miércoles, 15 de febrero de 2012

Watson y Crick, la doble hélice del ADN


James Watson y Francis Crick, descubrieron la forma que tiene el ADN al interior de la célula: una hélice doble, que le permite replicarse y traspasar información de una generación a otra. Este fue el impulso que llevaría a la Genética a la vanguardia de las Ciencias de la Vida.

28 de febrero de 1953: después de múltiples investigaciones y reflexiones de equipos de científicos en diferentes lugares del mundo acerca de cuál era la forma del ADN en el núcleo de la célula que le permitía duplicarse y transferir su información, James Watson y Francis Crick llegaron a la conclusión de que el ADN tenía forma de doble hélice.



Estos hombres de ciencia descubrieron que los componentes del ADN se agrupaban siempre de la misma manera: las bases nitrogenadas en parejas: Adenina-Timina y Guanina-Citosina, siempre unidas por moléculas de azúcar (desoxirribosa) y grupos de fosfatos. Todos estos elementos configuraban una escalera que se iba doblando, cuyos "peldaños" eran las bases nitrogenadas unidas por enlaces de hidrógeno y las "barandas" o armazón, los azúcares y fosfatos.

Watson y Crick ganaron el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1962 "por sus descubrimientos acerca de la estructura molecular de los ácidos nucleicos y su importancia para la transferencia de la información en la "materia viva", cuando tenían 23 y 36 años respectivamente.

Gen

Un gen es una secuencia ordenada de nucleótidos en la molécula de ADN (o ARN en el caso de algunos virus), que contiene la información necesaria para la síntesis de una macromolécula con función celular específica, normalmente proteínas, pero también ARNm, ARNr y ARNt.
Esta función puede estar vinculada al desarrollo o funcionamiento de una función fisiológica. El gen es considerado como la unidad de almacenamiento de información genética y unidad de herencia al transmitir esa información a la descendencia. Los genes se disponen, pues, a lo largo de ambas cromátidas de los cromosomas ocupando en el cromosoma una posición determinada llamada locus. El conjunto de genes de una especie, y por tanto de los cromosomas que los componen, se denomina genoma.
Tipos de genes
Un gen es una secuencia o segmento de ADN necesario para la síntesis de ARN funcional, como el ARN de transferencia o el ARN ribosomal. Sin embargo, estos dos tipos de ARN no codifican proteínas, lo cual es hecho por el ARN mensajero. Para ello, la transcripcióngenera una molécula de ARN que posteriormente sufrirá traducción en los ribosomas, proceso por el cual se genera una proteína. Muchos genes se encuentran constituidos por regiones codificantes (exones) interrumpidas por regiones no codificantes (intrones) que son eliminadas en el procesamiento del ARN (splicing). En células procariotas esto no ocurre pues los genes de procariotas carecen de intrones. La secuencia de bases presente en el ARN determina la secuencia de aminoácidos de la proteína por medio del código genético.
Otros genes no son traducidos a proteína, sino que cumplen su función en forma de ARN. Entre éstos, encontramos genes de ARN transferente, ARN ribosómico, ribozimas y otros ARN pequeños de funciones diversas.
Algunos genes han sufrido procesos de mutación u otros fenómenos de reorganización y han dejado de ser funcionales, pero persisten en los genomas de los seres vivos. Al dejar de tener función, se denominan pseudogenes, y pueden ser muy parecidos a otros genes del mismo organismo que sean funcionales. Los pseudogenes constituyen un recurso evolutivo para la especie, ya que son regiones de ADN quasifuncionales que pueden aceptar mutaciones (y generar nuevas funciones) sin perjuicio de las funciones que ya se desarrollan en el organismo.
Cambios en los genes
Los organismos diploides disponen de dos juegos de cromosomas homólogos, cada uno de ellos proveniente de uno de los padres. Cada par de cromosomas tiene, un par de copias de cada gen, una procedente de la madre y otra del padre.
Algunas enfermedades como la anemia drepanocítica, pueden ser ocasionadas por un cambio en un solo gen. Los genes pueden aparecer en versiones diferentes, con variaciones pequeñas en su secuencia, y entonces se los denomina alelos. Los alelos pueden ser dominantes recesivos. Cuando una sola copia del alelo hace que se manifieste el rasgo fenotípico, el alelo es dominante. Cuando son precisas dos copias del alelo, para que se manifieste su efecto, el alelo es recesivo.

Los cromosomas

La experiencia de Redi

Francesco Redi, médico e investigador, realizó un experimento en 1668 en el que colocó cuatro vasos en los que puso respectivamente un pedazo de serpiente, pescado, anguilas y un trozo de carne de buey. Preparó luego otros cuatro vasos con los mismos materiales y los dejó abiertos, mientras que los primeros permanecían cerrados herméticamente. Al poco tiempo algunas moscas fueron atraídas por los alimentos dejados en los vasos abiertos y entraron a comer y a poner huevos; transcurrido un lapso de tiempo, en esta serie de vasos comenzaron a aparecer algunas larvas. Esto no se verificó, en cambio, en los vasos cerrados, ni siquiera después de varios meses. Por tal motivo, Redi llegó a la conclusión que las larvas (gusanos) se originaban de las moscas y no por generación espontánea de la carne en descomposición.
Algunos objetaron que Redi dice que en los vasos cerrados había faltado circulación del aire (el principio activo o principio vital) y eso había impedido la generación espontánea. Redi realizó un segundo experimento: esta vez los vasos del experimento no fueron cerrados herméticamente, sino sólo recubiertos con gasa. El aire, por lo tanto, podía circular. El resultado fue idéntico al del anterior experimento, por cuanto la gasa, evidentemente, impedía el acceso de insectos a los vasos y la consiguiente deposición de los huevos, y en consecuencia no se daba el nacimiento de las larvas.
Con estas simples experiencias, Redi demostró que las larvas de la carne putrefacta se desarrollaban de huevos de moscas y no por una transformación de la carne, como afirmaban los partidarios de la abiogénesis. Los resultados de Redi fortalecieron la biogénesis, teoría que sostiene que el origen de un ser vivo solamente se produce a partir de otro ser vivo.

