Download Procesos Vitales. Estructura y Funciones de los
Document related concepts
Transcript
INTRODUCCIÓN Cada ser vivo desarrolla día con día, segundo a segundo, de manera permanente y sin proponérselo diversas funciones complejas, organizadas con tan estricta precisión que conforman el sustento maravilloso de la vida. La nutrición, la respiración y la circulación son algunos de estos procesos vitales comunes en todos los seres vivos, aunque con características particulares que los diferencian entre sí. Los seres humanos no son una excepción y, como los demás seres vivos que habitan el planeta Tierra, también desarrollan funciones fundamentales que están, casi por completo, exentas de la voluntad personal, las cuales están coordinadas, a nivel organísmico, por el sistema nervioso y, a nivel bioquímico, por los genes. En este curso se inicia el conocimiento y la comprensión de la estructura y función de los seres vivos a partir de lo más próximo, que es el cuerpo humano, con la finalidad de proporcionar modelos y analogías cercanos para entender las estructuras y funciones menos conocidas de animales invertebrados, plantas, hongos, protozoarios y bacterias. Este acercamiento pretende que los futuros docentes que estudian la especialidad en biología adquieran conceptos básicos de la disciplina, al tiempo que adquieren herramientas didácticas y pedagógicas que les permitirán favorecer el cambio conceptual y el desarrollo de habilidades y competencias básicas en los alumnos de educación secundaria. En la enseñanza de las ciencias en la escuela secundaria, el cambio conceptual se promueve mediante la investigación de los conocimientos previos que los adolescentes tienen acerca de los procesos vitales del cuerpo humano y de los demás seres vivos, de modo que se genere en ellos un conflicto cognitivo que les facilite la construcción de sus nuevos conocimientos. El desarrollo de habilidades básicas en los alumnos de secundaria se fomenta mediante estrategias didácticas que incluyen la resolución de problemas, la investigación, la comunicación y la búsqueda, organización e interpretación de información; las cuales les permitirán obtener conclusiones, hacer inferencias a partir de la evidencia e información investigadas, evaluar de manera crítica y fundamentada sus explicaciones, y tomar decisiones responsables e informadas. RELACIÓN CON OTRAS ASIGNATURAS Este curso se relaciona de manera directa con asignaturas de diversos semestres. Los principales antecedentes se abordaron en las asignaturas Desarrollo de los Adolescentes I y II, donde el estudiantado adquirió elementos para comprender las características generales del crecimiento y la sexualidad de los adolescentes. Cabe recordar que estos procesos son trascendentales en el desarrollo del cuerpo y la mente de los seres humanos. Por otra parte, el curso Introducción a la Enseñanza de: Biología aportó argumentos para comprender la importancia científica y pedagógica de los conceptos con gran poder explicativo, entre ellos el de la evolución. En este sentido, la asignatura de tercer semestre La ciencia de la vida, retoma y destaca la importancia del proceso evolutivo en el despliegue de la biodiversidad, así como trascendencia de poseer un código genético sencillo y universal. Otras dos asignaturas que se relacionan son Desarrollo de los Adolescentes III y Observación y Práctica Docente I. En la primera, se abordan los temas de identidad y relaciones sociales, que complementan el estudio de las estructuras y funciones del cuerpo humano, para ofrecer una visión integral del adolescente de la escuela secundaria. La segunda, fortalece el aprendizaje de los estudiantes normalistas en relación con las funciones vitales, al tiempo que enriquece su experiencia personal y mejora su labor docente al practicar ante un grupo de alumnos alguna de las actividades propuestas con esa finalidad. En las asignaturas denominadas Biología I, II y III de los siguientes semestres se retoman las características estructurales y funcionales para dar respuesta a las interrogantes "qué", "cómo" y "por qué" de los seres vivos representantes de los cinco reinos. Asimismo, en el curso Educación Ambiental y Salud se promueve la cultura de la prevención y la educación para la mejora del ambiente y de la salud, que se trabajan de manera introductoria en Procesos Vitales. 1 En la asignatura Procesos Cognitivos y Cambio Conceptual en Ciencias se enriquece el análisis de estrategias para identificar y aprovechar las ideas previas del estudiantado encaminadas a generar el cambio conceptual. Por último, en el curso Variación y Herencia se conocerán algunos mecanismos fundamentales para el proceso evolutivo, cuyo resultado son las estructuras y funciones del cuerpo humano y de los demás seres vivos. Mientras, el curso de Organización Celular y Molecular de la Vida ahondará en el estudio de funciones vitales a nivel celular y bioquímico, como son la mitosis, la meiosis, la respiración y la fotosíntesis. ORIENTACIONES DIDÁCTICAS GENERALES Para el tratamiento detallado de cada bloque, se presentan numerosas sugerencias de actividades didácticas concretas. A continuación se enuncian algunas recomendaciones que pueden orientar el desarrollo del curso. 1. Lograr que el conocimiento de los fines y el contenido de este programa sea compartido por docentes y estudiantes. Será provechoso que al iniciarse el curso, el docente y el grupo analicen conjuntamente el programa, para dejar claros sus propósitos formativos, la secuencia de sus componentes y el tipo de trabajo que se espera de cada quien. Durante el curso, cuando sea necesario, deberá regresarse a la lectura del programa para precisar por qué y para qué trabajar determinados contenidos y actividades. 2. Aprovechar los conocimientos y experiencias previas del alumnado a fin de incorporarlos al proceso de planeación de la enseñanza y evaluación de los logros del aprendizaje. 3. Fomentar la convicción de la existencia de múltiples manifestaciones naturales que ofrecen diversas oportunidades para el aprendizaje, para lo cual es necesario que los propios normalistas recuperen y ejerciten sus habilidades de observación y exploración, tanto en su propio cuerpo como en su entorno inmediato. También es importante que reconozcan los recursos y materiales de apoyo didáctico que por su disponibilidad en la región puedan aprovecharse mejor. 4. Asegurar una lectura comprensiva de la bibliografía básica y vincular las ideas que en ella se presentan, con las actividades que se realicen en clase y con las actividades de observación y práctica que realizan los estudiantes en las escuelas secundarias. Debe evitarse el riesgo común de que el material de lectura sea visto como algo separado del trabajo aplicado, que se lee por obligación y está sujeto a formas poco eficaces de control, y asumir, en cambio, que la mejor forma de demostrar una buena lectura es incorporar su contenido al análisis, la discusión y la actividad práctica. En caso de que los alumnos presenten dificultades de comprensión en ciertos temas, ya sea por olvido o porque hubo deficiencias en su formación previa, lo más práctico es que el estudiante se remita a la bibliografía adicional que podrá consultar en la biblioteca, de manera que sólo se atiendan en clase los casos de problemas comunes en cuestiones centrales. Si se advierte que varios alumnos muestran dificultades en el manejo de la bibliografía, se puede promover la formación de círculos de estudio que funcionen temporal o continuamente, solicitando la colaboración de los alumnos más adelantados. 5. Incluir, en el programa de trabajo del grupo, actividades en las cuales los estudiantes lleven a la práctica las observaciones y la indagación propuesta para los alumnos de la escuela secundaria en temas especialmente relevantes, los programas, el libro para el maestro y los libros de texto. Ello permitirá a los futuros maestros experimentar situaciones que vivirán sus alumnos, revisar con detenimiento los materiales didácticos para su aprovechamiento eficaz y poder anticipar algunos retos y dificultades pedagógicas que enfrentarán en su vida profesional. 6. Promover sistemáticamente la observación y el acercamiento de los estudiantes normalistas con los adolescentes de la escuela secundaria, a propósito del conocimiento de la naturaleza y el aprendizaje de la biología. Una oportunidad de hacerlo sistemáticamente la ofrece la asignatura Observación y Práctica Docente I; sin embargo, se deberá alentar a los estudiantes a buscar y aprovechar todas las ocasiones informales para hacerlo, sea con grupos escolares a los que tengan acceso o con adolescen tes de su entorno familiar y de residencia. La familiarización con las formas de percepción y reflexión de los adolescentes, de sus reacciones ante estímulos cognitivos que poseen un propósito claro, permitirá a los estudiantes desarrollar su sensibilidad 2 y su capacidad de empatía hacia la perspectiva desde la cual los adolescentes miran y tratan de dar sentido al mundo que les rodea. 7. Realizar actividades complementarias de estudio para fortalecer la formación disciplinaria básica de la biología. Es recomendable aprovechar las audiocintas, el material videograbado y los programas de informática educativa disponibles en la biblioteca de la escuela normal y en los Centros de Maestros. También es recomendable identificar las posibilidades de extensión académica con la exhibición de películas, visitas a zoológicos, jardines botánicos, museos, conferencias, reservas ecológicas y ferias científicas, entre otras opciones. 