci ns de electr litos, de extraordinaria importancia para o desenvolvemento te rico da electroqu mica. Debye e HŸckel, introducindo diferentes simplificaci ns, deron resolvido a ecuaci n non lineal que Boltzmann derivara a partir da ecuaci n de Poisson para o estudio dunha disoluci n de i ns. A teor a de Debye- -HŸckel Ž capaz de describir de forma correcta as propiedades termodin micas de calquera disoluci n de electr lito fortes, a nda que Ž exacta s no l mite de concentraci ns moi dilu das dos i ns. Ata aqu falamos unicamente de sistemas (molžculas, tomos, i ns, disoluci ns...) que est n en equilibrio, pero o qu mico est moito m is interesado nas transformaci ns das substancias, Ž dicir, nas reacci ns qu micas e, xa que logo, en sistemas que non se atopan en equilibrio. O formidable problema co que se enfrontaron os nosos proxenitores do sžculo pasado era tratar de obter uns postulados (e por

148 148 M. Arturo López Quintela conseguinte unhas ecuaci ns) que permitiran aborda-los sistemas en desequilibrio, da mesma forma que xa se fixera para os sistemas en equilibrio (como se acaba de comentar). Isto resultar a moito m is dif cil. Tanto Ž as que a nda hoxe en d a est por resolver de forma definitiva esta cuesti n e non existe un tratamento œnico respecto. Logo habemos volver sobre isto. Polo momento diremos que Ñcomo ten pasado moitas veces na cienciañ tivo que xurdir unha idea ÔsimpleÕ e extraordinariamente intuitiva para que a ciencia das reacci ns qu - micas (CinŽtica qu mica) puidera avanzar como o fixeron as outras ramas da Qu mica durante o sžculo XX. î non existir unha ecuaci n minimamente manexable que se puidera aplicar a partir duns poucos postulados como se fixera na Qu mica cu ntica e na Mec nica estat stica, Eyring introduciu a xenial idea da existencia dun case- -equilibrio entre reactivos e productos e unha ÔespecieÕ intermedia denominada complexo activado ou estado de transici n. Habendo xa un equilibrio polo medio, poder ase ent n utilizar toda a maquinaria desenvolvida pola Mec nica estat stica estudio das reacci ns qu micas. Desde aquela houbo moit simos estudios tendentes a explicar por quž esta sinxela idea daba Ñe d Ñ na pr ctica tan bos resultados. O achado orixinal de Eyring pode considerarse como a pedra fundamental na que se basea practicamente todo o co ecemento actual das reacci ns qu - micas. A idea da existencia deste complexo activado (ou estado de transici n) foi comprobada teoricamente mediante c lculos rigorosos realizados en reacci ns sinxelas. Como reacci n b sica de estudio pode tomarse a formaci n da molžcula de H 2 a partir dos seus tomos, que non Ž m is que o problema da formaci n do enlace entre dous tomos de hidr xeno. Normalmente faise estudiando a reacci n: H + H 2 H 2 + H (colisi n dun tomo de hidr xeno cunha molžcula para intercambiar un tomo de hidr xeno). O problema p dese descompo er en dœas partes: primeiro ab rdase o estudio da superficie de enerx a potencial resolvendo a ecuaci n de Schršdinger para distintas posici ns dos tomos, cuesti n que pode ser acometida polos procedementos que vimos na Qu mica cu ntica. Despois estœdiase o movemento dos tomos (nœcleos) nesa superficie de enerx a potencial creada pola densidade dos electr ns. Para ese movemento p dese supo er que os tomos seguen as leis cl sicas (os efectos cu nticos son desprezables ag s en casos moi concretos a baixas temperaturas). Pode comprenderse a dificultade enorme que sup n este procedemento: 1¼) a dificultade de resolver por algœn procedemento ab initio toda a curva de enerx a potencial do sistema (Ánon s o m nimo de enerx a!); isto leva consigo dificultades como a determinaci n do Ôpunto cadeiraõ (que representa un m nimo dentro dun m ximo), co que complica adicionalmente a

149 Química: balance dun século 149 converxencia dos mžtodos autoconsistentes utilizados; 2¼) a dificultade de realizar sobre esta superficie un c lculo do movemento dos tomos para obter inicialmente as colisi ns entre eles e Ñachando a media das colisi ns mediante os procedementos da Mec nica estat sticañ obter finalmente a constante de velocidade. London e o propio Eyring, entre outros, desenvolveron mžtodos semiemp ricos para simplifica-los c lculos. Un avance importante neste campo, que poderiamos denominar Qu mica te rica das reacci ns qu - micas, produciuse co desenvolvemento experimental dos feixes moleculares, que permitiu estudiar reacci ns con molžculas en determinados estados enerxžticos (de translaci n, electr nicos, de vibraci n e mesmo de rotaci n) realiz ndose colisi ns a ngulos fixados e determinando os productos (con resoluci n enerxžtica) que se obte en tamžn en funci n do ngulo. Polas dificultades comentadas, o estudio da reacci n qu mica tivo que centrarse case exclusivamente no marco da teor a do estado de transici n, desenvolvžndose diferentes aproximaci ns segundo o tipo de reacci ns involucradas. Iso constitu u un pequeno problema pola atomizaci n dos mžtodos utilizados. Non obstante, existen algunhas aproximaci ns que demostraron ter unha validez bastante xeral e que son as que brevemente comentaremos. En primeiro lugar, debemos destaca-los traballos de R. B. Woodward que, xunto con R. Hoffman, desenvolveu a Teor a da Conservaci n da Simetr a Orbital, de extraordinaria importancia para comprende-la reacci n qu mica. Esta teor a desenvolveuse sobre a base da Teor a de OM, introducindo a idea de que nas reacci ns concertadas ha conservarse a simetr a orbital. Este, en principio, simple postulado foi un punto de apoio para comprende-los mecanismos de reacci n na Qu mica org nica e abriu na metade do sžculo pasado un cami o racional e elegante para sintetizar novos compostos. A Qu mica org nica pasaba as de ser unha ciencia case exclusivamente emp rica a ser unha ciencia na que se pod a planificar e executa-la s ntese dunha molžcula en termos concretos baseados en mecanismos de reacci n. A combinaci n da teor a do estado de transici n e a teor a de OM iniciada por Ingold nos anos trinta, xunto coa conservaci n da simetr a orbital conduciron a un esquema de traballo no que Woodward foi un verdadeiro mestre que abriu o cami o para chegar s complexas s nteses que hoxe somos capaces de apreciar nos laboratorios org nicos de todo o mundo e que podemos definir como autžntica arquitectura molecular. Dentro do cap tulo de reacci ns en disoluci n debemos destaca-los traballos de P. Debye, J. N. Bronsted e N. Bjerrum, que introduciron a teor a de Debye-HŸckel dos coeficientes de actividade de disoluci ns de electr litos na estimaci n dos cambios entr picos que te en lugar durante a formaci n do complexo activado (estado de transici n). Estes traballos foron de

150 150 M. Arturo López Quintela grande importancia para comprende-la cat lise cido-base, tan importante en qu mica. L. Michaelis e M. L. Menten, no temper n ano de 1913, introduciron un esquema moi sinxelo para explica-la cat lise enzim tica. Este esquema, que se baseaba na formaci n dun complexo enzima-substrato como paso previo para a formaci n dos productos, resultou se-la base da maior a dos mecanismos de reacci n desenvolvidos para comprender este importante cap tulo da Bioqu mica moderna. Un esquema similar a este ser a o estudiado algœns anos m is tarde por I. Langmuir para explica-la cat lise heteroxžnea, engadindo a idea de que agora o nœmero de molžculas de reactivo que se poden unir catalizador para forma-lo complexo de adsorci n pode ser maior ca un e vžn limitado unicamente pola superficie do catalizador. Con isto, Langmuir dar a a primeira explicaci n satisfactoria das isotermas de adsorci n. Dentro das reacci ns de transferencia electr nica, o simple concepto acu ado por R. A. Marcus acerca das curvas de enerx a potencial, encadrado na Teor a do Estado de Transici n, foi decisivo para comprender reacci ns tan variadas como: reacci ns redox, reacci ns de transferencia electr nica en procesos biol xicos, reacci ns electroqu micas, etc. Antes de abandona-lo extenso cap tulo da cinžtica qu mica, debemos destacar dous feitos moi importantes que tiveron lugar neste sžculo: por unha parte, o descubrimento das tžcnicas de relaxaci n por M. Eigen, nos anos cincuenta, conduciu desenvolvemento dun gran nœmero de tžcnicas experimentais para o estudio de reacci ns r pidas (reacci ns que transcorren en tempos inferiores milisegundo, Ž dicir, inferiores tempo de mestura dos reactivos). Reacci ns moi r pidas, como as de transferencia prot nica ou electr nica, de tanta importancia nos organismos vivos, foron desta forma estudiadas en detalle e contribu ron de maneira decisiva avance dos nosos co ecementos sobre a qu mica da materia viva. En segundo lugar, B. B. Belousov e A. M. Zhabotinski descubriron Ñnon sen pasar, o primeiro, longas penas para que os seus resultados foran aceptados pola comunidade cient ficañ, tamžn arredor dos anos cincuenta, as reacci ns oscilantes (figura 1). Estas reacci ns, que parecen a primeira vista contradici-las leis da termodin mica, foron a base para comprender c mo a materia pode autoorganizarse formando estructuras, sen que por iso haxa que cuestiona-la termodin mica. Este aspecto l ganos, de forma inmediata, coa termodin mica dos procesos irreversibles. Foi Onsager quen desenvolveu nos anos trinta a teor a fenomenol xica deses procesos (sistemas en ržxime de non equilibrio). Onsager predixo que para sistemas non moi lonxe do equilibrio, deber a existir unha relaci n lineal entre as forzas que

151 Química: balance dun século 151 Figura 1. (a) Oscilacións observadas na concentración (proporcional ó potencial electroquímico) na reacción de 0.05M KBr0 3, 0.2M ácido malónico, 1.0M ácido sulfúrico en presencia de dous catalizadores diferentes (curvas 1 e 2). (b) Ondas espaciais observadas para a reacción anterior en presencia de ferroína. levan o sistema f ra do equilibrio e a resposta do sistema (fluxos). Esta teor a aplicar ase tamžn estudio das reacci ns qu micas, pois estas representan unha forma particular de sistemas en non equilibrio. Ser a axi a abandonada polos Žxitos conseguidos coa Teor a do Estado de Transici n, que posœe unha base te rica m is s lida. Sen embargo, houbo que botar man dos avances realizados no campo dos fen menos irreversibles para explica-la orixe das reacci ns oscilantes. Neste campo, I. Prigogine desenvolveu modelos sinxelos que explicaban de forma precisa a formaci n de estructuras coherentes (estructuras disipativas) en campos tan diferentes como a F sica (l seres, convecci n, etc.), a Qu mica (reacci ns oscilantes, precipitaci n Ñaneis de LiesegangÑ, etc.), a Biolox a (estructuras organizadas en insectos, estructura de cunchas, etc.), a Ecolox a, etc. Se ben a comprensi n de todos estes sistemas a partir dos primeiros principios Ž unha cuesti n a nda por resolver, quedou sen embargo clara a conexi n entre este gran nœmero de fen menos en campos tan diversos e establecžronse modelos comœns para todos eles. TamŽn quedou clara a raz n

152 152 M. Arturo López Quintela da formaci n destas estructuras coherentes: os sistemas reaccionan fronte a un estado de non equilibrio (perturbaci n) da forma m is ÔeficienteÕ posible e isto leva formaci n de estructuras cando a perturbaci n aparta o sistema do equilibrio suficientemente como para levalo f ra da rexi n de resposta lineal (teor a de Onsager). A palabra ÔeficienteÕ non est sempre asociada, polo tanto, a que a producci n da entrop a sexa m nima (principio que s Ž v lido para sistemas pouco apartados do equilibrio). Cando o sistema est apartado abondo do equilibrio poder a ÔreaccionarÕ perturbaci n sen acudir a ese principio, procurando disipa-la enerx a do sistema da forma m is eficiente, o cal, como se dixo, pode levar formaci n de estructuras organizadas. Nos œltimos anos desta centuria viuse que as estructuras que se orixinan nos sistemas de non equilibrio son sensibles s condici ns ambientais (condici ns termodin micas nas que se atopa o sistema), de modo que poden aparecer novas estructuras mediante un cambio nesas condici ns (un mecanismo deste tipo poder a explica-la evoluci n das especies). M is a nda, viuse que, en determinadas condici ns, o sistema pode evolucionar cara caos. Neste estado, o comportamento do sistema faise tan extraordinariamente sensible s condici ns iniciais que resulta totalmente impredicible o seu comportamento (Ásalvo que puidesemos dispor dunha precisi n infinita na determinaci n das condici ns termodin micas do sistema!). A nda que se leva avanzado enormemente no estudio destes sistemas non lineais, Ž este un campo a nda por explorar, sobre todo no das reacci ns qu micas axustadas que ocorren nos organismos vivos. O estudio das interfases foi un dos que m is progresou durante o sžculo pasado e contribu u de forma decisiva avance en reas tan importantes como a electroqu mica, os coloides, a cat lise heteroxžnea e os pol meros en disoluci n. Dentro desta rea debemos destaca-los importantes traballos levados acabo por G. Gouy, D. L. Chapman e O. Stern, que desenvolveron modelos da dobre capa elžctrica. Estes modelos serviron de base para a Teor a de Debye-HŸckel (xa comentada) as como para obte-lo potencial de interacci n en dispersi ns coloidais e disoluci ns de polielectr litos, un dos cales, o potencial DLVO (debido a Derjauin, Landau, Verwey e Oberweek), resultou se-lo que lograr a un maior mbito de aplicaci n. Desde que W. Nernst, a principios de sžculo, deduciu termodinamicamente a relaci n lineal (que leva o seu nome) existente entre o potencial de equilibrio e o logaritmo da concentraci n nunha interfase M n+ /M, M=metal, a electroqu mica tivo un avance m is ben lento debido s escasos co ecementos que se ti an tanto das interfases como da propia reacci n qu mica. Houbo que agarda-lo desenvolvemento da Teor a do Estado de Transici n e a Teor a de Debye-HŸckel dos electr litos para que esta importante rea comezara a deixar de ser unha ciencia con certos aires de ÔalquimiaÕ. A

153 Química: balance dun século 153 proporcionalidade existente entre a densidade de corrente e a concentraci n serviu de base para que Heyrovsky ideara nos anos vinte unha das primeiras tžcnicas electroanal ticas: a polarograf a, baseada nun electrodo de gotas de mercurio. O grande auxe que tivo esta tžcnica nos anos posteriores serviu ademais para estudia-los procesos cinžticos que te en lugar nos electrodos e estableceu as o paso a outros mžtodos electroqu micos amplamente utilizados hoxe en d a (como a voltammetr a, a cronoamperometr a, etc.). A importancia de dispor de electrodos selectivos a unha determinada especie qu mica como mžtodo electroanal tico selectivo foi posta de manifesto no desenvolvemento temper n do, hoxe moi popular, phmetro, baseado nunha membrana sensible s i ns de H +. Nas œltimas džcadas deste sžculo asistimos gran desenvolvemento de electrodos sensibles a un bo nœmero de especies (molžculas contaminantes, i ns met licos pesados, gases, etc.), cada vez m is espec ficos, m is sensibles e de menor tama o; de forma que deron paso, nestes œltimos anos, s matrices sensoras (narices e linguas electr nicos) formadas por unha ensamblaxe, de dimensi ns reducidas, de diferentes electrodos sensibles a diversas especies. ConvŽn resaltar agora as tžcnicas de microscop a de forzas, desenvolvidas na œltima džcada do sžculo que nos ocupa, a ra z do importante descubrimento da microscop a de efecto tœnel levada a cabo por H. Rohrer e G. Binning. Estas tžcnicas supuxeron un extraordinario avance no co ecemento das superficies, en xeral, e das interfaces electrizadas nos procesos electroqu micos, en particular. As posibilidades que abren estas innovadoras tžcnicas, que permiten ver realmente os tomos (figura 2) nos seus medios naturais, son extraordinarias. As, a modo de exemplo, demostrouse Figura 2. Imaxe da superficie dun cristal de silicio obtida por microscopía de efecto túnel. As esferas azuis representan os átomos de silicio situados sobre a superficie do cristal. a posibilidade de realizar unha oxidaci n controlada dun s tomo na superficie dun s lido. Isto quere dicir que este sžculo pasado, que comezou cunha serie de descubrimentos de fundamental transcendencia, non quixo abandonarnos sen antes lanzarnos cara a unha nova dimensi n nas reacci ns qu micas: a posibilidade de levar a cabo, de forma sinxela, reacci ns entre unicamente dous tomos ou dœas molžculas (Áimaxinemos por un momento a enorme densidade de informaci n

154 154 M. Arturo López Quintela que poderiamos almacenar nunha superficie mediante unha tžcnica deste tipo!). Sen dœbida, a nosa idea da reacci n qu mica, tanto desde un punto de vista experimental coma te rico, cambiar drasticamente nos vindeiros anos con estes nanolaboratorios, e estas tžcnicas constituir n unha verdadeira enxe er a at mico-molecular. Con ela poderase estudia-lo comportamento de tomos e molžculas individualmente, as como tamžn a sœa manipulaci n, o que po er a proba os nosos modelos e teor as at mico-moleculares. Un campo de extraordinaria importancia, que quizais sexa o que m is ten influ do nas nosas vidas, Ž o dos pol meros. Desenvolvidos fundamentalmente a ra z das explotaci ns petrol feras, unha inxente cantidade de pol meros foron sintetizados durante este sžculo, con propiedades que van desde os pl sticos de grande elasticidade (cauchos, etc.) ata pol meros de dureza comparable s aceiros m is resistentes (fibras de carbono). Estas propiedades p dense cambiar controlando adecuadamente a estructura do pol mero durante a sœa s ntese. Un pol mero p dese definir como unha molžcula de elevada masa molecular. A nda que hoxe en d a a idea da existencia de molžculas con masas moleculares elevadas (macromolžculas) nos parece perfectamente aceptable, pois que convivimos con elas (pl sticos), non era as a principios de sžculo. Corr an xa os anos vinte cando o qu mico org nico alem n Herman Staudinger recib a esta cr tica dos seus colegas, refer ndose posibilidade de existencia das macromolžculas: ÒdŽixeme advertilo do seu erro acerca das molžculas grandes; non hai molžculas org nicas de masas moleculares superiores a RecomŽndolle que purifique os seus productos adecuadamente e ver que o que vostede chama macromolžculas non son m is que agregados de molžculas pequenas...ó. Nas seguintes džcadas, non s se comprobar a que o erro era da comunidade cient fica da Žpoca que estaba de acordo con esas palabras, sen n que o nœmero de molžculas de pol meros descubertas (a maior a sintetizadas no laboratorio) aumentar a de forma tan dr stica que cambiar a totalmente a nosa forma de vida. As posibilidades de formar pol meros con diferentes estructuras pero da mesma composici n (homopol meros), ou de composici ns diferentes (heteropol meros), as como de diferentes masas moleculares, abr a de tal forma o abano de posibilidades que far an desta rea unha das de maior riqueza en canto posibilidade de dispo er duns materiais cunhas propiedades determinadas. Se a isto engad mo-la posibilidade de mesturar diferentes pol meros no producto final (como por exemplo nos materiais compostos formados pola mestura de resinas epox dicas con fibra de carbono que se caracterizan pola sœa extraordinaria combinaci n de propiedades: dureza e lixeireza), teremos unha case ilimitada fonte de novos productos. Dous fitos importantes podemos destacar no avance desta fermosa rea

155 Química: balance dun século 155 cient fica, que se produciron arredor dos anos cincuenta. Por unha parte, o descubrimento realizado por Ziegler de que a co ecida s ntese de polietileno de baixa cristalinidade e altamente ramificado realizada a altas presi ns, pod a levarse a cabo a temperatura ambiente e a presi n atmosfžrica mediante un catalizador preparado a partir dun alquilo de aluminio e un haluro dun metal de transici n. Pero o que resultou m is importante foi que a reacci n non s era m is f cil, sen n as novas caracter sticas do polietileno obtido: era un pol mero lineal altamente cristalino e dunha gran densidade. G. Natta desenvolver a nos seguintes anos outros catalizadores, hoxe co ecidos como catalizadores Ziegler-Natta, que permiten controla-la estereorregularidade dos pol meros obtidos. Dous anos antes de que lles concederan a ambos o Nobel (1963) polo descubrimento destes importantes catalizadores, escrib a Natta un artigo en Scientific American co suxestivo e descritivo t tulo ÒPol meros constru dos de forma precisaó (algo as como pol meros constru do Ô cartaõ), que daba conta do importante salto cualitativo que se producira na s ntese de pol meros poder regula-la sœa estereoqu mica. Por outra parte, tamžn nos anos cincuenta, P. J. Flory, en colaboraci n con M. L. Huggins, introduc a a sœa teor a estat stica das disoluci ns de pol meros. Abr ase a explicaci n do comportamento quimicof sico das macromolžculas en disoluci n. Flory refinar a Ñnos anos cincuenta e sesentañ a sœa teor a na forma que se considera actualmente. Iso, xunto coas ideas das leis de escalado que incorporou P.-G. de Genes (procedentes dos fen menos cr ticos) nos anos sesenta e setenta, constitœe a base s lida na que se fundamentan as ideas actuais das disoluci ns de pol meros. Tocante s fen menos cr ticos, cabe destacar que a sœa interpretaci n foi un campo, en principio, vedado maior a das teor as desenvolvidas desde principios de sžculo, debido sobre todo existencia de grandes fluctuaci ns das magnitudes termodin - micas existentes nos sistemas pr ximos a un punto cr tico. O œnico que se co ec a ata o derradeiro tercio do sžculo pasado era a existencia de leis de escala: estas leis experimentais pred n que, se aproximar punto cr tico, a maior parte das magnitudes fisicoqu micas ou ben se anulan ou ben diverxen mediante unha lei de potencias (exemplo: -tensi n interfacial- x, representando a distancia punto cr tico e x un expo ente cr tico universal). H. E. Stanley introduciu a primeira explicaci n das leis de escala encontradas nas rexi ns cr ticas base ndose na Teor a do Grupo de Renormalizaci n desenvolvida por K. Wilson. Con isto cheg - base a comprender e a calcular de forma cuantitativa propiedades quimicof sicas en sistemas con fluctuaci ns importantes nas magnitudes termodin micas. ƒ evidente que neste curto espacio non podemos cubrir t dolos aspectos da qu mica que desexariamos. Existe un monte deles que fican no tinteiro. Por exemplo, os mžtodos de

156 156 M. Arturo López Quintela simulaci n por ordenador que conformaron un novo e poderoso vžrtice no tri ngulo que agora forma coa teor a e os experimentos. Os mžtodos espectrosc picos (microondas, infravermello, UV-Vis, fluorescencia e fosforescencia, resonancias de spin e nuclear, etc.) que viron o seu nacemento, crecemento e consolidaci n neste sžculo e deron lugar a unha morea de tžcnicas anal ticas tanto de aplicaci n xeral como de investigaci n. As tžcnicas de difracci n (de electr ns, raios X, neutr ns e luz l ser) que viron a aparici n de novas e potentes fontes de radiaci n, aproveitando a radiaci n da freada (Bremsstrahlung) nas instalaci ns dos aceleradores de part culas (sincrotr n). A qu mica dos compostos inorg nicos, entre os que deberiamos resalta-los compostos organomet licos de tanta utilidade na cat lise homoxžnea e a s ntese de pol meros antes mencionada; a qu mica dos compostos de coordinaci n; os compostos deficientes de electr ns; a qu mica do silicio e os semiconductores, que supuxeron o nacemento da industria electr nica, quizais a m is representativa deste sžculo pasado; os superconductores de alta temperatura que nos deixan ante o novo sžculo co reto de entendermos c mo e por quž os electr ns (recordemos, de spin semienteiro) poden api- arse formando entidades de spin enteiro e, polo tanto, moverse xuntos de forma coherente (como o poden facer os fot ns) sen resistencia elžctrica. As bater as, cžlulas de combustible e a fotoelectroqu mica, que constitœen as bases dos novos mžtodos de producci n, conversi n e almacenamento de enerx as limpas (enerx as sen combusti n); etc. Quixemos amosar aqu algœns dos aspectos m is relevantes das diversas reas que tiveron unha grande importancia no desenvolvemento da Qu mica do sžculo XX. Moitos outros, tamžn importantes, non viron a luz neste Ñnecesariamente curtoñ artigo, xa non s por falta de espacio, sen n pola necesidade de co ecementos espec ficos nas diversas reas implicadas 1. 1 Agradecementos: quixera agradecer a Saulo Vázquez, M. Carmen Blanco e Enrique Guitián os seus valiosos comentarios e a revisión dalgunhas partes deste artigo, asumindo que a responsabilidade última dos erros que nel se poidan atopar é unicamente do autor.

157 157 A BIOQUÍMICA NO FINAL DO MILENIO. UN SÉCULO DE HISTORIA Manuel Freire Rama* Universidade de Santiago de Compostela PREÁMBULO En poucos casos a traxectoria dunha ciencia pode asignarse a un per odo tan curto coma no caso da Bioqu mica: o sžculo XX comprende o per odo do seu nacemento e tamžn o da sœa consolidaci n a un moi elevado nivel. Estamos, ent n, diante da m is nova pero se cadra a m is desenvolvida rama das ciencias da vida. A sœa competencia na caracterizaci n das reacci ns que experimentan as molžculas que compo en as cžlulas para dar lugar sœa actividade biol xica e, polo tanto, de t dolos seres vivos, fai que se constitœa nunha ciencia b sica que hai que recorrer para explica-lo fundamento do crecemento, o desenvolvemento e ata a enfermidade e morte dos organismos. Entroncan nela outras ramas das ciencias da vida, especialmente a Microbiolox a, a XenŽtica e a Fisiolox a. Pola transcendencia dos seus obxectivos, entžndese a sœa importancia e tamžn a raz n do seu espectacular desenvolvemento, especialmente nos œltimos lustros deste sžculo. A influencia que o co ecemento dos procesos biol xicos ten na nosa sociedade, permitir incidir neles para a producci n de alimentos, de f rmacos e para remedia- -las sœas patolox as, proporciona importantes argumentos para xustifica-la relevancia dos estudios bioqu micos. Neste artigo monos introducir, coa s ntese que isto require, nas vicisitudes desta ciencia longo do sžculo XX, que coincide coa sœa propia historia. A nda que foron moitos os implicados Ñcunha morea de achegas que contribu ron promoci n do desenvolvemento cient fico da Bioqu micañ referiržmonos, en prol da s ntese antes apuntada, s personaxes e fitos cient ficos m is relevantes. O que, de xeito ningœn, pode significar un menosprezo dos centenares de cient ficos e descubrimentos que marcan a historia da Bioqu mica. * Catedrático de Bioquímica e Bioloxía Molecular. Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

158 158 Manuel Freire Rama AS ORIXES A Bioqu mica ten a sœa xžnese na adecuaci n da Qu mica org nica s procesos biol xicos, estudio das funci ns do organismo vivo. Segundo isto, a Bioqu mica aparece como unha ciencia confluente cos estudios qu micos e fisiol xicos dos seres vivos. O preludio desta xžnese lžvanos contra mediados da segunda metade do sžculo XIX, tempo no que o co ecemento dos constitu ntes qu micos da materia viva xa acadaban un certo nivel. ƒ a partir deste incipiente co ecemento cando, xa no ocaso do sžculo XIX, se sentar an as bases para consolida-lo nacemento da Bioqu mica. As, o termo Bioqu mica foi introducido por primeira vez en 1903 polo alem n Carl Neuberg (que, como veremos m is adiante, foi o creador dunha formidable escola de investigadores bioqu micos) para designa-las sœas achegas, e mailas doutros, no eido da caracterizaci n das estructuras dos compo entes das cžlulas e a sœa funci n dentro delas. Por todo isto, Ž importante facer unha breve recapitulaci n do estadio no que, a finais do sžculo XIX, se atopaba o co ecemento da composici n qu mica da materia viva e en estudios que tiveran a sœa orixe na an lise qu - mica dos alimentos, no estudio dos compo entes do corpo humano, dos microorganismos e nos mžtodos da s ntese qu mica. O co ecemento da composici n qu mica dos seres vivos nace co propio sžculo XIX. As, cos traballos de Gay Lussac e ThŽnard, arredor de 1811, nos que se determina a composici n elemental do azucre de cana, in ciase o estudio dos hidratos de carbono como compo entes da materia viva. Case dœas džcadas m is tarde, en 1827, os traballos do mždico inglžs Willian Prout permitiron progresar neste co ecemento establecer que os alimentos conti an, amais de hidratos de carbono, graxas e uns compo entes que se denominar an, unha džcada m is tarde (1838), prote nas; as que xa na primeira metade do sžculo XIX, as prote nas consider banse molžculas primordiais dos seres vivos. Mulder, en 1838, descr be as Ôprote nasõ como Ôos primeirosõ dos compo entes do sangue, ovos e queixo. Os cidos nucleicos non foron descubertos ata avanzada a segunda metade do sžculo XIX. Miescher illou por primeira vez o ADN en Quedaba un longo cami o por percorrer ata chegar a establece-las estructuras dos principais compo entes qu micos da materia viva, as prote nas e os cidos nucleicos, o que non se lograr a ata as primeiras džcadas do sžculo XX. ƒ, polo tanto, comprensible que a Bioqu mica non acadara un desenvolvemento importante ata eses anos. Sen embargo, a idea de relaciona- -la composici n da materia viva coa actividade biol xica xa aparece incipientemente no mesmo sžculo XIX, cando a nda estaban a aflora-los

159 A Bioquímica no final do milenio. Un século de historia 159 co ecementos dos tipos moleculares presentes nela. A isto contribu a a propia observaci n da natureza, que diversos e importantes cient ficos fixeron cos precarios medios daquela dispo ibles. As, o estudio de procesos como a combusti n, a respiraci n, a nutrici n, constitu ron fontes de importante promoci n do co ecemento: o ciclo do carbono en animais e plantas, establecido por Justus Von Liebig; a relaci n entre combusti n e respiraci n, co desprendemento de CO 2, descuberto por Lavaiser; o proceso de acci n dos zumes g stricos, que levou a Berzelius, en 1835, a introduci-lo termo Ôcat liseõ para designa-lo proceso de degradaci n dos alimentos. O estudio da cat lise promoveu o desenvolvemento da teor a da acci n das enzimas, co ecemento das cales contribuir an de xeito determinante os estudios de Emil Fischer en 1852, pioneiros en reco ece-los catalizadores como prote nas que exercen a sœa acci n por unha adecuada interacci n das enzimas cos substratos que se catalizan: a teor a da chave-pechadura. O termo enzima, para referirse a estes catalizadores biol xicos, foi m is tarde introducido por KŸhne, en Outra das achegas que, no sžculo XIX, axudaron a consolida-las bases sobre as que se fundamentar a o desenvolvemento da Bioqu mica e da propia Biolox a no sžculo XX, foi a teor a da organizacion celular, que Schwann presentou en 1836: os Ôgr nulos celularesõ como contedores unitarios dos procesos qu micos da materia viva. O mesmo Schwann, tres anos m is tarde, aplicar a o termo Ôforza metab licaõ para designa-los procesos nas cžlulas: introduc ase o termo ÔmetabolismoÕ co sentido actual. Con todo isto, o sistema biol xico sobre o que, de forma extraordinaria, recaer a a atenci n bioqu mica naqueles anos foi a fermentaci n; tal vez pola transcendencia social que ti a Ñe segue tendoñ a preparaci n de productos tan importantes para os nosos h bitos nutricionais como son o pan, o vi o, o queixo, etc. Desde finais do sžculo XVI, cando o belga Jan Baptiste Van Helmot, disc - pulo de Paracelso, descubriu o desprendemento de CO 2 na fermentaci n da uva e da malta, ata ben entrado o sžculo XX, a fermentaci n de extractos e zumes biol xicos ocupou a dedicaci n de decenas de investigadores, mesmo nos anos Ñespecialmente do sžculo XIXÑ nos que, a pesar do apreciable avance no co ecemento dos compo entes qu micos dos seres vivos a nda se andaba lonxe de establece-las sœas relaci ns coa actividade biol xica. O estudio do proceso da fermentaci n do extracto de uva por Pasteur, Schwann e outros, levou a mediados do sžculo XIX a establecer que a fermentaci n estaba ligada presencia dos lžvedos; os ÔfermentosÕ eran estes microorganismos que se multiplicaban como causa da fermentaci n. Estas observaci ns significaban un soporte para a teor a vitalista (a vida como resultado dunha forza vital ÔsobrenaturalÕ presente dentro dos organismos) inoperante na primeira metade do

160 160 Manuel Freire Rama sžculo XIX. Sen embargo, a conclusi n que Liebig e Berzelius chegan no seu estudio Ñxa entrada a segunda metade do sžculo XIXÑ, de que a fermentaci n era un proceso qu mico, alentaba a rotura do vitalismo. Pasteur no seu Laboratorio. Gravado de The Graphic, A investigaci n da fermentaci n non s a romper de vez co modelo vitalista na Biolox a sen n que, no œltimo lustro do sžculo XIX, a revoluciona-lo propio estudio desta ciencia; a isto contribu u o experimento de Eduard Buchner, que conseguiu (1897) reproduci-la transformaci n da glicosa en alcohol utilizando extractos de lžvedos. Demostr base que a ÔvidaÕ pod a sa r das cžlulas. Pod anse reconstru r in vitro os procesos que as cžlulas realizaban in vivo, dentro delas. O extracto de lžvedos de Buchner, denominado ent n ÔzimasaÕ, foi obxecto de intensa investigaci n nos primeiros anos do sžculo XX. Investigaci n diversificada na caracterizaci n dos compo entes da zimasa e da propia fermentacion, as como da sœa funci n no proceso: nac a a Bioqu mica.

161 A Bioquímica no final do milenio. Un século de historia 161 A CONSOLIDACIÓN. A PRIMEIRA METADE DO SÉCULO XX A Bioqu mica consol dase como importante ciencia da vida nos primeiros cincuenta anos dos sžculo XX. A resoluci n de varios retos que na Biolox a se consideraban importantes, prioritarios, a xu zo das achegas debidas s investigaci ns biol xicas do sžculo XIX: a caracterizaci n das reacci ns enzim ticas e das estructuras das prote nas, as como a resoluci n do proceso da fermentaci n, foron logros que consolidaron a sœa posici n. DA REACCIÓN ENZIMÁTICA ÁS RUTAS METABÓLICAS Cronoloxicamente, a caracterizaci n da reacci n enzim tica foi o primeiro dos importantes retos resoltos pola investigaci n bioqu mica; foron b sicos os traballos pioneiros de Berzelius e Emil Fischer. De maneira que, o que hoxe co ecemos como mecanismos cinžticos Ñtransformaci n dos substratos por interacci n espec fica coa enzima, a travžs de complexos enzima-substratos dos que se xeran os productos das reacci ns bioqu micasñ e como ecuaci ns e constantes cinžticas Ñque permiten a r pida e f cil caracterizaci n das posibilidades catal ticas e regulatorias das enzimasñ foron establecidos na primeira džcada do sžculo XX. Diversas li as de traballo, de diferentes grupos, contribu ron a todo isto. A purificaci n de enzimas, iniciada por Richard WillstŠtter; a caracterizaci n do complexo enzima-substrato para a cat lise por Henry e Brown; a teor a do estado estacionario e o desenvolvemento das ecuaci ns cinžticas achegadas por Biggs, Haldane, Menten e Michaelis, entre outros, fixeron que xa en 1913 se chegara a un elevado grao de co ecemento da reacci n bioqu mica. As constantes achegas que, a partir destes anos, se fixeron sobre a base do illamento e purificaci n de moitas enzimas Ñinclu da a cristalizaci n dunha delas por Summer en 1926, a ureasañ permitiron afondar no co ecemento dos procesos metab licos; estableceuse que estes non eran m is que unha concatenaci n de reacci ns enzim ticas que compart an substratos e productos, e que os datos obtidos nos laboratorios eran perfectamente extrapolables s reacci ns metab licas in vivo. O paradigma do estudio do metabolismo Ñnon pod a ser doutro xeitoñ constitu uno a investigaci n da fermentaci n, que foi a primeira ruta metab lica estudiada. Era todo un desaf o habilidade investigadora o establecer c mo aquel extracto conseguido triturar levaduras nun morteiro e suspendido nun medio acuoso, Ž dicir, a ÔzimasaÕ de Buchner, era quen de transforma-la glicosa en etanol. O alem n Carl Neuberg e os seus disc - pulos Embden, Mayerhof e Parnas levaron a cabo os primeiros traballos de dilucidaci n das reacci ns polas diferentes enzimas contidas na zimasa capaces de transforma-la glicosa en dœas molžculas de etanol e dœas de

162 162 Manuel Freire Rama anh drido carb nico. Esta ruta denominouse glic lise. O completo co ecemento das reacci ns bioqu micas desta ruta esencial para t dolos seres vivos non se tivo ata ben entrados os anos corenta. A isto tamžn contribu ron bioqu micos das escolas alemanas. Alema a lideraba daquela a maior parte das diferentes ramas da ciencia, como Ž sabido. As, Warburg Kalchar, Lipman, s que se uniu Ochoa (foi disc pulo de Meyerhof), contribu ron a completa-lo moi importante aspecto enerxžtico da glic lise, concretada na s ntese da molžcula enerxžtica por excelencia: o ATP (descuberto en 1929 por Fiske e Subbarow). Estableceuse, ademais, que a s ntese de ATP era a finalidade primordial da glic lise e diferenciouse a eficiencia deste proceso en distintos organismos aerobios e anaerobios. Canda os estudios da glic lise, nas primeiras džcadas do sžculo XX, progresaron de xeito notable os estudios doutras facetas do metabolismo das cžlulas tales como o metabolismo do glic xeno, brillantemente descuberto por Carl e Grety Cori no seu laboratorio de St. Louis; o estudio das transformaci ns das graxas e dos cidos graxos, de Knoop, Lypman e Lynen; dos amino - cidos por Embden e Knoop; do ciclo da urea por Krebs e Henseleit; e do ciclo do cido c trico, bautizado como ciclo Krebs, que na sœa Alema a de orixe e logo en Inglaterra, lograra establece-la degradacion c clica do acetil-coenzima A, a nda que as sœas principais reacci ns foran descubertas por Ochoa (xa nos Estados Unidos) e algunhas por Knoop e Szent-Gyšrgyi. Xunta o estudio das transformaci ns metab licas dos compo entes celulares menos complexos (azucres, graxa, amino cidos), ou o que se denominou metabolismo intermediario, unha intensa actividade investigadora foi tamžn despregada na primeira metade do sžculo no estudio da fotos ntese. As os traballos pioneiros de Hill, Warburg, Ochoa, Horecker, Calvin e Arnon, principalmente, chegaron a establece-los mecanismos polos que as cžlulas vexetais, nas reacci ns localizadas nos seus cloroplastos, eran capaces de, co simple recurso externo da auga, do anh drido carb nico, de compo entes minerais e da luz, producir enerx a biol xica (ATP) para xera-la s ntese de azucres, graxas, amino cidos, etc., Ž dicir, t dolos nutrientes. A f brica biotecnol xica m is formidable e barata. Debemos apuntar que hoxe en d a home abondar alle con conservala conforme nola deu a natureza, m is que incidir na manipulaci n de procesos dos que se consegue un rendemento e eficaz aproveitamento co simple coidado e prevenci n da agresi n e a contaminaci n ambiental. A ESTRUCTURA DAS PROTEÍNAS Unha faceta da investigaci n bioqu mica que debemos salientar pola sœa especial transcendencia, e que se desenvolveu paralelamente estudio do metabolismo na primeira metade do sžculo XX, Ž o estudio estructural das prote nas. A sœa importancia

163 A Bioquímica no final do milenio. Un século de historia 163 queda claramente resaltada ser estes compo entes celulares os responsables das diferentes reacci ns bioqu micas, por constitu rense nas estructuras das propias enzimas. A complexidade estructural das prote nas Ž facilmente deducible por estar formadas por vinte amino cidos diferentes que, en distinta proporci n e orde, se concatenan por centos nas prote nas. A isto hai que engadi-la presencia de decenas de miles de especies moleculares de prote nas diferentes nas cžlulas. ƒ f cil acredita-lo mžrito que tiveron, a teor dos medios dispo ibles, as achegas sobre a estructura das prote nas aparecidas nas primeiras džcadas do sžculo XX. O estudio das estructuras das prote nas iniciouse nos primeiros anos do sžculo XX ( ); partindo da an lise dos seus hidrolizados Ñlevados a cabo por Haberman, SchŸtzenberg e FischerÑ estableceuse a sœa composici n por amino cidos. O propio Fischer e mais Hofmeister propuxeron a teor a da concatenaci n pept - dica da estructura das prote nas (os amino cidos ligar anse por enlaces similares s das peptonas, de a o seu nome de estructura pept dica). A consideraci n das prote nas como macromolžculas, con tama os superiores vintena de amino cidos concatenados, foi introducida por Standinger e Swedberg; a teor a foi moi controvertida naqueles anos, tanto que Standinger recibiu o premio Nobel en 1953, trinta e tres anos m is tarde da sœa proposta. Rematando a primeira metade do sžculo XX, a aplicaci n das tžcnicas de difracci n de raios X a prote nas cristalizadas propiciar a un espectacular avance no co ecemento da estructura das prote nas. De acordo coa distancia entre os tomos e grupos de tomos destas molžculas, obtidas por raios X, e apoi ndose na construcci n de modelos moleculares a escala das distancias at micas, o americano Linus Pauling propuxo os modelos de distribuci n espacial da cadea de prote nas: as hžlices. A forma que adoptar an as concatenaci ns de amino cidos Ž a dunha hžlice, coma unha escaleira de caracol. Este modelo demostrouse, co tempo, xeneralizado maior a das prote nas, a nda que agora sabemos que estas conformaci ns en hžlice coexisten con outras menos abundantes, descubertas naqueles anos, correspondentes a interacci ns entre cadeas de prote nas de disposici n lineal: l mina (ou - -queratina) e as distribuci ns espaciais irregulares sen unha figura xeomžtrica definida. Os relevantes traballos pioneiros de Pauling sobre as estructuras das prote nas, non s abriron o cami o para a an lise estructural das prote nas, cada vez m is de actualidade, sen n que foron referencia clave para a determinaci n da estructura do ADN, que m is adiante veremos. Sen embargo, o co ecemento da distribuci n espacial dos tomos dunha prote na Ž s unha parte da cuesti n referida estructura da molžcula. A outra, e moi importante, Ž o

164 164 Manuel Freire Rama co ecemento da sœa estructura primaria: o nœmero e a orde en que os amino cidos se dispo en na cadea que constitœe a prote na. Coa secuenciaci n da primeira prote na, a insulina, por Sanger, no ano 1951, consolidar ase a laboriosa metodolox a para co ece-la estructura primaria das prote nas. Nas primeiras džcadas do sžculo XX, prodœcese unha importante consolidaci n da Bioqu mica; o co ecemento do funcionamento das prote nas, os hidratos de carbono, l pidos, amino cidos e outras molžculas pequenas dentro das cžlulas acadou un importante nivel. A progresi n no esclarecemento das estructuras de moitas das prote nas celulares e o descubrimento das estructuras e funci n dos cidos nucleicos, que se producir a nos primeiros anos da segunda metade do sžculo XX, propiciar an un espectacular progreso no co ecemento non s do resultado de moitas rutas metab licas, sen n dos detalles dos seus mecanismos moleculares. O GRAN DESENVOLVEMENTO. A SEGUNDA METADE DO SÉCULO XX Malia o nivel de co ecemento do metabolismo alcanzado na primeira metade do sžculo XX, era completamente desco ecida a orixe molecular das prote nas, as como a estructura e a funci n celular dos cidos nucleicos. Desde os experimentos de Mendel, en 1866, nos que se apuntaba unha relaci n entre determinados factores xenžticos e os trazos hereditarios dos individuos, ata os traballos de Beadle e Tatum en 1940, que establec an unha directa relaci n entre unha estructura xenžtica b sica: un xene, e a producci n dunha enzima, pouco se avanzara no co ecemento de estructuras dos cidos nucleicos e no esclarecemento da sœa funci n celular ou a producci n de enzimas. As observaci ns de Linus Pauling a finais dos anos corenta sobre a estructura das globinas dos individuos coa anemia falciforme, que confirmaban unha relaci n entre mutaci n xenžtica e alteraci ns da secuencia de amino cidos das prote nas, e o co ecemento de que o ADN Ñdescuberto por Miescher en 1869Ñ estaba constitu do por cadeas de nucle tidos, permitiron establecer, entrado o ano 1950, a colinearidade entre secuencia de nucle tidos do ADN e secuencia de amino cidos das prote nas. A DOBRE HÉLICE No ano 1953 presentar ase un resultado que a propiciar unha espectacular aceleraci n na investigaci n bioqu mica dos cidos nucleicos e as prote nas. Nese ano, James D. Watson e Francisc Crick publicaron na revista Nature as conclusi ns do seu traballo sobre o modelo estructural do ADN: a dobre hžlice. Base ndose nos datos de difracci n de raios X de cristais de ADN bacteriano obtidos por Wilkins e Franklin, e seguindo unha metodolox a de

165 A Bioquímica no final do milenio. Un século de historia 165 Os doutores James Dewey Watson e Francis Harry Compton Crick pasan xunta un modelo a escala da estructura do DNA descuberta por eles. construcci n de modelos a escala, tal como fixera Pauling para establece-los modelos estructurais das prote nas, nos laboratorios da Universidade de Cambridge, propuxeron unha estructura para o ADN consistente nunha dobre cadea enfrontada, en direcci n antiparalela, e mantida como unha dobre hžlice por emparellamento de bases A-T e G-C mediante enlaces de pontes de hidr xeno. O modelo permit a explica-la reproducci n celular, na cal os caracteres xenžticos, os xenes do ADN, eran transmitidos fielmente pola sœa duplicaci n semiconservativa. Un cromosoma era fielmente copiado, de maneira que cada un dos cromosomas xerados conservaba unha febra do orixinal, pasando cada copia a cada unha das cžlulas nacentes. Esta situaci n reproduc ase tanto na xeraci n de organismos unicelulares coma nos embri ns dos organismos superiores. Precisamente, como se foi co ecendo longo dos seguintes anos, un dos Žxitos do modelo de Watson e Crick era a sœa universalidade, que respond a s caracter sticas estructurais do ADN presente en todo tipo de cžlulas. Da mesma maneira, os estudios da s ntese de ADN, a replicaci n, iniciados por Arthur Kornberg uns anos m is tarde, vi eron a demostra-la universalidade

166 166 Manuel Freire Rama Visión coloreada no ordenador dunha cadea de DNA enroscada en dobre hélice. das reaccions bioqu micas b sicas implicadas neste proceso nos diferentes tipos celulares. De novo, como ocorr a co metabolismo da glicosa ou outros nutrientes, constat base a universalidade dos principios b sicos de igualdade da estructuraci n e actividade das molžculas dos seres vivos. A EXPRESIÓN XÉNICA Quedaba por resolver, sen embargo, unha importante cuesti n: a relaci n bioqu mica entre o ADN, os xenes e as prote nas. A asignaci n do papel biol xico do ARN, xa entrados os anos sesenta, a esclarece-los mecanismos moleculares desta relaci n. Os cidos ribonucleicos (ARN), descubertos nas primeiras džcadas do sžculo XX, non foron caracterizados nos diferentes tipos que hoxe co ecemos: ARN mensaxeiro (ARNm), ARN ribos mico (ARNr) e ARN transferente (ARNt) ata mediados os anos sesenta. O descubrimento en 1956 do ARNm por Volkin e Astrachan, como unha molžcula que conti a unha secuencia fiel a unha febra do ADN, marcou o inicio da caracterizaci n da expresi n xžnica, proceso que foi totalmente determinado en menos dunha džcada. A expresi n xžnica, a capacidade dun xene para ordena-la s ntese dunha prote na era o resultado da producci n dun ARNm por unha das febras do ADN cunha secuencia de nucle tidos que era traducida, a continuaci n, nunha secuencia concreta de amino cidos dunha prote na, mediante unha ruta metab lica realizada nos ribosomas, coa participaci n do ARNt e do ARNr e cun mecanismo esencialmente idžntico en t dolos seres vivos. ƒ admirable que a dilucidaci n da concatenaci n de reacci ns bioqu micas, moi complexas, que dan lugar expresi n dun xene, se resolvera en tan curto per odo de tempo, polo menos nos seus aspectos moleculares m is esenciais. O m is notorio das achegas que permitiron establece-la relaci n funcional do ADN coa s ntese de

167 A Bioquímica no final do milenio. Un século de historia 167 prote nas, poderiamos resumilo en tres grandes li as experimentais: a presentaci n do mecanismo molecular da expresi n dun xene nunha bacteria, o establecemento do c digo xenžtico e o descubrimento da ruta metab lica para a s ntese das prote nas nos ribosomas. A descrici n da expresi n xžnica da -Galactosidasa publicada por Francois Jacob e Jacques Monod, en 1961, na que se delineaba a s ntese intermedia dun ARNm e a producci n da prote na codificada por el, marcou un fito na demostraci n das v as metab licas que conduc an relaci n do ADN coa s ntese dunha prote na. Canto c digo xenžtico, a relaci n das secuencias de nucle tidos do ADN capaces de codificar, de dirixir, a presencia dun amino cido determinado na secuencia dunha prote na, foi establecido entre 1962 e 1966 nunha carreira vertixinosa e competitiva de experimentaci n dos grupos de Niremberg e Ochoa. A experimentaci n converxeu na conclusi n dun c digo de transmisi n xenžtica, na que se establec a que cada amino cido dunha prote na resultaba codificado por un triplete universal de nucle tidos, resultado da combinaci n de tres dos catro nucle tidos diferentes presentes no ADN, coas bases: adenina, citosina, guanina e timina, de todos co ecidas. Os traballos de s ntese qu mica de Khorana e de an lises xenžticas de Crick contribu ron a corrobora-los resultados de Niremberg e Ochoa. A ruta metab lica para a s ntese de prote nas implica a culminaci n do proceso da expresi n dun xene, no que se produce a traducci n da ÔmensaxeÕ impl cita na secuencia de nucle tidos dun ARNm nunha secuencia de amino cidos dunha prote na, pola mediaci n dos ARNt (transportadores de amino cidos e ÔadaptadoresÕ da secuencia do ARNm da prote na que vai ser sintetizada) e dos ARNr presentes nos ribosomas, org nulos que constitœen a Ômesa de traballoõ na que se realiza a s ntese de prote nas. Varios son os grupos de investigadores que, cos seus traballos, favoreceron o esclarecemento dos mecanismos moleculares desta ruta metab lica, a principios dos setenta. O grupo de Severo Ochoa foi o m is notable deles. O FINAL DO MILENIO E O FUTURO Chegado o derradeiro cuarto do sžculo, establecžrase a forma na que os cidos nucleicos se implicaban na actividade celular completando o que poderiamos denominar Ôcadro metab lico das cžlulasõ, de forma que se daba resposta, a nivel molecular, antes denominada forza vital dos seres vivos, inclu da a sœa capacidade para transmitir e conserva-los seus caracteres xenžticos. Pero o avance do estudio bioqu mico ti a por diante a resoluci n de varias cuesti ns a nda moi transcendentes. Era co ecida a replicaci n do cromosoma, pero, Àque eventos moleculares gobernan a sœa regulaci n e o proceso da divisi n das cžlulas, b sico

168 168 Manuel Freire Rama na reproducci n e mesmo no mantemento dos organismos?, Àpor que morren e envellecen as cžlulas?, Àcal Ž a orixe molecular das enfermidades? Moitas preguntas para ser completamente resolvidas na œltima vintena do milenio. A pesar disto, logrouse afondar en varias delas de xeito notable durante eses anos. TamŽn o derradeiro cuarto de sžculo foi especialmente xeneroso na incorporaci n de novas metodolox as que foron decisivas para dar un gran pulo investigaci n bioqu mica. En resumo, poderiamos sinala-la introducci n das tžcnicas inmunol xicas, o uso de anticorpos dirixidos contra as estructuras das diferentes prote nas purificadas das cžlulas, que constitœen un excelente instrumento para caracteriza-los mecanismos da sœa actividade bioqu mica. O mžtodo basžase na alta e selectiva especificidade que os anticorpos posœen para reco- ece-las prote nas das que derivan. Mencionemos, de pasada, a utilidade dos anticorpos con finalidades terapžuticas no control de infecci ns. Sen embargo, a metodolox a do ADN recombinante Ž, sen dœbida, a estrela no referente achega de forza innovadora investigaci n bioqu mica. Utilizando enzimas e substratos implicados no metabolismo dos cidos nucleicos, e incorporando ademais as enzimas de restricci n (descubertas por Arber en 1962 e purificadas por Nathaus e Smith unha džcada m is tarde), as como a transfecci n e crecemento de pl smidos bacterianos, os grupos de Boyer, Cohen e Berg desenvolven as tžcnicas de clonaci n do ADN nos seus laboratorios nos Estados Unidos a mediados dos anos setenta. En s ntese, a clonaci n do ADN permite a multiplicaci n selectiva de parte de cromosomas da cžlula, especificamente œtiles, como os que corresponden s estructuras dos xenes que posœen a informaci n para a bios ntese dunha determinada prote na. A isto hai que engadir que, paralelamente desenvolvemento das tžcnicas de clonaci n do ADN, o inglžs F. Sanger (que secuenciara por primeira vez unha prote na, a insulina, unha vintena de anos antes) e os americanos Maxan e Gilbert, desenvolveron a metodolox a para a secuenciaci n do ADN. Con todo isto propiciouse a r pida selecci n e secuenciaci n dun xene e dispœxose ent n dun formidable medio para caracterizar non s os xenes, sen n as secuencias das prote nas que estes codifican. Temos que advertir que a secuenciaci n autom tica dunha prote na completa, a nda hoxe en d a, Ž inaccesible en per odos de tempo inferiores a varios anos. A secuenciaci n de fragmentos de prote nas, da orde da vintena de amino cidos, nos secuenciadores autom ticos, Ž posible en poucas horas. Esta posibilidade Ž suficiente referencia, sen entrar en detalles, para deduci-la sœa completa estructura primaria a partir dos datos de secuenciaci n do ADN do seu xene. O uso da metodolox a do ADN recombinante non s acelerou o co ecemento das estructuras das prote nas

169 A Bioquímica no final do milenio. Un século de historia 169 e os xenes, sen n que permitiu incidir de forma determinante na expresi n xžnica, chegando sœa manipulaci n in vivo. A producci n de ADN recombinado en vectores (virus ou pl smidos) que poden ser introducidos nas cžlulas para inhibir ou activar nelas a expresi n dunha prote na concreta ou integrarse xenoma celular abriu un abano de posibilidades para perfecciona-lo co ecemento das actividades bioqu micas das prote nas. A sœa utilidade chegou a posibilita-la Ôreparaci nõ de disfunci ns en diversas patolox as, ou xeraci n de individuos transxžnicos, pola alteraci n dirixida dun xene en cžlulas xerminais. O que nos conduce mundo, xa popularizado, da Ôterapia xžnicaõ, a nda nun incipiente grao de experiencia. A metodolox a da reacci n en cadea da polimerasa (PCR), introducida por K. Mullis en 1985, e coa que, en esencia, se consegue a r pida multiplicaci n selectiva de fragmentos de ADN, veu a enriquece-las posibilidades de an lise e manipulaci n do propio ADN. Coas novas e as cl sicas metodolox as avanzouse significativamente no co ecemento dos procesos bioqu micos que permiten e controlan a divisi n das cžlulas, e tamžn a sœa morte. De maneira que se demostrou que tanto a divisi n das cžlulas como a sœa morte biol xica (co ecida como ap ptose) son procesos nos que interve en centenares de prote nas, moitas delas xa co ecidas, e constitœense en actividades metab licas localizadas en diferentes partes das cžlulas que se coordinan e regulan de acordo con sinais moleculares espec ficos; Ž dicir, coma calquera outra ruta metab lica, a nda que a sœa complexidade sexa grande. Por outra parte, os procesos de comunicaci n celular revel ronse na œltima džcada do milenio como rutas metab licas b sicas en todo tipo de cžlulas. O concepto cl sico de regulaci n hormonal substitu use polo de sinalizaci n celular, xa que a diversidade de sinais, de tipos moleculares, que participan na comunicaci n entre cžlulas, incluso dentro dos mesmos tecidos, supera, con moito, a cl sica proposta das co ecidas hormonas, afectando a todo tipo de procesos desde o metabolismo das pequenas biomolžculas ata a expresi n xžnica, pasando pola divisi n e a morte das cžlulas. As mesmo, a capacidade de avanzar no co ecemento dos mecanismos moleculares da actividade celular levou a moderna Bioqu mica a implicarse no estudio dos procesos de diferenciaci n celular, de especial interese en animais; tamžn na caracterizaci n da orixe molecular das enfermidades, de forma que o cl sico co ecemento das doenzas ligadas a anomal as xenžticas, co uso das novas tecnolox as, expandiuse investigaci n dos acontecementos que, derivados ou non do envellecemento, conducen a patolox as como o cancro (a m is notoria), as inmunodeficiencias ou patolox as neurol xicas como o Alzheimer, nas que se acadou un importante progreso.

