I. HISTORIA DEL DESCUBRIMIENTO DE LA ÓSMOSIS

I. HISTORIA DEL DESCUBRIMIENTO DE LA ÓSMOSIS

EL DESCUBRIMIENTO del fenómeno osmótico y los primeros estudios al respecto están unidos a la historia de la creación de las ciencias del siglo XIX: la biología, la química y la fisicoquímica.
La biología como ciencia surge prácticamente en 1800, cuando Marie-François-Xavier Bichat (1771-1802) define la vida como "un conjunto de funciones que resisten a la muerte", entendida ésta como el comportamiento inerte de la materia. Tal noción se hizo científica porque señalaba la separación de los tres reinos: vegetal, animal y mineral; además, atribuía a los vegetales y a los animales un principio interno de desarrollo.
Bichat y otros biólogos de la época 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 fenómenos biológicos se podían explicar por medio de la física y de la química. Bichat, quien en 1844 fundó la histología, admitió explícitamente a la química como modelo al observar que los tejidos estaban conformados por constituyentes elementales.
Entre los conocimientos básicos que formaban parte del inicio de las ciencias biológicas estaba la idea de la evolución de la vida, dándole un sentido dinámico al concepto de Bichat. En esta concepción evolutiva los cambios ocurren para contrarrestar un mundo perpetuamente amenazador en forma tal que la función y los órganos están determinados por una evolución hacia la supervivencia de las colectividades.
El siglo XIX destaca por los conflictos ideológicos que influyen fuertemente en el desarrollo científico e industrial. En lo que respecta a la biología como ciencia, la reacción de Theodor Schwann (1810-1882) —ver fotografías en el anexo fotográfico, sección 17— contra "el vitalismo finalista", impuso la idea de la génesis de los seres vivientes mediante fuerzas puramente físicas. Esto condujo a los fisiólogos a la observación intensa de las células y dio paso a la embriología fundamental. Con los sorprendentes avances de la histología y la embriología registrados en la primera mitad del siglo XIX, se olvidó el cientificismo de Schwann como ideología y se hizo de la biología una ciencia rigurosa. Entre los avances que registró la biología en la primera mitad del siglo XIX se encuentra el descubrimiento de la ósmosis, que es motivo de este volumen.
En Europa la filosofía positivista dominó en gran medida esa época y su acoplamiento con el cientificismo constituyó una influencia benéfica en la práctica. La medicina experimental surgió entonces con fuerza, incorporándose la práctica 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 células; se declaró entonces que la salud es un conjunto de hechos regidos por leyes, identificando la medicina experimental con la fisiología, hecho que se considera establecido por Claude Bernard (1813-1878).
Finalmente, Louis Pasteur (1822-1895), el padre del método experimental de la medicina, fue quien puso de manifiesto la acción de los gérmenes, su modificación y su dominio; Pasteur es el precursor de una ciencia que confirió la precisión y puso la química al servicio de la medicina.
Por otro lado, el espíritu positivista de la época no fue adecuado para el desarrollo de la química en Francia. Curiosamente es aquí donde ésta surgió como ciencia, mas por conflictos ideológicos, su avance definitivo se trasladó a otros países. Augusto Laurent (1807-1853), quien dio a la química su forma clásica en la primera mitad del siglo XIX, fue expulsado de la Universidad de París; un poco antes, Lavoisier había sido guillotinado. Además, la concepción positivista de la ciencia entró en conflicto con la aceptación de la teoría atomista, cuando esta última daba a la química el marco riguroso y formal de una disciplina científica. Con todo ello, se limitó el desarrollo de la industria química en Francia, ganando la delantera los alemanes y los rusos. En Alemania, las hipótesis químicas se comprobaban directamente en laboratorios afiliados a fábricas de producción industrial y gracias a ello, en el último tercio del siglo se abrió paso la química orgánica.