8. Establecer un adecuado equilibrio entre el trabajo de los alumnos, tanto individual como en equipo. Es claro que numerosas actividades de aprendizaje deben realizarse individualmente, en tanto que otras se benefician con el esfuerzo de un grupo de trabajo. En este último caso, deben observarse ciertas normas mínimas que aseguren la eficacia de esta modalidad de organización didáctica: la planeación clara del trabajo, la distribución equitativa de las tareas y el carácter realmente colectivo del análisis, la discusión, la elaboración del resultado final del trabajo y la evaluación. Estas normas son útiles porque evitarán una frecuente deformación del trabajo de equipo, que fracciona temas de aprendizaje, no permite a los estudiantes visualizar los contenidos en su conjunto y oculta desequilibrios injustos en el esfuerzo realizado por cada alumno. Se sugiere establecer como criterio que los equipos se integren con cinco alumnos como máximo. 9. Propiciar la redacción de notas de lectura, registros de observación, así como el diseño y elaboración de actividades y materiales didácticos para el desarrollo de los temas que integran los programas de biología en la escuela secundaria. En este sentido es conveniente que cada estudiante integre a lo largo del curso una carpeta personal con los productos del aprendizaje, útil para el ordenamiento y la clasificación de su trabajo, para consultar durante los siguientes semestres, en su futuro trabajo profesional y, eventualmente, como elemento para la evaluación. 10. Fomentar la planeación, el análisis de los resultados y la evaluación de las jornadas de observación y práctica, con base en las actividades que se presentan al final del bloque III. SUGERENCIAS PARA LA EVALUACIÓN Los criterios y procedimientos que se definan para evaluar habilidades, valores, actitudes y conocimientos adquiridos por los estudiantes durante el estudio de los temas del curso, deben ser congruentes con los propósitos y las orientaciones didácticas señaladas. Es necesario tener en cuenta que la evaluación, entendida como proceso permanente, no sólo permite identificar los avances y las dificultades en el aprendizaje de los estudiantes, sino también aporta información que el maestro puede aprovechar para tomar decisiones que contribuyan a mejorar sus formas de enseñanza. Para que los estudiantes tomen conciencia de los compromisos y tareas que les corresponde asumir, es conveniente que al iniciar el curso acuerden con el maestro los criterios y procedimientos que se aplicarán para evaluar. De esta manera tendrán los elementos básicos para reconocer aquellos campos específicos en los que requieren fortalecer su formación profesional. Las características de este curso y el tipo de actividades a realizar requieren de prácticas de evaluación diversas que evidencien los conocimientos que se adquieren, de las actitudes, las habilidades y los valores que los alumnos manifiestan ante el trabajo individual y colectivo, hacia los adolescentes y hacia la naturaleza. Para evaluar, deben observarse y registrarse sistemáticamente las actitudes, las habilidades y los valores que manifieste cada alumno durante el curso, para hacer comparaciones e identificar sus avances. También debe aprovecharse su participación en la clase, los textos escritos y las indagaciones que realicen. En este caso, la evaluación no requiere de acciones ni productos distintos de los generados en los procesos mismos de enseñar y aprender. Cuando se considere necesario que los alumnos muestren sus niveles de logro por medio de un desempeño destinado específicamente a la evaluación, los instrumentos seleccionados deben: plantear retos para que los estudiantes apliquen su capacidad de análisis, interpretación, juicio crítico, comprensión, relación, 3 síntesis, argumentación y toma de decisiones; y proporcionar información sobre rasgos como los que se enuncian enseguida. • El interés que muestran los estudiantes por acercarse al conocimiento científico. • La comprensión de las intenciones educativas de la enseñanza de la biología en la escuela secundaria, a partir del análisis de los contenidos propuestos en los programas de estudio de este nivel. • La habilidad para vincular las elaboraciones teóricas con el análisis de las situaciones educativas relacionadas con la enseñanza y el aprendizaje de la biología. • La capacidad para diseñar, mediante el conocimiento y uso eficaz de los libros de texto y otros recursos educativos y del medio, estrategias didácticas que estimulen en los adolescentes las habilidades y actitudes propias de la indagación y del pensamiento científicos. Para lograr lo anterior, se sugiere tomar como base las recomendaciones de evaluación de los libros para el maestro de Biología, Física y Química. Una combinación de éstas podrá ayudar a utilizar los instrumentos adecuados para cada situación que se necesite evaluar. PROPÓSITOS GENERALES El curso Procesos Vitales: Estructura y Funciones de los Seres Vivos tiene como propósitos generales que los estudiantes normalistas: 1. Comprendan el funcionamiento integral del cuerpo humano, en especial de las funciones vitales de nutrición, respiración y circulación. 2. Reconozcan los procesos vitales comunes en todos los seres vivos y su paralelismo evolutivo. 3. Identifiquen las ideas y los errores conceptuales más comunes relativos a las funciones vitales, conozcan actividades para promover el cambio conceptual y aprovechen recursos didácticos para mejorar el aprendizaje de los procesos vitales. BLOQUE I ¿CÓMO FUNCIONA EL CUERPO HUMANO? PROPÓSITOS El bloque I tiene como propósito que los estudiantes normalistas comprendan los procesos vitales y el funcionamiento integral del cuerpo humano. Este bloque se inicia con actividades para indagar los conocimientos previos del estudiantado con respecto a las funciones vitales de su cuerpo, con la intención de tomarlos como base para el fortalecimiento o el cambio conceptual. También se estudia la importancia de los órganos de los sentidos y la percepción como el proceso más evidente del cuerpo humano para relacionase con el medio. Además, se plantean actividades para comprender la importancia de los procesos vitales en la supervivencia de la humanidad. Las actividades promueven el escepticismo razonado, el análisis de información veraz y verificable, la toma de decisiones responsables e informadas, así como la práctica del diálogo, la libertad, el respeto, la cooperación, la conciliación de ideas y la identificación de algunas implicaciones éticas y valorales en torno a los avances científicos relacionados con el cuerpo humano. Para finalizar, se reflexiona acerca de lo complejo, preciso, eficiente y extraordinario que es el cuerpo humano, resultado de al menos 15 mil millones de años de evolución química y biológica, así como de la existencia de millones de especies de seres vivos igualmente admirables. TEMA 1. Funcionamiento integral del cuerpo humano. 4 BIBLIOGRAFÍA BÁSICA • Cliburn, Joseph W. (1987), “Ayudando a los estudiantes a comprender las interacciones fisiológicas. Una actividad con mapas conceptuales”, en The American Biology Teacher, Vol. 49, núm 7, octubre, pp. 426-427. • Giordan, André (2000), "Prólogo" y "Soy complejo", en Mi cuerpo la mayor maravilla del mundo, Barcelona, Plaza y Janés, pp. 11-12 y 23-39. • Núñez, F. y E. Banet (1996), "Modelos conceptuales sobre las relaciones entre digestión, respiración y circulación", en Enseñanza de las ciencias. Revista de investigación y experiencias didácticas, vol. 14, núm. 1, marzo, Barcelona, Universidad Autónoma de Barcelona/Universidad de Valencia pp. 261-278. • Ratcliff, J. D. (1983), "Soy el torrente sanguíneo de Juan", en Selecciones del Reader´s Digest, febrero, México, Reader’s Digest, pp. 126-132. — (1983), "Soy el pulmón de Juan", op.cit., abril, pp. 107-111. — (1984), "Soy el intestino de Juan", op.cit., mayo, pp. 21-28. Videocintas • SEP (1999), "La percepción de los sentidos", de la serie El Cerebro, en la Videoteca escolar de educación secundaria, México. ACTIVIDADES SUGERIDAS 1. Asociar palabras a partir de la frase "Funciones vitales". • Sistematizar las respuestas proporcionadas por el grupo. • En equipos, contestar la pregunta: ¿cuál es la importancia de conocer el cuerpo humano? y elaborar un cuadro sinóptico que contenga las funciones vitales identificadas, los aparatos o sistemas del cuerpo que las desarrollan y con cuáles otros aparatos y sistemas se relacionan. • Exponer en el grupo sus cuadros y elaborar uno entre todos. • Analizar el "Prólogo" del libro de A. Giordan. • Expresar la interpretación y opinión personal respecto a los siguientes frases. "[...] por parte de papá, una probabilidad entre 100 millones. Por parte de mamá, una probabilidad entre un millón. Que se conocieran, una probabilidad entre mil millones. Total: una probabilidad entre cien mil trillones [...]" (cien mil trillones es igual a 1046, un 1 seguido por 46 ceros). "[...] soy completamente improbable. Y sin embargo existo". • Contestar de manera individual las siguientes preguntas: ¿de qué dependió que yo existiera? y ¿qué probabilidades tenía yo de nacer? Comentar al grupo sus resultados. 2. Realizar la siguiente secuencia de actividades: • Activar los conocimientos previos con las siguientes preguntas: ¿cuál es el sentido más importante? ¿Por qué? ¿De cuál de nuestros sentidos podemos prescindir? ¿Por qué? • En equipos, realizar actividades sin ayuda de alguno de los sentidos, por ejemplo con los ojos cerrados: caminar o guiarse por sonidos o identificar alimentos por su olor y sabor o tratar de identificar letras (de moldes de madera o metal) con la piel de la cara, los brazos y la lengua. • Reflexionar acerca de la siguiente pregunta: ¿qué relación hay entre la función de nuestros sentidos y la supervivencia? • Observar el video "La percepción de los sentidos" (fragmento de 22:45 a 35:23, inicia con la frase: "Viajes frecuentes al campo [...]" y termina con: "[...] usa sus depósitos de memoria para determinar qué alimentos comer"). 5 • En equipos, responder de nuevo a las preguntas iniciales de la actividad 2 y a la siguiente: ¿qué relación hay entre nuestros sentidos y los demás aparatos y sistemas del cuerpo humano? 