170 170 Manuel Freire Rama A XEITO DE EPÍLOGO Acabamos de ver, nunha sucinta presentaci n da evoluci n da Bioqu mica no sžculo que conclu u, c mo o esforzo de decenas de xeraci ns de investigadores de todo o mundo, especialmente da vella Europa e a nova AmŽrica, permitiu engarzar miles de contribuci ns na cadea do co ecemento da Bioqu mica, que desde os tatexos dos primeiros anos desta centuria, alcanza, nos seus tempos postremeiros, unhas cotas que asombrar an os pioneiros das escolas alemanas. O que semellaban retos dificilmente alcanzables a curto prazo, super ronse notablemente, non s no referido esclarecemento das diferentes rutas metab licas dentro das cžlulas, sen n na sœa regulaci n e influencia polo contorno celular. Alcanzouse, ademais, un importante nivel no co ecemento da orixe molecular das enfermidades. Este aspecto e mailos progresos na manipulaci n da expresi n xžnica Ñligada ADN recombinante e metodolox a del derivada, inclu da a amplificaci n por PCRÑ permitiron ademais achega-los estudios bioqu micos a aplicaci ns sanitarias e biotecnol xicas (producci n dirixida de f rmacos, de alimentos, etc.) de indubidable e concreto proveito socioecon mico. Queda moito cami o a nda por andar, pero vista do actual desenvolvemento da investigaci n bioqu mica, non Ž aventurado predicir que en poucos anos se te a un importante e minucioso co ecemento dos aspectos da Biolox a dos seres vivos arriba apuntados. ESPAÑA NA HISTORIA DA BIOQUÍMICA Non Ž omisi n, pola mi a parte, a falta de menci n de bioqu micos espa- ois participantes no nacemento ou nos anos decisivos de crecemento da Bioqu mica, coa excepci n de Severo Ochoa. A investigaci n nesta e nas demais ramas da ciencia en Espa a (sacando o milagre cient fico de Ram n y Cajal) foi absolutamente precaria nos pasados anos. O noso atraso cient fico, cimentado nas propias patolox as sociais do noso pa s, nos sžculos XVIII e XIX (no que non imos entrar), fixo pouco posible o afloramento e consolidaci n de escolas cient ficas nas que o traballo formativo sistem tico e continuado cristalizara na formaci n de investigadores. Desgraciadamente, e como consecuencia disto, a situaci n prolongouse excesivamente no propio sžculo XX. O caso de Ochoa, coma o do propio Cajal, que el tanto admiraba, son notabil simas excepci ns. Polo que respecta a Ochoa, a sœa consolidaci n como cient fico produciuse na sœa longa estancia nos Estados Unidos de AmŽrica, desde o ano Evidentemente, neste artigo s se fai referencia s nomes m is significativos, con algunha inevitable omisi n, se cadra inxustificada. Pero mesmo as, na

171 A Bioquímica no final do milenio. Un século de historia 171 Clase de anatomía de Ramón y Cajal. Santiago Ramón y Cajal foi o milagre científico dos primeros anos do século XX en España. No ano 1919 concedéuselle o premio Nobel de Medicina e Fisioloxía. ciencia bioqu mica espa ola non aparecen cient ficos relevantes ata entrados os anos sesenta. O que se pode denominar nucleo orixinario, do que an deriva-las principais escolas de formaci n de bioqu micos, in ciase arredor do grupo de cient ficos que en 1963 fundan a Sociedade Espa ola de Bioqu mica, cun aglutinador clave que foi Severo Ochoa. O acto de fundaci n tivo lugar precisamente en Galicia e concretamente en Santiago de Compostela. Trat base dun grupo pequeno, unha vintena na que destacaba a presencia de Alberto Sols. Este cient fico valenciano foi o bioqu mico espa ol m is importante. Formado a finais dos anos cincuenta na magn fica escola de Carl Cori nos Estados Unidos, o seu laboratorio do Consello Superior de Investigaci ns Cient ficas de Madrid foi a escola de toda unha xeraci n de bioqu micos, s que se lles abriron as portas mundo da caracterizaci n das reacci ns enzim ticas do metabolismo, especialmente de hidratos de carbono, que Sols fixo notables achegas. Nos anos sesenta e setenta consolid ronse outros grupos, tanto no Consello de Investigaci ns Cient ficas como na Universidade. Refer ndonos

172 172 Manuel Freire Rama No ano 1959 o bioquímico Severo Ochoa obtivo o premio Nobel de Medicina e Fisioloxía polos seus traballos sobre o código xenético. s m is significativos, debemos menciona-las escolas de Margarita Salas, Eladio Vi uela, Julio Rodr guez Villanueva, Manuel Losada e David V zquez. Estas escolas de bioqu micos espa ois tiveron, ademais, a peculiaridade de fomenta-la formaci n posterior doutoramento dos seus disc pulos nos m is prominentes laboratorios americanos e europeos. De maneira que nos anos oitenta o elenco de bioqu micos espa ois acadou un nivel extraordinario en nœmero e categor a cient fica. A calidade dos seus traballos, realizados en Espa a e f ra dela, contribu u apreciablemente s progresos sinalados na Bioqu mica deses anos. A medida de todo isto d a o feito de que a investigaci n bioqu mica espa ola, en producci n cient fica, se atopa en sexto lugar no nivel internacional. Por outra parte, a xeraci n dos oitenta foi o motor das xa importantes e diversas escolas de Bioqu mica que cooperaron desenvolvemento cient - fico das universidades espa olas, f ra do foco central de Madrid. Nos œltimos anos deste milenio, sen embargo, a Bioqu mica, e tal vez moitas outras reas da ciencia en Espa a, at pase nunha encrucillada desde a que se albisca un futuro sombrizo. Resaltar a uns aspectos que, meu entender, son determinantes: a organizaci n cient fica, o financiamento e a participaci n da iniciativa privada. Os centros do Consello de Investigaci ns Cient ficas (CSIC) e, mormente, as universidades, acaparan a iniciativa investigadora espa ola, co cal nos atopamos cun dese o de organizaci n absolutamente polarizado nos centros pœblicos. Se ben o CSIC conta cunha organizaci n exclusivamente dedicada investigaci n, non ocorre o mesmo coas universidades, onde a organizaci n das actividades investigadoras est desprazada pola dependen-

173 A Bioquímica no final do milenio. Un século de historia 173 cia da actividade docente, cuns claros problemas como son o desequilibrio nos graos de dedicaci n docente-investigadora e a falta dunha clara e espec - fica regulamentaci n da actividades investigadoras. De maneira que no referente organizaci n cient fica, para a nosa desgracia, o elemento humano do problema segue coma nos anos setenta: dependencia absoluta da iniciativa persoal, sen que se te an desenvolvido as infraestructuras organizativas de apoio e selecci n da calidade das investigaci ns. î tempo, as desproporci ns entre dedicaci n docente e investigadora agr vanse coa ampliaci n esaxerada de universidades e titulaci ns nos anos noventa. A docencia acapara gran parte dos horarios, non se produciu un adecuado e proporcional aumento do persoal que tenda a asemella-la dedicaci n docente espa ola coa media dos demais pa ses desenvolvidos. A anžcdota tirada das memorias de Ochoa ilustra esta situaci n: comentaba Ochoa que Carl Cori tivo que paraliza-las sœas investigaci ns cando na Facultade de Medicina de Washington tivo que dar durante o ano corenta clases a estudiantes de Medicina, cando hoxe en d a o labor docente dun profesor universitario espa ol anda polos dous centenares de horas anuais. O financiamento, sen embargo, mellorou sensiblemente tanto no Estado como nos gobernos auton micos. Isto encerra unha certa contradiccion porque as precarias condici ns de traballo dos investigadores destinatarios non propician un axeitado aproveitamento dos recursos. Por œltimo, Ž lamentable a escas - sima incidencia da iniciativa privada no financiamento e participaci n na actividade investigadora. Nin no referente a contrataci n nin na achega financeira, en xeral, se asoma metade da media dos pa ses europeos. Partidas orzamentarias dedicadas actividade investigadora que, no remate deste milenio, escasamente alcanzan o 1 % do PIB (menos da metade da media europea), con participaci ns privadas que non chegan 10 % do investimento pœblico, xustifican a impresi n antes apuntada dunha perspectiva desalentadora. Un pa s sen ciencia ten moi comprometido o seu futuro benestar.

174

175 175 A XENÉTICA NO SÉCULO XX çngel Carracedo* Universidade de Santiago de Compostela A XenŽtica pode ser considerada plenamente unha ciencia deste sžculo. E isto Ž a nda m is certo se lembramos que o xenial descubrimento de Mendel pasou desapercibido ata que foi redescuberto no ano A esta ciencia a nda moza chegoulle un s sžculo para producir unha autžntica revoluci n no reino da Biolox a e da Medicina. Pero foi nos œltimos quince anos cando tal revoluci n se fixo patente. Faremos neste cap tulo un breve percorrido pola historia da XenŽtica neste sžculo e remataremos cos espectaculares descubrimentos dos œltimos anos que culminaron co desciframento completo do mapa do xenoma humano, o que abre novas perspectivas para o co ecemento e tratamento das enfermidades. O COMEZO DA XENÉTICA COMO CIENCIA: GREGOR JOHANN MENDEL A herdanza dos caracteres f sicos ten sido obxecto de curiosidade e interese desde hai ben tempo. Os antigos hebreos, os gregos, os exipcios, os chineses e os eruditos da Alta Idade Media (particularmente a Medicina rabe), describiron moitos fen menos xenžticos e propuxeron numerosas teor as procurando a sœa explicaci n, a maior a delas err neas. Foi no sžculo XIX cando a Biolox a se liberou da sœa actitude especulativa e se transformou nunha ciencia verdadeiramente experimental. A herdanza de caracteres iniciou o seu estudio coa hibridaci n de plantas, pero resultaba de imposible explicaci n para os cient ficos por mor da complexidade dos fen menos xenžticos nos modelos que se usaban. Eran os bot nicos ent n os que intentaban entende-la herdanza. î mesmo tempo, os zo logos estudiaban e debat an con paix n as ideas evolutivas. En 1859, Charles Darwin publicou a sœa obra fundamental Sobre el origen de las especies, resultado de vintecinco anos de estudio e baseada nunha enorme cantidade de * Catedrático de Medicina Legal. Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

176 176 Ángel Carracedo datos. A obra de Darwin supuxo unha autžntica revoluci n que non se limitou campo biol xico pois implicou tamžn problemas relixiosos e filos ficos fundamentais. Segundo a teor a da evoluci n biol xica de Darwin, as formas org nicas agora existentes proceden doutras distintas que existiron no pasado, a travžs dun proceso de descendencia con modificaci n. Darwin reuniu unha evidencia proveniente de moi diversas disciplinas de investigaci n biol xica a prol do feito evolutivo e logrou que esas disciplinas converxeran no mbito da explicaci n nun proceso natural: a selecci n natural. Co obxecto de impo- er estas dœas revolucionarias concepci ns, Darwin introduce unha nova e radical perspectiva: o pensamento poboacional. En contraste coa visi n esencialista dominante no seu tempo, a variaci n individual, lonxe de ser trivial, Ž para el a pedra angular do proceso evolutivo. Son as diferencias existentes entre os organismos no seo dunha poboaci n as que, se magnificar no espacio e no tempo, constitœen a evoluci n biol xica. A teor a da evoluci n foi case inmediatamente aceptada pola comunidade cient fica, pero a da selecci n natural tivo que agardar ata a terceira džcada do sžculo XX para a sœa aceptaci n xeral. O esquema de Darwin carec a dunha explicaci n para a orixe e o mantemento da variaci n xenžtica sobre a que opera a selecci n. Anos despois de Origen de las Especies, en 1868, Darwin intenta explica-lo fen - meno da herdanza a travžs da hip tese provisional da panxžnese, resultado dun intenso traballo de recompilaci n e interpretaci n conceptual dun gran nœmero de observaci ns e experimentos, que se recollen nun tratado de dous volumes (The variation of animals under domestication). Nela postula a existencia de part culas hereditarias ou de reproducci n, que chamou xžmulas. Contrariamente s conclusiones de Origen de las Especies, a sœa hip tese da herdanza resultou err nea, como demostrou, entre outros, o seu sobri o Francis Galton. De calquera xeito, o seu traballo estimulou o pensamento xenžtico. A enorme controversia sobre as teor as evolucionistas, que se Figura 1. Gregor Mendel ( ).

177 A Xenética no século XX 177 prolongou longo de boa parte do sžculo, encerraba a dificultade engadida do ent n desco ecido mecanismo da herdanza dos caracteres. ƒ neste contexto onde se desenvolve a obra de Mendel (figura 1), xustamente considerado pai da XenŽtica. Gregor Johann Mendel naceu en Heizendorf (Austria) o 22 de xullo de Logo de graduarse, ingresou na orde de Santo Agosti o en 1843, e ordenouse sacerdote en 1847 co nome de Gregorio. En 1853 regresou mosterio de BrŸnn e finalmente foi nomeado profesor de F sica e Historia Natural. En 1854 comezou a sœa famosa serie planeada de investigaci ns verbo da herdanza dos h bridos vexetais, que deu a co ecer ante a Sociedade dos Naturalistas de BrŸnn no artigo ÒVersuche Ÿber PflanzenhybridenÓ, que practicamente pasou inadvertido. Despois de ser elixido en 1868 abade do mosterio de BrŸnn e de toda a orde en Austria, Mendel faleceu nese convento o 6 de xaneiro de O Žxito de Mendel debeuse, por unha parte, sœa extraordinaria planificaci n dos experimentos, a sœa meticulosidade na aplicaci n do mžtodo cient fico e os seus co ecementos, pero tamžn elecci n dunha especie sinxela, moi apta para a sœa investigaci n (Pisum sativum) e selecci n de caracteres obxectivos e simples. Outra das claves do Žxito de Mendel foi a aplicaci n racional do mžtodo cuantitativo. Nos oito anos que duraron as sœas experimentaci ns realizou uns dez mil cruzamentos. A an lise matem tica dos datos obtidos levouno a tres conclusi ns b sicas, hoxe co ecidas como as leis de dominancia, segregaci n e independencia e que constitœen os piares sobre os que longo deste sžculo se edificou a XenŽtica. Antes do redescubrimento da obra de Mendel, no espectacular desenvolvemento cient fico de finais do sžculo XIX, outros achados contribu ron avance da nova ciencia; cabe cita-lo dos cromosomas e os seus movementos na divisi n celular, descritos por Flemming ( ), a hip tese do seu papel na herdanza (Rabl, 1884), a mitose (Van Beneden, 1884) e a diferenciaci n das li as celulares xerminal e som tica (Weismann, 1882). No ano 1900, experimentando en h bridos vexetais, tres cient ficos, De Vries, Correns e Tschermak chegaron a un tempo, pero independentemente, a redescubri-lo traballo de Mendel. Hugo de Vries experimentou con pr mulas as leis de Mendel e comprobou a sœa veracidade, atribu ulle a Mendel a lei da segregaci n e demostrou a existencia de mutaci ns que se herdaban descendencia. De Vries chamoulles s mutaci ns Ôcambios chou nos xenesõ. Carl Correns comprendeu o alcance dos postulados de Mendel e chamoulles s principios da herdanza Leis de Mendel e enunciounas como hoxe as co ecemos. Pola sœa banda,

178 178 Ángel Carracedo A XENÉTICA COMO CIENCIA: A TEORÍA DO XENE Cada cromosoma mide uns 2 cm de longo. Axéitanse nos diminutos núcleos ó envolverse sobre si mesmos. (Tomado de Quest. Edit. Rialp). Erich von Tschermak logrou que volvera editarse a obra de Mendel nas series de Ostwald, Klassiker der exakten Wissenschaften. Johansen, en 1905, corroborou as Leis de Mendel e demostrou o compo- ente xenžtico e ambiental da variaci n fenot pica; conclu u ademais que o compo ente ambiental non se herda. Introduciu outros os termos xene, alelo, fenotipo e xenotipo. En 1906, Bateson bautizou a nova ciencia que estudiaba, a herdanza dos caracteres, como XenŽtica. A nda que a finais da primeira džcada do sžculo xa se co ec a bastante dos cromosomas, era moi dif cil relacionalos cos xenes. TamŽn era dif cil relacionar cos cromosomas os caracteres claramente herdables que se co ec an. Karl Landsteiner descubrira o grupo ABO no ano 1900 (se ben a sœa herdanza non foi demostrada ata algœn tempo despois), Archibald Garrod descubriu en 1909 que a alcaptonuria se deb a fallo dunha enzima. ÀSer an os xenes enzimas? A soluci n a todos estes enigmas proporcionouna Thomas Hunt Morgan, que comezou o seu traballo na Universidade de Columbia en Morgan elixiu como ferramenta de traballo a mosca do vinagre, Drosophila melanogaster, que ti a como vantaxe a sœa morfolox a simple e r pida reproducci n, xa que cada dez d as se produce unha nova xeraci n. Xa en 1910, Morgan puido determina-la herdanza ligada cromosoma X da cor dos ollos na Drosophila. Iso significaba que os xenes ti an que estar nos cromosomas.

179 A Xenética no século XX 179 Seguindo con experimentos en Drosophila, o grupo de Morgan demostrou que os xenes estaban contidos nos cromosomas nunha disposici n lineal e que polo menos unha serie de caracteres dependentes do cromosoma X se transmit an ligados. Daquela, a lei da independencia de Mendel non se cumpr a para algœns caracteres, se ben mesmo nos caracteres ligados empezaron a atoparse excepci ns mecanismo de ligamento. En 1913, A. H. Sturtevant escribiu un artigo revolucionario na XenŽtica e que marcou o seu desenvolvemento neste sžculo ÒThe linear arrangement of six sex-linked factors in Drosophila, as shown by their mode of associationó. Sturtevant puido comprobar que os xenes que se trasmit an xuntos se encontraban no mesmo cromosoma e que os que se comportaban independentemente estaban en cromosomas distintos. Mendel tivera fortuna no seu experimento pois os xenes que estudiou estaban en cromosomas distintos ou moi distantes dentro do mesmo cromosoma. Lentamente Sturtevant e os seus sucesores foron constru ndo un mapa de ligamento para a Drosophila e axi a moitos dos seus caracteres f sicos transmisibles puideron ser localizados de forma precisa. Sturtevant demostrou tamžn en 1925 a ocorrencia de mutaci ns que prognosticara De Vries. O estudio da mutaci n foi desenvolvido a fondo por H. J. Muller, quen, en 1927, demostrou a acci n mutaxžnica dos raios X, inaugurando as a longa lista de xenetistas laureados polo premio Nobel (recibido en 1946). OS PROBLEMAS POLÍTICOS DO DESENVOLVE- MENTO DA XENÉTICA A XenŽtica foi obxecto desde os seus comezos dunha utilizaci n ideol - xica que moitas veces supuxo unha limitaci n seu progreso. Este foi o caso do evolucionismo tan fortemente contestado por extremismos relixiosos durante boa parte deste sžculo, pero tamžn os novos co ecementos crearon problemas. Sir Francis Galton, primo de Darwin e que ti a en comœn con Mendel nacer o mesmo ano e a sœa paix n polas matem ticas, foi o precursor da biometr a moderna, o primeiro en desenvolver estudios con xemelgos pero tamžn o fundador da euxenesia. Galton, coma a maior a dos cient - ficos victorianos, era inmensamente rico e interesouse na herdanza das calidades, especialmente na calidade de xenio (un exemplo para el eran as familias de xu ces). En 1908 creou a Eugenics Education Society. En 1911 finou sen descendencia e deixoulle toda a sœa fortuna Laboratory for National Eugenics da Universidade de Londres. En 1920, este laboratorio dividiuse en dous, o laboratorio Galton da Universidade de Londres, que desde ent n se dedicou investigaci n xenžtica, e a Sociedade de Euxenesia, que

180 180 Ángel Carracedo ti a a misi n, perseguida durante moitos anos, de mellora-la raza humana. Simultaneamente, Lombroso e- nunciaba a sœa teor a, non refutada ata moitos anos despois, sobre o determinismo f sico da criminalidade, a par que un movemento euxenžsico cruzou o mundo culminando cos horrores da Alema a nazi. Do extremo determinismo f sico e xenžtico pasouse extremo determinismo cultural. A Stalin non lle agradaba a idea de que algo, a nda que s fose a cor dos ollos da mosca do vinagre, puidese estar determinado pola Biolox a. Marx insistira en que cambiando o ambiente era posible cambialo todo. Por forza o mendelismo e o morganismo Áti an que ser un complot capitalistaá O ministro de agricultura de Stalin, Trofim Denisovitch Lysenko, comezou unha campa a contra xenes e cromosomas. Varios xenetistas foron arrestados, entre eles Vasilov, un dos mellores, quen foi condenado en 1940 por sabotaxe contra a agricultura polas sœas ideas sobre a xenžtica e morreu nun campo de prisioneiros en buscar un material de experimentaci n m is axeitado c Drosophila e elixiu o xžnero Neurospora que Ž un sistema biol xico m is simple a nda c Drosophila e cun tempo de reproducci n m s reducido. En 1941, mediante a A XENÉTICA MOLECULAR Un momento decisivo na evoluci n da XenŽtica veu da man da Bioqu mica e levou co ecemento molecular do xene. Quizais este momento se iniciou contra 1940, cando Beadle decidiu Desdobramento dunha cadea (Tomado de Quest. Edit. Rialp).

181 A Xenética no século XX 181 inducci n de mutaci ns, Beadle e Tatum demostraron que a funci n dos xenes era a de controla-la producci n de determinadas enzimas, e estableceron o aforismo de Òun xene-unha enzimaó, polo que se determinaba en gran medida a funci n real dos xenes. Despois dos fungos foron as bacterias as escollidas como material de investigaci n. En 1944, Avery, McLeod e McCarthy, traballando con dœas estirpes de pneumococo (que como os guisantes de Mendel eran lisos ou rugosos), demostraron que o material xenžtico non era unha prote na sen n os cidos nucleicos. Quedaba por probar se isto, ademais de nas bacterias, ocorr a no resto dos organismos vivos. Precis ronse case dez anos para que Hershey e Chase (1952) demostraran que tamžn en virus o cido desoxirribonucleico (ADN) era o axente responsable da herdanza. Coa demostraci n, pouco tempo despois, de que isto tamžn suced a en animais superiores, todo se concentrou no ADN. Estaba claro que era o œnico material que se transmit a de feito de xeraci n en xeraci n. Pero Àcomo unha substancia tan simple pod a copiarse a si mesma, codificar unha informaci n tan enorme e pasa-la informaci n dunha a outra xeraci n? Hab a s unha fonte de variaci n no ADN, as catro bases nitroxenadas: adenina, guanina, timina e citosina. O nœmero de bases variaba de especie a especie pero hab a sempre a mesma proporci n de A a T e de G a C. A principios da džcada dos cincuenta, un bi logo americano, James Watson, foi a Cambridge onde lle encomendaron traballar na bioqu mica dos cidos nucleicos, tema que a el non lle gustaba. Pronto co eceu a Francis Crick, un f sico graduado na Universidade de Londres. Ambos estaban interesados na estructura das molžculas biol xicas e acudiron a modelos cristalogr ficos desenvolvidos por outros investigadores e principalmente por Wilkins. Watson e Crick estudiaron o patr n de difracci n de raios X da molžcula de ADN e publicaron en Nature, no ano 1953, unha nota curta de s unha p xina na que se ofrec a un modelo moi simple e claro da estructura molecular do ADN: unha dobre hžlice, algo as como unha escaleira de caracol (figura 2). De repente todo comezaba a encaixar: emparell banse as adeninas coas timinas e as guaninas Figura 2. Modelo de Crick e Watson do ADN da dobre hélice.

182 182 Ángel Carracedo coas citosinas. A autoduplicaci n era adiantada no propio artigo de Nature (posteriormente Kornberg demostrou in vitro a autoduplicaci n), pero quedaba unha cuesti n: Àcomo estaba codificada a informaci n xenžtica no ADN? Todo o mundo asum a que o ADN cromos mico era coma un libro con letras (as catro bases) que conti a as instrucci ns para facer unha mosca ou un ser humano. O seguinte reto era descifra-lo c digo. Pero en seguida se suceden os descubrimentos. En 1958 Matthew Meselson e Franklin Stahl demostraron que o ADN se replicaba semiconservativamente. O problema de c mo a secuencia do ARN se traduce en secuencia proteica empezaba a resolverse. Outra volta Watson e Crick, traballando con mut xenos qu micos en ADN de bacteri fagos, observaron que se se inser an unha ou dœas bases (A, T, C, G) no ADN dos fagos, estes non crec an, pero cando si se inser an, tres medraban case normalmente. Suxeriron que o c digo xenžtico se l a en grupos de tres letras, de tal modo que se se inser an unha ou dœas toda a mensaxe quedaba distorsionada. Toda a informaci n xenžtica, codificada nunha linguaxe simple con palabras de tres letras e un alfabeto de catro letras, alberg bana os cromosomas do nœcleo e as prote nas sintetiz - banse no resto da cžlula, pero Àcomo se transfer a a informaci n a? De contado se comprendeu c mo era o fluxo da informaci n xenžtica (figura 3), o que Watson chamou o dogma central da Biolox a: o ADN transcr bese a outro cido nucleico ARN que Ž o que pasa citoplasma para fabrica-las prote nas. Figura 3. Conversión da información xenética. Ese mesmo ano, 1958, Arthur Kornberg illa a polimerasa do ADN e un ano despois Severo Ochoa illa a ARN polimerasa, descubrimento fundamental co que se inicia a elucidaci n do c digo. En 1961, Sidney Brenner, Fran ois Jacob e Meselson descubriron o ARN mensaxeiro e finalmente, en 1966, Marshall Nirenberg e Har Gobind Khorana terminan de desvela-lo c digo xenžtico. Simultaneamente a estes descubrimientos, Seymour Benzer publica en 1955 o seu primeiro traballo sobre a estructura fina do locus rii no fago T4. En 1961 Jacob e Jacques Monod propo- en o modelo do oper n como mecanismo de regulaci n da expresi n xžnica en procariotas. O c digo xenžtico era sorprendentemente universal, case o mesmo

183 A Xenética no século XX 183 desde bacterias a seres humanos. Ademais, como demostraron Charles Yanofsky e o seu equipo en 1964, era colineal: os xenes estaban ali ados un xunta outros, a mensaxe do ADN era lida directamente ARN e isto determinaba a orde dos amino cidos nunha prote na. Os setenta presencian a chegada das tžcnicas de manipulaci n do ADN. En 1970 llanse as primeiras endonucleasas de restricci n, e H. Temin e D. Baltimore descobren a transcriptasa inversa. En 1972 constrœese no laboratorio de Paul Berg o primeiro ADN recombinante in vitro. En 1975, Ed Southern descobre o Southern blotting e a tecnolox a de an lise electroforžtica de fragmentos pequenos de ADN. O ano 1977 foi pr digo: publ canse as tžcnicas de secuenciaci n do ADN de Walter Gilbert e de Frederick Sanger e ese mesmo ano varios autores descobren que os xenes eucariotas se encontran interrompidos (intrones) e que o ADN da maior parte dos xenomas Ž ADN non codificante. Pero o m is espectacular estaba por chegar cos descubrimentos da džcada dos oitenta que culminaron co Proxecto Xenoma Humano. O DESENVOLVEMENTO DAS ÚLTIMAS DÉCADAS: O PROXECTO XENOMA HUMANO Os esforzos econ micos e cient ficos multiplic ronse nas œltimas džcadas ante a evidencia da revoluci n que para a Medicina e a Biolox a supo a a xenžtica molecular. Ser a imposible enumerar t dolos logros cient ficos destes œltimos vinte anos que correron paralelos s avances tecnol xicos. LimitarŽmonos a sinala- -los que, na nosa opini n, tiveron maior repercusi n. O primero de todos foi un gran descubrimento te rico, realizado en 1985 polo equipo de Alec Jeffreys da Universidade de Leicester. Este grupo, analizando o ADN de secuencias intr - nicas (non codificante), descubriu que estaba organizado de forma repetitiva e que esas secuencias repetidas eran extraordinariamente polim rficas, isto Ž, que o nœmero de repetici ns de cada secuencia repetitiva variaba enormemente entre as persoas. Este feito, xunto co descubrimento posterior da variaci n en secuencias repetitivas pequenas (microsatžlites), posibilitou a realizaci n de mapas xenžticos e o descubrimento do locus xžnico (Ž dicir, do lugar do cromosoma) do que depend an numerosas enfermidades e caracter sticas xenžticas. Sen embargo, malia estes descubrimentos, a an lise da variaci n xenžtica e a an lise de ADN en xeral segu a sendo lenta e tediosa e base base nos mžtodos descritos por Southern empregando sondas marcadas con is - topos radioactivos. Os cient ficos buscaban ent n un mžtodo para replicar anacos de ADN mill ns de veces, de modo que a sœa an lise se simplificase. As polimerasas

184 184 Ángel Carracedo de ADN pod an facer ese papel, pero o problema era que unha etapa intermedia para a replicaci n do ADN consiste en separa-las dœas febras do ADN (que Ž unha cadea dobre) e isto hab a que facelo con calor, de modo que as polimerasas animais se desnaturalizaban. Un investigador da compa a Cetus, Kary Mullis, tivo unha idea xenial: Àcomo solucionaban o problema da replicaci n de ADN as bacterias que viv an en augas termais a elevad simas temperaturas? En 1986, el mailo seu equipo conseguiron illar unha polimerasa termoestable derivada da bacteria Thermus aquaticus e conseguiron automatiza-la tžcnica de reacci n en cadea da polimerasa (PCR). A PCR supuxo unha gran revoluci n tecnol xica en t dolos campos da XenŽtica. Paralelamente, os avances tecnol xicos foron considerables, destacando a aplicaci n secuenciaci n de ADN da tecnolox a de fluorocromos (que permitiu substitu -lo uso de is topos), o descubrimento da electroforese capilar e a rob tica. Todo iso permitiu finalmente a fabricaci n de secuenciadores autom ticos de gran fiabilidade e rapidez con capacidade de secuenciar miles e miles de bases por d a. Os avances tecnol xicos culminaron co descubrimento recente dos chips de ADN (DNA microarrays) que permiten a inmobilizaci n ou a s ntese in situ de decenas de miles de sondas nunha pequena superficie, o que posibilita estudios de expresi n ou de secuencia a grande escala. Isto sup n un adianto tecnol xico de tal magnitude que afectar a toda a XenŽtica do novo milenio. O Proxecto Xenoma Humano naceu da innovaci n tecnol xica a nda que finalmente o investimento realizado nel posibilitou o desenvolvemento desta innovaci n. En 1984 e 1985, Robert Sinsheimer e Renato Dulbecco expuxeron a sœa idea do importante que ser a secuenciar todo o Xenoma Humano. Ambos chegaron mesma conclusi n a travžs de cami os ben distintos e tendo en comœn, unicamente, a sœa proximidade no tempo e que os dous resid an en California. A finais de 1985 ocorržuselle a mesma idea a Charles Delisi, que traballaba para o Departamento de Enerx a dos Estados Unidos (DOE), se ben se encontraba nunha situaci n que lle permitiu convertelo nun programa de investigaci n gobernamental. En efecto, os laboratorios do DOE estaban en crise, motivada en gran parte porque o seu traballo ti a menos interese ante a ca da econ mica e militar do bloque sovižtico e era unha oportunidade para relanzalos. Unha vez emprendido o programa do DOE, a rivalidade entre este e os institutos nacionais de saœde estadounidenses (NIH) conduciu o Proxecto Xenoma s primeiras p xinas de Science, Nature e as principais revistas, convertžndoo en obxecto dunha controversia aparentemente interminable.

185 A Xenética no século XX 185 A idea inicial era secuencia-lo xenoma humano, pero iso esix a unha serie de logros previos, como distintos mapas xenžticos, inclu ndo os dos organismos dos que mellor se compred a a sœa xenžtica e era m is accesible s experimentos c s dos seres humanos. O Proxecto Xenoma redefiniuse entre 1986 e 1988 para englobar tres obxectivos tžcnicos: o primeiro, obter un mapa de ligamento (en 1995 xa dispo iamos de mapas de ligamento de certa densidade); o segundo, obter un mapa f sico para facilita-lo exame directo do ADN producindo colecci ns ordenadas de fragmentos clonados de ADN, e o terceiro, que era o obxectivo final do proxecto, obte-la secuencia completa do ADN humano. Desde o principio estaba claro que, para acadar estes obxectivos tžcnicos, o Proxecto Xenoma necesitaba recursos. Se ben o esforzo de financiamento pœblico foi principalmente norteamericano (que o custean desde 1990), tamžn foi secundado por algœns pa ses europeos, a propia Uni n Europea, Xap n e Canad. î principio da džcada dos noventa o progreso era lento, pero antes de 1996 xa se lograra secuencia-lo xenoma de Saccaromyces cerevisae e Escherichia coli. A primeira secuencia completa do xenoma dun organismo multicelular, o Caenorhabditis elegans, foi completada a finais de A data prevista para secuencia-los arredor de tres mil mill ns de bases do xenoma humano e completa-lo proxecto era o ano 2025 en 1990, que pasou 2010 en 1995, pero todo foi m is de pržsa do esperado, e non s polos avances tecnol xicos. En 1997, a posibilidade aberta pola oficina de patentes americana de permiti-la patente de xenes ou parte de xenes, e o impacto que isto a ter na industria biomždica e farmacžutica, conduciu a un consorcio privado, a compa a Celera Genomics, a entrar na carreira pola secuencia do xenoma. Este grupo utilizou unha estratexia distinta de an lise da do consorcio pœblico, e nunha carreira trepidante chegaron de forma simult nea conclusi n do proxecto. O 26 de xu o do ano 2000, o presidente dos Estados Unidos, Bill Clinton, o primeiro ministro brit nico, Tony Blair, o presidente de Celera Genomics, Craig Venter e mailo director do Proxecto Xenoma Humano, Francis Collins, anunciaron a consecuci n da secuencia completa do xenoma humano e a chegada dunha nova era para a Medicina. O DESENVOLVEMENTO DAS DISTINTAS ESPECIALI- DADES DA XENÉTICA XENÉTICA DE POBOACIÓNS î longo deste sžculo non s a XenŽtica cl nica se beneficiou dos avances na XenŽtica; moitas outras disciplinas e aplicaci ns desta ciencia foron xurdindo longo destes anos. Entre

186 186 Ángel Carracedo elas cabe sinala-la XenŽtica de poboaci ns, a Antropolox a, a XenŽtica mždica, a ImmunoxenŽtica e a XenŽtica forense. Imos dar conta da sœa evoluci n hist rica brevemente. Os individuos que pertencen a unha mesma especie difiren nunha multitude de caracter sticas, moitas das cales son hereditarias. A finalidade m is importante da XenŽtica de poboaci ns consiste en comprende-la natureza e orixe desas diferencias hereditarias. Canda o redescubrimento do mendelismo, a principios de sžculo, desenvolveuse a teor a matem tica da evoluci n, baseada na XenŽtica mendeliana, debida principalmente a R. A. Fisher, J. B. S. Haldane e Sewall Wright. Unha gran cantidade de traballos posteriores base ronse nos principios establecidos por eses tres eminentes cient ficos. A XenŽtica de poboaci ns experimental, iniciada por S. S. Chetverikov Ñquen, traballando con Drosophila foi o primeiro que identificou grandes fontes de variabilidade xenžticañ e continuada por Theodosius Dobzhansky e E. B. Ford entre outros, proporcionou observaci ns b sicas realizadas en poboaci ns humanas e de laboratorio, que permitiron comproba-la validez das teor as evolutivas. Neste sentido, a XenŽtica de poboaci ns permitiu aclarar un conflicto que xurdira con Darwin: o da natureza da variaci n sobre a que se produce a evoluci n. Mentres que Darwin puxo Žnfase na evoluci n gradual e continua que transforma a variaci n dentro das poboaci ns en variaci n entre poboaci ns, outros, como Thomas Huxley e, inicialmente, Galton, cr an que a evoluci n proced a de forma r pida e descontinua, polo que a selecci n usaba primariamente variaci n descontinua, e non ti a ningœn valor evolutivo a variaci n continua. Co mendelismo, este antagonismo acentuouse ata se converter en conflicto entre os mendelianos por un lado, que apoiaban a evoluci n descontinua, e os biomžtricos polo outro, que estudiaban cuantitativamente a variaci n nos caracteres f sicos e cr an na evoluci n darwiniana. Os primeiros estaban capitaneados por Bateson, Morgan e Hugo de Vries, mentres que Karl Pearson e W. F. R. Weldom (xunto con Galton, que se uniu a eles ideoloxicamente despois) foron os principais biomžtricos. En 1908 formœlase a lei de Hardy- -Weinberg que relaciona as frecuencias xžnicas coas xenot picas en poboaci ns panm cticas e que Ž a verdadeira pedra angular da XenŽtica de poboaci ns. Entre 1918 e 1932, a longa polžmica entre biomžtricos e mendelianos res lvese finalmente: Ronald Fisher, Sewal Wright e J. B. S. Haldane levaron a cabo a s ntese do darwinismo, o mendelismo e a biometr a e fundan a Teor a da XenŽtica de Poboaci ns. Fisher demostra en 1918 que a variaci n cuantitativa Ž unha consecuencia natural da herdanza mendeliana.

187 A Xenética no século XX 187 A integraci n da XenŽtica de poboaci ns con outros programas de investigaci n evolutiva, tales como a Biolox a de poboaci ns experimental, a sistem tica, a Paleontolox a, a Zoolox a e a Bot nica, produciron durante o per odo de a Teor a SintŽtica ou Neodarwinista da evoluci n. Nela prodœcese a maior integraci n de disciplinas, nunca antes alcanzada, dunha teor a evolutiva. O descubrimento dos polimorfismos electroforžticos e a sœa aplicaci n en 1966 por R. Lewontin, J. L. Hubby e H. Harris estudio da variaci n aloz - mica das poboaci ns naturais, permitiu obte-las primeiras estimaci ns da variaci n xenžtica de infinidade de especies. Dœas teor as contrapostas intentan explica-lo mantemento dos polimorfismos moleculares nas poboaci ns e, en xeral, a evoluci n molecular: a teor a neutralista da evoluci n molecular e a teor a seleccionista. A primeira mantžn que a maior parte da evoluci n molecular Ž neutra, Ž dicir, que a maior a das variantes moleculares son selectivamente equivalentes e non afectan a capacidade reproductiva dos organismos (Kimura 1968, 1983). Desde o punto de vista seleccionista, suponse que a maior a dos polimorfismos est n mantidos nas poboaci ns pola acci n da selecci n natural equilibradora e a evoluci n molecular ser a o froito da fixaci n de mutantes vantaxosos pola acci n da selecci n positiva (Lewontin, 1974). Sen embargo, o debate entre seleccionistas e neutralistas durante as œltimas džcadas non conseguiu esclarecer de forma definitiva o significado evolutivo da variabilidade xenžtica molecular, se ben Ž certo que se produciu unha certa aproximaci n entre as dœas escolas. Hoxe en d a adm tese que unha certa parte (seguramente a maior a) dos cambios moleculares son neutros e o seu destino est gobernado nas poboaci ns naturais pola mutaci n e a deriva xenžtica, pero que existen tamžn evidencias experimentais da acci n da selecci n natural sobre a variabilidade molecular. Xa na œltima džcada, o descubrimento dos polimorfismos de ADN nuclear e de ADN mitocondrial produciron unha revoluci n na xenžtica de poboaci ns humanas e est permitindo trazar cunha precisi n antes inimaxinable modelos de migraci ns desde os albores da humanidade ata tempos recentes. O estudio de polimorfismos xenžticos est permitindo clarifica-la historia evolutiva das poboaci ns humanas. T dolos datos de polimorfismos xenžtico-moleculares apoian a hip tese de que a poboaci n africana constitœe a poboaci n humana m is antiga igual c s an lises de ADN mitocondrial (hip tese da Eva africana) que Ž unha molžcula que se herda exclusivamente pola v a materna, moi apropiada para este tipo de an lise e tamžn para a de restos seos antigos.

188 188 Ángel Carracedo A orixe do home e a posici n que ocupa na natureza Ž un problema que ten recibido a atenci n de pensadores e cient ficos durante longo tempo. Os avances en xenžtica que se sucederon durante a œltima centuria estannos achegando progresivamente sœa resoluci n. A XENÉTICA NA MEDICINA A nda que o interese polas enfermidades xenžticas data de antigo, a XenŽtica mždica desenvolveuse desde o punto de vista cient fico enteiramente no sžculo XX e p dese dicir que comezou con el vinculada Inmunohematolox a co descubrimento do grupo ABO por Karl Landsteiner en 1900 e a demostraci n da sœa herdanza mendeliana un tempo despois, e co descubrimento da herdanza da alcaptonuria por Archibald Garrod en Se ben a Inmunohematolox a, e mais unha especialidade derivada dela, a XenŽtica forense, tiveron un auxe importante ata a primeira metade do sžculo, o seguinte paso importante na XenŽtica mždica propiamente dita produciuse en 1956, cando Tjio e Levan por unha parte e, de forma independente, Ford e Hamerton, demostraron con claridade e por primeira vez que o nœmero de cromosomas no home era de 46 e non de 48 como se crera ata ent n. Tres anos despois Lejeune en Par s e Ford e Jacobs no Reino Unido demostraron que en pacientes co s ndrome de Down hab a alteraci ns cromos micas claras e reco ecibles. A XenŽtica mždica estivo ligada CitoxenŽtica ata finais deste sžculo, cando o co ecemento do xenoma produciu unha revoluci n de tal natureza nela que afectou non s a XenŽtica, sen n toda a Medicina. A cuesti n Ž que a CitoxenŽtica pasou a ter unha importancia cuantitativamente menor no diagn stico da enfermidade xenžtica comparado coa an lise de diferencias sut s no ADN por tžcnicas moleculares. O outro gran cambio Ž que a XenŽtica se interesou non s pola enfermidade puramente xenžtica, sen n pola enfermidade cun compo ente xenžtico e outro ambiental, como por exemplo o cancro, que s veces ten un compo ente hereditario, pero que, sobre todo, Ž un chorro de acontecementos en xenes cunha an lise que ten grande importancia para o seu diagn stico, progn stico e mesmo o seu tratamento. Pero mesmo tempo cambiou o espectro da enfermidade e o impacto cl nico da doenza xenžtica incrementouse de contino longo deste sžculo, e Ž previsible que se siga incrementando no vindeiro. Est mase que nos pa ses occidentais a porcentaxe de mortes en idade pedi trica atribu ble a causas xenžticas pasou do 10 % a principios de sžculo a m is do 40 % na actualidade. Entre o 3 % e o 7 % dos acabados de nacer sofren un trastorno xenžtico; destes, o 0,4 % son cromosomopat as, o 1,1 % enfermidades monoxenžticas e o resto enfermidades multixžnicas.

189 A Xenética no século XX 189 Daquela, o espectro da enfermidade xenžtica cambiou tamžn notablemente e os trastornos cromos micos pasaron a ser menos importantes c s cambios xenžticos m is sut s (mutaci ns), que actualmente representan o 80 % dos diagn sticos xenžticos. Esta porcentaxe incrementarase m is como consecuencia do co ecemento do xenoma humano: actualmente co Žcense uns oito mil xenes susceptibles de mutaci ns que orixinen trastornos monoxžnicos. Hoxe en d a poden analizarse molecularmente m is de mil destas enfermidades pero Ž de esperar que nesta džcada case t dolos trastornos xenžticos poidan ser analizados. A segura introducci n de mžtodos m is r pidos e baratos de screening da man dos chips de ADN far m is r pido e factible o estudio xenžtico naquelas afecci ns nas que os beneficios en termos de prevenci n sexan importantes. O avance dos nosos co ecementos sobre os compo entes moleculares que constitœen a base dos diferentes procesos biol xicos e a sœa aplicaci n enfermidade deu lugar creaci n do termo Medicina molecular e a XenŽtica mždica estase integrando neste novo concepto. Xa neste momento non hai ningunha especialidade mždica que non se vira inundada por este tipo de conceptos, pero sen dœbida a culminaci n do Proxecto Xenoma Humano e o gran desenvolvemento tecnol xico marcar un punto de inflexi n e ter unha gran repercusi n pr ctica na Medicina na pr xima džcada. Estes avances afectar n principalmente a an lise do compo ente xenžtico ou de reacci n individual da enfermidade (non s a xenžtica ou complexa sen n a enfermidade de causa basicamente non xenžtica) e afectar o diagn stico, progn stico e tratamento da maior a das enfermidades. Os co ecementos sobre o xenoma que se est n adquirindo de forma vertixinosa orixinar n (xa est n orixinando) unha demanda asistencial progresiva a medida que se encontren marcadores de utilidade cl nica probada. Nos œltimos cinco anos, as demandas de an lises moleculares est n medrando m is dun cen por cento por ano e Ž de esperar que esta porcentaxe se incremente ou mante a. A informaci n xenžtica que se xera vai suscitar unha serie de problemas pr cticos e tamžn Žticos s que hai que ir buscando unha resposta axeitada, tanto desde o punto de vista mždico e de planificaci n sanitaria coma educativo e social. A nova Medicina que se aveci a posuir un compo ente predictivo de futuras patolox as no individuo san que requirir unha forma diferente de acomete-los problemas de saœde, sen a penas similitude na actualidade. Da man da revoluci n xenžtica prevense cambios no concepto de enfermidade, e ciencias nacentes como a farmacoxenžtica, farmacoxen mica e a prote mica ter n unha grande importancia nas pr ximas džcadas. A terapia xžnica que xa se iniciou con Žxito na džcada dos noventa para o

190 190 Ángel Carracedo tratamento do džficit dunha enzima, a adenos n desaminasa, que produce unha inmunodeficiencia que obriga os nenos que a padecen a viviren illados, est cobrando un enorme interese para o tratamento doutras enfermidades xenžticas, enfermidades infecciosas e o cancro. Outras disciplinas da XenŽtica, como a XenŽtica forense, est n hoxe completamente establecidas e gracias an lise da variaci n no ADN identif - canse individuos, anal zanse vestixios de interese criminal ou fanse investigaci ns biol xicas da paternidade cunha seguridade cada vez maior. Pero o cambio vertixinoso de conceptos tamžn orixina problemas Žticos que haber que resolver. Por exemplo, se unha an lise pode predicir que unha persoa moza vai morrer dunha enfermidade xenžtica incurable, Àfar esa persoa a an lise?; e Àcal ser a sœa actitude se esa mesma an lise pode informalo de que lles pasar ou non esa enfermidade s seus descendentes?, Àgustar alle a algužn saber que debido s seus xenes, o seu traballo nunha industria pode orixinarlle cancro?, Àgustar alle a esa persoa que os responsables desa industria ou a sœa compa- a de seguros co ecesen esa predisposici n?, Àgustar anos que t dolos individuos estivesemos fichados xeneticamente para perseguir mellor os delictos?, Àe os criminais reincidentes?, Àpoden os xenes ser patentados? Estas son algunhas das cuesti ns que empezamos a formularnos como consecuencia dos avances tecnol xicos na xenžtica humana. Para atender estas cuesti ns, o propio proxecto xenoma dedica unha parte importante do orzamento a promove-la reflexi n sobre estas cuesti ns, que son cruciais para que a nova xenžtica se use adecuadamente. Ademais do impacto na Medicina e como logro m is importante, parece claro que a nova XenŽtica e a culminaci n do Proxecto Xenoma Humano vai revela-los detalles moleculares da especie humana, e isto permitiranos marabillarnos da similitude existente entre nosoutros e, tempo, celebra-la nosa diversidade. BIBLIOGRAFÍA Berry, R. J., Neo-Darwinism, Londres, E. Arnold, Bowler, P. J., The mendelian revolution: the emergence of the hereditarian concepts in modern science and society, Londres, Athione, Dunn, L. C., A short history of genetics, Nova York, McGraw-Hill, Mayr, E., The growth of biological thought. Diversity, evolution and inheritance, Cambridge, Harvard University Press, MA,1982. Moore, J. A., Science as a way of knowing. The foundations of modern biology, Cambridge, Harvard University Press, MA, 1993.

191 A Xenética no século XX 191 Olby, R. C., Origins of Mendelism, Londres, Constable, El camino hacia la doble hžlice, Madrid, Alianza, Portugal, F. H., e J. S. Cohen, A century of DNA, Cambridge, MIT Press, MA, Provine, W. B., The origins of theoretical population genetics, Chicago, The University of Chicago Press, Stent, G. S., e R. Calendar, Genetics: An introductory narrative, San Francisco, Freeman, 2» edici n, Stuble, H., History of genetics, Cambridge, MIT press, MA, Sturtevant, A. H., A history of genetics, Nova York, Raper and Row, Watson, J. D., La doble hžlice, Barcelona, Salvat, 1987.

192

193 193 A TECTÓNICA DE PLACAS E O IMPACTO KT. UNHA GRAN REVOLUCIÓN XEOLÓXICA E UNHA GRAN CONTROVERSIA DO SÉCULO XX Federico Vilas Mart n* Universidade de Vigo INTRODUCCIÓN En case t dolos asuntos, a mente humana tende fortemente a xulgar luz da sœa propia experiencia, co ecemento e prexu zos, antes que en funci n das evidencias presentadas. Deste modo, as ideas novas son xulgadas polas crenzas prevalecentes. Se as ideas son demasiado revolucionarias, Ž dicir, se se apartan demasiado das teor as reinantes, e se non se poden asimilar corpo de co ecementos de moda, non ser n aceptables. Cando se fan os descubrimentos antes de tempo, Ž case seguro que ser n ignorados ou rexeitados cunha oposici n insuperable, de modo que na maior a dos casos, tanto dar a no telos feito. Beveridge, 1950 Se observamos detidamente a historia da Humanidade, podemos decatarnos de que Ž moi dif cil non resultar afectado polas revoluci ns pol ticas ou econ micas. Pola contra, a xente comœn permanece marxe ou allea s explicaci ns cient ficas ou art sticas, a nda que por veces cheguen a constitu r unha autžntica revoluci n. A historia br ndanos numerosos exemplos; os libros da Biblia (Bentor, 1978) conte en frecuentes e moi exactas descrici ns de acontecementos xeol xicos: terremotos e os seus conseguintes movementos de terras (o paso do r o Xord n), inundaci ns (Sodoma e Gomorra), volcanismo (o monte Sina ), etc. Moitos destes sucesos xeol xicos deberon de impresionar profundamente as mentes precient ficas da Žpoca en que se escribiu a Biblia, por iso foron considerados de orixe supranatural. S hoxe chega a comprenderse que estes acontecementos xeol xicos forman parte do escenario apropiado para crea-la atmosfera precisa do relato b blico e o seu principal sentido. M is pr ximo nosa Žpoca, o reverendo Thomas Burnet, eminente pastor anglicano e capel n privado do rei Guillerme III, entre 1680 e 1690 publicou, primeiro en lat n e logo en inglžs, os catro libros de Telluris theoria sacra, ou La Teor a sagrada de la Tierra: Conteniendo un Informe del Origen de la Tierra y de todos los Cambios Generales que se han experimentado, o que est n por experimentar hasta la consumaci n de * Catedrático de Estratigrafía. Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

194 194 Federico Vilas Martín todas las cosas. Burnet contou a historia do noso planeta proclamada pola infalible concordancia entre a palabra de Deus (os Textos Sagrados) e a obra de Deus (os obxectos da natureza). A sœa obra, de moi pobre contido emp rico, tal como insisten os seus detractores, non poder a ser criticada por mesturar ciencia e relixi n cando a taxonom a do seu tempo non reco ec a tal divisi n, e mesmo non exist a unha palabra para o que agora denominamos ciencia. Hoxe Burnet aparece nos nosos libros de texto como o arquetipo dunha idolatr a b blica que retivo o progreso da ciencia. Esta caracterizaci n persiste na nosa xeraci n. Fenton e Fenton, na sœa popular obra Xigantes da xeolox a (1952, 22) rexeita a teor a de Burnet como Òunha serie de ideas excžntricas acerca do desenvolvemento da TerraÓ. Do mesmo xeito, e noutros mbitos sociais, ningužn foi consciente no seu momento do que significaba o Cubismo ou o Surrealismo e s hoxe podemos avalialos enmarcados nos problemas da Žpoca. No mesmo sentido, p dese dicir que as revoluci ns cient ficas actuais pasan inadvertidas, mentres que reco ecžmo-la importancia dos descubrimentos que ocorreron hai uns corenta ou cincuenta anos. ÀCando comezou a œltima Ôrevoluci nõ das Ciencias da Terra? A crenza dunha Terra ÔestableÕ e non Ôm bilõ, segundo a cal os continentes permaneceron na mesma posici n, foi un punto de vista combatido por Wegener e logo en menor medida por Taylor. Foi preciso que transcorreran uns cincuenta anos para lograr unha conversi n masiva s puntos de vista mobilistas. Non parece que medio sžculo sexa un per odo excesivamente longo de indecisi n e incerteza, no campo da ciencia son numerosos os exemplos que se poden citar: a teor a heliocžntrica de CopŽrnico e a persecuci n de Galileo pola mesma idea moito tempo m is tarde, o longo conflicto novecentista entre xe logos catastrofistas e uniformitaristas, a cuestionada idea da evoluci n darwiniana xa desde o comezo do sžculo XIX, etc. A principios do sžculo XX toma forma a teor a sobre a mobilidade dos continentes, como producto da vitalidade do planeta Terra, e Ž a finais da džcada dos sesenta cando a revoluci n da tect nica de placas tomou asalto a ciencia da Xeolox a. Constitœe esta a grande e indiscutible revoluci n da Xeolox a no eido cient fico do sžculo. Non obstante, outra nova idea xerminal parece entrar a finais da centuria e vžn a esclarece-la forte controversia entre teor as enfrontadas: as influencias extraterrestres tanto na creaci n de vida como nas interrupci ns na evoluci n biol xica por extinci ns masivas de organismos en determinados momentos da historia xeol xica do planeta. Non hai dœbida de que no campo da evoluci n tivo lugar un grande avance, a teor a do catastrofismo, Ž dicir, a non- -uniformidade dos procesos longo do tempo, tal como postulan outras teor - as cient ficas. A nda cando a teor a contraria, o uniformitarismo, sobreviviu ata os nosos d as, novas probas vi eron a demostrar que a maquinaria do

195 A tectónica de placas e o impacto Kt 195 mundo que describiu James Hutton, padre da Xeolox a, no seu libro Theory of the Earth, publicado en 1785, non sempre funciona en ciclos suaves e harm nicos; os cataclismos modificaron moitas veces a face da Terra longo dos tempos (Hallam, 1989). Por iso, tempo que a propia din mica do planeta Terra o fai evolucionar, a Wegener permitiulle explica- -la deriva dos continentes ata posici ns distintas s que hoxe ocupan, chegando a ser esta œltima a idea xerminal da nova tect nica global ou tect nica de placas de Wilson. Actualmente, cobran importancia, dentro dunha gran polžmica cient fica, as hip teses formuladas por Luis e Walter çlvarez sobre os impactos de corpos celestes ocorridos na Terra, como causantes de escenarios catastr ficos que producir an grandes interrupci ns da evoluci n biol xica a consecuencia de extinci ns masivas. A Ôgrande extinci nõ descrita polos çlvarez non sup n a œnica extinci n en masa que co eceu o noso planeta pero si foi relevante para a nosa especie, xa que daquel cataclismo, os ent n pequenos mam feros, gracias s pasos evolutivos, terminar an producindo especies como a dos humanos. Os impactos catastr ficos eran reais, e as o evidenciaban as mostras lunares e imaxes dos planetas enviadas polas sondas espaciais, polo que o gradualismo estricto deber a estar desbotado. A comunidade xeol xica, absorta no gran descubrimento da tect nica de placas, a penas advert a a evidencia lunar e planetaria de impactos catastr ficos, e t dolos antigos prexu zos uniformitarios quedaron reforzados polo triunfo da nova tect nica global: ocžanos tan grandes que para cruzalos en avi n fan falta horas, medraron a unha taxa de poucos cent metros por ano e fan pensar que a teor a da tect nica de placas Ž a m is gradual e uniformitaria que se poida imaxinar. O testemu o do cr ter Chicxulub, que establece e confirma para uns investigadores a hip tese do impacto por un grande asteroide ou cometa, sucedido hai sesenta e cinco mill ns de a os na fronteira entre o Cret ceo e o Terciario, marca un novo punto de vista na controversia uniformismo-catastrofismo. Son polo tanto dœas as excitantes ideas que no sžculo XX acadan unha merecedora e destacable atenci n no campo das ciencias da Terra: a primera, a que se aglutina baixo a denominaci n Òda deriva dos continentes tect nica de placasó, teor a que transformou a nosa ciencia completamente ofrecendo unha nova comprensi n da Terra; a segunda, a gran controversia suscitada polo denominado Ôimpacto KTÕ que introduce os xe logos no mundo do postuniformitarismo. DA DERIVA DOS CONTINENTES Á TECTÓNICA DE PLACAS...o compo ente m is importante Ž a suposici n de grandes movementos horizontais de deriva que moveron os bloques continentais no curso do tempo xeol xico e presumiblemente continœen a nda. A. Wegener, 1915

196 196 Federico Vilas Martín OS PRECURSORES Con posterioridade a Darwin, analizouse a distribuci n de animais e plantas con relaci n s seus f siles. Huxley propo a unha orixe saltacional das especies. De Vries entend a que as especies cambiaban por mutaci ns e as explicaba as leis de Gregor Mendel. Extinguidos os ržptiles xigantes, os mam feros evolucionaron en funci n de cambios clim ticos; o home, un primate que pasar da selva sabana cami aba erguido. A evoluci n dos marsupiais en Australia e os edentados en AmŽrica do Sur chamou a atenci n polas sœas diferencias con Eurasia, çfrica e AmŽrica do Norte. Comezaron a compararse os rexistros f siles de cada continente. Edward Forbes xa propo a en 1846 Çpontes entre continentesè para explica-las relaci ns entre organismos distantes. Entre os monos sen cola de çfrica encontr - base o elo perdido que dera orixe home. As relaci ns entre as especies non eran claras de todo. Os xe logos que abrazaran de contado o evolucionismo de Darwin cr an a Edward Suess, que en 1904 postulaba que a Terra evolucionara contražndose, orixinando as as monta as pregadas. Para F. Taylor (1910) as monta as orixin ranse polo movemento dos continentes, pero como consecuencia de forzas de marea provocadas polo suposto desprendemento da Lœa durante o Cret ceo. S algœns pregamentos se explicaban por movementos horizontais locais. O punto de partida da hip tese de Taylor non foi a observaci n da coincidencia do contorno dos continentes que bordean o Atl ntico, tal como claramente xa apuntara Schneider en 1858, sen n a disposici n das cadeas monta osas do Terciario de Eurasia. Sen dœbida, Taylor co ec a polo miœdo o traballo de Edward Suess, The face of the Earth, sobre os supostos movementos de contracci n sufridos polo arrefriamento da Terra. A idea dun Ôgran desprazamentoõ da codia terrestre xorde en Taylor como primera hip tese, coherente e elaborada, do que hoxe denominamos deriva continental. Taylor non lle prestou demasiada atenci n mecanismo do desprazamento continental na sœa monograf a de 1910, raz n pola cal a sœa obra non acadou o eco que caber a esperarse na comunidade xeol xica. Foi Alfred Wegener quen encarou o problema da aparente mobilidade dalgunhas especies: non se requir a de grandes migraci ns de animais nin pontes hoxe desaparecidas; Áos que se moveran foran os continentes! Son diversas as primeiras formulaci ns que apuntan a posible migraci n dos continentes (Hallam, 1976). Moitas cžntranse na opini n xeneralizada, na metade do sžculo XIX, sobre a complementariedade das li as de costa dos continentes do Atl ntico sur. TamŽn se especulou sobre a formaci n do ocžano Atl ntico, como consecuencia da depresi n deixada pola Atl ntida, un misterioso continente supostamente desaparecido.

197 A tectónica de placas e o impacto Kt 197 Figura 1. A evolución de terras e mares: Hai 180 millóns de anos, a primitiva masa terrestre chamada Panxea empezou a desmembrarse. Primeiro, os continentes dividíronse ó longo das liñas dos océanos Índico e Atlántico setentrional. América do Norte separouse de África e o mesmo ocorreu coa India respecto á Antártida. Os vastos continentes de Laurasia, ó N., e Gondwana, ó S., quedaron case completamente separados polo chamado mar de Tetis. A Terra tiña tres grandes masas terrestres, ademais da India, que xa se empezara a mover cara ó N. Hai 135 millóns de anos, despois de máis de 45 millóns de deriva dos continentes, estes aínda non adquiriran a forma que hoxe nos é familiar. As dúas grandes fracturas orixinais, o Atlántico Norte e o océano Índico, continuaron abríndose. O Atlántico Norte tiña entón unha anchura duns 1000 km. Unha serie de fracturas estendéronse ata o Mar do Labrador, separando as terras de Gronlandia de América do Norte. Entrementres, a India continuaba avanzando cara á costa meridional de Asia, aínda distante uns 3200 Km. Hai 65 millóns de anos, os continentes empezaron a toma-la súa actual configuración. América do Sur separouse por fin de África, mentres que en Gondwana só Australia e a Antártida empezaran a moverse por separado. Unha prolongación da macrofractura do Atlántico Norte producirá outra gran fractura en Laurasia: Gronlandia separarase de Europa, e tamén o continente norteamericano do euroasiático. (A área coloreada con verde claro amosa a magnitude dos movementos da codia).

198 198 Federico Vilas Martín A DERIVA DOS CONTINENTES A imaxe convencional da estructura e evoluci n da Terra que se ti a a principios de sžculo veu a ser substitu - da pola revolucionaria hip tese wegeneriana da deriva continental. Segundo o seu propio relato, Wegener tivo a definitiva sospeita de que os continentes se moveran lateralmente cando advertiu a notable coincidencia entre os contornos continentais a mbalas beiras do Atl ntico. Suceder a algo as como lles ocorre s capas de xeo cando rompen e se desprazan, di Lange Koch que chegou a pensar Wegener, un dos compa eiros da expedici n a Gronlandia. A busca de evidencias foi tan fruct fera e corroboraban de tal xeito a sœa idea inicial que expuxo a sœa hip tese no seu libro Die Entstehung der Kontinente (1915). En 1920, 1922 e 1929 public ronse edici ns revisadas. A de 1922 atraeu a m xima atenci n e foi traducida inglžs en 1924 baixo o t tulo The origin of continents and oceans. Nesa edici n aparece por primeira vez, correctamente traducido, o termo continental displacement (desprazamento continental), que posteriormente se transformou en continental drift (deriva continental). Wegener postulou a presencia dun enorme supercontinente denominado Panxea (fig.1), que significa ÔTodo TerraÕ e que se fracturou hai 180 mill ns de anos, primeiro no hemisferio sur e logo no norte; Europa e NorteamŽrica ter an permanecido unidos ata o Cuaternario (1 mill n de anos). Pero o mesmo que o argumento m is consistente foi o da similitude entre rochas e cintos oroxžnicos existentes entre os dous lados do Atl ntico, tamžn o foron os argumentos paleontol xicos e paleoclim ticos. Desafortunadamente, o mecanismo que propuxo foi a diferente atracci n da gravidade entre o Ecuador e os polos, e unha deriva contra o oeste producto das atracci ns da Lœa e o Sol. Para explicar este movemento propo- a un fondo mari o viscoso sobre o que os continentes se abr an paso no seu desprazamento. Os xeof sicos corrix rono no sentido de que o fondo do mar Ž r xido. A nda que Wegener morreu sendo un desco ecido en 1930, durante unha expedici n a Gronlandia, a posterior acumulaci n de argumentos foille dando a raz n. Arthur Holmes (1929) explicou a deriva dos continentes por correntes convectivas no manto, de forma que a codia continental e mari a se moven xuntas sobre esta porci n pl stica do manto. Tampouco a Holmes lle creron demasiado. Veining Meinesz reco ece nas fosas oce nicas o lugar onde as correntes convectivas se afunden. O wegenerista Du Toit (1927) estudia comparativamente os fragmentos do supercontinente austral Gondwana separado de Laurasia polo Mar de Tetis. K. Runcorn (1962) e E. Irving (1964) corroboran o movemento dos polos mediante estudios paleomagnžticos, e as incongruencias xurdidas entre os datos obtidos soluci nanse cando se supo en os continentes ensamblados. Paralelamente, investigadores como M. Ewing e B. Heezen (1962) reco ecen

199 A tectónica de placas e o impacto Kt 199 que as dorsais mesoce nicas percorren todo o planeta. A principios dos anos sesenta, Harry Hess (1962) e Robert Dietz (1961) reformulan a Wegener e Holmes na Historia das cuncas oce nicas e a Teor a do espallamento do fondo oce nico respectivamente. Hess, un reco ecido xe logo da Universidade de Princeton, foi un dos impulsores do Proxecto Mohole, o encargado da perforaci n oce nica para a exploraci n da capa do manto terrestre. A sœa gran contribuci n foi a integraci n dun certo nœmero de feitos dispares: a aparente xuventude do fondo oce nico, o peculiar sistema que ofrecen as illas en forma de arco que circundan o ocžano Pac fico e o seu elevado nœmero de volc ns, sismos, grandes fosas, etc. Propuxo que o fondo mari o se creou nas grandes dorsais medio-oce nicas, e logo esparžxese ata consumirse nas fosas e introducirse no manto terrestre. O seu modelo foi relacionado co da deriva dos continentes e sux rese que estes foron transportados longo do proceso polo efecto das correntes de convecci n que se xeran dentro do manto. Explic base as a orixe das monta as e terremotos por forzas de tensi n e de compresi n. Agora si, a suma dos novos datos abr a as portas ÔRevoluci n WegenerianaÕ. Vine (1969) e Vine e Matthews (1963) explicaron o car cter simžtrico das franxas magnžticas dos basaltos, contiguas s dorsais mesoce nicas, como producto das inversi ns peri dicas do campo magnžtico. Excitante hip tese esta œltima, que sup n ter algo as como unha Ôgravadora naturalõ do campo magnžtico, que permitiu determina-la velocidade do transporte oce - nico. TECTÓNICA DE PLACAS: UNHA TEORÍA UNIFICADORA Tan recentemente como en 1965, o xeof sico canadense Tuzo Wilson especula sobre a natureza das grandes fracturas na codia oce nica, que denomina fallas de transformaci n, e prop n que todo o noso planeta se move en placas, cre ndose materia nas dorsais e consum ndose nas fosas oce nicas. A superficie terrestre estar a as dividida en diversas grandes placas r xidas. Estas ideas expostas nos traballos de Wilson, constitœen o xerme da inicialmente denominada como Ônova tect nica globalõ por B. Isacks, J. Oliver e R. Sykes en 1968, para agrupa-los conceptos de Ôderiva continentalõ, Ôesparexemento do fondo oce nicoõ e Ôfallas de transformaci nõ, hoxe co ecida como Teor a da tect nica de placas. Posteriormente, Morgan (1968) divide a superficie terrestre en vinte placas que poden ter l mites de tres tipos: diverxentes, onde nace codia oce - nica; converxentes, onde a codia oce - nica se destrœe; e transformantes, onde non se crea nin se destrœe codia. Adoptouse a suposici n de que as placas var an a sœa espesura, acadando ata os 250 quil metros naquelas compostas por manto superior e codia continental, mentres que aqueloutras do manto superior e codia oce nica chegan ata os 100 quil metros e constitœen o que se denomina litosfera.