Consanguinidad de los austrias

Felipe I el Hermoso inició la dinastía y Carlos II el Hechizado la enterró. La época de los Austrias españoles es la historia de una decadencia genética, de un declive fruto de la suma de relaciones entre monarcas de la misma familia arrastradas durante casi 200 años. De repetidas uniones entre primos segundos y primeros, de entre tíos y sobrinas que fueron acumulando repeticiones en el genoma hasta alcanzar el culmen de la degeneración con el último de la estirpe : el Hechizado. Padecía raquitismo, tenía la cabeza grande, el corazón pequeño, escasa musculatura, era infértil y a los 30 años parecía un auténtico anciano.

«A Carlos II lo conocían como el Hechizado, pero en realidad su hechizo fue el de la consanguinidad», sentencia el catedrático de Genética de la Universidad de Santiago Gonzalo Álvarez Jurado. Su equipo, integrado por Francisco Ceballos y Celsa Quinteiro, ha confirmado mediante un estudio genético en el que se rastreó la genealogía de la rama española de los Habsburgo, con el análisis de más de 3.000 personas, lo que los historiadores ya intuían: la endogamia mató a los Austrias.

Carlos II es el ejemplo más palpable de la degeneración genética propiciada por los sucesivos cruces entre miembros de la misma familia. La investigación ha revelado que tenía un coeficiente de consanguinidad (tanto por ciento de genes idénticos del padre y de la madre) del 25%. Esto supone que en la cuarta parte de su genoma se repetía la misma secuencia en un cromosoma que en su homólogo. O dicho de otra forma, genéticamente es el fruto de una relación incestuosa, como la de un padre con su hija o entre hermanos. Sin embargo, sus padres, Felipe IV y Mariana de Austria, eran tío y sobrina. ¿La explicación? El efecto de arrastre de 16 generaciones cruzadas le jugó una mala pasada: liquidó al último de su especie, deforme y sin posibilidad de descendencia.

«Los historiadores habían dicho hace tiempo que la consanguinidad había sido la causa de la extinción de los Austrias españoles, y nosotros lo constamos», explica Álvarez Jurado, cuyo trabajo ha sido publicado en la revista científica PLOS ONE . Los investigadores gallegos realizaron el estudio a partir del rastreo genealógico de 16 generaciones y de sus relaciones de parentesco. A partir de estos datos calcularon el coeficiente de consanguinidad mediante algoritmos genéticos. La media de los monarcas estudiados fue del 12,9%. La del primero, Felipe el Hermoso, solo alcanzaba el 2,5%. «Lo que nos gustaría ahora es ir a El Escorial a tomar una muestra de ADN de Carlos II para poder corroborar nuestros datos. Sería interesante poder comprobar si padeció las enfermedades genéticas que nosotros predijimos», apunta Gonzalo Álvarez. El trabajo de su equipo ha sido el primero en el mundo en el que se siguió el rastro de consanguinidad de una dinastía.

Elevada mortalidad

Un aspecto clave que ha quedado demostrado es la existencia de una relación entre mortalidad y el coeficiente de consanguinidad. De hecho, en los primeros reyes la supervivencia de los hijos era muy alta, pero posteriormente el hechizo genético les pasó factura. Para llegar a esta conclusión, se analizó el grado de mortalidad entre los niños de la dinastía menores de 10 años, en los que se probó que la supervivencia era mucho menor a medida que el grado de genes idénticos recibidos del padre y de la madre era mayor.

En este aspecto, el hecho que más ha sorprendido a los investigadores ha sido la elevada tasa de mortalidad en los niños de los Habsburgo nacidos de las uniones entre primos carnales. 


Morían casi 18 de cada cien niños antes de cumplir los 10 años, un índice cuatro veces más alto que el establecido en estudios recientes sobre las defunciones en vástagos de primos.
El trabajo ahora culminado podría tener continuidad con el estudio genético de la rama austríaca de los Habsburgo, cuyo coeficiente de consanguinidad se cree que aún es mayor.