3. Organizar una discusión con base en las preguntas: ¿cuáles funciones de mi cuerpo me permiten sobrevivir? ¿Por qué? ¿De cuáles funciones de mi cuerpo podría prescindir? ¿Por qué? • Elaborar una lista de las funciones del cuerpo humano identificadas como vitales y en una cuartilla justificar la importancia de estudiarlas. • Leer "Soy el intestino de Juan", "Soy el pulmón de Juan" y "Soy el torrente sanguíneo de Juan", de J. D. Ratcliff. • Identificar las medidas preventivas para el cuidado de cada órgano que se proponen en las lecturas y reflexionar con respecto a las que llevan a cabo de manera individual y familiar. • Por equipos, diseñar una "campaña de promoción de la salud" orientada a la población de su escuela. Comentar las diferentes propuestas de campaña en grupo, elegir una, enriquecerla y tratar de llevarla a cabo. 4. Analizar individualmente el texto "Modelos conceptuales sobre las relaciones entre digestión, respiración y circulación", de F. Núñez y E. Banet. Anotar las dudas que surjan del análisis de la lectura y resolverlas en grupo. • Realizar la revisión, la corrección y el enriquecimiento de la respuesta con respecto a la importancia de conocer el cuerpo humano y del cuadro sinóptico elaborado en la actividad 1, para describir las funciones del cuerpo, los aparatos y sistemas que las realizan y con cuáles otros aparatos y sistemas se relacionan. 5. Desarrollar las siguientes actividades de cierre y evaluación del bloque I: • Leer el texto "Soy complejo", de A. Giordan. — Identificar en la lectura las interrelaciones entre funciones y aparatos o sistemas. — Comentar la importancia de las interrelaciones para la sobrevivencia. • Reflexionar sobre lo maravilloso que es el cuerpo humano como resultado de al menos 15 mil millones de años de evolución química y 3 600 de evolución biológica, de lo complejo pero a la vez preciso, eficiente y extraordinario que es, y de que existen miles de especies de seres vivos igualmente admirables. • Hacer una encuesta para evaluar el efecto de la "Campaña de promoción de la salud" (si se llevó a la práctica). Revisarla y enriquecerla tomando en cuenta los contenidos que se han estudiado en esta asignatura. • Elaborar conclusiones en plenaria orientadas a identificar si se cumplieron o resolvieron los intereses, necesidades y dudas del estudiantado con respecto al funcionamiento del cuerpo humano. Explicar por qué y, en caso de ser negativa la respuesta, proponer opciones para lograrlo. BLOQUE II ¿POR QUÉ EL SER HUMANO SE PARECE A LOS DEMÁS SERES VIVOS? PROPÓSITOS En el bloque II se pretende que los futuros docentes comprendan cómo se llevan a cabo las funciones de nutrición, respiración y circulación en el cuerpo humano y en otros seres vivos, así como reconozcan los procesos vitales comunes y su paralelismo evolutivo. Como en la actividad inicial, los estudiantes expresan sus conocimientos previos acerca de los procesos vitales y a partir de la información proporcionada, se identifican los contenidos que necesitan fortalecer. Mediante las actividades propuestas se promueve el ejercicio físico y la 6 comprensión de su importancia para preservar la salud biológica, psicológica y social de cada persona. Los estudiantes revisan textos de biología para la educación secundaria autorizados por la SEP, para identificar cómo abordan estos libros los contenidos actitudinales, procedimentales y disciplinarios de los procesos vitales y retomar las ideas que consideren útiles para su futura práctica docente. La primera parte del bloque está organizada de tal modo que los estudiantes conozcan las principales funciones vitales, las interrelaciones que se establecen entre éstas y los aparatos o sistemas que las desarrollan, y el funcionamiento integral del cuerpo humano. Resulta indispensable aclarar que en este bloque se analizan las funciones vitales principalmente desde el punto de vista organísmico y se inicia el estudio del proceso de respiración celular, cuestión que se abordará después con mayor detalle junto con varias funciones desarrolladas a nivel celular y bioquímico en otras asignaturas de la especialidad. En la segunda parte del bloque II se plantean actividades para que los futuros profesores profundicen en el estudio de las funciones vitales realizadas por otros seres vivos, se propicia la comparación y relación con las funciones y estructuras del cuerpo humano con la finalidad de identificar similitudes y divergencias. El conocimiento de estas funciones favorecerá, más adelante, la comprensión de los procesos vitales llevados a cabo a nivel celular y bioquímico. Reconocer que la estructura y funcionamiento del cuerpo es resultado de un proceso evolutivo, estrechamente relacionado con el de otros seres vivos, permite al estudiante normalista establecer características y capacidades mutuas y fortalecer la toma de conciencia de que el ser humano es una especie más entre los millones existentes actualmente y que puede mejorar su relación con el ambiente y los demás organismos que habitan la Tierra. TEMAS 1. Procesos vitales de nutrición, respiración y circulación en el cuerpo humano. 2. Las funciones vitales de nutrición, respiración y circulación en los seres vivos. Semejanzas y diferencias con las funciones del cuerpo humano. Características y capacidades compartidas por todos los seres vivos. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA • García, A. M. (1991), "Estudio llevado a cabo sobre representaciones de la respiración celular en los alumnos de bachillerato y COU", en Enseñanza de las ciencias. Revista de Investigación y experiencias didácticas, vol. 9, núm. 2, Barcelona, Universidad Autónoma de Barcelona, pp. 129134. • Mayr, Ernst (1998), "Las características que distinguen la vida", en Así es la Biología, Madrid, Debate, pp. 35-37. • Reeves, Hubert, Joël de Rosnay, Yves Coppens y Dominique Simonnet (1999), "La explosión de las especies", en La más bella historia del mundo, México, SEP (Biblioteca para la actualización del maestro), pp. 106-126. • Rosnay, Joël de (1990), "Las propiedades de la vida", en La aventura del ser vivo, Barcelona, Gedisa (Límites de la ciencia, 21), pp. 43-46. • Sherman, Irwin W. y Vilia G. Sherman (1987), "Recolección de energía química: respiración celular", "Procesamiento de alimentos: la digestión" y "Transporte interno: el sistema circulatorio", en Biología. Perspectiva humana, México, McGraw-Hill/ Interamericana, pp. 85-89, 213-226 y 229-247. • Villee, Claude A. (1996), "Transporte y circulación" y "Respiración: intercambio de gases", en Biología, 8a ed., México, McGraw Hill-Interamericana, pp. 366-386 y 387-400. Videocintas • SEP (1996), "El prodigio de la digestión y absorción", de la serie Universo interior, en la Videoteca escolar de educación secundaria, México. 7 Actividades sugeridas Tema 1. Procesos vitales de nutrición, respiración y circulación en el cuerpo humano. 1. Explorar los conocimientos previos de los estudiantes mediante la elaboración de un esquema o mapa conceptual donde se describan las interrelaciones de los procesos vitales de nutrición, respiración y circulación. • Presentar al grupo los esquemas o mapas conceptuales y compararlos para enriquecer la propuesta de cada equipo. 2. Leer los temas "Intercambio gaseoso" y "Transporte interno", de Claude A. Villee y analizar el video "El prodigio de la digestión y la absorción". • En equipos, describir lo que a continuación se solicita: — Qué ocurre durante la respiración. — En qué consiste la circulación. — Para qué se aprovecha el oxígeno en el cuerpo. — Las principales funciones del sistema circulatorio. — Qué pasa con los alimentos que ingerimos. — Las diferencias entre la digestión y la absorción. — Los posibles daños del estómago debidos a los estados de tensión o a la ingestión de alcohol. 3. Desarrollar las siguientes actividades, de ser posible en grupo o bien de manera individual, para promover la salud. • Seguir una rutina de ejercicios de flexibilidad que permita percibir todos los músculos del cuerpo, acompañada por música que intensifique poco a poco el esfuerzo físico. • Al terminar, comentar y reflexionar acerca de las partes del cuerpo que percibieron y las emociones que manifestaron. Enfatizar en los sistemas respiratorio, circulatorio, glandular, muscular y esquelético. • Destacar la importancia del ejercicio físico para mantener saludable el cuerpo y la mente. 4. Analizar los textos "Recolección de energía química: respiración celular", "Procesamiento de alimentos: la digestión" y "Transporte interno: el sistema circulatorio", de I. W. Sherman y V. G. Sherman. • En equipos, describir brevemente el proceso de la respiración y resolver las siguientes interrogantes: — ¿Con cuáles sistemas o aparatos se relaciona el aparato digestivo? ¿Cómo se da esa interrelación? — ¿Cuál es la importancia del adecuado funcionamiento del sistema respiratorio, del aparato digestivo y del sistema circulatorio para conservar la salud? • Comentar sus explicaciones en grupo. 5. En equipos, reconocer los temas que tratan acerca de los procesos vitales en libros de texto de educación secundaria autorizados por la SEP. Revisar cómo se abordan los contenidos actitudinales, procedimentales y disciplinarios a fin de identificar posibles errores, dificultades y omisiones. 6. Responder a las preguntas del artículo: "Estudio llevado a cabo sobre representaciones de la respiración celular en los alumnos de bachillerato y COU", de A. M. García. 8 • Comparar los resultados obtenidos en el grupo con los del estudio y obtener conclusiones. • Realizar la revisión, la corrección y el enriquecimiento de los esquemas que elaboraron los estudiantes en la actividad 1, para describir el funcionamiento conjunto de la nutrición, la respiración y la circulación. Identificar los errores y corregirlos. • Elaborar un mapa conceptual que represente las principales interrelaciones entre los procesos vitales de nutrición, respiración y circulación. Compararlo con los mapas elaborados en la actividad 1. Tema 2. Las funciones vitales de nutrición, respiración y circulación en los seres vivos. Semejanzas y diferencias con las funciones del cuerpo humano. Características y capacidades compartidas por todos los seres vivos. 