200 200 Federico Vilas Martín A litosfera repousa sobre a astenosfera, capa pl stica na que o movemento resultante dalgœn tipo de sistema de transferencia de calor dentro dela causa o desprazamento das placas. Esta nova visi n da superficie terrestre estimulou a recompilaci n de datos sobre zonas de fractura e anomal as magnžticas en todo o globo. O modelo agora obtido polo francžs Le Pichon (1968) foi a nda m is simple c de Morgan: s seis placas maiores, denominadas Americana, Euroasi tica, Africana, India, Pac fica e Ant rtida. A maior parte dos xe logos aceptan a teor a da tect nica de placas como a œnica que pode unificar e explicar numerosos fen menos xeol xicos. En consecuencia, moitos dos procesos xeol xicos son vistos agora desde esta perspectiva. A nda m is, debido a que t dolos denominados planetas terrestres tiveron unha orixe similar, pregœntase se esta teor a Ž œnica para a Terra ou pola contra opera do mesmo xeito nos outros planetas terrestres. OS LÍMITES DE PLACAS As placas te en un movemento relativo dunha respecto a outra de xeito que os seus l mites poden ser caracterizados como: a) diverxentes, b) converxentes, e c) transformantes. A interacci n de placas e os seus l mites forman a maior parte da orixe da actividade s smica e volc nica da Terra as como da orixe dos sistemas de monta- as. a) As placas son diverxentes (fig. 2) cando se separan e se forma unha nova litosfera oce nica. Os l mites diverxentes son lugares onde a codia se expande, se adelgaza e se fractura na medida en que o magma, derivado da fusi n parcial do manto, alcanza a superficie. As sucesivas inxecci ns de magma, arrefriarse, dan lugar nova codia oce nica vez que rexistran a intensidade e a orientaci n do campo magnžtico terrestre. A pesar de que este tipo de l mites est moi ligado formaci n das cristas oce nicas tal como a Dorsal Medio-Oce nica, tamžn ocorren durante os estadios iniciais da fractura continental: o magma ascende por baixo do continente, a codia inicialmente elžvase, exp ndese e adelgaza. Os vales do leste de çfrica constitœen un magn fico exemplo deste estadio de ruptura continental. A continuidade do proceso conduce separaci n en dous bloques continentais, tal como sucede no Mar Vermello separando a Pen nsula de Arabia de çfrica e no Golfo de California que separa a Baixa California de MŽxico. Na medida en que estes mares estreitos recentemente creados continœan ampli ndose, eventualmente poden chegar a ser unha extensa cunca oce nica tal como a Atl ntica, que separa as AmŽricas de Europa e çfrica por miles de quil metros. A Dorsal Medio-Oce nica constitœe o l mite entre esas dœas placas diverxentes; mentres a Americana se despraza cara oeste, a Euroasi tica e Africana m vese en dereitura leste.

201 A tectónica de placas e o impacto Kt 201 b) As placas converxentes supo- en a colisi n entre elas e, polo tanto, o lugar de destrucci n e reciclaxe da vella litosfera que progresivamente se forma nos l mites das placas diverxentes. Doutra forma teriamos unha Terra en expansi n. No l mite converxente, unha das placas descende por debaixo da outra por subducci n. As zonas de subducci n constitœen algo as como un plano inclinado no que se localizan os focos s smicos, co ecido como plano de Benioff. A maior parte destes planos incl nanse cara a abaixo a partir das fosas oce nicas xeradas nos arcos illas ou continentes adxacentes, marcando o l mite de escorregamento entre placas converxentes. Na medida en que a Figura 2. Evolución dun límite diverxente de placas. (Modificado de Monroe e Wicander, 1992).

202 202 Federico Vilas Martín placa subducente se introduce na astenosfera, quece e eventualmente incorp rase manto. Sen embargo, a subducci n non ocorre cando mbalas placas converxentes son continentais xa que a codia continental non ten a densidade necesaria para ser subducida dentro do manto. Os l mites converxentes caracter - zanse por deformaci n, vulcanismo, formaci n oroxžnica, sismicidade e importantes dep sitos minerais. A partir das ideas de Tuzo Wilson chžgase a reco ecer tres tipos de l mites de placas converxentes: oce nica-oce nica, oce - nica-continental e continental-continental. Cando dœas placas oce nicas converxen, unha delas Ž subducida por debaixo da outra longo do l mite de placa oce nica-oce nica (fig.3). A placa subducente d brase contra abaixo cun ngulo entre 5¼ e 10¼ para formar unha depresi n oce nica seguida dun complexo, en forma de cu a, de sedimentos mari os pregados e fallados e litosfera Figura 3. Evolución dun límite diverxente de placas. (Modificado de Monroe e Wicander, 1992). oce nica arrincada da placa descendente. Na medida en que a placa descendente se introduce na astenosfera, afœndese parcialmente xerando un magma menos denso c s rochas adxacentes, polo que ascende superficie formando unha cadea curvada (como resultado da intersecci n dun plano cunha esfera) de volc ns, que se denominan arcos-illa. A mbolos lados destes arcos-illas xžranse dœas cuncas: a cunca ante-arco tende a somerizarse por recheo de sedimentos procedentes da erosi n dos volc ns, mentres que na cunca tras-arco pode producirse un adelgazamento da sœa codia litosfžrica, como consecuencia dun alto grao de subducci n, ata o punto que chega a iniciarse unha expansi n se o magma chega a rompe-la delgada codia, inici ndose unha nova codia oce nica. Un bo exemplo constitœeo o Mar de Xap n entre o continente Asi tico e as illas de Xap n. Cando se trata da converxencia dunha placa oce nica e outra continental, a primeira, debido sœa maior densidade, Ž subducida por debaixo da continental longo do l mite de placa oce nica-continental (fig. 4). A placa oce nica descendente d lugar a unha fosa, seguida dun complexo de subducci n consistente en capas de rochas falladas en forma de cu a, que marcan o l mite externo da cunca ante-arco. Na medida en que a placa oce nica descende dentro da astenosfera, fœndese e xžrase magma. Este magma ascende entre a corteza continental, irrompe na superficie orixinando volc ns, tamžn

203 A tectónica de placas e o impacto Kt 203 Figura 4. Límite entre placas oceánica-continental. (Modificado de Monroe e Wicander, 1992). Figura 5. Límite entre placa continental-continental. (Modificado de Monroe e Wicander, 1992). chamados arcos volc nicos, ou intrœese na marxe continental como plut ns, particularmente batolitos. Un excelente exemplo deste tipo constitœeo a costa do Pac fico de AmŽrica do Sur, onde a placa Nazca est sendo continuamente subducida por SudamŽrica: a fosa de Chile-Perœ Ž o lugar de subducci n e a Cordilleira dos Andes Ž a resultante cadea volc nica. Finalmente, cando dœas placas converxen a travžs dun l mite de placa continental con outra continental (fig. 5), unha placa pode esvarar sobre a outra, pero nunca subducida debido sœa baixa e igual densidade e grande espesura. Inicialmente, eses continentes encontr banse separados por codia oce nica ata que foi subducida por un dos continentes, que presentar as caracter sticas dun l mite de placa oce nica-continental. Se a codia oce nica Ž totalmente consumida, os dous continentes colisionan formando unha nova cordilleira de monta as. A cordilleira do Himalaia Ž o resultado da colisi n entre a India e Asia que comezou aproximadamente hai corenta ou cincuenta mill ns de anos e a nda continœa. A sœa grande altura resulta da grosa acumulaci n de litosfera continental e a elevaci n producida como consecuencia do forzado e parcial escorregamento da placa india baixo a placa asi tica durante a colisi n. c) Os movementos horizontais entre placas te en lugar longo de fallas de transformaci n, onde as placas esvaran lateralmente de forma case paralela direcci n do movemento da placa. Non se destrœe nin se crea litosfera longo do l mite transformante. As de transformaci n son unha clase particular de fallas que ÔtransformanÕ ou cambian un tipo de movemento entre placas noutro tipo diferente. A maior a das fallas de transformaci n conectan dous segmentos de dorsal oce nica, pero tamžn poden conectar dorsais con fosas e fosas con fosas (fig. 6). Unha das fallas de transformaci n mellor co ecidas Ž a de San AndrŽs en California, que separa a placa do Pac fico da de NorteamŽrica. A teor a da tect nica de placas, froito da hip tese da deriva continental, mostrouse capaz de integrar

204 204 Federico Vilas Martín de calor como proceso responsable para o movemento das placas, pero a nda quedan algœns interrogantes sen resolver, tales como Àcal Ž o tipo de sistema convectivo de calor?, Àson as placas participantes activas ou simplemente pasivas pasaxeiras? î remate do sžculo a nda non se desenvolveu unha teor a comprensiva sobre o mecanismo conductor das placas. Non obstante, a teor a da tect nica de placas constitœe o maior avance das ciencias da Terra des que, a principios do sžculo XIX, a aceptaci n dos paradigmas do uniformitarismo e a correlaci n estratigr fica de f siles lle outorgou Xeolox a o rango dunha verdadeira ciencia. Por ser Alfred Wegener o cient fico que realmente iniciou ese cami o, merece o reco ecemento debido a un dos innovadores m is importantes do sžculo. Figura 6. Movementos horizontais entre placas por fallas transformantes. (Modificado de Monroe e Wicander, 1992). diversos fen menos xeol xicos e contribu u a obter unha imaxe m is coherente e intelixible da evoluci n da Terra. O maior obst culo para aceptala foi a carencia dun mecanismo que explicase o movemento continental. Cando se soubo que os continentes e os fondos oce nicos se moven xuntos e non separados e que se forma codia nas dorsais por ascenso de magma, a maior parte dos xe logos aceptaron a existencia dalgœn tipo de sistema convectivo O IMPACTO KT Pero era demasiado tarde. En aquel momento la roca se estremeci y tembl bajo sus pies. El gran ruido retumbante, m s fuerte que antes, vibr en el suelo y reverber en las monta as. DespuŽs, con la precipitaci n de un cauterio, lleg un gran destello rojo. Mucho m s all de las monta as orientales salt hacia el cielo y salpic de carm n las nubes que lo encapotaban. En aquel valle de sombra y luz fr a y cadavžrica, parec a algo insoportablemente violento y furioso. Picos de piedra y colinas como cuchillos mellados estallaban en un negro llamativo contra las llamas que se elevaban en Golgoroth. DespuŽs lleg el gran estallido de un trueno. J. R. R. Tolkien, El se or de los anillos

205 A tectónica de placas e o impacto Kt 205 INTRODUCCIÓN Se a vida evolucionase en continentes que por momentos estaban unidos e por veces illados, tal como expuxo Wegener, e por iso dentro dun proceso de cambios graduais e uniformes, xorde a inmediata pregunta de c mo sucederon as bruscas interrupci ns na evoluci n biol xica e, sen lugar a dœbidas, tamžn c mo e c ndo se creou a vida. En 1954 foron reco ecidos os estromatolitos como as primeiras formas viventes (arrecifes de algas supostamente semellantes s actuais bacterias, e algas verdeazuladas fosilizadas) do Prec mbrico do Gunflint Chert, Ontario, Canad. Posteriormente, ach ronse outros tipos de f siles primixenios: filamentos ramificados semellantes a fungos, algas unicelulares, arranxos tetraždricos de cžlulas semellantes a esporas ou cžlulas espi entas (Schopf, 1979); pero a pregunta era c mo xurdiran estas formas de vida que hoxe co ecemos polos f siles. Xa en 1929, J. B. S. Haldane propuxo un Ôcaldo quente e dilu doõ (H2O, CO2 e NH3) que nunha atmosfera reductora (sen os xeno) permitise que os raios ultravioletas proporcionaran a enerx a necesaria para a vida. En 1952, Harold Urey retomou as ideas de Oparin e Haldane, e a travžs de chispas elžctricas en mesturas de hidr xeno, metano, amon aco e auga obtivo aldehidos, cidos org nicos e amino - cidos. Esta teor a da Ôsopa quenteõ est aproximadamente vixente con relaci n particular historia de arrefriamento e diferenciaci n xeoqu mica do noso planeta respecto doutros. O individuo primixenio non s debeu reproducirse sen n que, ademais, dependeu de fontes de alimentaci n, un eficiente mecanismo qu mico interno e de certa capacidade para ambientarse a nda en condici ns de crises ambientais (Soffen, 1982). As especies subseguintes, que posu an a mesma composici n bioqu mica (carbono, hidr xeno, os xeno, nitr xeno, CHON), c digos xenžticos e ata a asimetr a nas molžculas de amino cidos, confirmaban unha œnica orixe para a vida que hoxe co ecemos. A definici n de ÔvidaÕ pode tomarse como a capacidade de reproducirse, ou a capacidade de evolucionar por selecci n natural. Os bi logos S. Body e M. Harrington indicaron en 1979 que os amino cidos dominantes con asimetr a cara esquerda son selectivamente absorbidos polas arxilas benton ticas. E pensouse que na capacidade das arxilas de transmitir cargas elžctricas se produciu a enerx a que ter a orixinado o Ôindividuo primixenioõ. Estas teor as foron usadas para avalia-la posibilidade de vida en Marte durante a misi n espacial do Viking ( ). O solo de Marte foi analizado mediante tres experimentos: pir - lise (absorci n ou reducci n de xidos de C14 en presencia ou ausencia de luz), intercambio radiactivo (alimentaci n de probables microbios cunha Ôsopa bioqu micaõ marcada radioactivamente) e intercambio gasoso

206 206 Federico Vilas Martín (humedecemento do solo marciano con vapor de auga, con ÔsopaÕ nutritiva). S os dous primeiros experimentos deron džbiles respostas, que foron explicadas por fen menos de oxidaci n dun composto tipo per xido ou super xido de ferro. De t dalas maneiras, especœlase que os polos de Marte poden preservar mellor as molžculas org nicas c regolita (solo oxidado) da que trouxo mostras a nave espacial Viking (Soffen, 1982). O LÍMITE CRETÁCEO-TERCIARIO O l mite Cret ceo-terciario sinala unha das grandes descontinuidades da historia da Terra, e por iso se emprega como li a divisoria que separa eras fundamentais na evoluci n da vida: o Mesozoico e o Cenozoico. T dalas teor as que trataron de explica-la orixe da vida desde o rexistro xeol xico consideraron o sistema terrestre como pechado. Hoxe en d a co Žcese que a extinci n dos dinosauros e outros organismos hai sesenta e cinco mill ns de anos se debeu impacto dun corpo celeste (asteroide ou cometa) que orixinou unha nube de po que cubriu significativamente a atmosfera. O amortecemento da luz orixinou un dr stico arrefriamento do clima durante un tempo abondo como para altera-las cadeas tr ficas dos organismos m is especializados; e os dinosauros extingu ronse. A proposta foi formulada por Luis e Walter çlvarez (pai e fillo), da Universidade de California, Berkeley. F sico e xe logo reco eceron en Gubbio (Italia) unha capa de arxila de s un cent metro significativamente rica en iridio, un elemento particularmente caracter stico dos meteoritos do tipo ÔchondritesÕ (çlvarez et al., 1980). Esta capa de arxila est situada exactamente no l mite do tr nsito do Cret ceo Terciario, polo que se denominou como l mite KT. Esta anomal a de iridio non se encontraba noutros niveis estratigr - ficos, o que descartaba a posibilidade dalgunha causa terrestre comœn, como o vulcanismo. Por outra parte, o iridio Ž un dos seis elementos do grupo do platino, que est n concentrados no nœcleo terrestre e est ausente da superficie. Todos eles poden ser liberados na Terra por un impacto de asteroides e cometas. A anomal a KT presenta eses elementos nas mesmas proporci ns ca nos meteoritos. Deste modo aparece un claro sinal que asocia a anomal a de iridio a un obxecto extraterrestre e non a unha erupci n volc nica Ñcomo tamžn se postularañ onde as proporci ns entre elementos do platino son distintas. Malia as numerosas dœbidas, m is ben paleontol xicas ca estratigr - ficas, que exist an inicialmente, a anomal a de iridio en KT convenceu de que pagaba a pena buscar un cr ter de impacto xigante daquela Žpoca. A primeira pregunta evidente era nde tivo lugar o impacto: Àcontinente ou ocžano? As primeiras indagaci ns, baseadas en criterios xeoqu micos, apuntaban o ocžano, se ben semellaba imposible que un cr ter estimado en

207 A tectónica de placas e o impacto Kt a 200 quil metros de di metro non fora detectado polos barcos oceanogr - ficos. A este respecto, a teor a da tect - nica de placas proporcionaba un bo argumento xa que unha quinta parte da codia oce nica que exist a na Žpoca do l mite Cret ceo-terciario sufriu subducci n desde ent n; se o cr ter buscado se atopaba nesa codia, estar a totalmente destru do. Outras pistas contradictorias apuntaban un impacto continental, f ra do alcance da codia oce nica. î longo da džcada de 1980, na medida en que se an descubrindo cada vez m is evidencias que apoiaban a idea do impacto para a extinci n producida no KT, reco eceuse en diferentes afloramentos rochosos e nos fondos mari os pr ximos pen nsula de Yucat n a evidencia dun gran tsunami, unicamente explicables por un grande impacto. Este produciuse no continente pero o suficientemente preto do ocžano como para que se xerara un tsunami. A estructura circular de anomal - as gravitatorias en Yucat n suxer a a existencia dun cr ter, hoxe enterrado e invisible desde a superficie, na rea de Chicxulub. Inicialmente confundido cun volc n polos xe logos da petrolera PEMEX de MŽxico, o cr ter Chicxulub era meirande ca calquera cr ter de impacto co ecido na Terra. O grupo de Berkeley dos çlvarez presentou unha descrici n moi convincente de c mo tivera lugar a grande extinci n. Titul rano humoristicamente ÒDarkness at noonó, t tulo dunha co ecida obra de A. Koestler que en Espa a se traduciu por El cero y el infinito, e que literalmente significa Ôescuridade mediod aõ. Suxer an que, se un meteorito de dez quil metros de di metro batese contra a Terra hai sesenta e cinco mill ns de anos, enormes cantidades de restos de rochas pulverizadas pola explosi n e o impacto se inxectar an na estratosfera e axi a se distribuir an por todo o globo, diminu ndo a luz que normalmente chega superficie da Terra. Na conseguinte escuridade, a fotos ntese interromper ase e a ruptura da cadea de alimentos producir a unhas pautas de extinci n que son observables nos datos paleontol xicos. A capa de arxila en que se encontrara a anomal a de iridio de Italia ti a que ser Ñsupo anñ o po que nos anos seguintes impacto se fora depositando gradualmente sobre a superficie da Terra. Deste modo naceu unha das m is sorprendentes hip teses da ciencia moderna. O equipo çlvarez publicou o seu primeiro informe na revista Science, o 6 de xu o de 1980, baixo o t tulo ÒExtraterrestrial cause for the Cretaceous-Tertiary extintionó (ÒCausa extraterrestre para a extinci n do Cret ceo -TerciarioÓ). A ÔGrande Extinci nõ que ocorreu hai sesenta e cinco mill ns de anos debido a unha cat strofe c smica e as sœas implicaci ns na teor a da evoluci n foi obxecto de numerosas cr ticas xurdidas desde diversos mbitos cient ficos. A Conferencia de Snowbird celebrada en Utha (EUA), en 1981, que se titulou ÒImpactos de corpos grandes e evoluci n terrestre: implicaci ns

208 208 Federico Vilas Martín xeol xicas, climatol xicas e biol xicasó, puxo de relevo a intensa investigaci n que se realizaba, tanto sobre aspectos derivados de factores astron - micos, como a chuvia de cometas que periodicamente visitan a Terra, ata escenarios dun posible Ôinverno nuclearõ, etc. Son numerosas as preguntas que a ciencia pode facerse ante un feito de tal magnitude e tanta transcendencia. Unha delas Ž considerar se logo dunha guerra nuclear a especie co ecida como Homo sapiens se ver a condenada extinci n; a resposta Ž si. ÀSer a posible que o impacto de finais do Cret ceo destru se de xeito similar o medio natural, condenando os superviventes extinci n incluso durante un per odo de tempo despois do Holocausto? En xullo de 1994 os grandes telescopios apuntaron a Xœpiter para observa-lo impacto do cometa Shoemaker-Levy 9, que fora captado por ese planeta. Cando o cometa se afundiu na atmosfera de Xœpiter, grandes penachos de material despedido polo choque elev ronse por riba do planeta e despois, como consecuencia da enorme gravidade de Xœpiter, esboro ronse sobre a sœa superficie xerando intensas emisi ns de calor que puideron verse como radiaci n infravermella desde os telescopios da Terra. A natureza estaba ofrecendo, a unha distancia segura, un experimento que era a proba de que os grandes impactos non son s algo que puido suceder no pasado. Os çlvarez analizaron catro Ômecanismos causantes de morteõ, provocados polo impacto KT, que poder an ter contribu do extinci n. En primeiro lugar estaba a escuridade global de tres a seis meses de duraci n que detivo a fotos ntese. Un segundo mecanismo era o efecto invernadoiro, Ž dicir, a introducci n na atmosfera dunha enorme cantidade de vapor, consecuencia do impacto no ocžano, que actuou como unha pantalla na Terra apresando a calor; en poucos meses as temperaturas globais sufrir an un significativo incremento, o suficiente para causa-la morte a moitos animais. Un terceiro mecanismo poder a ter producido efectos catastr ficos debido a un fen meno inverso, un arrefriamento global: mentres persistiu o per odo de escuridade, as temperaturas globais puideron baixar 18¼, e durante un tempo suficiente como para acabar coa maior parte dos animais incapaces de hibernar. Un cuarto mecanismo de morte base base na posibilidade de chuvias cidas mortais en todo o mundo, derivado do impacto e a conseguinte transformaci n do nitr - xeno atmosfžrico en xidos de nitr xeno. As conflictivas interpretaci ns dos acontecementos que levaron desaparici n dos dinosauros e causaron a extinci n masiva do Cret ceo- -Terciario, poida que non se logre co ecelas por agora, pero Ž evidente que unha Ôrevoluci nõ varreu o mundo contra finais do Cret ceo e trouxo un mundo novo. Un mundo que entraba no per odo Terciario sen dinosauros e outras especies de organismos.

209 A tectónica de placas e o impacto Kt 209 Axi a se reco eceron m is evidencias deste impacto Cret ceo- -Terciario (anomal as xeoqu micas e evidencias f sicas nos cristais de cuarzo) tempo que se encontraban pistas de impactos similares doutras idades (extinci ns do Titoniano, Hauteriviano, Cenomaniano e Eoceno Tard o; Torbett, 1989). Non Ž doado atopar evidencias de impactos no rexistro xeol xico. Un grande impacto como o acontecemento do l mite do KT, o suficientemente grande como para causar unha extinci n en masa, pode localizarse no rexistro xeol xico, porque os f siles son distintos por encima e por debaixo do nivel de impacto. Buscar impactos m is pequenos que non deixen efectos sobre os seres vivos Ž moi dif cil, e probablemente os seus dep sitos s se achen casualmente. Non obstante, a lista de evidencias de impactos Ž cada vez m is numerosa; algœns est n asociados a extinci ns en masa e outros poida que non te an m is que efectos biol xicos locais. No rexistro estratigr - fico, a constataci n de impactos vai desde idades moi antigas (leitos de esfžrulas e exectos de idade prec mbrica) ata outras m is recentes (exectos procedentes do Plioceno), ou ata na actualidade se dan fen menos similares a nda que menores, como o ocorrido o 30 de xu o de 1908 en Tunguska, Siberia. O detallado rexistro f sil dos œltimos 570 mill ns de anos desde o final do Prec mbrico proporciona a evidencia de cinco grandes extinci ns en masa e doutras cinco m is pequenas. O l mite KT Ž a m is recente das cinco grandes extinci ns e proporcionou moita m is informaci n c s m is. As influencias de impactos celestes no rexistro xeol xico resultaron sumamente importantes xa que cambiaron varias veces o rumbo da evoluci n biol xica (Hallam, 1984). Do estudio da sucesi n de cr teres producidos polo impacto de meteoritos esbozouse unha secuencia de eventos cunha periodicidade de vinteoito mill ns de anos. ÀA que se debe esta periodicidade? Hai varias hip teses astron micas en relaci n cos eventos de extinci ns provocadas polos impactos de cometas; unha atribu da presencia dunha pequena estrela, compa eira do Sol, NŽmesis, que orbitara derredor del cada vinteseis mill ns de anos. A. Muller (1985) razoou que posto que a maior parte das estrelas se presentan emparelladas, unha orbitando arredor da outra, o Sol poder a ter unha compa eira a nda non descuberta, probablemente unha estrela anana dun a dez con relaci n masa do Sol. î principio pensou que, cada vinteseis mill ns de anos, a estrela compa eira poder a estar preto do Sol, o suficiente como para altera-las rbitas dos asteroides da rexi n comprendida entre Xœpiter e Marte. Biet Hut, experto en din mica orbital, suxeriu en 1983 a idea de que a estrela compa eira do Sol afectase a nube de refugallos interestelares situados alžn de Plut n e que se sup n son os que dan orixe s cometas. Unha œltima hip tese prop n a idea dun planeta X, a nda por descubrir, que na sœa

210 210 Federico Vilas Martín viaxe orbital arredor do Sol puido producir perturbaci ns causantes das chuvias peri dicas de cometas destructores (Torbett e Smoluchoski, 1984). Desde puntos de vista distintos, as tres chegan a conclusi ns similares. Incluso os astr nomos norteamericanos M. Rampino, R. Schwart e P. James, propo entes da primeira hip tese, chegan a deducir unha ciclicidade de chuvias de cometas pola repercusi n que o Sol, cruza-lo plano da nosa galaxia, exerce sobre a nube de cometas de Oort que est pr xima dito plano. As extinci ns peri dicas poder an as ser explicadas, calcul ndose per odos de tempo duns trinta e tres mill ns de anos. Parece sorprendente a asimetr a entre a revoluci n da tect nica de placas e o cambio do punto de vista que requir a a hip tese do impacto KT: mentres que a tect nica de placas foi uniformitaria en concepto, pero cambiou de forma espectacular a visi n tradicional da Xeolox a, a aceptaci n da hip tese dos impactos, a nda que catastr ficos en concepto, est n a ter un efecto m is gradual. O novo enfoque do interese nas extinci ns, inspirado en boa parte pola hip tese dos çlvarez, est a producir unha transformaci n non s no pensamento sobre a natureza da evoluci n, sen n tamžn no do uniformitarismo incondicional. O punto de vista tradicional darwinista inclœe esa competencia entre as especies como un impulso na historia da vida, con cambios no medio f sico como un asunto de importancia secundaria. No novo punto de vista, a evoluci n parece ter un compo- ente substancialmente oportunista. Pod a haber longos per odos nos cales a vida evolucionaba gradualmente debido competencia entre as especies, pero eran interrompidos por episodios de extremos cambios ambientais que alteraban o curso da historia da vida. A loita primaria Ž a que se leva a cabo co clima, a xeolox a e tal vez contra asaltos ou agresi ns extraterrestres. Os perdedores ext nguense adoito en grandes vagas de morte. Os superviventes ocupan os h bitats que quedaron baleiros e desenv lvense con medios que non tiveron seu alcance antes da extinci n masiva. En conxunto, unhas cousas e outras, tr tase dun per odo de morte e creaci n. As extinci ns non s alteran o reloxo do cambio evolutivo, sen n que controlan a vida en direcci ns completamente novas. ƒ posible que os paleont logos, axudados polos çlvarez e os astrof sicos, acaben por descubrir que a historia da vida est conformada nos seus cami os decisivos por forzas celestes. A hip tese do impacto KT dos çlvarez foi m is al do que eles imaxinaron. O impulso que recibiu o estudio dos asteroides levou a reco ecer aqueles ricos en gases vol tiles (chondrites carbon ticos; Chapman, 1982). E actualmente especœlase se cometas ou asteroides puideran axudar na orixe da vida transportando molžculas complexas cara Terra. Deste modo, a vida non ser a aut ctona sen n que poder a ter sido transportada desde

211 A tectónica de placas e o impacto Kt 211 un corpo celeste cunha diferenciaci n xeoqu mica semellante nosa. As atmosferas dos nosos veci os, Venus e Marte, ind cannos hoxe a probable evoluci n do noso planeta (prexudiciais ambas para o noso modus vivendi), unha de gasificaci n (efecto invernadoiro) e outra contraria, de degasificaci n da nosa atmosfera. COROLARIO A ciencia xeol xica neste sžculo, a pesar dos prexu zos conservadores e as modas intelectuais, perm tenos destacar en primeiro lugar unha nova visi n sobre o funcionamento da Terra, que se inicia coa deriva continental e culmina coa tect nica de placas, e, segundo, unha ruptura no eterno enfrontamento entre gradualistas e catastrofistas, vez que reformula a nosa posici n actual no planeta. A recente aceptaci n da hip tese do impacto KT, ademais da nova perspectiva que ofrece conducirnos incluso alžn do sistema solar, leva tamžn a un gran nœmero de reflexi ns de evidente actualidade: 1. A nosa orixe est vinculada a unha evoluci n xeol xica, qu mica e biol xica, particularmente sementada de accidentes e cat strofes dun planeta menor que viaxa arredor dunha estrela menor nunha de tantas galaxias do universo. 2. A nosa fin tamžn pode depender dos mesmos mecanismos azarosos: analiza-lo tr xico destino dos grandes dinosauros, o fen meno que fixo posible a evoluci n dos mam feros e, en consecuencia, a nosa propia evoluci n, desde o Homo sapiens hai anos, ata o desenvolvemento dunha esencial sima caracter stica como Ž a conciencia, fai que nos formulemos preguntas verbo do noso pasado e do noso futuro. S os seres humanos se interrogan sobre as sœas orixes e se preocupan polo futuro. Esta autoconciencia Ž a fonte da relixi n e a xustiza, das artes e das ciencias, Ž a nosa propia humanidade. Na opini n da maior parte dos cient ficos, Gould (1984) dixo: ÒLa conciencia es un caprichoso accidente de la evoluci n, un producto de un linaje peculiar que desarroll la mayor parte de los componentes de la inteligencia para otros procesos evolutivosó. 3. De t dalas especies existentes, ou que existiron no pasado, s n s conseguimos chegar a dispo er de poder abondo para provoca-la nosa propia extinci n e a conciencia suficiente para decat rmonos de que estamos condenados a sufri-lo noso propio medo. Podemos mira-lo futuro e contempla-la nosa morte, como especie, en circunstancias non moi distintas daquelas que se precipitaron sobre os poboadores do per odo Cret ceo. A œnica diferencia Ž que os dinosauros deber an culpar da sœa extinci n a elementos procedentes das estrelas, mentres que n s non poderiamos culpar a ningužn m is ca a n s mesmos. Luis çlvarez deuse conta do paralelismo existente entre a hipotžtica cat strofe que condenou os dinosauros

212 212 Federico Vilas Martín e unha guerra nuclear, comparaci n que nos fai dubidar das esperanzas de que se poida sobrevivir a semellante circunstancia: o mundo quedar a novamente sumido na escuridade de ferruxe durante semanas e reducir ase a luz necesaria para o desenvolvemento das plantas. î mesmo tempo, producir a unha onda de fr o implacable por t dalas partes. O resultado poder a se-la desaparici n da especie humana. 4. Afortunadamente, a ciencia perm tenos, co ecendo estas circunstancias, poder prever, mitigar e ata altera-los ciclos bioxeoqu micos: Ž posible que nunca cheguemos a saber con certeza quž lles ocorreu s dinosauros, pero o certo Ž que sabemos bastante como para preguntarnos se iso mesmo poder a ocorrernos a n s. Se o que lles afectou foi unha cat strofe repentina, pensemos nunha guerra nuclear e sentiremos calafr os. Se a sœa desaparici n se produciu gradualmente, debido a unha acumulaci n de causas que alteraron o medio ambiente, non temos m is remedio que pensar nos efectos do exceso de poboaci n, a deforestaci n, os velenos qu micos e a poluci n cada vez maior sobre a habitabilidade da Terra. Mesmo se dun modo ou outro se logra evita-la guerra nuclear, o mundo segue enfrontado inmediata perspectiva de extinci ns que poder a rivalizar, e incluso superar, a que tivo lugar a finais do Cret ceo. 5. Ende mal, o desenvolvemento non foi coherente co co ecemento e estes ciclos bioxeoqu micos est n sendo alterados prexudicialmente pola nosa propia actividade. Dous investigadores, Paul Ehrlich e Daniel Simberloff, preve en de que a poboaci n humana est medrando de modo tan explosivo e est modificando o medio natural de xeito tan dr stico que outras especies est n perecendo a un ritmo alarmante, tanto Ž as, que poder a acada-las proporci ns dunha extinci n masiva nos pr ximos douscentos anos. ÒPor primera vez en la historia geol gica Ñdixo EhrlichÑ un episodio de gran importancia ser puesto en acci n por el exceso de capacidad de una especie, el Homo sapiensó. BIBLIOGRAFÍA çlvarez, L. W., W. çlvarez, F. Asaro, e H. V. Michel, ÒExtraterrestrial cause for the Cretaceous-Tertiary extinctionó, Science, 208, 1980, Bentor, Y. K., ÒGeological Events in the BilbleÓ, Terra Nova, 1, Beveridge, W. I. B., The art of scientific investigations, Londres, Heinemann, Burnet, T., Telluris Theoria Sacra, Londres, Chapman, C. R., ÒAsteroidsÓ, en J. K. Beatty, B. OÕLeary, e A. Chaikin, The new Solar System, Cambridge, Mass., Cambridge Univ. Press e Sky Publ. Co., 1982, Dietz, R., ÒContinent and ocean basin evolution by spreading of the sea

213 A tectónica de placas e o impacto Kt 213 flooró, Nature, Londres, 190, 1961, Du Toit, A. L., A geological comparison of South America with South Africa. Carnegie Inst. Wash. Publ. 381, 1927, Fenton, C. L., e M. A. Fenton, Giants of Geology, Garden City, N. Y.: Doubleday, Gould, S. J., ÒMaking These Bones LiveÓ, New York Times, 9 de decembro, Hallam, A., De la Deriva de los Continentes a la Tect nica de Placas, Barcelona, Ed. Labor, ÓThe causes of Mass ExtintionsÓ, Nature, 308, Great Geological Controversies, Oxford University Press, 2» edici n, Heezen, B., ÒThe sea flooró, en S. K. Runcorn (ed), Continental drift, Nova York, Academic Press, Hess, H., History of ocean bassins, en: A. E. J. Engel et al. (ed.), Petrologie studies, Boulder, Colorado, Geological Society of America, Holmes, A., Radioactivity and earth movements, Glasgow, Trans. Geol. Soc. 18, 1929, HsŸ, K. J., La Gran Extinci n: cat strofe c smica, dinosaurios y la teor a de la evoluci n, Barcelona, Antoni Bosch, editor, Hutton, J., Theory of the Earth with proofs and illustrations, 2 vols., Edimburgo, Irving, S., Paleomagnetism and its application to geological and geophysical problems, Nova York, J. Willey, Le Pichon, X., ÒSea floor spreading and continental driftó, J. Geophys. Res. 73, 1968, Monroe, J. S., e R. Wicander, Physical Geology, West Publ. Co., Morgan, W., ÒRises, trenches, great faults and crustal blocksó, J. Geophys. Res. 73, 1968, Muller, R. A., ÒAn adventure in ScienceÓ, New York Times, 24 de marzo, Runcorn, S. K., ÒPaleomagnetic evidence for continental drift and its geophysical causeó, en S. K. Runcorn (ed.), Continental drift, Nova York, Academic Press, Schopf, J. W., ÒLa evoluci n de las cžlulas primitivasó, en: Evoluci n, Serie Investigaci n y Ciencia, Barcelona, Ed. Labor S. A., 1979, Soffen, G. A., ÒLife on Mars?Ó, en: Beatty, J. K., B. OÕLeary, e A. Chaikin. The new Solar System, Cambridge, Cambridge Univ. Press e Sky Publ. Co., Mass., 1982, Suess, E., The face of the Earth (5 vols.), Oxford, Clarendon Press,

214 214 Federico Vilas Martín Taylor, F. B., Bearing of the tertiary mountain belt on the origin of the Earth«s plan, Bull. Geol. Soc. Amer., 21, 1910, Torbett, M. V., e R. Smoluchowski, ÒOrbital Stability of the unseen Solar Companion Linked to Periodic Extintion EventsÓ, Nature, 311, Torbett, M. V., ÒSolar system and galactic influences on the stability of the EarthÓ, Global and Planetary Change, 75, 1-2, 333, Vilas, F., ÒLas cuatro revoluciones cient ficas al GŽnesisÓ, Lecci n Maxistral de Apertura de curso, Universidade de Vigo, Vine, F., ÒSpreading of the sea floor: new evidenceó, Science 154, 1966, Vine, F., e D. H. Matthews, ÒMagnetic anomalies over oceanic ridgesó, Nature, 199, 1963, 479. Wegener, A., Die Entstehung der Kontinent, Petermanns Mitteilungen, 1925, , 253-6, The origin of continents and oceans. Translated from the 4th revised German edition of 1929 by J. Biram, with an introduction by B.C. King, Londres, Methuen, Wilson, T., ÒA new class of faults and their bearing on continental driftó, Nature, 207, 1965,

215 215 A MEDICINA NO SÉCULO XX Fernando Dom nguez Puente* Universidade de Santiago de Compostela INTRODUCCIÓN A percepci n xeral de que a Medicina avanzou longo do sžculo XX xustif case suficientemente analizando a evoluci n de diversos indicadores sanitarios, algœn dos cales se recolle na t boa I. En Espa a, a mortalidade de nais e fillos tralo parto viuse substancialmente reducida longo do sžculo. A mortalidade Ž menor tanto en nœmero absoluto (a nda cando a poboaci n total aumentou), coma de forma relativa. As, no ano 1980 s falecen catorce de mil nenos nados vivos; esa cifra Ž trece veces superior en 1900 (t boa I). ƒ obvio que esta dr stica diminuci n da mortalidade non Ž gratu ta e obedece a unha mellor asistencia mždica. Son varias as raz ns que xustifican esta mellora sanitaria; s mencionarei dœas: o desenvolvemento da medicina racional ou cient fica e o da saœde pœblica e dos servicios asistenciais pœblicos. TçBOA I Mortalidade de nais e fillos tralo parto Nais Fillos Fillos mortos (por mil nados vivos) Poboaci n Total (mill ns) A Medicina Ž unha rama das ciencias positivas. Con esta proposici n, deliberadamente, exclœo outras pr cticas ÔmŽdicasÕ chamadas alternativas, naturais, etc., que, na mi a opini n, dan logros imposibles de avaliar pola ausencia dun corpo rigoroso de datos experimentais que permita as sœas an - lises. O propio concepto de enfermidade mudou e, progresivamente, foise desprendendo de connotacions m xicas ou metaf sicas, a nda que Ž notoria a persistencia de curandeiros ou de * Catedrático de Fisioloxía. Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

216 216 Fernando Domínguez Puente profesionais sanitarios con estudios universitarios que ofrecen remedios alleos medicina racional. Non pretendo facer valoraci n ningunha (pois a sœa argumentaci n excede o mbito desta publicaci n) das pr cticas mždicas alternativas, sen n xustificar por quž non se volve facer menci n delas longo do artigo. Tampouco me vou referir a medicinas tradicionais distintas da occidental. Limitareime, pois, a trata-lo desenvolvemento da Medicina racional da que debemos resaltar, polo menos, tres grandes facetas. En primeiro lugar, os enormes avances cient ficos que permitiron comprende-la orixe e as manifestaci ns cl nicas de bo nœmero de enfermidades. En segundo lugar, o desenvolvemento de novos mžtodos diagn sticos non invasivos, moitos dos cales supuxeron grandes revoluci ns tecnol xicas que permiten diagn sticos m is precisos e precoces. O abano Ž enorme e in ciase a principios de sžculo cos raios X (a primeira radiograf a tomouna Rštgen da man da sœa muller en 1895), o electrocardiograma desenvolvido por Einthoven ou o modesto esfingoman metro que permite medi- -la presi n arterial ideado en 1896 polo mždico italiano Riva-Rocci e perfeccionado polo ruso Nicolai Korotkoff en î longo do sžculo f ronse incorporando o microscopio electr nico ou, m is recentemente, a endoscopia, a tomograf a axial computarizada (TAC), a tomograf a de emisi n de positr ns (PET) que permite diagnosticar met stases m nimas ou analiza-lo cerebro en pleno funcionamento, a resonancia magnžtica nuclear, l seres, ultras ns e un longo etcžtera que revolucionou a capacidade diagn stica do mždico. En terceiro lugar, as ferramentas terapžuticas perfeccionadas longo do sžculo XX, que dotaron o mždico dun arsenal enorme e, nalgœns casos, excepcionalmente eficaz para combate-la enfermidade. Non vou desenvolver algœns temas que por dereito propio deberan figurar aqu como son a XenŽtica ou a Neurociencia, por ser tratados m is extensamente noutros artigos desta monograf a. A Cirurx a esc ndese da Medicina e tr tase nun cap tulo independente. A MEDICINA PÚBLICA No sžculo XIX a percepci n de que a pobreza ou a explotaci n laboral infantil afecta negativamente a saœde fai que a sociedade tome conciencia da importancia da prevenci n e as a saœde pœblica v lvese obxecto da pol - tica, da administraci n e da xustiza. O desenvolvemento que a Medicina preventiva acadou hoxe nas sociedades occidentais Ž enorme; Ž dif cil atopar algunha faceta da vida humana que non se vexa afectada por consideraci ns sanitarias. A prevenci n de enfermidades inflœe radicalmente na nosa forma de vida: desde a dieta, pasando polo exercicio ata numerosas regulaci ns que afectan a calidade da auga ou a salubridade dos edificios pœblicos. A

217 A Medicina no século XX 217 preocupaci n polo medio natural, en boa medida, ten a sœa orixe nunha inquietude pola repercusi n que a sœa alteraci n, a contaminaci n, ten sobre a saœde da poboaci n. Tradicionalmente a Medicina privada atendeu as necesidades mždicas das clases acomodadas, mentres que as instituci ns sanitarias pœblicas eran entidades caritativas. O establecemento dun sistema estatal asistencial sufragado con impostos modificou enormemente o escenario da asistencia mždica, que deixou de ser maioritariamente privada para se converter hoxe en fundamentalmente pœblica. A universalidade da asistencia mždica pœblica non Ž s un dereito sen n unha realidade pr ctica da que se beneficia toda a poboaci n. Os pacientes, marxe das sœas condici ns econ micas, recorren asistencia mždica pœblica, especialmente nos casos que revisten maior gravidade, pola garant a de calidade asistencial que lle ofrece. Nunca a poboaci n gozou de mellor saœde e dunha maior esperanza de vida; sen embargo, paradoxalmente, o grao de insatisfacci n e de cr ticas s servicios de asistencia pœblicos ( parte da cor pol tica do goberno que os administre) que mostra o cidad n Ž grande. Analiza-las raz ns deste descontento supera as intenci ns deste artigo pero Ž conveniente constatar que a sœa existencia garante que a saœde pœblica seguir sendo motivo central do debate pœblico en anos vindeiros. Como consecuencia disto, o gasto pœblico en sanidade vai seguir medrando e un dos desaf os m is importantes que afectan asistencia pœblica Ž sorprendentemente de orixe econ mica e non mždica: a contenci n do gasto sanitario. Hai trinta anos era impensable que a moderaci n do gasto mždico se convertese no principal desaf o da saœde pœblica nos pa ses europeos; sen embargo, hoxe Ž as. En consecuencia, o mždico perdeu protagonismo en beneficio dos xestores pœblicos. Paralelamente, asistimos a un afastamento cada vez maior entre a asistencia sanitaria ou, mellor a nda, os dereitos sanitarios b sicos dos habitantes dos pa ses pobres e a dos pa ses desenvolvidos Ñincluso nestes œltimos, non t dolos sectores sociais te en de facto os mesmos niveis de saœdeñ. A saœde dos pa ses m is pobres Ž un problema de Occidente, non s por raz ns Žticas, sen n tamžn polo feito de que estes pa ses se converten en dep sitos de axentes infecciosos que acaban atacando indiscriminadamente a toda a humanidade (o caso da SIDA Ž emblem tico). Todo isto ind canos que a saœde pœblica non debera ter fronteiras nacionais. As, durante este sžculo asistimos nacemento de organismos internacionais que se ocupan da saœde pœblica en todo o mundo, como a OMS (Organizaci n Mundial da Saœde, fundada en 1948) que conseguiu a erradicaci n da var ola en todo o planeta en P dese afirmar que a mellora da saœde pœblica nos pa ses pobres pasa por repeti-los pasos que Occidente previamente ten dado; daquela, haber

218 218 Fernando Domínguez Puente que erradica-la explotaci n infantil, a miseria ou as taxas de natalidade incontroladas, entre outros moitos aspectos, para acada-los niveis de saœde que actualmente gozan os pa ses occidentais. O papel central que os grandes hospitais desempe an na atenci n sanitaria Ž un dos aspectos m is significativos do noso sistema sanitario e do dos pa ses da nosa contorna. Sirva como exemplo o incremento do nœmero de camas hospitalarias por mil habitantes. No Reino Unido dobrouse desde 1860 ata 1940, isto Ž, en oitenta anos; desde 1940 ata 1980 volveuse duplicar, esta vez en s corenta anos. As innovaci ns tecnol xicas son asombrosas, como mencionamos antes. Canda isto, o desenvolvemento de quir fanos ben equipados, con condici ns hixižnicas excepcionais, transformou o hospital nun centro que acolle t dalas clases sociais e deixou de ser unha instituci n destinada s pobres. Outro aspecto non menos relevante do hospital Ž que se converteu no centro de atenci n das urxencias mždicas, de tal forma que o cidad n, cando sente o menor s ntoma, non dubida en acudir a el. O perfeccionamento de laboratorios e servicios de apoio fixo que non s se incrementara a tecnolox a mždica, sen n tamžn o persoal altamente especializado que a manexa. Non Ž de sorprender, polo tanto, que os custos hospitalarios se disparasen e que a gran maior a das persoas ou instituci ns que tradicionalmente eran propietarias de hospitais ou sanatorios acabasen non podendo resisti-la escalada dos custos; s coa integraci n dos hospitais no Sistema Nacional de Saœde se lles puido facer fronte. Por outra parte, estes custos ameazan o propio Sistema. Algœns cr ticos afirman que os hospitais modernos contribu ron pouco Medicina non sendo para incrementa-los custos. ArgumŽntase que foron as medidas de saœde pœblica do sžculo XIX as que diminu ron realmente a mortalidade. A nda que excesivamente radicais, estas afirmaci ns deben servirnos para cuestiona-lo porvir dos hospitais na sœa forma actual: Àser n considerados no futuro como dinosauros da medicina?; Àdebemos substitu -los macrocentros que estamos constru ndo por outros m is reducidos e variados?; Àcargouse de m is o papel asistencial do hospital?, son interrogantes que, en beneficio das futuras xeraci ns, deberemos saber resolver. A EVOLUCIÓN DAS ENFERMIDADES Desde os inicios do sžculo XX xerouse unha enorme cantidade de co ecementos sobre os axentes externos Ñqu micos, f sicos e biol xicosñ que aflixen o noso organismo. Paralelamente, foi necesario entender c mo os axentes externos actœan sobre o noso corpo, identifica-lo obxecto da sœa acci n e comprende-las consecuencias org nicas desta. O tipo de enfermidades e as consecuencias que te en sobre a saœde

219 A Medicina no século XX 219 variaron co avance do sžculo. Algunhas das causas desta variaci n son as seguintes. Por unha parte, o desenvolvemento da Medicina permitiu atallar ou polo menos palia-las consecuencias morbosas dunha enfermidade como a tuberculose, que pasou de ser unha causa principal de mortalidade a principios de sžculo a unha patolox a perfectamente controlada hoxe en d a Ñnalgœn caso elim nase a enfermidade porque se elimina o axente causalñ; por outra, a permanente evoluci n dos axentes biol xicos causa a variabilidade da enfermidade e da sœa presentaci n cl nica. Na t boa II podemos ve-la evoluci n experimentada polas causas de mortalidade infantil no Reino Unido durante o pasado sžculo. Por unha parte, a mortalidade debida a patolox as de orixe non xenžtica diminu u sensiblemente. En gran medida este descenso Ž achacable a un mellor control das doenzas infecciosas. Por outra parte, a mortalidade debida a enfermidades cun compo ente xenžtico, especialmente o grupo de multifactoriais, medrou de contino durante a centuria. TçBOA II Porcentaxe de mortes infant s Anos Patolox as Non xenžticas XenŽticas simples XenŽticas multifactoriais Para entender adecuadamente esta t boa c mpre unha aclaraci n do que consideramos enfermidades xenžticas multifactoriais (figura 1). Unha enfermidade pode ter unha orixe fundamentalmente ambiental (unha gripe, por exemplo, que ten como factor desencadeante un virus que Ž un axente exterior organismo) ou esencialmente xenžtico (un xene Ž un constitu nte do organismo que pode verse afectado) como no caso da hemofilia. O xene afectado transm tese de pais a fillos, e a enfermidade non necesita dun axente externo para desencadearse nos fillos. Sen embargo estes casos son extremos xa que na maior a das patolox as a enfermidade ten un dobre compo ente, ambiental e xenžtico; o cancro, por exemplo, in ciase porque un axente externo cancer xeno interacciona cun xene que controla a proliferaci n celular. A maior parte das patolox as presentan este dobre compo ente, sen

220 220 Fernando Domínguez Puente Ambiental XenŽtica Multifactorial XenŽtica Simple Gripe Sarampelo Enfermidade infecciosa Diabete Cancro E. autoinmunes Fibrose Qu stica Hemofilia Figura 1. Continuum das enfermidades. embargo demostra-la sœa orixe non Ž doado. Francis Crick, o co ecido bi logo molecular, que, xunto con Watson, esclareceu a estructura tridimensional do ADN, afirma que a orixe dunha enfermidade non se establece ata que se aclara a escala molecular. A historia familiar fainos sospeita-la existencia dun compo ente xenžtico nunha enfermidade. Rastrexa-la participaci n e, posteriormente, identificar un xene responsable dunha enfermidade multifactorial non Ž f cil e non foi posible ata a chegada das tžcnicas de XenŽtica molecular. A xenžtica humana percorreu un longo cami o desde que, a principios de sžculo, Garrod prop n a orixe xenžtica dalgunhas enfermidades metab licas, pasando por Linus Pauling que describe a primeira enfermidade en termos moleculares, a anemia falciforme; hoxe en d a xa est n descritas m is de tres mil cincocentas patolox as xžnicas. O desenvolvemento da CitoxenŽtica, a rama da XenŽtica que estudia as lesi ns cromos micas, produciuse paralelamente neste sžculo. Para establece-lo nœmero exacto de cromosmas humanos houbo que esperar a 1956, cando o cient fico de Java, doutor Joe Hin Tjio, que traballaba en Zaragoza (Espa a), en colaboraci n co seu mestre, o profesor sueco Johan Levan, estableceu o nœmero en corenta e seis. O FUNCIONAMENTO NORMAL DO ORGANISMO Unha enfermidade Ž unha alteraci n do funcionamento normal dun rgano. Non Ž posible entender nin a orixe nin o curso da enfermidade sen co ecer previamente o funcionamento normal do organismo. Por iso revisaržmo-los avances fundamentais que durante este sžculo afectaron a comprensi n do funcionamento do corpo. O co ecemento de c mo funciona o noso organismo avanzou de forma prodixiosa no sžculo XX. A finais do sžculo XIX, a Fisiolox a, a ciencia que estudia a funci n org nica, empezou a ter entidade de seu e a organizarse como tal, e xa produciu cient ficos de

221 A Medicina no século XX 221 enorme talle como Claude Bernard (o seu pensamento segue estando de actualidade). Sen embargo, conceptos tan b sicos como os de vitamina, hormona, neurotransmisor, anticorpo, etc., foron acu ados durante o pasado sžculo. Repasaremos brevemente algœns cap tulos destacados. A INMUNOLOXÍA E A LOITA CONTRA A INFECCIÓN A introducci n da vacina e a caracterizaci n de microorganismos responsables de varias enfermidades infecciosas foi un logro alcanzado no sžculo XIX. Emporiso, a ciencia mždica carec a nos albores do sžculo XX de ferramentas terapžuticas, ag s as preventivas, na loita contra as enfermidades infecciosas. M is a nda, ata finais dese sžculo non foi posible entende-los principios do funcionamento do sistema inmune. Paul Ehrlich, cient fico alem n, pode considerarse o iniciador da quimioterapia, isto Ž, a utilizaci n de productos qu micos para o tratamento de enfermidades. Foi el quen introduciu o Salvarsan, unha preparaci n sintžtica que contžn arsžnico e que se utilizou satisfactoriamente no tratamento da s filis. Ata a aparici n dos antibi ticos, o Salvarsan foi o mžtodo de tratamento por excelencia desta enfermidade. As consecuencias sociais do dito achado ser an comparables s que hoxe teriamos se se encontrase un remedio inmediato para a curaci n da SIDA. En 1932, vintedous anos m is tarde, o disc pulo de Ehrlich, Gerhard Domagk, daquela director do laboratorio de investigaci n da casa Bayer, descobre o efecto curativo dun colorante vermello nas infecci ns causadas por estreptococos. Pouco despois, en 1939, recibe polo seu achado o premio Nobel que o ržxime nazi lle impide recoller. Cient ficos do Instituto Pasteur de Par s descobren que o principio activo presente no colorante Ž a sulfanilamida, e establecen as un novo fito na curaci n das enfermidades infecciosas. Esta droga presentaba efectos secundarios que levaron a comunidade cient fica a buscar novos derivados dela, fundamentalmente na familia das sulfonamidas da que lograron illar uns cincuenta productos clinicamente œtiles. Sen embargo, os antibi ticos axi a desprazaron a quimioterapia no tratamento das enfermidades infecciosas. A diferencia entre antibi ticos e quimioter picos Ž que os primeiros son productos naturais, ou m is recentemente semisintžticos, mentres que os œltimos son sintžticos. A historia do descubrimento dos antibi ticos por Sir Alexander Fleming Ž ben co ecida e reflicte esa mestura de azar e xenio subxacente detr s de gran nœmero de avances cient ficos. A antibiose, a morte dun organismo polos productos doutro distinto, xa se co ec a no sžculo XIX. Sen embargo, s Fleming se decatou da importancia que a antibiose pod a ter no tratamento das enfermidades infecciosas. Traballando con estafilococos puido comproba-lo efecto bactericida

222 222 Fernando Domínguez Puente Paul Ehrlich descubriu en 1910 o Salvarsán, que resultou eficaz no tratamento da sífilis con quimioterapia. do fungo Penicillium Ñque deu nome penicilinañ. A pesar da sœa crenza en que a penicilina era un potente antibactericida sen efectos secundarios, pasaron dez anos ata que a hip tese de Fleming fose comprobada. O cient fico australiano Howard Florey logrou interesa-lo bioqu mico Ernest Chain de Oxford, quen finalmente obtivo preparados bastante puros de penicilina que demostraron a sœa enorme potencia bactericida. A industria farmacžutica brit nica, quizais polo estoupido da Segunda Guerra Mundial que se produce neses momentos, cometeu un dos maiores erros hist ricos cando desbotou a producci n industrial e comercial A repercusión social do descubrimento de Ehrlich non se fixo esperar. Cartel de R. Casas que anuncia un sanatorio para sifilíticos.

