lunes, 23 de noviembre de 2015

Los experimentos más bellos de la Biología 2. La nutrición vegetal: de van Helmont a Senebier (pasando por Ingenhousz)

Tenía la intención, para esta segunda entrada de la serie, de cambiar de época y de tema, pero las intenciones suelen verse atacadas por las necesidades. El caso es que esta semana he empezado a tratar con mis alumnos más pequeños, los de primero de ESO, las características de los seres vivos y, una vez más, me he tenido que enfrentar a uno de esos fenómenos que los pedagogos llamamos "concepciones alternativas".

Para no aburrir, y supeditando el rigor a la facilidad de comprensión, podríamos decir que una concepción alternativa es una explicación preexistente acerca de un fenómeno que los estudiantes poseen y utilizan y que no coincide con la explicación científicamente atinada. A veces son espontáneas: los niños razonan, y aplican su modo de pensar a la resolución de problemas y a la explicación de fenómenos, al menos cuando se les interroga sobre ellos y se ven en la necesidad de hacerlo. Pero otras veces, y esto es mucho más grave, son errores transmitidos en etapas previas de la enseñanza.

Algunas de esas concepciones alternativas transmitidas son muy tradicionales. Por ejemplo, la idea de que las nubes están formadas por vapor de agua, o de que las plantas respiran solo durante la noche y que, por tanto, tener una planta en la habitación puede ser peligroso (aunque en este caso es más una conseja de abuela que una idea escolar, hay que reconocerlo). Otras son más recientes en el tiempo, aunque eso no las hace menos importantes ni más sencillas de resolver. Me refiero, por ejemplo, a la confusión entre el efecto invernadero y la destrucción de la capa de ozono que lleva a los alumnos a pensar que la emisión de CO2 provoca, como consecuencia fundamental, la destrucción de esa capa protectora.

Pero ahora me refiero a uno de esos problemas tradicionales, el de la nutrición vegetal. Resulta algo más que curioso comprobar que la inmensa mayoría de los alumnos de 12 años saben que las plantas son capaces de "realizar la fotosíntesis" (lo siento, no tengo datos estadísticos ni es la intención de un blog como este utilizarlos) pero que, cuando se pregunta a esos mismos alumnos sobre con qué se alimentan las plantas, la respuesta de la inmensa mayoría es "de agua y sales minerales". ¿Para qué sirve, entonces, la fotosíntesis? ¿De dónde sale el carbono imprescindible para construir la materia orgánica?...

Los que nos hemos creido alguna vez esto de las concepciones alternativas pensamos que son como el gotelé de las paredes: no basta con pintar por encima con una nueva capa de conocimientos, sino que hay que arrancarlo de raíz, sustituirlo a partir de la base de la pared que puede ser bien pintada, y para eso hace falta desarrollar "actividades de fisuración" que ayuden a los alumnos a detectar las incongruencias y a sustituir sus explicaciones por otras que funcionen mejor.

Por ejemplo, y hablando de la fotosíntesis, si los alumnos saben (o repiten) que las plantas "toman" dióxido de carbono del aire y "expulsan" oxígeno, una actividad de fisuración sencilla es plantearles una duda: ¿qué pasa con el carbono...?
En fin, hoy se trataba de hablar de los experimentos que, de Van Helmont a Senebier, jugaron un papel importante en la comprensión de la nutrición vegetal, precisamente porque su análisis también puede servir como actividad de fisuración para ayudar a comprender la nutrición vegetal.

La nutrición vegetal en la antigüedad

Los seres humanos tenemos una descomunal tendencia a considerarnos el ombligo del mundo, y a interpretarlo todo tomándonos a nosotros mismos como modelo. Así, en la antigua Grecia, filósofos como Hipócrates o Aristóteles consideran a las plantas como "animales invertidos" en los que las raíces juegan el papel de la boca. Puesto que, según las ideas de la época, los seres vivos se alimentan de sustancias similares a ellos mismos, la fuente de la alimentación de las plantas debía ser la materia orgánica del suelo. Esta idea constituye la teoría del humus. Según esta teoría el propio suelo actuaría como un "estómago" capaz de transformar las sustancias presentes en él en otras asimilables por las plantas.

