Ciencias naturales

Las ciencias naturales buscan entender el funcionamiento del universo y el mundo que nos rodea. Se pueden distinguir cinco ramas principales: Física, Química, Astronomía, Geología y Biología.

Las ciencias naturales, ciencias de la naturaleza, ciencias físico-naturales o ciencias experimentales (históricamente denominadas filosofía natural o historia natural) son aquellas ciencias que tienen por objeto el estudio de la naturaleza, siguiendo la modalidad del método científico[1]​ conocida como método empírico-analítico.

Las ciencias naturales se apoyan en el razonamiento lógico y el aparato metodológico de las ciencias formales, especialmente de la matemática y la lógica, cuya relación con la realidad de la naturaleza es indirecta. A diferencia de las ciencias aplicadas, las ciencias naturales son parte de la ciencia básica, pero tienen en ellas sus desarrollos prácticos, e interactúan con ellas y con el sistema productivo en los sistemas denominados de investigación y desarrollo o investigación, desarrollo e innovación (I+D e I+D+I).[2]

No se deben confundir con el concepto más restringido de ciencias de la Tierra o geociencias.

Límites entre ciencias[editar]

Las diferencias entre las distintas ciencias naturales no siempre son marcadas, y estas «ciencias cruzadas» comparten un gran número de campos. La física juega un papel significativo en las otras ciencias naturales, dando origen, por ejemplo, a la astrofísica, la geofísica, la química física y la biofísica. Asimismo, la química está representada por varios campos, como la bioquímica, la geoquímica y la astroquímica.

Un ejemplo particular de disciplina científica que abarca múltiples ciencias naturales es la ciencia del medio ambiente. Esta materia estudia las interacciones de los componentes físicos, químicos y biológicos del medio, con particular atención a los efectos de la actividad humana y su impacto sobre la biodiversidad[3]​ y la sostenibilidad. Esta ciencia también afecta a expertos de otros campos.[4]

Una disciplina comparable a la anterior es la oceanografía, que se relaciona con una amplia gama de disciplinas científicas.[5]​ La oceanografía se subdivide, a su vez, en otras disciplinas cruzadas, como la biología marina. Como el ecosistema marino es muy grande y diverso, la biología marina también se bifurca en muchas subdivisiones, incluyendo especializaciones en especies particulares.

Hay también un grupo de campos con disciplinas cruzadas en los que, por la naturaleza de los problemas que abarcan, hay fuertes corrientes contrarias a la especialización. Por otro lado, en algunos campos de aplicaciones integrales, los especialistas, en más de un campo, tienen un papel clave en el diálogo entre ellos. Tales campos integrales, por ejemplo, pueden incluir la nanociencia, la astrobiología y complejos sistemas informáticos.

Ciencias naturales clásicas[editar]

Física[editar]

La física explica con un número limitado de leyes las relaciones entre materia y energía del universo, abarcando desde fenómenos que incluyen partículas subatómicas hasta fenómenos como el nacimiento de una estrella.[6]
"El objetivo de la ciencia es, por una parte, una comprensión, lo más completa posible, de la conexión entre las experiencias de los sentidos en su totalidad y, por otra, la obtención de dicho objetivo usando un número mínimo de conceptos y relaciones primarios". Albert Einstein[7]
La física (del latín physica, y este del griego antiguo φυσικός physikós «natural, relativo a la naturaleza»)[8]​ es la ciencia natural que estudia la naturaleza de los componentes y fenómenos más fundamentales del Universo como lo son la energía, la materia, la fuerza, el movimiento, el espacio-tiempo, las magnitudes y propiedades naturales fundamentales y las interacciones fundamentales.[9][10][11]

El alcance de la física es extraordinariamente amplio y puede incluir estudios tan diversos como la mecánica cuántica, la física teórica o la óptica.[12]​ La física moderna se orienta a una especialización creciente, donde las investigaciones y los grupos de investigación, tienden a enfocar áreas particulares más que a ser universalistas, como lo fueron Albert Einstein o Lev Landáu, que trabajaron en una multiplicidad de áreas.[13][14][15]