Rosalind Franklin

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Rosalind Elsie Franklin fue una biofísica y cristalógrafa inglesa autora de importantes contribuciones a la comprensión de las estructuras del ADN, los virus, el carbón y el grafito. A Franklin se la conoce principalmente por la Fotografía 51, la imagen del ADN obtenida mediante difracción de rayos X, lo cual sirvió como fundamento para la hipótesis de laestructura doble helicoidal del ADN en su publicación de 1953, y tras su publicación constituyó una prueba crítica para la hipótesis. Más tarde, lideró varios trabajos pioneros relacionados con el virus del mosaico de tabaco y el virus de la polio. Falleció en 1958 acausa de bronconeumonía, carcinomatosis secundaria y cáncer de ovario, minutos antes de que su último informe fuera leído en la Faraday Society. Con toda probabilidad, esta enfermedad fue causada por las repetidas exposiciones a la radiación durante sus investigaciones.
Se doctoró en Química física en 1945 por la Universidad de Cambridge. Después de Cambridge, ella pasó tres años productivos (1947-1950) en París en el Laboratoire de Services Chimiques de L’Etat, donde rendió técnicas de la difracción de rayos X
Franklin demostró su habilidad para obtener las mejores imágenes y para interpretarlas certeramente en la investigación de otros objetos, como la estructura del grafito o la del virus del mosaico del tabaco. Además merece el lugar que ha llegado a ocupar, como icono del avance de las mujeres en la ciencia.
En el verano de 1938 Franklin fue a Newnham College de Cambridge. En 1941 sólo le fue otorgado un grado titular, ya que las mujeres no tenían derecho a grados. En 1945 Rosalind Franklin recibió su doctorado de la Universidad de Cambridge.
Después de la guerra aceptó una oferta de trabajo en París con Jacques Mering. Aprendió la difracción de rayos X durante sus tres años en el Laboratoire des servicios centrales chimiques de l’État. Ella parece haber sido muy feliz allí y ganado una reputación internacional sobre la base de su investigación publicada en la estructura del carbón. En 1950 pidió trabajar en Inglaterra y en junio fue nombrada en el King’s College de Londres.
En 1955 Franklin publicó un documento en la revista Nature, lo que indicaba era  que las partículas del virus TMV eran todos de la misma longitud, esto fue en contradicción directa con las ideas de la eminente viróloga Norman Pirie, aunque su observación en última instancia resultó correcto.
Hubo sexismo en el King’s College: ha habido afirmaciones de que Rosalind Franklin fue discriminada debido a su género y que el Rey, como institución, es sexista. Las mujeres fueron excluidas del personal de comedor, y tenían que comer sus comidas en la sala de estudiantes o fuera de la universidad.
Una de las reglas del Premio Nobel era prohibir las candidaturas póstumas y por lo tanto Rosalind Franklin que había fallecido en 1958 no era elegible para candidata del Premio Nobel otorgado posteriormente a Crick, Watson y Wilkins en 1962.
Después de su muerte tuvo reconocimientos:
En 1992, el Patrimonio Inglés colocó una placa azul en la casa donde Rosalind Franklin creció.
En 1995, Newnham College dedicó una residencia en su nombre y puso un busto de ella en su jardín.
En 1997, Birkberck, Universidad de London School of Cristalografía abrió el laboratorio de Rosalind Franklin.
En 1998, la Galería Nacional de Retratos añadió a Rosalind Franklin, junto a las de Francis Crick, James Watson y Maurice Wilkins.
En 2000, el King’s College de Londres abrió el Franklin-Wilkins Building, en honor a la  Dr Franklin Wilkins y el profesor de trabajo en la universidad.
En 1994, el King’s Colleges nombró una de las salas en Hampstead Campus residencias en su memoria.
En 2001, en EE.UU, El Instituto Nacional del Cáncer estableció a Rosalind E. Franklin el Premio a la Mujer y la Ciencia.
En 2003, la Royal Society estableció el Premio Rosalind Franklin, por su excelente contribución a cualquier área de las ciencias naturales, ingeniería o tecnología.
En 2004, Finch Universidad de Ciencias de 
la Salud / La Escuela de Medicina de Chicago, ubicado en el norte de Chicago, cambió su nombre por el de Rosalind Franklin University of Medicine and Science.
Una escultura de ADN en el Clare College incluye las palabras: "El modelo de doble hélice fue apoyada por los trabajos de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins”.

Francis Harry Crick

(Francis Harry Crick; Northampton, Reino Unido, 1916) Bioquímico inglés. Agregado del Almirantazgo británico como físico militar durante la Segunda Guerra Mundial, mejoró las minas magnéticas. Finalizada la contienda, se dedicó a la biología y trabajó en diversos laboratorios, como el Strangeways Research Laboratory.


En 1951 coincidió con el biólogo estadounidense James Watson en la unidad de investigación médica de los laboratorios Cavendish de Cambridge. Utilizando los trabajos de difracción de los rayos X llevados a cabo por Maurice Wilkins, ambos estudiaron los ácidos nucleicos, en especial el ADN, considerado como fundamental en la transmisión hereditaria de la célula.

A través de estos estudios llegaron a la formulación de un modelo que reconstruía las propiedades físicas y químicas del ADN, compuesto por cuatro bases orgánicas que se combinaban en pares de manera definida para formar una doble hélice, lo cual determinaba una estructura helicoidal.
Así, Crick y Watson pusieron de manifiesto las propiedades de replicación del ADN y explicaron el fenómeno de la división celular a nivel cromosómico. Al mismo tiempo establecieron que la secuencia de las cuatro bases del ADN representaba un código que podía ser descifrado, y con ello sentaron las bases de los futuros estudios de genética y biología molecular.

Por este descubrimiento, considerado como uno de los más importantes de la biología del siglo XX, Crick, Watson y Wilkins fueron galardonados con el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1962. A partir de 1977, Crick se dedicó a la enseñanza en el prestigioso Salk Institute for Biological Research Studies de San Diego.

James Dewey Watson

(Chicago, 1928) Bioquímico y genetista estadounidense, Recibió el premio Nobel de Fisiología y Medicina de 1962 por el descubrimiento de la estructura molecular en doble hélice del ácido desoxirribonucleico (ADN), y por su significado como molécula trasmisora de la herencia biológica. Ha dirigido el Proyecto Genoma Humano desde 1988 hasta 1992, año en que renunció, como protesta a la posibilidad de que se patenten los genes. Se le considera uno de los padres de la biología molecular.


Estudió en su ciudad natal y en Indiana. En 1947 obtuvo el equivalente a una licenciatura en Zoología y en 1950 obtiene su doctorado en Zoología por la Universidad de Indiana. En esta universidad conoció a genetistas y microbiólogos que le despertaron su interés por la genética y la microbiología, y de hecho su tesis versaba sobre los efectos de los rayos X en la multiplicación de los bacteriófagos, tesis que fue dirigida por el biólogo italiano Salvatore E. Luria.

Posteriormente completó sus estudios con una beca postdoctoral en el Consejo Nacional de Investigación de Copenhague, donde se estaban realizando investigaciones sobre las estructuras de las grandes moléculas biológicas; allí se interesó por la química estructural de los ácidos nucleicos y trabajó en el ADN de las partículas víricas infecciosas. Conoció, en un simposio celebrado en la ciudad de Nápoles, el trabajo del investigador Maurce Wilkins, y ello le hizo central el rumbo de sus investigaciones hacia el descubrimiento de la química estructural de las moléculas biológicas.