223 A Medicina no século XX 223 da penicilina. Posteriormente foi a industria americana a que apostou por ela e en 1944 utiliz base xa nos campos de batalla. En 1945, Fleming, Florey e Chain recibiron o premio Nobel. A penicilina atacaba os mesmos microbios c s sulfonamidas e moitos outros, pero sen efectos secundarios. Este grande Žxito levou busca de novos antibi ticos en todo o mundo. O primeiro logro foi a estreptomicina que se demostrou eficaz na loita contra unha enfermidade m tica, ata o momento intratable, a tise ou tuberculose. A nda que pouco despois puido comprobarse que o bacilo de Kock se adapta rapidamente e acaba sendo resistente. Afortunadamente, ach ronse outras drogas eficaces no tratamento da tuberculose que mante en a raia esta enfermidade que, ata hai ben pouco, se consideraba practicamente erradicada e que, sen embargo, co eceu un rebrote significativo en datas recentes. Hoxe en d a, a pesar do grande arsenal terapžutico e a enorme experiencia no uso dos antibi ticos, o continuo crecemento de bacterias resistentes a estes Ž causa de gran preocupaci n e esixe o seu uso racional. Atopar axentes antivirais resultou unha tarefa extraordinariamente dif cil a pesar duns inicios enormemente esperanzadores. Os mellores resultados obtivžronse co uso de vacinas que Edward Jenner introduciu na pr ctica mždica a finais do sžculo XVIII. O desenvolvemento dos co ecementos b sicos permitiu o cultivo de virus no laboratorio e o seu posterior estudio mediante novas tžcnicas que an progresando simultaneamente, como por exemplo o microscopio electr nico. A informaci n as obtida permitiu a finais dos cincuenta e nos sesenta a producci n de novas vacinas m is efectivas, e enfermidades que antes azoutaban a Humanidade, como a var ola, a poliomielite, o sarampelo ou a rubžola est n hoxe erradicadas ou, polo menos, controladas. Un exemplo disto œltimo Ž a gripe que, a pesar da sœa enorme variabilidade que dificulta o desenvolvemento dunha vacina que logre erradicala, fai, sen embargo, improbable que se produzan pandemias como a que varreu o mundo en e que causou a morte de m is de quince mill ns de persoas. Ultimamente e, en parte, debido s enormes repercusi ns sociais que tivo a SIDA, iniciouse unha nova busca de drogas sintžticas que poidan interferir co ciclo vital do virus, inhibindo algœn proceso, preferiblemente espec - fico do virus. Certamente esta busca acadou importantes Žxitos parciais gracias avance logrado cos novos tratamentos, como se reflicte no mellor progn stico dos pacientes afectados. As bases do funcionamento do sistema inmune foron un crebacabezas durante boa parte do sžculo. Contrariamente que sucede noutras ramas das ciencias mždicas, os avances te ricos desenvolvžronse antes de que se puideran obter achados experimentais que os confirmaran. As, a teor a da

224 224 Fernando Domínguez Puente selecci n clonal proposta por Macfarlane Burnet na džcada dos cincuenta necesitou m is de vinte anos para ser corroborada experimentalmente. Os experimentos de Karl Landsteiner a principios de sžculo demostraron a enorme capacidade que o noso organismo ten para xerar miles de mill ns de anticorpos distintos e a sœa grande especificidade (son quen de rexeitar tecidos idžnticos se proceden de doadores diferentes). Ata ben entrada a džcada dos setenta non se puido demostra-lo mecanismo polo que o sistema inmune d xerado tantos miles de mill ns de anticorpos diferentes, por outra parte, necesarios para enfrontarse mundo dos microorganismos que Ž tremendamente variable. Est f ra do contexto desta revisi n explica-los mecanismos da xeraci n som tica da diversidade de anticorpos por recombinaci n xžnica, pero o seu descubrimento foi un dos maiores fitos da Fisiolox a deste sžculo XX, como o testemu a a concesi n en solitario do premio Nobel seu descubridor, o cient fico xaponžs Susumu Tonegawa. Outro achado de grande importancia na inmunolox a mždica foi a identificaci n dos xenes que participan no rexeitamento dos tecidos, co ecidos no rato como complexo principal de histocompatibildade e no home como ant xenos leucocitarios humanos (HLA). Tres cient ficos foron os principais responsables destes descubrimentos que tanto facilitaron a rutina do transplante de rganos nos hospitais: Baruj Benacerraf, nado en Venezuela, o norteamericano George Snell e o francžs Jean Dausset. Sen embargo, ata a introducci n da droga inmunosupresora ciclosporina, o transplante non tivo o florecemento que hoxe co ecemos. ƒ corrente na ciencia que algœns experimentos tendentes a aclarar procesos b sicos acaben dando lugar a aplicaci ns pr cticas de ndole industrial de gran relevancia. Un exemplo do dito Ž o desenvolvemento dos anticorpos monoclonais polo cient fico arxentino, de nacionalidade brit nica, Cesar Milstein, e o investigador alem n, prematuramente desaparecido, George Kšhler, que, tratando de aclara-los mecanismos que xeran a diversidade de anticorpos, desenvolveron unha ferramenta de uso universal tanto nos laboratorios de investigaci n como cl - nicos de todo o mundo. A importancia dos anticorpos monoclonais refl ctese na concesi n a ambos do premio Nobel. OS MENSAXEIROS QUÍMICOS E A FARMACOLOXÍA A primeira vez que se puido demostrar fidedignamente a transmisi n qu mica do impulso nervioso foi gracias experimento so ado polo cient fico alem n Otto Loewi. El describe as c mo lle xurdiu a idea de realiza-lo experimento: Na noite do s bado de resurrecci n de 1921, espertei e escrib n unhas poucas notas nun anaco pequeno de papel. Ent n volv n quedar durmido. OcurrŽuseme s seis da ma que durante a

225 A Medicina no século XX 225 noite escribira algo moi importante pero non dei descifrado os garabatos que fixera. Ese domingo foi o d a m is terrible de toda a mi a vida cient fica. Durante a noite, sen embargo, acordei outra vez e lembrei o que era. Erguinme momento, fun laboratorio, fixen o experimento co coraz n da ra e... s cinco en punto a transmisi n qu mica do impulso nervioso ficaba demostrada concluintemente. O experimento so ado por Loewi consist a en estimula-lo nervio vago nunha ra, o que reduce a frecuencia card aca, e po er en contacto o coraz n dunha segunda ra co l quido que ba aba o coraz n estimulado. As, o segundo coraz n, que non se lle estimulara o nervio vago, diminœe a sœa frecuencia se po er en contacto co mensaxeiro qu mico presente no l quido que ba aba o primeiro coraz n e que se liberou por estimulaci n do nervio vago do primeiro animal. Hoxe son moitos os neurotransmisores caracterizados. Ademais, e este foi un campo especialmente fruct fero da Farmacolox a, desenvolvžronse f rmacos que poden ser agonistas ou antagonistas dos ditos neurotransmisores. Estes novos f rmacos supuxeron unha grande axuda no tratamento de mœltiples doenzas que afectan a distintos campos pero, quizais, en ningœn tivo unha repercusi n social maior ca no tratamento dalgœn dos trastornos da conducta, polo valor emblem tico que estas doenzas acadaron dada a crenza tradicional de que as enfermidades mentais te en un compo ente inmaterial, inaccesible mždico e, polo tanto, resistente tratamento farmacol xico. Afortunadamente o psiquiatra moderno conta cun abano de f rmacos que poden, se non curar de vez, polo menos paliar en parte os devastadores efectos que algœns trastornos mentais exercen sobre os pacientes. Un dos grandes retos da Farmacolox a actual Ž atopar un remedio eficaz que impida ou, menos, free o desenvolvemento dos procesos neurodexenerativos. Estes, nas sœas manifestaci ns m is severas, invalidan os pacientes para desenvolveren unha vida normal. Son procesos que afectan especialmente a poboaci n de maior idade e te en cada vez m is incidencia na poboaci n debido progresivo envellecemento da nosa sociedade. Os accidentes cardiovasculares son unha das causas m is frecuentes de morte na nosa sociedade. A introducci n de f rmacos que diminœen o risco tromboemb lico ou que destrœan o trombo unha vez formado, como os activadores do plasmin xeno, permitiron reduci-la mortalidade dos pacientes afectados dun infarto de miocardio. Sen embargo, logo de se producir a lesi n, debido natureza do mœsculo card aco, esta Ž irreversible. A bioenxe- er a estase perfeccionando coa esperanza de obter Ña partir de cžlulas embrionarias cultivadas no laboratorioñ cžlulas que poidan substitu -lo tecido lesionado. A idea que fundamenta este tipo de investigaci ns Ž tratar de reproducir no laboratorio as condici ns que se producen durante o desenvolvemento embrionario e que permiten que un nœmero reducido de

226 226 Fernando Domínguez Puente cžlulas dea lugar a rganos funcionais diferenciados. O co ecemento das bases fisiol xicas que regulan o desenvolvemento embrionario a nda Ž hoxe moi escaso, pero as esperanzas terapžuticas que esperta son enormes. As, en teor a, a escaseza de rganos necesarios para os transplantes pasar a historia. Sen dœbida esta singradura, de especial importancia no sžculo XXI, est sementada de grandes dificultades cient ficas e tamžn de grandes sombras Žticas que requiren outros avances da Žtica mždica. A introducci n de novos h bitos de vida que reducen ou evitan a exposici n a axentes cancer xenos, como pode se-lo abandono do tabaco, o cambio no tipo de dieta, etc., fai que a aparici n de casos de cancro tenda a diminu r a pesar do incremento progresivo da esperanza de vida. O cancro, un complexo grupo de enfermidades, beneficiouse en gran forma da introducci n de novos tratamentos, cirœrxicos e adxuvantes como a quimio e a radioterapia; unido isto a innovadores mžtodos de exploraci n que permiten un diagn stico cada vez m is precoz do tumor, fai que o progn stico dos pacientes mellorara nalgœns casos espectacularmente. O avance da radioterapia debeuse en gran medida producci n de aparellos capaces de producir altas enerx as Ñda orde de mill ns de electr n voltiosñ. Estes instrumentos poden subministrar doses elevadas de forma vers til, dependendo da extensi n e localizaci n do rgano afectado. Dada Técnica de radioterapia intraoperatoria con acelerador lineal de electróns e fotóns de alta enerxía. a sœa utilidade terapžutica, aparellos como aceleradores lineais ou o cobalto- -60 convertžronse en tratamentos comœns de cancros profundos. A quimioterapia no tratamento do cancro avanzou considerablemente, e son xa varios os tipos de cancros que se poden curar con drogas. A utilizaci n destas de forma combinada potencia o seu efecto e obtž ense as tratamentos m is radicais. Lamentablemente, todos estes tratamentos afectan non s a cžlulas cancerosas sen n tamžn a cžlulas normais que se dividen activamente, como as precursoras das cžlulas sangu neas que se localizan na medula sea. As transfusi ns e, m is recentemente, o transplante de medula sea son medidas paliativas que tratan

227 A Medicina no século XX 227 de repara-lo efecto indesexable da quimioterapia sobre as cžlulas sas do organismo. Existen moitos tratamentos experimentais dese ados para abordar diversos aspectos da patolox a tumoral. As, impedi-la anxionxžnese, o desenvolvemento de novos vasos, necesarios para o crecemento do tumor, Ž un campo prometedor. A utilizaci n de f rmacos que tornan m is radiosensibles os tumores, a hipertermia, etc., son posibilidades terapžuticas que se exploran activamente. A introducci n de xenes for neos nas cžlulas tumorais capaces de dete-lo seu crecemento Ž unha das esperanzas da terapia xžnica. Ten sucedido con frecuencia Ñe, quizais, o cancro non sexa unha excepci nñ que a mellora e o perfeccionamento dos medios terapžuticos existentes logran resultados mellores e m is consistentes que moitas terapias prometedoras nas que se invisten inxentes cantidades de recursos e que cabo non resultan m is que cantos de sereas. ƒ dif cil pensar que exista mellor alternativa terapžutica c cirurx a no tratamento de moitos cancros e que esta vaia verse desprazada a curto ou medio prazo por outros tratamentos alternativos. A ENDOCRINOLOXÍA, UNHA CIENCIA DO SÉCULO XX A Endocrinolox a desenv lvese no sžculo XX. A introducci n do termo hormona Ñdo grego ormao, Ôesperta-la actividadeõñprodœcese na primeira džcada do sžculo polo fisi logo brit nico Starling que, estudiando os mecanismos de secreci n pancre tica, encontrou que eran estimulados por un mensaxeiro qu mico producido durante a dixesti n que lle chamou secretina. En 1921, Frederick G. Banting e Charles H. Best, na Universidade de Toronto, illaron extractos de p ncreas de cans que, inxectados en cans diabžticos lograba mantelos vivos. A este extracto cham ronlle insulina. En xaneiro de 1922 inxectaron por vez primeira un ser humano con insulina. Era un neno diabžtico en moi mal estado que a inxecci n de insulina lle reduciu os niveis de glicosa. Un ano m is tarde, o bioqu mico James B. Collip purificou suficientemente os extractos pancre ticos diminu ndo as os efectos indesexables da sœa administraci n. O mesmo ano concedžuselle o premio Nobel a Banting e a Macleod; no seu laboratorio fixžranse os experimentos. A Comisi n Nobel ignorou a Best, o alumno asistente de Banting. Este œltimo, furioso polo rexeitamento de Best, compartiu a dotaci n econ mica do premio con el. Macleod fixo o mismo con Collip. A gran demanda creada pola insulina tivo que esperar a que a producci n industrial desta alcanzase os mercados. Cando iso foi posible logrouse que os rapaces diabžticos puidesen levar unha vida normal e supera-lo destino tr xico que lles esperar a de non ter esta hormona.

228 228 Fernando Domínguez Puente O descubrimento das hormonas sexuais femininas e do control hormonal do ciclo ov rico tivo unha enorme repercusi n social xa que permitiu introduci-los anticonceptivos orais. As hormonas tiroideas e o papel do iodo, necesario para a sœa bios ntese, afectan a pol ticas gobernamentais especialmente en territorios endžmicos como Galicia e ten moita importancia na loita contra o cretinismo. Programas de prevenci n nos que se abordan a detecci n precoz, no neno que acaba de nacer, de metabolopat as conxžnitas e hipotiroidismo permitiron loitar eficazmente contra o atraso mental. Un dos avances m is espectaculares da Endocrinolox a produciuse na džcada dos sesenta: o descubrimento de que as persoas diabžticas xeran anticorpos dirixidos contra a insulina. Este feito, no seu d a sorprendente, serviu para que Solomon A. Berson e a sœa colaboradora, premiada m is tarde co Nobel, Rosalyn Yalow, desenvolveran unha tžcnica que permit a determinar con extraordinaria sensibilidade e especificidade os niveis circulantes dunha hormona. Esta tžcnica que se co ece como radioinmunoensaio, permitiulle endocrin logo cl nico co ece-los niveis circulantes das hormonas con precisi n e poder establecer diagn sticos baseados en datos fiables. Un logro de gran repercusi n te - rica foi o illamento e a caracterizaci n das hormonas hipotal micas; supuxo un verdadeiro reto experimental xa que se necesitaron hipot lamos de centos de miles de animais para ter suficiente material de partida para secuenciar estas hormonas. Dous cient ficos, de forma independente a nda que ambos desenvolveron o seu labor nos Estados Unidos traballaron neste proxecto: un de orixe polaca, o profesor Andrew Schally, que illou as hormonas de medio mill n de hipot lamos de porco. O outro cient fico, Roger Guillemin, de orixe francesa, traballou con hipot lamos de ovella. Para decatarse do enorme esforzo que este traballo supuxo basta menciona-lo feito de que obte-lo miligramo inicial da primeira hormona hipotal mica illada, o TRH, foi m is caro que traer Terra un miligramo de po lunar. As hormonas circulan polo sangue e actœan sobre as cžlulas dos rganos que son diana das sœas acci ns. Un descubrimento extraordinario realizouno o doutor Earl Sutherland que descubriu que a hormona, no seu caso a adrenalina, actœa sobre a cžlula incrementando os niveis dunha molžcula que funciona como mensaxeiro dentro da cžlula. Polo tanto, se a hormona Ž o primeiro mensaxeiro, a molžcula intracelular inducida pola hormona co Žcese como segundo mensaxeiro. Sutherland caracterizou o AMPc, o segundo mensaxeiro por excelencia. Hoxe en d a o estudio dos mensaxeiros intracelulares Ž un campo activ simo, enormemente fruct fero, imbricado coa xenžtica molecular, e vai ser un dos terreos que achegue m is beneficios pr ctica mždica.

229 A Medicina no século XX 229 AS VITAMINAS A falta de vitaminas manifžstase en sociedades que por diversas raz ns est n sometidas a dietas pobres, pouco variadas. Probablemente entre os investigadores cl nicos espa ois, un dos m is relevantes fora o mždico asturiano Gaspar Casal que no sžculo XVIII describiu por vez primeira unha enfermidade carencial, a pelagra, causada por unha dieta deficiente nunha vitamina. Son moi variadas as manifestaci ns cl nicas que causa unha alimentaci n carente nalgunha vitamina e as, enfermidades como o escorbuto, o beriberi, a anemia perniciosa ou o raquitismo se orixinan pola carencia de distintas vitaminas. Cando se enriquecen dietas pobres con suplementos vitam - nicos, as manifestaci ns cl nicas desaparecen como o demostrou o mždico holandžs Eijkman cando o destinaron a Xava para atender unha epidemia de beriberi que asolaba as prisi ns daquela illa. Un exemplo rechamante foi tamžn o tratamento da anemia perniciosa, unha enfermidade que a principios de sžculo era fatal, e que gracias s traballos dos mždicos estadounidenses George Minot e William Murphy puido curarse cando lles deron f gado cru de boi s pacientes afectados. Igual de intragable Ž, probablemente, a inxesti n de aceite de f gado de bacallao, un complemento frecuente na alimentaci n dos nenos ata datas relativamente frecuentes dado o seu rico contido vitam nico. A natureza qu mica das vitaminas non foi descuberta ata ben entrado o sžculo XX. O mždico hœngaro Albert Szent-Gyšrgyi, en 1928, non sen unha certa dose de fortuna, puido illa-la vitamina C da gl ndula suprarrenal. Hoxe en d a as vitaminas sintet zanse en grandes plantas industriais e a xente fai un consumo masivo delas sen se decatar de que o seu uso esaxerado non Ž inocuo; especialmente o exceso de vitaminas liposolubles pode ser dani o. A ALTA TECNOLOXÍA E A SÚA APLICACIÓN MÉDICA A introducci n dos raios X por Wilhem Rštgen foi o comezo dun sžculo no que a Medicina e, especialmente, o diagn stico mždico, se revolucionou coa introducci n de aparellos tecnoloxicamente moi sofisticados. Os raios X, as como as radiaci ns radioactivas, axi a demostraron o seu valor terapžutico, a nda que tamžn se reco eceron os seus efectos dani os na inducci n de tumores. Inici ronse pronto experimentos para introducir substancias opacas s raios X que permitiran revelar rganos ou outras formaci ns tanto normais coma anormais. En 1905 Friedrich Voelcker, de Heidelberg, desenvolveu a pielograf a retr gada, a introducci n dunha substancia radiopaca na pelve renal a travžs dun uržter para estudia-la permeabilidade das v as urinarias. En 1921, Jean Sicard, mediante a introducci n dunha soluci n iodada, puido estudia-lo conducto raqu deo e, m is tarde, a rbore

230 230 Fernando Domínguez Puente Estudio do cerebro por resonancia magnética. bronquial. En 1927, o portugužs Antonio Moniz, en Lisboa, puido inxectar contraste e identificar as as arterias cerebrais. Ata 1962 non foi posible estudia-las arterias coronarias. Hoxe en d a o cateterismo card aco Ñintroducci n dun pequeno tubo nun vaso perifžrico que chega ata o coraz nñ Ž unha especialidade mždica plenamente desenvolvida e que contribœe de forma decisiva diagn stico e tratamento do enfermo card aco. O procedemento iniciouse dunha forma espectacular en 1929 cando o mždico alem n Werner Forssmann, utiliz ndose el mesmo como coello de indias, abriu unha vea do seu brazo, inseriu a punta dun catžter de aproximadamente 3,2 mm de di metro e 76 cm de lonxitude, e empurrouno cara a arriba pola vea do brazo, longo das veas intrator cicas, dentro do adro do seu coraz n. O diagn stico baseado en raios X sufriu un avance espectacular en 1972 coa introducci n da Tomograf a Axial Computarizada (TAC) por G. N. Hounsfield. A base do sistema Ž integra-las imaxes obtidas por raios X para obter unha imaxe dunha secci n completa dunha rexi n do corpo humano. O desenvolvemento matem tico que fixo este proceso posible foi responsabilidade de Allan M. Cormack que recibiu canda Hounsfield o Nobel en A utilizaci n mždica do son permitiu o desenvolvemento de dœas tžcnicas de diagn stico non invasivo que xeneralizaron o seu uso dada a sœa grande utilidade pr ctica. Por unha parte, a ecograf a que se usa en diversas especialidades mždicas, desde a obstetricia cardiolox a, e que permite captar imaxes de forma moito m is inocua ca mediante o uso de radiaci ns. En efecto, a ecograf a Ž o procedemento de obtenci n de imaxes fetais m is estendido, xa que mesmo nun per odo tan sensible acci n mutaxžnica de axentes externos como o desenvolvemento fetal, este mžtodo parece non ter efectos secundarios destacables. A resonancia magnžtica perm tenos obter, coma o TAC, imaxes de secci ns do organismo mediante a utilizaci n de ondas de radio. O PET džixanos medi-los positr ns emitidos polo decaemento dun trazador radioactivo que se lle administra paciente. Este mžtodo Ž moi sensible e preciso e fixo posible o estu-

231 A Medicina no século XX 231 dio do cerebro in vivo. As, nun suxeito normal que desenvolve unha tarefa, o PET pode permitir identifica-las reas ou zonas cerebrais que se activan realizala. O PET contribu u en gran medida avance actual da neurociencia cognitiva que estudia o papel do cerebro no desenvolvemento de tarefas superiores propias do home, como emoci ns ou consciencia. Outro aspecto moi relevante do PET Ž a sœa sensibilidade para a detecci n de met stase. No paciente cun tumor, o tratamento poscirœrxico, en gran medida, vai depender da presencia de met stase. O PET Ž hoxe en d a o mžtodo de diagn stico m is sensible dunha met stase. A utilizaci n do l ser na pr ctica mždica estžndese cada vez m is; non s proporciona ondas de alta enerx a, sen n que tamžn pode focalizar, concentra-las ondas en puntos microsc picos. O tecido as alcanzado Ž destru do por calor ou por reacci ns fotoqu micas, sen deixar cicatrices e cun sangrado m nimo. A conxunci n destes factores converte o l ser no bistur ptico por excelencia en intervenci ns que requiren do cirurxi n cortes de gran precisi n, como sucede na cirurx a oft lmica. A INVESTIGACIÓN E A DOCENCIA DA MEDICINA Quixera dedicarlle este derradeiro apartado, mesmo que fose brevemente, docencia e investigaci n como axentes do desenvolvemento da Medicina no sžculo XX. Dous foron tradicionalmente os grandes modelos sobre os que se baseou o ensino mždico. O primeiro, o modelo francžs, nace coa Revoluci n Francesa. Este, por oposici n ensino libresco tradicional, destaca o mžtodo pr ctico. O seu lema peu lire, beaucoup voir, beaucoup faire Ž claramente indicativo. Consider base nel a observaci n a car n da cama do enfermo e na sala de autopsias como o centro do ensino. Acorde con isto, este sistema introduce a lecci n cl nica, analizando casos de pacientes concretos e o internado en servicios hospitalarios como principais ferramentas docentes (JosŽ Mar a L pez Pi ero, Breve historia de la medicina, Madrid, Alianza Editorial, 2000). O outro gran modelo Ž o alem n. Asumido o modelo francžs, desenv lveo un paso m is introducindo a medicina do laboratorio. Xa no sžculo XIX, Wilhelm von Humboldt desenvolve este concepto en dous principios: 1) adscribi-la formaci n dos mždicos a facultades de Medicina en universidades pœblicas, que deb an ser para o Estado unha responsabilidade econ - mica e administrativa de primeira orde, e 2) manter estreitamente asociadas a investigaci n e mailo ensino tanto na selecci n do profesorado coma na pr ctica docente. O resultado desta reforma foi a aparici n dun profesional do ensino e a investigaci n mždicos, dedicado a eles en exclusividade tras varios anos de dedicaci n investigaci n que faculta para a docencia. Por outra parte, o importante gasto pœblico destinado s universidades

232 232 Fernando Domínguez Puente fixo posible unha organizaci n baseada nun instituto para cada disciplina b sica e unha Klinik (hospital universitario de car cter monogr fico) para cada materia cl nica. Institutos e cl nicas ofreceron os medios adecuados para o desenvolvemento da investigaci n e da nova concepci n da docencia (JosŽ Mar a L pez Pi ero, op.cit.). O modelo alem n foi a base sobre a que colleu corpo o norteamericano, que acadou a preeminencia mundial durante este sžculo. Flexner, un entusiasta do modelo alem n, reformou o ensino mždico nos Estados Unidos promovendo a investigaci n mždica como condici n sine qua non para poder desenvolve-la docencia. O primeiro en adopta-lo modelo alem n foi o hospital Johns Hopkins, que en seguida seguiron as universidades de Pensilvania, Chicago, Harvard e Michigan. A innovaci n docente estendeuse rapidamente polos Estados Unidos e en poucos anos xa chegara a vinte universidades. En 1948 fœndanse os Institutos Nacionais da Saœde, o que significa un robustecemento definitivo da investigaci n mždica americana. Como indicativo do Žxito do sistema baste sinala-la gran cantidade de investigadores americanos ou estranxeiros que, traballando en universidades americanas, recibiron o premio Nobel de Medicina. En Espa a non existe un modelo definido de ensino mždico debido escaseza cr nica dos recursos necesarios. A Universidade careceu de dotaci ns suficientes para facerse cargo dos hospitais e, dalgunha forma, sempre necesitou apoiarse noutras instituci ns do Estado para o mantemento econ - mico dos hospitais necesarios para a docencia. A situaci n actual non Ž unha excepci n xa que o hospital universitario, a nda que as chamado, Ž financiado enteiramente a travžs da sanidade pœblica sen que a Universidade contribœa economicamente seu mantemento. Polo tanto, Ž o car cter asistencial e non o docente-investigador o que marca o car cter dos nosos hospitais universitarios. ƒ obvio que mentres esta tendencia non se inverta Ño que certamente non Ž previsible a curto prazoñ a investigaci n cl nica espa ola arrastrar un grave lastre. Neste aspecto, a Universidade espa ola non puido incorpora-los avances que supuxo a escola alemana do sžculo pasado e esa Ž en gran medida unha das raz ns do atraso que nos afecta neste campo.

233 233 A CIRURXÍA NO SÉCULO XX Miguel Ca nzos Fern ndez* Universidade de Santiago de Compostela O sžculo XX pode considerarse, sen ningunha dœbida, como o do gran desenvolvemento da Cirurx a, ata o punto de que durante o derradeiro cuarto do sžculo, a Cirurx a foi reputada por moitos o ÔmotorÕ da Medicina moderna. Sen embargo, nun contexto de obxectividade Ž necesario considera-lo sžculo XX como unha consecuencia l xica da gran revoluci n que a ciencia en xeral e a Medicina en particular viviron longo do XIX. A Cirurx a non foi allea a esta gran mudanza cient fica e da pr ctica mždica que sacudiu aquela centuria. Neste sentido, autores como L pez Pi eiro (1) opinan que hogano estamos sendo v ctimas dun Ôchauvinismo hist ricoõ que privilexia en exceso o m is recente. No terreno da Cirurx a, o cambio do sžculo XIX XX foi dun crecemento explosivo para esta rama da Medicina. ConsidŽrase como data de inicio da Cirurx a moderna o ano 1846, cando ten lugar o descubrimento da anestesia por William Morton. Ata daquela, a cirurx a estaba limitada reparaci n de hernias e fracturas, a realizaci n de amputaci ns e a resoluci n de procesos inflamatorios superficiais. A primera intervenci n con anestesia xeral real - zaa o cirurxi n americano John Warren, mentres Morton aplicaba a anestesia na Ether Dome do Massachusetts General Hospital de Boston. O ano 1867 sup n outra data hist rica para o desenvolvemento da cirurx a, xa que a proposta do cirurxi n brit nico Lister de operar baixo os principios da asepsia e antisepsia supuxo outros unha revoluci n extraordinaria. Ata aquela data as infecci ns postoperatorias supu an unha enorme limitaci n avance da cirurx a. A partir de aqu, as infecci ns constitœen un problema da Cirurx a, pero p dense controlar e diminu r. Isto permitiu acceder a practicamente t dalas partes do organismo humano, e, consecuentemente, que a Cirurx a se desenvolvera case sen ningœn tipo de limitaci ns. Neste sentido, pode ser de interese analiza-los procedementos * Catedrático de Cirurxía. Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

234 234 Miguel Caínzos Fernández cirœrxicos m is habituais e comproba- -la grande importancia que tivo o sžculo XX para o seu desenvolvemento. Observaremos nesta an lise o feito de que moitas veces a Cirurx a vai beneficiarse de xeito extraordinario de diversos descubrimentos acaecidos noutras ramas da Medicina, especialmente durante a primeira metade do sžculo. Ref rome a feitos tan importantes como o achado dos antibi ticos ou o co ecemento dos grupos sangu neos coa conseguinte realizaci n das transfusi ns. APENDICITE AGUDA E APENDICECTOMÍA A primeira intervenci n para realiza-la exžrese do apžndice realizouse durante a segunda metade do sžculo XIX. Robert L. Tait practicou a primeira apendicectom a no Reino Unido no ano ƒ interesante destacar que, xa avanzado o sžculo XX, en 1940, a mortalidade por apendicite aguda chegaba a nda vinte por cento, sobre todo en pacientes de idade avanzada e que presentaban una peritonite difusa. Coa aparici n dos antibi ticos e o inicio da sœa utilizaci n na cirurx a, conseguiuse reducir notoriamente a mortalidade por apendicectom a, sendo no momento actual inferior dous por cento. ÚLCERA PÉPTICA GASTRODUODENAL Os œltimos vinte anos do sžculo XIX supuxeron un grande avance para a Cirurx a da patolox a g strica, tanto benigna coma maligna. As, Eug ne Doyen, no ano 1892 en Par s, foi o cirurxi n que iniciou a cirurx a da œlcera pžptica cr nica realizar unha conexi n do est mago intestino delgado ou gastro-enterostom a. Esta tžcnica xa fora descrita en 1881, sen embargo constitu a unha maneira moi elemental de tratar de resolve-lo problema ulceroso e de feito, a maior a das veces, desenvolv anse novas œlceras despois da intervenci n cirœrxica. A tžcnica cirœrxica que se considerou como a ideal naqueles anos para tratar esta patolox a era a realizaci n dunha gastrectom a parcial, Ž dicir, a resecci n da parte distal do est mago, co obxectivo de elimina-las cžlulas productoras de cido clorh drico (CLH), que Ž o responsable do desenvolvemento das œlceras pžpticas. Theodor Billroth foi o primeiro cirurxi n que a levou a cabo, a principios do ano 1881 na cidade de Viena, para tratar un enfermo que presentaba un cancro g strico. Realizou unha conexi n entre o est mago e o duodeno ou Billroth I. En novembro do mesmo ano, Rydigier, utilizou a mesma tžcnica para o tratamento dunha œlcera pžptica g strica. Catro anos m is tarde, Billroth dese a un novo tipo de gastrectom a, a denominada Billroth II, que consiste na uni n entre o est mago e o intestino delgado proximal ou xexuno, unha vez resecada a parte do est mago enfermo, case sempre por un tumor maligno. A finais do sžculo XIX, no ano 1897, Carl Schlatter realiza en Zœric unha gastrectom a total nun paciente aqueixado

235 A Cirurxía no século XX 235 por un cancro de est mago, unindo o es fago intestino delgado. Dentro xa do sžculo XX, a cirurx a da œlcera pžptica mantense nas mesmas coordenadas que nos œltimos anos do XIX, pero nos cincuenta e sesenta in ciase a chamada Ôcirurx a funcionalõ, que consiste en actuar sobre o nervio vago, responsable da secreci n da acetilcolina e, en œltimo lugar, do CLH. DesenvolvŽronse diversos tipos de vaguectom a: a troncular, a selectiva e a supraselectiva, dependendo da conservaci n ou non das ramas anterior e posterior do nervio vago e das fibras nerviosas que inervan a parte inferior do est mago. En 1894, Henry P. Pean, un cirurxi n que conseguiu un gran prestigio na Cirurx a g strica, publicou os resultados do tratamento da perforaci n dunha œlcera pžptica duodenal, pero xa dous anos antes, Ludwig Heusner realizara en Barmen a primeira intervenci n para resolve-la perforaci n dunha œlcera pžptica que loxicamente desenvolvera unha peritonite. Durante o sžculo XX, o enfoque deste problema mant vose dentro das mesmas coordenadas: acceso cavidade abdominal a travžs dunha laparotom a media, peche da perforaci n g strica ou duodenal e limpeza exhaustiva da cavidade abdominal para evita-las consecuencias da peritonite. Durante os derradeiros vinte anos do sžculo XX, a cirurx a da œlcera pžptica quedou reducida practicamente s casos de complicaci ns como son a perforaci n, a hemorraxia e a obstrucci n. A cirurx a electiva desta patolox a reduciuse de maneira significativa como consecuencia da utilizaci n de medicamentos moi activos na reducci n da producci n do CLH e, m is recentemente, dos antagonistas da histamina (anti H2) como cimetidina ou ranitidina. A nda posteriormente, un novo tipo de medicamentos como o Omeprazol, que afectan selectivamente a bomba de hidroxeni ns na cžlula parietal g strica, diminu ndo as a producci n de CLH, empreg ronse con Žxito no tratamento da enfermidade ulcerosa g strica e duodenal. Por outra parte, na džcada de 1990, a gran novidade na patolox a ulcerosa veu dada polo descubrimento da importancia da bacteria Helocobacter pilory na etiolox a da enfermidade. Isto est permitindo tratar satisfactoriamente con antibi ticos aqueles enfermos co est mago colonizado por este microorganismo. Canto cirurx a da neoplasia ou cancro g strico, durante os œltimos anos do sžculo XX produciuse un incremento das gastrectom as totais e a realizaci n paralela dunha linfadenectom a ou Ôtoilette linf ticaõ agresiva. CÁLCULOS BILIARES E COLECISTECTOMÍA A colecistectom a f xose por primeira vez na cidade de Berl n no ano 1882, por Carl J. A. Langenbuch. Nos Estados Unidos de AmŽrica realizou a primeira o cirurxi n Justus van Ohage

236 236 Miguel Caínzos Fernández Mangueira dun endoscopio. O endoscopio pódese usar para explora-lo interior do corpo e incluso para realizar intervencións cirúrxicas por control remoto. (Tomado de Quest. Edit. Rialp). en 1886 na cidade de Minnesota. Sen embargo, hai que esperar ata o ano 1910, para que o cirurxi n americano William J. Mayo a popularice e a converta na tžcnica de referencia. A nda que tecnicamente a colecistectom a estaba ben definida, ata a džcada de 1930 s se operaban os enfermos que presentaban c lculos biliares con complicaci ns importantes como pod a se-la colecistite aguda. O motivo disto era a chamada Ôhemorraxia ictžricaõ debido deficiencia de protrombina. A demostraci n polo danžs Henrik Dam de que este problema se solucionaba coa administraci n de vitamina K, permitiu que a operaci n dos c lculos biliares se fixese moi segura e que diminu ra de xeito significativo a taxa de mortalidade postoperatoria. Desde ent n Ž unha operaci n das que se practica con maior frecuencia en calquera Servicio de Cirurx a Xeral. Durante a džcada dos noventa, esta intervenci n co eceu un grande avance tžcnico se poder realizar mediante a v a laparosc pica, que permite extrae-la ves cula biliar a travžs duns tubos de pequeno di metro guiados dentro da cavidade abdominal por unha minœscula c mara de v deo. Este logro consolidouse definitivamente, sendo considerado no momento actual como o gold st ndar. A exžrese da ves - cula biliar con c lculos biliares pola v a laparosc pica permitiu un gran descenso da morbi-mortalidade postoperatoria, xa que o traumatismo desta tžcnica cirœrxica Ž moito menor c provocado cando se utilizaba a v a aberta cl sica, tanto no que se refire dor postoperatoria, coma afectaci n do sistema inmunitario do paciente. Actualmente, o risco de complicaci ns postoperatorias na patolox a liti - sica biliar incremžntase nos pacientes de idade moi avanzada que presentan colecistite aguda ou c lculos no colždoco con ictericia, o cal pode dar lugar desenvolvemento dunha colanxite aguda moi severa que pode po er en risco a vida do enfermo.

237 A Cirurxía no século XX 237 BOCIO E TIROIDECTOMÍA No hai dœbida de que os pioneiros da cirurx a tiroidea, a finais do sžculo XIX, foron os cirurxi ns Jacques Reverdin e Theodor Kocher. Este œltimo desenvolveu a sœa carreira como cirurxi n na sœa cidade, Berna, e chegou a consegui-lo premio Nobel no ano Kocher viviu nun medio onde o bocio (agrandamento da gl ndula tiroidea con compresi n traqueal e asfixia) era endžmico, as que desenvolveu un grande interese no tratamento cirœrxico desta entidade nosol xica, ata o punto de que este cirurxi n su zo fixo m is de seiscentas tiroidectom as totais. Unha vez m is, Theodor Kocher, en Viena, tamžn impulsou a cirurx a tiroidea, practicando tanto tiroidectom as totais coma parciais, deixando nestas un pequeno fragmento da tiroide. Estas œltimas son as que se realizan no momento actual para trata-los casos de bocio, xa que se se fai unha tiroidectom a total, extirpando toda a gl ndula tiroidea, prodœcese cretinismo, Ž dicir, pacientes obesos e con atraso mental, sendo necesaria a administraci n de hormona tiroidea (T4) para contrarresta-la falta de formaci n desta pola tiroide. O cirurxi n americano William Halsted foi o primero en decatarse deste problema derivado da propia tžcnica cirœrxica se esta era moi agresiva. Por iso desde ent n, sempre que se intervžn un bocio, džixase unha pequena cantidade de tecido tiroideo para que poida produci-la hormona tiroidea. CANCRO DE MAMA E MASTECTOMÍA En Europa e concretamente no Reino Unido, foi o cirurxi n Charles H. Moore na cidade de Londres quen puxo de relevo a mediados do sžculo XIX as vantaxes da mastectom a radical nas pacientes con cancro de mama. Sen embargo, foi nos Estados Unidos de AmŽrica onde o gran cirurxi n William Halsted introduciu a mastectom a radical con exžrese da mama e os mœsculos pectoral maior e menor, a finais do sžculo XIX. Xa no sžculo XX, o cirurxi n Patey demostrou que a mastectom a radical modificada, sen elimina-los mœsculos pectorais e extirpando exclusivamente a gl ndula mamaria e os ganglios da axila do mesmo lado, era suficiente desde un punto de vista oncol xico para tratar cirurxicamente os tumores da mama. O diagn stico m is precoz destes tumores e, polo tanto, o seu menor tama o, permitiu durante os œltimos anos do sžculo XX realizar unha cirurx a cada vez menos agresiva co obxectivo de conserva-la mama naqueles casos que Ž posible. Desenvolveuse as a tžcnica da cuadrantectom a e da tumorectom a, consistente en extirpar exclusivamente o tumor rodeado dunha zona de tecido san da mama,

238 238 Miguel Caínzos Fernández unido a unha linfadenectom a axilar se se considera necesario. Paralelamente, o significativo progreso da radioterapia e da quimioterapia como terapias adxuvantes asociadas cirurx a permitiu a realizaci n de exžreses mamarias cada vez m is pequenas. A terapia con anti-estr xenos (Tamoxifeno) despois da cirurx a contribu u de maneira notoria a evita-la recidiva dos tumores da gl ndula mamaria. As pois, vemos na an lise destes procedementos cirœrxicos moi comœns, c mo a Cirurx a evolucionou notablemente longo do sžculo XX, pero como unha continuaci n l xica dos primeiros pasos dados polos cirurxi ns da segunda metade do sžculo XX e, paralelamente, reducindo a sœa agresividade naqueles casos nos que a aparici n dunha medicaci n adecuada permite limitar con seguridade a acci n do cirurxi n. ASPECTOS MÁIS IMPORTANTES DA CIRURXÍA DO SÉCULO XX Diversos feitos hist ricos e de car cter cient fico acaecidos longo do sžculo XX influ ron notablemente sobre o desenvolvemento da Cirurx a. As, c mpre ter en conta a chegada da Primeira Guerra Mundial entre os anos 1914 e 1918, o descubrimento dos antibi ticos a principios dos corenta, a Segunda Guerra Mundial ( ) ou o descubrimento dos grupos sangu neos. Desde un punto de vista cirœrxico, os œltimos corenta anos do sžculo XX poden considerarse como espectaculares para o desenvolvemento da Cirurx a. Refer monos inicio dos transplantes de rganos nas džcadas dos cincuenta s setenta, desenvolvemento da profilaxe antibi tica e da nutrici n artificial nos anos setenta, grande avance das suturas mec nicas durante os setenta e oitenta, aparici n da Cirurx a laparosc pica durante a džcada dos noventa e iniciaci n da Cirurx a rob tica a finais dos anos noventa. Pode dicirse sen medo a esaxerar, que a Primeira Guerra Mundial revolucionou as tžcnicas cirœrxicas utilizadas ata ent n e, por outra parte, introduciu o tratamento de lesi ns non tratadas ata ese momento. Quizais un dos avances m is notables foi o que se produciu no tratamento das feridas coa implantaci n dun desbridamento precoz cunha escisi n dos tecidos gravemente contusionados, as como a extirpaci n dos corpos estra os presentes dentro dela. Todo isto permitiu a sutura primitiva das feridas contusas e contaminadas. Esta sutura primaria non s se utilizou nas feridas dos tecidos brandos, sen n tamžn nas articulares, nas fracturas abertas e nas lesi ns abertas pleuropulmonares e craneocerebrais. Durante a guerra, chegouse conclusi n de que o tratamento m is eficaz

239 A Cirurxía no século XX 239 Á esquerda, unha prótese de cadeira feita de aceiro inoxidable e plástico. Arriba, unha prótese de xeonllo feita cos mesmos materiais. no tratamento do shock grave causado por feridas de guerra, era o restablecemento do volume sangu neo mediante a transfusi n de sangue. Outro avance importante foi o co ecemento da importancia da toxemia na fisiopatolox a do shock. Esta achega tivo gran valor no terreo terapžutico, xa que os cirurxi ns aprenderon que era necesario realizar urxentemente a intervenci n cirœrxica nos pacientes en shock para eliminar canto antes o foco de sepse que estaba levando o enfermo shock e, posteriormente, de non se remonta-la situaci n, morte. O tratamento cirœrxico das fracturas da cadeira, as fracturas con perda de substancia do maxilar inferior, as feridas do abdome e sobre todo a cirurx a do pulm n, experimentaron unha verdadeira revoluci n durante os anos da Primeira Guerra Mundial. Os cirurxi ns familiariz ronse co pneumot - rax, coa abordaxe do pulm n por toracotom a ampla, etc. Avanzouse notablemente no tratamento cirœrxico da hernia diafragm tica ou dos aneurismas arteriovenosos. Outras moitas tžcnicas cirœrxicas desenvolvžronse durante este per odo hist rico, ata o punto de que o famoso cirurxi n

240 240 Miguel Caínzos Fernández francžs Forgue chegou a dicir que ÒNestes catro anos fixemos m is progresos ca en corenta de pr ctica cirœrxica en tempo de pazó. O vienžs Karl Landsteiner, catedr tico de Anatom a patol xica, descobre e tipifica no ano 1930 os grupos sangu neos (A, B e 0) no Rockfeller Institute for Medical Research de Nova York. Este descubrimento influ u de xeito importante na Cirurx a, xa que a partir de ent n se puideron establece- -las compatibilidades e incompatibilidades entre os diferentes grupos e, xa que logo, realiza-las transfusi ns sangu neas con seguridade. A Guerra Civil espa ola ( ) deu lugar, entre outros avances, a un notable desenvolvemento na reparaci n cirœrxica das lesi ns nerviosas. Durante a Segunda Guerra Mundial, un dos avances m is importantes foi a mellora das tžcnicas de transfusi n de sangue, coa a introducci n dun aparello para a toma e administraci n do sangue mediante un mžtodo pechado co cal o sangue non entraba en contacto co aire. TamŽn durante os anos da guerra, o traumat logo espa ol JosŽ Trueta desenvolve e pon de moda o seu mžtodo Ño ÔmŽtodo espa olõñ para o tratamento das fracturas. Outro descubrimento esencial para a Cirurx a foi o da penicilina no ano 1945, polo escocžs Alexander Fleming. Con esta substancia derivada do fungo Penicillium notatum levaba traballando desde 1928 en Londres na sœa C tedra de Bacteriolox a. O achado dos antibi ticos permitiu dar un gran paso Cirurx a dispo er dunha excelente ferramenta para trata-las infecci ns que se produc an durante o postoperatorio. ƒ interesante comentar, polo pouco co ecido do dato, que Sir Alexander Fleming foi cirurxi n, xa que no ano 1906 foi admitido no Royal College of Surgeons of England, a nda que practicamente non exerceu a profesi n. A penicilina demostrou ser moi eficaz en guerras posteriores e utilizouse con profusi n en feridas de partes brandas e en feridas de partes brandas con fractura. En 1946, o cirurxi n portugužs Cid dos Santos realiza a primeira tromboarteriectom a, procedemento consistente en eliminar na mesma intervenci n cirœrxica o co gulo e o ateroma do vaso sangu neo. As dœas primeiras intervenci ns realizounas nas arterias femoral e na axilar respectivamente. O 1950 Ž un ano importante para o desenvolvemento e a expansi n da Cirurx a. As, o doutor Richard H. Lawker realizou un transplante do ril esquerdo a unha enferma de 49 anos que presentaba unha enfermidade poliqu stica; Ruth Tuker foi o primeiro ser humano sometido a un transplante de ril. Dous meses despois da operaci n, o funcionamento do ril transplantado era completamente normal. Abriuse as unha era nova de enormes expectativas na Medicina e a Cirurx a, que se fixo xa definitiva a partir do transplante que se realizou en Boston entre dous irm ns xemelgos en 1954.

241 A Cirurxía no século XX 241 TamŽn en 1950, o doutor Dood publica a operaci n de dous casos de cancro de p ncreas nos cales realizou con Žxito a extirpaci n da gl ndula, e os irm ns Judet colocan unha pr tese de cadeira para substitu -la cabeza do fžmur. Con esta nova intervenci n, c mbiase radicalmente o tratamento habitual das enfermidades de dexeneraci n cr nica da articulaci n da cadeira, que vi a sendo a realizaci n dunha artrodese ou inmobilizaci n da articulaci n. O ano 1952 Ž decisivo para o desenvolvemento da Cirurx a, xa que Ž cando o americano Forest D. Dodrill describe un coraz n artificial consistente nun aparello coraz n-pulm n que permite deriva-lo sangue evitando o seu paso polo coraz n, co cal este rgano pode quedar completamente illado da circulaci n sangu nea e se facilita as a cirurx a card aca. O seu inventor util zao con Žxito por primeira vez nunha operaci n da v lvula esquerda do coraz n. A m quina fai a vez do coraz n esquerdo e mediante un dispositivo mec nico simula a sœa funci n contr ctil. Este aparello e os que o seguiron permitiron realizar intervenci ns card acas que eran impensables ata o momento, impulsando dun modo moi importante a cirurx a card aca mediante intervenci ns cirœrxicas sobre o coraz n parado e sen sangue. Este descubrimento permitiu desenvolve-la cirurx a a Ôcoraz n abertoõ con circulaci n extra-corp rea, de forma segura e sistem tica a partir do a o 1953; o pionero no uso desta nova tecnolox a foi o doutor Gibbon. O 3 de decembro de 1967 en Cidade do Cabo (Sud frica), in ciase a historia dos transplantes de coraz n lle realiza-lo primeiro o doutor Christian Barnard paciente Louis Balskanski. Este primeiro enfermo faleceu s quince d as debido a unha pneumon a. Pero, afortunadamente, o doctor Shumway levou a cabo un segundo transplante nos Estados Unidos (Palo Alto, California). Este cirurxi n americano continœa traballando nesta direcci n pero a un ritmo moi lento debido s frecuentes rexeitamentos do rgano transplantado e s infecci ns postoperatorias. Hai que esperar descubrimento da Ciclosporina A a finais dos anos setenta Ñcomo comentaremos posteriormenteñ para que o transplante de coraz n e outros como o de f gado se convertan nunha tžcnica de rutina. A finais dos anos cincuenta e principios dos sesenta, os cirurxi ns americanos Moore no Hospital Peter Bent Brigham de Boston e Starzl na North Western University de Chicago, comezaron a realizaci n experimental de transplantes ortot picos de f gado no can. A partir destes primeiros ensaios chegouse a domina-la tžcnica e, consecuentemente, a poder realizala con t dalas garant as cirœrxicas no ser humano. Os dous grupos que impulsaron con gran forza o avance da Cirurx a nesta rea foron os doutores Thomas E. Starzl primeiro en Denver e posteriormente en Pittsburgh (EUA) e

242 242 Miguel Caínzos Fernández Sir Roy Calne desde o King«s College da Universidade de Cambridge (RU), en Europa. Hoxe, o transplante de f gado converteuse nunha tžcnica est ndar, ata o punto de que, no momento actual, m is de vinte hospitais espa ois a practican. Outros dos avances importantes para a Cirurx a que se produciron durante os anos setenta, non tiveron relaci n coa tžcnica cirœrxica, sen n coa mellora do estado nutricional do paciente cirœrxico e coa prevenci n das infecci ns postoperatorias. No ano 1966 o doutor Dudrick, que traballaba no famoso laboratorio do profesor americano Jonathan Rhoads, autor de importantes contribuci ns cient ficas sobre o catabolismo postoperatorio dos pacientes cirœrxicos, chamou a atenci n sobre a necesidade dun balance positivo de nitr xeno nos pacientes sometidos a este tipo de intervenci ns. Por outra parte, no seu traballo experimental, Dudrick puxo de relevo que o enfermo sometido a cirurx a pod a ser nutrido de maneira artificial a travžs de catžteres colocados en veas centrais. Isto Ž o que se denominou Ônutrici n parenteral totalõ. En 1969, o mesmo autor publicou o resultado da nutrici n artificial no primeiro paciente humano, un neno. Desde ent n, a nutrici n artificial Ž unha parte do armamento terapžutico do cirurxi n, e miles e miles de enfermos se beneficiaron da posibilidade de recibir unha nutrici n adecuada tanto antes de seren sometidos cirurx a coma despois dela. ƒ dif cil imaxinar no momento actual a pr ctica coti de certos tipos de cirurx a maior sen a axuda inestimable da nutrici n artificial. Durante a džcada dos noventa, a nutrici n artificial seguiu desenvolvžndose e pœxose de relevo a supremac a da Ônutrici n enteralõ que consiste en colocar un catžter na parte alta do tubo dixestivo e a travžs del facer chegar directamente a nutrici n intestino. Este mžtodo demostrou ser m is fisiol xico coloca-los nutrientes en contacto directo coa mucosa intestinal e, ademais, ev tanse algunhas das complicaci ns relacionadas cos catžteres situados nas veas centrais. A nutrici n artificial contribu u por si soa e de maneira notoria a diminu -las complicaci ns postoperatorias e, dentro delas, as infecci ns. As e todo, a descrici n realizada por Kunin e Efrom desde os Estados Unidos de AmŽrica do novo concepto da profilaxe antibi tica supuxo un grande pulo na loita cl sica do cirurxi n contra a infecci n. Os cirurxi ns utilizaran previamente a profilaxe antibi tica pero non conseguiran reduci-las infecci ns postoperatorias. O motivo era ben sinxelo: os antibi ticos administr banse despois da operaci n e cando chegaban s tecidos do paciente, os microorganismos xa se multiplicaran e era moi dif - cil evita-lo avance da infecci n. O grande acerto de Kunin e Efrom foi administra-lo antibi tico uns minutos antes da intervenci n cirœrxica, de tal maneira que cando o

243 A Cirurxía no século XX 243 cirurxi n realizaba a incisi n operatoria, os tecidos do paciente ti an xa niveis de antibi tico suficientes como para destru -los xermes que contaminasen a ferida operatoria durante o acto cirœrxico. A partir dese momento sent ronse adecuadamente as indicaci ns da profilaxe antibi tica de acordo cos microorganismos propios de cada rea anat mica, utilizando antibi ticos eficaces para destru -la flora microbiana. ƒ obvio que, a pesar desta estratexia, seguen produc ndose infecci ns despois da cirurx a pero a realidade Ž que diminu ron de xeito significativo cando compar mo-las taxas actuais coas que ti amos antes de instaura-la moderna profilaxe antibi tica. En calquera caso, o desenvolvemento das infecci ns postoperatorias Ž un problema cl sico da Cirurx a, produciuse desde as primeiras operaci ns que se realizaron, mant vose longo dos sžculos XIX e XX e segue sendo o principal problema da Cirurx a moderna nos albores do sžculo XXI. No ano 1978 a Cirurx a dos transplantes recibe outro grande impulso descubrir de maneira fortu ta o doutor Borell, en Suecia, a Ciclosporina A. Esta substancia demostrouse moi activa fronte rexeitamento dos rganos implantados por parte do sistema de defensa inmunitario do organismo humano. Pode afirmarse que no terreo do transplante de rganos hai un antes e un despois en relaci n co descubrimento da Ciclosporina. O doutor Roy Calne, da Universidade de Cambridge no Reino Unido, foi o primeiro en utilizala nun transplante de ril, e puido comproba-la sœa alta eficacia na reducci n do rexeitamento. Por outra parte, isto permit a que as infecci ns postoperatorias se puideran controlar moito mellor. En 1980, o doutor Shumway empregou esta droga nun transplante card aco, e desde ent n vžn utiliz ndose decote en calquera tipo de transplante. Durante os œltimos anos noventa apareceron outras substancias anti-rexeitamento moi eficaces, como a K-506. Desde que en 1922 se descubriu a producci n da hormona insulina polo p ncreas, a Medicina tratou de loitar contra unha das enfermidades m is comœns como Ž a diabete que, a nda hoxe, produce unha elevada morbilidade e mortalidade. Unha das modalidades terapžuticas utilizadas durante a œltima parte do sžculo XX foi o transplante do p ncreas co obxectivo de corrixi-los defectos metab licos da diabete dota-lo paciente cun novo rgano que lle proporciona un tecido pancre tico endocrino normal, o cal permite que, unha vez realizado o transplante, o enfermo poida suprimi- -lo tratamento es xeno con insulina, xa que as cžlulas-b pancre ticas transplantadas actœan como unha fonte end xena de insulina. A finais dos anos oitenta, realiz ranse m is de mil cincocentos transplantes de p ncreas no mundo en arredor de oitenta hospitais. Neste terreo, os œltimos avances tratan de valida-la eficacia do transplante de illotes pancre ticos illados. Se esta nova modalidade de transplante pan-

244 244 Miguel Caínzos Fernández cre tico se demostra viable, poder ase evita-lo transplante de todo o rgano. No ano 1987, o cirurxi n francžs Monet realizou con Žxito a primeira colecistectom a ou exžrese da ves cula biliar pola v a laparosc pica. Para a gran maior a dos cirurxi ns esta intervenci n pasou completamente desapercibida, e houbo que esperar uns anos m is para sermos conscientes de que unha tžcnica se abr a cami o na cirurx a do aparello dixestivo. Realmente, non se trataba s dunha nova tžcnica cirœrxica, sen n dunha verdadeira revoluci n dentro da tžcnica cirœrxica: a Cirurx a laparosc pica. Foi unha innovaci n tecnol xica que nos obrigou a un novo esforzo de aprendizaxe, a partir de cero outra volta, a rompe-los esquemas e os h bitos establecidos clasicamente durante m is de cen anos e a iniciarnos no manexo do campo operatorio a travžs de peque os orificios e tubos que gu an os nosos instrumentos e, o m is importante e innovador, a pequena c mara de v deo que nos vai permitir ve-lo interior do paciente e a rea enferma a travžs dun monitor de televisi n. Cando o mundo da Cirurx a foi consciente de que xurd a unha nova era, produciuse inicialmente un rexeitamento importante por unha gran parte dos profesionais con m is anos de experiencia tžcnica, que se negaban a aceptar que fose posible acceder cavidade abdominal e a realiza-la exžrese de rganos como a ves cula biliar sen abri-lo paciente a travžs dunha laparotom a e poder tocar e palpa-las estructuras anat micas sobre as que se realizaba a intervenci n cirœrxica. Realmente foi unha Žpoca na que resultaba moi interesante asistir s congresos de Cirurx a e poder escoita-los vehementes detractores desta nova tžcnica. Curiosamente, moitos deles, que agresivamente po an de relevo t dolos inconvenientes posibles da nova tžcnica e tecnolox a, eran considerados os mellores cirurxi ns do momento nos respectivos pa ses. Ende ben, o convencemento e o tes n dos cirurxi ns m is novos e os de mediana idade permitiu seguir practicando a cirurx a laparosc pica e demostrar as que estabamos diante do futuro da Cirurx a. O Žxito foi tal que foron suficientes menos de cinco anos para que, a mediados dos noventa, en t dolos congresos e revistas m is prestixiosas da Cirurx a, se aceptase que a v a laparosc pica deb a considerarse como o gold standar en procedementos tales como a colecistectom a para o tratamento da colelitiase ou c lculos biliares. Pero no quedou aqu o Žxito da nova tžcnica. î longo dos dez œltimos anos do sžculo XX, pœxose de relevo que era ideal para o tratamento das hernias de hiato, nas cales unha porci n do est mago ascende e se introduce na cavidade tor cica, ou na exžrese do bazo cando presenta patolox a non traum tica nin tumoral. En moitos hospitais demostrouse que a tžcnica era tamžn adecuada para a exžrese do apžndice cecal en casos de apendicite aguda ou para a herniograf a da hernia inguinal especialmente en

245 A Cirurxía no século XX 245 Gracias á imaxe en tres dimensións proporciononada polo escáner (abaixo) poden os cirurxiáns situar con toda exactitude o punto da intervención. Gracias ó microordenador, os cirurxiáns poden usa-la imaxe de forma interactiva para guia-lo robot cando están facendo a intervención (arriba). casos de hernias recidivadas ou bilaterais. A patolox a benigna do colon foi outro dos campos nos que a Cirurx a laparosc pica demostrou o seu interese. Un dos aspectos onde se xeraron maiores dœbidas foi no tratamento dos tumores a travžs da v a laparosc pica, xa que suscitaba a sospeita de se a realizaci n imprescindible do pneumoperitoneo Ñintroducci n de CO 2 na cavidade abdominal ata alcanzar unha presi n duns 14 mm de HgÑ para poder realiza-la intervenci n cirœrxica, facilitar a a diseminaci n distante de cžlulas tumorais procedentes do tumor que se pretend a extirpar. Por outra banda, algunhas pequenas estat sticas dos primeiros anos de utilizaci n desta tžcnica cirœrxica, chamaron a atenci n sobre o feito importante de que se produc an tumores nos lugares da parede abdominal onde se colocaban os trocares a travžs dos cales se introducen os instrumentos necesarios para realiza-la operaci n. Sen embargo, esta preocupaci n foi sendo menor longo dos anos e a medida que a experiencia era maior. As, no 85 Congreso do American College of Surgeons (cirurxi ns) celebrado en outubro do ano 1999 na cidade americana de San Francisco, nunha sesi n dedicada cirurx a laparosc pica na cirurx a do colon e do recto, a doutora Heidi Nelson da Cl nica Mayo en Rochester, presentou m is de trescentos casos de cancro de colon operados con Žxito con cirurx a laparosc pica e cun seguimento de varios anos, que permit an conclu r que era posible utiliza-la nova v a nesta patolox a tumoral. O doutor James W. Fleshman, de St. Louis, demostrou que tamžn era v lida na patolox a tumoral do recto. ÀPor que a Cirurx a laparosc pica se desenvolveu con tal velocidade e Žxito a pesar dos seus importantes detractores e as dificultades tecnol xicas iniciais? A sœa evoluci n foi fulminante porque era evidente que o

246 246 Miguel Caínzos Fernández traumatismo cirœrxico que se inflix a paciente era moito menor c causado pola v a laparot mica cl sica para realiza-lo mesmo procedemento. A dor que experimentaba o enfermo despois da intervenci n reduc ase e a sœa recuperaci n era m is r pida, de tal maneira que un paciente que se lle realizaba unha colecistectom a pola v a laparosc pica s vintecatro horas da operaci n era dado de alta, cando a estancia hospitalaria habitual en cirurx a aberta era duns sete d as. Outro dos aspectos moi favorables a este tipo de cirurx a foi a notoria reducci n das infecci ns postoperatorias debido a que, en vez de realizar unhas laparotom as m is ou menos grandes, se utilizaban mini-incisi ns dun ou dous cent metros para poder coloca-los trocares e, por outra parte, pœidose demostrar a travžs do estudio de diversos par metros que a cirurx a pola v a laparosc pica practicamente non altera o sistema inmune e de defensa do paciente, co cal, se durante a intervenci n cirœrxica se produce algunha pequena contaminaci n bacteriana, o sistema inmunol xico do enfermo res lvea eficazmente destru ndo microorganismos responsables. Por todo isto, hoxe, no ano 2000, o cirurxi n que non practica a Cirurx a laparosc pica naqueles casos en que demostrou o seu valor, sabe que perdeu o tren do futuro. Pero a Cirurx a laparosc pica non quedou s no terreo da cavidade abdominal sen n que, debido seu alto interese, axi a se estendeu a outros territorios como Ž o da cavidade tor cica, de tal maneira que a cirurx a toracosc pica experimentou un enorme desenvolvemento constitu ndo o patr n de ouro para intervenci ns tales como a exžrese das bullas enfisematosas, o diagn stico da extensi n dos tumores da rea mediast nica, etc. A pesar de todo o dito, a Cirurx a do sžculo XX non se contentou con avances tan espectaculares como os comentados, sen n que, levada do gran progreso tecnol xico, nos derradeiros cinco anos do sžculo empezouse a desenvolve-la denominada Ôcirurx a rob ticaõ na cal un ordenador Ž o que realiza os pasos m is importantes e delicados da operaci n. Na especialidade de Neurocirurx a xa hab a uns anos que se estaba a utiliza-lo ordenador para guia-los pasos m is comprometidos do neurocirurxi n na denominada Ôcirurx a estereot cticaõ. As demais especialidades cirœrxicas mantivžronse na marxe desta nova tecnolox a ata finais do sžculo, e as, no congreso do American College of Surgeons citado antes, puidemos asistir presentaci n de instrumentos altamente sofisticados como o EndoWrist que, ante o asombro dos cirurxi ns, pode realizar coa m xima precisi n os movementos do pulso, cun erro de desprazamento m ximo de Òun mil metroó... E todo isto dirixido a travžs dun ordenador. Isto lžvanos ata as portas do sžculo XXI cun novo concepto para os cirurxi ns, o da Cibercirurx a que est xa dando lugar a unha nova era para a

247 A Cirurxía no século XX 247 Cirurx a. Tr tase dun termo moi dif cil de definir, pero p dese entender por tal un novo concepto da Cirurx a e un novo conxunto de termos cos cales o cirurxi n pode comprender e reimaxina-la arte da Cirurx a na Era da Informaci n. Esta nova era a nivel global para a Humanidade seguiu a Era Industrial e leva desenvolvžndose os œltimos trinta anos, concretamente, desde finais dos sesenta ata ben entrados os noventa, como puxo de relevo Francis Fukuyama. O concepto de Cibercirurx a inclœe unha complementariedade entre os cl nicos e as m quinas Ñesencialmente os ordenadoresñ e a integraci n das diversas tecnolox as dixitais dentro do espacio do diagn stico e o tratamento cirœrxicos. O concepto inclœe tamžn o uso habitual de tecnolox as avanzadas como son a tecnolox a da interface humana e aparellos como o da realidade virtual, a imaxe tridimensional, etc. Estas tecnolox as novas e moi avanzadas permiten o desenvolvemento de novos conceptos como o de tele-medicina e tele-cirurx a. Segundo Richard Satava, do Departamento de Cirurx a da Yale University School of Medicine, a visi n dun quir fano do futuro est baseada no concepto fundamental do desenvolvemento destas novas tecnolox as dentro dun ambiente no cal tanto a cirurx a coma a radiolox a intervencionista poden ser realizadas mediante a Ôimaxe guiadaõ. A Cirurx a axudada por ordenador ser unha realidade nos anos vindeiros. Estas tecnolox as ben desenvolvidas xa e utilizadas habitualmente na industria, est n estendžndose rea do tratamento cirœrxico a travžs da colaboraci n entre enxe eiros, especialistas en rob tica, expertos en ordenadores e cirurxi ns. Estes œltimos ter n que comparti-las sœas necesidades e inquietudes cos especialistas, xa que as aplicaci ns das tžcnicas de cirurx a guiada pola imaxe e a rob tica inclœen un amplo espectro de especialidades cirœrxicas que van desde a Neurocirurx a Ortopedia pasando pola Cirurx a xeral. O uso da cirurx a asistida por ordenador e dos robots proporcionaralle cirurxi n maior precisi n, maior destreza, m is resistencia e m is informaci n. Por iso, sen ningunha dœbida, o cirurxi n non poder estar alleo a esta revoluci n e ter que realizar un grande esforzo para po erse altura das novas tecnolox as e poder beneficiarse delas. O gran cambio representado pola cirurx a laparosc pica durante os dez œltimos anos Ž practicamente anecd tico se se compara cos que se producir n nas pr ximas džcadas. O cirurxi n est ante o momento m is revolucionario da Cirurx a. Conceptos cl sicos como o da habilidade manual ser n substitu dos pola absoluta precisi n do ordenador. A man do cirurxi n ter que se aliar coa moderna tecnolox a para non perde-lo seu papel protagonista. Nunca tanto valor ter a expresi n do talen-

248 248 Miguel Caínzos Fernández to do cirurxi n coma nos pr ximos anos, xa que pode asegurarse que o mellor cirurxi n do futuro ser o m is intelixente, non o m is h bil. BIBLIOGRAFÍA Ca nzos, M., ÒDiscursos de Investidura de D. Konrad Messmer como Doutor Honoris CausaÓ, Imprenta Universitaria, Universidade de Santiago de Compostela, Calne, R., Liver Transplantation, Orlando, Grune & Stratton, Inc. Harcourt Brace Jovanovich Publishers, 2» edicion, Caralps A., e outros, Trasplante de Organos y Tejidos, Barcelona, Ediciones Doyma, Diccionario de los Premio Nobel de Medicina, Noticias MŽdicas, e 3.746, , Dudrick, S. J., e outros, ÒCan intravenous feeding as a sole means of nutrition support growth in the child and restore weight loss in an adult? An affirmative answeró, Ann Surg, 169: 974, Ellis, H., Operations that made History, Londres, Greenwich Medical Media, Fukuyama, F., La Gran Ruptura, Barcelona, SQN Ediciones B, Groth, C. G., Pancreatic Transplantation, Philadelphia, W. B. Saunders Company, 1988.Thorwald, J., El Triunfo de la Cirug a, Barcelona, Ediciones Destino, Glasscheib, H. S., El Laberinto de la Medicina, Barcelona, Ediciones Destino, Haeger K., Historia de la Cirug a, Madrid, Editorial Ra ces, S.A., Kunin, C. M., e H. Y. Efrom, ÒProphylaxis in surgeryó, J Am Med Ass, 137, 1977, La n Entralgo, P., Historia Universal de la Medicina, Barcelona, Salvat Editores, ÒLa medicina del siglo XX, 1922Ó, Diario MŽdico, 2000, ÒLa medicina del siglo XX, 1945Ó, Diario MŽdico, 2000, ÒLa medicina del siglo XX, 1950Ó, Diario MŽdico, 2000, ÒLa medicina del siglo XX, 1952Ó, Diario MŽdico, 2000, L pez Pi eiro, J. M., ÒLa medicina en el siglo XXÓ, La Aventura de la Historia, Ano 2, nœm. 14, 1999, 29. Perisat, J., ÒLaparoscopic cholecystectomyó, Am J Surg, 165, 1993, Rodr guez, J. M., ÒUna ÔmiradaÕ apasionada al mundo de los trasplantes card acosó, Noticias MŽdicas, 3746, 2000,

249 A Cirurxía no século XX 249 Satava, R. M., Cybersurgery, Nova York, Wiley-Liss, Starzl, T. E., El Hombre Puzzle. Memorias de un Cirujano de Trasplantes, Barcelona, J. R. Prous Editores S. A., Sutcliffe, J., e N. Duin, Historia de la Medicina. Desde la Prehistoria hasta el A o 2020, Barcelona, Naturart, S. A., Thorwald, J., El Triunfo de la Cirug a, Barcelona, Ediciones Destino, El Siglo de los Cirujanos, Barcelona, Ediciones Destino, 1958.

