I. HISTORIA DEL DESCUBRIMIENTO DE LA �SMOSIS

I. HISTORIA DEL DESCUBRIMIENTO DE LA �SMOSIS

EL DESCUBRIMIENTO del fen�meno osm�tico y los primeros estudios al respecto est�n unidos a la historia de la creaci�n de las ciencias del siglo XIX: la biolog�a, la qu�mica y la fisicoqu�mica.
La biolog�a como ciencia surge pr�cticamente en 1800, cuando Marie-Fran�ois-Xavier Bichat (1771-1802) define la vida como "un conjunto de funciones que resisten a la muerte", entendida �sta como el comportamiento inerte de la materia. Tal noci�n se hizo cient�fica porque se�alaba la separaci�n de los tres reinos: vegetal, animal y mineral; adem�s, atribu�a a los vegetales y a los animales un principio interno de desarrollo.
Bichat y otros bi�logos de la �poca concibieron esta idea de la vida como un principio vital, consecuencia de un alto desarrollo de la materia inerte. Es decir, se aceptaba que los fen�menos biol�gicos se pod�an explicar por medio de la f�sica y de la qu�mica. Bichat, quien en 1844 fund� la histolog�a, admiti� expl�citamente a la qu�mica como modelo al observar que los tejidos estaban conformados por constituyentes elementales.
Entre los conocimientos b�sicos que formaban parte del inicio de las ciencias biol�gicas estaba la idea de la evoluci�n de la vida, d�ndole un sentido din�mico al concepto de Bichat. En esta concepci�n evolutiva los cambios ocurren para contrarrestar un mundo perpetuamente amenazador en forma tal que la funci�n y los �rganos est�n determinados por una evoluci�n hacia la supervivencia de las colectividades.
El siglo XIX destaca por los conflictos ideol�gicos que influyen fuertemente en el desarrollo cient�fico e industrial. En lo que respecta a la biolog�a como ciencia, la reacci�n de Theodor Schwann (1810-1882) �ver fotografías en el anexo fotográfico, sección 17� contra "el vitalismo finalista", impuso la idea de la g�nesis de los seres vivientes mediante fuerzas puramente f�sicas. Esto condujo a los fisi�logos a la observaci�n intensa de las c�lulas y dio paso a la embriolog�a fundamental. Con los sorprendentes avances de la histolog�a y la embriolog�a registrados en la primera mitad del siglo XIX, se olvid� el cientificismo de Schwann como ideolog�a y se hizo de la biolog�a una ciencia rigurosa. Entre los avances que registr� la biolog�a en la primera mitad del siglo XIX se encuentra el descubrimiento de la �smosis, que es motivo de este volumen.
En Europa la filosof�a positivista domin� en gran medida esa �poca y su acoplamiento con el cientificismo constituy� una influencia ben�fica en la pr�ctica. La medicina experimental surgi� entonces con fuerza, incorpor�ndose la pr�ctica de las autopsias, y Rudolf Virchow (182l-1902) introdujo la idea de que todas las enfermedades son producidas por perturbaciones activas o pasivas de las c�lulas; se declar� entonces que la salud es un conjunto de hechos regidos por leyes, identificando la medicina experimental con la fisiolog�a, hecho que se considera establecido por Claude Bernard (1813-1878).
Finalmente, Louis Pasteur (1822-1895), el padre del m�todo experimental de la medicina, fue quien puso de manifiesto la acci�n de los g�rmenes, su modificaci�n y su dominio; Pasteur es el precursor de una ciencia que confiri� la precisi�n y puso la qu�mica al servicio de la medicina.
Por otro lado, el esp�ritu positivista de la �poca no fue adecuado para el desarrollo de la qu�mica en Francia. Curiosamente es aqu� donde �sta surgi� como ciencia, mas por conflictos ideol�gicos, su avance definitivo se traslad� a otros pa�ses. Augusto Laurent (1807-1853), quien dio a la qu�mica su forma cl�sica en la primera mitad del siglo XIX, fue expulsado de la Universidad de Par�s; un poco antes, Lavoisier hab�a sido guillotinado. Adem�s, la concepci�n positivista de la ciencia entr� en conflicto con la aceptaci�n de la teor�a atomista, cuando esta �ltima daba a la qu�mica el marco riguroso y formal de una disciplina cient�fica. Con todo ello, se limit� el desarrollo de la industria qu�mica en Francia, ganando la delantera los alemanes y los rusos. En Alemania, las hip�tesis qu�micas se comprobaban directamente en laboratorios afiliados a f�bricas de producci�n industrial y gracias a ello, en el �ltimo tercio del siglo se abri� paso la qu�mica org�nica.