Trabajó en la Universidad de Cambridge, donde investigó, junto a Francis Crick, la estructura del ADN, constatando los componentes esenciales de este ácido: cuatro bases orgánicas, que debían estar enlazadas por pares, adenina con timina y guanina con citosina. Las cadenas del azúcar desoxirribosa aparecían unidas a grupos fosfatos y a estas bases orgánicas. La información base sobre los componentes del ADN ya había sido proporcionada por científicos como Chargaff, y por los biofísicos Rosalind Franklin y Mauricie Wilkins, los cuales ya habían utilizado las técnicas cristalográficas de rayos X para fotografiar la molécula de ADN.

Con esta información y animados por las técnicas de trabajo de Franklin y Wilkins, Watson y Crick discernieron la estructura helicoidal de una molécula de ADN, que estaba formada por dos cadenas de bases nucleótidas enlazadas en forma de doble hélice; la doble hélice presentaba hacia el exterior las moléculas de azúcar y fosfato, y hacia el interior las bases emparejadas de forma complementaria. Este modelo molecular en doble hélice para el ADN permitía a la molécula duplicarse, puesto que las dos cadenas de la hélice eran complementarias y ello constituía la base de los mecanismos de transferencia de la información biológica. Con esto se pudo comprender cómo se transmite el material hereditario de unas generaciones a otras. Se considera este descubrimiento como uno de los principales acontecimientos científicos del siglo XX, que cambió el rumbo de la bioquímica y dio paso a una nueva disciplina, la biología molecular.

Posteriormente, Watson trabajó en el Instituto Tecnológico de California, en Pasadena, y en la Universidad de Harvard, donde impartió clases de Bioquímica y de Biología molecular. Finalmente ayudó a descifrar el código genético contenido en las secuencias del ADN y descubrió que el ARN mensajero era el encargado de transferir el código genético del ADN (a partir del cual se había sintetizado) a las estructuras celulares formadoras de proteínas, mediante un proceso denominado traducción. En 1962 obtuvo el Premio Nobel de Fisiología y Medicina, que compartió con Francis Crick y Mauricie Wilkins. En 1968 dirigió el Laboratorio de Biología Cuantitativa de Cold Spring Harbor de Nueva York. Desde 1988 hasta 1992 dirigió el Proyecto Genoma Humano, en el que se ha cartografiado la secuencia completa del ADN humano, pero Watson lo abandonó por ser contrario a los intereses económicos de intentar patentar los genes, que él considera patrimonio de la humanidad.

Entre sus obras destacan Molecular Biology of Gene(1965) y The Double Helix (1968). Cuenta en su haber con varios premios y honores de distintas universidades e instituciones y es miembro honorario de muchas asociaciones, sociedades y academias científicas, como la Academia de las Artes y las Ciencias Americana y la Academia Nacional de Ciencias.

Maurice Wilkins



(Pangaroa, Nueva Zelanda, 1916) Biofísico británico. Estudió en Cambridge y fue investigador ayudante de Randall en el Departamento de Física de la Universidad de Birmingham. Se doctoró, en 1940, con un estudio sobre la teoría de la fosforescencia en términos de electrones capturados, que aplicó a mejorar las pantallas de radar. Participó en la separación de los isótopos del uranio para su uso en bombas atómicas y colaboró en el Proyecto Manhatan.

Posteriormente se dedicó a la física biológica en la Universidad de St. Andrew de Escocia y en el King's College de Londres. Estudió los efectos genéticos de los ultrasonidos y la espectrofotometría de la radiación ultravioleta de los ácidos nucleicos en las células. Usando la técnica de difracción de rayos X, estudió la estructura de las grandes moléculas biológicas y descubrió los modelos estructurales que condujeron a poner de manifiesto la configuración molecular del ADN propuesta por Watson y Crik.

En 1962 le fue concedido el premio Nobel de Fisiología y Medicina, compartido con Francis Harry Compton y James Dewey Watson, por sus descubrimientos referentes a la estructura molecular del ADN.

Pauli Wolfgang

Pauli

(Viena, 1900-Zurich, 1958) Físico austriaco, nacionalizado estadounidense. Con tan sólo veinte años escribió un artículo enciclopédico de más de doscientas páginas sobre la teoría de la relatividad. Nombrado profesor de la Universidad de Hamburgo en 1923, un año más tarde propuso un cuarto número cuántico, que puede adoptar los valores numéricos de ½ o -½, necesario para poder especificar los estados energéticos del electrón. Más adelante se verificó la existencia de estos números cuánticos, denominados de espín, representativos de las dos direcciones posibles de giro sobre el eje de rotación de los fermiones. En 1925 introdujo el principio de exclusión, que clarificó de forma inmediata la estructuración de los átomos en la tabla periódica.

Wolfgang Pauli

En 1928 ingresó en el Instituto Federal de Tecnología de Zurich como profesor de física teórica. Bajo su dirección, esta institución se convirtió en un importante centro de investigación en los años precedentes a la Segunda Guerra Mundial.

A finales de la década de 1920 observó que cuando se emite una partícula beta (electrón) desde un núcleo atómico, por lo general se produce una pérdida de energía, lo cual constituye una flagrante violación de la ley de conservación de la energía. Para explicar el fenómeno, Pauli propuso en 1931 la existencia de alguna partícula –denominada con posterioridad neutrino por Enrico Fermi– eléctricamente neutra y de masa nula o prácticamente inapreciable, y cuya desaparición pasa inadvertida, dado que interactúa con la materia de forma muy débil. El neutrino no pudo ser detectado como entidad hasta 1956.

En 1940 se trasladó a Estados Unidos para hacerse cargo de la cátedra de física teórica del Institute for Advanced Study de la Universidad de Princeton, y en 1946 obtuvo la nacionalidad estadounidense. Finalizada la Segunda Guerra Mundial, regresó a Zurich.