La física es tal vez la más antigua de todas las disciplinas académicas, ya que la astronomía es una de sus subdisciplinas, y tanto ésta como la aplicación de las matemáticas al estudio de la naturaleza, también comenzó hace más de dos mil años con los primeros trabajos de filósofos griegos.[16][17][18]​ En los últimos dos milenios, la física fue considerada parte de lo que ahora llamamos filosofía, química y ciertas ramas de las matemáticas y la biología, pero durante la revolución científica en el siglo XVII se convirtió en una ciencia moderna, única por derecho propio.[19][20]​ Sin embargo, en la actualidad la interdisciplinariedad, especialmente en algunas esferas de la física, química y matemática, han dado lugar tanto a avances, como a ramas difusas, como la química cuántica, por lo que los límites de la física con otras ramas de la ciencia tienden a ser cada vez más difíciles de distinguir, y hacia la unidad de la ciencia.[21][22][23][24][25][26][27][28]​ La formulación de las teorías sobre las leyes que gobiernan el Universo, como se indicaba, ha sido un objetivo central de la física desde tiempos remotos, con la filosofía griega, y antecedentes de aplicación del método científico como los de Arquímedes, y, actualmente, la filosofía del empleo sistemático de experimentos cuantitativos de observación y prueba como fuente de verificación. La clave del desarrollo histórico de la física incluye hitos como la ley de la gravitación universal y la mecánica clásica de Newton, la comprensión de la naturaleza de la electricidad y su relación con el magnetismo de Faraday , la teoría de la relatividad especial y teoría de la relatividad general de Einstein, el desarrollo de la termodinámica con James Prescott Joule y Sadi Carnot y el modelo de la mecánica cuántica a los niveles de la física atómica y subatómica con Louis-Victor de Broglie, Heisenberg y Erwin Schrödinger.[29]
"Si he logrado ver más lejos, ha sido porque he subido a hombros de gigantes".Isaac Newton. (Cita original de Bernardo de Chartres).

Esta disciplina incentiva competencias, métodos y una cultura científica que permitan comprender nuestro mundo físico, para luego actuar sobre él, incluso hubo intentos para aplicar conceptos de las nuevas teorías emergentes de principios del siglo XX a la observación e investigación de la realidad.[30]​ Sus procesos cognitivos se han convertido en protagonistas del saber y hacer científico y tecnológico general, ayudando a conocer, teorizar, experimentar y evaluar actos dentro de diversos sistemas, clarificando causa y efecto en numerosos fenómenos, mediante el empleo del método científico y principalmente de la metodología experimental y positivista, con un amplio auge a partir del trabajo conjunto entre diversas ramas, y, especialmente, entre la física y la tecnología (cuando se ha logrado).[19][21][22][31][32]

De esta manera, se puede considerar con cierta seguridad y carácter de verdad, que la física contribuye a la ciencia, a la conservación y preservación de recursos, y al desarrollo y el avance tecnológico, social y cultural, facilitando la toma de conciencia y la participación efectiva y sostenida de la sociedad en la resolución de sus propios problemas.[19][33][34][35]

Como toda ciencia, la Física busca que sus conclusiones puedan ser verificables y replicables mediante experimentos, es decir, se vale del método científico para poder establecer relaciones de causalidad (fundamentalmente en este caso) y también correlaciones, permitiendo demostrar sus teorías y explicar las observaciones. De este modo se pretende que pueda realizar predicciones de experimentos futuros basados en observaciones previas. Sin embargo, dada la amplitud del campo de estudio de la física, así como su desarrollo histórico con relación a otras ciencias, se la puede considerar la ciencia fundamental o central, ya que incluye dentro de su campo de estudio a la química, la biología y la electrónica, además de explicar sus fenómenos, al tratar de explicar las leyes fundamentales de la naturaleza.[36][37][38]

Se puede afirmar, pues, que la física no es solo una ciencia teórica; es también una ciencia experimental,[36]​ y, en su intento de describir los fenómenos naturales con exactitud y veracidad, ha llegado a límites impensables: el conocimiento actual abarca desde la descripción de partículas fundamentales microscópicas[39][40]​ hasta el nacimiento de las estrellas en el universo[41][42][43]​ e incluso el poder conocer con una gran probabilidad lo que aconteció en los primeros instantes del nacimiento de nuestro universo,[44][45][46]​por citar unos pocos campos.