En esta época la respiración no era considerada parte de la nutrición (de hecho, alimento tiene el significado etimológico de "sustancia sólida"). En vez de eso se pensaba que jugaba un papel fundamental en la regulación de la temperatura del cuerpo.

Las ideas clásicas sobre la nutrición vegetal apenas cambiaron hasta los experimentos de Van Helmont.

El experimento del sauce

Jean Baptiste Van Helmont nació en Bruselas hacia 1580 (hay datos diferentes sobre su fecha de nacimiento) dentro de una familia noble, y se doctoró en Medicina por la entonces (y aún ahora) muy prestigiosa universidad de Lovaina. Sus principales aportaciones a la historia de la ciencia probablemente corresponden al área de la Química, con sus contribuciones al descubrimiento de los gases, nombre que él mismo les dio a partir de la palabra griega que significa caos y, sobre todo, por su ideas sobre la conservación de la materia en las reacciones químicas.

Desafortunadamente Van Helmont fue seguidor de las ideas de Paracelso, al que se puede considerar el último de los grandes alquimistas, y sus explicaciones acerca de los fenómenos químicos están teñidas de consideraciones metafísicas y de "espíritus" que proporcionan características especiales a la materia. Tampoco puede decirse que sus interpretaciones acerca del mundo de lo viviente fueran más afortunadas; en su obra póstuma, Ortus medicinae, describe sus experimentos que, según él, demuestran la generación espontánea:

"... Las criaturas como los piojos, las garrapatas, las pulgas y los gusanos son nuestros miserables huéspedes y vecinos, pero nacen de nuestras entrañas y excrementos. Porque si colocamos ropa interior llena de sudor con trigo en un recipiente de boca ancha, al cabo de veintiún días el olor cambia, y el fermento, surgiendo de la ropa interior y penetrando a través de las cáscaras de trigo, cambia el trigo en ratones. Pero lo que es más notable aún es que se forman ratones de ambos sexos y que éstos se pueden cruzar con ratones que hayan nacido de manera normal... pero lo que es verdaderamente increíble es que los ratones que han surgido del trigo y la ropa íntima sudada no son pequeñitos, ni deformes ni defectuosos, sino que son adultos perfectos...”

 Sin embargo estos experimentos, a diferencia de los que diseñaria Redi unos años más tarde, fueron realizados sin ningún tipo de control para evitar la entrada de otros animales desde fuera de la situación experimental. Incluso su experimento del sauce, el que se va a describir en esta entrada, termina en conclusiones que a día de hoy sabemos que son totalmente equivocadas.

La aportación fundamental de Van Helmont a la Biología deriva de su famoso experimento del sauce, que él describe con estas palabras:

"Tomé una maceta de barro en la que puse 200 libras de tierra que previamente había sido secada en un horno. La humedecí con agua y planté en ella un tronco o esqueje de sauce que pesaba 5 libras. Al cabo de cinco años, el árbol que se desarrolló a partir de ahí pesaba 169 libras y unas 3 onzas. Ahora bien, cuando era preciso, regaba con agua de lluvia o destilada la maceta de barro que era grande y estaba metida en el suelo. Y para que no se mezclase con la tierra el polvo del aire, tapé la boca del tiesto con una placa de hierro estañado fácil de atravesar por muchos agujeros. No tomé nota del peso de las hojas que cayeron en los cuatro otoños. Finalmente, saqué de nuevo la tierra de la maceta y hallé las mismas 200 libras menos unas dos onzas. Por consiguiente, las 164 libras de madera, corteza y raíces provenían solo del agua".


Desde luego, ahora sabemos que Van Helmont se equivocaba porque no tuvo en cuenta el intercambio gaseoso de la planta con el aire, pero para ser justos con él hay que decir que en esa época el aire era considerado un receptáculo vacío, y que fue el propio Van Helmont el que, partiendo de sus observaciones sobre las "exhalaciones" que observó en sus experimentos, propuso la existencia de los gases.