Niels Böhr

Böhr

(Niels Henrick David Bohr; Copenhague, 1885 - 1962) Físico danés. Considerado como una de las figuras más deslumbrantes de la Física contemporánea y, por sus aportaciones teóricas y sus trabajos prácticos, como uno de los padres de la bomba atómica, fue galardonado en 1922 con el Premio Nobel de Física, "por su investigación acerca de la estructura de los átomos y la radiación que emana de ellos".

Cursó estudios superiores de Física en la Universidad de Copenhague, donde obtuvo el grado de doctor en 1911. Tras haberse revelado como una firme promesa en el campo de la Física Nuclear, pasó a Inglaterra para ampliar sus conocimientos en el prestigioso Cavendish Laboratory de la Universidad de Cambridge, bajo la tutela de sir Joseph John Thomson (1856-1940), químico británico distinguido con el Premio Nobel en 1906 por sus estudios acerca del paso de la electricidad a través del interior de los gases, que le habían permitido descubrir la partícula bautizada luego por Stoney (1826-1911) como electrón.



Precisamente al estudio de los electrones estaba dedicada la tesis doctoral que acababa de leer el joven Bohr en Copenhague, y que había llevado a territorio británico con la esperanza de verla traducida al inglés. Pero, comoquiera que Thomson no se mostrara entusiasmado por el trabajo del científico danés, Bohr decidió abandonar el Cavendish Laboratory y marcharse a la Universidad de Manchester, donde aprovechó las enseñanzas de otro premio Nobel, Ernest Rutherford (1871-1937), para ampliar sus saberes acerca de las radiactividad y los modelos del átomo.

A partir de entonces, entre ambos científicos se estableció una estrecha colaboración que, sostenida por firmes lazos de amistad, habría de ser tan duradera como fecunda. Rutherford había elaborado una teoría del átomo que era totalmente válida en un plano especulativo, pero que no podía sostenerse dentro de las leyes de la Física clásica. Borh, en un alarde de audacia que resultaba impredecible en su carácter tímido y retraído, se atrevió a soslayar estos problemas que obstaculizaban los progresos de Rutherford con una solución tan sencilla como arriesgada: afirmó, simplemente, que los movimientos que se daban dentro del átomo están gobernados por unas leyes ajenas a las de la Física tradicional.

En 1913, Niels Bohr alcanzó celebridad mundial dentro del ámbito de la Física al publicar una serie de ensayos en los que revelaba su particular modelo de la estructura del átomo. Tres años después, el científico danés regresó a su ciudad natal para ocupar una plaza de profesor de Física Teórica en su antigua alma mater; y, en 1920, merced al prestigio internacional que había ido adquiriendo por sus estudios y publicaciones, consiguió las subvenciones necesarias para la fundación del denominado Instituto Nórdico de Física Teórica (más tarde denominado Instituto Niels Bohr), cuya dirección asumió desde 1921 hasta la fecha de su muerte (1962). En muy poco tiempo, este Instituto se erigió, junto a las universidades alemanas de Munich y Göttingen, en uno de los tres vértices del triángulo europeo donde se estaban desarrollando las principales investigaciones sobre la Física del átomo.

En 1922, año en el que Bohr se consagró definitivamente como científico de renombre universal con la obtención del Premio Nobel, vino al mundo Aage Niels Bohr (1922), que habría de seguir los pasos de su padre y colaborar con él en varias investigaciones. Doctorado también en Física, fue, al igual que su progenitor, profesor universitario de dicha materia y director del Instituto Nórdico de Física Teórica, y recibió el Premio Nobel en 1975.

Inmerso en sus investigaciones sobre el átomo y la Mecánica cuántica, Niels Bohr enunció, en 1923, elprincipio de la correspondencia, al que añadió, en 1928, el principio de la complementariedad. A raíz de esta última aportación se fue constituyendo en torno a su figura la denominada "escuela de Copenhague de la Mecánica cuántica", cuyas teorías fueron combatidas ferozmente -bien es verdad que en vano- por Albert Einstein (1879-1955). A pesar de estas diferencias, sostenidas siempre en un plano teórico -pues Einstein sólo pudo oponer a las propuestas de Borh elucubraciones mentales-, el padre de la teoría de la relatividad reconoció en el físico danés a "uno de los más grandes investigadores científicos de nuestro tiempo".

En la década de los años treinta, Niels Bohr pasó largas temporadas en los Estados Unidos de América, adonde llevó las primeras noticias sobre la fisión nuclear -descubierta en Berlín, en 1938, por Otto Hahn (1879-1968) y Fritz Strassmann (1902-1980)-, que habrían de dar lugar a los trabajos de fabricación de armas nucleares de destrucción masiva. Durante cinco meses, trabajó con J. A. Wheeler en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton (Nueva Jersey), y anunció, junto con su colaborador, que el plutonio habría de ser fisionable, al igual que lo era el uranio.

De regreso a Dinamarca, fue elegido presidente de la Real Academia Danesa de Ciencias (1939). Volvió a instalarse en Copenhague, en donde continuó investigando e impartiendo clases hasta que, en 1943, a raíz de la ocupación alemana, tuvo que abandonar su país natal debido a sus orígenes judíos. Su vida y la de los suyos llegaron a estar tan amenazadas que se vio forzado a embarcar a su familia en un pequeño bote de pesca y poner rumbo a Suecia. Pocos días después, Bohr se refugió en los Estados Unidos y, bajo el pseudónimo de Nicholas Baker, empezó a colaborar activamente en el denominado "Proyecto Manhattan", desarrollado en un laboratorio de Los Álamos (Nuevo México), cuyo resultado fue la fabricación de la primera bomba atómica.