A finales del siglo XIX, el desarrollo de la qu�mica recibe en Rusia un decisivo impulso con los trabajos de D. I. Mendeleiev (1834-1907), quien da a conocer la clasificaci�n peri�dica de los elementos. Este descubrimiento impuso en la comunidad cient�fica europea un gran esfuerzo de comprensi�n y an�lisis de datos y, sobre todo, una disciplina cient�fica en la que dominaba el sentido de la objetividad de la naturaleza y descartaba el sentido positivista de la �poca. Esto ocurri� porque el significado capital que aportaba la tabla de Mendeleiev no era comprendido por los qu�micos contempor�neos y, en cambio, s� requer�a de una modificaci�n radical de los principios de la organizaci�n de la materia. Este esp�ritu fue el que posteriormente domin� la f�sica at�mica de principios del siglo XX y que permiti� la evoluci�n hacia la qu�mica cu�ntica.
La fisicoqu�mica por su parte surge como ciencia a finales del siglo XIX y es el resultado de las investigaciones de la din�mica de las reacciones termoqu�micas, la cat�lisis, la electr�lisis y, sobre todo, la f�sica de soluciones. Todo ello se conjuga con la aceptaci�n de la teor�a atomista.
A principios del siglo XIX los qu�micos pretend�an dar una explicaci�n al comportamiento de los gases a trav�s de sus experimentos. El objetivo de estos estudios era la comprensi�n del �tomo. En ese entonces, Thomas Graham (1805-1869), padre de la qu�mica de los coloides, junto con Fran�ois Marie Raoult (1830-1901), fundador de la Teor�a de las Soluciones, sentaron las bases de la fisicoqu�mica como disciplina cient�fica. Los estudios de estos qu�micos coinciden con la corriente de estudio de los fisi�logos, quienes estaban preocupados por entender los procesos de transporte en las c�lulas de las plantas y los animales y cuyas investigaciones fueron decisivas para el descubrimiento de la �smosis. Las dos corrientes, tanto la del estudio de los gases y las soluciones, como la del estudio de la c�lula y sus intercambios, se entrecruzan y se influyen mutuamente, como veremos a continuaci�n.
El descubrimiento de la difusi�n fue realizado por Graham mediante experimentos efectuados entre los a�os de 1828 y 1833. Graham descubri� la difusi�n de los l�quidos y estuvo muy cerca de emitir la ley que ahora conocemos como Ley de Fick, pero Graham no acert�, porque la Ley de Fick implica una relaci�n lineal entre el flujo de difusi�n y la diferencia de concentraciones que produce dicho flujo; �l buscaba una relaci�n m�s complicada o espectacular como la que encontr� en otro de sus experimentos con gases, en los que Graham hab�a demostrado que el flujo de difusi�n de un gas a trav�s de un tap�n poroso es inversamente proporcional a la ra�z cuadrada de las densidades de los gases empleados. Tan impresionante fue este resultado para su �poca, que le vali� su elecci�n para ingresar a la Royal Society a la edad de treinta a�os.
As� estaban las cosas cuando entr� en escena Adolf Eugen Fick (1829-1901), fisi�logo alem�n de reconocido prestigio cient�fico. Fick participaba del esp�ritu cientificista de la �poca y pretend�a combinar las matem�ticas con la medicina, para se�alar que las ciencias b�sicas deben ser usadas para fundamentar la medicina. Estos conceptos de Fick fueron influenciados por Carl Ludwig (1816-1895) (v�ase el ap�ndice 1).
Los estudios de la difusi�n los realiz� Fick en Zurich en 1855 cuando ten�a 26 a�os de edad. Este investigador plante� los experimentos de Graham sobre bases cuantitativas y descubri� la ley de la difusi�n un tanto casualmente. Esto ocurri� cuando Fick sugiri� en su publicaci�n una comparaci�n de la difusi�n de un material disuelto con la Ley de Ohm para conductores el�ctricos y tambi�n con la ley de la transferencia de calor en conductores sometidos a una diferencia de temperaturas. Esta confrontaci�n daba la clave para la formalizaci�n matem�tica de la difusi�n.
Pero la presentaci�n de este trabajo produjo a Fick grandes incertidumbres y escribi� entonces una obra con el fin de reforzar sus ideas de la difusi�n; este nuevo trabajo combinaba argumentos de la teor�a cin�tica de los gases, con la que reconoc�a a la difusi�n como un proceso de din�mica molecular. Pero los casos por �l tratados eran procesos biol�gicos, considerados por la fisiolog�a y las ciencias m�dicas el primer texto de biof�sica. Esto ocurri� en 1856.