A finales del siglo XIX, el desarrollo de la química recibe en Rusia un decisivo impulso con los trabajos de D. I. Mendeleiev (1834-1907), quien da a conocer la clasificación periódica de los elementos. Este descubrimiento impuso en la comunidad científica europea un gran esfuerzo de comprensión y análisis de datos y, sobre todo, una disciplina científica en la que dominaba el sentido de la objetividad de la naturaleza y descartaba el sentido positivista de la época. Esto ocurrió porque el significado capital que aportaba la tabla de Mendeleiev no era comprendido por los químicos contemporáneos y, en cambio, sí requería de una modificación radical de los principios de la organización de la materia. Este espíritu fue el que posteriormente dominó la física atómica de principios del siglo XX y que permitió la evolución hacia la química cuántica.
La fisicoquímica por su parte surge como ciencia a finales del siglo XIX y es el resultado de las investigaciones de la dinámica de las reacciones termoquímicas, la catálisis, la electrólisis y, sobre todo, la física de soluciones. Todo ello se conjuga con la aceptación de la teoría atomista.
A principios del siglo XIX los químicos pretendían dar una explicación al comportamiento de los gases a través de sus experimentos. El objetivo de estos estudios era la comprensión del átomo. En ese entonces, Thomas Graham (1805-1869), padre de la química de los coloides, junto con François Marie Raoult (1830-1901), fundador de la Teoría de las Soluciones, sentaron las bases de la fisicoquímica como disciplina científica. Los estudios de estos químicos coinciden con la corriente de estudio de los fisiólogos, quienes estaban preocupados por entender los procesos de transporte en las células de las plantas y los animales y cuyas investigaciones fueron decisivas para el descubrimiento de la ósmosis. Las dos corrientes, tanto la del estudio de los gases y las soluciones, como la del estudio de la célula y sus intercambios, se entrecruzan y se influyen mutuamente, como veremos a continuación.
El descubrimiento de la difusión fue realizado por Graham mediante experimentos efectuados entre los años de 1828 y 1833. Graham descubrió la difusión de los líquidos y estuvo muy cerca de emitir la ley que ahora conocemos como Ley de Fick, pero Graham no acertó, porque la Ley de Fick implica una relación lineal entre el flujo de difusión y la diferencia de concentraciones que produce dicho flujo; él buscaba una relación más complicada o espectacular como la que encontró en otro de sus experimentos con gases, en los que Graham había demostrado que el flujo de difusión de un gas a través de un tapón poroso es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de las densidades de los gases empleados. Tan impresionante fue este resultado para su época, que le valió su elección para ingresar a la Royal Society a la edad de treinta años.
Así estaban las cosas cuando entró en escena Adolf Eugen Fick (1829-1901), fisiólogo alemán de reconocido prestigio científico. Fick participaba del espíritu cientificista de la época y pretendía combinar las matemáticas con la medicina, para señalar que las ciencias básicas deben ser usadas para fundamentar la medicina. Estos conceptos de Fick fueron influenciados por Carl Ludwig (1816-1895) (véase el apéndice 1).
Los estudios de la difusión los realizó Fick en Zurich en 1855 cuando tenía 26 años de edad. Este investigador planteó los experimentos de Graham sobre bases cuantitativas y descubrió la ley de la difusión un tanto casualmente. Esto ocurrió cuando Fick sugirió en su publicación una comparación de la difusión de un material disuelto con la Ley de Ohm para conductores eléctricos y también con la ley de la transferencia de calor en conductores sometidos a una diferencia de temperaturas. Esta confrontación daba la clave para la formalización matemática de la difusión.
Pero la presentación de este trabajo produjo a Fick grandes incertidumbres y escribió entonces una obra con el fin de reforzar sus ideas de la difusión; este nuevo trabajo combinaba argumentos de la teoría cinética de los gases, con la que reconocía a la difusión como un proceso de dinámica molecular. Pero los casos por él tratados eran procesos biológicos, considerados por la fisiología y las ciencias médicas el primer texto de biofísica. Esto ocurrió en 1856.