250

251 251 OS COMPUTADORES DO SÉCULO PASADO SenŽn Barro Ameneiro* Universidade de Santiago de Compostela îs meus fillos, Mateo e Dar o. Espero que sexan felices nese mundo inzado de computadores no que lles tocou vivir 1. INTRODUCCIÓN Falar da historia da computaci n e facelo restrinx ndonos sžculo que acaba de rematar, Ž practicamente o mesmo que facelo comezando en calquera instante anterior. ƒ certo que a idea de computaci n como tal xorde moito antes do sžculo XX, mesmo Ž posible que sexa case tan antiga coma a Humanidade, pero a computaci n, como hoxe se nos amosa a travžs dos computadores electr nicos dixitais, Ž pouco anterior minisaia ou s enxe- os espaciais. Nun interese constante por realizar artefactos que superen as nosas limitaci ns, logramos avantaxar case t dalas nosas capacidades f sicas, como correr, nadar ou levantar pesos, e moitas das nosas incapacidades naturais, como voar ou vivir no espacio. Somos quen de ve-lo infinitamente pequeno ou arredado e de o -lo que resulta inaudible mesmo para os animais cos o dos m is sensibles, pero a nda nos quedan por vencer artificialmente moitas das capacidades que denominamos intelectuais. As como o microscopio e o telescopio amplifican en sentidos opostos as nosas posibilidades para ve-los obxectos do universo no que vivimos, o computador Ž actualmente a ferramenta que pretende amplificar aquelas capacidades que asociamos noso rgano m is preciado e desco ecido: o cerebro. Deste modo, se a revoluci n industrial que vivimos nos dous œltimos sžculos se desenvolveu mediante m quinas que estenderon e magnificaron as nosas capacidades f sicas, a revoluci n da informaci n na que agora estamos inmersos basžase en m quinas que ampl an e apoian algunhas das nosas * Catedrático de Ciencias da Computación e Intelixencia Artificial. Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

252 252 Senén Barro Ameneiro capacidades mentais. O avance foi espectacular en moitos sentidos. A capacidade de almacenamento, recuperaci n e transmisi n de informaci n Ž enorme e non deixa de medrar a un ritmo exponencial; a potencia de c lculo dalgœns supercomputadores 1 actuais c frase en varios bill ns de operaci ns con nœmeros reais por segundo. O campi n no xogo do xadrez alimžntase agora a cinco voltios 2 e as probas de explosi ns nucleares, por fortuna, est n deixando de facerse con plutonio e pasan a realizarse con silicio. Sen embargo, a nda son moitas as capacidades do intelecto humano que o computador nin sequera conseguiu remedar. A nosa capacidade para expresarnos en linguaxe natural ou o sentido comœn, do que todos gozamos, a nda que, todo hai que dicilo, en moi distinto grao, son s algœns exemplos que dificilmente encontrar n soluci n utilizando unicamente a Ôforza da computaci nõ en bruto. O contido que segue tratar de recoller algœns dos fitos m is relevantes da historia da computaci n, m is co nimo de divulgar e promove-la reflexi n ca co de sermos exhaustivos Ñpensemos en que a simple enumeraci n de t dolos feitos que tiveron unha influencia destacada na historia da computaci n demandar a m is p xinas c s que se dedican a todo este artigoñ. 3 Se ben enfoc mo-lo noso obxectivo sobre o a nda morno cad ver do sžculo XX e o desenvolvemento nel da computaci n dixital, non queremos deixar f ra do visor algo da ÔprehistoriaÕ do homo calculans e da posmodernidade computacional que xa estamos comezando a vivir. 1 Os supercomputadores son os computadores máis potentes que existen en cada momento. O primeiro computador que se considerou dentro desta categoría foi realizado nos anos sesenta para o Departamento de Defensa estadounidense. O feito de que calquera computador persoal teña na actualidade unha capacidade de cálculo moi superior ó dito supercomputador, dános boa conta do dinamismo que se produce neste eido. O resto dos computadores adoitan agruparse en xeral en mainframes, minicomputadores computadores de moi altas e altas prestacións, respectivamente, pensados para atender un gran número de usuarios, estacións de traballo e microcomputadores (os coñecidos como pecés ) orientados á súa utilización individual ou, en todo caso, por parte dun número reducido de usuarios de forma simultánea. Na actualidade están proliferando uns computadores de reducido tamaño e escasa potencia de cálculo, que poderiamos denominar picocomputadores, entre os que son especialmente populares os asistentes dixitais persoais ou PDA (Personal Digital Assistants). Aínda que inicialmente están pensados para a súa utilización como axendas, calendarios, directorios de teléfonos, etc., xa comezaron a aparecer usos máis sofisticados deles, como a navegación por Internet ou o apoio á telemonitorización de pacientes (S. Barro, J. R. Presedo, D. Castro, M. Fernández-Delgado, S. Fraga, M. Lama e J. Vila, Intelligent Telemonitoring of critical-care patients. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. Número especial sobre Telemedicine. Vol. 18, núm. 4,1999, 80-88). 2 S. Barro, El campeón de ajedrez y la máquina que sabía sumar: la ficción científica (parte 1ª); la realidad (parte 2ª); la reflexión (parte 3ª), El Correo Gallego, Suplemento de Ciencia y Tecnología, núms. 85, 86 e 87, abril e maio de O proxecto Computing s Millenium Timeline está tratando de establece-los feitos máis importantes no ámbito das tecnoloxías da información ó longo dos últimos mil anos. Sexa cal sexa o resultado último, non cabe dúbida de que tales feitos se aglutinarán ó final da liña do tempo, tal como parecen apiñarse as árbores que vemos ó final dunha longa avenida.

253 Os computadores do século pasado A PREHISTORIA DA COMPUTACIÓN O primeiro dispositivo de computaci n co ecido Ž o baco, orixinario de Babilonia (hoxe Iraq), hai uns cinco mil anos. As sucesivas filas de doas ou b las dun baco representan as unidades, decenas, centenas..., e en cada ringleira f xase un nœmero concreto utilizando unha cantidade equivalente de pezas. A pesar da sœa enorme sinxeleza, ou se cadra por iso mesmo, o baco permite que unha persoa adestrada realice as operaci ns aritmžticas elementais cunha inusitada rapidez 4. As moi posteriores regras de c lculo ou as calculadoras mec nicas comparten, sen n na forma si no fondo, a idea principal que guiou o invento do baco: apoiar mecanicamente as persoas na realizaci n de c lculos m is ou menos complexos e repetitivos. FixŽmonos en que os sistemas de numeraci n que se foron utilizando longo da historia da Humanidade non sempre se axeitaron s dispositivos de computaci n utilizados en cada momento. As ocorreu, por exemplo, cos nœmeros romanos fronte baco ou cos nœmeros de orixe rabe que n s utilizamos fronte codificaci n que se segue nos computadores dixitais. Neste sentido, temos que pensar que non existe un problema importante se se realiza a correcta traducci n no nivel de entrada de datos e de lectura de resultados entre o sistema de numeraci n empregado Ôa manõ e aquel utilizado internamente polo sistema de computaci n elixido. A nda que posiblemente a m is famosa m quina de calcular mec nica se debe a Blaise Pascal ( ), hoxe en d a considžrase que a primeira calculadora foi obra do profesor alem n Wilhelm Schickard ( ), constru da en 1623, xusto o ano do nacemento de Pascal. Non obstante, a repercusi n da obra de Pascal foi moito maior. A sœa famosa Pascalina, realizada en 1642, cando Pascal s contaba dezanove anos de idade, Ž unha calculadora mec nica que opera mediante rodas dentadas e pesas. Para sumar e restar, a Pascalina xiraba as rodas, rexistrando as os valores, e utilizaba as pesas para realiza-la propagaci n do carrexo dunha roda a outra. Máquina de calcular de Blaise Pascal, Conservatorio Nacional das Artes e Oficios, París. 4 Nunha proba realizada en 1947, un xaponés cun ábaco enfrontouse a un estadounidense que usaba a máis moderna calculadora electromecánica da época. O xaponés gañou en tódalas ocasións agás na realización de multiplicacións. É moi triste que os escenarios de enfrontamento entre os países representados por ámbolos contendentes foran en ocasións ben distintos.

254 254 Senén Barro Ameneiro Os tres sžculos seguintes aparici n da primeira calculadora mec nica viviron a chegada continua de ideas e m quinas, se ben cada nova realizaci n foise apoiando dun modo ou outro nas anteriores. En calquera caso, probablemente as contribuci ns m is transcendentes se deban a Charles Babbage ( ). Refer - monos sœa M quina de Diferencias e sœa M quina Anal tica. A nda que ningunha delas chegou a funcionar plenamente, as sœas achegas considžranse a base da moderna computaci n. Si podemos dicir que ningunha m quina, por extraordinaria e complexa que sexa, Ž m is interesante c seu creador, isto Ž especialmente certo na persoa de Babbage 5. ArgumŽntase con frecuencia que foron as limitaci ns tecnol xicas da Žpoca que lle tocou vivir as que lle impediron conclu -la sœa obra. A falsidade deste argumento pœxose de manifesto coincidindo co bicentenario do seu nacemento, en 1991, cando o Museo da Ciencia de Londres constru u integramente unha m quina de diferencias nœmero 2, baseada nos planos de Babbage, utilizando exclusivamente tžcnicas e materiais dispo ibles a mediados do sžculo XIX. A m quina funcionou perfectamente tras solucionar un pequeno nœmero de erros obvios encontrados nos planos deixados por Babbage. O proxecto continœa na actualidade, co obxectivo de realiza-la parte dedicada impresi n dos resultados sobre tarxetas perforadas. O que case con total seguridade impediu a Babbage finaliza-los seus proxectos foi ese af n seu por constru - -la mellor das m quinas que a sœa cabeza pod a concibir. Como referendo s mi as palabras, gustar ame lembrar aqu a experiencia que m is tarde contar a o matem tico John Fletcher Mouton, da Universidade de Cambridge, sobre unha visita que lle fixo a Babbage poucos anos antes da sœa morte. A medida que Babbage lle a ensinando os diferentes talleres nos que longo dos anos se fixeran os traballos de construcci n das m quinas de calcular dese adas por el, o estado de execuci n destas era cada vez m is pobre. Segundo Babbage, a execuci n de cada unha delas fora abandonada cando unha nova proposta era mellor e m is simple c anterior, de tal modo que o esforzo para levala a cabo integramente se antollaba menor que completa-lo dese o previo. A œltima das habitaci ns, segundo Fletcher, non ti a nin trazas dunha m quina de calcular. A resposta de Babbage foi a mesma: ÒA nda non est constru da, pero estou traballando nela, e levar menos tempo constru la enteira que o que supor a completa-la M quina Anal tica desde o estado no que a deixeió. En fin, tamžn algœns pol ticos levan unha traxectoria semellante de eternas promesas de mellora-lo que antes non conclu ron, ou s veces nin sequera empezaron. 5 Charles Babbage and his Calculating Engines, publicación do Science Museum de Londres, 1998.

255 Os computadores do século pasado 255 A primeira calculadora comercializada con certo Žxito co eceuse co curioso nome de Ôaritm metroõ. Foi desenvolvida polo francžs Charles Xavier Thomas ( ) Ñco ecido como Charles de ColmarÑ e foi merecedora da medalla de ouro da Exposici n Internacional de Londres, en A m quina en cuesti n daba realizado as operaci ns aritmžticas b sicas e calcular ra ces cadradas con precisi n. O aritm metro foi, polo tanto, o primeiro exemplo da avidez coa que estes aparellos eran desexados. Debemos ter en conta que xa naquela Žpoca comezaban a cobrar car cter de necesidade; sirva como exemplo o feito de que a realizaci n das t boas do censo de poboaci n estadounidense realizado en 1880, repetido cada dez anos por mandato da sœa Constituci n, necesitou dun per odo de m is de sete anos para se completar. O seguinte censo, de 1890, f xose en Ôs Õ dous anos e medio, gracias a un plan de codificaci n en tarxetas perforadas das respostas s preguntas do censo e m quina realizada por Herman Hollerith ( ), que permit a a sœa lectura e clasificaci n. O Žxito da m quina de Hollerith tivo a sœa continuaci n na Tabulating Machine Company, fundada por el en Seguro que o nome desta compa a no lles di nada, a nda que quizais si lles soe o daquela que naceu trala sœa fusi n con outras empresas: International Business Machines Corporation, m is co ecida polo acr nimo IBM. O papel dos espa ois nestes inicios da computaci n non foi especialmente brillante, sacando, claro est, o desempe ado por Leonardo Torres Quevedo ( ), que fixo contribuci ns de primera fila no mbito da autom tica e a computaci n anal xica. Membro da Real Academia de Ciencias de Madrid, desenvolveu diversas calculadoras e dous aut matas electromec nicos para xogar xadrez. A nda que non Ž este o lugar axeitado para destacar moitos outros inventos e mžritos de Torres Quevedo, perm tanme dicirlles unicamente que un telefžrico dese ado por el segue a nda marabillando a quen o utiliza para cruza-las cataratas do Ni gara. 3. A COMPUTACIÓN CONTEMPORÁNEA Con certos matices, asœmese que a computaci n moderna ou computaci n contempor nea comeza cos primeiros computadores electr nicos baseados en v lvulas ou tubos de baleiro e continœa ata os nosos d as, dividida en catro xeraci ns de computadores, as cales se identifican cos avances m is significativos experimentados polos dispositivos coa que os ditos computadores se dese aron: tubos de baleiro, transistores, circu tos integrados e microprocesadores, respectivamente. Asumiremos e seguiremos esta forma de presenta-la evoluci n dos computadores, entendendo que as fronteiras entre as sucesivas xeraci ns son cando menos difusas. Dedicaremos, con todo, unha maior atenci n

256 256 Senén Barro Ameneiro primeira e œltima, precisamente por representaren, respectivamente, o nacemento e a globalizaci n da moderna computaci n. En todo caso, Ž obrigado antes facer referencia a certos fitos ou fundamentos te ricos da computaci n, a nda que por limitaci ns de espacio imos reducilos a dous: a lxebra de Boole e a m quina de Turing. ÁLXEBRA DE BOOLE A lxebra de Boole recibe este nome porque foi desenvolvida polo matem tico inglžs George Boole ( ). Tr tase dun conxunto de s mbolos, que poden representar nœmeros, letras, obxectos, calquera cousa, en definitiva, e regras para manexa-los ditos s mbolos. Deste modo, o mesmo que no marco da aritmžtica cl sica Ò5+3=8Ó Ž certo, no marco da lxebra do Boole Òa E 1= aó tamžn o Ž. As tres operaci ns l xicas m is elementais da lxebra de Boole son a negaci n (Non), a conxunci n (E) e a disxunci n (Ou). Calquera operaci n l xica pode po erse como combinaci n destas tres operaci ns primitivas. De feito, isto tamžn Ž certo se consideramos simplemente a operaci n negaci n da conxunci n (Non E). Asumindo o c digo binario formado unicamente polos s mbolos Ò0Ó e Ò1Ó, a definici n da operaci n ÒNon EÓ, que representaremos de forma m is abreviada mediante o s mbolo Ò*Ó, Ž a seguinte: 0*0=1, 0*1=1, 1*0=1, 1*1=0. Se establecemos unha identificaci n entre o valor ÒverdadeiroÓ e o Ò1Ó, o valor ÒfalsoÓ e o Ò0Ó e o s mbolo Ò*Ó e a negaci n da conxunci n de dœas proposici ns l xicas, que s poden ter valor verdadeiro ou falso, resulta que o mesmo que Ò1*1=0Ó, a negaci n da conxunci n de dœas proposici ns verdadeiras d un valor falso 6. P dese dicir que a obra de Boole transportou a l xica do terreo filos fico matem tico. 7 Ata ese momento, a xa milenaria l xica formal non superara o siloxismo, un mžtodo de razoamento deductivo que parte dunha premisa maior e unha menor para chegar a unha conclusi n, o que permite inferir, por exemplo, que Òeu son mortaló a partir do co ecemento de que Òt dalas persoas son mortaisó e Òeu son unha persoaó. O transcendental paso que permite formalizar este e outros mžtodos de razoamento e, con isto, facilita- -la sœa computarizaci n, debžmosllo en boa medida a Boole. 6 Calquera computador podería deseñarse simplemente sobre a base da combinación adecuada de operadores lóxicos Non E. A Bioloxía ofrécenos exemplos aínda máis incribles de cómo se pode conforma-lo moi complexo a partir de elementos extremadamente simples; un bo exemplo disto é o feito de que as instruccións do programa xenético dos organismos se codifiquen simplemente na orde na que aparecen no ADN as catro bases: adenina, timina, guanina e citosina. 7 Dous foron os traballos clave neste sentido: The mathematical analysis of logic. Being an essay towards a calculus of deductive reasoning (Análise matemática da lóxica. Un ensaio cara ó cálculo do razoamento deductivo) e An investigation of the laws of thought (Unha investigación das leis do pensamento), publicados no ano 1847 e 1854, respectivamente.

257 Os computadores do século pasado 257 MÁQUINA DE TURING En 1937 publicouse nas actas da Sociedade Matem tica de Londres un artigo do a nda mozo matem tico Alan Turing, da Universidade de Cambridge, nado en Londres en Este artigo, titulado ÒOn computable numbers with an application to the EntscheidungsproblemÓ (Sobre os nœmeros computarizables cunha aplicaci n problema da decisi n), est considerado como unha das contribuci ns te ricas m is relevantes l xica matem tica e a computaci n. Neste artigo descr bese unha hipotžtica m quina, co ecida desde ent n como m quina de Turing, composta simplemente por un dispositivo de lectura/escritura e unha cinta de lonxitude infinita, segmentada en pequenas celas, xeito dun carrete fotogr fico sen fin. En cada unha das celas das que se comp n a cinta pode almacenarse un s mbolo, ou deixala simplemente en branco. O s mbolo escrito nunha cela pode ser reco- ecido polo dispositivo de lectura cando este se sitœa nela. As mesmo, ese dispositivo pode escribir calquera s mbolo na posici n na que se atope en cada momento. A lectura dun novo s mbolo por parte da m quina provocar unha acci n de resposta, que ser funci n do s mbolo lido e o estado interno da m quina no momento da lectura. Deste modo, dous s mbolos idžnticos, lidos en intres diferentes, poden provocar respostas distintas da m quina. Pense o lector nun simple bol grafo de Žmbolo; a mesma entrada sistema, consistente en pulsa-lo Žmbolo, ter consecuencias distintas, concretamente que a punta do bol grafo saia ou entre, en funci n do estado, punta dentro ou f ra, respectivamente, no que se encontre o bol grafo no momento de aplica-la dita entrada. A m quina de Turing Ž tan simple que s pode facer tres cousas: le-lo contido dunha cela e deterse; borrar un s mbolo e escribir un novo; e, finalmente, ler unha cela e moverse cara esquerda ou a dereita. Hai dœas cousas que nos marabillan sobre esta m quina: en primeiro lugar, que sendo tan simple poida resolver case calquera problema matem tico ou l xico que se nos ocorra, mesmo utilizando unicamente un c digo binario, composto por uns e brancos (ceros); en segundo lugar, a xenialidade de Turing para poder pensar neste nivel de abstracci n cando a nda non exist a ningœn dispositivo real que puidese asemellarse sœa m quina Ñalgunha moi leve e sutil inspiraci n pod a proceder, se acaso, das m quinas de BabbageÑ. Hoxe resulta evidente que a m quina de Turing Ž basicamente un computador, no que a cinta Ž a memoria de prop sito xeral, capaz de almacenar non s datos sen n tamžn instrucci ns, e o dispositivo de lectura/escritura Ž a unidade de procesamento central. A m quina de Turing Ž unha formalizaci n do concepto de algoritmo 8 independente de calquera realizaci n 8 A palabra algoritmo provén de Muhammad ibn Musa Al Khowarizmi, quen no século XII desenvolveu o concepto de proceso que hai que seguir para lograr algún obxectivo.

258 258 Senén Barro Ameneiro ou implementaci n pr ctica deste. Un problema dise computable se para el existe un algoritmo e, polo tanto, unha m quina de Turing que o resolva. E aqu convžn chama-la atenci n sobre o feito de que unha m quina de Turing poida resolver ÔcaseÕ calquera problema m tem tico ou l xico. Existen problemas que non se poden resolver mediante unha m quina de Turing e, polo tanto, entran na categor a de problemas insolubles algoritmicamente. Non t dalas contribuci ns de Turing se mantiveron no terreo te rico Ñde feito, os que o co eceron afirman que sempre tivo un enorme interese por todo tipo de experimentaci n pr cticañ. Durante a Segunda Guerra Mundial tivo un papel clave na realizaci n dunha m quina electr nica, denominada Colossus, que permitiu ÔrebentarÕ as mensaxes que os alem ns cifraban a travžs da complexa m quina Enigma. Este feito tivo tal relevancia no discorrer da guerra que, a nda que non se di que Turing fixo ga a-la guerra, hai quen afirma que poder a terse perdido sen el. Sen dœbida a obra de Turing adiantouse seu tempo e desgraciadamente tamžn a sœa vida, que non foi respectada pola sociedade brit nica da Žpoca, para a cal a homosexualidade era un crime. Nunha carta a un amigo, dic a: ÒTemo que o d a de ma algužn recorra seguinte siloxismo: Turing cre que as m quinas pensan; Turing džitase con homes; logo, as m quinas non pensanó. En 1952 foi arrestado por manter relaci ns homosexuais e tralo xu zo aceptou que se lle administraran inxecci ns de estr xenos (como alternativa a unha pena de c rcere) que o volveron impotente e, tal como el mesmo manifestou a un seu compa eiro de Cambridge, fixžronlle medra-los peitos. O 7 de xu o de 1954 atop rono morto logo de que inxerise, case con toda seguridade de forma consciente e voluntaria, cianuro pot sico. Alan Turing. 3.1 PRIMEIRA XERACIÓN A historia dos computadores electr nicos e, con eles, da computaci n tal e como hoxe a co ecemos, ten unha orixe difusa. O reco ecemento traballo pioneiro de John Vincent Atanasoff

259 Os computadores do século pasado 259 e Clifford E. Berry, que desenvolveron en 1939 o primeiro prototipo de computador dixital, chegoulles en 1973, tras un xu zo que invalidou a patente do computador ENIAC (Electronic Numerator, Integrator, Analyzer, and Computer), realizado por un equipo de cient ficos e enxe eiros 9 na Universidade de Pensilvania, en Filadelfia (EUA). A pesar disto, en xeral Ž o ENIAC o que adoita darse como referencia da orixe dos modernos computadores 10. Este computador posu a v lvulas, consum a 100 quilowatts, ocupaba unha gran habitaci n e realizaba a suma de nœmeros decimais de dez d xitos por segundo. Esta capacidade de c lculo, que hoxe nos parece rid cula xa que Ž superada por calquera calculadora de peto programable, era considerada enorme naquela Žpoca. Hai dœas consideraci ns respecto ENIAC que resultan especialmente importantes. En primeiro lugar o feito de se tratar dun computador dixital de prop sito xeral, Ž dicir, un dispositivo de computaci n con capacidade de ser reconfigurado para realizar tarefas diferentes. Isto lžvanos segunda consideraci n, e Ž que a reconfiguraci n deb a realizarse mediante a reorganizaci n de miles de cables e conmutadores. O ENIAC, polo tanto, carec a da capacidade de almacena-lo programa que se a executar, polo que non podemos consideralo un computador en sentido estricto; polo menos, non se temos en conta a sem ntica que hoxe asociamos dito termo. Precisamente, esta limitaci n foi discutida por un dos dese adores do ENIAC, J. Presper Eckert, con John von Neumann, quen deu m is tarde soluci n problema introducindo o transcendental concepto de Ôprograma almacenadoõ, como substituto do Ôprograma de cablesõ. Para facžrmonos unha idea do avance que isto supuxo, perm tanme comparalo co que supor a que nunha œnica etapa evolutiva pasasemos do r xido sistema nervioso dunha sambesuga plasticidade que posœe o cerebro dun gato ou un can. Simplemente esta achega far a que Neumann pasase s anais da historia da computaci n con letras de ouro, pero as sœas contribuci ns foron moitas m is. TamŽn foi el quen levou dese o do EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) a aritmžtica binaria, como substituta da decimal, coa que operaba o seu predecesor, o ENIAC. Sen embargo, o EDVAC s existiu Ôsobre o papelõ, mentres que si foron realidade o BINAC (BINary Automatic Calculator), de Eckert e Mauchly, e o EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic 9 Creo que é importante destacar que a computación é unha disciplina que se apoia nos modelos, os métodos e as ferramentas das que se valen as ciencias para o seu avance, á vez que, por suposto, participa dos métodos de desenvolvemento e innovación tecnolóxicos. Presenta, polo tanto, esa compoñente ambivalente que posúen aquelas disciplinas que se nutren tanto do descubrimento como do invento. 10 A idea de utilizar tubos de baleiro para o deseño de computadores tivérona Atanasoff e Berry, entón na Universidade de Iowa, ó deseñar en 1939 o ABC (Atanasoff-Berry Computer). O ABC nunca chegou a estar operativo e si, máis tarde, o ENIAC.

260 260 Senén Barro Ameneiro Calculator), de Maurice Wilkes, desenvolvido na Universidade de Cambridge, Inglaterra. Ambos viron a luz en 1949, pero o segundo uns meses antes, polo que, case con total seguridade, podemos consideralo como o primeiro computador dixital electr nico de programa almacenado totalmente operativo. O computador ENIAC foi inicialmente desenvolvido para a sœa utilizaci n militar durante a Segunda Guerra Mundial, a nda que en realidade non se rematou ata dous meses despois do final desta. O seu pulo computaci n moderna foi decisivo. De feito, dous dos creadores do ENIAC, John Mauchly, da Universidade de Pensilvania, e o mencionado Eckert, fundaron unha compa a para desenvolver unha versi n comercial do ENIAC, co ecida como UNIVAC. Con isto deron paso principio da fin da posesi n case en exclusiva dos computadores por parte dos militares e dun reducido colectivo de cient ficos e enxe eiros. Algœns historiadores da computaci n sitœan o comezo da primeira xeraci n de computadores coincidindo con este feito, ocorrido no ano Xeraci n Inicio Elementos Programaci n Memoria PerifŽricos Procesamento Exemplo de dese o de entrada e sa da de datos Primeira 1951 Tubos de baleiro Segunda 1960 Transistores Terceira 1967 Circu tos integrados Linguaxes m quina e ensamblador Linguaxes de alto nivel Tambores e cintas magnžticas Nœcleos e discos magnžticos Tarxetas perforadas Teclado e monitor Por lotes Tempo compartido UNIVAC-I PDP-8 Linguaxes Discos orientadas magnžticos Rato Distribu do B3500 a aplicaci ns e Floppy Cuarta 1975 Memorias de Micropro- Orientada semicon- Impresora Multiprocecesador a obxectos l ser samento CD-ROM, IBM-PC DVD Quinta À-? Software Interface baseado en Orientada Org nica en linguaxe Intelixencia aprendizaxe natural Artificial Ubicuo À-? Táboa I. Distintas xeracións de computadores e algúns dos feitos máis destacados que as acompañaron.

261 Os computadores do século pasado 261 reclamo: ÒÀCanto d a ra z cœbica da džcimo sexta potencia do nœmero 2589? ÁO computador ENIAC da armada pode darche a resposta nunha fracci n de segundo!ó, ou a afirmaci n dun dos fundadores de IBM en relaci n a que uns poucos IBM 701 Ño primeiro computador comercializado por esa firmañ, ser an suficientes para atende- -las necesidades mundiais de computaci n, ilustran, a nda que sexa dun modo anecd tico, o hiperoptimismo reinante naquela Žpoca. O ENIAC arriba e o UNIVAC abaixo, que foi a versión comercial do primeiro. (Tomado de Quest, Edit. Rialp). Coma case sempre ocorre durante a curva de desenvolvemento dunha tecnolox a, nesta Žpoca viviuse un exceso de optimismo en canto s posibilidades que os computadores po an noso dispor. As referencias s computadores da Žpoca como Ôcerebros electr nicosõ, a chamada alistamento da armada estadounidense baixo o 3.2 SEGUNDA XERACIÓN O invento do transistor en 1947 cambiou radicalmente a forma na que continuar an desenvolvžndose os sucesivos computadores, dando paso sœa segunda xeraci n. Isto non sucedeu, non obstante, ata que en 1960 comezaron a dese arse os computadores mediante transistores, substitu ndo as inmensas v lvulas de baleiro. î contrario que os tubos de baleiro, os transistores son pequenos, te en un baixo consumo e disipan pouca calor, ademais de ser m is r pidos na conmutaci n entre estados e moito m is fiables no seu funcionamento. Durante esta Žpoca resulta especialmente destacable o amplo desenvolvemento das linguaxes de programaci n de alto nivel Ñcon expresi ns que posœen unha sintaxe relativamente pr xima linguaxe naturalñ. O COBOL (Common Business Oriented Language), por exemplo, apareceu en 1960 e foi a linguaxe m is utilizada durante dœas džcadas. Ignorada

262 262 Senén Barro Ameneiro despois, o seu uso foi recuperado nos œltimos anos para ÔremendarÕ os programas incapaces de empezar con bo pž o ano Son dœas as empresas e os computadores que marcaron en boa medida esta Žpoca: a serie de computadores System/360 de IBM e o PDP-8 de Digital Equipment Corporation, este œltimo o primeiro verdadeiro minicomputador. Sen embargo, foron os avances introducidos nas linguaxes de programaci n e nos sistemas operativos os que deron un grande pulo utilizaci n dos computadores durante esta segunda xeraci n. Se os sistemas operativos da džcada dos cincuenta buscaban fundamentalmente mellora-lo rendemento da m quina, algœns dos avances realizados durante esta Žpoca Ñcomo a aparici n dos sistemas de tempo compartido, achega de Fernando Corbat, do MIT (Massachusetts Institute of Technology)Ñ devolveron boa parte do control da m quina s usuarios. Este feito acentuouse na seguinte xeraci n, de tal modo que sistemas operativos tan populares como o UNIX, que comezaron a desenvolver en 1969 Dennis Ritchie e Kenneth Thompson, responden precisamente a esta filosof a. 3.3 TERCEIRA XERACIÓN En 1958, Jack St. Clair Kilby e Robert Noyce realizaron o primeiro circu to integrado ou chip, incorporando mœltiples transistores e outros dispositivos electr nicos nunha œnica oblea de silicio. O primeiro circu to integrado comercial apareceu en 1961, fabricado por Fairchild Corporation. Con todo, houbo que agardar ata 1967 para que os computadores comezasen a fabricarse mediante esta tecnolox a, dando paso co ecida como terceira xeraci n de computadores. Os primeiros computadores que incorporaron circu tos integrados foron os B2500 e B3500 de Burroughs. Desta Žpoca son dous dos avances que m is incidencia tiveron na que hoxe tendemos a denominar como sociedade da informaci n: o concepto de Ôrede de rea globalõ, desenvolvido como parte do proyecto ARPANet, embri n da hoxe ubicua Internet, e o de Ôrede de rea localõ, a travžs da invenci n de Ethernet por Robert Metcalfe, en Xerox PARC. Se se me permite un comentario un tanto marxe, direilles que tamžn foi durante esta terceira xeraci n, concretamente en 1968, cando se asumiu o est ndar de seis d xitos para a representaci n da data (AAMMDD), algo que, como todos saben, hab a traernos moitos crebacabezas nos œltimos anos. 3.4 CUARTA XERACIÓN En 1969, unha compa a xaponesa fabricante de calculadoras, Busicom, pediulle empresa Intel o desenvolvemento dun conxunto de circu tos integrados para unha li a nova de calculadoras electr nicas programables que desexaba lanzar mercado. A sœa idea era ofrecer unha serie de calculadoras

263 Os computadores do século pasado 263 con diferentes capacidades e opci ns. O enxe eiro de Intel, Maurice E. Hoff, f xose cargo do proxecto 11. As experiencias previas neste sentido sempre foran acompa adas do redese o dos circu tos cada vez que cambiaban as especificaci ns do producto final. Hoff pensou que ese redese o poder a evitarse se consegu a desenvolver un circu to l xico de prop sito xeral, que puidese programarse, igual c unidade de procesamento central dun computador. O resultado foi o Intel 4004, o primeiro microprocesador da historia 12. Despois de case trinta anos de evoluci n, hoxe vžmo-lo 4004 como un microprocesador tremendamente simple; transistores e operaci ns por segundo son cifras moi apartadas das que ofrecen os microprocesadores m is recentes, que integran varios mill ns de transistores. En calquera caso, resulta moi significativo que un circu to integrado tivese unha capacidade de c lculo unha orde de magnitude maior ca un computador como o ENIAC, do que se daban o tama o e peso en metros cœbicos e toneladas, respectivamente. Busicom recibiu o resultado do seu encargo en forma de catro circu tos integrados: o microprocesador propiamente dito, a memoria RAM Ñmemoria de acceso aleatorioñ, para o almacenamento temporal de datos, a memoria ROM Ñmemoria s para lecturañ destinada almacenamento permanente das instrucci ns que defin an en cada caso un dispositivo ou calculadora concreta, e un circu to de entrada/sa da para o di logo entre o microprocesador e o Ômundo exteriorõ. Busicom obtivo unha brillante soluci n s seus problemas Ño que, sen embargo, non lle serviu para evita-la sœa desaparici n anos m is tardeñ e a Humanidade recibiu un dos inventos que m is dinamizaron as tecnolox as da informaci n e as comunicaci ns, e con elas as nosas vidas. Particularmente transcendente no haber do microprocesador foi o desenvolvemento do computador persoal, polo que supuxo de globalizaci n da computaci n. Non pasaron moitos anos des que Steve Jobs e Steve Wozniak fixeron realidade a sœa idea de crear un microcomputador Ñun computador baseado nun microprocesadorñ tan simple que puidese utilizarse directamente tras sacalo da sœa caixa e enchufalo, como facemos, por 11 S. Barro, «Ponga un microprocesador en su vida», El Correo Gallego, Suplemento de Ciencia y Tecnología, núm. 70, 24 de novembro de Un microprocesador é o corazón dun computador integrado nun único chip unha lámina de silicio envolta nunha cápsula, que se comunica con outros dispositivos a través dunha serie de filamentos ou patillas. Nun microprocesador inclúese a unidade encargada de realizar operacións aritméticas e lóxicas básicas (unidade aritmético-lóxica) e a unidade de control, encargada de le-las instruccións que compoñen un programa que se vai executar, de descodificar (interpretar) as ditas instruccións e de facer que o conxunto de elementos que soportan a computación operen ordenadamente e nos momentos precisos, para conseguir así a execución correcta do dito programa.

264 264 Senén Barro Ameneiro Nœmero de transistores por chip Nœmero de instrucci ns por segundo Táboa II. Complexidade, en número de transistores por chip, e potencia, en número de instruccións executadas por segundo, dalgúns dos microprocesadores de Intel. (Fonte: exemplo, cun electrodomžstico 13. Pouco despois da fundaci n de Apple Computer Inc., en abril de 1977, o Apple II 14, con monitor, teclado, unidade de disco flexible e sistema operativo, viu a luz e con el naceu realmente a revoluci n do ordenador persoal, definitivamente potenciada, sen dœbida, por tres ÔmegaempresasÕ do sector da inform tica: Intel, mediante os seus microprocesadores, IBM, verdadeira art fice da difusi n do ordenador persoal ou PC, e Microsoft, que achega o software, cos sistemas operativos como a meni a dos seus ollos. Se a cuarta xeraci n de computadores se asocia microprocesador, non cabe dœbida que esta a nda est en marcha e non perdeu vixencia. Os esforzos por fabricar microprocesadores m is potentes e vers tiles son continuos e parece que seguir n dando froitos a nda uns anos m is. A xa famosa Lei de Moore, enunciada a principios dos setenta por Gordon Moore, cofundador de Intel, as o constata; Moore observou durante os primeiros anos a relaci n prezo/prestaci ns dos chips desenvolvidos para o dese o de computadores, e base ndose nisto predixo 13 Se ben se asume que o primeiro computador persoal é o Altair 8800, considerar como tal un computador que carecía dos máis elementais periféricos é, cando menos, un exceso. 14 Recordo que nos últimos cursos da carreira os alumnos faciamos cola diante do único computador do que dispuñamos para realiza-las prácticas, precisamente unha versión avanzada do Apple II, tal como agora facemos para sacar diñeiro dun caixeiro automático ou, segundo conta meu pai, como se facía cando el era neno coa cartilla de racionamento na man.

265 Os computadores do século pasado 265 que a capacidade destes se dobrar a cada ano (en realidade isto vžn ocorrendo cada ano e medio, aproximadamente). En boa medida, esta lei segue vixente (t boa II) e Ž previsible que se mante a ata que se alcancen os l mites f sicos en canto a integraci n de transistores mediante a tecnolox a do silicio [Bohr, 1998]. En calquera caso, o principal valor non se encontra no soporte f sico sen n no soporte l xico e, en maior medida, na informaci n e o co ecemento. Como mostra, un bot n: fixžmonos na evoluci n da facturaci n experimentada por Microsoft desde a sœa fundaci n, en 1975 (t boa III), ou o a nda m is explosivo incremento de valor de empresas que venden informaci n, como Yahoo!, que pasou en moito menos tempo a ÔvalerÕ varios bill ns de pesetas. Perm tanme que analice con algo de calma a evoluci n que experimentou na sœa facturaci n Microsoft, e que amosa c mo basicamente se foi dobrando cada dous anos. Este fen meno, con certos matices, Ž semellante noutras empresas do sector. Se vostedes mo permiten, e o propio Bill Gates, cofundador e presidente de Microsoft, gustar ame denominala ÔLei de BarroÕ, e non precisamente como agoiro dun futuro pouco prometedor para esa empresa. FixŽmonos en que nesta ocasi n non falamos de duplicar prestaci ns, sen n o volume de negocio, que Ž algo ben distinto. En calquera caso, este fen meno pode ter unha relaci n importante co que concreta a Lei de Moore. î se duplica-lo nœmero de transistores nun circu to integrado, dupl canse basicamente as sœas prestaci ns. Este feito vai acompa ado dun incremento das aplicaci ns s que pode destinarse e da utilidade destas, pero, sobre todo, promove o ÔaxigantamentoÕ dos programas xa existentes, que se van dotando de novas posibilidades, moitas delas, a dicir verdade, bastante estžriles Ñmentres escribo para vostedes este Anos Táboa III. Evolución da facturación da empresa Microsoft. (Fonte:

266 266 Senén Barro Ameneiro artigo, por exemplo, estou utilizando o procesador de textos nun nivel que seguramente non alcanza o 5 % das sœas opci nsñ. A utilidade derivada dunha tecnolox a evoluciona en xeral de modo logar tmico en relaci n avance ou crecemento desa tecnolox a, de tal xeito que se esta œltima medra exponencialmente, a primeira s o far linealmente. Sen embargo, as empresas que achegan utilidade tecnolox a am anse para creceren exponencialmente, en xeral, creando e mantendo falsas necesidades en n s, os seus clientes. 4. QUINTA XERACIÓN? Se ben xa existiu un intento por dar paso denominada Ôquinta xeraci n de computadoresõ, este non tivo Žxito. Polo menos non na forma na que os xaponeses concibiron o que, sen dœbida, foi un dos seus m is ambiciosos ÔmegaproxectosÕ tecnol xicos, comunmente denominado proxecto da m quina Prolog. Foi iniciado polo Ministerio de Comercio e Industria xaponžs en 1982 e fixo Žnfase no uso intensivo da linguaxe de programaci n l xica Prolog Ñdesenvolvido por Alain Colmerauer, da Universidade de Marsella, unha džcada antesñ e no desenvolvemento de computadores especialmente adecuados para a execuci n de programas escritos na dita linguaxe. Tralo fracaso deste plan, no ano 1991 os xaponeses decidiron saltarse directamente a quinta xeraci n de computadores e dar paso sexta, baseada nas redes neuronais artificiais. Non deixa de sorprenderme esta brusca transici n entre dous paradigmas de computaci n tradicionalmente enfrontados, como son a computaci n l xica (simb lica) e a computaci n neuronal (subsimb lica), tan allea usual eclecticismo e formulaci n conciliadora dos orientais. Por outra parte, hai quen considera que xa levamos algœn tempo na quinta xeraci n, da man dos computadores masivamente paralelos; ou que se est entrando actualmente, co apoio das tecnolox as das telecomunicaci ns, baixo o concepto da computaci n ubicua. Se os primeiros centros de c lculo se organizaban arredor dun ordenador de altas prestaci ns, con capacidade de atende-las necesidades de mœltiples usuarios conectados a el simultaneamente: Ôun computador para moitas persoasõ, e despois viv mo-lo slogan das compa as l deres do sector inform tico, tanto de hardware como de software: Ôun computador en cada despacho ou mesaõ 15, actualmente estamos 15 Conseguilo non foi unicamente mérito de IBM ou doutras empresas dedicadas a ofrecernos computadores cada vez máis potentes e baratos. Tamén contribuíu decisivamente a isto a facilidade coa que case calquera persoa pode utilizar estes ordenadores, mesmo sendo lega en temas informáticos. As interfaces baseadas en iconas, que tantos beneficios deron a Bill Gates, son unha idea orixinal do centro de investigación en Palo Alto, Estados Unidos, pertencente á empresa Xerox Corporation. Steven Jobs, cofundador de Apple, visitou o centro a principios dos oitenta e tomou boa nota do computador Xerox Star, o seu rato, a súa pantalla gráfica e a interacción co usuario baseada en iconas. Sen dúbida esta visita tivo un claro reflexo no Macintosh.

267 Os computadores do século pasado 267 asistindo imparable avance dunha forma de computaci n que ben poder a atender lema de: Ômoitos computadores servicio de calquera persoaõ. De calquera xeito, e se mo permiten, a min gustar ame reserva-la consideraci n de quinta xeraci n a un tipo de computadores que a nda est por chegar. Sen prexu zo de que vaian aparecendo novos avances no terreo do hardware que supo an achegas, se non revolucionarias si significativas abondo como para merece-la dita consideraci n, penso que un avance cualitativo ter que vir da man do software e, m is concretamente, daquel que asociamos cunha rama das ciencias da computaci n co ecida co nome de Intelixencia Artificial. O termo ÔIntelixencia ArtificialÕ foi acu ado en 1956 por John McCarthy, do MIT, no hemisferio da primeira xeraci n de computadores. Sen embargo, a nda non contribu u dun xeito definitivo a introducirnos nesa quinta xeraci n que, como dixen, ha apoiarse m is nos avances no software e non tanto no hardware. Raymond Kurzweil, presidente da Kurzweil Technologies Inc., asegura no seu libro La era de las m quinas espirituales, que cun PC de mil d lares do ano 2020 se alcanzar a capacidade do cerebro humano Ñaproximadamente mill ns de neuronas e 100 bill ns de conexi nsñ, e que no ano 2050 a sœa potencia ser equivalente a mil mill ns de cerebros humanos. Sen embargo, non Ž o mesmo potencia de c lculo ou de computaci n ca intelixencia. O supercomputador m is potente actualmente non ser moito m is intelixente c m is simple dos ordenadores persoais, se ambos se programan, por exemplo, para a resoluci n de ecuaci ns diferenciais. En calquera caso, creo oportuno reproducir unha interesante reflexi n de Vicente Campos 16, cando sinala que o abismo que separa a expresi n Òo computador Ž un instrumento que serve para calcularó de Òo computador calculaó, non Ž moi distinto do que hai entre Òo garfo Ž un A base para construír un ordenador seguindo o modelo do cerebro humano sería o biochip. Estes pola súa vez estarían construídos a base de moléculas de proteinas como a que aquí se pode ver nunha imaxe de ordenador. 16 Tecnofilia y Tecnofobia, Anthropos, núm. 164, 1995, páxs

268 268 Senén Barro Ameneiro instrumento que serve para comeró de Òo garfo comeó. O que o segundo desprazamento sem ntico pareza unha tonter a e o primeiro non, non Ž m is que un sinal de que a transformaci n xa est en curso. Os computadores de quinta xeraci n dar n unha maior importancia s seus ÔsentidosÕ, xa que dedicar n proporcionalmente cada vez m is recursos entrada e sa da de informaci n do exterior e menos seu procesamento interno. En definitiva, o que estamos dicindo Ž que nos imiten un poco m is na sœa organizaci n. Este proceso estase a dar de forma progresiva. Nos primeiros computadores, o proceso de introducir informaci n era francamente laborioso e lento. Desde a utilizaci n inicial de caravillas para a interconexi n de circu tos espec ficos e as tarxetas perforadas, que apareceron poucos anos despois, as cousas foron mudando notablemente. Hoxe non nos conformamos con ter un teclado sofisticado, unha pantalla de moi alta resoluci n e capaz de reproducir mill ns de cores, ou unha impresora veloz e silenciosa. A isto unimos unha plžtora de novos dispositivos como o rato, o CD-ROM, a conexi n a rede, o esc ner, a c mara, o micr fono, os altofalantes, tarxetas de adquisici n e xeraci n de sinais anal xicos, por non falar dos narices electr nicos ou os sintetizadores de olores, que a nda dan os seus primeiros pasos. Estes medios para percibi-lo contorno e actuar sobre el requiren unha crecente capacidade de computaci n por parte dos computadores, que ven c mo se despraza a sœa potencia de c lculo desde o seu nœcleo periferia. Segundo apunta Michael Dertouzos, director do Laboratory for Computer Science do MIT, nos anos setenta s o dez por cento das ordes do ordenador se refer an a aparellos de entrada-sa da, como pantallas, impresoras e teclados. A maior a das ordes dedic banse a operaci ns que transformaban a informaci n interna do ordenador. A mediados dos noventa, esa proporci n subiu oitenta e cinco por cento 17. Eses computadores da quinta xeraci n deber n permitirnos dialogar con eles dunha forma case natural. A nda que xa se levan dado algœns pasos firmes neste sentido, andamos lonxe de conseguilo. ÀLembran o computador HAL 9000 da pel cula 2001, odisea en el espacio? Nese fime HAL gu a a nave Discovery nunha misi n secreta, mostrando unha autonom a de funcionamento sorprendente e interaccionando cos membros da tripulaci n en linguaxe natural, coma se fose un m is deles. ÀPoder a hoxe en d a constru rse un ordenador capaz de emula- -lo HAL nas sœas competencias? A resposta ten dous matices ben diferenciados, segundo nos centremos nunha perspectiva m is pr xima tecnolox a dos computadores ou campo da intelixencia artificial. A tecnolox a dos computadores xa permitiu constru r 17 M. L. Dertouzos, What Will Be: How the New World of Information Will Change Our Lives, Nova York, HarperEdge Publishers, 1997.

269 Os computadores do século pasado 269 computadores capaces de realizar bill ns de operaci ns por segundo (Teraflops). Con todo, a intelixencia artificial, que se lle atribuir a a responsabilidade de dota-la armaz n de c lculo de HAL de capacidades propias dos seres intelixentes e, en œltima instancia, propias do ser humano, non logrou avanzar tanto. ÀLograrŽmolo no sžculo que acaba de nacer? DŽixolle o privilexio de responder a quen no ano 2100 se dirixa a vostedes desde esta mesma revista. 5. ONDE ESTAMOS? Os beneficios e posibilidades dos computadores son tan evidentes que non creo que pague a pena insistir aqu neles. Pola contra, coido que nunca est de m is incidir nalgœns aspectos da sœa cara menos agradable. A dependencia que nos est n sometendo, o seu compo ente inescrutable, o acento que po en nos desequilibrios sociais ou o illamento que poden inducir en n s, son algœns dos trazos que definen esa cara con m is intensidade. Superado xa o sžculo XX, Ž momento de facer balances e un deles lžvanos a tratar de concretar aqueles inventos que foron m is relevantes para a Humanidade. ƒ certo que os avi ns, a televisi n, a radio, os foguetes, que nos permitiron chegar lœa, son inventos sen os cales o mundo non ser a hoxe como Ž. Pero tamžn Ž certo que a televisi n e a radio se est n dixitalizando, e chegar lœa ou voar como hoxe o facemos ter an sido misi ns imposibles sen a participaci n dos computadores. Isto non nos permite dicir, por suposto, que o computador Ž o invento m is relevante, pero si que Ž un dos que, co tempo, e dun modo crecente, alcanzaron o status de imprescindible. A sanidade, a industria, a investigaci n, as comunicaci ns, o ocioé, para quž seguir enumerando, practicamente todo aquilo no que podemos pensar, ten unha crecente dependencia dos computadores. Resulta un exercicio interesante Ñque lles recomendo que fagan nalgunha ocasi nñ pensar naquilo que non poderiamos facer longo dun d a normal da nosa vida se non existisen os computadores. O computador co que estou escrib ndolles, os mœltiples microcontroladores que incorpora o meu coche, calquera coche, o telžfono m bil, o caixeiro autom tico, o control da iluminaci n nas rœas e sem foros, a televisi n, o equipo de mœsica, a lavadora, a c mara de v deo, as m quinas expendedoras, as dos aparcamentos, os surtidores de gasolina, estean trucados ou non, os xoguetes dos meus fillosé ç marxe dos erros intencionados e os virus inform ticos, os erros ou defectos causados inconscientemente, tanto no soporte f sico coma no soporte l xico, son bombas latentes de repercusi ns impredicibles. O primeiro erro ou bug Ñtraducible como ÔbechoÕÑ, produciuse no computador Harward Mark II, e foi descuberto no ano 1945 por Grace Murray Hopper. A causa dun fallo nun relž foi un caruncho, tal

270 270 Senén Barro Ameneiro como recolle a documentaci n que se garda no Museo Nacional de Historia Americana, en Washington D. C. (figura 1). Recentemente asistimos a dous erros bastante m is serios. Un deles afectou o dese o do microprocesador Pentium e foi detectado por un usuario especialmente tenaz e competente, o que obrigou a Intel substituci n de miles deles xa incorporados nos computadores doutros tantos usuarios. Doutra ndole foi o problema inform tico do ano 2000, derivado da incapacidade dalgœns computadores e programas inform ticos para operaren adecuadamente cos d as posteriores 31 de decembro de Neste caso tratouse m is dun problema de ÔcaducidadeÕ de certos sistemas inform ticos que dun verdadeiro erro de dese o. Se me permiten a iron a, supuxo o invento dos sistemas inform ticos con data de caducidade. Estes defectos non son, nin moito menos, casos illados. Os erros inform ticos, sobre todo nos programas ou software, son moi comœns, a nda que as sœas repercusi ns non alcancen nin de lonxe as que tivo o comentado problema do ano 2000 Ñlimit ndonos terreo estrictamente econ mico, foi o erro m is custoso para a humanidade, sacando a Segunda Guerra MundialÑ. A complexidade de moitos programas e o car cter cr tico dalgunhas das aplicaci ns abordadas Ž tal que cada vez resulta m is dif cil depuralos 18. Sabemos que o sistema operativo Windows 98, por exemplo, foi parcheando os mœltiples erros que se foron detectando despois de iniciada a sœa comercializaci n. Estes erros poden ter gran transcendencia cando permiten que os sistemas sexan ÔviolentadosÕ por usuarios non autorizados. O principal problema Ž que moitos destes fallos pasan desapercibidos ata que un cœmulo de circunstancias delata un mal funcionamento do sistema, o que pode resultar banal, se unicamente sup n que a nosa tarxeta de džbito quede retida nun caixeiro autom tico, ou fatal, se afecta o software de control e supervisi n dunha central nuclear, por exemplo. Figura 1. O primeiro caso real de bug ou erro informático, documentado dunha forma moi orixinal. 18 É máis, a limitación das máquinas de Turing para poder determinar de calquera programa se este terá fin ou continuará executándose indefinidamente, pode enunciarse tamén como a imposibilidade para dotar calquera das linguaxes de programación que utilizamos dun depurador de erros infalible.

271 Os computadores do século pasado 271 Xa dixemos que en boa medida o microprocesador, e con el o ordenador persoal, deron lugar a un proceso imparable de globalizaci n da computaci n, impulsado definitivamente polo fen meno Internet. ƒ certo, pero debemos ter moi presente que non Ž o mesmo globalizar que socializar. A separaci n entre as naci ns ricas e as pobres, que comezara a estreitarse despois da Segunda Guerra Mundial, cami a en sentido inverso trala introducci n masiva dos computadores, e dificilmente isto Ž unha simple coincidencia. Por suposto que a tecnolox a Ž neutra e Ž o uso ou o abuso que se faga dela o que resultar cabo bo ou malo. Pero, coma case sempre, calquera novo punto de apoio serve para manexar m is eficazmente a panca coa que as clases medias (n s) manexan as clases baixas (os outros) en beneficio das clases altas (eles). Desafortunadamente, o computador non est sendo alleo a esta tendencia. Perm tanme comentarlles finalmente un recente artigo da revista National Geographic, na sœa edici n en espa ol ÑVol. 5, nœm. 2, agosto de 1999Ñ, que inclœe unha mirada a travžs dos tempos de tres cidades: Alexandr a, no sžculo I, C rdoba, no sžculo X, e a Nova York actual. As ilustraci ns que recrean unha escena de cada unha delas reflicten o barullo cosmopolita dunha avenida de Alexandr a, a aprendizaxe e a diversi n que involucra dous nenos cordobeses e un erudito da Žpoca e, finalmente, unha moza no seu apartamento de Nova York Ñun dos t picos baixos reacondicionados para vivendañ, que se conecta co mundo exterior a travžs do computador, o telžfono m bil, a televisi n e a radio 19. Non creo que sexa unha casualidade esta imaxe que se nos presenta. Se ben Ž certo que o discorrer da revoluci n industrial ou a vida nas cidades, entre outros factores, empurr ronnos a unha progresiva inmersi n en nichos vivendi cada vez m is reducidos, o que sen dœbida acentuou notablemente a televisi n, corržmo-lo risco de que o computador sexa a puntilla que acabe por transformar en virtual a nosa vida en sociedade e que as nosas conversas, discusi ns, paix ns, bicos, roces, emoci ns ou sentimentos, discorran unicamente polo f o de cobre ou a fibra ptica. O noso paso polo terceiro contorno, tal como o denomina Javier Echeverr a 20, parece inevitable. Tratemos, ademais, de que sexa desexable. Para iso podemos segui-lo exemplo dunha importante empresa de pizzas; o mesmo ca no seu caso, ÒÁo secreto est na masa!ó, pero, claro est, Ž outra masa: a nosa masa cerebral posta servicio do uso racional dos computadores. Xa podemos dicir que os computadores son unha creaci n do sžculo pasado. Sen embargo, a historia da computaci n non fixo m is que empezar. Se a presencia dos humanos sobre a Terra abrangue a penas unha hora 19 En pode verse unha versión interactiva desa ilustración. 20 Javier Echeverría, Telépolis, Barcelona, Ediciones Destino, 1999.