El gran acierto metodológico del experimento de Van Helmont está en la cuantificación, en la determinación de las masas de las sustancias que intervienen en el proceso. La idea de la conservación de la materia, que ahora nos parece tan natural, juega un papel fundamental en la conclusión del experimento. La aportación a la ciencia es otra: un solo trabajo, asombrosamente sencillo en su diseño, consigue falsear una teoría con más de mil años de prevalencia. Un resultado negativo es, a veces, un gran paso adelante.

Ah, sí, también es conveniente destacar el pequeño detalle de la paciencia: cinco años para demostrar una hipótesis mediante una sola medición es mucho tiempo. Un digno precursor de Mendel y sus guisantes y de Darwin y su piedra de las lombrices.

Van Helmont finalizó su experimento el año 1624. El año anterior había nacido Pascal y el botánico suizo Bauhin había clasificado unas 600 especies de plantas utilizando por primera vez una nomenclatura binomial, con género y especie, como la que después utilizaría Linneo. El mismo año 1624 Gassendi mide por primera vez la velocidad del sonido.

Priestley y la "purificación" del aire

Joseph Priestley fue un teólogo y científico inglés del siglo XVIII (1732-1804), que disfrutó de una considerable reputación científica en su época como inventor... ¡de la gaseosa! (queda más fino como agua carbonatada, pero las cosas son lo que son). También descubrió otras cosillas, como varios gases, entre ellos uno que él llamó "aire desflogistizado" y Lavoisier, su gran rival científico en una de esas batallas más o menos incruentas que han hecho avanzar la ciencia a fuerza de mamporros, "oxígeno". Su aportación a la Biología tiene que ver, precisamente, con este gas, y con el papel de las plantas en su generación.

La "Química pneumática" no siempre era vista con buenos ojos...
Priestley fue un firme defensor de la teoría del "flogisto", un gas nocivo para los seres vivos que, según él se liberaba al aire como consecuencia de la combustión. Cuando el aire se saturaba de ese compuesto la combustión se detenía. En sus experimentos obtuvo, mediante ciertas reacciones químicas, un gas al que llamó "aire desflogistizado". Entre 1771 y 1777 utilizó ese gas en una serie de experimentos en los que intervenían seres vivos:

En primer lugar colocó su "aire desflogistizado" dentro de una campana de cristal con una vela encendida en su interior. Al cabo de poco tiempo la vela acabó por apagarse. La segunda tanda de experimentos consistió en poner dentro de la campana un ratón. El pobre bicho acabó muriendo al cabo de un tiempo bastante corto, lo que demostraba que la actividad de los animales era un proceso químico semejante a la combustión de una vela y que acababa produciendo "flogisto". La tercera tanda de experimentos de Priestley involucró a una planta; al introducirla en una campana con ese aire desflogistizado la planta sobrevivía durante un largo periodo de tiempo.

Las últimas tandas de experimentos de Priestley consistieron en combinar las anteriores, juntando en una misma campana las plantas y las velas o las plantas y un ratón. El resultado fue que la vela ardía durante más tiempo y el ratón sobrevivía gracias a la presencia de las plantas.



La primera conclusión biológica que se extrae de los experimentos de Priestley es que los animales utilizan el aire para llevar a cabo un proceso químico parecido a la combustión de la vela. Ahora sabemos que dicho proceso es la respiración, y que resulta fundamental para que los seres vivos puedan aprovechar la energía de los alimentos.

La segunda conclusión es que las plantas llevan a cabo un procedimiento diferente, que produce ese gas al que Priestley llamaba "aire desflogistizado" (nosotros oxígeno), que es imprescindible tanto para la combustión como para la respiración.