1. Elaborar un cuadro comparativo con datos del ser humano y de otros tres seres vivos – mencionados en los textos de C. Villee y Sherman y Sherman en el tema 1–sobre las diferencias y semejanzas más evidentes de sus procesos vitales de nutrición, respiración y circulación. • Exponer al grupo los cuadros elaborados para enriquecerlos y obtener conclusiones. 2. En equipos, elegir un organismo de cada uno de los reinos de seres vivos. • Describir sus semejanzas y diferencias estructurales y funcionales. • Elaborar un esquema con las funciones que comparten los seres vivos. • Definir qué es un ser vivo. 3. Leer el texto "La explosión de las especies", de Joël de Rosnay y Dominique Simonnet. • Identificar las funciones vitales que se mencionan y con base en la lectura contestar: — ¿Se pueden relacionar todos los seres vivos a partir de sus estructuras y funciones? ¿Por qué? — ¿Cómo se relacionan las funciones y los aparatos o sistemas que las realizan con el proceso evolutivo? — ¿Qué se quiere dar a entender con la frase: "Nuestro cuerpo relata la historia de nuestros orígenes"? — ¿Cuáles funciones vitales de las que se mencionan en la lectura llevamos a cabo también los seres humanos? • Ordenar cronológicamente los siguientes acontecimientos: Aparición de: los anfibios, los seres humanos, los primeros invertebrados, los primates, las primeras células, los peces, los mamíferos. Formación de la galaxia, formación del universo, formación de la Tierra, el Big Bang. 4. Analizar las lecturas "Las propiedades de la vida", de Joël de Rosnay, y "Las características que distinguen la vida", de Ernst Mayr. • Comparar la información de los textos e identificar las funciones o características compartidas por los seres vivos. • Reflexionar y comentar sobre los "fenómenos específicos" de los seres vivos que describe Mayr. • Reconocer en los ejemplos de los organismos, de los cinco reinos utilizados en la actividad 2, los que cumplen con las capacidades de los organismos vivos que describe Mayr. • Realizar la revisión y coevaluación del esquema con las funciones que comparten los seres vivos y la definición de ser vivo elaborada en la actividad 2. 9 BLOQUE III LOS PROCESOS VITALES Y SU TRABAJO EN EL AULA PROPÓSITOS Con el desarrollo de las actividades del bloque III se pretende destacar la importancia de las ideas previas del alumnado, sus implicaciones en la enseñanza y el aprendizaje, así como los retos que enfrenta el docente en el trabajo de estos temas con adolescentes. A partir del análisis de diversas lecturas acerca de las ideas de los alumnos y una propuesta para la reestructuración de ideas relacionadas con el proceso vital de la nutrición, se promueve la aplicación de las recomendaciones didácticas para desarrollar el tema de "La respiración". La realización de esta actividad pretende que los estudiantes normalistas consoliden sus conocimientos sobre el tema, comprendan cómo promover el cambio conceptual en los alumnos y elaboren recursos didácticos adecuados para facilitar en los adolescentes el aprendizaje de las funciones vitales. Finalmente, en el cierre del bloque se proponen actividades para poner en práctica algunos métodos de enseñanza y promover aprendizajes duraderos, mediante el aprovechamiento de varios recursos didácticos para el desarrollo eficiente de la futura labor docente. TEMA 1. Ideas de los alumnos. Ideas erróneas en biología. Recomendaciones didácticas para el cambio conceptual. Bibliografía básica • Banet, E. y F. Núñez (1996), "Actividades en el aula para la reestructuración de ideas: un ejemplo relacionado con la nutrición humana", en Investigación en la Escuela, núm. 28, Sevilla, Díada, pp. 37-58. • Driver, Rosalind et al. (1994), "Introducción", "Los seres vivos" y "Nutrición", en Dando sentido a la ciencia en secundaria. Investigaciones sobre las ideas de los niños, Madrid, Visor, pp. 21-65. • Gardner, Howard (1997), "Introducción" y "Las dificultades planteadas por la escuela: ideas erróneas en las ciencias", en La mente no escolarizada. Cómo piensan los niños y cómo deberían enseñar las escuelas, Barcelona/México, Cooperación Española/SEP (Biblioteca del normalista), pp. 149-170. • Harlen, Wynne (1998), "Las ideas infantiles", en Enseñanza y aprendizaje de las ciencias, Madrid, Morata, pp. 51-70. Audiocinta • SEP, "Nutrición y alimentos", Pronap. Videocintas • SEP, "Más allá de la mente", serie El cerebro — "La percepción de los sentidos", serie El cerebro ACTIVIDADES SUGERIDAS Tema 1. Las ideas de los alumnos. Ideas erróneas en biología. Recomendaciones didácticas para el cambio conceptual. 1. Expresar en un texto breve la importancia de aprovechar las ideas de los alumnos. • Sistematizar las respuestas y conservarlas para retomarlas más adelante. 2. Leer la introducción del libro de Driver et al.; "Las ideas infantiles", de W. Harlen, y "Las dificultades planteadas por la escuela: ideas erróneas en las ciencias", de H. Gardner. 10 • Identificar las ideas principales en los textos. • En equipos, discutir con base en las siguientes preguntas: — ¿Cuál es la importancia de conocer las ideas de los alumnos? — ¿Cuáles son las características comunes de las ideas infantiles? — ¿Qué implicaciones tienen las ideas previas en la enseñanza y el aprendizaje? — ¿Cuáles son los retos que enfrenta el profesorado para la enseñanza de la biología? Exponer las conclusiones de un equipo y complementarlas con las aportaciones del grupo. • Contrastar las respuestas inicial y final en relación con la importancia de las ideas del alumnado. 3. Leer "Los seres vivos" y "Nutrición", de Driver et al. • Elaborar, de manera individual, una tabla que contenga las principales ideas erróneas en los adolescentes entre 11 y 16 años. • En equipos pequeños, comparar las tablas y destacar las coincidencias. • Exponer las principales ideas y elaborar conclusiones entre todo el grupo. 4. Leer "Actividades en el aula para la reestructuración de ideas: un ejemplo relacionado con la nutrición", de E. Banet y F. Núñez. • Redactar un texto con base en los siguientes puntos: — Utilidad de las ideas previas. — Mi labor como futuro docente ante las ideas de mis alumnos. — Recomendaciones didácticas generales para promover el cambio conceptual. • Adaptar el desarrollo del tema de "La nutrición" al de "La respiración" con base en las recomendaciones didácticas empleadas por E. Banet y F. Núñez. • En equipos, enriquecer las ideas y preparar el informe al grupo. • Exponer las recomendaciones de un equipo y complementarlas con las aportaciones del grupo. ACTIVIDADES PARA EL CIERRE DEL BLOQUE Estas actividades pueden aplicarse en la jornada de Observación y Práctica Docente. 1. En grupos pequeños, elegir uno de los siguientes temas: "Las características de los seres vivos", "Respiración", "Circulación", "Nutrición" y "Percepción" a fin de preparar una clase para alumnos de la escuela secundaria. Tomar en cuenta los siguientes aspectos: • Los propósitos, bajo la perspectiva del enfoque y los propósitos generales de los programas de biología en la escuela secundaria. • El tiempo, considerando las clases de 50 minutos. • Los recursos humanos, en particular los de los alumnos y los materiales disponibles. • Las actividades para el profesor y el alumnado que fortalezcan habilidades, actitudes y valores favorables a la salud y el ambiente. • La evaluación como un proceso continuo y de asistencia oportuna. 2. Revisar los siguientes ejemplos que ayudan a explorar las ideas de los alumnos sobre aspectos científicos. • Expresiones escritas. Pedir al alumnado que redacte cinco expresiones que incluyan la frase "características de los seres vivos". 11 • Carteles. Los alumnos preparan carteles que responden a la pregunta: ¿cómo puedo saber que un ser está vivo? • Tarjetas para clasificar. Proporcionar a los alumnos tarjetas con ejemplos de procesos vitales, pedirles que las clasifiquen en tres grupos: respiración, nutrición y circulación. • Experimentos mentales. Plantear problemas del tipo: ¿respirar es inhalar? ¿Por qué? ¿Para qué comemos? ¿Qué consecuencias puede traer una mala alimentación? ¿Qué partes del cuerpo necesitan de alimento? Solicitar la discusión de las respuestas en grupos pequeños y la preparación de un informe para el grupo. • Diseñar y hacer. Solicitar a los alumnos que elaboren modelos que representen algún proceso vital, con materiales sencillos o de reuso. • Explicar. Pedir a los alumnos que expliquen con sus propias palabras algún proceso vital. • Lista de control/cuestionario. Proporcionar dibujos o fotografías de seres vivos y no vivos que se mueven (río, fuego, coche y robot) y preguntar al alumnado ¿cuáles son seres vivos? ¿Por qué? • Predecir y explicar. Formular preguntas del tipo: ¿es nutritivo lo que como? ¿Respiran las plantas? Pedir que el alumnado elabore sus predicciones y que las pongan a prueba. • Experimentos prácticos. Realizar observaciones con lupa y microscopio en las que se aprecien los procesos vitales que realizan plantas y animales. Por ejemplo la observación microscópica de una pulga de agua que se alimenta de partículas teñidas con un colorante natural o las estructuras respiratorias en un hoja delgada de alguna planta. (Ejemplos basados en Driver, Rosalind et al., 1994) • Con base en la información anterior y en los materiales y recursos disponibles en la región, seleccionar y adaptar aquellas actividades con mayores posibilidades de aplicación para explorar las ideas de los alumnos. 