Al término de la II Guerra Mundial (1939-1945), retornó a Dinamarca y volvió a ponerse al frente del Instituto Nórdico de Física Teórica. A partir de entonces, consciente de las aplicaciones devastadoras que podían tener sus investigaciones, se dedicó a convencer a sus colegas de la necesidad de usar los hallazgos de la Física nuclear con fines útiles y benéficos. Pionero en la organización de simposios y conferencias internacionales sobre el uso pacífico de la energía atómica, en 1951 publicó y divulgó por todo el mundo un manifiesto firmado por más de un centenar de científicos eminentes, en el que se afirmaba que los poderes públicos debían garantizar el empleo de la energía atómica para fines pacíficos. Por todo ello, en 1957, recibió el premio Átomos para la Paz, convocado por la Fundación Ford para favorecer las investigaciones científicas encaminadas a la mejora de la Humanidad.

Director, desde 1953, de la Organización Europea para Investigación Nuclear, Niels Henrik David Borh falleció en Copenhague durante el otoño de 1962, a los setenta y siete años de edad, después de haber dejado impresas algunas obras tan valiosas como Teoría de los espectros y constitución atómica (1922),Luz y vida (1933), Teoría atómica y descripción de la naturaleza (1934), El mecanismo de la fisión nuclear(1939) y Física atómica y conocimiento humano (1958).

Ernest Rutherford

Rutherford

(Nelson, Nueva Zelanda, 1871-Londres, 1937) Físico y químico británico. Tras licenciarse, en 1893, en Christchurch (Nueva Zelanda), Ernest Rutherford se trasladó a la Universidad de Cambridge (1895) para trabajar como ayudante de JJ. Thomson. En 1898 fue nombrado catedrático de la Universidad McGill de Montreal, en Canadá. A su regreso al Reino Unido (1907) se incorporó a la docencia en la Universidad de Manchester, y en 1919 sucedió al propio Thomson como director del Cavendish Laboratory de la Universidad de Cambridge.

Por sus trabajos en el campo de la física atómica, Ernest Rutherford está considerado como uno de los padres de esta disciplina. Investigó también sobre la detección de las radiaciones electromagnéticas y sobre la ionización del aire producida por los rayos X. Estudió las emisiones radioactivas descubiertas por H. Becquerel, y logró clasificarlas en rayos alfa, beta y gamma.



En 1902, en colaboración con F. Soddy, Rutherford formuló la teoría sobre la radioactividad natural asociada a las transformaciones espontáneas de los elementos. Colaboró con H. Geiger en el desarrollo del contador de radiaciones conocido como contador Geiger, y demostró (1908) que las partículas alfa son iones de helio (más exactamente, núcleos del átomo de helio) y, en 1911, describió un nuevo modelo atómico (modelo atómico de Rutherford), que posteriormente sería perfeccionado por N. Bohr.

Según este modelo, en el átomo existía un núcleo central en el que se concentraba la casi totalidad de la masa, así como las cargas eléctricas positivas, y una envoltura o corteza de electrones (carga eléctrica negativa). Además, logró demostrar experimentalmente la mencionada teoría a partir de las desviaciones que se producían en la trayectoria de las partículas emitidas por sustancias radioactivas cuando con ellas se bombardeaban los átomos.

Los experimentos llevados a cabo por Rutherford permitieron, además, el establecimiento de un orden de magnitud para las dimensiones reales del núcleo atómico. Durante la Primera Guerra Mundial estudió la detección de submarinos mediante ondas sonoras, de modo que fue uno de los precursores del sonar.

Asimismo, logró la primera transmutación artificial de elementos químicos (1919) mediante el bombardeo de un átomo de nitrógeno con partículas alfa. Las transmutaciones se deben a la capacidad de transformarse que tiene un átomo sometido a bombardeo con partículas capaces de penetrar en su núcleo. Muy poco después de su descubrimiento se precisaron las características de las transmutaciones y se comprobó que la energía cinética de los protones emitidos en el proceso podía ser mayor que la de las partículas incidentes, de modo que la energía interna del núcleo tenía que intervenir la transmutación. En 1923, tras fotografiar cerca de 400.000 trayectorias de partículas con la ayuda de una cámara de burbujas (cámara de Wilson), Blackett pudo describir ocho transmutaciones y establecer la reacción que había tenido lugar.

Rutherford recibió el Premio Nobel de Química de 1908 en reconocimiento a sus investigaciones relativas a la desintegración de los elementos. Entre otros honores, fue elegido miembro (1903) y presidente (1925-1930) de la Royal Society de Londres y se le concedieron los títulos de sir (1914) y de barón Rutherford of Nelson (1931). A su muerte, sus restos mortales fueron inhumados en la abadía de Westminster.

Joseph Thomson

Thompson

(Cheetham Hill, Reino Unido, 1856-Cambridge, id., 1940) Físico británico. Hijo de un librero, Joseph John Thomson estudió en Owens College, más tarde en la Universidad de Manchester y en el Trinity College de Cambridge. Se graduó en matemáticas en 1880, ocupó la cátedra Cavendish y, posteriormente, fue nombrado director del laboratorio de Cavendish en la Universidad de Cambridge.

Thomson investigó la naturaleza de los rayos catódicos y demostró que los campos eléctricos podían provocar la desviación de éstos y experimentó su desviación, bajo el efecto combinado de campos eléctricos y magnéticos, buscando la relación existente entre la carga y la masa de la partículas, proporcionalidad que se mantenía constante aun cuando se alteraba el material del cátodo.

                   

En 1897 descubrió una nueva partícula y demostró que ésta era aproximadamente mil veces más ligera que el hidrógeno. Esta partícula fue bautizada por Stoney con el nombre de electrón. Joseph John Thomson fue, por tanto, el primero que identificó partículas subatómicas y dio importantes conclusiones sobre esas partículas cargadas negativamente. Con el aparato que construyó obtuvo la relación entre la carga eléctrica y la masa del electrón.