272 272 Senén Barro Ameneiro dun hipotžtico ano no que puidesemos comprimi-la idade do universo, a dos computadores redœcese a unha džcima de segundo. A computaci n cu ntica ou a computaci n con ADN est n a nda a abrollar e seguro que nos esperan avances que non pasan a nda, nin sequera fugazmente, pola cabeza de ningœn cient fico da computaci n. Esperemos que nos permitamos a n s mesmos continuar algœns segundos m is este apaixonante e complexo ÔxogoÕ. BIBLIOGRAFÍA Augarten, S., Bit by Bit - An Illustrated History of Computers, Nova York, Ticknor & Fields, Kurzweil, R., The age of intelligent machines, Cambridge, Massachusetts (EUA), Massachusetts Institute of Technology, 1991 (edici n en espa ol: La era de las m quinas inteligentes, MŽxico, Consejo Nacional de Ciencia y Tecnolog a, 1994). The age of spiritual machines, Viking Penguin, 1999 (edici n en espa- ol: La era de las m quinas espirituales, Editorial Planeta, 1999). Neumann, J. von, The computer and the brain, Yale University Press, Strathern, Paul, Turing y el ordenador, SŽculo XXI de Espa a Editores, S. A., ALGÚNS ENDEREZOS WEB DE INTERESE ÒCharles Babbage Institute (CBI)Ó, centro de investigaci n da Universidade de Minnesota, EUA, dedicado a promove-lo estudio e preservaci n da historia da computaci n e o procesamento de informaci n: vvvvvvvvvv Historia da computaci n, contada pola IEEE Computer Society: Museo virtual de Microsoft: Corp/Museum/timelines/micro soft/timeline.asp Computer Science Department, en Virginia Tech: dex.html

273 273 ELECTRÓNICA: CIENCIA E TECNOLOXÍA Diego Cabello Ferrer* Carlos G mez-reino Carnota** Universidade de Santiago de Compostela 1. INTRODUCCIÓN A Electr nica Ž unha rama da ciencia e a tecnolox a bastante recente, que adquiriu entidade propia neste sžculo e que continœa en constante e intensa evoluci n e interrelaci n con outras ciencias. Naceu como unha rama da F sica e na sœa orixe trataba de engloba-lo referente s propiedades dos electr ns libres no baleiro. Antes dos anos corenta, o termo Ôelectr nicaõ era utilizado case exclusivamente polos f sicos, e con el refer anse electr n e as sœas propiedades. Como tal rama, polo tanto, os seus antecedentes sitœanse a finais do sžculo XIX, cando J. J. Thomson descubriu o electr n. Foi algo m is tarde cando se albiscaron as grandes vantaxes de controlar fluxos de electr ns mediante os denominados dispositivos electr nicos, e produciuse ent n un amplo e r pido desenvolvemento da Electr nica, tanto nos seus fundamentos coma nas sœas aplicaci ns. î principio foron as fortes necesidades creadas xa por aquelas datas nas comunicaci ns as que moveron este avance, seguindo pola radio, a instrumentaci n e os sistemas de control, a televisi n e, m is recentemente, a denominada Ôelectr nica de consumoõ e a inform tica. Durante a primeira metade do sžculo XX deuse un r pido desenvolvemento dos tubos de baleiro e dos circu tos nos que interve en, o que de xeito natural motivou un importante avance na Teor a de Circu tos. Sen embargo, o grande pulo da Electr nica, responsable do nivel tecnol xico actual, debeuse substituci n dos tubos de baleiro polos dispositivos semiconductores. Neste sentido, sin lase como fito hist rico a invenci n do transistor, a nda que tamžn o foi a introducci n da tecnolox a planar de silicio e o concepto de circu to integrado. ç vista destas consideraci ns, pode definirse a Electr nica dun modo xenžrico como: ÒA rama da Ciencia e a Tecnolox a que se ocupa do estudio das leis que rexen o tr nsito controlado de cargas elžctricas en medios materiais e * Catedrático de Electrónica. **Catedrático de Óptica. Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

274 274 Diego Cabello Ferrer / Carlos Gómez-Reino Carnota no baleiro, as propiedades nas que se basea, os dispositivos nos que ocorre e as aplicaci ns s que d lugaró. Os seus contidos p dense agrupar pois en dous grandes apartados: F sica de semiconductores e dispositivos electr nicos e circu tos e sistemas electr nicos. Como podemos inferir dos seus contidos, a Electr nica Ž unha rea de co ecemento que participa das propiedades das Ôciencias do naturalõ (an lise) e das Ôciencias do artificialõ (s ntese e tecnolox a). O perfeccionamento tecnol xico necesario para obter dispositivos e circu tos con elevadas prestaci ns fixo que a Electr nica estendera lazos de dependencia a outras ramas da ciencia; un dos m is palpables Ž o que a liga coa ciencia dos materiais. Existen, con todo, outras relaci ns; por exemplo, o desenvolvemento recente das comunicaci ns pticas propiciou que se intensifiquen esforzos no campo da Optoelectr nica, a travžs da cal a Electr nica se achegou îptica; noutro mbito, a posibilidade de execuci n de microsistemas, que inclœen sensores e actuadores dentro do circu to integrado, abriu posibilidades de aplicaci n e interrelaci n da Electr nica con outras parcelas, como por exemplo a Micromec nica. Non podemos esquece-las conexi ns entre a Electr nica e a Arquitectura de ordenadores ou coa Inform tica. Daquela, o dese o electr nico, no contexto das tecnolox as modernas, Ž un campo multidisciplinar. Os dispositivos electr nicos desenv lvense e modžlanse como resultado de estudia-las distintas propiedades dos materiais. O uso masivo destes dispositivos permite constru r circu tos en moi alta escala de integraci n (VLSI) ou mesmo sistemas sobre un chip (SOC). A œnica forma de completa-lo dese o dun sistema complexo nun tempo razoable Ž mediante ordenadores para simular, optimizar e dese- a-lo circu to; xorde as o dese o asistido por ordenador (CAD). Coa conxunci n destes catro compo entes (materiais, dispositivos, circu tos e dese o asistido por ordenador) Ž posible aborda-lo reto de obter circu tos cada vez m is complexos. A Electr nica naceu e desenvolveuse, polo tanto, cun marcado car cter aplicado, que Ž o que lle confiere a sœa autonom a. En consecuencia, o interese desta rea polo movemento das part culas cargadas est condicionado aplicaci n do dito movemento nos dispositivos electr nicos, para a posterior aplicaci n destes nos circu - tos electr nicos; as Ž, a travžs das sœas utilidades, como a Electr nica cumpre hoxe en d a un papel primordial. O seu efecto sobre o avance cient fico e o tecnol xico foi e Ž important simo, e ela mesma sa u beneficiada, o que propiciou que, nun proceso rexenerativo, se dispararan expectativas e aplicaci ns en menos de cincuenta anos (investigaci n b sica Ñ desenvolvemento tecnol xico Ñ instrumentaci n Ñ nova investigaci n e desenvolvemento...). Ademais, a travžs das sœas aplicaci ns, a Electr nica introduciuse en t do- -los sectores, non s cient ficos e

275 Electrónica: ciencia e tecnoloxía 275 tecnol xicos en sentido estricto, sen n tamžn nos industriais, mždicos, mercant s e financeiros, art sticos e, cada vez m is, nos utensilios comœns que nos rodean. Neste traballo pretendemos mostra-los contidos da Electr nica analizando a sœa evoluci n hist rica a travžs dos descubrimentos dos dispositivos b sicos. Unha an lise paralela da evoluci n das sœas aplicaci ns Ž prohibitiva por extensa e, ademais, as grandes aplicaci ns (control, proceso de datos, comunicaci n e instrumentaci n) permanecen. O que cambia Ž a tecnolox a usada na sœa realizaci n. Seguindo a S. Bracho (1999), nesta evoluci n hist rica podemos distingui- -las seguintes etapas: Ñ Do electr n transistor; antecedentes hist ricos da Electr nica. Ñ Do transistor amplificador integrado; primeiras etapas da tecnolox a de semiconductores. Ñ O microprocesador no dese o de sistemas dixitais. Ñ Integraci n VLSI. Circu tos dixitais, mixtos e microsistemas. Vexamos brevemente os principais logros acadados en cada unha destas etapas. Posteriormente completaržmo-lo traballo mostrando as conexi ns da Electr nica coa Optoelectr nica e comentando a evoluci n desta œltima. 2. DO ELECTRÓN Ó TRANSISTOR. ANTECEDENTES HISTÓRICOS DA ELECTRÓNICA Como xa comentamos, os antecedentes da Electr nica sitœanse contra finais do sžculo XIX. Podemos falar pois dunha etapa pre-electr nica que cobre os sucesos previos descubrimento das v lvulas de baleiro (d odos e tr odos termoi nicos). Entre estes sucesos hai que considera-la obra de Maxwell, a xeraci n e detecci n de ondas electromagnžticas (Hertz), o desenvolvemento da radiotelegraf a (Lodge, Popou, Marconi), os raios cat - dicos (tubo de Geissler, 1860), o oscil grafo (Braun, 1895), o descubrimento do electr n (Thomson, 1897) ou a formulaci n da teor a Ôcl sicaõ da conducci n (Drude, 1900; Lorentz, 1905). Sen embargo, Ž posible establecer que a Electr nica nace cos primeiros dispositivos que permiten o control por un campo elžctrico da conducci n en v lvulas de baleiro. As, en 1905, A. Fleming descobre o d odo termoi nico, e en 1907 Lee de Forest, o tr odo. çmbalas v lvulas est n baseadas na emisi n termoi nica (Edison, 1983). O d odo nace buscando un detector de ondas. A introducci n dun terceiro electrodo (gradicela met lica) entre nodo e c todo permit a o control da tensi n cat dica con outra moito menor aplicada na gradicela, de forma que a v lvula amplificaba. Este fen - meno de amplificaci n de sinais elžctricos tivo gran transcendencia coa sœa aplicaci n transmisi n de sinais

276 276 Diego Cabello Ferrer / Carlos Gómez-Reino Carnota de radio, de r dar ou de TV, ou amplificaci n de sinais de audio. A introducci n de novas gradicelas levou tetrodo e pentodo. Apareceron tamžn os tubos cheos de gas, entre os que destaca o tiratr n, que permit a a rectificaci n controlada. Entre os circu tos m is notables desta Žpoca est n os amplificadores operacionais, executados con tubos termoi nicos, que deron orixe c lculo anal xico e s computadores anal xicos, hoxe extinguidos como tales. Nesta Žpoca t dolos dispositivos electr nicos est n baseados no movemento de electr ns no baleiro ou en gases, baixo o control de campos elžctricos e magnžticos, e na xeraci n destes portadores mediante emisi n termoi nica, fotoelžctrica ou secundaria. Podemos considerar que esta Žpoca d cabo en 1948, coa invenci n do transistor. Emporiso, na actualidade a nda se seguen usando os tubos termi nicos na amplificaci n de audio de altas prestaci ns. 3. DO TRANSISTOR Ó AMPLIFICADOR INTEGRA- DO. PRIMEIRAS ETAPAS DA TECNOLOXÍA DE SEMI- CONDUCTORES A verdadeira orixe da Electr nica, tal como a co ecemos actualmente, hai que situala na aparici n dos dispositivos de estado s lido. A partir dese momento, os dispositivos electr nicos m is relevantes asentan na inxecci n e o transporte controlado de electr ns libres e ligados no interior de cristais semiconductores (Ge, Si, GaAs...) nos que hai heteroxeneidades controladas que permiten realiza-las mesmas funci ns que antes cumpr an as v lvulas e outras novas non pensadas ata agora. Nace as a electr nica dos semiconductores, pasando a primeira li a a F sica do estado s lido. 3.1 PRIMEIROS DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES O primeiro dispositivo semiconductor fabricado Ž o d odo de uni n. O seu funcionamento basžase no feito de que a uni n de dous semiconductores, un impurificado con impurezas de natureza aceptadora (semiconductor tipo P) e outro con impurezas doadoras (semiconductor de tipo N), xera unha barreira de potencial, V bi, na zona da uni n. Esta barreira p dese alterar mediante a aplicaci n dunha tensi n exterior, aument ndoa ou diminu ndoa, o que fai que o dispositivo te a un comportamento asimžtrico respecto da aparici n dunha corrente, que depender da polaridade e valor da tensi n aplicada. A figura 1 mostra un esquema da uni n pn no que se distinguen as rexi ns neutras P e N, unha rexi n desprovista de portadores libres (capa baleira) que se estende a mbolos lados da uni n metalœrxica (x = 0), o potencial de barreira asociado e c mo estes quedan afectados pola polarizaci n aplicada: directa se V A Ž positiva, e inversa se V A Ž negativa.

277 Electrónica: ciencia e tecnoloxía 277 Rexi n Neutra P Capa Baleira Rexi n Neutra N Rexi n Neutra P Capa Baleira Rexi n Neutra N Capa Baleira Capa Baleira Figura 1. Esquema dunha unión PN en polarización directa e inversa e barreira de potencial xerada. A teor a fundamental para a obtenci n das sœas caracter sticas tensi n-corrente foi desenvolvida por Shockley en 1949 e posteriormente ampliada por outros autores. A figura 2 ilustra a forma da relaci n tensi n- -corrente nun d odo ideal; podemos observar que existen dous estados asociados tipo de polarizaci n: nun deles Ñpolarizaci n directañ, o d odo actœa practicamente como un curtocircu to; no outro Ñpolarizaci n inversañ, actœa como un circu to aberto. A corrente en polarizaci n directa džbese inxecci n de portadores maioritarios nas zonas onde son minoritarios, que se difunden nela. En inversa d se o fen meno de extracci n de portadores de onde son minoritarios. Por iso a corrente Ž moi pequena e negativa.

278 278 Diego Cabello Ferrer / Carlos Gómez-Reino Carnota Figura 2. Díodo ideal: esquema, símbolo curva característica. A importancia que ten a uni n pn dentro da electr nica non Ž s polas sœas aplicaci ns directas, sen n tamžn por se-la estructura base no desenvolvemento doutros dispositivos. O descubrimento do transistor por un equipo de investigadores dos laboratorios de Bell Telephone ten un impacto sen precedentes na industria electr nica. O transistor nace como consecuencia da busca dun dispositivo de estado s lido que puidera substitu -lo tr odo termoi nico. Para iso fixžronse experimentos introducindo un semiconductor nun campo elžctrico, que fallaron debido existencia de estados superficiais. Analizando estes estados, Barden e Bratain descubriron en 1947 o transistor de puntas de contacto. Pouco despois, en 1948, Shockley descobre o transistor bipolar de uni n (BJT). Este est constitu do por tres zonas semiconductoras impurificadas alternativamente con impurezas doadoras e aceptadoras. Teremos polo tanto dous tipos de transistores, pnp e npn, tal como se ilustra na figura 3, na que recollemos ademais o s mbolo utilizado para a sœa representaci n. Podemos pensar no transistor pnp como en dœas uni ns pn moi pr ximas. Unha uni n est constitu da polo emisor e a base e a outra polas rexi ns de base e colector. A rexi n de base Ž moi estreita, polo que a proximidade das uni ns fai que estas interaccionen entre si, o que dota o transistor da posibilidade de presentar ganancias de tensi n ou de corrente. O transistor bipolar posœe catro rexi ns de funcionamento, determinadas polas polaridades das tensi ns aplicadas a mbalas uni ns. A zona m is comœn de funcionamento Ž a zona activa directa, que se corresponde

279 Electrónica: ciencia e tecnoloxía 279 Figura 3. Transistores bipolares: estructura e símbolos. cunha polarizaci n directa da uni n emisor-base e inversa da uni n base- -colector. As outras posibles combinaci ns de polarizaci n conducen s rexi ns de corte, saturaci n ou rexi n activa inversa. Por outra parte, como o transistor Ž un dispositivo de tres terminais, ser estudiado como elemento de circu to, como tal cuadripolo, un dos terminais debe ser comœn entrada e sa da, dando as lugar a tres configuraci ns b sicas, que se denominan base comœn, emisor comœn e colector comœn, indicando estes nomes quž terminal Ž comœn entrada e sa da. A figura 4 amosa de forma cualitativa os fluxos de portadores existentes nun transistor bipolar p + np en rexi n activa directa (p + indica rexi n fortemente impurificada) sobre unha configuraci n de base comœn. Mediante este esquema podemos ilustra- -lo efecto de ganancia en corrente. O dispositivo p + np polarizado na rexi n activa directa require que o emisor te a un potencial maior c da base, e o colector un potencial menor c desta. Con esta polarizaci n, o emisor inxectar unha gran cantidade de ocos na base; algœns electr ns ser n inxectados desde a base cara emisor. O efecto combinado Ž a creaci n dunha corrente positiva de emisor que crecer exponencialmente coa tensi n V EB. A uni n base-colector est polarizada en inversa, polo que os fluxos de portadores estar n asociados extracci n de portadores de onde son minoritarios; Ž

280 280 Diego Cabello Ferrer / Carlos Gómez-Reino Carnota Figura 4. Fluxo de portadores nun transistor bipolar (rexión activa directa). dicir, electr ns desde o colector e ocos desde a base. O primeiro destes fluxos Ž realmente pequeno; sen embargo, respecto do segundo, dada a estreiteza da rexi n de base, os ocos inxectados desde o emisor difœndense nela sen a penas recombinaci n e son recollidos case na sœa totalidade polo colector. Isto orixina unha corrente no colector que depende exponencialmente da tensi n V EB. Os tres compo entes que orixinan a corrente de base na rexi n activa džbense inxecci n de electr ns cara emisor, como corresponde uni n p + n polarizada en directa, achega de electr ns para a recombinaci n cos ocos na rexi n neutra de base e extracci n de minoritarios desde o colector. Sen embargo, o valor da corrente asociada a estes fluxos de portadores Ž pequeno comparado coas correntes de emisor e de colector. A posibilidade de obter unha gran ganancia en corrente para o dispositivo en emisor comœn džbese feito de que

281 Electrónica: ciencia e tecnoloxía 281 unha pequena corrente de base forza unha polarizaci n directa da uni n emisor-base, o que orixina unha grande inxecci n de ocos desde o emisor que son recollidos polo colector, dando lugar aparici n dunha corrente no colector moi superior da base; aparece as unha ganancia en corrente = I C /I B elevada. Os primeiros transistores bipolares aparecen no mercado en Pero non Ž ata 1954 cando Ebers-Moll e Giacoletto realizan dous traballos te ricos b sicos para a comprensi n do funcionamento do transistor bipolar. O primeiro deles formula as ecuaci ns das caracter sticas tensi n-corrente en continua e o segundo achega o modelo h brido para pequeno sinal, que representa o seu comportamento como elemento de circu to. A figura 5 ilustra o modelo de Ebers-Moll; F e R representan ganancias en corrente en directa e inversa respectivamente. Nese mesmo ano, Kroemer prop n modifica-lo transistor de uni n introducindo un campo na base mediante a sœa impurificaci n de forma gradual; xorde as o transistor de deriva. A nda que o transistor bipolar est sendo desprazado nas aplicaci ns por outros dispositivos, encheu unha Žpoca moi Figura 5. Modelo de Ebers-Moll do transistor bipolar. importante da electr nica dos semiconductores. En 1952, Shockley descobre o transistor de efecto campo de uni n (JFET). Tr tase dun dispositivo unipolar; Ž dicir, involucra un s tipo de portador nos seus procesos de transporte e o seu principio de funcionamento Ž o control por un campo externo da conductividade dunha canle de carga m bil que enlaza dous electrodos coa polarizaci n adecuada para facilita-lo transporte de portadores pola canle. No JFET, a canle cržase mediante dœas uni ns pn polarizadas en sentido inverso. O uso do transistor JFET Ž moi

282 282 Diego Cabello Ferrer / Carlos Gómez-Reino Carnota limitado na actualidade. Sen embargo, un transistor con funcionamento equivalente deste, o MESFET, proposto inicialmente por Mead en 1966, e executado sobre arseniuro de galio (GaAs) œsase frecuentemente en aplicaci ns de moi alta frecuencia. Neste tipo de transistor œsase unha uni n metal- -semiconductor para delimita-la anchura da canle. Nos anos cincuenta desenvolvžronse tamžn outros dispositivos. As, en 1956 Moll prop n estructuras de catro capas (pnpn), base dos dispositivos semiconductores para o control de potencia (tiristores e triacs). En 1958 aparece o d odo tœnel, dispositivo tipicamente cu ntico, e os d odos ZŽner e de avalancha. Por outra parte, coa aparici n ese mesmo ano do l ser, ref rzase unha nova rama da Electr nica: a Electr nica cu ntica. En 1960, J. A. Hoerni describe un transistor planar no que tanto as rexi ns de base como de emisor se difunden a travžs de vent s abertas nunha capa de xido (SiO 2 ) xerada na superficie do semiconductor. Desta forma, as rexi ns de base e emisor terminan na dita superficie. O contacto de colector tamžn se pode realizar nela. ƒ a orixe da tecnolox a planar, que posteriormente permitir producir unha gran cantidade de circu tos simultaneamente sobre unha oblea circular de silicio. Na džcada dos sesenta danse tres importantes avances na Electr nica: p sase da tecnolox a do xermanio do silicio, desenv lvense os dispositivos de efecto campo e nacen e desenv lvense os circu tos integrados. 3.2 O TRANSISTOR MOS En 1960, Kahny e Atalla, dos laboratorios da Bell Telephone, propo en a estructura MOS (Metal-Oxido-Semiconductor) como realizaci n dun novo tipo de transistor de efecto campo. A sœa principal caracter stica Ž ser un dispositivo superficial, no que os procesos relevantes ocorren na superficie do semiconductor, en contraposici n cos BJT e JFET, baseados en fen menos de volume. O efecto amplificador do novo transistor, o mesmo c do JFET, sustžntase tamžn no control da conductividade, neste caso superficial, que conecta os terminais de drenador e fonte mediante o campo elžctrico transversal creado polo potencial aplicado terminal de porta. Este terminal est illado electricamente da fonte e o drenador por unha capa de di xido de Si. As e todo, mesmo estando a idea ben establecida, a obtenci n de transistores MOS fiables non foi posible ata que se co eceron completamente as caracter sticas da capa de xido e da interfase xido-semiconductor. Isto posibilitou introducir no proceso de fabricaci n distintos procesos de estabilizaci n que minimizaron os efectos dos i ns alcalinos ou das cargas fixas existentes no xido, as como os dos estados superficiais. En funci n da polaridade da canle podemos distinguir dous tipos de transistor MOS: de canle n e de canle p. A

283 Electrónica: ciencia e tecnoloxía 283 canle de carga libre capa baleira rexi n tr odo Figura 6. Estructura dun transistor MOS canle n de realce. figura 6 mostra a estructura dun transistor de canle n de realce. Nela podemos observa-la existencia dunha canle de lonxitude L e anchura W que conecta os terminais de fonte (S) e drenador (D). Nesta estructura de realce a canle cržase mediante a aplicaci n dun potencial V G electrodo de porta (G) superior a un determinado valor V T co- ecido como tensi n limiar; esta depende das caracter sticas da capa de xido, do semiconductor e do potencial V B aplicado electrodo de substrato (B). A aplicaci n dun potencial axeitado terminal de drenador respecto do potencial de fonte orixina a aparici n dun fluxo de electr ns na canle, o que dar lugar a unha corrente de drenador. Nestes transistores dist nguense tres rexi ns de funcionamento: corte, tr odo e saturaci n. A primeira delas ocorre cando a tensi n de porta non alcanza o valor requirido para xerar canle. Na rexi n tr odo existe xa unha canle que conecta a rexi n de fonte coa de drenador. A rexi n de saturaci n ac dase cando esta canle se estrangula. A figura 7 ilustra esta situaci n. estrangulamento da canle rexi n de saturaci n Figura 7. Transistores MOS operando en rexión tríodo (a), inicio da saturación (b) e rexión de saturación (c).

284 284 Diego Cabello Ferrer / Carlos Gómez-Reino Carnota A corrente de drenador en cada situaci n de polarizaci n depender da densidade de carga libre na canle, controlada tanto por V D como por V G e V B. Distintas aproximaci ns para a estimaci n da carga libre na canle conduciran a distintas expresi ns da corrente I D. A m is sinxela de todas Ž a co ecida como lei do cadrado, que indicamos a continuaci n. Tensi ns aplicadas V GS < V T V GS > V T V DS < V DS,sat V GS > V T V DS > V DS,sat I Estado do transistor Rexi n de corte Rexi n tr odo Rexi n de saturaci n Corrente de drenador I D = 0 A condici n de saturaci n alc nzase cando V DS = V GS - V T, sendo V T con V SB a tensi n de polarizaci n do substrato, q a carga do electr n, s a permitividade dielžctrica e V T0, µ n, C ox, N A e f par metros asociados estructura implementada. 3.3 OS PRIMEIROS CIRCUÍTOS INTEGRADOS As džcadas dos sesenta e setenta caracter zanse polo desenvolvemento da tecnolox a integrada, de maior alcance c propia invenci n do transistor. Este substitu u as funci ns de circu to das v lvulas, pero os circu tos integrados son a base dunha nova filosof a de dese o. O concepto de circu to integrado (CI), inventado independentemente por Tack Kilby en Texas Instruments e por Robert Noyce en Fairchild Semiconductor, fac a posible a fabricaci n de circu tos formados por gran cantidade de transistores, coas sœas resistencias e condensadores asociados, nun œnico substrato. Esta tecnolox a foi producindo circu tos e sistemas electr nicos cada vez m is complexos sobre un monocristal de silicio. Os elementos discretos (transistores, d odos, resistencias e condensadores) substitœense por reas funcionais equivalentes. Estas reas amplificadoras, rectificadoras, resistivas ou almacenadoras de carga conžctanse directa e inseparablemente e permiten obter sobre o cristal ou xido substrato a realizaci n do circu to discreto equivalente. O Žxito comercial destes circu tos džbese posibilidade de automatiza-lo proceso de producci n. Podemos clasifica-los circu tos integrados segundo o campo de aplicaci n (dixitais ou anal xicos), a tecnolox a soporte (bipolar, MOS ou

285 Electrónica: ciencia e tecnoloxía 285 CMOS) e o grao de integraci n: pequena (SSI, 100 dispositivos por chip), mediana (MSI, 1000 dispositivos), grande escala (LSI, dispositivos) ou escala moi grande (VLSI, m is de dispositivos) A forma repetitiva e o car cter binario dos circu tos l xicos f xoos especialmente c modos tecnolox a integrada. As, nesta džcada van aparecendo as primeiras series de familias l xicas bipolares (L xica Transistor Transistor, TTL; L xica de Emisores acoplados, ECL), MOS e CMOS. Tr tase dunha serie de circu tos dixitais que responden a unha escala de integraci n pequena ou mediana. Desde ent n f ronse introducindo variantes e melloras encami adas a aumenta-la velocidade de funcionamento e diminu -lo consumo. Por outra parte, os circu tos anal xicos son m is complexos e o primeiro que alcanzou perfecci n comparable s dixitais foi o amplificador operacional. A introducci n por Fairchild Semiconductor do circu to µa741 a moi baixo custo popularizou a utilizaci n deste tipo de compo entes anal xicos. Unha constante na evoluci n da tecnolox a integrada son os avances na miniaturizaci n, fiabilidade, velocidade de operaci n e reducci n de custo dos circu tos integrados. Unha calculadora dixital realizada en 1965 con tecnolox a bipolar necesitaba 150 CI con 100 compo entes cada un. En 1969, a mesma calculadora realiz base con 4 CI en tecnolox a MOS e en 1971 cun s CI, tecnolox a MOS tamžn. In ciase as a etapa de integraci n en grande escala, que produce sobre un monocristal subsistemas electr nicos con miles de compo entes. As primeiras realizaci ns desta etapa foron os rexistros de desprazamento de 1000 bits e as memorias MOS. A tecnolox a dominante na integraci n a grande escala Ž a CMOS. 4. O MICROPROCESADOR NO DESEÑO DE SISTE- MAS DIXITAIS Un expo ente da integraci n a grande escala (LSI) Ž o microprocesador. A sœa aparici n en 1971 sup n un novo fito na historia dos circu tos integrados. Tr tase do circu to I4004 de Intel, que implementa a unidade central dun procesador. Este circu to posu a un bus interno de s 4 bits. Pouco despois apareceron os microprocesadores de 8 bits, entre os que podemos destaca-lo I8080 ou o M6800 de Motorola, e que podemos considerar como a primeira xeraci n de microprocesadores. Un microprocesador non Ž m is que a unidade central de procesamento (CPU) dun ordenador. Por conseguinte, para poder implementar un sistema baseado en microprocesadores hai que inclu r toda outra serie de elementos, tales como as memorias, RAM e ROM, ou os adaptadores de perifžricos, s ncronos ou as ncronos. A construcci n dun sistema microprocesador implica pois a conexi n de 6 ou m is CI complexos. Sen embargo, unha gran

286 286 Diego Cabello Ferrer / Carlos Gómez-Reino Carnota novidade que achegan os microprocesadores Ž a programaci n, o que implica dispo er do software necesario para o desenvolvemento de aplicaci ns: linguaxes ensamblador, compiladores, etc. Xorden as os sistemas de desenvolvemento. A aparici n dos microprocesadores orixina unha grande evoluci n do dese o electr nico dixital. O avance das tecnolox as e das capacidades de integraci n permite integrar parte dos perifžricos no CI principal, incrementa- -lo tama o do bus, a frecuencia de operaci n, etc. Este desenvolvemento leva sucesiva aparici n de seguintes xeraci ns de microprocesadores, cada vez m is evolucionados. Caber a citar aqu como exemplos que marcan un fito no desenvolvemento o de Motorola, o de Intel. Os microprocesadores continœan en evoluci n permanente e proba disto Ž a posibilidade de obter ordenadores persoais cada vez m is potentes. 5. INTEGRACIÓN VLSI. CIRCUÍTOS DIXITAIS, MIX- TOS E MICROSISTEMAS Inicialmente o dese o dos circu - tos integrados realiz base no mbito da industria dos semiconductores; fabric banse en grandes cantidades e vend anse como productos est ndar. Sen embargo, a aparici n das tžcnicas de dese o con bloques funcionais e as ferramentas CAD introducen un cambio importante, facilitando o dese o de circu tos de aplicaci ns espec ficas (das sœas iniciais en inglžs, ASIC) por persoas alleas a esa industria. Un feito importante que hai que considerar Ž a publicaci n en 1980 por parte de Mead e Conway do libro titulado Introduction to VLSI systems, que introduciu no mbito acadžmico universitario o dese- o de CI. Un aspecto no dese o dos CI Ž o seu custe econ mico. Nos de producci n est ndar, o custo do desenvolvemento do chip Ž elevado, pero compžnsase coa producci n de grandes cantidades, o que abarata o producto final. No caso dos ASIC, o custo Ž un aspecto importante debido nœmero relativamente pequeno de unidades que se producen. Polo tanto, os ASIC s se volven econ micos cando se reducen os gastos de desenvolvemento mediante a introducci n de novos mžtodos de dese o e o uso de ferramentas CAD. Por outra parte, para facilitar que instituci ns con orzamentos moi elevados, tales como as universidades, poidan acceder dese o de CI, xorde o concepto de Multi-Project Chip, que permite integrar dese os de distintas instituci ns nunha mesma oblea. P dense realizar as circu tos en cantidades moi reducidas, facendo posible o acceso Si por parte das universidades a un custo reducido. TamŽn Ž importante a contribuci n do proxecto EUROCHIP, lanzado polo Terceiro Programa Marco da Comunidade Europea en 1989, pois permite que as universidades dispo an dun conxunto de ferramentas de dese o e simulaci n a moi baixo custo.

287 Electrónica: ciencia e tecnoloxía 287 ç hora de dese ar circu tos que resolvan tarefas complexas aparecen distintas opci ns: p dese elixi-lo uso de dispositivos l xicos programables (PLD), que son circu tos de producci n est ndar programables polo usuario, tales como os arrays de portas programables (PLA) ou as redes de portas programables por campo (FPGA) introducidas na džcada dos noventa, ou ben optar por soluci ns ASIC. A posibilidade de implementar ASIC nun espacio curto de tempo džbese uso dunha metodolox a de dese o xer rquica, que inclœe distintos pasos que abranguen desde as especificaci ns funcionais ata o producto final. Para a sœa execuci n, o dese ador disp n de bloques funcionais, que non son m is que un conxunto de celas b sicas que constitœen elementos de circu to de uso comœn: portas l xicas, biestables ou bloques m is complexos, a partir dos cales Ž posible constru r t dalas funci ns dixitais. Os datos das celas predese adas est n contidas nunha librer a de celas que inclœe o sistema CAD. Este contorno de traballo facilita a tarefa de conecta-las celas para implementa-lo circu to, simular para comprobar se se cumpren as especificaci ns de dese o, determina-la sœa disposici n sobre o plano do chip (layout) e xera-lo ficheiro que conter os datos que describen o circu to e que se debe enviar fundici n para obter finalmente o chip. TamŽn Ž posible aborda-lo dese o do ASIC con elementos simples, o que proporcionar dese os m is optimizados custa dun maior esforzo e tempo. Neste caso o fabricante de semiconductores proporciona os par metros elžctricos e as regras de dese o para a disposici n dos compo entes correspondentes proceso tecnol xico usado. Temos que sinalar aqu a importancia que a simulaci n a nivel de circu to ten en todos estes procesos e que proporciona o programa SPICE. Este empezouse a desenvolver no ano 1971 na Universidade de Berkeley, e foron aparecendo sucesivamente versi ns melloradas. Por outra parte, no dese o de ASIC Ž de crucial importancia a fase de test, que debe ser inclu da xa na propia fase de dese o. TamŽn constitœe unha axuda importante o uso de sistemas de s ntese autom tica. î longo de todos estes anos foise incrementando a complexidade dos circu tos integrados, tanto pola reducci n do tama o dos transistores individuais como polo aumento do tama o m ximo de chip que se pode fabricar de forma econ mica. Xa en 1964, G. More Ñque m is tarde se converteu nun dos fundadores da empresa Intel CorporationÑ prediciu un incremento logar tmico anual da complexidade; este continuou desde ent n, a nda que cunha pendente menos pronunciada que nos primeiros anos. As, os transistores MOS pasaron de ter lonxitudes de canle de decenas de micras a lonxitudes inferiores micra (existen actualmente tecnolox as comerciais de 0.25 micras), ou a rea de chip, que foi aumentando desde tama os de 1 mm 2 a dimensi ns que se aproximan a varios cm 2. A evoluci n tamžn foi

288 288 Diego Cabello Ferrer / Carlos Gómez-Reino Carnota constante no relativo frecuencia de traballo e diminuci n da potencia disipada, cunha reducci n paulatina nas tensi ns de alimentaci n. Este ritmo de crecemento tamžn se prevž para o futuro. Segundo unha t boa titulada SIA roadmap, publicada en 1994 pola Asociaci n de Fabricantes de Semiconductores (SIA) nos Estados Unidos e revisada en 1997, que marca a evoluci n prevista da industria ata o ano 2012, espžrase obter un circu to integrado en ultra alta escala de integraci n (ULSI) de cen mill ns de transistores no ano O ritmo de crecemento tecnol xico permite que na actualidade se poidan integrar sobre un mesmo substrato circu tos e compo entess ben distintos. Este Ž o caso dos circu tos mixtos anal xicos e dixitais, que inclœen dentro dun mesmo substrato unha aplicaci n completa, con parte anal xica e dixital. Isto orixinou un renacemento do dese- o anal xico, limitado nos anos oitenta dese o de amplificadores operacionais, filtros e conversores A/D e D/A, fundamentalmente sobre tecnolox as nmos e CMOS. Como consecuencia destes avances aparecen novas tžcnicas de dese o (circu tos de capacidade conmutada, dese os en modo corrente, etc.) de grande importancia no trazado da parte anal xica dos circu tos mixtos. Nesta categor a de circu tos mixtos hai que inclu r tamžn os microsistemas, que conte en no mesmo substrato sensores e actuadores, que poden ser tžrmicos, pticos, mec nicos, etc., e constitœen o que se denomina un sistema completo no chip. Como puidemos observar nestas li as, unha constante na evoluci n da electr nica Ž a implementaci n de circu tos cada vez m is complexos mediante o desenvolvemento de novas tecnolox as que permiten unha maior miniaturizaci n dos dispositivos. Os logros acadados fixeron que a electr - nica se introducira en t dolos sectores da actividade humana, creando seu redor unha das industrias m is importantes do mundo. Esta evoluci n seguir nun futuro. A aparici n das nanotecnolox as e a conmutaci n molecular xeran novos retos. 6. OPTOELECTRÓNICA Da mesma forma que a invenci n do transistor, a finais da džcada dos anos corenta, marcou o inicio da era da Electr nica, o desenvolvemento case simult neo, nos anos sesenta, da fibra ptica e do l ser de semiconductores iniciou a era da Fot nica. Dentro deste contexto, a Optoelectr nica poder a definirse como a conxunci n da Electr nica e da Fot nica, baseada na manipulaci n de electr ns e fot ns, para a sœa aplicaci n a distintos sectores da producci n a travžs da enxe er a. Isto converteuna nun elemento de capital importancia no desenvolvemento tecnol xico da sociedade de hoxe en d a. A Optoelectr nica Ž, pois, un dominio aplicado que asenta sobre o co ecemento xerado e establecido nas ciencias b sicas e que pon a Žnfase nos dispositivos que incorporan interfaces

289 Electrónica: ciencia e tecnoloxía 289 Fonte Modulador Transmisor Detector Informaci n Pantalla Figura 8. Diagrama de bloques dun sistema optoelectrónico. para a conversi n de sinais elžctricos en pticas e viceversa, e nos sistemas que conforman estes dispositivos. A figura 8 amosa os dispositivos que integran un sistema optoelectr nico t pico. A fonte Ž o xerador de luz que serve como onda portadora de informaci n e a sœa funci n fundamental Ž converter enerx a elžctrica en luz cunha eficiencia abonda que nos permita axustala transmisor. Os d odos emisores de luz (LED) e os l seres de semiconductores (LDs) son as fontes utilizadas nun sistema optoelectr nico. Un LED Ž unha uni n p-n con polarizaci n directa, que inxecta portadores nunha zona activa arredor da uni n, produc ndose luz por emisi n espont - nea debido recombinaci n dos electr ns da banda de conducci n cos ocos da banda de valencia. Un LD Ž un LED cunha cavidade ptica que produce realimentaci n e xera emisi n estimulada de radiaci n nunha banda espectral m is estreita c da luz emitida por un d odo. Os moduladores son dispositivos r pidos que operan a escala de tempos de micro a nanosegundos, por medio dos cales se rexistra a informaci n na luz por modificaci n anal xica ou dixital dalgunha das sœas caracter sticas: amplitude, fase, polarizaci n, frecuencia, etc. A modulaci n obtense por aplicaci n externa de campos elžctricos, magnžticos ou ondas acœsticas que afectan as propiedades f sicas do medio a travžs do cal se propaga a luz. A gran vantaxe dos moduladores Ž o seu reducido tama o e a sœa capacidade para seren integrados monoliticamente coas fontes de luz nun sistema optoelectr nico. A onda portadora de informaci n prop gase longo dunha canle de transmisi n que Ž a fibra ptica. Esta Ž un medio confinador de luz cunha estructura de ndice de refracci n que pode ser de escal n (homoxžnea) ou de gradiente de ndice (inhomoxžnea) e permite, segundo sexa o di metro da fibra, a existencia dun ou m is posibles modos de propagaci n. O material principal utilizado na fabricaci n de fibras pticas, para transmisi n de informaci n, Ž s lice puro ou dopado; tamžn se fabrican fibras pticas de vidros multicompo entes ou de s lice/silicona. O uso de fibras monomo-

290 290 Diego Cabello Ferrer / Carlos Gómez-Reino Carnota do ou multimodo depende das prestaci ns do sistema. Nunha fibra monomodo, que ten a caracter stica esencial de que se propaga un modo, non existe dispersi n intermodal e isto ten importancia considerable na transmisi n de informaci n a longa distancia. Despois da viaxe (que pode ser longa) da portadora ptica a travžs da canle de transmisi n, a informaci n ha ser detectada e transducida do dominio fot nico elžctrico. Disto dedœcese que, independentemente da tecnolox a en que se basee o sistema, final, sempre se xera a necesidade de detecta-lo sinal ptico e tratar, convenientemente, o sinal elžctrico resultante. ƒ dicir, neces tanse dispositivos optoelectr nicos co ecidos como fotodetectores. Estes dispositivos est n compostos por materiais fotoconductivos (d odos pn, pin ou de avalancha/apd) que te en por misi n converte-lo sinal fot nico en elžctrico, con tempos de resposta entre micro e picosegundos. As, mediante unha polarizaci n inversa do material fotoconductivo, os electr ns liberados pola absorci n de fot ns xeran unha corrente elžctrica proporcional potencia ptica detectada. A importancia do fotodetector Ž obvia xa que determina c mo o sistema realiza a sœa tarefa, establecendo o nexo de uni n co mundo exterior a travžs da pantalla, interface entre maquina e ser humano. A interacci n maquina/pantalla Ž adoito electr nica, mentres que a interacci n pantalla/humano Ž visual (figura 9), por iso esta ha reunir caracter sticas de lexibilidade para unha lectura r pida e precisa dos datos, brillo adecuado para unha boa percepci n visual e alto contraste para unha optimizaci n da agudeza visual. Figura 9. Interacción sistema/observador. Por outra parte, o progreso da Optoelectr nica vai unido inexorablemente investigaci n sobre novos materiais, que se desenvolve en f sica do estado s lido e que fixo posible novas formas de xeraci n, modulaci n, transmisi n e detecci n de luz. En particular, a Optoelectr nica creceu rapidamente, a partir da džcada dos sesenta e principios dos setenta, co desenvolvemento da fibra ptica de cuarzo de baixo custo, seguido polo l ser de semiconductores de dobre heteroestructura que facilitaba a emisi n de luz a temperatura ambiente. Estes primeiros avances, xunta outros posteriores, como os l seres de cavidade vertical, as fibras pticas dopadas con terras raras, os arrays de fotod odos e as pantallas activas de semiconductores, por sinalar algœns exemplos, levaron a unha intensa e fruct fera actividade en I+D sobre as aplicaci ns da Optoelectr nica. Entre elas, podemos cita-los sensores pticos que permiten medir unha ampla gama de magnitudes f sicas e qu micas para medio ambiente e procesos de control, as comunicaci ns de banda ancha para longa distancia, o procesado de informaci n para

291 Electrónica: ciencia e tecnoloxía 291 computaci n ptica ou os discos compactos para memorias pticas. A outro nivel, e para rematar, un dos mžtodos m is efectivos para co ece-lo estado dun determinado campo da tecnolox a, as como para prever c les van se-los cami os que percorra no futuro, consiste en establece-la evoluci n do seu mercado de vendas. Neste sentido, o mercado da Optoelectr nica acadou aproximadamente 50 bill ns de d lares USA en 1994 e prevese que ascenda a 200 bill ns dentro de dez anos. Se a estes datos agregamos que, por exemplo, o mercado mundial de vendas de cable de fibra ptica foi de 5.7 bill ns de d lares en 1994, que supuxo 6 mill ns de quil - metros de cable terrestre e submari o instalado, que chegou a 14.5 bill ns en 1999 (12 mill ns de quil metros de cable instalado) e que en 1995 se venderon m is de 50 mill ns de l seres de semiconductores, podemos facernos unha idea da importancia que ten a Optoelectr nica no mercado de vendas de productos tecnol xicos. Para o futuro, e como mostra, baste dicir que en Xap n se estimou que para o ano 2010 a Optoelectr nica representar o 20 % do seu PIB. BIBLIOGRAFÍA Baker, R. J., e outros, CMOS: Circuit Design, Layout and Simulation, IEEE Press, Bardeen, J., e W. H. Bratain, ÒThe Transistor, a Semiconductor TriodeÓ, Phys. Rew., 74, 230, Bracho, S., La Ingenier a Microelectr nica ante el cambio del Milenio, Servicio de Publicaciones de la Universidad de Cantabria, Desmond Smith, S., Optoelectronic Devices, Nova York, Prentice-Hall, Gray, P. R., e outros, Analog MOS integrated Circuits, Nova York, IEEE Press, Gray, P. R., e R. G. Meyer, Analysis and design of Analog Integrated Circuits, Nova York, John Wiley and Sons, (Terceira edici n en 1993). Grebene, A. B., Bipolar and MOS Analog Integrated Circuits Designs, Nova York, John Wiley and Sons, Hodges, D. A., e Jackson, Analysis and Design of Digital Integrated Circuits, Nova York, McGraw-Hill, Ismail, M., e T. Fiez, Analog VLSI. Signal and Information Processing, Nova York, McGraw-Hill, Iway, H., ÒCMOS Technology-Year 2010 and BeyonÓ, IEEE Journal of solid state circuits, vol. 34, 3, 1999, Mead, C., e C. A. Conway, Introduction to VLSI systems, Addison Wesley, Moore, G. E., ÒMicroprocessor and integrated electronic technologyó,

292 292 Diego Cabello Ferrer / Carlos Gómez-Reino Carnota Proceedings of the IEEE, vol. 64, 6, 1976, Naish, P., e P. Bishop, Designing ASICs, Ellis Horwood, Nicollian, F. H., e J. R. Brews, MOS Physics and Technology, Nova York, John Wiley and Sons, Proceedings of the IEEE. Special Issue: 50 th Anniversary of the Transistor, vol. 86, 1, xaneiro, Proceedings of the IEEE. Special Issue: Integrated Sensors, Microactuators & Microsystems, vol. 86, 8, agosto, Shockley, W., ÒThe theory of p-n Junctions in Semiconductors and p-n Junctions TransistorsÓ, Bell. Syst. Tech. J., 28, 435, Tsividis, Y. P., Operation and Modelling of the MOS transistor, Nova York, McGraw-Hill, Uiga, E., Optoelectronics, Nova York, Prentice-Hall, Wood, D., Optoelectronic Semiconductor Devices, Nova York, Prentice-Hall, 1994.

293 293 A BIOTECNOLOXÍA NO SÉCULO XX: O INICIO DUNHA REVOLUCIÓN? Tom s G. Villa* Juan M. Lema Rodicio** Universidade de Santiago de Compostela BIO + TECNOLOXÍA. UN PERCORRIDO HISTÓRICO Acostœmase considerar a NoŽ, que descubriu por manipulaci n das uvas o proceso de fermentaci n alcoh lica, como o precursor da utilizaci n pr ctica polo home de procesos microbianos. Desde ent n, a Humanidade utiliza un nœmero de procesos ÔnaturaisÕ, especialmente orientados producci n de alimentos: pan, vi o, cervexa... Para isto tiveron que se desenvolver tžcnicas sinxelas de producci n con dese os baseados na experiencia e a observaci n como, por exemplo, a fabricaci n de pan, que require cumprir unha serie de etapas, non evidentes a primeira vista. Noutros casos m is complexos, a posta a punto dalgœns sistemas utilizados tradicionalmente supuxo unhas boas doses de enxe o (Òenxe arizando procesos naturaisó) como por exemplo o proceso de obtenci n do aceto bals mico de M dena, Italia, onde se disp n dunha bater a de ÔbiorreactoresÕ operando en semicontinuo, con tempos de residencia de ata Ácen anos! ÔBiotecnolox aõ, termo acu ado nos anos vinte polo enxe eiro hœngaro Karl Ereky, Ž un paradigma da filosof a productiva que dominou a Humanidade no sžculo que conclu u e que pola sœa vez herdara, en termos de forza de desenvolvemento, da Revoluci n Industrial, isto Ž, Òm is, mellor e m is baratoó. Desde logo non Ž previsible que, cando acu ou a palabra, estivese Ereky predicindo o futuro porque, entre outras cousas, naqueles anos desco ec anse as endonucleasas de restricci n, acababan de descubrirse os bacteri fagos por Twortw e DÕHerelle e a Escherichia coli (a bacteria h spede da maior a das manipulaci ns xenžticas) era case a nda Bacterium coli mutabile. Emporiso, o certo Ž que a fusi n de mbalas palabras, ÔbioÕ e Ôtecnolox aõ, representou un enorme revulsivo no œltimo cuarto do sžculo XX, cando * Catedrático de Microbioloxía. ** Catedrático de Enxeñería Química. Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

294 294 Tomás G. Villa / Juan M. Lema Rodicio parec a que a sociedade andaba algo desleixada polo s ndrome post conquista da lœa. Non se poder a comprende-lo r pido desenvolvemento da Biotecnolox a sen mencionar algœns aspectos da ciencia e a tecnolox a, dos seus conceptos, desvelos e metamorfoses Ñnunca mellor ditoñ seculares. O sžculo XVI caracterizouse por un intento de romper con moldes que arrastraba, desde tempos ancestrais, a daquela incipiente Ciencia. Sobresae neste sentido Aureolus Philippus Theophastrus Bombastrus von Hemheim ( ) Ña nda que el mesmo se chamaba Paracelso, como desprezo figura do galeno romano CelsoÑ por ser unha fonte inesgotable de teor as, pero, iso si, con aspectos rabelaisianos. Como traballara en Basilea, estaba influenciado polo Humanismo que al florecera mesmo antes da Reforma e que se traduciu en aplicaci n pr ctica das sœas ideas, como foi a loita contra a enfermidade; as, por exemplo, utilizou o metal alqu mico m is poderoso, o mercurio, para o tratamento da s filis, servindo polo tanto de ponte de uni n entre a vella alquimia e os novos conceptos de quimioterapia e iatroqu mica, esp rito que en definitiva herdou tamžn a moderna Biotecnolox a e sen dœbida ocupar unha rea moi importante na centuria que principia. O sžculo XVIII caracterizouse por un racionalismo sen concesi ns e pens base que todo o que exist a se deb a a estructuras matem ticas definidas. Non Ž de estra ar, logo, que as ciencias precursoras da Biotecnolox a, en definitiva emp ricas, non tivesen a aceptaci n que os sžculos XIX e XX lles reco- eceu. Debemos toma-la viaxe de cinco anos que comezou Charles Darwin o 27 de decembro de 1831 a bordo do Beagle e que o trouxo de regreso a Inglaterra Òco convencemento de que as especies biol xicas non eran inmutablesó, como algo premonitorio que engarza co sentimento de evoluci n acelerada que a Biotecnolox a Ñmediada pola manipulaci n xenžticañ pode estar conculcando s seres vivos do planeta. Como grandes precusores, sen dœbida, hai que menciona-las figuras de L zaro Spallanzani (do que este ano se celebra o bicentenario da sœa morte) e Louis Pasteur, a quen poder a reco ecerse co t tulo de primeiro biotecn logo moderno. LŽmbrese c mo refutou belamente as teor as sobre a xeraci n espont nea en 1860 e c mo chegar a cima do seu poder o cient fico en 1863 cando resolveu, a instancias do emperador de Francia, os problemas xurdidos nos procesos de elaboraci n do vi o. A principios do sžculo XX ten lugar o desenvolvemento dunha industria incipiente baseada na acci n de microorganismos para a producci n de disolventes (etanol, acetona, butanol...), cidos (c trico, acžtico, etc.), completando as o campo que ata ese momento se limitara rea alimentaria (bebidas alcoh licas, panificaci n...). A eficacia dos procesos era baixa, pois non se comprend an nin os principios

295 A Biotecnoloxía no século XX: o inicio dunha revolución? 295 microbiol xicos nin se dispo a de ferramentas xeito. TamŽn a comezos de sžculo asoma xa unha preocupaci n pola conservaci n do medio, especialmente o acuoso, en contornos das grandes cidades, moitas das cales xa dispo an de sistemas de saneamento para a recollida das sœas augas residuais. ƒ ent n cando ten lugar a construcci n das primeiras plantas para o tratamento e recuperaci n destes vertidos mediante dispositivos moi elementais baseados na acci n de asociaci ns microbianas desenvolvidas naturalmente. Nos anos vinte, o extraordinario desenvolvemento da industria petroqu mica, orientada non s producci n de carburantes sen n tamžn de infinidade de productos da qu mica dos hidrocarburos, incentivou o estudio de procesos tžrmicos e catal ticos que axi a desbancaron, pola sœa maior eficacia, os sistemas de producci n baseados na transformaci n microbiana. De novo os productos obtidos por procesos biol xicos se limitan, basicamente, campo das industrias alimentarias. Este panorama manter ase inalterado por džcadas debido s baixas productividades, os problemas operacionais e as necesidades de asepsia. Adicionalmente, dœas das posibles vantaxes comparativas dos procesos biol xicos Ñmenores requirimentos enerxžticos e impacto menos agresivo co medio naturalñ carec an, e as foi ata hai relativamente pouco tempo, de importancia real, dado o baixo custo da enerx a e a pouca atenci n prestada preservaci n do medio. En pleno fragor da Segunda Guerra Mundial, Avery, Mac Leod, e Mc Carthy decat banse en 1944 de que o Ôprincipio transformanteõ que Griffith describira a finais dos anos vinte para pneumococos non era outra cousa que segmentos dunha molžcula de cido desoxirribonucleico (ADN), inequivocamente a molžcula-base da vida e, desde logo, pedra angular da Biotecnolox a molecular. Ser a nunha molžcula estructuralmente tan sinxela coma esta onde residise a informaci n xenžtica, concepto posteriormente confirmado por Hershey e Chase en Esta contribuci n, xunto coas de Max DelbrŸck e Salvador Luria sobre a biolox a e a recombinaci n xenžtica en bacteri fagos, fertilizaron adecuadamente o campo cient fico para que en 1953 se propuxese desde a Universidade de Cambridge (Watson & Crick, Reino Unido) a estructura dunha molžcula de DNA, vixente basicamente a nda hoxe, utilizando unhas boas fotograf as de difracci n de raios X realizadas por Rosalind Franklin. TamŽn neste mesmo per odo, e debido sen dœbida s necesidades masivas de antibi ticos requiridas polos feridos da Segunda Guerra Mundial, ten lugar o desenvolvemento b sico da enxe er a de grandes fermentadores para a producci n de f rmacos. Para isto tivžranse que aplicar conceptos sobre axitaci n, transferencia de os xeno, e desenvolver

296 296 Tomás G. Villa / Juan M. Lema Rodicio Biolox a molecular Microbiolox a Bioqu mica XenŽtica Biolox a celular Enxe er a qu mica Biotecnolox a molecular Principios activos Vacinas Producci n vexetal e animal Diagn stico Medio natural Final sžculo XX Comezo sžculo XXI Aumento da esperanza e da calidade de vida Figura 1. Xénese e contribucións da Biotecnoloxía no século XX.

297 A Biotecnoloxía no século XX: o inicio dunha revolución? 297 dispositivos eficaces de esterilizaci n ou procesos de concentraci n e purificaci n de productos. ç fin da džcada dos sesenta, era xa evidente que as bacterias conti an un modelo de organizaci n xžnica (oper n/regul n, fundamental no desenvolvemento da Biotecnolox a molecular) e que como pouco posu a dous tipos de endonucleasas, das cales as chamadas de tipo II que reco ecen e cortan unha secuencia espec fica de pares de bases no DNA, estaban chamadas a causar unha autžntica revoluci n na Biolox a molecular xa que permitiron infinidade de molžculas recombinantes de DNA. Din os historiadores da Biotecnolox a molecular que cando Stanley Cohen en Stanford e Herbert Boyer en San Francisco idearon en 1973 o mžtodo b sico para transplantar xenes dun organismo vivo a outro, e que estes se expresasen confer ndolle ser receptor caracter sticas fenot picas que antes non ti a, sab an perfectamente o que estaban facendo e que o primeiro, en particular, ti a unha visi n da ent n incipiente Biotecnolox a (segundo se reacu ar a na reuni n de Asilomar, California). Non ser a xusto, por outra banda, se non se destacase o mžrito do profesor Bol var desenvolve-lo primeiro pl smido pequeno (pbr322) verdadeiramente efectivo para a clonaci n en bacterias Gram negativas. A Biotecnolox a, se ben Ž unha rama moi nova da ciencia, parte de reas moi consolidadas. Calquera observador imparcial da actual situaci n en que encontra a Biotecnolox a mundial neste cambio de sžculo e milenio, decatar ase da situaci n complexa que atravesa debido, en parte, seu car cter multidisciplinar, o que fai que os profesionais procedan de eidos m is tradicionais como a Bioqu mica, a Microbiolox a, a Enxe er a qu mica, a XenŽtica, a Fisiolox a vexetal e animal, etc. (figura 1) e en parte tamžn (aplicado para Espa a en particular) debido inexistencia dun marco administrativo que aglutine t dolos biotecn logos para formaren unha Ôcasa comœnõ desta aventura apaixonante que representa a Biotecnolox a. O impacto das Ônovas tecnolox as biol xicasõ (termo que poder a competir co propio de Biotecnoloxia) manifestouse xa en moitos dos aspectos presentes na vida coti da Humanidade (saœde, ambiente, alimentaci n...). Deixando parte a ampl sima rea da Medicina biotecnol xica, que ser obxecto dun tratamento diferenciado nesta publicaci n, a Biotecnolox a permitiu o desenvolvemento de procesos eficaces e competitivos nas reas que se indican: Ñ obtenci n de productos bioactivos para o home e os animais, Ñ producci n vexetal e biodiversidade, Ñ producci n de enzimas, alimentos e bebidas por fermentaci n, Ñ agricultura e alimentaci n, Ñ carburantes e productos qu micos finos,

298 298 Tomás G. Villa / Juan M. Lema Rodicio Ñ tratamento e valorizaci n de productos de refugallos, Ñ recuperaci n de solos e acu feros contaminados. Na t boa 1 presžntanse algunhas previsi ns de mercado dalgœns productos, pertencentes a diversos campos de aplicaci n. Nos seguintes apartados revisaranse varios destes grandes campos, como unha mostra da potencialidade econ mica, cient fica, tecnol xica e social da Biotecnolox a. Composto 1 Valor (USD x 10 6 ) Anos para o desenvolvemento Amino cidos (9) Vitaminas (6) Enzimas (11) Hormonas estero dicas (6) Hormonas pept dicas (9) Ant xenos virais (9) Interfer n (Alfa + Beta) Antibi ticos Pesticidas Metano Etanol+Etilen e Propilenglicois Arom ticos (aspirina + Fenol) Inorg nicos (H 2 e NH 3 ) Táboa 1. Predicción de mercado de productos obtidos por Enxeñería xenética. PRINCIPIOS BIOACTIVOS PARA A INDUSTRIA FARMACÉUTICA O primeiro producto biotecnol - xico de alto poder farmacžutico foi a insulina humana clonada en sistemas bacterianos. Ese f rmaco poder a considerarse como un Ôparadigma biotecnol xicoõ e, en li as xerais, serviu de modelo s outros productos farmacžuticos de ndole biotecnol xica. Xa en 1921, Banting e Best (Toronto) comezaran o traballo sobre a posible relaci n entre unha hormona pancre tica e a diabete inducida en cans, logo de lles extirpar este rgano e comprobar que un extracto proteico de p ncreas mitigaba ou eliminaba transitoriamente os s ntomas diabžticos. Tras dun intento fallido, o neno Leonard Thompson recib a o 1 de xaneiro de 1922 unha inxecci n de hormona semipurificada que melloraba sensiblemen- 1 Os números entre parénteses representan o número de compostos xa existentes no momento da predicción.

299 A Biotecnoloxía no século XX: o inicio dunha revolución? 299 te o seu estado diabžtico. Nos dous meses seguintes, o grupo de Toronto puido anunciar por fin o descubrimento da hormona pancre tica que chamaron insulina. A finais dese ano, Banting e McLeod recibiron o premio Nobel de Medicina; o primeiro compartiuno con Best. Todo foi, case se pode dicir, espectacularmente r pido para a insulina, feito que se ten repetido arreo en todo o que atangue chamada Biotecnolox a farmacžutica. As, en 1923, a empresa estadounidense Eli Lilly & Co empezaba a producila comercialmente e ano seguinte fac ao Novo Nordisk desde Copenhaguen. Foi nesta empresa danesa onde se conseguiu, hai agora cincuenta anos, a insulina cristalina de acci n retardada, que ti a como vantaxe a diminuci n do nœmero de inxecci ns diarias necesarias para regula-la glicemia. Tendo en conta os cento corenta mill ns de diabžticos existentes no mundo, non Ž de estra ar a alegr a con que a sociedade celebrou a chegada das insulinas recombinantes humanas que representaba, entre outras cousas, a fonte inesgotable deste producto xžnico humano. Con toda probabilidade o sžculo XXI vai ver novas insulinas recombinantes, m is eficientes, de absorci n lenta ou ben de acci n moi r pida (por inversi n da orde de cod ns no xene), e mesmo se poder ver reintroducido o xene nos enfermos para que outro rgano produza de novo a hormona. Producto CŽlula Empresas productoras Ano Indicaci n/ hospedadora 1 aplicaci n Insulina humana 2 B Eli Lilly & Co., Novo Nordisk Diabete Hormona de, B,M Genentech, Bio-Tech General, 1985 Ananismo crecemento Carbiotech, Eli Lilly/Hybritech humana (hgh) Interfer n alfa-2a B Hoffmann-La Roche AG 1986 Leucemia sarcoma de Kaposi en SIDA Vacina L Merck & Co. Inc./Chiron Corp., 1986 Prevenci n da anti-hepatite B SmithKiine Beecham pic hepatite B Interfer n alfa-2b B Schering-Plough AG 1986 Leucemia, verrugas xenitais, arcoma de Kaposi, hepatite non A non B Activador tisular M Genentech Inc Infarto cr tico de miocardio, 1 Clave: B, bacterias; L, lévedos; M, células de diferentes mamíferos; H, fungos filamentosos. 2 Finalizado o século XX, a diabete afectaba a máis de 140 millóns de persoas no mundo, das cales o 10 % necesitan inxectarse insulina diariamente.

300 300 Tomás G. Villa / Juan M. Lema Rodicio Producto CŽlula Empresas productoras Ano Indicaci n/ hospedadora aplicaci n embolia pulmonar do plasmin xeno Somatotropina B, M Genzyme Transgenics Corp., 987 Deficiencia de Genentech Inc. hgh en nenos 1 Vacina B Praxis Biologics 1988 Influenza anti-influenza B de tipo B Eritropoyetina M Amgen Inc., Ortho Biotech, 989 Anemia cr nica Genzyme Transgenic Corp.1 causada por insuficiencia renal Interfer n alfa-n3 B Interferon Sciences 1989 Verrugas xenitais Interfer n gamma-1b B, L, M Genentech Inc Enfermidade granulomatosa cr nica Factor estimulante B Amgen Inc Neutropenia de colonias de causada por granulocitos quimioterapia (G-CSF) Factor estimulante L Immunex, Hoechst AG-Roussel 1991 Infecci n de colonias de relacionada co granulacitos transplante e macr fagos aut logo de (GM-CSF) Uclaf medula sea Interleuquina-2 B Cetus Corp., Interferon Sciences 1992 Terapia para o cancro, desordes sangu neas e de medula sea (IL-2) Synergen Factor VIII M Varias empresas 1992 Hemofilia A (da coagulaci n sangu nea) DNAsa M Genentech Inc Fibrose qu stica Interfer n beta-1b B Schering AG Pliarma 1993 Esclerose (Betaferon) mœltiple Beta-glicocere- M Genzyme Transgenics Corp Enfermidade de brosidasa Gaucher Tabla 2. Productos farmacéuticos recombinantes no mercado.