Durante la década en la que Priestley hace sus experimentos, la Química atraviesa un auténtico periodo de ebullición protagonizado, fundamentalmente, por Lavoisier y el propio Priestley. En pocos años se suceden los descubrimientos de varios elementos y sustancias químicas de importancia fundamental. Mesmer propone que el poder mental ejerce una enorme influenia sobre el cuerpo (lo que será la base de la hipnosis y su uso terapéutico y no tan terapéutico) pocos años antes de que se abra el primer manicomio y Volta inventa la pila. En medicina, se identifica el primer tipo de cáncer relacionado con una actividad profesional: el cáncer de escroto asociado a la exposición al hollín y las cenizas. Pero lo que más importancia tendrá en la historia de la ciencia, y en nuestra pequeña historia particular, es que Lavoisier refuta la teoría del flogisto.

Ingenhousz, el descubridor de la fotosíntesis


Imagen de Ingenhousz creada "fotosintéticamente" en una hoja de geranio
Jan Ingenhousz (1730-1799) es uno de esos ilustres desconocidos que pululan por la historia de la ciencia como desconocidos para el gran público a pesar de la importancia de sus hallazgos. Está claro que la fotosíntesis es uno de los procesos ecológicos más importantes que tienen lugar en nuestro planeta, ¿no? Al fin y al cabo, todos los organismos sobrevivimos gracias a ella... Y, siendo así, alguien tuvo que descubrirla por primera vez, ¿no? Bueno, pues ese alguien es el bueno de Jan Ingenhousz, de quien tan poco nos acordamos, quién sabe si por lo difícil que resulta pronunciar su nombre...

Jan Ingenhousz fue un médico holandés que alcanzó una cierta fama por su habilidad para vacunar contra la viruela, una práctica que en la época resultaba compleja y peligrosa. En un viaje a Inglaterra tuvo conocimiento de los experimentos de Priestley con el "aire desflogistizado" y decidió replicarlos pero modificando algunas de las variables que intervenían en ellos.

Ingenhousz prestó más atención a los factores que intervienen en la formación del "aire desflogistizado": mantuvo durante siete días partes verdes de plantas expuestas a la luz y comprobó que producían suficiente "aire desflogistizado" como para matener encendida una vela durante algún tiempo. Sin embargo, al repetir el mismo experimento pero en ausencia de luz la vela se apagaba enseguida, es decir, no se producía ese "aire sin flogisto". Del mismo modo, cuando mantenía expuestas a la luz partes de plantas que no tenían color verde, como patatas, tampoco se producía aire desflogistizado sino que, por el contrario, en estos casos producían "flogisto" igual que los animales.


Para llevar a cabo sus experimentos Ingenhousz realizó cuidadosas mediciones de la calidad del aire de cada experimento, utilizando un instrumento llamado eudiometro. Esta metodología y su actitud lo sitúan dentro de la ciencia moderna, frente a otros investigadores de la misma época que se ocuparon fundamentalmente de la recolección de datos cualitativos.

"No se puede ser demasiado cauteloso con los experimentos. Creo que he sido bastante afortunado con mi cautela en relación con la interposición de experimentos. No sé todavía si Priestley, Senebier, o cualquier otra persona ha sido capaz de formular cualquier crítica fundamental contra mis experimentos. Si alguien observara algo de esta naturaleza mientras lee o hace mis experimentos, le agradecería que me lo comunicase."


Como se ha dicho, en este tiempo Lavoisier consiguió demostrar que la combustión de las velas y los animales consumen una parte del aire, un gas que él llamó oxígeno, nombre que continuamos usando en la actualidad.

Mientras Priestley se mantenía aferrado a la teoría del flogisto como un capitán que se hunde con su barco, Ingenhousz fue capaz de ver las posibilidades que ofrecían las nuevas ideas y de reienterpretar los resultados de su trabajo en términos de la nueva teoría.

Esta idea es, además, otra de las concepciones alternativas de los alumnos, lo que ilustra el cierto paralelismo que existe entre desarrollo del conocimiento en los alumnos que aprenden un cieto tema y el desarrollo histórico de esa misma cuestión.