Para poder probar sus teorías, así como por las dificultades que muchas veces entraña y las discusiones que han tenido lugar y han partido de la física teórica,[47][48][49][50][51]​se han valido de instrumentos e ingenios diversos,[52][53][54][55][56]​ así como de los avances matemáticos,[38][57][58][59]​ pero también han dado lugar y propiciado el desarrollo de nuevos avances tecnológicos. Por ejemplo, los avances en la comprensión del electromagnetismo, la física del estado sólido y la física nuclear llevaron directamente al desarrollo de nuevos productos que transformaron la sociedad actual, como la televisión, las computadoras, los electrodomésticos y las armas nucleares; los avances en termodinámica llevaron al desarrollo de la industrialización; y los avances en mecánica inspiraron el desarrollo del cálculo.[19][20][59][60]

Química[editar]

Soluciones y sustancias en botellas de reactivos, incluyendo ácido nítrico e hidróxido de amonio, iluminados de diferentes colores
Tabla periódica de los elementos químicos moderna actualizada a 2016 por la IUPAC.

La química es la ciencia natural que estudia y analiza la composición, estructura y propiedades de la materia, ya sea en forma de elementos, especies, compuestos, mezclas u otras sustancias, así como los cambios que estas experimentan durante las reacciones y su relación con la energía química.[61]Linus Pauling la definió como la ciencia que estudia las sustancias, su estructura (tipos y formas de acomodo de los átomos), sus propiedades y las reacciones que las transforman en otras sustancias en referencia con el tiempo.[62]​ La química, a través de una de sus ramas conocida como química supramolecular, se ocupa principalmente de las agrupaciones supratómicas, como son los gases, las moléculas, los cristales y los metales, estudiando su composición, propiedades estadísticas, transformaciones y reacciones; si bien la química general también incluye la comprensión de las propiedades e interacciones de la materia a escala atómica.

La química es llamada a menudo «ciencia central» por su papel de conexión en las otras ciencias naturales, relacionándose con la física por medio de la fisicoquímica, la biología mediante la bioquímica, la astronomía a través de la astroquímica, la geología por vía de la geoquímica, entre otras. La mayor parte de los procesos químicos se pueden estudiar directamente en el laboratorio, usando una serie de técnicas, a menudo bien establecidas, tanto de manipulación de materiales como de comprensión de los procesos subyacentes. Una aproximación alternativa es la proporcionada por las técnicas de modelado molecular, que extraen conclusiones de modelos computacionales.

La química moderna se desarrolló a partir de la alquimia, una práctica protocientífica de carácter esotérico, pero también experimental, que combinaba elementos de química, física, biología, metalurgia, farmacéutica, entre otras disciplinas. Esta fase termina con la revolución química, con el descubrimiento de los gases por Robert Boyle, la ley de conservación de la materia y la teoría de la combustión por oxígeno, postuladas por el científico francés Antoine Lavoisier.[63]​ La sistematización se hizo patente con la creación de la tabla periódica de los elementos y la introducción de la teoría atómica, cuando los investigadores desarrollaron una comprensión fundamental de los estados de la materia, los iones, los enlaces químicos y las reacciones químicas. Desde la primera mitad del siglo XIX el desarrollo de la química lleva aparejado la aparición y expansión de una industria química de gran relevancia en la economía y la calidad de vida actuales.

Las disciplinas de la química se agrupan según la clase de materia bajo estudio o el tipo de estudio realizado. Entre estas se encuentran la química inorgánica, que estudia la materia inorgánica; la química orgánica, que estudia la materia orgánica; la bioquímica, que estudia las sustancias existentes en organismos biológicos; la fisicoquímica que comprende los aspectos estructurales y energéticos de sistemas químicos a escalas macroscópica, molecular y atómica, y la química analítica, que analiza muestras de materia y trata de entender su composición y estructura mediante diversos estudios y reacciones.

