3. El vitalismo | 📘 Química orgánica | Joseleg

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 Todos los seres vivos de la tierra están formados en su mayoría por compuestos de carbono. La prevalencia de compuestos de carbono en los seres vivos ha llevado al epíteto de vida "basada en carbono". La verdad es que no conocemos otro tipo de vida. Los primeros químicos consideraban las sustancias aisladas de organismos (plantas y animales) como un tipo diferente de materia que no podía sintetizarse artificialmente, por lo que estas sustancias se conocían como compuestos orgánicos (Libretexts, 2022).

Antes del siglo XVIII, los químicos generalmente creían que los compuestos obtenidos de organismos vivos estaban dotados de una fuerza vital que los distinguía de los compuestos inorgánicos. Según el concepto de vitalismo (teoría de la fuerza vital), la materia orgánica estaba dotada de una "fuerza vital" (Malaterre, 2013; Ramberg, 2000). Durante la primera mitad del siglo XIX, se informaron algunos de los primeros estudios sistemáticos de compuestos orgánicos.

Antigüedad y edad media

La noción de que las funciones corporales se deben a un principio vitalista existente en todas las criaturas vivientes tiene raíces que se remontan al menos al antiguo Egipto (Denaës, 2007). En la filosofía griega, la escuela de Mileto proponía explicaciones naturales deducidas del materialismo y el mecanicismo. Sin embargo, en la época de Lucrecio, este relato se complementó (por ejemplo, con el impredecible clinamen de Epicuro), y en la física estoica, el pneuma asumió el papel de logos. Galeno creía que los pulmones extraen pneuma del aire, que la sangre comunica por todo el cuerpo (Wilson, 1962). En Europa, la física medieval estuvo influenciada por la idea de pneuma, lo que ayudó a dar forma a las teorías posteriores del éter.

Figura 2‑2 Aunque la idea de la fuerza vital hace parte de la galería de ideas que han sido superadas o refutadas por la ciencia moderna, algunas áreas pseudocientíficas o metafísicas como la homeopatía aún la emplean para crear una estructura de explicacion que no concuerdan con el marco conceptual de la ciencia moderna, por lo tanto son básicamente charlatanería.

Inicios de la ciencia moderna

Los vitalistas incluyeron al anatomista inglés Francis Glisson (1597–1677) y al médico italiano Marcello Malpighi (1628–1694) (Birch & Cobb, 1985). Caspar Friedrich Wolff (1733-1794) es considerado el padre de la epigénesis en embriología, es decir, marca el punto en el que el desarrollo embrionario comenzó a describirse en términos de proliferación de células en lugar de la encarnación de un alma preformada. Sin embargo, este grado de observación empírica no fue igualado por una filosofía mecanicista: en su Theoria Generationis (1759), trató de explicar el surgimiento del organismo por las acciones de una vis essentialis (una fuerza organizadora y formativa), afirmando que "Todo los creyentes en la epigénesis son vitalistas". Carl Reichenbach (1788–1869) desarrolló más tarde la teoría de la fuerza ódica, una forma de energía vital que impregna a los seres vivos.

En el siglo XVII, la ciencia moderna respondió a la acción a distancia de Newton y al mecanismo del dualismo cartesiano con teorías vitalistas: mientras que las transformaciones químicas que experimentan las sustancias no vivas son reversibles, la materia llamada "orgánica" está permanentemente alterada por la acción química de transformaciones (como cocinar), es decir, las reacciones en química de los seres vivos eran irreversibles (Ede, 2007).

Tal como lo expresaron Charles Birch y John B. Cobb, "las afirmaciones de los vitalistas volvieron a salir a la luz" en el siglo XVIII (Birch & Cobb, 1985): "Los seguidores de Georg Ernst Stahl estaban activos al igual que otros, como el médico genio Francis Xavier Bichat del Hotel Dieu.” (Birch & Cobb, 1985) Sin embargo, “Bichat pasó de la tendencia típica de la tradición vitalista francesa a liberarse progresivamente de la metafísica para combinarse con hipótesis y teorías acordes con los criterios científicos de la física y la química.” John Hunter reconoció "un 'principio vivo' además de la mecánica". (Birch & Cobb, 1985).

Johann Friedrich Blumenbach también influyó en el establecimiento de la epigénesis en las ciencias de la vida en 1781 con su publicación de Über den Bildungstrieb und das Zeugungsgeschäfte. Blumenbach cortó la Hidra de agua dulce y estableció que las partes extraídas se regenerarían. Infirió la presencia de un "impulso formativo" (Bildungstrieb) en la materia viva. Pero señaló que este era un nombre semejante aplicado a cualquier otra clase de poder vital, pero por sí solo, no explica nada: sirve simplemente para designar un poder peculiar formado por la combinación del principio mecánico con el que es susceptible de modificación.