Priestley e Ingenhousz mantuvieron durante años una intensa polémica sobre quién debería ser considerado el descubridor de la fotosíntesis, privilegio que los libros actuales tienden a atribuir al inglés. En mi opinión, tanto la capacidad de explicar la fotosíntesis en términos de la más moderna teoría del flogisto como la observación de los factores fundamentales del proceso deberían ser argumentos a favor del holandés.

Senebier y el dióxido de carbono

Jean de Senebier (1742-1808) fue un científico suizo que se dedicó a estudios sobre fisiología, meteorología y química, pero que también destaca por su obra escrita, que podría considerarse como precursora de la epistemología científica, en la que reflexiona acerca de la observación y la experimentación ("El arte de la observación").

En sus trabajos Senebier considera que "la observación y la experimentación son dos hermanas que se ayudan la una a la otra", aunque considera que la experimentación ofrece al científico infinitas oportunidades:

"El experimentalista crea lo que observa. El observador descubre la verdad por medios ya establecidos. El experimento frecuentemente busca la verdad por medios de eficacia no probada. La observación nos enseña las propiedades de las cosas mientras que la experimentación verifica y mide sus efectos. La observación solo muestra el trabajo real de la naturaleza - el mundo tal y como es; esos son sus límites-. Por su parte, los experimentos pueden generar una multitud de eventos diferentes. Los límites de los experimentos son el inmenso número de combinaciones posibles de todos los constituyentes de la Tierra".


El experimento de Senebier sobre la fotosíntesis utlizaba, en esencia, el mismo montaje experimental que había empleado Ingenhousz: introducía el material vegetal en un recipiente con agua, debajo de un embudo invertido que se abría hacia un recipiente graduado para medir el gas desprendido. El volumen de gas era medido con un eudiometro, como hacía Ingenhousz, pero el investigador suizo refinó el experimento de su colega introduciendo una modificación que supone un mayor control experimental: utilizaba cada vez una única hoja cuya superficie había medido cuidadosamente con un "filómetro", un instrumento formado por dos láminas de cristal, una de las cuales estaba cuadriculada para poder determinar la superficie foliar.
Ayudado de este sistema Senebier estudió por primera vez la influencia del color de la luz en la producción de oxígeno, aunque sus resultados no fueron demasiado claros y consideró, finalmente, que las diferencias en la producción fotosintética se debían más a la cantidad de luz que a su color. Sin embargo, la principal aportación de Senebier es el descubrimiento de que la producción de oxígeno está relacionada con la presencia de dióxido de carbono, lo cual dedujo de tres observaciones: las hojas no producían oxígeno cuando eran sumergidas en agua destilada; la cantidad de oxígeno se incrementaba o disminuía en paralelo a la cantidad de dióxido de carbono, dentro de ciertos límites, y el carbonato cálcico no liberaba oxígeno en agua destilada, pero si se añadía a ese agua una pequeña cantidad de ácido carbónico, al introducir hojas verdes y exponer a la luz el montaje experimental se produce desprendimiento de oxígeno.

Con estas conclusiones Senebier fue un paso más allá de Ingenhousz, y estableció la relación entre el consumo de dióxido de carbono y la producción de oxígeno, de lo que dedujo, erróneamente, que la fotosíntesis consiste en la rotura del dióxido de carbono que da lugar al oxígeno, idea que tardó 150 años en ser refutada y que también aparece entre las concepciones alternativas de los alumnos.

Esta entrada no ha pretendido ser una historia del descubrimiento de la fotosíntesis. Si fuera así, faltarían contribuciones tan importantes como las de Hales, Bonnet o, por supuesto, de Saussure, y habría que prolongarla en el tiempo hasta bien entrado el siglo XX con los trabajos de Meyer o de Calvin y Benson y su conocido ciclo.

Estas entradas tratan sobre la belleza de algunos experimentos históricos de la Biología, y en mi opinión los tres que se describen cumplen con algunos requisitos para entrar en ese listado. Por ejemplo, una de las características comunes de los tres es el gusto por la cuantificación de los fenómenos observados, aunque la experiencia de Van Helmont resulta, vista con nuestros ojos, bastante deficiente por su falta de control de varios aspectos del experimento (peso de las hojas, medida de la cantidad de agua...).