301 A Biotecnoloxía no século XX: o inicio dunha revolución? 301 Seguindo o ronsel deixado pola insulina humana recombinante, tivo lugar un crecemento espectacular do cat logo de productos farmacžuticos comercializados, como se recolle na t boa 2, tendencia que deber a proseguir no sžculo XXI, prevžndose que nos primeiros anos se logren uns cento corenta productos recombinantes sometidos s m is estrictas regulaci ns. Como se pode apreciar na t boa 3, os sistemas de expresi n que se desenvolveron na œltima vintena dos anos do sžculo XX inclœen bacterias (dominado por E. coli, seguido cada vez m is de preto por outras que claramente posœen un status GRAS ÑGenerally Recognized As SafeÑ como Ž o caso de Bacillus subtilis e en menor grao a nda Corynebacterium glutamicum/brevibacterium lactofermentum), lžvedos (S. cerevisiae, K. lactis, P. pastoris e H. polymorpha) e fungos filamentosos (Phycomyces, Aspergillus). Durante a džcada de 1960 e principios da seguinte, traballouse activamente con dous lžvedos metilotr ficos: Pichia pastoris e Hansenula polymorpha (sin. Pichia polymorpha) como microorganismos de fermentaci n robustos (especialmente a primeira) destinados a transforma-los residuos industriais das petroleiras en prote na unicelular. Logo dunha crise duns quince anos, mbalas especies m is Kluyveromyces lactis, Schizosaccharomyces pombe e m is recentemente Yarrowia lipolytica (sin. Candida lipolytica) foron configur ndose como alternativas ( s veces moi superiores) todopoderosa S. cerevisiae no apartado de Biotecnolox a das fermentaci ns para a producci n de f rmacos recombinantes de calidade (vžxanse as t boas 2 e 3). Unha das principais vantaxes que presentan os lžvedos en relaci n con productos de xenes humanos ou implicados directamente na terapia humana, Ž a sœa capacidade de glicosilaci n dos productos xžnicos, s veces imitando as glicosilaci ns realizadas por cžlulas de mam fero como Ž o caso de S. pombe. A xeito de exemplo, a t boa 4 resume os niveis de productividade en fermentadores para algœns xenes humanos expresados en lžvedos. No sžculo entrante desenvolveranse sistemas, hoxe incipientes, de arqueobacterias (Halobacterium e Haloarcula) que son capaces de glicosilar dun modo moi similar s sistemas eucari ticos. LŽvedo hospedador Producto Ano Pichia pastoris Ant xeno de superficie do virus da hepatite B 1987 Estreptoquinasa 1989 Factor de necrose tumoral humano 1989 Lisozima bovina 1989 Aprotinina 1991 Fragmento C da toxina do tžtanos 1991 gp 120 do HIV 1991

302 302 Tomás G. Villa / Juan M. Lema Rodicio LŽvedo hospedador Producto Ano Receptor de IgE humano 1992 Transferrina 1995 Inhibidor da prote nasa 6 humano 1995 AlŽrxenos herb ceos 1996 Diversas amilasas 1996 Opsina bovina 1997 Lacasa 1997 AlŽrxeno Bla g Factor humano tisular 1998 Lipasa biliar humana 1998 Patatinas 1998 Gonadotropina cori nica humana e activa 1999 Prote na atrapaolores da abella 1999 Hansenula polymorpha Ant xeno de superficie mediano do virus da hepatite B 1989 Seroalbœmina humana 1990 Ant xenos de superficie S e L do virus da hepatite B 1991 Kluyveromyces lactis Activador tisular do plasmin xeno 1990 Interleuquina-I b humana 1991 Seroalbœmina humana 1991 Ant xeno de superficie do virus da hepatite B 1992 Lactoglobulina beta ovina 1996 Schizosaccharomyces pombe Antitrombina III humana 1987 Factor XIIIa humano 1989 Factor estimulador de colonias de macr fagos (truncado) 1994 Yarrowia lipolytica Interfer n porcino 1990 Factor de coagulaci n XIIIa 1992 b-glicuronidasa 1993 Ant xeno de superficie hepatite B 1994 Case n quinasa II 1997 Táboa 3. Productos terapéuticos (ou relacionados) recombinantes expresados en lévedos diferentes a Sacharomyces cerevisiae Producto LŽvedo hospedador Promotor Productividade Ano Seroalbœmina humana Saccharomyces cerevisiae CUPI 0,6 mg/l 1986 Kluyveromyces lactis UYPI mg/l 1990 PGK/LAC mg/l 1991 Mon mero de AgsHB S. cerevisiae PGK1 1-2 mg/100 mg Hansenula polymorpha MOX1 de prote na AOX1 2,7-3,6 mg/100 mg 1982 de prote na ,3 mg/100 mg 1987 de prote na

303 A Biotecnoloxía no século XX: o inicio dunha revolución? 303 Producto LŽvedo hospedador Promotor Productividade Ano Seroalbœmina humana Saccharomyces cerevisiae CUPI 0,6 mg/l 1986 Kluyveromyces lactis UYPI mg/l 1990 PGK/LAC mg/l 1991 Mon mero de AgsHB S. cerevisiae PGK1 1-2 mg/100 mg 1982 de prote na Hansenula polymorpha MOX1 2,7-3,6 mg/100 mg 1989 de prote na Pichia pastoris AOX1 2,3 mg/100 mg 1987 de prote na Interleuquina- S. cerevisiae PGK 1-2 mg/l b humana K. lactis PH05 80 mg/l 1991 Interfer n alfa humano S. cerevisiae PGK1 5 mg/l 1982 IGF-1 S. cerevisiae ADH2/GAPDH 25 mg/l 1989 Lactoferrina humana S. cerevisiae Chelatin 1,5-2 mg/l 1993 Lactoglobulina beta S. cerevisiae PGK mg/l 1996 ovina K. lactis PGK mg/l 1996 Hirudina S. cerevisiae GAL10 59 mg/l 1995 Fibrin xeno S. cerevisiae GAL1 30 mg/l 1995 Táboa 4. Productividade para determinados compostos terapéuticos, recombinantes, sintetizados en distintos lévedos. Unha rea de enorme importancia econ mica e social que previsiblemente se acrecentar durante o primeiro cuarto do sžculo XXI Ž o desenvolvemento de vacinas para previ-las enfermidades infecciosas que provocan dezasete dos cincuenta mill ns de falecementos que ocorren cada ano no mundo. Delas, as dez m is preocupantes, pola sœa incidencia, son as infecci ns respiratorias agudas, a tuberculose, as enfermidades diarržicas, a malaria, a hepatite B, a SIDA, o sarampelo, o tžtano neonatal, a tose ferina, a lombriga intestinal e a anquilostomiase. Segundo a Organizaci n Mundial da Saœde (OMS), cada ano morren destas enfermidades infecciosas case nove mill ns de nenos menores de catorce anos e polo menos tres mill ns salvar anse se as vacinas xa existentes se utilizasen m is amplamente. Os demais necesitar an doutras vacinas a nda inexistentes para sobrevivir. Resulta dram tico comprobar que nos postremeiros tempos do sžculo XX falec an a nda setecentos cincuenta mil nenos ano debido a unha enfermidade tan cl sica como o sarampelo. A elaboraci n de vacinas est impulsada por, como pouco, tres factores: I) a necesidade de salvar vidas; II) o descubrimento cient fico e a innovaci n tecnol xica propia da nosa sociedade; e III) o concepto de que os

304 304 Tomás G. Villa / Juan M. Lema Rodicio microorganismos causantes de enfermidades son tamžn seres xenžticos e, como tales, suxeitos s mesmas forzas evolutivas c home. Como ben sinalou Joshua Lederberg, este œltimo aspecto delimita unha v a de dous sentidos e han vixiarse constantemente os pat xenos emerxentes, as cepas resistentes, etc. A producci n industrial de productos de alto valor engadido representou, baixo o punto de vista tecnol - xico, un importante reto no campo de dese o de dispositivos de fermentaci n. As, a necesidade de prove-los cultivos de altas velocidades de aireaci n propiciou o desenvolvemento de novos sistemas tanto para a subministraci n de aire (difusores, membranas), como para a homoxeneizaci n do equipo. Especialmente delicados son os equipos destinados a cultivos de cžlulas animais, cun elevado cociente respiratorio e que, tempo, presentan unha elevada fraxilidade. Entre os sistemas que se mostraron m is eficaces destacan os fermentadores air lift, os equipos con perfusores e os encaixes fermentadores/membranas, con diferentes tecnolox as e campos de aplicaci n. Os sistemas de monitorizaci n e control do proceso experimentaron un extraordinario avance nos œltimos anos, tanto no equipamento coma nas estratexias de control. Hoxe en d a non Ž infrecuente a instalaci n de equipos relativamente sofisticados, como espectr metros de masas conectados on line sistema de fermentaci n. A an lise detallada do caudal e, sobre todo, da composici n dos gases desprendidos, permiten precisar polo miœdo o estado metab lico do cultivo e, deste xeito, caracterizar con exactitude a fase de fermentaci n. Con isto l grase non s maximiza-la producci n sen n, ademais, evitar situaci ns non desexadas como a derivaci n do fluxo metab lico a rutas diferentes. Introduciuse con Žxito, ademais, o concepto de control do proceso baseado en sistemas expertos (expert systems), moitas veces combinado co uso de Ôl xica borrosaõ (fuzzy logic) que permitiu efectuar un adecuado control sen necesidade dun modelo matem tico preciso, que en moitas ocasi ns resulta complexo ou inviable formular (figura 1). O algodón de tubo de ensaio é un interesante resultado biotecnolóxico. Cada célula convértese nunha fibra de algodón e o proceso é máis rápido có cultivo tradicional.

305 A Biotecnoloxía no século XX: o inicio dunha revolución? 305 Menci n parte merece o desenvolvemento dunha serie de ÔbiosensoresÕ capaces de detectar tanto par metros de tipo xenžrico (ATP...) como productos espec ficos (glicosa, lactosa, cidos, prote nas...), o cal permitiu un eficaz proceso de monitorizaci n on line. O desenvolvemento m is espectacular consiste nos biosensores producidos con tecnolox a chip que permitir n unha moi complexa instrumentaci n incluso a baixo prezo, nos puntos m is sensibles do equipo. TamŽn houbo que desenvolver tžcnicas de concentraci n e purificaci n (dowstream) sofisticadas para lograr, a un tempo, a recuperaci n do producto desexado e a eliminaci n de compo entes indesexados, bioloxicamente inactivos. ƒ destacable que moitos dos productos obtidos se encontran no caldo de cultivo a uns niveis extremadamente baixos, se ben o seu elevado valor fai interesante a sœa recuperaci n (ver t boa 3). Entre as diferentes metodolox as m is innovadoras destacan as tžcnicas cromatogr ficas (de intercambio i nico, de afinidade, por exemplo), xa a escala industrial, e as tžcnicas de concentraci n-separaci n por membranas. A Biotecnolox a farmacžutica estivo desde o seu inicio sometida dobre vertente de tratar de obter productos bioactivos que contribœan a palia-la dor e a enfermidade pero, tempo, de desenvolver procesos que abaraten custos de producci n e xeren beneficios s empresas correspondentes (ha considerarse que, marxe do apoio prestado por entes gobernamentais a travžs de plans espec ficos, a investigaci n en Biotecnolox a foi financiada, especialmente, por compa as farmacžuticas. Neste sentido, as t boas 5 e 6 resumen as fusi ns m is recentes entre empresas e as l deres por cotas de mercado das empresas a finais do sžculo XX. Comprador Adquisici n Data Tama o (mill ns de USD) American Home Monsanto 6/ Sandoz Ciba-Geigy 3/ Glaxo Holdings Weiicome 1/ Bristol-Myers Sqtjibb 7/ Roche Holding Corange 5/ American Home Products American Cyanamid 8/ Hoechst Marion Merrell Dow 2/ Accionistas Zeneca 6/ Upjohn Pharmacia 8/ Táboa 5. Algunhas das grandes fusións de empresas biotecnolóxicas.

306 306 Tomás G. Villa / Juan M. Lema Rodicio Consorcios Mercado (%) 1 Glaxo-Wellcome 4,70 2 Novartis 4,40 3 Merck + Co. 3,50 4 Hoechst Marion 3,50 Roussel 5 Bristol-Myers-Squibb 3,10 6 American Home 3,00 7 Johnson & Johnson 2,90 8 Pfizer 2,90 9 Hoffmann-La Roche 2,60 10 SmithKline-Beecham 2,50 Total (de vendas 33,10 do sector farmacžutico) Táboa 6. As dez empresas farmacéuticas líderes a finais do século XX. A BIOTECNOLOXÍA E A PROTECCIÓN DO MEDIO O uso de microorganismos para a eliminaci n de materia org nica en augas residuais domžsticas lžvase aplicando durante moitos anos, primeiro nas chamadas Ôfosas sžpticasõ e logo en unidades mellor controladas. A Ôlagoaxe estendidaõ Ž tamžn unha tžcnica tradicional que, a nda con melloras de tipo operacional e de dese o, segue sendo œtil. Sen embargo, o desenvolvemento espectacular dos procesos industriais, especialmente no sžculo XX, xerou a producci n de residuos tanto en fase l quida como gasosa e s lida. Nestes efluentes at panse adoito materiais xenobi ticos que, en numerosas ocasi ns, resultan dificilmente biodegradables (ou biodispo ibles), polo que se acumulan en solos, sedimentos e, por veces, en seres vivos. Por outra parte, un nœmero considerable destes productos resultan t xicos para os organismos vivos, polo que se requiriu a aplicaci n de novas tžcnicas e procesos tanto para o tratamento de augas como de solos e, en menor medida, de gases contaminados. Un dos procesos con m is Žxito, hoxe empregado masivamente na industria, Ž o de eliminaci n de augas residuais; pal ase as o preocupante problema da eutrofizaci n das augas. O proceso basžase na acci n combinada de microorganismos aut trofos, que oxidan a materia amoniacal a nitrato (proceso de nitrificaci n) e heter trofos, que utilizando materia org nica carbonada reducen o nitrato formato a nitr - xeno atmosfžrico (proceso de desnitrificaci n). Co fin de mellora-la eficacia desenvolvžronse equipos para acadar unha m is r pida transferencia de materia (os xeno) e procedementos para lograr unha maior densidade celular no reactor (sistemas de inmobilizaci n bacteriana ou equipos de membrana). A eliminaci n de f sforo Ñsegundo macronutriente de importanciañ consžguese mediante un proceso no que se alternan etapas de liberaci n de fosfato con etapas de acumulaci n intracelular, mediante o establecemento de ciclos an xicos/aerobios no equipo.

307 A Biotecnoloxía no século XX: o inicio dunha revolución? 307 Sen dœbida, a eliminaci n biol xica de materiais t xicos en augas residuais foi un campo no que se lograron resultados notables. A combinaci n de tžcnicas de enriquecemento en determinados grupos tr ficos coa aplicaci n en equipos especiais (reactores de membrana, sistemas de elevada densidade celular con microorganismos inmobilizados...), fixo posible a eliminaci n de compostos xenobi ticos considerados, ata hai pouco, como materiais recalcitrantes. O abandono de espacios industriais e a sœa transformaci n en zonas residenciais ou de lecer requiriu a recuperaci n de solos e acu feros. TamŽn os derramos de petr leo no mar, especialmente no caso de accidentes de superpetroleiros (na mente de todos est n os casos do Torrey Canyon, Exxon Valdez e, m is pr ximo, o do Aegean Sea) incentivaron o estudio deste problema. As tžcnicas de biorremediaci n, baseadas na acci n de microorganismos ÔnaturaisÕ ou ÔespecializadosÕ, tiveron, por este motivo, un enorme desenvolvemento. En ocasi ns efectœase simplemente unha Ôfertilizaci nõ do terreo, engadindo nutrientes para permiti-lo nacemento de microorganismos ÔnaturaisÕ, s veces complementando o proceso coa adici n de materiais que aumenten a Ôbiodispo ibilidadeõ do contaminante. Noutras faise unha sementeira de microorganismos previamente seleccionados para realiza-la metabolizaci n especializada destes contaminantes espec ficos. A aplicaci n de microorganismos recombinantes no medio natural est, a nda, nunha fase moi previa. As regulaci ns legais liberaci n medio de microorganismos manipulados xeneticamente son moi restrictivas pois a nda non se co ece con precisi n o impacto que exercer an f ra do seu mbito de aplicaci n inmediato. PŽnsese, por exemplo, quž suceder a de se producir un escape de microorganismos resistentes (ou mesmo que metabolicen) antibi ticos... Un campo de actuaci n de grande interese consiste en introducir nestes microorganismos unha sonda que, en ausencia do material contaminante, produza a lise celular, tras disparar un mecanismo autodestructivo. Hai ben pouco permitiuse a liberaci n controlada nun terreo contaminado de microorganismos enxe erezados segundo estas ideas; a avaliaci n dos seus resultados est a nda pendente. TamŽn se prestou moita atenci n degradaci n microbiana de residuos industriais aparentemente non-biodegradables. Un exemplo significativo Ž a aplicacion mineralizaci n de TNT, almacenado por toneladas en recintos militares ou a biodegradaci n de is - meros de lindano (hexaclorociclohexano), un insecticida empregado profusamente ata os anos sesenta; a sœa producci n a inexorablemente asociada dos seus is meros, menos activos, que se vert an libremente en solos e vertedoiros. Por œltimo, cabe destaca-lo esforzo dedicado tratamento de

308 308 Tomás G. Villa / Juan M. Lema Rodicio gases contaminados, especialmente con materiais xofrados (H 2 S, mercaptanos) ou compostos org nicos vol tiles (VOCÕ s). Para iso estanse a desenvolver biofiltros, bioabsorbedores ou biolavadores con diferentes configuraci ns e modos de actuaci n distintos e excelentes perspectivas de utilidade pr ctica. O TRIÁNGULO BIOTECNOLOXÍA, PRODUCCIÓN VEXETAL E BIODIVERSIDADE O futuro da Biotecnolox a no sžculo que empeza estar previsiblemente ligado s seres fotosintžticos (fundamentalmente plantas e en menor medida algas microsc picas). DesŽxase que as sementeiras produzan m is, que sexan m is resistentes a enfermidades, que non necesiten (ou necesiten un m nimo) de pesticidas, que consuman pouca auga, e ata que a manipulaci n produza froitos non s m is grandes, coma na actualidade, sen n tamžn m is saborosos. ƒ evidente que a medida que se foi poboando o planeta aumentaron as necesidades de alimentos, os cales, conforme se incrementaba o grao de benestar, ti an que ser mellores en calidade alimentaria, presentaci n e hixiene. Isto conseguiuse en parte nas œltimas duascentas xeraci ns humanas (aproximadamente equivalente a uns catro mil anos da vida do home) mediante a manipulaci n xenžtica que chamaremos ÔconvencionalÕ e permitiu a obtenci n dunha enorme variedade de h bridos. O sžculo XIX e os dous primeiros tercios do XX son sen dœbida t picos neste aspecto. Pœidose as alimenta-la Humanidade, ag s en certas grandes fames debidas especialmente a unha imperdoable falta de previsi n e, sobre todo, de sensibilidade na repartici n dos excedentes alimentarios do chamado Ôprimeiro mundoõ. Este proceso, sen embargo, levou consigo unha dr stica diminuci n do nœmero de plantas utilizadas para a alimentaci n (o mesmo se poder a dicir, incluso en maior grao de reducci n, para o caso dos animais utilizados na alimentaci n humana), o que xerou, principio de vagar e logo de xeito m is evidente, unha notable diminuci n da biodiversidade. A Humanidade, longo de toda a sœa historia, utilizou unhas tres mil plantas das oitenta mil estimadas comestibles que a nda quedan no planeta na actualidade. Destas tres mil, o home cultiva a grande escala s cento cincuenta e, destas, vintenove proporcionan o noventa por cento dos alimentos: 7 cereais (arroz, trigo, millo, sorgo, cebada, millo miœdo e triticale, que proporcionan o 52 % da enerx a total); 3 tubžrculos (mandioca, pataca e batata); 8 leguminosas (cacahuetes, ch charos, garavanzos, soia, fabas, feix ns, feix ns varados e ch charos de Angola); 7 oleaxinosas; 2 azucreiras (cana e remolacha) e 2 froiteiras (bananeira e coco). O noventa e nove por cento das necesidades alimenticias dos humanos procede do medio terrestre e s o un por cento do medio acu cola (inclu da a

309 A Biotecnoloxía no século XX: o inicio dunha revolución? 309 Moitas plantas teñen a rara propiedade de duplicar ou triplica-los seus cromosomas (poliploidía). A colleita do trigo moderno, por exemplo, é moito máis doada cá tradicional. pesca en mar aberto). A tendencia, segundo os observadores da UNESCO, Ž que esta cifra permaneza igual ou mesmo aumente cara medio terrestre no sžculo que comeza, por canto a productividade dunha hect rea de terra Ž moito m is alta c parte equivalente de medio acu tico. Xa que logo, Àcara a onde debe ser canalizado o esforzo investigador de ndole biotecnol xica? Posiblemente cara medio terrestre, xa que Ž al onde maioritariamente se atopan os recursos alimentarios m is estendidos. Por outro lado, non ser a desatinado tratar de aunar esforzos pœblicos de investimento transnacional para tentar aumentar ese baixo un por cento da producci n acu cola. A conclusi n Ž inevitable: o home Ž (foino sempre) un manipulador primario de seres vivos e, facelo no seu proveito, induce a perda da biodiversidade do planeta, xa que favorece a selecci n dunhas poucas especies ou razas que necesita. Existe unha serie de exemplos xa cl sicos que inciden nesta idea. As, entre 1945 e 1986, Grecia abandona o noventa e cinco por cento de variedades nativas de trigo e moitas delas pžrdense; entre 1970 e 1973 Espa a perde sete de dez cultivos primitivos de mel ns; na actualidade, a Repœblica Sudafricana perdeu o noventa e nove por cento de variedades nativas de sorgo e Francia s conta doce variedades de maceira fronte s dœas mil que ti a no sžculo XIX. Por outra parte, esta manipulaci n conduciu a un aumento de enfermidades por dexeneraci n xenžtica dos cultivos e, concomitantemente, un aumento espectacular do consumo de productos fitosanitarios. Os exemplos cl sicos inclœen a acci n de Phytophtora infestans que destru u a metade da producci n de pataca en Irlanda en 1846 (cunha extraordinaria incidencia social, como foron as emigraci ns masivas do Vello Novo Mundo) e houbo que recorrer a cruzamentos con reserva xenžtica silvestre (Solanum demissum). O mesmo poder a dicirse para filoxera, que en 1860 arrasou os vi edos europeos ou a destrucci n de millo sudista por Helmintosporium maydis. Tense recorrido sistematicamente na historia a retrocruzamentos co fondo xenžtico silvestre para recupera-la resistencia a

310 310 Tomás G. Villa / Juan M. Lema Rodicio pragas e factores ambientais, mesmo a sabendas do co ecido axioma de que os h bridos acabar an por desenvolve- -los seus propios parasitos/pat xenos espec ficos e que outra volta haber que recorrer retrocruzamento nun ciclo permanente e repetitivo. Nos quince ou vinte œltimos anos do sžculo XX, a Biotecnolox a conseguiu introducir infinidade de caracter sticas dominantes en cultivos de plantas importantes na alimentaci n humana que as fan resistentes a unha gran variedade de factores ambientais adversos e que van desde a resistencia a pat xenos tales como virus, viroides, bacterias e fungos filamentosos ata resistencia auga de rega rica en sal ou resistencia maduraci n r pida de certos froitos. Esta serie de movementos de manipulaci n xenžtica dos xenomios principais das plantas (tamžn co ecida como transxžnese) foi motivada por dous factores clave: o esgotamento paulatino dos recursos e do potencial da xenžtica convencional e a curiosidade inherente cient fico. Con ser isto importante, a achega da Biotecnolox a no cap tulo de biodiversidade est a nda por vir e desenvolverase neste sžculo que comeza. Debido a que as tžcnicas de Biolox a molecular que utiliza son moi poderosas, Ž labor relativamente simple protexe-la biodiversidade de calquera ser vivo (entendžndoo como un todo, tal e como ocorre na natureza); pero tamžn pode entenderse por biodiversidade a preservaci n da caracter stica ou conxunto de caracter sticas m is importanrtes da especie de que se trate e traspasar estas a outra receptora. Deste xeito garantir ase que non se perda de vez o positivo que a natureza seleccionou mediante evoluci n natural durante mill ns de anos. Tal pr ctica, sempre que se poida, debe realizarse mediante ÔparatransxŽneseÕ, Ž dicir, clonaci n sobre xenomios secundarios (mitocondrias ou cloroplastos) das cžlulas de animais ou plantas, respectivamente, para distorsionar o menos posible a marcha evolutiva propia da especie receptora. Actual 1 Potencial 2 Cana de azucre Mandioca Tomate Aceite de palma Cacahuete 1,6 4,0 Aceite de ricino 0,6 2,5 Con feras temperadas Con feras tropicais Frondosas tropicais Táboa 7. Produccións actuais e potenciais dalgunhas plantas cultivadas e especies forestais (Tm/Ha). 1 Esta estimación enténdese só para cultivos realizados por procedementos clásicos, incluíndo a mellora xenética. 2 As produccións potenciais teñen en conta: a) aumento de reforestación, si pertinente; b) mellora xenética por manipulación de células xerminais; c) desenvolvemento de plásmidos centroméricos e plantas transxénicas (non inclúe, sen embargo, o desenvolvemento que poida conseguirse segundo as estimacións con plantas paratransxénicas); d) optimización de procesos; e) educación laboral do traballador; f) política empresarial.

311 A Biotecnoloxía no século XX: o inicio dunha revolución? 311 O outro factor importante que acompa a a achega da Biotecnolox a producci n vexetal, mediante acci ns ABP (acci ns biotecnol xicas posibles) ten que ver evidentemente co aumento da producci n pura da biomasa vexetal. A xeito de exemplo am sanse na t boa 7 as estimaci ns realizadas por expertos da ONU para o sžculo entrante nalgœns cultivos mediante ABP. Un aspecto relativamente pouco desenvolvido pola Biotecnolox a para o mundo de producci n vexetal relacionado coa BioenerxŽtica Ž a obtenci n de novas estirpes ou variedades con maior rendemento na formaci n de biomasa. Os factores que inflœen no rendemento da conversi n enerxžtica da fotos ntese de plantas superiores son os seguintes: da enerx a solar incidente, dado que as plantas non utilizan a zona IR (43 %) e a reflexi n de enerx a por follaxe e transmisi n chan (34,4 %) e tendo en conta a reducci n intr nseca debida ciclo de Calvin (Rubisco) (9,8 %) e correcci n respiratoria (6,5 %), s se aproveita entre un seis e un sete por cento da enerx a solar incidente. Ademais, se se ten en conta o rendemento real interanual, esta cifra resulta a nda inferior (pode baixar ata un 2,5 % para a cana de azucre). Un simple c lculo indica que ser an necesarias cincuenta hect reas de bosque para acumula-la mesma enerx a que acumular a unha hect rea de espellos. As ABP a longo prazo incluir an: a) o incremento da zona do espectro electromagnžtico de captaci n enerxžtica para as plantas verdes e b) o incremento no rendemento do Ciclo de Calvin, ben aumentando o nœmero de molžculas de ribulosa 1,5-di-fosfato-carboxilasa (Rubisco), aumentando as reservas intracelulares de ribulosa 1,5-di-fosfato, aumentando o nœmero de cloroplastos por cžlula, etc. As ABP m is evidentes Ñmoitas das cales xa foron desenvolvidas por transxžneseñ derivan de elimina-las perdas que sobre os cultivos xeran enfermidades causadas por microorganismos (inclu ndo as provocadas por fungos fitopat xenos) e por insectos; s controlando estas perdas aumentar a considerablemente o rendemenrto medio das plantas cultivadas. A parte negativa Ž que as plantas de alto rendemento poden causar efectos negativos no medio natural como son lixivaci n de fertilizantes e deterioraci n da calidade das augas, aumento do consumo de biocidas non degradables, diminuci n da pesca, aumento da construcci n de silos e outros almacžns e baixada das hect reas dedicadas cultivo do algod n e de leguminosas. En pa ses como a India comprobouse que este tipo de cultivos con variedades de moi alto rendemento incidiu negativamente tamžn en aspectos socioecon micos como son o aumento dr stico dos cržditos bancarios, a autarqu a alimenticia, o aumento do traballo asalariado e a diminuci n de propietarios de terra cultivable e o aumento do prezo da terra, entre outros. A mediados dos anos oitenta do sžculo XX, calcul base nunha media de

312 312 Tomás G. Villa / Juan M. Lema Rodicio cinco a dez anos anos o tempo necesario para conseguir aumentar notablemente mediante transxžnese (sen inclu r a paratransxžnese) a producci n dos compostos listados. En moitos casos (especialmente naqueles en que o producto Ž codificado por varios xenes que definen unha ruta bioqu mica complexa, caso da maior a dos antibi - ticos), a previsi n foi lamentablemente curta e nos casos nos que se logrou a clonaci n da ruta completa, a producci n non era significativamente superior conseguida coas estirpes que os xenžticos cl sicos desenvolveran longo de miles de mutaci ns e selecci n posterior. Rematando o sžculo XX, en concreto en 1995, realizouse un interesante balance (t boa 8) sobre a incidencia que a Biotecnolox a molecular de plantas cultivadas tivera na econom a daqueles pa ses en v as de desenvolvemento que, ou ben importaran as novas plantas transxžnicas ou ben realizaran un esforzo orzamentario adicional para desenvolve-las sœas propias. A. Por tžcnicas de cultivo celular e de tecidos Ata ,9 CafŽ (8), bananas (16), arroz (6), goma (5), tabaco (2), vainilla (2), patacas (1) ,2 Cana de azucre / remolacha azucreira (16), cacao (15), tž (4), soia (3), aceite de palma (3), trigo (3), millo (1), aceite de xirasol (1) SŽculo XXI 3,4 Algod n (15), coco (10) B. Por plantas transxžnicas Ata ,4 Goma (5), tabaco (2), millo (1), patacas (1) ,5 Remolacha azucreira (16), bananas (16), algod n (15), arroz (6), soia (3), xirasol (1) SŽculo XXI 21,7 CafŽ (27), cana de azucre (16), cacao (15), coco (10), tž (4), aceite de palma (3), trigo e fari a (3) C. Por plantas paratransxžnicas Non existen predicci ns Táboa 8. Incidencia da Biotecnoloxía clásica e molecular nas economías de países en vías de desenvolvemento a finais do século XX e previsións para a primeira década do XXI (medido como exportacións x 10 5 millóns de USD) 1. 1 Os números entre parénteses aluden ó número de países incluídos no estudio. CONCLUSIÓNS Con estas notas pretendemos reflexionar sobre os logros e potencialidades da Biotecnolox a en diferentes campos de aplicaci n. A pesar dos seus poucos anos, a Biotecnolox a contribu u resoluci n de problemas importantes para a Humanidade, dando respostas eficaces en campos tan variados como a saœde, a alimentaci n e o medio natural. As contribuci ns achegadas pola Biotecnolox a son, ata o de agora, de enorme relevancia, se ben quizais nos encontremos simplemente no principio dunha verdadeira revoluci n que

313 A Biotecnoloxía no século XX: o inicio dunha revolución? 313 permitir cambia-los sistemas productivos e que afectar decisivamente a calidade de vida dos cidad ns. REFERENCIAS Bol var, F., e outros, Construction and characterization of New Cloning Vehicles. II, Multipurpose Syste. Gene II, 1997, Cohen, J., e outros, Construction of Biologically Functional Bacterial Plasmids in vitro PNAS 70, 1973, Cohen, J., ÒThe genomics GambleÓ, Science, 275, 1997, Correa, C. M., Innovaci n y producci n en AmŽrica Latina, Bos Aires, Arxentina, Colecci n CEA-CBC, ÓPrivate Biopharmaceutical Capacity in Developing CountriesÓ, Biotechnology and Development Monitor, 9, 1999, 7-8. Glick, B. R., e J. P. Pasternak, Molecular Biotechnology. Principles & Applications of Recombinant DNA, American Society for Microbiology, EUA, ASM Press, Sasson, A., Biotechnologies in Developing Countries: Present and Future, volume 1, Regional and National Survey, France, ONU Publishing, Biotecnolog as aplicadas a la producci n de f rmacos y vacunas, Cuba, Elfos Scientiae, Tombs, M. P., Biotechnology & Genetic Engineering Reviews, Reino Unido, Intercept Ltd., Villa, T. G., e J. Abalde, Profiles on Biotechnology, Santiago de Compostela, Servicio de Publicaci ns da Universidade de Santiago de Compostela, 1992.

314

315 315 MENTE E CEREBRO Carlos Acu a Castroviejo* Universidade de Santiago de Compostela Os principios evolutivos baseados na doutrina de Darwin 1 foron unha ferramenta fundamental para chegar a comprende-las formas e as funci ns dos corpos dos animais. Unicamente as ciencias que tratan do cerebro, a mente e a conducta humana quedaron relativamente illadas do poder explicativo deste enfoque, concentr ndose en cambio nas operaci ns e atributos do cerebro e da conducta tal e como os co ecemos hoxe en d a. Se a selecci n 2 natural darwiniana Ž a principal forza organizadora detr s do dese o funcional das especies, evidentemente proporciona un marco te - rico para ordena-la enorme cantidade de datos que se acumularon nos œltimos anos sobre o cerebro, a mente e maila conducta. î trata-lo cerebro e a mente como unha colecci n de instrumentos que evolucionan para resolve- -los problemas de adaptaci n cos que se enfrontaron os nosos devanceiros, a l xica do cerebro e da mente contempor nea t rnase m is clara. A teor a da selecci n establece que os individuos de calquera especie que estean mellor adaptados para sobreviviren nas condici ns ambientais predominantes son os que se reproducen con m is Žxito. Esta teor a viuse reforzada pola XenŽtica 3 e polo co ecemento de que moitos xenes 4 existen en distintas variantes (alelos 5 ), cada un dos cales pode conferirlle caracter sticas lixeiramente diferentes seu portador. Esta variaci n alžlica proporciona o ambiente rico sobre o cal actœa a selecci n, e cando as situaci ns * Catedrático de Fisioloxía 1 C. Darwin, The origin of species by means of natural selection, Londres, J. Murray, sexta edición, Reproducción diferencial e non ó azar de diferentes xenotipos que operan para altera-la frecuencia de xenes nunha poboación. 3 A Xenética é a rama da ciencia implicada en cómo se transmite e cáles son as consecuencias da xeración dos compoñentes da herdanza biolóxica. 4 Secuencias específicas de nucleótidos na molécula de ADN (ácido desoxirribonucleico) que representan as unidades funcionais da herdanza. 5 Formas mutuamente exclusivas do mesmo xene, que ocupan idéntico lugar en cromosomas homólogos e gobernan o mesmo proceso bioquímico e de desenvolvemento. Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

316 316 Carlos Acuña Castroviejo cambian os individuos que levan outros alelos v lvense os mellor adaptados e, xa que logo, os de m is Žxito. Engadidas fonte da variaci n alžlica, as mutaci ns 6 ou mesmo os cambios maiores no xenoma 7 producidos pola reordenaci n 8 dos cromosomas poden, en condici ns axeitadas, producir maiores desv os na forma e tamžn na funci n. Esta selecci n darwiniana, con todo, non nos informa sobre o progreso, o Žxito ou o fracaso, ou a competencia dunha especie. A ciencia da evoluci n unifica a biolox a, desde as molžculas ata a conducta m is complexa. Baixo a ampla diversidade do dese o animal descansan uns principios organizadores unificadores e un proceso comœn de desenvolvemento. O descubrimento de que os vertebrados e os invertebrados expresan xenes similares (por exemplo, os xenes homeobox 9 ) durante o desenvolvemento de rexi ns aproximadamente comparables tivo un impacto enorme, e non menor na promoci n da re-emerxencia do campo da biolox a evolutiva do desenvolvemento. A EVOLUCIÓN DO CEREBRO HUMANO ESTRUCTURA, ONTOXENIA 10 E FILOXENIA 11 Se o que fai humano o home Ž o seu cerebro, Àque Ž este rgano dotado desas calidades?, ÀŽ unha m quina, unha computadora? Non, Ž un biosistema. Esta distinci n Ž fundamental xa que os biosistemas te en historia, filoxenžtica e ontoxenžtica, e est n dotados das leis e propiedades de t dolos seres vivos. O cerebro contžn dous tipos principais de cžlulas. As neuronas son os elementos que producen sinais de maneira activa. As cžlulas gliais son m is numerosas, de varios tipos e con funci ns diversas; un tipo de gl a actœa como elemento estructural do cerebro; outros te en funci ns de mantemento do medio interno cerebral (homeostase 12 ). No cerebro hai varios tipos de neuronas, pero todas te en un patr n xeral similar (figura 1.A). O corpo celular (soma) contžn o nœcleo e varios org nulos implicados en funci ns de 6 Calquera cambio detectable e herdable no material xenético non producido por segregación xenética ou recombinación, que é transmitido a células fillas e a xeracións sucesivas, sempre e cando non sexa un factor letal dominante. 7 O complemento xenético completo dun organismo. Encóntrase nun grupo de cromosomas en eucariotas (células de organismos superiores que conteñen un verdadeiro núcleo rodeado por unha membrana nuclear). 8 Ordenación de maneira diferente das rexións dos cromosomas. Os cromosomas son as estructuras dentro do núcleo das células do home que conteñen o material hereditario (ADN). Normalmente hai 46 cromosomas no home, incluíndo dous que determinan o sexo do individuo, XX para a muller e XY para o home. 9 Do grego homeo, similar, e do inglés box, caixa, refírese a unha secuencia no ADN, común ós xenes que dirixen o desenvolvemento da estructura corporal en, virtualmente, tódolos animais, incluíndo vermes, moscas, paxaros, ratos e o home. 10 Desenvolvemento do individuo, referido en especial ó período embrionario. 11 As relacións de grupos de organismos reflectidas nas súas historias evolutivas. 12 A tendencia á estabilidade nos estados corporais normais (ambiente interno) do organismo. Prodúcese por un sistema de mecanismos de control activados por un feedback negativo.

317 Mente e cerebro 317 Figura 1. A: neurona da cortiza cerebral. e: axón; a, l e p: dendritas. O soma neuronal é a parte central máis escura. B: corte da cortiza cerebral visual do home, mostrando os tipos de neuronas en cada lámina horizontal. A parte superior é a superficie da cortiza e a inferior continúase coa substancia branca 13. s ntese para o mantemento da funci n neuronal. Do soma, que pode medir entre unhas dez e cen micras de di metro, saen unhas arborizaci ns chamadas dendritas que reciben moitos contactos procedentes doutras neuronas; estes contactos ch manse sinapse. Os sinais doutras neuronas chegan sempre a travžs da sinapse. Cada neurona emite un ax n, unha prolongaci n da neurona de lonxitude variable, desde algunhas micras ata cento cincuenta cent metros. O ax n Ž a v a de sa da da neurona, que leva os sinais ata outras neuronas a travžs da sinapse. Os sinais xerados nas neuronas condœcense como un impulso nervioso a travžs do ax n. A velocidade de conducci n Ž finita e var a segundo o tipo de neurona, pero Ž constante longo de cada ax n. O impulso nervioso xžrase mediante un mecanismo electroqu mico que consome enerx a, orixinando o potencial de acci n, un cambio transitorio r pido no potencial elžctrico da membrana da neurona que se despraza a velocidade constante desde o soma ata o final do ax n, o terminal sin ptico. O volume do cerebro do home Ž duns ml, e a cortiza cerebral contžn uns 28 bill ns de neuronas cada unha conectada coa outra por medio dun gran nœmero (de un a dez trill ns) de contactos sin pticos. Santiago Ram n y Cajal (1904) estableceu o dogma de que a relaci n entre as cžlulas nerviosas Ž de contigÿidade, non de continuidade. Para saltar esa separaci n entre unha e outra neurona no contacto sin ptico neces tase unha substancia qu mica que transmita o sinal entre 13 S. Ramón y Cajal, 1904.

318 318 Carlos Acuña Castroviejo elas. Estas substancias ch manse neurotransmisores. Cando o potencial de acci n chega terminal sin ptico, promove a liberaci n dun neurotransmisor que leva o sinal seguinte neurona. Os neurotransmisores œnense a lugares espec ficos na membrana das neuronas chamados receptores. Un dos maiores avances na Neurofarmacolox a do sžculo XX foi o co ecemento dos tipos de neurotransmisor, de receptor e da interacci n neurotransmisor-receptor. Outro dos descubrimentos m is importantes da Neurociencia foi o da plasticidade sin ptica, no que se mantžn que a eficacia da transmisi n nunha sinapse neuronal Ñe a formaci n inicial de sinapse durante o desenvolvementoñ depende do nivel de actividade sincr nica nas neuronas. A plasticidade sin ptica Ž un factor importante na ontoxenia dos circu tos neuronais na cortiza cerebral. Durante a ontoxenia, os ax ns son guiados por sinais qu micos ata establece-los seus contactos. A estabilizaci n e o refinamento posterior deses contactos sin pticos depende en parte da actividade dos circu tos. Algœns deses contactos fortalžcense, mentres que outros se debilitan e mesmo desaparecen dependendo da actividade sincr nica nesas neuronas. Polo tanto, no nivel sin ptico, non hai dous cerebros iguais e debido sœa experiencia cada cerebro est cambiando continuamente. Existe Figura 2. Vista lateral do hemisferio cerebral dereito do home. Sinálanse as rexións frontal, temporal, parietal e occipital. A rexión arredor da fisura de Rolando subdivídese en dúas rexións, a pre- e a poscentral (Brodman, 1909).

319 Mente e cerebro 319 a evidencia de que os mecanismos de plasticidade sin ptica son as bases da aprendizaxe e da memoria. A cortiza cerebral 14 (figura 1.B) ten unha estructura formada por, en xeral, seis l minas horizontais constitu das por diferentes tipos de neuronas; as neuronas de cada l mina est n interconectadas a travžs de conexi ns verticais formando unha columna; cada columna de neuronas est conectada a outras a travžs de conexi ns horizontais. Esta estructura fundamental Ž o m dulo b sico para o procesamento da informaci n no cerebro. A riqueza de conexi ns sin pticas, determinada pola plasticidade sin ptica, determinar as caracter sticas ÑŽ dicir, a eficaciañ deste procesamento. ÀComo se desenvolve e como evolucionou a cortiza cerebral? (figura 2) Durante o transcurso da evoluci n, a cortiza cerebral incrementou a sœa superficie pero non o seu grosor, unha tendencia que pode apreciarse nun per odo relativamente curto da evoluci n dos primates. A cortiza do home s Ž un quince por cento m is grosa c dos macacos, pero Ž dez veces maior en superficie. ƒ indubidable que para comprender c mo medrou esta estructura tan complexa no transcurso da evoluci n dos mam feros, necesitamos examina-los cambios celulares que se produciron durante a ontoxenia do cerebro 15. Os xenes e as molžculas que controlan as primeiras etapas da xžnese da cortiza cerebral son bos candidatos para determina-lo tama o e o patr n b sico da organizaci n cortical espec - fica das especies. Pasko Rakic 16 demostrou que, durante o desenvolvemento, a cortiza cerebral est formada por un elevado nœmero de unidades radiais, cada unha delas constitu da por un grupo de neuronas relacionadas clonicamente 17 producidas no mesmo lugar da zona proliferante que d orixe cortiza cerebral. O incremento da superficie da cortiza cerebral puido ocorrer mediante a adici n de unidades radiais, tanto como resultado de divisi ns extra das cžlulas fundadoras da zona proliferante como, posiblemente, por alteraci n do momento e da velocidade que morren cžlulas fundadoras superfluas. A zona proliferante ou ventricular (est pr xima ventr culo cerebral durante o per odo embrionario, de a o seu nome) vai orixina-las neuronas da cortiza cerebral e al enc ntranse moitas cžlulas precursoras en per odo de divisi n, de a o seu nome de ÔproliferanteÕ. As cžlulas migran cara placa 14 Manto duns 3 mm de espesor que cobre a superficie do cerebro. Está formado por células (neuronas e glía) dispostas en láminas paralelas á superficie do cerebro. 15 S. J. Gould, Ontogeny and Phylogeny, Cambridge, MA, Harvard University Press, P. Rakic, Specification of cerebral cortical areas, Science, 241, 1988, Os clons celulares son un grupo de células idénticas xeneticamente que descenden, en células eucariotas, por mitose dunha célula ancestral única común.

320 320 Carlos Acuña Castroviejo cortical en desenvolvemento que est por baixo da superficie da p a 18. A migraci n entre a zona proliferante e a placa cortical real zase formando un regueiro de neuronas: as unidades radiais. Varios mecanismos celulares determinan a localizaci n exacta das neuronas que se van formando nas tres dimensi ns da cortiza cerebral. A posici n de cada neurona Ž moi importante cando empezan a formarse conexi ns intr nsecas e extr nsecas e cando comezan a emerxer as reas corticais. A superficie da cortiza vžn determinada polo nœmero de unidades radiais formadas polas cžlulas fundadoras na zona ventricular. Isto implica que o incremento da superficie cortical durante a evoluci n puido realizarse mediante o incremento de novas unidades radiais 19. Un corolario Ž que os xenes que controlan a producci n de cžlulas na zona ventricular durante as primeiras etapas do desenvolvemento do embri n poder an determina-lo tama o da cortiza cerebral. Cambios relativamente pequenos no momento das divisi ns celulares poder an ter grandes consecuencias funcionais; por exemplo, incrementar ase o nœmero de cžlulas fundadoras, e como inicialmente a proliferaci n Ž exponencial, duplicar anse o nœmero de cžlulas fundadoras e, xa que logo, o nœmero de columnas radiais. Estes cambios poden explica-las diferencias de dez veces o tama o da superficie da cortiza cerebral nos macacos e no home. A morte celular (apoptose 20 ) pode ser tamžn un factor de control do nœmero de cžlulas na zona proliferante ventricular. A apoptose Ž un proceso complexo, polo que as mutaci ns en certos xenes poden afecta-lo momento en que ocorre e desta forma altera-la producci n de cžlulas destinadas para estructuras cerebrais espec ficas. A alteraci n do balance entre formaci n e apoptose de cžlulas na zona proliferante puido ser un mecanismo mediante o cal as mutaci ns influir an na expansi n da cortiza cerebral durante a evoluci n. Para comprende-lo proceso da evoluci n Ž necesario examina-los seus productos: a morfolox a actual nun certo nœmero de especies. A comparaci n revela similitudes e diferencias que nos permiten facer inferencias sobre os mecanismos que conduciron s estructuras actuais. Caracter sticas comœns puideron herdarse dun antepasado comœn. Se unha estructura non est presente entre dous especies p dese asumir que evolucionaron de maneira independente. 18 Ou piamáter: membrana que cobre a superficie da cortiza cerebral. 19 P. Rakic, A small step for the cell, a giant leap for mankind: a hypothesis of neocortical expansion during evolution, Trends in Neuroscience, 18, 1995, Un dos dous mecanismos polos que ten lugar a morte celular (o outro é por necrose). Apoptose é o mecanismo responsable da eliminación fisiolóxica das células e parece estar programada intrinsecamente. Esta forma de morte celular serve como balance da mitose para regula-lo tamaño dos tecidos dos animais.

321 Mente e cerebro 321 A neocortiza 21 cerebral est dividida en t dolos mam feros en moitas unidades funcionais, cada unha cunha aparencia diferente, cun patr n de conexi ns œnico e con neuronas con preferencias comœns a est mulos (figura 2). A complexidade da conducta 22 Ž paralela incremento no tama o da neocortiza, nœmero das sœas subdivisi ns funcionais e complexidade da sœa organizaci n interna. As similitudes e diferencias na organizaci n da cortiza cerebral entre especies son moi claras, o problema Ž determinar c mo ocorreron eses cambios en tama o e nœmero e c mo relacionalos con cambios na conducta. Intent ronse varias formas de acometer este problema e revelouse que existe un plan b sico comœn para a cortiza cerebral en t dolos mam feros, o que permitiu propo- er algunhas das maneiras en que este plan puido modificarse. Como os tipos de cambios son comœns a t dalas especies e restrinxidos, considžrase que detr s hai un mecanismo comœn. O tama o da neocortiza cerebral e o nœmero de reas corticais puido incrementarse mediante a adici n de novas aferencias 23 sensoriais desde a expansi n da periferia, canda unha expansi n do rudimento embrionario da neocortiza, a placa cortical, durante o desenvolvemento. Unha proposta Ž que os cambios te en lugar a travžs de variaci ns no desenvolvemento do sistema nervioso e que a identidade das reas corticais resulta dos patr ns de actividade das sœas aferencias durante o desenvolvemento. As reas sensoriais da cortiza cerebral poden diferenciarse porque cada unha contžn unha representaci n completa dun sistema sensorial perifžrico, por exemplo, da retina, da pel, da c clea, etc. (figura 2). As neuronas en cada rea te en respostas espec ficas ou preferencias a est mulos. Debido a isto Ž posible determinar estes sistemas en diferentes especies de mam feros, o que revelou que a organizaci n da neocortiza ten caracter sticas comœns en t dalas especies, como a presencia de distintas reas funcionais, inclu ndo campos independentes para representa-la visi n, a audici n, etc. Este feito indica que t dolos mam feros, independentemente da sœa orixe filoxenžtica, te en o mesmo patr n de organizaci n. Cambia, sen embargo, o tama o e a localizaci n deses campos. En xeral, o tama o das reas da cortiza parece relacionado co uso que cada especie fai do rgano perifžrico. Por exemplo, o gato ten almofadas especializadas nas sœas patas dianteiras Ñprobablemente para identificar e captura-las sœas presasñ e como consecuencia ten unha representaci n das almofadas moi grande na cortiza somatosensorial; Ž dicir, o nœmero de neuronas dedicadas s almofadas Ž moito maior c nœmero das dedicadas a representa-lo rabo, que usa menos. Da mesma maneira, o incremento no tama o da sœa rea 21 Cortiza cerebral de aparición filoxenética máis recente. 22 A resposta observable dunha situación e os procesos inconscientes subxacentes. 23 Sinais nerviosos que chegan a unha zona determinada do sistema nervioso.

322 322 Carlos Acuña Castroviejo auditiva pode tamžn indicar un aumento na especializaci n funcional. A organizaci n da cortiza parece outros reflecti-la conducta social. Por exemplo, os marsupiais con conducta social m is elaborada (por exemplo, a vida en comunidades, a defensa comœn ante predadores) posœen zonas corticais moito m is desenvolvidas ca outros marsupiais que non te en esa conducta social. En xeral, a diversidade da organizaci n cortical vai parella especializaci n relacionada coa funci n. T dolos mam feros te en unha constelaci n comœn de campos corticais e as sœas modificaci ns son limitadas. A nda que o tama o e a organizaci n interna cambien, os campos corticais nunca desaparecen completa- Figura 3. Cerebros de varias especies de vertebrados, desde a ra e ata o home 24, pasando polo mono. mente. Mesmo se algunha funci n est pouco desenvolvida, como a visi n nas toupas, hai un campo visual m nimo desenvolvido na sœa cortiza cerebral. Outra tendencia no desenvolvemento filoxenžtico Ž o incremento na cantidade de cortiza cerebral que aparece entre as reas sensoriais primarias 25 (figura 3). Os primates te en moita m is cortiza entre as reas primarias visuais, somatosensoriais e auditivas c resto dos mam feros. Por exemplo, os marsupiais te en dœas ou tres reas visuais, mentres que o mono macaco ten m is de vinte. O punto importante Ž o incremento na superficie cortical e no nœmero de campos que aparecen entre os campos sensoriais primarios. Nalgunhas especies engad ronse novos campos corticais cun cambio concomitante no patr n ou no peso das conexi ns entre reas que altera a relaci n entre os campos existentes. Como resultado, estructuras que se mantiveran desde antepasados comœns poden desempe ar novas funci ns, Ž dicir, son hom logas. Por exemplo, os receptores representados na rea somatosensorial primaria cambiaron durante a evoluci n; no platypus 26 est n representados receptores mecano-sensoriais e electro-sensoriais, mentres que nos primates se intercala a representaci n de 24 Baseado en M. R. Rosenzweig e A. L. Leiman (1982), Physiological Psychology, D. C. Heath & Co. 25 Aquelas zonas da cortiza cerebral que primeiro reciben os sinais dunha modalidade sensorial dada (somestesia, visual, auditiva, olfatoria, gustativa). 26 Un pequeno mamífero ovíparo acuático da orde dos monotremas.

323 Mente e cerebro 323 receptores mecano-sensoriais de adaptaci n lenta e r pida. En resumo, especies moi separadas Ñpertencentes s tres ramas principais da rbore evolutiva dos mam ferosñ amosan algunhas similitudes nas divisi ns b sicas da neocortiza. Todas te en subdivisi ns corticais independentes que responden preferentemente a unha ou m is das modalidades sensoriais. Cada campo ten unha organizaci n topogr fica e unha aparencia microsc pica xeral similar, o que indica que os campos son hom logos ou herdados dun antepasado comœn en vez orixin rense independentemente en cada especie. Este plan b sico Ž tan robusto que est presente en animais moi especializados e ata nos primates. ÀQue mecanismos produciron eses cambios durante a evoluci n? Semella probable que estivesen implicados diferentes procesos no cambio de tama o e complexidade dunha rea, no nœmero de reas e nas sœas localizaci ns. As mutaci ns xenžticas que alteran o nœmero de divisi ns celulares durante o desenvolvemento son unha posible causa do incremento do tama- o dunha rea ou da sœa complexidade. Os cambios na periferia sensorial como resultado de mutaci ns que alteran o nœmero e o tipo de receptores nun rgano sensorial poden influ r no tama o dun campo cortical modifica- -las condici ns de desenvolvemento, as como contribu r organizaci n do campo no individuo adulto a travžs de mecanismos dependentes do uso. Nun sentido amplo, acontecementos ambientais, como a aparici n da cultura ou a aprendizaxe social, poden influ r no desenvolvemento cortical e axudar s cambios din micos no cerebro adulto. Por exemplo, a evoluci n da linguaxe no home debeu de producir cambios dependentes do uso na organizaci n da cortiza cerebral. A rea de Broca (figura 2) Ñ rea primaria para a producci n da linguaxeñ pode considerarse como a expansi n dependente do uso da representaci n das estructuras orais na cortiza motora. Modificaci ns estructurais e funcionais na periferia axudan a po er en marcha a especializaci n funcional cortical. A aparici n de novas reas corticais entre as reas primarias puido xerarse como resultado de cambios nas aferencias, que crear an combinaci ns de aferencias novas. Se a actividade dos novos sinais aferentes se correlaciona co dos sinais aferentes xa existentes procedentes da mesma parte do corpo, p dense formar novos m dulos. A agregaci n deses novos m dulos funcionalmente similares, cunha redistribuci n a unha nova localizaci n, puidera dar lugar a unha nova rea. Eses cambios poden ocorrer con bastante rapidez na evoluci n. Por exemplo, a cortiza somatosensorial do raposo voador (un megaquir ptero, probablemente ramificaci n precoz da li a dos primates e, polo tanto, unha etapa primitiva na evoluci n da cortiza cerebral dos primates) ten tres reas; nunha delas represžntase o tacto profundo e o superficial. Os primates

324 324 Carlos Acuña Castroviejo Figura 4. Homo ó longo dos dous millóns de anos pasados, comezando nunha división entre o H. erectus, que migrou a Asia, e o H. ergaster que despois migrou en varias ondas a Europa pero que tamén retivo unha poboación en África. O H. ergaster puido chegar a se-lo H. antecesor, que parece que deu orixe a dúas liñaxes: unha, os predecesores dos Neandertal, migraron a Europa mentres que os outros ficaron en África e chegaron a se-los H. sapiens, que emigraron a Europa e a Asia hai uns anos (baseado en M. C. Corballis, ). te en catro reas, e o tacto superficial e o profundo est n representados en reas independentes. Existe ent n a evidencia de que as grandes diferencias na organizaci n da cortiza cerebral nos mam feros actuais pode explicarse por cambios na morfolox a do corpo, inclu ndo a adici n ou modificaci n dos receptores sensoriais, de influencias ambientais e de cambios no tama o da l mina cortical no desenvolvemento. Como a conducta superior, as actividades cognitivas e a linguaxe est n claramente ligadas cortiza cerebral, deberon orixinarse a travžs dun proceso similar. Esta perspectiva conduce a un novo grupo de regras para estudia-las funci ns cognitivas, porque o incremento da capacidade cognitiva, a linguaxe e as habilidades sociais asociadas co home est n suxeitas a cambios na morfolox a externa, ambiente e rede interna de procesamento sensorial. As funci ns superiores non poden separarse deses factores. A evoluci n da mente Ž a evoluci n do cerebro, que depende de efectos xenžticos e epixenžticos sobre o desenvolvemento do sistema nervioso. Podemos afirmar que a arquitectura da mente ten as sœas bases na arquitectura do cerebro. O tama o e a complexidade da cortiza cerebral Ž unha das caracter sticas distintivas dos primates, especialmente do home. Para comprender c mo evolucionou a mente humana debemos co ece-las presi ns, influencias e mecanismos que moldearon a evoluci n desta cortiza cerebral. Existe un plan b sico para a organizaci n da cortiza cerebral en t dolos mam feros. Estes patr ns de organizaci n cortical puideron orixinarse a partir dunha combinaci n de requisitos ambientais e de cambios nos programas de desenvolvemento. O desenvolvemento Ž a etapa sensible na que pode actuar a selecci n. ÀComo operan esas 27 Evolution of the human mind, en Advances in Psychological Science, vol. 2: Biological and Cognitive Aspects, M. Sabourin, F. Craik e M. Robert (eds.), páxs , Hove, Inglaterra, Psychology Press/Erlbaum.

325 Mente e cerebro 325 influencias no mbito xenžtico e celular? A cortiza cerebral dos mam feros actuais est formada por seis l minas e te en unha organizaci n modular. A nda que os tipos neuronais difiren significativamente no detalle, todos utilizan os mesmos grupos de neurotransmisores e receptores. Os diferentes mam feros elaboran cortizas grandes aumenta-las reas corticais sensoriais primarias e as reas motoras 28 (figura 2) e elaborar novas reas corticais. Un dos acontecementos m is rechamantes da biolox a evolutiva Ž o incremento do cerebro hom nido (de 400 a uns 1300 gramos) que est asociado a un incremento nas habilidades manuais, adquisici n dunha cultura de œtiles de pedra, de vida familiar e, quizais m is tarde, dunha linguaxe e culturas actuais. O aumento de tama o do cerebro foi acompa ado da expansi n da cortiza dos l bulos parietal e temporal, da aparici n das reas corticais da linguaxe e dun incremento na asimetr a entre os hemisferios cerebrais. O cerebro do homo sapiens non semella ter cambiado un chisco o seu tama o, forma ou morfolox a externa des que a especie apareceu hai cen mil anos. Parece dif cil de crer, sen embargo, que a transici n do home das cavernas ata o actual tivese lugar sen cambios importantes nas caracter sticas de operaci n do cerebro (figura 4). Tales cambios evolutivos puideron ocorrer dentro dos par metros da estructura cerebral, polo que as modificaci ns no procesamento din mico do cerebro poden non se revelar en cambios do tama o ou morfolox a externa. A preadaptaci n foi unha das contribuci ns m is significativas evoluci n. A preadaptaci n Ž o concepto de que unha estructura, funci n ou habilidade pode chegar a modificarse para executar unha funci n nova, e a miœdo non relacionada. Estudios comparativos da cortiza cerebral est n revelando c mo o mapa b sico da periferia sensorial chegou a modificarse para prop sitos especiais en mam feros tan apartados como os monotremas e os monos. Unha forma de preadaptaci n Ž que unha estructura engada novas funci ns a outra existente. A boca, que se especializou para respirar e comer, Ž un exemplo interesante xa que proporcionou unha preadaptaci n na evoluci n do home que permitiu o desenvolvemento da fala. A nda que a lingua e os dentes evolucionaron para manipula-la comida, fixžronse esenciais para a articulaci n lingÿ stica. O achado de neuronas na cortiza do l bulo prefrontal ( rea F5) que se activan cando un mono observa outro que realiza xestos ou manipulaci ns Ž de grande interese. Estas neuronas, chamadas especulares, xa que reflicten o que outro mono fai, poden se-la evidencia dun sistema que permita a representaci n directa entre a producci n e a percepci n de xestos intencionais. A rea F5 nos monos Ž a equivalente de Broca no home, a rea 28 Aquelas zonas da cortiza cerebral de onde saen os axóns que levan as ordes para o movemento.