Astronomía[editar]

Imagen de los Pilares de la Creación tomada por el telescopio espacial James Webb en un rango de longitudes de onda próximo al infrarrojo.
Comparación entre un atardecer en la Tierra en Marsella, Francia y un atardecer en Marte capturado por el Mars rover de la misión Curiosity en el cráter de Gale.
El cosmos es todo lo que es, lo que fue o lo que alguna vez será.

La astronomía (del griego άστρον [ástron] 'estrella' y νομία [nomía] 'normas', 'leyes de las estrellas')[64]​ es la ciencia natural que estudia los cuerpos celestes del universo, incluidos las estrellas, los planetas, sus satélites naturales, los asteroides, cometas y meteoroides, la materia interestelar, las nebulosas, la materia oscura, las galaxias y demás; por lo que también estudia los fenómenos astronómicos ligados a ellos, como las supernovas, los cuásares, los púlsares, la radiación cósmica de fondo, los agujeros negros, entre otros, así como las leyes naturales que las rigen. La astronomía, asimismo, abarca el estudio del origen, desarrollo y destino final del universo en su conjunto mediante la cosmología, y se relaciona con la física a través de la astrofísica, la química con la astroquímica y la biología con la astrobiología.

Su registro y la investigación de su origen viene a partir de la información que llega de ellos a través de la radiación electromagnética o de cualquier otro medio. La mayoría de la información usada por los astrónomos es recogida por la detección remota, aunque se ha conseguido reproducir, en algunos casos, en laboratorios, la ejecución de fenómenos celestes, como, por ejemplo, la química molecular del medio interestelar. Es una de las pocas ciencias en las que los aficionados aún pueden desempeñar un papel activo, especialmente sobre el descubrimiento y seguimiento de fenómenos como curvas de luz de estrellas variables, descubrimiento de asteroides y cometas, etc...

La astronomía ha estado ligada al ser humano desde la antigüedad y todas las civilizaciones han tenido contacto con esta ciencia. Personajes como Aristóteles, Tales de Mileto, Anaxágoras, Aristarco de Samos, Hiparco de Nicea, Claudio Ptolomeo, Hipatia de Alejandría, Nicolás Copérnico, Tycho Brahe, Johannes Kepler, Galileo Galilei, Christiaan Huygens o Edmund Halley han sido algunos de sus cultivadores. La metodología científica de este campo empezó a desarrollarse a mediados del siglo XVII. Un factor clave fue la introducción del telescopio por Galileo Galilei, que permitió examinar el cielo de la noche más detalladamente. El tratamiento matemático de la Astronomía comenzó con el desarrollo de la mecánica celeste y con las leyes de gravitación por Isaac Newton, aunque ya había sido puesto en marcha por el trabajo anterior de astrónomos como Johannes Kepler. Hacia el siglo XIX, la astronomía se había desarrollado como una ciencia formal, con la introducción de instrumentos tales como el espectroscopio y la fotografía, que permitieron la continua mejora de telescopios y la creación de observatorios profesionales.[65]

Geología[editar]

Provincias geológicas de la Tierra (USGS)
Corteza oceánica
(según su edad)      0-20 Ma      20-65 Ma      >65 Ma
Corteza continental      Escudos o cratones antiguos      Plataformas (escudos con cobertera sedimentaria)      Cadenas orogénicas      Cuencas tecto-sedimentarias      Provincias ígneas      Corteza adelgazada (por extensión cortical)


La geología (del griego γῆ /guê/, 'Tierra', y -λογία /-loguía/, 'tratado')[66][67]​ es la ciencia natural que estudia la composición y estructura tanto interna como superficial del planeta Tierra, y los procesos por los cuales ha ido evolucionando a lo largo del tiempo geológico.[68]

La misma comprende un conjunto de geociencias, así conocidas actualmente desde el punto de vista de su pedagogía, desarrollo y aplicación profesional. Ofrece testimonios esenciales para comprender la tectónica de placas, la historia de la vida a través de la paleontología, y cómo fue la evolución de esta, además de los climas del pasado. En la actualidad, la geología tiene una importancia fundamental en la exploración de yacimientos minerales (minería) y de hidrocarburos (petróleo y gas natural), y la evaluación de recursos hídricos subterráneos (hidrogeología). También tiene importancia fundamental en la prevención y entendimiento de fenómenos naturales como remoción de masas, en general terremotos, tsunamis, erupciones volcánicas, entre otros. Aporta conocimientos clave en la solución de problemas de contaminación medioambiental, y provee información sobre los cambios climáticos del pasado. Juega también un rol importante en la geotecnia y la ingeniería civil.