3. Considerar como recursos didácticos: • Prácticas de campo. • Pláticas con especialistas. • Visitas a museos, viveros, zoológicos, parques ecológicos, entre otros. • Libros de texto de la educación secundaria autorizados por la SEP. • Periódicos y revistas. • Programas de televisión y radiofónicos. • Videocintas y audiocintas. • Aprovechar los videos y audios disponibles en los acervos de las escuelas normales y los Centros de Maestros. A continuación se incluyen algunos ejemplos de la utilidad de estos materiales. a) Exploración de conocimientos previos. Explorar los conocimientos previos mediante una lluvia de ideas a partir de preguntas que se acerquen a los intereses de los alumnos y tomarlas de punto de partida para el aprendizaje. Por ejemplo, se puede preguntar: ¿qué son las emociones? ¿Cómo se generan y manifiestan en el cuerpo? ¿Cuáles órganos de los sentidos entran en juego cuando nos enamoramos? Después, presentar un fragmento del video "Más allá de le mente" (29’:43" a 32’:14") que inicia con la frase "La mayoría de nosotros..." y finaliza con "... o nos preguntamos qué vimos en él o en ella" para contrastar los conocimientos previos con la nueva información que ofrece. b) Sensibilización. Presentar sin sonido un fragmento previamente seleccionado y revisado. Solicitar al alumnado que exprese las emociones que le generan las imágenes para después redactar los textos y sugerir la música o sonidos que acompañarían a las imágenes. c) Expresión a partir de un guión de revisión. Analizar el audio "Nutrición y alimentos" (primeros 13 minutos) y pedir a los alumnos que redacten un breve texto donde se consideren los siguientes puntos: 12 • La importancia de la alimentación. • En qué consiste una buena alimentación. • La relación de la alimentación y la salud. d) Análisis y reflexión. Los alumnos analizan el video "La percepción de los sentidos" (fragmento 31':43"- 34':58", inicia con la frase "En el mundo de la percepción humana..." y termina "...son en mucho una función del olfato") y contestan las siguientes preguntas: • ¿Cómo se perciben los estímulos del medio? • ¿Qué relación hay entre la percepción y las emociones? • ¿Cuál es la importancia del trabajo conjunto entre los órganos de los sentidos y las diversas áreas del cerebro? • ¿Cómo se relacionan los procesos de la percepción y la memoria? • ¿Cómo se interpreta la información percibida por nuestros órganos de los sentidos en el cerebro? Estas son algunas sugerencias de actividades, la intención es que sirvan como estímulo para visualizar otras formas de trabajar con los materiales. 4. Exponer ante el grupo una de las clases planeadas. • El grupo participa haciendo una crítica constructiva de la clase expuesta, basándose en los aspectos referidos en el punto 1 y proporciona las aportaciones necesarias para cumplirlos. Las siguientes preguntas pueden apoyar para la evaluación de las clases: • ¿Hay congruencia entre los propósitos de la clase, los de los cursos de biología en la escuela secundaria y su enfoque? • ¿El tiempo es adecuado? • ¿Se aprovechan las ideas del alumnado? • ¿Son suficientes y pertinentes las actividades para el profesor? • ¿Son suficientes y pertinentes las actividades propuestas para el alumnado? • ¿La evaluación es continua y favorece el reconocimiento del esfuerzo y la asistencia oportuna ante las dificultades? 5. Retomar por equipos las clases planeadas y atender los aspectos que sean necesarios. 6. Entregar el reporte final. 13 14 MATERIAL DE APOYO 15 16 Mi cuerpo la mayor maravilla del mundo André Giordan Traducción de Esther Andrés PRÓLOGO Este libro no contiene ninguna primicia informativa, excepto una: quienes lo lean jamás volverán a ser los mismos. Estas páginas no contienen ninguna fórmula mágica, excepto una: todos los caminos conducen al Hombre. Y por lo tanto a su cuerpo. El cuerpo es la prueba del Hombre. Una prueba llena de agua (45 l), huesos (211), órganos (100), músculos motores (450 pares), tejidos (mas de 800 clases) y genes (100.000). Pero sea cual sea la suerte que nos haya reservado o nos reserve la existencia, sea cual sea la longitud del surco que debamos trazar, muy pocos prestamos la debida atención al más espléndido tesoro que la vida ha regalado al más bello de los planetas. No es posible, desde luego, mirar por el ojo de la cerradura de esta fortaleza tan extrañamente sonora, tan discretamente eficaz de esta “maravilla” recubierta, en la edad adulta, por 4,5 m2 de piel y compuesta por mil trillones de átomos, más que estrellas censadas en el universo. De las ceremonias que en él se celebran, día y noche, el hombre corriente no tiene más que una vaga idea. Atados como estamos a la escala macroscópica, en el fondo conocemos sólo muy superficialmente a “esa pregunta ambulante” (Léon-Paul Fargue), “esa extraña mezcla de ácidos nucleicos y recuerdos, sueños y proteínas, células y palabras” (Francois Jacob) que nos cabe el honor de ser. Para penetrar en el corazón de esta soberbia “empresa” símbolo de la hipertecnología de la vida, para explicar sus inflexibles necesidades, sus innumerables productos y las refinadas operaciones químicas que nos permiten respirar, movernos, comunicarnos, reproducirnos, soñar, pensar, reír, etc., hemos escogido ser contadores y contables a la vez. Las cifras que van a descubrir son el fruto de años de investigación y están repletas de imprevistas revelaciones. Les hablarán de un cuerpo, su cuerpo, como no lo hacen nunca los manuales de biología. Un cuerpo que, a pesar de sus callos y sus penas, está en la proa de la nave de la evolución, un cuerpo prestidigitador cuyos trucos explican el continuo milagro de la vida. Un viaje singular. ¡Y menudo espectáculo! Será un cuadro alegre. “Nacemos, morimos y entremedio siempre podemos intentar hacer algo…, decía el pintor Francis Bacon. Esta es exactamente nuestra intención. ¿El ombligo? Un abismo en el que se amontonan desordenadamente polvo, restos textiles y residuos alimenticios. ¿Las palmas de las manos? Una sucesión de crestas perforadas por cráteres (los poros) con erupciones benignas (el sudor). ¿Las uñas?1 Una capa de esterilidad absoluta, el desierto de la sed un zócalo impasible, donde nada se pega, nada crece, nada vive. Un vuelo rasante sobre la epidermis, hasta los pies, permite distinguir, hasta perderse de vista, inmensos campos de células poligonales: la epidermis, cuyo grosor raramente sobrepasa la cincuenta millonésima de milímetro. Impulsadas hacia la superficie, las células afloran en ella, se aplanan y adoptan la forma de tejas planas y córneas. Luego desaparecen a merced de los contactos y los lavados. La recubre. Si a la naturaleza no la contraría el paso de una lluvia de cera o una hoja de afeitar, una pampa gigantesca: entre uno y cinco millones de pelos, que crecen una media de 0,2 mm al día. Pero ¿qué se oculta detrás de mi “momia”, puesto que lo que veo de mí en el espejo no soy yo, sino la parte muerta de mi individuo, la que se irá con la próxima ducha? ¿Y cómo es que todo eso junto hace que yo sea yo? Una simple sonrisa por ejemplo, pone en movimiento, de manera minuciosamente coordinada, ¡17 musculitos en mi rostro! Un beso2 profundo moviliza 29 (17 de los cuales son sólo para la lengua). Para caminar tengo que poner en acción 54 músculos. Y conjuntados, por favor. Si uno solo me falla o se mueve con unas décimas de segundo de La uñas crecen 0.15 mm al día (contra 0.6 en el siglo pasado). La de los dedos largos crecen más de prisa que la de los dedos cortos y la de las manos van de dos a tres veces más de prisa que la de los pies. 2 Besarse e intercambiar amor, pero también 9mg de agua, 0.7 g de albúmina, 0.1 g de sustancias orgánicas, 0.7 mg de materias grasas y 0.4 mg de sales, sin contar unos cuantos virus y bacterias. 1 17 retraso, llegaré cojeando o tropezando a la cocina, donde se enfría mi café con leche. hormonas órganos). Si el menor gesto exige la movilización de un considerable número de músculos no vayan a creer que cada uno de mis órganos se ocupa de una solos cosa a la vez. Muy al contrario. Cada uno de ellos en el mismo espacio, asume simultáneamente múltiples funciones. Sin embargo, la bilis no es más que un conjunto de desperdicios. ¡Hay que ser osado para confiarle al cubo de la basura la tarea de proteger la vida! Yo lo hago. La cosa vale su peso en cacahuates…… nada buenos para la salud, por cierto. Miren el hígado, por ejemplo, el del pseudoatque del mismo nombre3, que me castiga cuando me paso con los caracoles, los bombones, el queso, las trufas, el salmón. Vaya, cuando como demasiadas grasas. Bajo su aspecto exterior fofo, granuloso y marrón, el más grande de mis órganos (su masa coqueta con los 600 g) es la sede de una serie de procesos, todos eminentemente vitales. Vemos, de paso que el hígado ejerce una importante función antitóxica. No obstante, lo esencial se recupera y se devuelve a la sangre para que allí se recicle. Únicamente los <residuos últimos> (para usar la terminología de los ecologistas), como las sales biliares, se acumulan en la vesícula y se embarcan en la bilis cuando los alimentos transitan por mi intestino. Lejos de ser un vulgar sepulturero, resulta en primer lugar un recuperador sin par, además de un enérgico reciclador. Vuelve a reunir el hierro en dosis casi homeopáticas, una décima de gramo al día, a partir de la hemoglobina. Luego lo almacena, si es necesario, antes de reciclarlo y enviarlo, acompañado de una proteína, la apotransferrina, a la médula ósea de los huesos, donde se fabrican nuevos glóbulos rojos. Para mayor refinamiento, el líquido verde tirando a amarillo5 no fluye en cualquier momento. Únicamente cuando puede ser útil para la digestión. En cuanto a la alimentación, facilita la digestión activando la secreción de un líquido en el intestino, la bilis. Esta secreción –casi 0.5 1 al día, es decir más de 20.000 1 en una vida de 75 años--- emulsiona los lípidos (las grasas, para decirlo llanamente) y facilita a la vez el ataque de las enzimas que desmenuzan a los alimentos y su asimilación en el intestino delgado. Al mismo tiempo, la bilis disminuye la acidez del intestino y acelera la absorción de una sal mineral importante para los huesos aunque no sólo para ellos: el calcio4. La bilis evacua también los detritos que mi hígado ha filtrado en la sangre, empezando por el alcohol de las fiestas demasiado alegres. Este órgano también transforma las drogas, los medicamentos que tomo sin precaución (y son muchos), las toxinas, los microbios, el colesterol y las distintas 3 El hígado propiamente dicho no tiene nada que ver con ese <ataque>. Esta sensación es un malestar general relacionado con el hecho de que éste órgano, junto con otros, se va desbordando por la abundancia de grasa, alcohol y proteínas ingeridas en una comida demasiado pesada. 