326 326 Carlos Acuña Castroviejo cortical m is importante involucrada na producci n da linguaxe. Como o antepasado comœn dos monos e do home viviu hai uns trinta mill ns de anos, as preadaptaci ns neurofisiol xicas para, polo menos, algœns aspectos da linguaxe puideron ter lugar moito antes do que se pensaba. A nda que o bipedalismo e a liberaci n das mans puideron lanza-la comunicaci n xestual, o primeiro hom nido a nda ti a o cerebro dos grandes monos. O enorme incremento do tama o do cerebro que distingue o home moderno dos grandes monos empezou hai m is de dous mill ns de anos (figura 4) coa emerxencia do xžnero homo, asociada coa primeira evidencia da fabricaci n de utensilios de pedra. Os cambios no tracto vocal necesarios para produci-la linguaxe parece que ocorreron relativamente tarde na evoluci n do hom nido e a nda do Neandertal, que viviron hai s trinta mil anos, e probablemente eran anatomicamente incapaces de producir unha linguaxe articulada. Algœns investigadores pensan que a linguaxe non apareceu ata que xurdiu o Homo sapiens, pero parece bioloxicamente m is plausible que un sistema tan complexo como a linguaxe se desenvolvese gradualmente a travžs da evoluci n do hom nido. O paso de usa-la man para xesticular a emprega-la boca traer a varias vantaxes: requir ase menos enerx a; a comunicaci n pod a continuar na escuridade e entre grandes distancias; as mans estaban libres. Estes feitos facilitar an a ensinanza mesmo tempo que se fac an demostraci ns e probablemente se acelerar a a manufactura e a tecnolox a. O reduci-la linguaxe a un fluxo temporal forza os s mbolos a ser menos ic nicos e, polo tanto, m is simb licos, o que aumentar a a capacidade de almacenamento e a habilidade para asociar e abstraer. Pero eses cambios non se fixeron sen custo, xa que unha forma puramente temporal de comunicaci n imp n unha gran carga na temporizaci n precisa e no patr n temporal. Isto puido proporcionar unha gran presi n na asimetr a cerebral para a linguaxe, xa que o control preciso da secuencia temporal ser a m is doada de executar dentro dun œnico hemisferio cerebral, sen a necesidade de utilizar conexi ns entre os dous, que son relativamente lentas. Unha consecuencia do cambio linguaxe vocal puido ser unha asimetr a programada xeneticamente, quizais imposta sobre asimetr as džbiles preexistentes, que se reflicten, no home moderno, na forte tendencia da poboaci n s destros e na dominancia do hemisferio esquerdo para a linguaxe. As preadaptaci ns non te en que ser por forza s estructurais; moitas actitudes do home, inclu ndo a emoci n de desgusto ou as manifestaci ns Ñmediadas polo sistema nervioso aut nomoñ do amor, como o avermellarse, poden te-la sœa orixe en ancestrais mecanismos protectores ou estratžxicos do hom nido.

327 Mente e cerebro 327 Outro concepto importante Ž o de modularidade, a idea de que o cerebro e a mente est n formados por moitas unidades, cada unha servicio dunha funci n particular e utilizando mecanismos adaptados a ela, en vez de ser unha m quina de prop sito xeral. A organizaci n modular refl ctese no desenvolvemento de habilidades conceptuais nos nenos, e os experimentos que revelaron esas habilidades son un exemplo de Ôenxe er a revžsõ, despezar un sistema para ver c mo funciona. O mesmo enfoque, guiado polos principios evolutivos, estase a utilizar para analiza-las funci ns da mente tales como a linguaxe, as emoci ns ou a aparente conducta irracional (por exemplo, comer feces). O enfoque oposto Ñutilizado por investigadores da vida artificial e por algœns dese adores de robotsñ Ž empregar principios evolutivos para constru r un organismo activo desde cero. O m is importante Ž a demostraci n de que ve-lo cerebro e a mente a travžs da lente da selecci n natural se est revelando un rico fil n de ideas. î final estas poder an axudar a integra-los enfoques dispares da Neurociencia contempor nea e da Psicolox a cognitiva. PERCEPCIÓN 29 ÀCal Ž a relaci n entre o mundo f sico que nos rodea e a nosa experiencia perceptiva sensorial? O obxectivo experimental Ž descubri-los mecanismos cerebrais implicados nas transformaci ns neuronais que ocorren nas sucesivas etapas do procesamento. As caracter sticas primitivas dun est mulo (luz, calor, son, forza, substancias qu - micas) que nos afecta transdœcese 30 selectivamente nos terminais perifžricos das fibras nerviosas sensoriais (receptores). A nosa experiencia perceptiva est mediada, unha vez que o est mulo desapareceu e cun pequeno atraso temporal, por imaxes abstractas determinadas polas propiedades de transducci n dos receptores e polas propiedades de procesamento das redes neuronais cerebrais implicadas. Como estas redes neuronais son propias de cada individuo, a nosa experiencia perceptiva Ž œnica. A activaci n dos receptores xera impulsos nerviosos (potenciais de acci n) que se proxectan e reenv an a travžs das v as sensoriais do sistema nervioso; estes sinais son susceptibles de transformaci n a cada nivel sin ptico, impostos pola microestructura das poboaci ns neuronais e pola influencia reguladora dos sistemas neurais do sistema nervioso central. Os sistemas sensoriais principais (visi n, somestesia, etc.) proxectan as sœas conexi ns s reas sensoriais primarias da cortiza cerebral coma nun mapa topogr fico (figura 2); son as chamadas representaci ns, que nos proporcionan a idea dun reflexo neural no 29 O proceso mediante o cal se recoñecen e interpretan a natureza e o significado dos estímulos sensoriais. 30 Transformación dun tipo de enerxía noutro. Por exemplo, a enerxía electroquímica nos fotorreceptores da retina é a transducción da enerxía luminosa.

328 328 Carlos Acuña Castroviejo cerebro dalgœn aspecto particular do mundo sensorial. Algœns sinais van m is ou menos directamente a unha sa da motora e realizan as transformaci ns de coordenadas espaciais unindo as dimensi ns sensoriais e motoras. Supo emos que as representaci ns de entrada se combinan con recordos almacenados de experiencias pasadas, conducindo nun caso a percepci n e noutro a patr ns de actividade neural que se activar producen movementos; en moitos casos est n inextricablemente unidos. As representaci ns neurais no cerebro var an longo dun continuum desde as isom rficas est - mulo f sico ou patr ns de movemento a eses que son m is abstractos. O mžtodo m is productivo utilizado en estudios dos mecanismos cerebrais en percepci n Ž a combinaci n de medidas psicof sicas 31 da execuci n de primates humanos e non humanos mentres realizan tarefas perceptivas, con rexistros simult neos de sinais da actividade cerebral evocadas polos est mulos das tarefas e as respostas dos suxeitos. A finalidade Ž identifica-las relaci ns causais entre a conducta e os acontecementos cerebrais e determinar c les deses acontecementos poden mostrarse necesarios e suficientes para a conducta. Os sinais dos atributos dos diferentes est mulos (por exemplo, de imaxes visuais, tacto) proxžctanse a travžs dos sistemas aferentes a distintas reas corticais, conectadas entre si, que est n especializadas en formas de procesamento dun ou m is atributos, m is que en localizaci n funcional. Non se atopou zona final ningunha de orde superior que esas zonas proxectasen e na que se integrase unha imaxe neuronal de percepci n (figura 6). Unha hip tese Ž que tales imaxes neuronais est n embebidas na actividade din mica dos mesmos sistemas distribu dos 32. En efecto, non estar localizada toda a informaci n que necesita o cerebro para realizar unha tarefa determinada, a conclusi n inevitable Ž que os procesos sensoriais, cognitivos e motores resultan de interacci ns paralelas entre grandes poboaci ns de neuronas distribu das entre mœltiples estructuras da cortiza cerebral e subcorticais. De aqu derivou a necesidade da Ôuni nõ, Ž dicir, do proceso responsable da uni n funcional desta actividade distribu da. Esta hip tese deu lugar Ôproblema da uni nõ: Àcomo se unen e reco ecen as actividades neuronais dentro e entre os nodos dun sistema distribu do como un estado de representaci n coherente da percepci n? A soluci n proposta Ž que a uni n se permite gracias a unha sincronizaci n transitoria da actividade neuronal nas diferentes rexi ns do sistema. A hip tese da uni n est limitada xa que non ofrece soluci n 31 A Psicofísica é a ciencia que correlaciona as características físicas dun estímulo (por exemplo, a súa intensidade) coa resposta a ese estímulo, para explica-los factores psicolóxicos implicados na relación. 32 Un sistema formado por calquera combinación de grupos neuronais interconectados, coa finalidade de transmitir, recibir e procesar información.

329 Mente e cerebro 329 eterno problema: Àque ocorre a continuaci n? ƒ dicir, Àque mecanismos neuronais poden imaxinarse que reco- ezan a presencia ou ausencia de sincronizaci n a unha frecuencia particular, e identifiquen o patr n como o evocado por un evento externo particular? CALES SON AS FUNCIÓNS BÁSICAS DA CORTIZA CEREBRAL? A contestaci n directa Ž que non o sabemos. Sobre a base do dito ata agora puidera supo erse que co ecemos moito sobre a funci n da cortiza cerebral, pero non Ž as. O co ecemento dispo ible Ž fenomenol xico 33, con poucas explicaci ns dos mecanismos. Sabemos moito da Ôxeograf aõ do cerebro e das sœas conexi ns. Foron respostas s preguntas de ÔondeÕ, formuladas no sžculo XX. Tales respostas revelan pouco sobre as caracter sticas operativas do cerebro. O que necesitamos para unha comprensi n da funci n cerebral Ž co ece-los mecanismos da actividade din mica de grandes poboaci ns de neuronas nos sistemas cerebrais. Dous dos principais problemas da Neurociencia que non se deron resolvido son, o primeiro a natureza das operaci ns din micas nos microcircu tos locais e nos sistemas distribu - dos da cortiza cerebral. Atribu ronse moitas funci ns da cortiza cerebral no mbito fenomenol xico, tales como a detecci n do limiar dos est mulos, amplificaci n, converxencia de caracter sticas dos est mulos, sincronizaci n, etc. Ningœn deles, sen embargo, se comprende completamente no mbito da operaci n dos circu tos locais. O segundo problema sitœase a maior escala: Àcales son as operaci ns neuronais dentro dos sistemas distribu dos da cortiza cerebral? Aqu o fen meno de converxencia de caracter sticas dos est mulos alcanza a sœa expresi n m xima nos sistemas distribu dos dos l bulos parietal, temporal e frontal. Nas neuronas do l bulo parietal intžgranse combinaci ns de caracter sticas sensoriais e motoras integradas con mecanismos neuronais asociados a estados de motivaci n. A nda que co ecžmo-las propiedades funcionais dos sistemas distribu dos do l bulo parietal, desco ecžmo-las operaci ns corticais que as producen. Esas dœas preguntas tratan con acci ns en poboaci ns neuronais que var an en nœmero desde uns centos de neuronas nunha columna cortical a mill ns nos sistemas distribu dos. Pero te en unha calidade en comœn: as propiedades din micas das acci ns das poboaci ns neuronais non poden deducirse da acci n de neuronas individuais dentro delas. As propiedades das poboaci ns non son a simple suma das partes, emerxen da actividade din mica como un todo. As propiedades emerxentes cerebro-mente non son 33 A rama dunha ciencia que clasifica e describe os seus fenómenos sen intentar explicalos.

330 330 Carlos Acuña Castroviejo iguais, da mesma maneira que pulm ns e respiraci n non son idžnticos. NEUROCIENCIA COGNITIVA Este novo campo formouse pola uni n de certos aspectos da ciencia cognitiva 34 coa Neurobiolox a do cerebro humano, coa finalidade de descubrir c mo funcionan os cerebros humanos durante a reflexi n. Quizais Ž a m is humana das ciencias xa que est implicada na natureza do co ecemento e en c mo o adquirimos e usamos. O tema central das ciencias cognitivas, formulado en termos actuais, Ž o do concepto das representaci ns mentais. Os dese os experimentais dos psic logos cognitivos e neurocient ficos proceden de dese os da arquitectura cognitiva da percepci n, a memoria, a linguaxe, a atenci n e actividades similares embutidas en tarefas que os suxeitos poidan realizar. Recentemente coincidiu a aparici n neste campo dos mžtodos para ve-lo cerebro do home durante o funcionamento. Son os mžtodos de imaxe cerebral, como o PET 35 e a IRMf 36. A actividade xerada no cerebro Figura 5. Imaxe de zonas de activación no cerebro do home obtida coa técnica da PET. Cando o suxeito ve palabras prodúcese unha forte activación na rexión occipital, correspondente á área visual. Cando escoita palabras prodúcese unha intensa activación na zona do lóbulo temporal, correspondente á rexión auditiva. 34 Relacionada co proceso de coñecemento, comprensión e aprendizaxe de algo. 35 PET: Positron Emission Tomography (tomografía mediante a emisión de positróns). Require a inhalación ou inxección de moléculas trazadoras marcadas radioactivamente. Proporcionou información da anatomía funcional do cerebro e cómo cambia en diferentes estados de conducta, particularmente cando o home executa tarefas cognitivas. 36 Imaxe por resonancia magnética funcional. A resonancia magnética nuclear (RMN) é un método non invasivo que permite estudios químicos específicos do tecido cerebral vivo. A imaxe mediante resonancia magnética (MRI: magnetic resonance imaging) é un método para visualizar tecidos vivos baseados en sinais de RMN de protóns na auga dos tecidos. O sinal local da auga aumenta co aumento da actividade neuronal. O método proporciona imaxes tridimensionais da anatomía cerebral.

331 Mente e cerebro 331 durante a execuci n das tarefas pode detectarse e localizarse; prodœcense as mapas de actividade cerebral durante os procesos perceptivos, motores e cognitivos (figura 5). Con esta metodolox a confirmouse a localizaci n das reas sensoriais e motoras da cortiza cerebral do home. Pero eses estudios revelaron que o tama o desas reas var a entre individuos e entre hemisferios do mesmo cerebro, e que poden cambiar de tama- o debido a experiencias intensas de tipo sensorial ou motor. Ademais, pœxose de manifesto que esas reas Figura 6. Imaxe obtida mediante RMNf do cerebro humano cando o suxeito realiza unha tarefa na que ten que recordar un obxectivo xeral final mentres executa outras tarefas con obxectivos distintos. Equivalente a cando se nos interrompe cunha pregunta mentres lemos un libro e temos que recordar e volver ó punto onde deixámo-la lectura. As cores amarela, verde e vermella sinalan as áreas da cortiza cerebral activadas durante a execución da tarefa. Non hai unha activación de toda a cortiza do cerebro, senón que se producen activacións en zonas discretas, distribuídas na cortiza cerebral Segundo E. Koechlin, et al., Nature 399, 148, 1999, 151.

332 332 Carlos Acuña Castroviejo poden estar activas cando un suxeito imaxina experiencias perceptivas ou motoras, pero sen movemento. De xeito similar tamžn se definiu a localizaci n de rexi ns activas durante operaci ns perceptivas superiores. Demostrouse que moitas funci ns cognitivas que se cr a que se localizaban nunha rea œnica da cortiza cerebral implican en realidade moitas reas, frecuentemente moi separadas, nunha disposici n distribu da, non xer rquica (figura 6). Ata a m is simple das operaci ns cognitivas, inclu ndo a linguaxe, a aprendizaxe, o recordo e a atenci n, est n asociadas con grupos m is ou menos diferentes de rexi ns activas distribu das por toda a cortiza cerebral. Eses nodos de actividade cambian en intensidade e posici n no tempo conforme progresa a execuci n da tarefa cognitiva. ƒ importante notar que as reas da cortiza cerebral entre os lugares activos non amosan signos de activaci n relacionada coa tarefa. Este Ž un feito importante, xa que non hai evidencia dunha actividade masiva na cortiza cerebral. Finalmente, confirm - ronse as funci ns da cortiza cerebral do l bulo frontal na memoria do traballo 38, en planificaci n e en acci ns voluntarias, e mesmo se observaron defectos na activaci n do l bulo frontal nalgœns estados psic ticos 39 (figura 7). Estes resultados apoian os conceptos de segregaci n funcional de certos procesos en rexi ns localizadas da cortiza cerebral e a sœa integraci n funcional na acci n dun sistema distribu - do formado por moitas rexi ns locais activas durante a realizaci n de tarefas perceptivas ou cognitivas (figura 6). Pero estes resultados non son m is que respostas elegantes a preguntas Ôxeogr ficasõ; s nos informan de Ô ndeõ ocorren os acontecementos, pero non revelan as operaci ns neuronais que xeran eses sinais. Esta ser a seguinte importante e dif cil etapa: descubrir c mo se relacionan eses sinais coa actividade das neuronas que as xeran. Este Ž un problema crucial que moitos cient ficos est n abordando mediante experimentos con primates non humanos mentres traballan en tarefas perceptivas ou cognitivas. O paradigma experimental inclœe o rexistro simult neo da actividade cerebral. A EXPLICACIÓN NEUROBIOLÓXICA DO EU Unha das preguntas m is problem ticas en filosof a das ciencias biol - xicas Ž c mo algo chamado ÔsentimentoÕ entra nos acontecementos f sicos que comprenden un organismo. O problema da consciencia pode describirse en termos de c mo o cerebro xera un sentido de si mesmo (o eu) que Ž o 38 A memoria é unha función mental complexa que ten catro fases distintas: (1) memorización ou aprendizaxe, (2) retencion, (3) recordo e (4) recoñecemento. Clinicamente subdivídese en inmediata, recente e remota. A memoria de traballo é a memoria inmediata, que utilizamos para retermos recordos durante tempos curtos. 39 Trastornos nos que hai unha perda dos límites do ego ou unha grande alteración da realidade con delirios ou alucinacións

333 Mente e cerebro 333 Figura 7. Imaxe obtida mediante a PET nun enfermo psicótico. Hai unha diminución significativa da actividade metabólica na rexión sinalada na cortiza prefrontal (á esquerda da imaxe) 40. verdadeiro suxeito da experiencia. Moitas das enfermidades que producen os maiores sufrimentos nos seres humanos, como a esquizofrenia 41, son trastornos primarios do eu. ÀComo est organizado o cerebro para facer posible a actividade mental? Esta pregunta, e as sœas respostas, Ž central para comprende-la orixe emerxente da mente. A conciencia dun mesmo Ž, quizais, o aspecto evolutivo m is importante: ser consciente de que se Ž consciente. ÀCal Ž a explicaci n neurobiol xica do eu? O mantemento dun medio interno estable (homeostase) Ž imperativo para regula-la vida de calquera organismo. Damasio 42 suxire que a emerxencia, na evoluci n, de sistemas neuronais organizados servicio desta funci n proporciona as etapas 40 Baseado en W. C. Drevets et al., Nature 386, 1997, Un grave trastorno emocional de profundidade psicótica marcado caracteristicamente por un afastamento da realidade con delirios, alucinacións, desharmonía emocional e conducta regresiva. 42 A. Damasio, The feeling of what happens: Body and emotion in the making of consciousness, Harcourt Brace, 1999.

334 334 Carlos Acuña Castroviejo iniciais cara emerxencia do eu. ÀComo xurdiu? ÀCando xurdiu? A evidencia paleontol xica apunta a que apareceu moi cedo, nun espacio de centos de miles de anos. Esta evoluci n tan r pida foi de dif cil explicaci n. A partir de pequenas mutaci ns nos xenes que regulan a morfolox a cerebral p dense producir, como levamos visto, grandes cambios na estructura do cerebro. Estes cambios incorporar anse con gran rapidez s estructuras cerebrais xa existentes. A finais da džcada de 1980, Gerald Edelman propuxo Ña partir dun modelo de funcionamento do sistema inmunol xico, polo que recibiu o premio Nobel de Fisiolox a e Medicina en 1972Ñ que o funcionamento do cerebro pod a estar baseado nun sistema de selecci n, e ofrece unha explicaci n para esa emerxencia tan r pida no marco da sœa Teor a de Selecci n de Grupo Neuronal. Hai un sistema de selecci n durante o desenvolvemento do feto e outro determinado pola experiencia durante o resto da vida. Probablemente se ÔprogrameÕ moi pouco durante o desenvolvemento fetal, o que quere dicir que nacemos cun equipo b sico moi simple, pero ese dese o perm tenos constru -lo noso propio cerebro longo da vida. Nesta evoluci n Ž crucial o proceso de conectar, correlacionar e xerarquiza-la informaci n. A experiencia Ñun aspecto important simoñ non Ž pasiva, sen n que forma parte activa da construcci n do cerebro. Naturalmente, o argumento b sico est en explicar c mo se incorporan os cambios s circu tos cerebrais. Para intentar contestar esta pregunta debemos co ece-la estructura fundamental do cerebro. ƒ necesario un substrato neuronal, coas sœas conexi n, Ž dicir, unha rede neuronal. Ademais, a experiencia utiliza, selecciona ou crea novos circu tos Ñou mapas, na terminolox a de EdelmanÑ nas redes neuronais do cerebro, establecendo conexi ns adecuadas que permitan soste-la actividade a travžs de sinais reentrantes. Santiago Ram n y Cajal dic ao dunha maneira gr fica: hai que facer ximnasia mental para desenvolve-lo cerebro, da mesma maneira que facemos ximnasia muscular para desenvolve-los mœsculos do noso corpo. Para Damasio, o eu ten un precedente pre-consciente biol xico, o proto- -eu, que corresponde a unha colecci n coherente de patr ns neuronais que representan nun mapa, momento a momento, o estado f sico do organismo. as principais estructuras do sistema nervioso implicadas inclœen os nœcleos do tronco cerebral, hipot lamo, o mesencžfalo e as cortizas insular e somatosensoriais. Este amplo sistema crea unha representaci n de primeira orde dos estados actuais do corpo. En paralelo cržanse mapas sensoriais que representan obxectos, tanto obxectos presentes no mundo coma imaxes mentais. A sœa interacci n necesariamente altera o estado actual do organismo. Isto conduce proposici n central de que a base para un co ecemento

335 Mente e cerebro 335 consciente do eu Ž un estado de sensaci n que xorde cando nos organismos se representa un proto-eu non consciente no proceso de ser modificado por obxectos. En esencia, un sentido do eu depende da creaci n dun mapa de segunda orde, en certas rexi ns cerebrais, de c mo foi alterado o proto-eu. Damasio prop n distinci ns conceptuais importantes entre o eu e o eu autobiogr fico, entre o nœcleo e a consciencia ampla, e entre emoci n e sentimento. O nœcleo do eu Ž o protagonista transitorio da consciencia que se xera continuamente a travžs do encontro con obxectos. En contraste, o eu autobiogr fico depende fortemente da formaci n de recordos duradeiros de experiencias. A identidade persoal Ž un concomitante obvio do eu autobiogr - fico. A consciencia nuclear Ž unha consecuencia dos mesmos mecanismos que xeran o propio nœcleo, co elemento engadido do incremento no procesamento de obxectos que estiveron implicados en xera-lo nœcleo. En contraste, a consciencia ampla depende de manter na mente, no tempo, unha multiplicidade de patr ns neuronais que describen o eu autobiogr fico. Unha implicaci n importante desta tese Ž que a consciencia non Ž o privilexiado dominio dun sistema sensorial, xa que a lesi n dunha canle sensorial non ten influencia sobre a consciencia nuclear. Estamos no albor dunha nova era e nos anos vindeiros participaremos nunha excitante viaxe a travžs do cerebro e a conducta que nos permitir comprende-las claves do ser humano.

336

337 337 MEDIO AMBIENTE Felipe Mac as V zquez Universidade de Santiago de Compostela INTRODUCCIÓN: OS PROBLEMAS AMBIENTAIS O sžculo XX foi o sžculo del medio ambiente. î longo destes pasados cen anos, e de forma particularmente acelerada nos œltimos trinta, foise incrementado o noso co ecemento dos procesos que se producen de forma natural na biosfera, e a sœa variaci n longo do tempo iniciouse, pero a nda queda moito m is por co ecer: a comprensi n da heteroxeneidade e a complexidade das interacci ns ambientais. Comprobouse que as actuaci ns humanas te en agora un poder de perturbaci n e modificaci n das condici ns locais moi superior existente nos restantes per odos hist ricos que poden chegar, nalgœns casos, a presentar un car cter global de consecuencias non perfectamente co ecidas pola excesiva simplificaci n que se realiza na modelizaci n dos procesos ambientais. TamŽn se viu que os recursos necesarios para o desenvolvemento das sociedades humanas son cada vez m is importantes e diversos, chegando, en moitos casos, forzamento da capacidade productiva dos sistemas naturais, e mesmo sœa deterioraci n ou destrucci n, con consecuencias serias de modificaci n de h bitats, perda de biodiversidade e creaci n de reas contaminadas que, para seren restauradas requiren, ademais de tempo e co ecementos, importantes esforzos econ micos non sempre dispo ibles. Se a isto se engade o continuo incremento da poboaci n e as demandas (plenamente xustificadas) de xeneralizaci n da calidade de vida dos pa - ses avanzados s menos desenvolvidos Ñpolo menos das sœas manifestaci ns m is positivas (dispo ibilidade de alimentos, sanidade, acceso cultura e a unha vida digna para t dolos habitantes...)ñ compržndese a necesidade de introducir mecanismos legais e pol ticos de actuaci n que freen a deterioraci n dos recursos, controlen a degradaci n ambiental e permitan un desenvolvemento das sociedades * Catedrático de Edafoloxía. Revista Galega do Ensino-ISSN: X- Nœm Outubro 2000

338 338 Felipe Macías Vázquez humanas en harmon a co seu contorno. As Ž que o medio natural pasou neste sžculo de ser simplemente un subministrador de recursos (en moitos casos de bens libres) a converterse nun elemento importante nos campos cient fico, econ mico, lexislativo, pol tico e incluso a ser parte fundamental de moitas das visi ns ou concepci ns do mundo das nosas sociedades. Emporiso, isto non quere dicir que antes deste sžculo non tivesen importancia os problemas ambientais. Coma en todo, somos herdeiros do noso pasado, das actuaci ns transformadoras do medio natural realizadas polas sociedades anteriores das que recibimos aspectos negativos como a deforestaci n (probablemente iniciada desde as primeiras manifestaci ns humanas pero fortemente acelerada coa Revoluci n Neol tica e a chegada das Ôculturas do lume mediterr neasõ coas sœas importantes consecuencias de erosi n de solos), a intensa transformaci n en solos agr colas da maior parte da superficie europea cunha enorme perda de biodiversidade e unha gran simplificaci n dos h bitats existentes mailos problemas puntuais (nalgœns casos globais) de contaminaci n dos sistemas naturais, con liberaci n de elementos retidos nos materiais xeol xicos atmosfera, as augas, os solos e organismos bi ticos. Cada etapa de desenvolvemento deixou as sœas pegadas, sendo particularmente importante o per odo romano e, sobre todo, desde a Revoluci n Industrial ata o sžculo XX, se ben hai que dicir que para a maior parte dos procesos de mobilizaci n de elementos e substancias perigosas de orixe natural e, sobre todo as de orixe antr pica, os œltimos trinta ou corenta anos do sžculo XX supo en cantidades superiores s do conxunto de t dolos per odos hist ricos anteriores. Analizaremos este aspecto da contaminaci n mediante dous esquemas (figs. 1 e 2). O primeiro, a evoluci n da liberaci n de chumbo (un dos metais pesados m is perigosos) atmosfera longo do tempo, para a que existen un gran nœmero de mžtodos de estudio baseados na an lise do contido de Fig. 1. Variación do contido de Pb, Zn e Cd nos últimos 4000 anos nunha turbeira ombrotrófica da Serra do Xistral. (Martínez Cortizas, et al., 1997).

339 Medio ambiente 339 Fig. 2. Presencia de contaminantes en sedimentos de diferentes idades. (Forstner, 1989). chumbo existente en rexistros de idade co ecida, tales como sedimentos lacustres ou columnas de xeo acumulado nos casquetes polares. No noso caso, dispo emos dun dos mellores arquivos hist ricos das condici ns paleoambientais, as turbeiras ombrotr ficas de Galicia, que foron utilizadas como indicadoras das variaci ns da contaminaci n met lica atmosfžrica e como rexistro das variaci ns de temperatura (Mart nez Cortizas, et al., 1997 e 99). Unha turbeira ombrotr fica Ž un solo org nico constitu do por restos vexetais, m is ou menos transformados (turberizaci n), de comunidades bi ticas que viven en posici ns de cima da paisaxe en ambientes nos que a velocidade de mineralizaci n dos restos vexetais (por mor do fr o ou do predominio das condici ns de anaerobiose) Ž inferior de producci n, o que conduce acumulaci n dos residuos org nicos na superficie cun ritmo variable en funci n das condici ns ambientais. A medida que a turbeira aumenta de espesor, as ra ces das comunidades vexetais non alcanzan o substrato litol xico e deben alimentarse fundamentalmente das achegas atmosfžricas de chuvia e part culas arrastradas polo vento (o que as diferencia das turbeiras mineralotr ficas nas que a vexetaci n se alimenta do substrato litol xico e das disoluci ns acuosas que xa tomaron contacto cos solos e material xeol xico), polo que a composici n de cada capa de turba (que se pode datar con C-14) est relacionada coas condici ns de equilibrio entre a vexetaci n da turbeira e as condici ns ambientais existentes no per odo de vida das plantas. Estas formaci ns at panse en reas de monta a do norte de Europa e te en o seu l mite sur nas zonas monta osas do norte de Galicia (fundamentalmente nas serras do Buio e Xistral). Canto maior Ž o seu espesor, m is longo adoita se-lo per odo hist rico recollido; en Galicia dispo emos das turbeiras ombrotr ficas de maior idade de Europa (superiores a 5000 anos), o cal Ž l xico se se considera que esta zona foi unha das primeiras reas europeas con glaciarismo que foron liberadas dos xeos do œltimo per odo fr o. Pola sœa

340 340 Felipe Macías Vázquez importancia, estes rexistros deben ser estudiados e protexidos, por iso est n inclu dos nas zonas propostas pola Xunta de Galicia para a Rede Natura 2000 derivada da Directiva H bitat. Na figura 1 obsžrvase a distribuci n do chumbo nunha turbeira ombrotr fica do Xistral. Ponse de manifesto que o primeiro sinal de contaminaci n por chumbo (a nda que moi feble) se produce hai uns 4000 anos, polo que dado que este metal foi un dos primeiros en ser utilizados polo home debido sœa doada extracci n a partir de sulfuros, o seu baixo punto de fusi n e a sœa capacidade para se aliar co Sn, permite supor que esta data Ž o comezo do seu aproveitamento en Galicia. Con pequenas fases de incremento e descenso chžgase per odo romano, no que o sinal de contaminaci n se ampl a fortemente en intensidade e duraci n temporal ata a ca da do Imperio, cando de novo hai un importante retroceso do sinal de chumbo atmosfžrico. Seguen pequenas pulsaci ns de incremento que coinciden cos reinos visigodos, o esplendor do per odo musulm n e as guerras dos reinos cat licos, s que segue un novo descenso que coincide co descubrimento de AmŽrica, quizais pola existencia de per odos de paz en Espa a ou polo traslado das actividades extractivas e de beneficiaci n do chumbo novo continente. O inicio da Revoluci n Industrial eleva outra volta o sinal ata niveis similares s do per odo romano e o da aparici n do autom bil; a utilizaci n do chumbo nas gasolinas leva as concentraci ns de chumbo atmosfžrico retidas a valores moi elevados que s comezan a decrecer coa chegada das gasolinas sen chumbo. Neste caso viuse que a actividade antr pica, mesmo a das culturas relativamente incipientes, foi quen de modificar fortemente un par metro de indubidable relevancia como Ž o contido de chumbo atmosfžrico. Compr base a clara relaci n entre este e a intensidade das actuaci ns humanas en per odos especiais da historia (guerras, desenvolvemento...) e tamžn que hai unha resposta, nese caso r pida, s medidas de correcci n (substituci n por gasolinas sen chumbo), se ben a nda non sabžmo-las consecuencias que puido ter sobre a herdanza xenžtica de t dolos seres vivos a exposici n s concentraci ns de chumbo no aire, na auga e nos alimentos que produciu nestes dous œltimos sžculos. Efectivamente, a contaminaci n, en especial a dos medios con escasa capacidade de amortecemento como o aire, a auga e os organismos, Ž un dos principais problemas ambientais que vai asociado avance das culturas humanas con maior ou menor intensidade e variedade de productos. Na figura 2, elaborada por Forstner en 1989 a partir do estudio de sedimentos datados e da presencia e abundancia de determinados contaminantes, pode apreciarse que a maior a destes pertencen noso sžculo e que conservan unha tendencia crecente longo da centuria en moitos casos ou

341 Medio ambiente 341 cun intento de mitigaci n a partir da džcada dos sesenta ou setenta noutros. Sen dœbida, estas datas, como logo imos ver, te en unha gran relevancia na din mica das actuaci ns ambientais. Para unha gran parte dos autores que falan dos problemas ambientais, o acento incide sobre a contaminaci n polo elevado nœmero de substancias perigosas, moitas delas artificiais, que se liberaron ambiente a causa das actividades humanas. ƒ o caso dos organoclorados (DDT, dioxinas, PCB, clorofluocarbonos, lindano...), nitro e fosfoderivados org nicos (diferentes explosivos, herbicidas, insecticidas), organomet licos (estannosos, mercuriais, arsenicais...), hidrocarburos (carbonos org nicos vol tiles, PAH...), radioactivos procedentes das explosi ns nucleares ou das centrais nucleares, etc., para os que o 5¼ Plan Ambiental da Uni n Europea consideraba, en 1993, que hab a m is de dous mil productos qu micos de alta producci n dos que deber a establecerse unha avaliaci n da sœa actividade no ambiente, mentres que o obxectivo fixado para o ano 2000 era a an lise de cincuenta destes productos e a elaboraci n de programas de reducci n de riscos ambientais derivados da sœa presencia na biosfera. A liberaci n de substancias contaminantes na biosfera Ž, sen dœbida, unha das nosas principais preocupaci ns. Para outros autores hai outros problemas tamžn importantes: unha das s ntesis realizadas asegura que os principais inimigos da calidade ambiental do noso sžculo poden agruparse en Òa serra, a vaca e o autom - biló, expresando que son a deforestaci n (coa sœa perda de biodiversidade, solos, poder de absorci n de CO2 e depuraci n do aire e da auga, etc.), a transformaci n de solos forestais e de cultivos en prader as monoespec ficas ou de baixa variabilidade espec fica adaptados s necesidades do gando de alta producci n c rnica e l ctea e os contaminantes liberados nas actividades gandeiras (metano, compostos nitroxenados, fertilizantes fosforados, antibi ticos...) xunto coas consecuencias do autom bil (liberaci n biosfera de chumbo e outros metais, xidos de nitr xeno, CO2, compostos org nicos vol tiles e persistentes... e a necesidade de creaci n de infraestructuras viarias cada vez m is amplas e numerosas que compartimentan a biosfera e limitan a capacidade de rexeneraci n de moitas especies) os procesos antr picos que causan a gran maior a dos nosos problemas. Sen dœbida, a lista queda curta e poder a discutirse a orde de agresividade, pero non Ž menos certo que a urbanizaci n, a industrializaci n, a miner a, as actividades recreativas... son outras moitas actividades humanas que ocasionan agresi ns medio ambiente. En œltimo termo poderiamos dicir que as agresi ns ambientais est n simplemente producidas polo feito de que unha das especies do planeta, a humana, escapou s mecanismos reguladores que impuxera a natureza e f xose

342 342 Felipe Macías Vázquez excesivamente numerosa e destructiva, ir eliminando paulatinamente t dolos seus competidores polos recursos naturais (desde hai tempo xa s se compite entre humanos) tempo que incrementaba exponencialmente as sœas necesidades e capacidades de alteraci n ata facelas de car cter global. Se somos herdeiros e actores dos problemas ambientais, tamžn o somos dos co ecemntos xerados polas sociedades anteriores. Coma outras moitas, as Ciencias Ambientais son ciencias de terceira, cuarta ou quinta xeraci n que se basean na aparici n previa de conceptos e mžtodos de estudio desenvolvidos noutros campos do saber longo da historia da Humanidade e, particularmente, nos sžculos XVII, XVIII e XIX, nos que o avance da F sica e a Qu mica primeiro, xunto coa aplicaci n dos conceptos matem ticos, abriron o cami o para converter co ecementos meramente descritivos nas sœas orixes nas bases das Ciencias Ambientais, a Xeolox a e a Biolox a, e, m is tarde, noutras moitas derivadas delas, pero con maior capacidade de comprensi n da heteroxeneidade e de integraci n da globalidade dos sistemas naturais terrestres como a Edafolox a, a Bioxeograf a ou a Ecolox a, nas que o compo ente xeogr fico desenvolvido polos grandes viaxeiros- -cient ficos do sžculo XIX foi clave. ƒ, polo tanto, este car cter globalizador do medio ambiente, xerado nos sžculos anteriores e desenvolvido no XX, no que Òtodo inflœe en todoó (primeira lei da Ecolox a segundo Barry Commomer) ou, lev ndoo extremo, Òno que o bate-las as dunha bolboreta na China pode se-la causa dunha tormenta no outro extremo do mundoó, o paradigma das nosas concepci ns ambientais actuais. A GLOBALIZACIÓN: ANTECEDENTES E POSIBLES EXCESOS A finais do sžculo XX o termo Ôglobalizaci nõ pasou a ocupar, xunta outros similares, a expresi n de moda para manifesta-la interrelaci n existente entre todo o que ocorre na parte da Terra na que se realiza a actividade humana. O termo apl case nas Ciencias Ambientais, pero xa foi adoptado ata polas Ciencias Sociais e Econ micas. Sen embargo, non Ž un concepto novo sen n que ten antecedentes bastante antigos e moi ben definidos longo do sžculo XVIII nas Ciencias Naturais e, por suposto, moito antes, no pensamento filos fico-relixioso. Deixando parte as ideas unitarias filos ficos-relixiosas sobre a natureza e o seu funcionamento, quizais o concepto cient fico ambiental mellor desenvolvido fora o de biosfera. Vernadsky foi o gran divulgador deste termo que, parece, xa utilizaba Lamarck a comezos do sžculo XIX, e posteriormente foi retomado por Suess (1875) para quen a biosfera Ž a Òenvoltura espec fica da codia terrestre na que asenta a vida que Ž quen rexe a sœa composici n, propiedades e din - micaó. Estas ideas b sicas foron

343 Medio ambiente 343 Arriba, polución atmosférica en Nova York. Abaixo, polución de auga en Chicago. ampliadas e dotadas de formato cient - fico por Vernadsky longo dos seus numerosos escritos e, particulamente, na sœa obra La Biosfera, publicada en ruso en 1926 e en francžs en Segundo este autor Òa Biosfera Ž a esfera terrestre resultante da interacci n da atmosfera (m is ben da troposfera xunto coa capa protectora da ozonosfera), hidrosfera, biosfera e litosferaó. Idea moi parecida de que Òo solo Ž a interacci n da litosfera, hidrosfera, biosfera e atmosferaó ou de que Òo solo Ž o producto da interacci n longo do tempo dos factores de formaci n clima, rocha ou material orixinal, topograf a e organismosó. Segundo os inventores do termo e o seu desenvolver principal, a biosfera ten, ademais do seu car cter complexo, o aspecto esencial de que Ž a propia vida a que leva o papel activo da creaci n de substancias, da sœa din mica de transformaci n e, en consecuencia, dos procesos e leis que a rexen. En palabras de Vernadsky, Òa biosfera pode definirse como unha rexi n da codia terrestre sementada de transformadores que converten as radiaci ns c smicas en enerx a terreste activa, enerx a elžctrica, qu mica, mec nica, tžrmica, etc. Os compostos que eran estables no campo termodin mico da materia viva, v lvense inestables cando penetran, unha vez que perece o organismo, dentro do campo termodin mico da biosfera onde orixinan unha fonte de enerx a libreó. ƒ dicir, Ž a vida a que capta a enerx a solar transform ndoa en compostos que s son

344 344 Felipe Macías Vázquez posibles mentres existe vida, e que son posteriormente transformados noutros termodinamicamente estables no medio ambiente creado (m is ben modificado) pola propia vida, tempo que se logra un certo mantemento da enerx a captada mercž s ciclos metab licos que utilizan as substancias inicialmente formadas e os seus productos de degradaci n ata que se alcanzan as condici ns de equilibrio que, novamente, ser n rotas pola actividade vital. En palabras de Vernadsky, Òa vida perturba permanente e incansablemente a inercia qu mica sobre a superficie terrestreó, o que nos leva conclusi n de que Ž o continuo cambio de enerx a, alimentos e informaci n o que caracteriza os sistemas naturais, e que a globalidade de funcionamento dos sistemas ambientais Ž, simplemente, unha consecuencia de que todos est n dirixidos pola actividade vital. Segundo Margalef (1997), tralas achegas de Vernadsky, Òla palabra biosfera ha pasado a ser de uso corriente para referirse a la porci n de nuestro planeta habitada por seres vivos y manifiestamente organizada por ellos. La composici n de las envolturas l quida y gaseosa no se entienden sino a travžs de la propia actividad vital y la propia litosfera est tambižn sometida a la acci n de los seres vivos en su parte externaó. A vida ten o papel clave nos ciclos principais dos elementos qu micos na superficie terrestre, en substancias como o O 2 e o CO 2, ata o punto de modifica-la propia atmosfera terrestre que pasou de ser anosixžnica nos dous mil primeiros mill ns de anos da sœa existencia a osixžnica nos seguintes ata os nosos d as. ƒ pois o continuo cambio inducido polas manifestaci ns vitais na sœa interacci n coa capa externa da Terra o que, cabo, mantžn a vida sobre a Terra. Margalef expres bao as en 1980: Òlos cambios en la biosfera han estimulado la evoluci n. Las reas que han estado menos sometidas a alteraciones, son, notoriamente, un archivo de especies que en una buena proporci n tienen car cter arcaico o de reliquiaó e, repetindo as sœas palabras de 1974, Òla climax es la utop a de los ec - logosó. Heteroxeneidade, globalidade, cambio e control e direcci n destes pola propia vida Ž ent n o que caracteriza a biosfera e, polo tanto, o medio ambiente a partir das ideas de Vernadsky ampliadas e comentadas por Margalef (1980 e 1997). Os problemas xorden cando os cambios se producen a un ritmo anormalmente r pido producido por unha das especies viventes que, como xa se dixo, quizais escapara control natural en moitos aspectos. Antes de continuar, parece adecuado reflexionar sobre o personaxe de Vernadsky para tratar de comprende- -las causas que o levaron s sœas xeniais intuici ns. Nado en San Petersburgo en 1863, matricœlase no Departamento de Ciencias Naturais da Universidade de San Petersburgo onde estudia F sica, Matem ticas, Qu mica (con Mendeleiev) e Xeograf a, Mineralox a e Cristalograf a con V. V. Dokuchaev, o fundador da Edafolox a

345 Medio ambiente 345 cient fica, do que chega a ser axudante impregn ndose das sœas ideas sobre o solo, a sœa formaci n, propiedades, distribuci n xeogr fica e, sobre todo, a visi n unificada da natureza (Demolon Ñ1949Ñ considžrao o disc pulo m is brillante da escola rusa fundada por Dokuchaev). M is tarde estudia Cristalograf a e Mineralox a en Mœnic e Mineralox a, Termodin mica (con Le Chatelier), Qu mica, F sica e Cristalograf a (con Pierre Curie) en Par s. Regresa a Moscova e Ž nomeado profesor non titular en Na Universidade de Moscova d cursos sobre a historia da ciencia e, en particular, sobre a visi n cient fica do mundo, as como de cristalograf a e mineralox a. A obra do xeoqu mico norteamericano Frank W. Clarke, Los datos de la Geoqu mica, lžvao a esta ciencia, que el considera a de maior interese no sžculo XX. En 1909 publica numerosos artigos e, finalmente, engade s seus co ecementos sobre a materia inerte o seu interese polos ciclos biol xicos. Co ece a Vavilov (o autor que estableceu os centros de diseminaci n das plantas cultivadas) e, progresivamente, establece que Òos fen menos xeoqu micos son a base da biosferaó. En 1923 fala xa do seu laboratorio como Laboratorio de Bioxeoqu mica. Regresa a Par s onde ensina os seus saberes e co ece a Theilard de Chardin e Roy cos que crea o novo concepto de ÔnoosferaÕ ou Òesfera da intelixencia que segue a biosfera na ruta evolutiva da materiaó. Publica o seu libro La Geochimie en 1924 que, segundo Oparin, o inspirou fortemente para a sœa obra El origen de la Vida. Pouco despois, en 1926, publica La Biosfera, que seguen libros e artigos sobre a xeoqu mica das augas, is topos e organismos vivos, oceanograf a e xeoqu mica, problemas da radioxeolox a, ensaios bioxeoqu micos, a estructura qu mica da biosfera e o seu contorno... ata a sœa morte en Non cabe dœbida de que, ademais da sœa inquietude, a sœa importante formaci n b sica en Qu mica, Mineralox a, Termodin mica, Edafolox a, Bioxeograf a... capacitouno para chegar campo da Bioxeoqu mica cunha visi n clara da interrelaci n de t dolos constitu ntes da biosfera e unha gran capacidade para interpretar de forma sintžtica e unificada os procesos qu micos nos que intervžn a materia inerte e a actividade biol xica. Cabe preguntarse se isto ser a posible coa formaci n que reciben dos seus profesores e cos traballos tan especializados que realizan os nosos actuais e futuros ambientalistas. A idea de globalidade de Vernadsky e outros moitos autores que estudiaron os procesos bioxeoqu micos da Terra foi enormemente ampliada nalgunhas concepci ns recentes que alcanzaron un certo reco ecemento pœblico en amplos sectores sociais, pero que, en contraposici n, te en recibido fortes cr ticas por parte dos xeoqu micos e algœns ec logos (Margalef, 1997, entre eles). Refer monos idea de Gaia, tal como foi expresada por Lovelock e colaboradores (1982). Segundo este autor, Òas respostas do

346 346 Felipe Macías Vázquez planeta como unha entidade unificada levan a reco ecer na propia biosfera enteira os trazos esenciais dun organismo ou superorganismoó, que denominan Gaia pola deusa ou personificaci n da Terra. Sen dœbida, desde o punto de vista cient fico, hai unha clara esaxeraci n considerar que procesos que na maior a dos casos se deben a mecanismos reguladores derivados da composici n f sico-qu mica da biosfera, ou da interacci n de diferentes organismos coa materia inanimada, son consecuencia da actuaci n dun organismo independente constitu do pola totalidade da biosfera. Esta visi n da natureza Ž similar que se utiliza desde hai pouco nas Ciencias do Solo cando se di que un Òsolo nace, evoluciona e morreó ou cando se fala da Òsaœde dun soloó, conceptos que se ben parecen admisibles como figuras ou conceptos did cticos, non resultan correctos, xa que tanto o solo coma a biosfera son medios ou sistemas nos que se produce a vida e que a consecuencia da actividade dos organismos que conte en adquiren determinadas propiedades, sen que por iso poidan ser considerados como sistemas vivos con funcionamento independente. Son medios de vida pero non organismos vivos. DESENVOLVEMENTO E/OU MEDIO AMBIENTE O medio ambiente Ž o marco onde se desenvolve a vida dos organismos, e os seus problemas derivan das transformaci ns producidas nese marco por causas naturais ou antr picas s que os organismos que viven nel non poden adaptarse. Sempre se fala das actuaci ns antr picas como as grandes causantes da perda de biodiversidade e da calidade do ambiente, pero esqužcese que na historia da Terra produc ronse momentos de enormes extinci ns, provocados por cambios bruscos nas condici ns s que s uns poucos organismos foron quen de adaptarse. As grandes extinci ns do Prec mbrico, do PŽrmico ou do Mesozoico po en de manifesto que a ecosfera est en continua mutaci n desde o principio dos tempos. Mutaci ns s veces r pidas e traum ticas s que non poden adaptarse moitos organismos prodœcense, a nda que son raras, pero predominan os cambios m is lentos nos que a adaptaci n Ž m is doada a travžs dunha serie de Ôdesequilibrios sucesivosõ nos que as modificaci ns se producen pouco e pouco. Algunhas modificaci ns naturais, como a que se sup n causada polo meteorito que, entre outros, parece que causou a extinci n dos grandes vertebrados da Era Secundaria, deberon de ser case instant neas; outras, a nda que moito m is lentas como o cambio de atmosfera do Prec mbrico, deberon de ter importantes consecuencias para o sistema e para os organismos que o habitaban. Sen embargo, a situaci n que chegaron o home e a biosfera no sžculo XX Ž nova, xa que se trata de investigar se o desenvolvemento da especie humana non acabar primeiro

347 Medio ambiente 347 co medio ambiente e, como consecuencia, consigo mesmo. A actividade humana, utilizar productos naturais cunha velocidade e intensidade crecente, adquiriu a capacidade de producir cambios a ritmos que, sen dœbida, forzaron a capacidade de adaptaci n de moitos organismos e causaron a sœa extinci n. Moitas especies desaparecen sen que nos decatemos, como consecuencia directa ou indirecta do noso modo de vida. î longo da historia da Humanidade, esta capacidade variou espacialmente en funci n do predominio das diferentes culturas, pero a partir da Revoluci n Industrial e, sobre todo, da Segunda Guerra Mundial, esta capacidade de producci n/alteraci n multiplicouse e xerou os grandes problemas ambientais do presente. Por citar algunhas cat strofes con consecuencias graves para o ambiente e o home producidas desde a Segunda Guerra, temos: o smog de Donora (Pensilvania) de 1948, ou de Londres en 1952, con miles de mortos, a contaminaci n por dioxinas de Seveso (Italia) en 1976, a morte lenta por contaminaci n do lago Baikal en Rusia ou do Eire (EUA), o centenar de mortos por inxesti n de peixes contaminados de Minamata (Xap n) en 1969, os accidentes das centrais nucleares de Harrisburg e Chernobil, a contaminaci n do Rin, a traxedia de Bhopal (India) que supuxo m is de dous mil mortos e decenas de miles de feridos polo escape de gases t xicos, as mareas negras, as inversi ns de temperatura, as chuvias cidas de Sudbury (Ontario), etc. Sen embargo, malia estas cat strofes m is ou menos puntuais, a maior parte dos autores est n de acordo en que os problemas do ambiente se producen, de forma insidiosa e continua, por mor do incremento de poboaci n e das necesidades humanas, o que conduce explotaci n intensiva dos recursos naturais coa ameaza do seu esgotamento. Quizais o argumento m is forte neste sentido foi o exposto polo Club de Roma que, na sœa primeira mensaxe realizada na džcada dos setenta, ÒOs l mites do crecementoó, indicaba a imposibilidade de mante-los ritmos do crecemento econ mico e da poboaci n. Segundo eles, os recursos non renovables estaban esgot ndose en moitos casos e os renovables estaban sendo explotados por riba da capacidade de renovaci n, polo que c mpre enlentece-lo crecemento. Medindo os niveis de radiación exterior en Chernobil.

348 348 Felipe Macías Vázquez Estas ideas de crecemento cero e da necesidade de aplicar fortes restricci ns incremento da poboaci n foron posteriormente moi discutidas e, tras algœns fallos importantes nas predicci ns, chegouse convencemento na džcada dos noventa de que as ideas do Club de Roma eran excesivamente catastrofistas e malthusianas (Margalef, 1987). A este cambio de filosof a contribu ron feitos como o descubrimento de novos dep sitos, a aparici n de substitutos dalgœns productos que se consideraban imprescindibles, o menor crecemento da demanda, o claro enlentecemento no crecemento da poboaci n, o grande incremento tecnol xico e a demostraci n da capacidade de eliminar moitos dos productos nocivos dos procesos industriais e de corrixi-los efectos degradativos producidos, etc., todo o cal contribu u a crear unhas previsi ns moito m is optimistas c s que se ti an no per odo da crise do petr leo. Do tema de discusi n dos setenta, Òo l mite dos recursosó, pasouse nos noventa a formula-los problemas dos Òl mites dos recipientes de residuos humanosó, o que indicaba que unha nova etapa productivista se iniciaba. Outros cambios de concepci n entre o setenta e o noventa, indicados por diferentes autores, son, entre outros, o paso da preocupaci n polos impactos relacionados coa producci n maior interese polos impactos producidos durante o uso dos productos e, sobre todo, polos residuos; da atenci n s fontes puntuais de contaminaci n e os danos locais, maior preocupaci n polas fontes difusas e os riscos; da preocupaci n pola escaseza do gas e o carb n consideraci n de que hai e se utiliza demasiado. ƒ dicir, pasouse dunha preocupaci n ambiental polas actuaci ns puntuais de contaminaci n industrial a considerar m is as consecuencias globais do noso modo de vida, o que sen dœbida ten que ver coas importantes modificaci ns que sufriu a actividade industrial, primeiro con soluci ns de Ôfinal de entubadoõ, que reduciron fortemente a emisi n de contaminantes atmosfžricos e, m is tarde, de Ômodificaci n dos procesos productivosõ, o que permitiu un maior control ambiental na cantidade e natureza dos residuos producidos. Este cambio de situaci n e algunhas consideraci ns sociais sobre a necesidade dun certo crecemento reactivaron as ideas desenvolventistas na œltima džcada, se ben se conserva e ampl a a preocupaci n polos problemas ambientais, sendo o Ôcrecemento sostibleõ a idea b sica desta fin de sžculo tal como o recolle o 5¼ Plan da Comunidade Europea (ampliado ata o 2002) que leva por t tulo Hacia un crecimiento sostenible. A pesar deste importante cambio de tendencia entre os setenta e os noventa, o certo Ž que continœa existindo un importante debate sobre as concepci ns ambientais e coexisten posturas catastrofistas con postulados fortemente desenvolventistas. Non cabe dœbida de que existen problemas ambientais e que c mpre acometelos con rigor cient fico para atopar medi-

349 Medio ambiente 349 das tecnol xicas e socioecon micas que permitan evitalos o mitigalos. Hai productos que comezan a ser escasos: petr leo, ouro, cobre. TamŽn os recursos renovables est n sometidos a uns l mites de utilizaci n xa que non se pode forza-lo seu uso cando se pon en perigo a sostibilidade da sœa capacidade de renovaci n. Isto por exemplo Ž o que est ocorrendo coa auga nalgunhas rexi ns do planeta onde a contaminaci n supera a capacidade depuradora do ciclo hidrol xico. TamŽn a fauna salvaxe experimentou unha forte reducci n nos œltimos cincuenta anos tanto en cantidade coma en variedade, debido forte presi n da caza e a pesca combinada coa destrucci n dos seus h bitats. No Programa para o Medio Ambiente das Naci ns Unidas , af rmase que Òha desaparecido el 50 % de los humedales y de los bosques, la degradaci n ha afectado a los 2/3 de las tierras agr colas en los œltimos 50 a os y el 60 % de los grandes r os est n fragmentados por presas y canales, ha desaparecido el 30 % de las especies marinas de agua dulce y se ha producido degradaci n incluso en terrenos antes inalcanzables tales como la tundra, el rtico o las profundidades m s remotasó. ç vista do anterior non Ž estra o que autores como Goodland (1991) afirmen que chegamos s l mites do crecemento, sinalando, para xustifica- -la sœa afirmaci n as seguintes probas: Ñ O enorme incremento da erosi n dos solos producido en amplas zonas da Terra. Ñ As importantes perdas de diversidade biol xica. Ñ O excesivo consumo humano de biomasa: o home utiliza aproximadamente o 40 % da producci n neta total da fotos ntese (25 % se se considera a fotos ntese, oce nica). Se se duplica a poboaci n (o que est previsto aproximadamente para o 2016), utilizar ase respectivamente o 80 % ou o 50 % da capacidade da fotos ntese co que a seguinte duplicaci n ser a xa imposible a non ser que se incrementase a eficiencia do proceso fotosintžtico que, segundo a maior a dos autores, Ž moi baixa, de arredor do 1 % da enerx a solar ou se descubrisen outras formas de producir biomasa. Ñ O efecto invernadoiro: pola sœa importancia, analizaržmolo con m is detalle. O denominado Ôefecto invernadoiroõ ou Ôquentamento clim ticoõ Ž un tema xa cl sico nas discusi ns ambientais. A partir das medidas de concentraci n de CO 2 na atmosfera iniciadas por Keeling na cima do Mauna Loa en Hawai, a finais dos cincuenta, quedou en seguida claro que se estaba producindo un incremento do contido deste gas na atmosfera e, dado que as emisi ns producidas pola queima de combustibles f siles experimentou un forte aumento desde finais da Segunda Guerra Mundial, atribu uselle a este proceso o incremento do C atmosfžrico. C lculos posteriores deron como resultado que se produciu un aumento da orde do 25 % nos œltimos cento trinta anos e, de seguir ese ritmo, a concentraci n de CO 2 atmosfžrico (arredor do

350 350 Felipe Macías Vázquez 0,03 % na džcada dos sesenta) duplicar a a do per odo preindustrial (IPCC, 1966). Este feito, xunto co incremento da presencia doutros gases de efecto invernadoiro, como o CH4, NOx e os clorofluocarbonos (a contribuci n efecto invernadoiro, segundo o European Environmental Assessment, Ž: CO2: 65 %, CH4: 20 %; CFC: l0 % e H2O: 5 %) levou a diferentes expertos clim ticos a predicir un incremento da temperatura media da Terra que inicialmente se estimou nuns 8 ¼C para o 2100 e na actualidade considžrase que poder a oscilar entre 1 e 3,5 ¼C (IPCC, 1998). As consecuencias dun quentamento como o previsto polo Panel Internacional do Cambio Clim tico (IPCC) ser an moi graves para a biodiversidade e producir an importantes trastornos socioecon micos. Fisicamente producir ase un incremento do nivel do mar (sobre 50 cm, IPCC 1998), causado pola fusi n total ou parcial dos casquetes polares, co alagamento de grandes superficies de terreo e a pr ctica desaparici n dalgœns pa ses (pequenas illas do Pac fico ou zonas de extensos litorais como Birmania...), un cambio na circulaci n atmosfžrica con fortes modificaci ns das temperaturas e distribuci n das precipitaci ns e tormentas, o que leva consigo unha importante modificaci n dos cultivos e dos recursos econ micos (o millo ou o eucalipto poder an cultivarse en Escandinavia e quizais as zonas de turismo estival se situasen norte de Escocia). Con todo, os maiores problemas ambientais ser an sufridos polas comunidades bi ticas que non poden trasladarse seguindo os cambios clim - ticos, a vexetaci n, os invertebrados e sobre todo os microorganismos, ver an modificado bruscamente o seu h bitat e os que non puideran adaptarse s novas condici ns ser an eliminados. Esta situaci n obriga a realizar importantes modificaci ns nas emisi ns ou ben nos sistemas de retirada do CO 2 e os outros gases de efecto invernadoiro da atmosfera. Deber an reducirse do % as emisi ns de gases de invernadoiros para que os incrementos sexan compatibles coa sostibilidade dos ecosistemas e do % para que no ano 2010 se tivese unha concentraci n de XO2 similar de Estas cifras son bastante superiores s aprobadas na Conferencia de Kioto (Europa 8 % menos en 2010 ca en 1990), polo que algœns pa ses europeos (Austria, Finlandia, Suecia e Noruega) propuxeron taxas engadidas para as enerx as tžrmicas obtidas a partir de combustibles f siles. Outros investigadores consideran que non est claro o grao de quentamento que se producir (de feito o descenso das estimaci ns do propio IPCC dos 8 ¼C iniciais s entre 1 e 3,5 actuais indica que a calidade das modelizaci ns primeiras era bastante mala) e que, polo tanto, hai dœbidas razoables para estima-lo grao de quentamento que se producir, fundamentalmente porque os modelos de predicci n son basicamente modelos f sicos que non te en en conta a capacidade de

351 Medio ambiente 351 amortecemento dos procesos que ten a Terra. As, non se inclœen nos modelos o incremento da alteraci n mineral e do transporte de i ns bicarbonato mar que se producir como consecuencia da maior acidez das chuvias estar en contacto a auga cunha maior presi n de CO 2 nin tampouco se inclœen os efectos do incremento de absorci n de CO 2 pola biomasa (efecto fertilizante do CO 2 ), nin o incremento da fixaci n de C en corais, moluscos, etc. ƒ dicir, hai un gran nœmero de mecanismos reguladores dos sistemas biosfžricos que interve en na temperatura da Terra e que non foron considerados, entre outras cousas porque se desco ece a sœa capacidade e velocidade de actuaci n e, como consecuencia, util zanse s magnitudes f sicas. O debate est aberto e, se ben queda demostrado que hai un incremento do CO 2 atmosfžrico claramente atribu ble queima dos combustibles f siles, non o Ž menos que se desco ece a capacidade reguladora dos mecanismos bioxeoqu micos e, polo tanto, as predicci ns dos nosos modelos f sicos poden ser err neas. De a que moitos investigadores falen s da Ôhip tese do efecto invernadoiroõ e non dun feito que se producir inexorablemente. De t dalas formas Ž importante sinalar que o efecto invernadoiro Ž un proceso natural producido pola presencia de pequenas cantidades de gases que te en esta propiedade na atmosfera. Se esta s contivese os xeno e nitr xeno, a temperatura da Terra Fig. 3.- Variación do índice de temperatura nos últimos 4000 anos de acordo co contido de Hg nunha turbeira do Xistral (Martínez Cortizas, et al., 1999).