El siglo XIX

Jöns Jakob Berzelius, uno de los fundadores de la química moderna de principios del siglo XIX, argumentó que debe existir una fuerza reguladora dentro de la materia viva para mantener sus funciones (Ede, 2007). Berzelius también sostuvo que los compuestos podían distinguirse por si requerían algún organismo en su síntesis (compuestos orgánicos) o si no (compuestos inorgánicos) (Berzelius, 1934). Los químicos vitalistas predijeron que los materiales orgánicos no podían sintetizarse a partir de componentes inorgánicos.

Estudiando jabones

Michel Chevreul, el padre de la química de los lípidos, nació en Angers, Francia en 1786. No es de extrañar que se convirtiera en uno de los químicos destacados del siglo XIX ya que sus antepasados, que datan de unos 200 años antes de su nacimiento, eran boticarios, médicos o cirujanos. En 1799, Chevreul ingresó a l'Ecole Centrale en Angers, donde estudió idiomas, botánica, mineralogía, matemáticas, física y química (List, Kenar, & Moser, 2017).

Después de terminar sus estudios en 1803, llegó el momento de elegir una carrera. A diferencia de su padre y sus abuelos, a él no le importaba la medicina y eligió la química en su lugar. Chevreul fue al Museo Nacional de Historia Natural de París para estudiar con el destacado químico Louis Vauquelin (1763-1829), que había descubierto el berilio y el cromo. Vauquelin fue el primer químico en separar los materiales biológicos en grasas, proteínas, almidones y azúcares, lo que sin duda llevó a Chevreul a interesarse por las grasas y los aceites, todas sustancias obtenidas de fuentes biológicas (List et al., 2017).

Chevreul comenzó sus investigaciones sobre la naturaleza de las grasas en 1811 cuando Vauquelin le asignó la tarea de examinar una muestra de jabón. Descubrió que, al disolver el jabón en agua y tratarlo con ácido clorhídrico, los ácidos orgánicos insolubles separados formaban una capa flotante. Luego demostró que esta capa comprendía una serie de ácidos grasos distintos. También demostró que, cuando las grasas se calientan en presencia de bases, el glicerol (descrito y nombrado por primera vez por Scheele, 1783) permanece en solución mientras los ácidos grasos se separan (List et al., 2017).

En 1814, Chevreul demostró que la manteca de cerdo contenía dos tipos de triglicéridos, uno de los cuales permanecía sólido a temperatura ambiente, al que denominó 'estearina' y el segundo, un líquido al que denominó 'elaina'. La fama de Chevreul como químico de lípidos culminó en 1823 con la publicación de su investigación sobre grasas animales en la que desentrañó la naturaleza de la reacción de saponificación y demostró que las grasas y los aceites son ésteres de ácidos grasos y glicerol. Chevreul identificó los ácidos oleico, butírico, cáprico y esteárico y el colesterol como componentes de las grasas animales (List et al., 2017).

Alrededor de 1816 Chevreul inició un estudio de jabones elaborados con diversas grasas y álcalis. Separó los ácidos que, en combinación con el álcali, produjeron el jabón. Dado que todos estos eran compuestos individuales, demostró que era posible hacer un cambio químico en varias grasas (que tradicionalmente provienen de fuentes orgánicas), produciendo nuevos compuestos, sin "fuerza vital", es decir, sin la intervención de un ser vivo.

La síntesis de la úrea

Friedrich Wöhler nació en Eschersheim, Alemania, y era hijo de un veterinario. Su educación secundaria fue en el Frankfurt Gymnasium. Durante su tiempo en el gimnasio, Wöhler comenzó la experimentación química en un laboratorio casero proporcionado por su padre. Comenzó su educación superior en la Universidad de Marburg en 1820 (Partington, 2016).

El 2 de septiembre de 1823, Wöhler aprobó sus exámenes como Doctor en Medicina, Cirugía y Obstetricia en la Universidad de Heidelberg, después de haber estudiado en el laboratorio del químico Leopold Gmelin. Gmelin lo animó a centrarse en la química y dispuso que Wöhler realizara una investigación bajo la dirección del químico Jöns Jakob Berzelius en Estocolmo, Suecia. El tiempo de Wöhler en Estocolmo con Berzelius marcó el comienzo de una larga relación profesional entre los dos científicos. Wöhler tradujo algunos de los escritos científicos de Berzelius al idioma alemán con el propósito de su publicación internacional (Partington, 2016).