La geología incluye ramas como la geofísica, la tectónica, la geología estructural, la estratigrafía, la geología histórica, la hidrogeología, la geomorfología, la petrología y la edafología.

Aunque la minería y las piedras preciosas han sido objeto del interés humano a lo largo de la historia de la civilización, su desarrollo científico dentro de la ciencia de la geología no ocurrió hasta el siglo XVIII. El estudio de la Tierra, en especial la paleontología, floreció en el siglo XIX, y el crecimiento de otras disciplinas, como la geofísica con la teoría de las placas tectónicas en los años 60, que tuvo un impacto sobre las ciencias de la Tierra similar a la teoría de la evolución sobre la biología.

Por extensión, se aplica al estudio del resto de los cuerpos y materia del sistema solar (astrogeología o geología planetaria).

Biología[editar]

Escherichia coli (bacteria)
Ciliado (protista)
Girasol (planta)
Amanita muscaria (hongo)
Orca (mamífero)
La biología estudia a los seres vivos y todos los procesos y sistemas relacionados con la vida. De arriba a abajo: La bacteria E. coli (monera), el ciliado Frontonia (protista), la inflorescencia del girasol (planta), la seta de la falsa oronja (hongo) y la orca (animal).

La biología (del griego βίος [bíos] «vida», y -λογία [-logía] «tratado», «estudio» o «ciencia»)[69][70]​ es la ciencia natural que estudia todo lo relacionado con la vida y lo orgánico, incluyendo los procesos, sistemas, funciones, mecanismos u otros caracteres biológicos subyacentes a los seres vivos en diversos campos especializados que abarcan su morfología, fisiología, filogénesis, desarrollo, evolución, distribución e interacciones en los niveles macroscópico y microscópico.[71][72][69][73]

La biología se ocupa tanto de la descripción de las características y los comportamientos de los organismos individuales, como de las especies en su conjunto, así como de las relaciones entre los seres vivos y de las interacciones entre ellos y el entorno. De este modo, trata de estudiar la estructura y la dinámica funcional comunes a todos los seres vivos, con el fin de establecer las leyes generales que rigen la vida orgánica y los principios de ésta.[74]

La escala de estudio va desde los subcomponentes biofísicos hasta los sistemas complejos, los cuales componen los niveles de la organización biológica. La biología moderna se divide en subdisciplinas según los tipos de organismos y la escala en que se los estudia. Por ejemplo, la biología molecular es el estudio de las biomoléculas fundamentales de la vida, mientras que la biología celular tiene como objeto el análisis de la célula, que es la unidad constitutiva básica de toda la vida. A niveles más elevados, la anatomía y la fisiología, por ejemplo, estudian la estructura y el funcionamiento interno de los organismos, respectivamente, mientras que la ecología se ocupa de los hábitats naturales y su relación con los seres vivos.[74]

Los campos biológicos de la botánica, la zoología y la medicina surgieron desde los primeros momentos de la civilización, mientras que la microbiología fue introducida en el siglo XVII con el descubrimiento del microscopio. Sin embargo, no fue hasta el siglo XIX cuando la biología se unificó, una vez que se descubrieron coincidencias en todos los seres vivos y se estudiaron como un conjunto. Algunos desarrollos clave en la ciencia de la biología fueron la genética, la teoría de la evolución mediante selección natural, la teoría microbiana de la enfermedad y la aplicación de técnicas de física y química a nivel celular y molecular, que dieron lugar a la biofísica y bioquímica, respectivamente.[74]