Hasta ese momento Fick sólo sugería una Ley, haciendo notar que la presencia de un flujo de difusión 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 eléctrica, que relaciona la diferencia de potencial entre dos puntos y el flujo de corriente presente entre ellos. Sin embargo, fue la analogía con la ley de difusión del calor como Fick trató de demostrar que efectivamente la difusión molecular seguía el mismo patrón matemático. Fick encontró en esta formulación la clave para expresar la ley del flujo de difusión, que se ajustaba a una descripción muy exacta de algunos de los experimentos de la difusión. Pero después de todo, su triunfo no fue completo, porque surgió una dificultad relacionada con los datos obtenidos por Graham, los cuales seguían un comportamiento no lineal, y mostraban que la analogía de la difusión con la conductividad térmica no era muy exacta. Para aclarar este punto, motivo de polémica, Fick se puso a trabajar de nuevo en el laboratorio repitiendo los experimentos de Graham e, ideando un nuevo método para demostrar dónde estaba la discrepancia descubrió que residía en la geometría de los dispositivos experimentales que usó Graham, los cuales introducen efectos de fronteras (efectos de paredes), desvirtuando la relación lineal válida para un medio homogéneo. Con lo anterior, el camino para la aceptación plena de la Ley de Fick quedaba establecido. La presentación de los trabajos de Fick causaron conmoción inmediata en la comunidad científica. Sus trabajos fueron realizados con tal discreción que cuando los dio a conocer se encontró de súbito con que el tratamiento cuantitativo de la difusión 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 difusión era impreciso y provocaba grandes confusiones cuando se relacionaba con experimentos donde había agitación masiva de un gas o de un líquido. Este asunto fue vivamente discutido en 1860 por toda la comunidad científica interesada, y fue J. C. Maxwell (1831-1879) quien dio la clave de la solución al problema, al señalar que la difusión se debe tanto al movimiento de translación de las moléculas como a la agitación masiva en un movimiento convectivo; así, Maxwell introdujo el concepto de velocidad relativa, donde el flujo de difusión debe definirse. Volveremos a revisar estos conceptos cuando tratemos la relación entre el flujo de difusión y el flujo osmótico (capítulo VI).
El descubrimiento de la ósmosis es anterior al de la difusión, antecedida ésta 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 física experimental en la Universidad de Navarra. Nollet obtuvo una membrana de vejiga animal, colocando alcohol de un lado y agua del otro, y observó que el agua fluía a través de la vejiga para mezclarse con el alcohol, pero de ninguna manera el alcohol se mezclaba con el agua. Lo que Nollet descubrió fue la existencia de membranas semipermeables, ya que permitían el paso de uno de los componentes de una solución y evitaba la difusión de otros. Generalmente a la sustancia capaz de atravesar una membrana se le llama solvente de una solución, y la que no puede fluir a través de ella es conocida como soluto. Se recomienda al lector puntualizar la distinción entre soluto y solvente porque será terminología corriente en muchas de las discusiones futuras.
El descubrimiénto de la ósmosis en membranas semipermeables fue realizado por Henri Dutrochet (1776-1847), considerado como uno de los grandes fisiólogos del siglo XIX, quien también tiene relación con las primeras observaciones que condujeron al descubrimiento de la fotosíntesis. Al igual que Fick y Ludwig, Dutrochet profesó la creencia de que las leyes fundamentales de la física y de la química explicaban todos los procesos básicos de la vida. Aseguraba que debía haber similitudes en los procesos físicos y químicos de todos los organismos, fueran plantas o animales; esto debía ser, decía él, para hacer posibles las explicaciones a partir de principios fundamentales.
Dutrochet descubrió el fenómeno de la ósmosis cuando observó que la difusión del solvente a través de una membrana semipermeable ocurría siempre de la solución de menor concentración de un soluto, que no puede pasar, hacia la solución de mayor concentración; además, el solvente que fluye es capaz de desarrollar una presión sobre la membrana a la que denominó presión osmótica. Dutrochet construyó el primer dispositivo experimental para observar la presencia de la presión osmótica. Este descubrimiento lo dio a conocer en 1828 cuando declaró:

Este descubrimiento que he hecho pertenece a una clase nueva de fenómenos físicos que sin duda alguna intervienen fuertemente en los procesos vitales.

Con lo anteriormente expresado Dutrochet daba la pauta para la concepción de una célula viva rodeada de una membrana semipermeable que absorbe agua de sus alrededores a través del flujo osmótico, al mismo tiempo que se interrumpe la difusión de ciertas sustancias de la solución.
No obstante la importancia de este descubrimiento, la medida cuantitativa de la presión osmótica fue elaborada 50 años más tarde, en 1877, por el botánico Wilhelm Pfeffer (1845-1920). Pfeffer es otro de los fisiólogos que son mencionados junto a su maestro Julius von Sachs (1832-1897), en relación al descubrimiento de la fotosíntesis.
Curiosamente, y a pesar de los antecedentes fisiológicos bien conocidos de la ósmosis, Pfeffer no utilizó en sus experimentos membranas biológicas sino artificiales, preparadas en el laboratorio por medio del depósito de un electrolito, de ferrocianuro de cobre sobre un dispositivo poroso. En ese entonces, las membranas artificiales habían sido descubiertas por Troube en 1867 y usadas extensivamente entre 1870 y 1920. Con estas membranas se consiguieron medidas aceptables de la presión osmótica de soluciones de azúcar y de algunas moléculas orgánicas, lográndose presiones osmóticas de un poco más de 200 atmósferas.
En su experimento, Pfeffer utilizó agua como solvente y sacarosa como soluto. Los resultados se encuentran en la gráfica de la figura 1. Tal como puede observarse directamente en ella, la presión osmótica de una solución es directamente proporcional a su concentración. Ahora bien, Pfeffer desarrolló este experimento a temperatura constante y concluyó que si modificaba la temperatura, utilizando la misma solución (sin cambiar la concentración), la variación de la presión osmótica también era directamente proporcional a la temperatura. Este comportamiento de la presión osmótica es idéntico al de un gas ideal.

Figura 1. Resultados del experimento de Pfeffer. Se observa la presión osmótica de una solución de sacarosa en agua a 20ºC.

J. H. Van't Hoff (1852-1911) fue quien aventuró una interpretación comparativa de la presión osmótica con la presión ejercida por un gas. De esta forma, el estudio de la ósmosis se escapa de las manos de los fisiólogos y cae en las de los fisicoquímicos. Primero Van't Hoff y luego Josiah Willard Gibbs (1839-1903) contribuyeron a dar unidad a la teoría de las soluciones que incorpora el comportamiento osmótico como una de las propiedades de las soluciones. Esta teoría también integra los trabajos realizados por Raoult entre los años de 1875 y 1890.
Antes de la formalización de la teoría de las soluciones, las leyes de Raoult se daban como hechos empíricos, lo mismo que la ley de la ósmosis; de manera que la conexión que hizo Van't Hoff entre la ósmosis y la teoría cinética impresionó muchísimo a la colectividad y fue considerada como una de las explicaciones más sugestivas de su época. La teoría de Van't Hoff de 1886 fue resumida así:

Toda materia disuelta ejerce sobre una pared semipermeable una presión osmótica igual a la presión que sería ejercida en el mismo volumen, para un número igual de moléculas en estado gaseoso.

Tales ideas sobre la interpretación de la presión osmótica ganaron gran popularidad. Sin embargo, fueron abandonadas por la comunidad científica a principios del siglo XX por considerarse erróneas. La presión osmótica no es el resultado del choque de las moléculas de la sustancia disuelta contra un tabique poroso, sino que su interpretación debe apreciarse como la presión necesaria para compensar un déficit energético que se produce por la disolución espontánea del soluto en el solvente. Esta explicación apareció cuando los trabajos de Van't Hoff quedaron entendidos dentro del formalismo de la teoría termodinámica química dada por Gibbs.
Es necesario hacer notar que el siglo XIX concluye con la aparición de la fisicoquímica como ciencia. Esta establece, como lo hemos comentado, la teoría de las soluciones en general, así como las relaciones entre el equilibrio y las condiciones exteriores de un sistema termodinámico.