Hasta ese momento Fick s�lo suger�a una Ley, haciendo notar que la presencia de un flujo de difusi�n es debido a una diferencia de concentraciones, de tal manera que las dos cantidades en cursivas son directamente proporcionales y, la constante de proporcionalidad es, precisamente, una cantidad que depende de la naturaleza de las sustancias empleadas. Esta constante es similar a la resistencia el�ctrica, que relaciona la diferencia de potencial entre dos puntos y el flujo de corriente presente entre ellos. Sin embargo, fue la analog�a con la ley de difusi�n del calor como Fick trat� de demostrar que efectivamente la difusi�n molecular segu�a el mismo patr�n matem�tico. Fick encontr� en esta formulaci�n la clave para expresar la ley del flujo de difusi�n, que se ajustaba a una descripci�n muy exacta de algunos de los experimentos de la difusi�n. Pero despu�s de todo, su triunfo no fue completo, porque surgi� una dificultad relacionada con los datos obtenidos por Graham, los cuales segu�an un comportamiento no lineal, y mostraban que la analog�a de la difusi�n con la conductividad t�rmica no era muy exacta. Para aclarar este punto, motivo de pol�mica, Fick se puso a trabajar de nuevo en el laboratorio repitiendo los experimentos de Graham e, ideando un nuevo m�todo para demostrar d�nde estaba la discrepancia descubri� que resid�a en la geometr�a de los dispositivos experimentales que us� Graham, los cuales introducen efectos de fronteras (efectos de paredes), desvirtuando la relaci�n lineal v�lida para un medio homog�neo. Con lo anterior, el camino para la aceptaci�n plena de la Ley de Fick quedaba establecido. La presentaci�n de los trabajos de Fick causaron conmoci�n inmediata en la comunidad cient�fica. Sus trabajos fueron realizados con tal discreci�n que cuando los dio a conocer se encontr� de s�bito con que el tratamiento cuantitativo de la difusi�n ya estaba hecho.
No obstante estos progresos, tanto los experimentos de Graham como los conceptos derivados del tratamiento de Fick no quedaban aclarados del todo debido a que el concepto mismo de flujo de difusi�n era impreciso y provocaba grandes confusiones cuando se relacionaba con experimentos donde hab�a agitaci�n masiva de un gas o de un l�quido. Este asunto fue vivamente discutido en 1860 por toda la comunidad cient�fica interesada, y fue J. C. Maxwell (1831-1879) quien dio la clave de la soluci�n al problema, al se�alar que la difusi�n se debe tanto al movimiento de translaci�n de las mol�culas como a la agitaci�n masiva en un movimiento convectivo; as�, Maxwell introdujo el concepto de velocidad relativa, donde el flujo de difusi�n debe definirse. Volveremos a revisar estos conceptos cuando tratemos la relaci�n entre el flujo de difusi�n y el flujo osm�tico (cap�tulo VI).
El descubrimiento de la �smosis es anterior al de la difusi�n, antecedida �sta a su vez, por un mundo reinante de confusiones. La primera luz es dada en 1748 por J. A. Nollet (1700-1770) cuando era profesor de f�sica experimental en la Universidad de Navarra. Nollet obtuvo una membrana de vejiga animal, colocando alcohol de un lado y agua del otro, y observ� que el agua flu�a a trav�s de la vejiga para mezclarse con el alcohol, pero de ninguna manera el alcohol se mezclaba con el agua. Lo que Nollet descubri� fue la existencia de membranas semipermeables, ya que permit�an el paso de uno de los componentes de una soluci�n y evitaba la difusi�n de otros. Generalmente a la sustancia capaz de atravesar una membrana se le llama solvente de una soluci�n, y la que no puede fluir a trav�s de ella es conocida como soluto. Se recomienda al lector puntualizar la distinci�n entre soluto y solvente porque ser� terminolog�a corriente en muchas de las discusiones futuras.
El descubrimi�nto de la �smosis en membranas semipermeables fue realizado por Henri Dutrochet (1776-1847), considerado como uno de los grandes fisi�logos del siglo XIX, quien tambi�n tiene relaci�n con las primeras observaciones que condujeron al descubrimiento de la fotos�ntesis. Al igual que Fick y Ludwig, Dutrochet profes� la creencia de que las leyes fundamentales de la f�sica y de la qu�mica explicaban todos los procesos b�sicos de la vida. Aseguraba que deb�a haber similitudes en los procesos f�sicos y qu�micos de todos los organismos, fueran plantas o animales; esto deb�a ser, dec�a �l, para hacer posibles las explicaciones a partir de principios fundamentales.
Dutrochet descubri� el fen�meno de la �smosis cuando observ� que la difusi�n del solvente a trav�s de una membrana semipermeable ocurr�a siempre de la soluci�n de menor concentraci�n de un soluto, que no puede pasar, hacia la soluci�n de mayor concentraci�n; adem�s, el solvente que fluye es capaz de desarrollar una presi�n sobre la membrana a la que denomin� presi�n osm�tica. Dutrochet construy� el primer dispositivo experimental para observar la presencia de la presi�n osm�tica. Este descubrimiento lo dio a conocer en 1828 cuando declar�:

Este descubrimiento que he hecho pertenece a una clase nueva de fen�menos f�sicos que sin duda alguna intervienen fuertemente en los procesos vitales.

Con lo anteriormente expresado Dutrochet daba la pauta para la concepci�n de una c�lula viva rodeada de una membrana semipermeable que absorbe agua de sus alrededores a trav�s del flujo osm�tico, al mismo tiempo que se interrumpe la difusi�n de ciertas sustancias de la soluci�n.
No obstante la importancia de este descubrimiento, la medida cuantitativa de la presi�n osm�tica fue elaborada 50 a�os m�s tarde, en 1877, por el bot�nico Wilhelm Pfeffer (1845-1920). Pfeffer es otro de los fisi�logos que son mencionados junto a su maestro Julius von Sachs (1832-1897), en relaci�n al descubrimiento de la fotos�ntesis.
Curiosamente, y a pesar de los antecedentes fisiol�gicos bien conocidos de la �smosis, Pfeffer no utiliz� en sus experimentos membranas biol�gicas sino artificiales, preparadas en el laboratorio por medio del dep�sito de un electrolito, de ferrocianuro de cobre sobre un dispositivo poroso. En ese entonces, las membranas artificiales hab�an sido descubiertas por Troube en 1867 y usadas extensivamente entre 1870 y 1920. Con estas membranas se consiguieron medidas aceptables de la presi�n osm�tica de soluciones de az�car y de algunas mol�culas org�nicas, logr�ndose presiones osm�ticas de un poco m�s de 200 atm�sferas.
En su experimento, Pfeffer utiliz� agua como solvente y sacarosa como soluto. Los resultados se encuentran en la gr�fica de la figura 1. Tal como puede observarse directamente en ella, la presi�n osm�tica de una soluci�n es directamente proporcional a su concentraci�n. Ahora bien, Pfeffer desarroll� este experimento a temperatura constante y concluy� que si modificaba la temperatura, utilizando la misma soluci�n (sin cambiar la concentraci�n), la variaci�n de la presi�n osm�tica tambi�n era directamente proporcional a la temperatura. Este comportamiento de la presi�n osm�tica es id�ntico al de un gas ideal.

Figura 1. Resultados del experimento de Pfeffer. Se observa la presi�n osm�tica de una soluci�n de sacarosa en agua a 20�C.

J. H. Van't Hoff (1852-1911) fue quien aventur� una interpretaci�n comparativa de la presi�n osm�tica con la presi�n ejercida por un gas. De esta forma, el estudio de la �smosis se escapa de las manos de los fisi�logos y cae en las de los fisicoqu�micos. Primero Van't Hoff y luego Josiah Willard Gibbs (1839-1903) contribuyeron a dar unidad a la teor�a de las soluciones que incorpora el comportamiento osm�tico como una de las propiedades de las soluciones. Esta teor�a tambi�n integra los trabajos realizados por Raoult entre los a�os de 1875 y 1890.
Antes de la formalizaci�n de la teor�a de las soluciones, las leyes de Raoult se daban como hechos emp�ricos, lo mismo que la ley de la �smosis; de manera que la conexi�n que hizo Van't Hoff entre la �smosis y la teor�a cin�tica impresion� much�simo a la colectividad y fue considerada como una de las explicaciones m�s sugestivas de su �poca. La teor�a de Van't Hoff de 1886 fue resumida as�:

Toda materia disuelta ejerce sobre una pared semipermeable una presi�n osm�tica igual a la presi�n que ser�a ejercida en el mismo volumen, para un n�mero igual de mol�culas en estado gaseoso.

Tales ideas sobre la interpretaci�n de la presi�n osm�tica ganaron gran popularidad. Sin embargo, fueron abandonadas por la comunidad cient�fica a principios del siglo XX por considerarse err�neas. La presi�n osm�tica no es el resultado del choque de las mol�culas de la sustancia disuelta contra un tabique poroso, sino que su interpretaci�n debe apreciarse como la presi�n necesaria para compensar un d�ficit energ�tico que se produce por la disoluci�n espont�nea del soluto en el solvente. Esta explicaci�n apareci� cuando los trabajos de Van't Hoff quedaron entendidos dentro del formalismo de la teor�a termodin�mica qu�mica dada por Gibbs.
Es necesario hacer notar que el siglo XIX concluye con la aparici�n de la fisicoqu�mica como ciencia. Esta establece, como lo hemos comentado, la teor�a de las soluciones en general, as� como las relaciones entre el equilibrio y las condiciones exteriores de un sistema termodin�mico.