O quizá podría justificar la presencia de estos dos investigadores casi desconocidos apoyándome en su precoz interés por teorizar acerca del método científico y del interés de la experimentación, que nos permite ver a la ciencia como un proceso "autoconsciente" y "metacognitivo", por incluir en el artículo un par de palabras que llamen la atención en los buscadores de internet.

También podríamos encontrar "belleza" en el ambiente científico que caracterizó el final del siglo XVIII en Europa, una época en la que convivieron y coincidieron nuestros protagonistas, algunos de ellos sobradamente conocidos y justamente famosos como Priestley y Lavoisier, y otros injustamente olvidados como Ingenhousz, Senebier y tantos otros, que compartieron conocimientos formando una auténtica red de comunicación científica, generando un ambiente probablemente estimulante, en el que sin duda no faltaron peleas y enfrentamientos (Priestley nunca reconoció públicamente la importancia de los experimentos de Ingenhousz, aunque parece que sí lo prometió en una carta privada) y que demuestra que la ciencia puede no ser una actividad colaborativa, pero siempre es un trabajo compartido.

Sin embargo, esta reseña empezaba con Pedagogía, y con Pedagogía terminará. He querido incluir estos experimentos antiguos porque me parece que tienen un gran potencial como herramientas en el aprendizaje de la ciencia. Plantear las experiencias de estos tres autores, si no como actividades para desarrollar materialmente ("hands on") sí, al menos, como problemas sobre los que pensar ("mind on") creo que puede facilitar la tarea de detectar, identificar y modificar algunas concepciones alternativas de los alumnos, que me parecen particularmente difíciles de desterrar por otros medios y que, en bastantes casos, se parecen mucho a las ideas refutadas por la investigación científica en el pasado.

En realidad creo que la relación entre el desarrollo histórico de la ciencia y el desarrollo cognitivo de los alumnos es simplemente "analógica", es decir, no creo que los alumnos de hoy en día piensen en una fase de su desarrollo como pensaban los científicos del siglo XVIII, pero sí que pienso que plantearles los mismos problemas a los que ellos se enfrentaron nos permite crear una situación "experimental" que, como decía Sebenier, nos permite verificar los resultados de nuestro experimento. Algunos de esos resultados, algunas de las respuestas que probablemente conseguiremos de nuestros alumnos, posiblemente se parezcan a las deducciones que, en su momento, hicieron esos científicos, y eso nos hará más fácil enfrentarnos a ellas, aunque no debemos olvidar que los experimentos tienen como límite "todas las combinaciones de los constituyentes de la Tierra".

Algunas referencias

Bay, J. C. (1931). Jean Senebier. Plant physiology, 6(1), 188-194
Cañal de León, P.: "La enseñanza en el campo conceptual de la nutrición de las plantas verdes: un estudio didáctico en la educación básica" Tesis Doctoral. Sevilla, 1990.
Ducheyne, S. (2007). "Algunas notas metodológicas sobre los experimentos de JB Van Helmont". AZOGUE (TOLEDO), 5, 75-82.
Farmer, E. E. (2010). Jean Senebier's thoughts on experimentation and their relevance for today's researcher. ARCHIVES DES SCIENCES, 63(1-2), 185-192.
González Rodríguez, C; Martínez Losada, C y García Barrios, S.: "El modelo de nutrición vegetal a través de la historia y su importancia para la enseñanza". Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 11(1), 2-12, 2014.
Magies, G.: "Dr. Jan IngenHousz or why don't we know who discovered photosynthesis?". 1st Conference of the European Philosophy of Science Association, Madrid, 15-17 Noviembre 2007.

1 comentario:

fer dijo...

Esperamos entradas cuando guste, pueda y tenga tiempo el autor, que uno pasa por sus otras plataformas y le sale este en recomendados y se acuerda. Gran blog de ciencia.