Thomson examinó además los rayos positivos, estudiados anteriormente por E. Goldstein, y en 1912 descubrió el modo de utilizarlos en la separación de átomos de diferente masa. El objetivo se consiguió desviando los rayos positivos en campos eléctricos y magnéticos, método que en la actualidad se llama espectrometría de masas. Con esta técnica descubrió que el neón posee dos isótopos, el neón-20 y el neón-22.

Todos estos trabajos sirvieron a Thomson para establecer un modelo de la estructura del átomo, aunque incorrecto, pues el suponía que las partículas cargadas positivamente se encontraban mezcladas homogéneamente con las negativas.

Thomson recibió el premio Nobel de Física en 1906 por sus estudios acerca del paso de la electricidad a través del interior de los gases. Calculó la cantidad de electricidad transportada por cada átomo y determinó el número de moléculas por centímetro cúbico. Escribió varias obras, entre las que destacan:The Discarge of Electricity Through GasesConduction of Electricity Through GasesThe Corpuscular Theory of MatterThe Electron in Chemistry y Recollections and Reflections. En 1937, su hijo George obtuvo también el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de la difracción de los electrones.

John Dalton

John Dalton

(Eaglesfield, Gran Bretaña, 1766-Manchester, 1844) Químico y físico británico. En su infancia ayudaba con su hermano a su padre en el trabajo del campo y de la pequeña tienda familiar donde tejían vestidos, mientras que su hermana Mary ayudaba a su madre en las tareas de la casa y vendía papel, tinta y plumas.
  



Aunque su situación económica era bastante humilde, recibieron cierta educación en la escuela cuáquera más cercana, a diferencia de otros niños de la misma condición. El maestro de la escuela cuáquera de Pardshow Hall proporcionó a Jonh Dalton una buena base y le transmitió afán por la búsqueda incansable de nuevos conocimientos. Un cuáquero rico, Elihu Robinson, se convirtió en su mentor y en otra fuente de estimulación hacia las matemáticas y las ciencias (especialmente la meteorología).

Con sólo 12 años de edad Jonh Dalton abrió una escuela en su localidad natal, Eaglesfield. Aunque supo manejar los problemas con sus alumnos mayores que él, después de dos años tuvo que abandonar su proyecto debido al bajo salario, y tuvo que volver a las tareas del campo trabajando para un tío suyo.

En 1781 Jonh Dalton se unió a su hermano como asistente de George Bewley en su escuela de Kendall. Cuando se retiró George, su hermano y él abrieron su propia escuela, donde ofrecían clases de inglés, latín, griego y francés, además de 21 temas relacionados con las matemáticas y las ciencias. Su hermana se trasladó con ellos para ayudarles en la casa. A pesar de tener unos 60 alumnos, a veces se veían obligados a trabajar en tareas auxiliares para mantenerse.

John Gough, el hijo ciego de un rico comerciante, se hizo amigo de John Dalton y su mentor. Le enseñó lenguas, matemáticas y óptica, además de compartir con Dalton su biblioteca. El interés de Dalton se extendió hacia la neumática, la astronomía y la geografía, y en 1787 comenzó a obtener ingresos extraordinarios impartiendo conferencias. También se dirigió a un museo cercano con una oferta para vender los once volúmenes clasificados de su colección botánica. Coleccionaba mariposas y estudiaba los caracoles, las garrapatas y los gusanos. También medía su ingesta de alimentos y la comparaba con los residuos producidos por sus organismo. Preparaba su ingreso en la escuela de medicina, pero su familia lo desanimó por falta de dinero y de confianza en él.

A la edad de 26 años (1792), Dalton descubrió que ni él ni su hermano eran capaces de distinguir los colores. Le regaló a su madre unas medias (que él creía azules) y ella le preguntó sorprendida cuál era la razón por la que le daba unas medias de color escarlata, que no era apropiado para una mujer cuáquera. En su primer artículo científico importante, John Dalton proporcionó una descripción científica sobre este fenómeno que posteriormente se conoció con el nombre de daltonismo.

En 1793, se trasladó a Manchester como tutor en el Nuevo Colegio fundado por los presbiterianos. Inmediatamente se inscribió en la Biblioteca de Manchester y en la Sociedad Filosófica (que llegaría a presidir). En ese mismo año Dalton publicó su primer libro Meteorological Observations and Essays, donde defendía la tesis de que el aire es una mezcla física de gases en lugar de una combinación química. Como tutor de química conocía la obra de Lavoisier.

En 1802 estableció su ley de las presiones parciales (Ley de Dalton). Cuando dos fluidos elásticos A y B se mezclan, no hay repulsión entre una partícula de A y otra de B, pero sí entre una partícula de B y otra partícula de B. También estableció una relación entre la presión de vapor y la temperatura. Su interés en los gases se derivaba de su afición a los estudios meteorológicos: siempre llevaba consigo sus aparatos del tiempo allí donde fuese, realizando a lo largo de su vida más de doscientas mil observaciones que anotaba en su diario constantemente. Gracias a estas observaciones, su mente analítica pudo encontrar relaciones numéricas entre los datos.

En 1803, mientras trataba de explicar su ley de presiones parciales, comenzó a formular su mayor contribución a la ciencia: la teoría atómica. Se encontraba estudiando la reacción del óxido nítrico con oxígeno cuando descubrió que la reacción podía tener lugar con dos proporciones diferentes: a veces 1:1,7 y otras 1;3,4 (en peso). Ello llevó a Dalton a establecer la ley de las proporciones múltiples, que dice que los pesos de dos elementos siempre se combinan entre sí en proporciones de números enteros pequeños. En ese mismo año publicó su primera lista de pesos atómicos y símbolos.os resultados fueron comunicados oralmente y publicados en un libro en 1808, su trabajo más famoso: A New System of Chemical Philosophy, Part I. En él adoptó la idea de átomo y dibujó partículas individuales para ilustrar las reacciones químicas. No todo el mundo aceptaba la nueva teoría y en 1810 publicó la segunda parte, proporcionando nuevas evidencias empíricas.