4 El calcio no sirve sólo para los huesos, sino que facilita la contracción de los músculos. De hecho, su empleo es múltiple. Se le conoce no menos de sesenta funciones diferentes en el cuerpo. 18 (mensajes que se envían los Al mismo tiempo, el hígado estabiliza la glucemia, es decir, la cantidad de azúcar presente en la sangre y, por lo tanto, en el cuerpo. En situación de abundancia, como después de una orgía alimentaria, la glucosa, un azúcar sencillo fabricado durante la digestión. Se conserva en forma de glucógeno6 En período de escasez, el órgano, equipado con sensores, <catadores> de azúcar, encargados de observar permanentemente la concentración de glucosa en mi sangre, lo fabrica de nuevo a toda prisa y lo expulsa a la sangre. Para producir este azúcar, partiendo de que si uno quiere que las cosas bien hechas se las tiene que hacer uno mismo, el hígado recorta primero el glucógeno almacenado previamente en su seno. ¿Qué más se puede decir? Qué mi hígado guarda otros muchos trucos en la manga. Produce ácido láctico o ácidos aminados repescados en la sangre o procedentes de las descomposiciones realizadas por él mismo; participa en la síntesis de múltiples y numerosas sustancias; produce las principales proteínas de la sangre, empezando por la albúmina, que se detecta en la orina cuando hay problemas de salud; participa en el 5 Este color proviene de un pigmento, la bilirrubina, que a u vez surge de otra descomposición, la de la hemoglobina que sirve para transportar el oxígeno a los glóbulos rojos y que el hígado recupera a partir de los glóbulos rojos fuera de servicio de cuya presencia libra a la sangre. 6 <<Pedacitos>> de glucosa, dispuestos unos detrás de otros. almacenaje de vitaminas, en particular de la K, indispensable para la coagulación de la sangre. Más dura de realizar, aunque sin problemas para él es la producción de protrombina y fibrinógeno, dos agentes de coagulación utilísimos cuando me hago una herida; también la de las lipoproteínas, proteínas complejas que contienen grasas y que el cuerpo utiliza como material de construcción; por último, la de las hormonas, o más bien sustancias que, una vez en la sangre, bajo la acción de otras sustancias (hay que ir acostumbrándose, ¡mi cuerpo es muy complejo!), se convertirán en hormonas. La más conocida es el angiotensinógeno que, bajo la acción de la renina, una hormona producida por el riñón, se convierte n la angiotensina, la cual actuará a su vez sobre otra glándula, la suprarrenal, situada encima de los riñones, para facilitar a cambio el funcionamiento del riñón. LOS ÓRGANOS Con un préstamo del griego organon, que designan un instrumento de trabajo 9pero también un instrumento de música homónimo),se utiliza desde Aristóteles la palabra <<órgano>> para designar un elemento del cuerpo. Más adelante y sobre todo en el siglo XIX, éste tomó la acepción de parte del cuerpo que cumple una función determinada. El problema como en todas las palabras que pasan al lenguaje corriente, es que el sentido, que parecía estar asegurado, se descompone radicalmente. En este caso, la palabra <<órgano>> evolucionó con el desarrollo de la fisiología y la medicina. Así se ve muy bien lo que es un órgano cuando se trata de un hígado, un páncreas o un estómago. vocablos <<órgano>> y <<función>> no se les da el mismo sentido. ¡Qué difícil es aclararse con las palabras, incluso en el mundo de la ciencia!. Esta simple panorámica general prueba una cosa al menos: la <<máquina>> que soy no es ninguna tontería. ¡Qué escándalo, además, compararla con una simple máquina! Desde luego, no es un mero ensamblaje de piezas, ni la banal yuxtaposición o la suma de mis órganos y tejidos. Si algún cirujano se entretuviese, horresco referens, en desmontarme pieza por pieza con el bisturí, me tendría expuesto ante él por dentro. Todos mis elementos (los 100 órganos, los tejidos) estarían ahí. Pero ese extraño rompecabezas, ese macabro revoltijo no sería yo. Aquello de lo que estoy hecho es la obra de unos resortes mucho más sutiles. Intervienen, en primer lugar, las múltiples relaciones que mantengo con mi entorno natural y social. Sin esos vínculos, yo no sería nada. Extraigo materia y energía de alimento, sólido y líquido, que ingiero y del aire que respiro. Recibo también de ese entorno los estímulos que hacen que mi cuerpo reaccione y la cultura que nutre mi cerebro. Privado de estas aportaciones, me quedaría totalmente amorfo. Me cruzo también con feromonas de las que no tengo conciencia pero que repercuten en mi conducta (las más crueles agudizan mi apetito sexual, aun cuando, por no ser las circunstancias propicias, no pueda reaccionar ante el.) Después entran en juego las constantes e innumerables relaciones de mis órganos entre sí. Sólo el suministro de aire en mi organismo moviliza una infraestructura que acorta el aliento. Pero la vesícula biliar, el uréter y la uretra, ¿son órganos, partes de órganos o prolongaciones de órganos? Todos, en cualquier caso, cumplen una función, recoger secreciones: la bilis en el caso de la vesícula biliar, la cual deja que aquella brote sólo a la llegada del bolo alimenticio al intestino, otro órgano mal delimitado, puesto que lo descomponemos en varios. Así, para respirar, necesito, primero, mis dos pulmones: el derecho, dotado de tres lóbulos, y el izquierdo, provisto sólo de dos. Este equipo básico no es suficiente, por supuesto. Para empezar, tiene que estar conectado con el exterior por un conducto, la tráquea, un tobogán tapizado de gruesos gusanos -los cilios- cuyas ondulaciones y secreciones -el moco- obstaculizan el paso del polvo indeseable. Este tubo, por donde pasan los gases, esta conectado a su vez con el exterior por las fosas nasales y la boca. En cuanto al uréter, el órgano que sirve para evacuar la orina, participa en el hombre en la constitución del <<órgano masculino>>, en el pene que, por su parte, tiene múltiples funciones. Pero en este último caso, a los En el interior de cada pulmón, la tráquea se escinde en dos bronquios, 32 bronquios principales y 550.000 bronquiolos terminales. Cada uno de estos últimos se divide a su vez mil veces para alimentar de aire a 19 550.000.000 de alvéolos, especie de bolsitas7 expuestas en los lóbulos de los pulmones, dejar que brote el oxígeno del aire hasta la sangre y recuperar en contrapartida el gas carbónico. Desplegadas, estas bolsas representan el equivalente de la superficie de un apartamento de 200 m2. Tampoco por casualidad del aire entra en mis pulmones. Éstos son accionados por los músculos de la caja toráxico y el diafragma, otro músculo encajado entre el hígado y los pulmones. Para que se cumpla esta dinámica, estos últimos están encerrados en una bolsa hermética, la pleura, formada por dos hojas lubrificadas que se deslizan delicadamente una sobre otra. Dependiendo estrechamente de los movimientos de mi caja torácica, se dilatan y contraen sin cesar, siguiendo fielmente las variaciones de esta última. A razón de quince inspiraciones por minuto ventilan unos diez mil litros de aire al día. Entre 310 y 440 millones de litros, gracias a 500.000 inspiraciones, pasarán por mi cuerpo antes de que expire. Lo cual corresponde a un consumo de quince millones de litros de oxígeno y a una producción de once millones de litros de gas carbónico en una sola vida. Para trasladar el oxígeno a los órganos trabaja, por último, la nada despreciable cifra de 550 millones de capilares, situados cada uno alrededor de un alvéolo y en los cuales fluye la sangre para alcanzar las venas respiratorias, y luego el corazón8, antes de repartirse por todo mi cuerpo hasta el menor de los tejidos, esta vez gracias a diez arterias, 160 millones de arteriolas y 5.000 millones de capilares. Así que yo, que he inventado l desagüe directo de aguas residuales y que me intereso por el lirisimo tardío de Goethe, soy 950 kilómetros de tuberías (la distancia entre Dunkerque y Perpiñán) por el que transitan unos cuantos litros de plasma y 25.00 millones de glóbulos rojos, de un diámetro de siete millonésimas de milímetro cada uno. La superficie de éstos es igual a medio campo de fútbol, siempre para facilitar esos fastidiosos intercambios (transportar oxígeno y desalojar 7 Estas bolsitas están rodeadas de estructuras encargadas de destruir l polvo y los microbios. 8 El músculo cardíaco es hueco y se compone de cuatro cavidades: dos aurículas y dos ventrículos. Cada segundo expulsa sangre al contraerse en 3/10 de segundo, y se distienden para llenarse durante 7/10 de segundo. Las arterias que lo irrigan, las coronarias, son de muy pequeño tamaño: del orden de 3 mm de diámetro la más importante y 0.5 mm las más menudas. 