En su sentido moderno, la palabra «biología» parece haber sido introducida independientemente por Gottfried Reinhold Treviranus (Biologie oder Philosophie der lebenden Natur, 1802) y por Jean-Baptiste Lamarck (Hydrogéologie, 1802). Generalmente, se dice que el término fue acuñado en 1800 por Karl Friedrich Burdach, aunque se menciona en el título del tercer volumen de Philosophiae naturalis sive physicae dogmaticae: Geologia, biologia, phytologia generalis et dendrologia, de Michael Christoph Hanow y publicado en 1766.[75]

Al científico que estudia la vida en general se le conoce como biólogo y pueden especializarse en cualquier rama de esta ciencia, aunque también pueden adquirir el apelativo de su especialidad, p. Ej: zoólogo, botánico, micólogo, microbiólogo, genetista, biólogo molecular, etc. No obstante, tradicionalmente se los suele clasificar en dos grandes subgrupos; los biólogos de laboratorio, quienes normalmente realizan trabajo de laboratorio; y los biólogos de campo, que generalmente se dedican al trabajo de campo, si bien ambos deben tener la formación adecuada y los conocimientos fundamentales de ambos ámbitos para poder desempeñar su profesión.[76][77]

Grupos de ciencias naturales[editar]

Ciencias físicas[editar]

La historia de la ciencia da cuenta del intento de la filosofía y la física por interpretar la naturaleza y las leyes que explican el cosmos (universo)
Imagen del nuevo orden del cosmos (universo) propuesto por Nicolás Copérnico en el cual la Tierra orbita alrededor del Sol.
Las ciencias físicas es la rama de las ciencias naturales que estudia los sistemas no vivos, en contraste con las ciencias de la vida. A su vez tiene muchas ramas, cada una referida a una ciencia específica, como por ejemplo la física,[78]química, astronomía o geología. El término «física» crea una distinción innecesaria, pues muchas ramas de la ciencia física también estudian fenómenos biológicos y las ramas de la química como la química orgánica. Otra definición de ciencias físicas es la siguiente: un trabajo sistemático que construye y organiza el conocimiento en forma de explicaciones comprobables y predicciones sobre el universo.[79][80]

Ciencias de la Tierra[editar]

Diagrama del interior de la Tierra.
Placas tectónicas
Proceso endógeno o interno es un tipo de erosión
Erosión eólica de la tierra
Las ciencias de la Tierra estudia a los volcanes
Las ciencias de la Tierra son un conjunto de disciplinas cuyo objetivo es el estudio del planeta Tierra, incluidas su interacción con el resto del universo y la evolución de los seres vivos que habitan en él. Esta disciplina abarca diversas áreas del conocimiento, tales como: las geociencias, las ciencias atmosféricas, las ciencias marinas, las ciencias ambientales, las ciencias criosféricas, la limnología, las ciencias forestales, la ciencia del suelo, la geografía física, la paleontología, la ecología del paisaje y las ciencias planetarias.

Ciencias de la vida[editar]

Las ciencias de la vida (también, biociencias) comprenden todos los campos de la ciencia que estudian los seres vivos, como las plantas, animales y seres humanos. Aunque el estudio del comportamiento de los organismos, tal como se practica en etología, psicología y biología, incluye también otros campos relacionados como la medicina, la biomedicina y la bioquímica, el espectro metodológico puede abarcar todos los dispositivos y aparatos relacionados e incluir también ciencias humanas y sociales. Ha llevado a una proliferación de especializaciones y campos interdisciplinarios.[cita requerida]

Si bien la biología, la medicina y la química siguen siendo centros de ciencias de la vida, los avances tecnológicos en biología molecular y la biotecnología han dado lugar a un florecimiento de las especialidades y campos nuevos, a menudo interdisciplinarios.[cita requerida]

Las ciencias de la vida son útiles para mejorar la calidad y el nivel de vida. Tienen aplicaciones en la agricultura, la ciencia de los alimentos, las industrias farmacéuticas, la medicina y la salud.[81]

En el mundo anglosajón, se utiliza a menudo el término life sciences ("ciencias de la vida"). No siempre se utiliza en todos los países con las mismas connotaciones o con el mismo grado de abarcabilidad (contexto).[cita requerida]

[82]

Véase también[editar]

Referencias[editar]

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