Aunque fue miembro de la Real Sociedad desde 1822 y en 1825 recibió la medalla de esta sociedad científica por su trabajo en la teoría atómica, Dalton siempre se consideraba a sí mismo sobre todo un docente, que se ganó la vida dando clases y conferencias hasta 1833, cuando fue premiado con una pensión civil anual. El 27 de julio de 1844 falleció de un ataque al corazón. Según su deseo, tras su muerte se le practicó la autopsia para determinar la causa de lo que luego se llamó daltonismo. Su último experimento demostró que el daltonismo no es un problema del ojo mismo, sino que estaba causado por alguna deficiencia del poder sensorial. Fue enterrado con honores de monarca, en un funeral seguido por más de cuatrocientas mil personas, contraviniendo los principios de los cuáqueros conforme a los cuales vivió.

Modelo atómico de Böhr

    Modelo atómico de Böhr

        Tras el descubrimiento del neutrón, en 1913 Böhr intentó mejorar el modelo atómico de Rutherford aplicando las ideas cuánticas de Planc a su modelo. Para realizar su modelo atómico se valió del átomo de hidrógeno; describió el átomo de hidrógeno con un protón como núcleo y con un electrón girando a su alrededor.Las nuevas ideas sobre la cuantización de la energía son las siguientes:
  • El átomo está cuantizado, ya que solo puede poseer unas pocas y determinadas energías.
  • El electrón gira en unas órbitas circulares alrededor del núcleo, y cada órbita es un estado estacionario que va asociado a un numero natural, "n" (núm. cuántico principal), y toma valores del 1 al 7.
  • Así mismo, cada nivel "n" está formado por distintos subniveles, "l". Y a su vez, éstos se desdoblan en otros (efecto Zeeman), "m". Y por último, hay un cuarto núm. cuántico que se refiere al sentido, "s".
  • Los niveles de energía permitidos son múltiplos de la constante de planck.
  • Cuando un electrón pasa de un nivel de energía a otro, se absorve o se emite energía. Cuando el electrón está en n=1 se dice que está en el nivel fundamental (nivel de mínima energía); al cambiar de nivel el electrón absorve energía y pasa a llamarse electrón excitado.
Böhr situó a los electrones en lugares exactos del espacio. 

Modelo atómico de Rutherford

Modelo atómico de Rutherford
  
     

Tras el descubrimiento del protón (descubrimiento en el que Rutherford contribuyó), Rutherford formuló su modelo atómico.
En 1911, Rutherford empleó las partículas alfa para determinar la estructura interna de la materia (experimento de la lámina de oro). A partir de ese experimento dedujo que:
  • La mayoría de las partículas atraviesan la lámina sin desviarse (99,9%).
  • Algunas partículas se desvían (0,1%).
Al ver que no se cumplía el modelo propuesto por Thomson, Rutherford formuló el modelo nuclear del átomo. Según este modelo, el átomo está formado por un núcleo y una corteza:
  • Núcleo: aquí se concentra casi la totalidad de la masa del átomo, y tiene carga positiva.
  • Corteza: está formada por los electrones, que giran alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares (sistema solar en miniatura)
Así mismo, también dijo que la materia es neutra, ya que la carga positiva del núcleo y la negativa de la corteza se neutralizan entre sí.
Rutherford dedujo que:
  • La materia está casi vacía. El núcleo es 100.000 veces más pequeño que el radio del átomo.
  • La mayoría de las partículas alfa no se desvían porque pasan por la corteza, y no por el núcleo.
  • Las que pasan cerca del núcleo se desvían porque son repelidas.
  • Cuando el átomo suelta electrones, el átomo se queda con carga negativa, convirtiéndose en un ión negativo; pero si, por el contrario, el átomo gana electrones, la estructura será positiva y el átomo se convertirá en un ión negativo.
  • El átomo es estable.

Modelo atómico de Thomson

 Modelo atómico de Thomson


 Tras el descubrimiento del electrón(descubierto por Thomson en el año 1897;véase partículas subatómicas),  en 1898 Thomson propuso un modelo atómico que tomaba en cuenta la existencia de dicha partícula subatómica.
Su modelo era estático, ya que suponía que los electrones estaban en reposo dentro del átomo, y que el conjunto era eléctricamente neutro.

El modelo de Thomson era parecido a un pastel de frutas: los electrones estaban incrustados en una masa esférica de carga positiva. La carga  negativa total de los electrones era la misma que la carga total positiva de la esfera, por lo que dedujo que el átomo era neutro.

Thomson también explicó la formación de iones, tanto positivos como negativos.

Cuando el átomo pierde algún electrón, la estructura queda positiva y se forman iones positivos; pero si el átomo gana algún electrón, la estructura queda negativa y se forman iones negativos.

Modelo atómico de Dalton


Modelo atómico de Dalton


 En 1808 Dalton formuló su teoría atómica, teoría que rompía con todas las ideas tradicionales (Demócrito, Leucipo).

Introduce la idea de la discontinuidad de la materia, es decir, es la primera teoría científica que considera que la materia está dividida en átomos. Los postulados básicos de esta teoría son:

  -La materia está dividida en unas partículas indivisibles e inalterables llamadas átomos.
  -Los átomos son partículas muy pequeñas y no se pueden ver a simple vista.
  -Todos los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, igual masa e iguales propiedades.
  -Los átomos de distintos elementos tienen distinta masa y distintas propiedades.
  -Los compuestos se forman cuando los átomos se unen entre sí, en una relación constante y sencilla.
  -En las reacciones químicas los átomos se separan o se unen; pero ningún átomo se crea ni se destruye, y ningún átomo de un elemento se convierte en átomo de otro elemento.

Esta concepción se mantuvo casi durante un siglo