Wöhler también ha sido considerado como un pionero en química orgánica como resultado de su demostración de 1828 de la síntesis de laboratorio de urea a partir de cianato de amonio, en una reacción química que se conoció como la "síntesis de Wöhler" (Keen, 1984; McKie, 1944; Ramberg, 2000). La urea y el cianato de amonio son otros ejemplos de isómeros estructurales de compuestos químicos. Calentar el cianato de amonio lo convierte en urea, que es su isómero. En una carta al químico sueco Jöns Jacob Berzelius el mismo año, escribió: 'Por así decirlo, ya no puedo contener mi agua química. Debo decirte que puedo hacer urea sin el uso de riñones de ningún animal, ya sea hombre o perro (Cohen & Cohen, 1996).

Figura 3‑2 La síntesis de la urea demostró que las reacciones químicas relacionadas con los seres vivos podían llevarse a cabo sin estos, y por ende no existía una diferencia epistemológica fundamental entre la química Orgánica y la química inorgánica, lamentablemente los dos nombres quedaron acuñados para las dos secciones del curso de química general.

La demostración de Wöhler de la síntesis de urea se ha considerado como una refutación del vitalismo, la hipótesis de que los seres vivos están vivos debido a alguna "fuerza vital" especial. Fue el principio del fin de una hipótesis vitalista popular, la idea de que los compuestos "orgánicos" solo podían ser producidos por seres vivos. Al responder a Wöhler, Jöns Jakob Berzelius reconoció claramente que los resultados de Wöhler eran muy significativos para la comprensión de la química orgánica y calificó los hallazgos como una "joya" para la "corona de laurel" de Wöhler. Ambos científicos también reconocieron la importancia del trabajo para el estudio de la isomería, una nueva área de investigación (Rocke, 1993).

A veces se dice que el papel de Wöhler en el derrocamiento del vitalismo se ha exagerado con el tiempo. Esta tendencia se remonta a la Historia de la química de Hermann Kopp (en cuatro volúmenes, 1843-1847). Hizo hincapié en la importancia de la investigación de Wöhler como refutación del vitalismo, pero ignoró su importancia para comprender la isomería química, lo que marcó la pauta para los escritores posteriores (Rocke, 1993).

Sin embargo, los relatos contemporáneos no respaldan la creencia común de que el vitalismo murió cuando Wöhler fabricó la urea. Este mito de Wöhler, como lo llamó el historiador Peter Ramberg, se originó a partir de una historia popular de la química publicada en 1931 que, "ignorando toda pretensión de precisión histórica, convirtió a Wöhler en un cruzado que intentó sintetizar un producto natural que refutaría vitalismo y levantar el velo de la ignorancia, hasta que 'una tarde ocurrió el milagro'" (Ramberg, 2000).

Despues de la síntesis de la úrea

Entre 1833 y 1844, Johannes Peter Müller escribió un libro sobre fisiología llamado Handbuch der Physiologie, que se convirtió en el principal de texto libro en el campo durante gran parte del siglo XIX. El libro mostró los compromisos de Müller con el vitalismo; cuestionó por qué la materia orgánica difiere de la inorgánica, luego procedió a los análisis químicos de la sangre y la linfa. Describe en detalle los sistemas circulatorio, linfático, respiratorio, digestivo, endocrino, nervioso y sensorial en una amplia variedad de animales, pero explica que la presencia de un alma hace de cada organismo un todo indivisible. También afirmó que el comportamiento de las ondas de luz y sonido mostraba que los organismos vivos poseían una energía vital que las leyes físicas nunca podrían explicar por completo (Degni, 2020).

Louis Pasteur (1822-1895), después de su famosa refutación de la generación espontánea, realizó varios experimentos que, en su opinión, respaldaban el vitalismo. Según Bechtel, Pasteur "encajó la fermentación en un programa más general que describe reacciones especiales que solo ocurren en organismos vivos. Estos son fenómenos irreductiblemente vitales". Rechazando las afirmaciones de Berzelius, Liebig, Traube y otros de que la fermentación era el resultado de agentes químicos o catalizadores dentro de las células, Pasteur concluyó que la fermentación era una "acción vital" (Alsberg, 1923).

La muerte gradual del vitalismo

Hans Driesch (1867–1941) interpretó sus experimentos como una demostración de que la vida no se rige por leyes fisicoquímicas (Allen, 2005). Su argumento principal era que cuando se corta un embrión después de su primera división o dos, cada parte crece hasta convertirse en un adulto completo. La reputación de Driesch como biólogo experimental se deterioró como resultado de sus teorías vitalistas, que los científicos han visto desde su época como pseudociencia.