20 gas carbónico). Colocados en fila india, formarían un impresionante collar de cinco mil kilómetros. EL INVENTARIO DE MIS ÓRGANOS - cerebro (2 hemisferios - cerebelo (2 hemisferios) - tronco cerebral - bulbo: protuberancia anular pedúnculos - ganglios linfáticos (450) - amígdalas (tonsilas): palatinas(2) linguales (2) faríngeas (2) - riñones (2) - uréteres (2) - hígado - páncreas - vesícula biliar - colon: ciego ascendente transverso descendente sigmoide recto - peritoneo - médula espinal - vejiga - uretra - músculos locomotores (450 pares) - meninges: duramadre piamadre aracnoides - ovarios (2) - huesos (211) - trompas de Falopio (2) - médula ósea - útero - ligamentoscápsulas articulares - nervios: craneales (12 pares) raquídeos (31 pares) – ganglios nerviosos - hipófisis - tiroides - paratiroides (4) - timo - suparrenales (2) - corazón - pericardio (serosa) - vagina - glándulas mamarias (2) - uñas - pelo - canales deferentes (2) - vesícula seminals (2) - próstata - glándulas de cooper (2) - pene - sangre - labios (2) - bazo - lengua - fosa nasal - dientes - faringe - glándulas salivales: parótidas (2) sublinguales (2) submaxilares (2) - tráquea - bronquiospulmones (2) - pleura (serosa) - vasos linfáticos - piel - epidídimos (2) - cavidad bucal - glotis - meniscos - testículos (2) - vasos sanguíneos - laringe: cuerdas vocales epiglotis - tendones - esófago - mucosas: digestiva respiratoria vaginal - órgano de la vista: globos oculares (2) iris (2) retinas (2) - órgano del oído: pabellones (2) tímpanos (29 huesillos (3 pares) - órgano Corti de - órgano tacto del - órgano olfato del - - órgano gusto del - estómago - intestino delgado: duodeno yeyuno íleon - - linfa Si sólo respiraran todo sería sencillo. Pero me muevo, siento, paladeo, oigo, veo, escribo, sueño, como, bebo, digiero, orino, sudo, defeco, hablo, canto, crezco, me desarrollo, me controlo el peso, la temperatura, el agua, las sales minerales… gozo, me estremezco, hablo, tengo hipo, río, pago impuestos, lloro…. Y a veces pienso. Pero cada una de estas actividades visibles – hay muchas más, invisibles o inconscientes- e fabrican órganos y tejidos, y los más diversos elementos trabajan y se destruyen. Para orquestar veinticuatro horas al día el funcionamiento de ésta enorme maquinaria y evitar la cacofonía -ni hablar, sobre todo, de que los músculos se pongan en marcha mientras el corazón se distiende, o que los alimentos pasen por la glotis cuando respiro o hablo-, tres grandes sistemas de control se complementan, se conciertan y se hacen la competencia a la vez; el sistema nervioso, la red hormonal –también llamado endocrino- y e complejo inmunológico. Cada segundo, millones de mensajes nerviosos transitan de los órganos de los sentidos al cerebro, del cerebro a los músculos, del corazón al hígado, del hígado a la médula espinal, de la médula al cerebro, etc. Cientos de miles de hormonas navegan por la sangre, mientras que otro número incalculable de mensajes se intercambian en directo entre los tejidos o se desplazan en su seno. Cien mil kilómetros de <<cables>>, las fibras nerviosas incluidas en los nervios, son necesarios para transmitir las informaciones y se calcula que, sólo en el cerebro, se reproducen diez mil billones de conexiones nerviosas entre un billón de células nerviosas. Se calculan también en cien mil cuatrillones de número de anticuerpos, sustancias que atacan a los microbios intrusos, producidos por un billón de linfocitos, una variedad de glóbulos blancos que vigila el organismo. ¿Quién da más? Todos estos datos no dan sino una muy leve idea de la sensacional y maliciosa organización de mi cuerpo. Este contiene de cuarenta a sesenta billones de unidades básicas: las células9. Estas criaturitas no están desocupadas sino que participan, sin excepción en mi mantenimiento y funcionamiento. En resumen, ¡soy una 9 No todos los organismos vivos son tan complicados como el mío. Las bacterias, al igual que los protozoarios, se las arreglan con una sola célula. Una pulgada tiene unos ocho millones, una rata cien mil millones. <<empresa>> que emplea a diez mil veces más individuos que la población total de la tierra. Más: cada una de mis células no es un modesto ladrillo sabiamente colocado al lado de sus compañeros, sino que presentan en su seno unos refinamientos inauditos. Su membrana, una piel de varias centésimas de micra de grosor (mil micras, un milímetro), es por sí sola una obra maestra de arquitectura. Lo que más sorprende es su aspecto cambiante. Alunas presentan unas profundas fisuras o muestran depresiones como cráteres, otras están deformadas por protuberancias. Todas estas células están, en todo caso, plegadas de receptores, <<antenas>> ocultas en sus repliegues o desplegadas para descodificar las informaciones de otras células. Todas comunican, reciben miles de mensajes diferentes por segundo, y charlan así a su antojo mientras trabajan para coordinarse. De ahí su eficacia. Poco a poco, la pared de estás células se van deformando bajo el efecto de unas <<bombas>> (proteínas complejas) que aspiran unas sustancias y expulsan otras, en general azúcares sencillos, tipo glucosa, o sales minerales. Las consecuencias de este mecanismo son capitales: sobre este principio se fabrica l influjo nervioso que es la base de mis reacciones y de cada uno de mis pensamientos. Además, en algunos lugares el envoltorio se invagina por completo. Flujos de materia se proyectan con estruendo en enormes bolsas (de pinocitosis, para los entendidos) que facilitan la entrada de las sustancias complejas o insuficientemente dirigidas, como las proteínas o los lípidos. Una marea tumultuosa de sustancias de todo tipo, pequeñas, grandes, libres o asociadas a transportadores filiformes se expande en todas direcciones. En todo momento se producen cientos de miles de reacciones químicas. No obstante, no reina el caos en el citoplasma, como a los estudiosos les gusta llamara a esta porción interior de cada célula. Todo en él está organizado, regentado, planificado. Versículas, bolsas y tubos aíslan a los protagonistas. Miles de talleres ad hoc., los organitos, hacen el resto. No es que estos últimos brillen por su tamaño: la mayoría no son visibles ni al microscopio. Sólo un aparato electrónico que aumente de diez a veinte mil veces permite descubrirlos. Ahora bien, una 21 simple célula de unas centésimas de milímetro puede contener cientos de mitocondrias (de mil a dos mil n las células hepáticas), lugares de intensas actividades energéticas, o bien decenas de miles de ribosomas que sintetizan miles de proteínas diferentes. Por último, en cada una de mis células reside una bolsa mucho más grande, ceñida por una doble membrana (¡su contenido es muy valioso!), llamada sencillamente núcleo. Cada una de estas minúsculas parcelas de vida contiene tres mil millones de informaciones, el equivalente a mil enciclopedias de mil páginas cada una: todo cuanto se necesita para gestionar el desarrollo y el metabolismo de mi cuerpo, todo cuanto me legaron mis padres y m proporcionaron el espermatozoide y el óvulo en el momento – fatídico- de mi fecundación. Amontonados unos sobre otros, estos <<documentos>> alcanzarían la altura de un edificio de veinte pisos, todo ello en un espacio de cinco milésimas de milímetro de diámetro. Afortunadamente la vida, con su inteligencia, halló la coyuntura para compactarlos y reducir el volumen: las letras de este mensaje son sustancias químicas. Como su tamaño no excede el medio nanómetro (millonésima parte del metro), almacenar muchas de ellas en un espacio mínimo es pan comido. Por supuesto, estas células están a su vez constituidas por elementos inmensamente más pequeños: las moléculas. Cien mil millones, en promedio, se acorrucan en cada una de mis células. En total, un cuerpo humano de setenta kilos contiene 610 de estas piezas constituyentes. Seis cuatrillones de moléculas trabajando arduamente en perfecta simbiosis. Estas moléculas, de nuevo se decomponen en elementos aún más pequeños: los átomos. Mil cuatrillones, unidad más unidad menos, me componen. Finalmente, cada un de mis átomos comporta uno o varios protones, neutrones e innumerables electrones en interacción, formados a su vez, al menos los tres primeros, por partículas elementales, los quarks. Detengámonos aquí. No queremos aturdirnos descendiendo más y más hasta lo infinitamente pequeño. No es fácil, ciertamente, no sentirse mareado ante tal variedad de elementos. Resumamos: mi cuerpo está formado por un sistema de órganos compuestos por células que contienen organitos fabricados a partir de moléculas hechas a base de átomos que incluyen un 22 átomo que contiene uno o varios protones y posiblemente neutrones realizados a partir de quarks, sin olvidar los electrones. Su tamaño respectivo puede ayudarnos a verlo más claro. Supongamos que un átomo de base mida una milésima de milímetro; una molécula, cien veces más grande, mediría según esta escala un milímetro; una proteína, que es una molécula grande, un centímetro; un virus, diez centímetros; una bacteria, cien veces mayor que un virus, un metro; y una célula, diez mil veces mayor que una molécula y un millón de veces más que un átomo, diez metros. Ahora usted y yo. Aquellos de nosotros que alcanzamos el metro setenta y cinco, según esta escala, mediríamos mil setecientos cincuenta kilómetros, la distancia Niza-Oslo en avión. Para quienes se quedan en el metro sesenta, cuenten unos mil seiscientos kilómetros. Ante tamaña complejidad, mi yo biológico, llegado a este punto de acabado, no puede, no puede permanecer impasible. Un legítimo sentido de orgullo y una voluptuosidad superior deben invadir mi ser. La próxima vez que me mire al espejo al amanecer, me contemplaré de modo diferente. Me henchiré de orgullo, pues sabré que soy inmensamente más elaborado que todos los objetos que me rodean. Y me repetiré que gobernar semejante <<mecánica>> es algo extraordinario que me eleva al rango de <<divinidad>>. Entonces, ¿para qué buscar otra en otra parte? Un exceso de conciencia y respeto hacia mi cuerpo me facilitaría la labor. Estrés, exceso de comida, de bebida, de drogas, empezando por el alcohol, el tabaco y los medicamentos inútiles, no siempre son indispensables cuando los analizamos con cierta distancia. Falta decir que, a pesar de su alta organización, mi cuerpo está fabricado a partir de un pequeñísimo número de elementos químicos. Las dos terceras partes de mi peso están formadas, en términos moleculares, por agua. ¡Agua corriente! Yo que peso setenta kilos pesaría veintitrés sin agua. Los glúcidos (los azúcares), los lípidos (las grasas) y las proteínas representan prácticamente todo el resto. A lo cual se añade una pizca de sales minerales. ¿Y el material genético (los ácidos nucleicos) donde se almacena toda la información necesaria para mi fabricación y el funcionamiento de mi organismo? Una ridiculez: menos de un gramo. En cuanto a los átomos, por último, el 6% de mi persona reposa en cuatro de ellos: oxígeno10, carbono, hidrógeno y nitrógeno. Los átomos de hidrógeno son los más numerosos (los dos tercios), pero muy pocos comparados con los demás; dieciséis veces menos pesados que los de oxígeno. Lo cual representa, en conjunto, siempre para un cuerpo de setenta kilos: 45.5 kg de oxígeno, 12.6 kg de carbono, 7 kg de hidrógeno y 2.1 kg de nitrógeno, 1.5 kg de calcio,0.86kg de fósforo, 0.3 kg de azufre, 0.21 kg de potasio, 0.1 kg de sodio, 0.70 kg de cloro, unos gramos de magnesio, hierro, flúor, zinc, cobre, unos miligramos de yodo, cobalto, manganeso, molibdeno, cromo, selenio, y trazas de vanadio, níquel, aluminio, plomo, estaño, bromo, arsénico, silicio, y …. ¡oro! Pero de éste sólo unos microgramos…11 Elementos, todos ellos, que se encuentran en abundancia sobre – y bajo- la Tierra. Con la cotización actual de las materias primas, obtendría por mi cuerpo, si se me ocurriese venderlo, cien euros (unas 16.000 pesetas) Y so, comprando productos químicos de buena calidad. Pero que más da: aunque soy barato, no tengo precio. SOY COMPLEJO <<El cuerpo, ese guiñapo, ¿tan grande valor tiene que merece siquiera que en él se piense?