El vitalismo es una hipótesis científica superada, y el término se usa a veces como un epíteto peyorativo (Galatzer-Levy  M, 1976). Ernst Mayr (1904-2005) escribió:

“Sería ahistórico ridiculizar a los vitalistas. Cuando uno lee los escritos de uno de los principales vitalistas como Driesch, uno se ve obligado a estar de acuerdo con él en que muchos de los problemas básicos de la biología simplemente no pueden resolverse con una filosofía como la de Descartes, en la que el organismo se considera simplemente una máquina. .. La lógica de la crítica de los vitalistas era impecable.” (Mayr, 2018)

El vitalismo se ha vuelto una creencia de tan mala reputación en los últimos cincuenta años que ningún biólogo vivo en la actualidad querría ser clasificado como vitalista. Aún así, los restos del pensamiento vitalista se pueden encontrar en el trabajo de Alistair Hardy, Sewall Wright y Charles Birch, quienes parecen creer en algún tipo de principio no material en los organismos (Mayr, 1988).

Emergentismo

La noción cartesiana de que los seres vivos son simples máquinas y la visión vitalista de que se requiere una fuerza vital externa que se encuentra en el aire son dos posiciones extremas, cada una con sus pros y sus contras desde un punto de vista epistemológico. Sin embargo la epistemología moderna ha creado un concepto que reconcilie las dos ideas en un marco de referencia exclusivamente naturalista, y es la idea de la existencia de propiedades emergentes a un nivel de complejidad.

La ciencia y la ingeniería contemporáneas a veces describen procesos emergentes, en los que las propiedades de un sistema no pueden describirse completamente en términos de las propiedades de las unidades constituyentes. Esto puede deberse a que las propiedades de los constituyentes no se entienden por completo o porque las interacciones entre los constituyentes individuales también son importantes para el comportamiento del sistema. Un ejemplo clásico y muy simple es un trípode compuesto por tres elementos que son tres bastones, por sí mismos los bastones no poseen la propiedad de mantenerse auto sustentados en posición semi vertical, pero cuando los tres bastones se organizan en un trípode adquieren esa propiedad al interactuar entre ellos (Bergandi, 2011; Damiano, 2012).

Si la emergencia debe agruparse con los conceptos vitalistas tradicionales es un tema de controversia semántica, y epistemológica. algunos sostienen que el concepto de propiedades emergentes es sólo otro nombre para el vitalismo. yo en lo personal no lo creo así, ya que las interacciones entre las diferentes partículas no tienen nada de metafísica, como lo demuestra nuestro ejemplo simple con un trípode, pues el hecho de que él se mantenga en posición vertical no tiene nada de mágico.

Sin embargo es evidente históricamente, y se ha demostrado experimentalmente en el desarrollo cognitivo del ser humano, que las explicaciones vitalistas son mucho más sencillas de razonar cuando la mente humana se enfrenta a un problema de un sistema complejo auto organizado. El pensamiento vitalista ha sido identificado en las teorías biológicas ingenuas de los niños: "Resultados experimentales recientes muestran que la mayoría de los niños en edad preescolar tienden a elegir explicaciones vitalistas como las más plausibles. El vitalismo, junto con otras formas de causalidad intermedia, constituyen dispositivos causales únicos para la biología ingenua. como un dominio central del pensamiento.” (Inagaki & Hatano, 2004)

El emergentismo en la química orgánica

Hasta este punto aparentemente nos hemos desviado de nuestra discusión original acerca de la química Orgánica y de las sustancias orgánicas, sin embargo las ideas de las propiedades emergentes y las interacciones estructurales entre las partículas son fundamentales para el entendimiento de la química Orgánica. La química Orgánica es en esencia una química de estructuras y de interacciones, a través del conocimiento de la estructura de las moléculas buscamos predecir sus propiedades químicas y físicas, propiedades que no pueden reducirse a los átomos que componen una molécula. Decir que las propiedades emergentes no existen, es negar la diferencia que existe entre una molécula y una colección de átomos desorganizados.

Figura 3‑3 La propia de emergente de un trípode de mantenerse estable en posición semi vertical demuestra por qué el concepto de propiedades emergentes no puede equipararse al de vitalismo. En el emergententismo las propiedades emergentes surgen de interacciones mecánicas/químicas/biológicas de las partículas que constituyen al todo, y por ende el todo es más que la suma de sus partes, pero a fin de cuentas siguen siendo interacciones mecánicas/químicas/biológicas, sin la necesidad de fuerzas vitales o entidades metafísicas mágicas que apoyen a esas propiedades nuevas.

Dado lo anterior, los químicos orgánicos abandonaron las explicaciones vitalistas ya entrados en el siglo XX, y en consecuencia ese tipo de explicaciones será inválido para el resto de Del curso de química Orgánica.