>> Ya lo creo, querido Moliere, y hasta es en lo único en que pensamos. Cierto que mirarse al espejo, incluso después de una noche de sueños, puede resultar una pesadilla.12 Ojos borrosos, oídos quejosos, boca pastosa, el encanto de la existencia no siempre se encuentra en el combate singular que disputan en la aura, parapetados en la exigua soledad del cuarto de baño, cara y espejo. 10 No sólo existe en el aire en forma de gas. En la química de la vida, la escasez de un elemento no significa que carezca de interés. Los pocos microgramos de oro que contengo, como los pocos microgramos de vanadio (ambos intervienen en mi protección inmunitaria) son tan indispensables como el kilo de calcio. Sin estas infinitesimales cantidades, mi cuerpo no podría vivir. 12 Ya sea uno madrugador o dormilón, el despertar siempre es, para el organismo, un shock que el metabolismo humano atenúa activando, tres cuartos de hora antes del trimbre fatídico, un desfile hormonal <<antiestrés>> que alcanza el nivel de eficacia máxima en el momento de levantarse. Parece, pues, que el cuerpo graba, la noche antes, la hora a la que uno tiene previsto despertarse. Que piensen en ello quienes ponen el despertador para despertarse. 11 Para salir vencedor de ese duelo bajo el neón, para prevenir cualquier desfallecimiento en ese infierno alicatado, la actitud más prudente –y más higiénica- que se debe adoptar es la de deshacerse de la mugre existencial que obstruye el cogito a la hora del café con leche. Repitiéndose esto, a la manera del añorado doctor Coué:13 si alguien, encogido al máximo recorriese la superficie de mi cuerpo, descubriría un paisaje extraordinario. Y es que mis relieves no tienen nada que ver con un jardín bien diseñado, cuidado con esmero, recién peinado y rastrillado, con las avenidas trazadas con tiralíneas. Si contemplamos las fotos obtenidas con el microscopio electrónico, el traje de carne rosa, amarilla o negra que m viste, según las latitudes, vale más que cualquier safari. ¿El pelo? Un oquedal arisco, inextricable, poblado de troncos obesos que crecen en todas direcciones. Entre 1000.000 y 150.000 de estos troncos rubios, morenos, rojos o blancos adornan una cabeza estándar y crecen cada día 0.35 mm. ¿La frente? <<Las etapas del Asia central>>, más o menos áridas, como explicaba el cirujano Raymond Vilain,14 añadiendo que <<la tierra se cuartea bajo el sol>>, y que <<anchas escamas de queratina15 se forman y se desprenden de ella>>. Acá y allá se mecen finos juncos (el velo) de húmedos tallos (el sebo). Cuando la temperatura sube, columnas de sudor, brotando de una multitud de pequeños pozos (las glándulas sudoríparas), se ponen en acción y riegan los alrededores de un limo resbaladizo. ¿El mentón masculino? Un promontorio tapizado con unos quince mil menhires (los pelos de la barba) que crecen un centímetro al mes, si es que una hoz mañanera no viene a segarlos. ¿El tórax? O bien una sabana herbosa (en el hombre), o bien una meseta flanqueada por dos cerros simétricos y ondulantes (en la mujer). ¿Las axilas? Una selva tropical, lujuriosa, una maraña de lianas empapadas, en verano, por unas lluvias torrenciales y pestilentes. 13 Émile Coué (1857-1926), creador de un método personal de autosugestión (N. de la T.) 14 En Jeux de mains, éd. Arthaud, 1987 15 La parte rígida de las células de la piel. 23 MODELOS CONCEPTUALES SOBRE LAS RELACIONES ENTRE DIGESTIÓN, RESPIRACIÓN Y CIRCULACIÓN Núñez, F. Y Banet, E. INTRODUCCIÓN Aunque a lo largo de las últimas décadas han sido numerosos los trabajos destinados a explorar las concepciones de las alumnas y los alumnos sobre diferentes aspectos de las ciencias experimentales, en la mayoría de los casos se ha dado la sensación de que se trata de ideas aisladas e inconexas entre sí, ligadas –por otra parte- a la especificidad del dominio conceptual objeto de análisis. Ésta ha sido una de las razones argumentadas por algunos autores (Pozo, Gómez Crespo, Limón y Sanz Serrano, 1991) para señalar la heterogeneidad de las investigaciones sugeridas en torno a lo que se ha denominado <<movimiento de las concepciones alternativas>> (término acuñado por Gilbert y Swift, 1985). Sin embargo, aunque constituya una línea aún no muy desarrollada pero necesaria, desde diversas perspectivas se ha puesto de manifiesto que, con respecto a un tópico determinado, buena parte de las concepciones que poseen las y los estudiantes se organizan en torno estructuras conceptuales más o menos relacionadas entre sí en la mayoría de los casos, organizadas jerárquicamente. Así se desprende, por ejemplo, de la teoría de Ausubel (1978) sobre la organización del conocimiento, de las afirmaciones de Rodrigo (1985) o Pozo y otros (1991) con respecto a lo que denominan <<teorías personales>> y teorías científicas, o de los datos empíricos aportados por investigaciones como las de Driver y Erickson (1983), Engel Clough y Driver (1986), Jiménez Aleixandre (1990), Luffiego, Bastida, Ramos y Soto (1991) o Serrano (1993), constatando la existencia de marcos o esquemas conceptuales, a través de los cuales se relacionan diversas ideas específicas. Por nuestra parte, en investigaciones realizadas para averiguar las ideas de las alumnas y los alumnos sobre los procesos de nutrición humana, también hemos llamado la atención con respecto a esta misma cuestión, señalando que, además de concepciones puntuales (escasamente relacionadas entre 24 sí), es posible encontrar esquemas conceptuales más amplios, a través de los cuales se relacionan e integran diversos conocimientos relativos a un mismo proceso. Así lo hemos puesto de manifiesto al referirnos, por ejemplo, a la digestión o a la respiración humana (Banet y Núñez, 1990). En un trabajo más reciente (Núñez, 1994), dirigido a profundizar en el conocimiento de las ideas de los alumnos y alumnas sobre nutrición, se ha podido constatar la existencia de un tercer nivel de organización de dichas ideas, que hemos denominado modelos conceptuales. De forma similar a lo que otros autores describen como teorías personales, marcos o esquemas conceptuales, por modelos conceptuales el conjunto de concepciones a través de las cuales se establecen diversos tipos de relación entre los procesos que intervienen en la nutrición humana y se caracterizan por los siguientes rasgos: a) Incluyen concepciones relacionadas entre sí, que se estructuran en forma piramidal: es decir, están compuestos de una serie de nociones específicas organizadas jerárquicamente. b) Presentan cierto grado de coherencia interna, que se comprueba a partir de la regularidad que se observa en las explicaciones de los alumnos. c) Constituyen la base en que se apoyan las y los estudiantes para explicar los diversos aspectos relacionados con la nutrición, y suponen el punto de partida para el aprendizaje de nuevos contenidos referidos a dichos procesos. d) Permiten deducir las dificultades que encontrarán las alumnas y los alumnos en el aprendizaje de estas nociones, constituyendo - al mismo tiempo – un elemento importante de cara a la planificación y desarrollo de propuestas didácticas. A través de la mencionada investigación, se constata la existencia de dos tipos de modelos, con distinto grado de generalidad: modelos parciales, indicativos de las relaciones que establecen las alumnas y los alumnos entre digestión, respiración y el sistema circulatorio, y modelos globales, los cuales presentan su visión general sobre la nutrición humana en su conjunto. Evidentemente, ambos tipos de modelos están íntimamente relacionados: los modelos parciales pueden servir de base para determinar los modelos globales, cuestión sobre la que estamos trabajando en estos momentos. A lo largo de este artículo describimos las características de los modelos parciales de nutrición, haciendo referencia a su representatividad en una muestra amplia de estudiantes pertenecientes a diferentes niveles educativos. Del análisis de los resultados se desprende una serie de conclusiones en relación con el modo en que se organizan y estructuran las concepciones de los alumnos y con respecto a la enseñanza/aprendizaje de estas nociones en los niveles básicos de educación. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN La investigación ha sido realizada con una muestra de estudiantes (N=444) pertenecientes a aquellos niveles educativos no universitarios en los cuales se estudian estas nociones: 6º de EGB (159), 8º de EGB (167), 1º DE BUP (72) Y 3º de BUP (46). Teniendo En cuenta la diversidad de la población, el grado de diferencia conceptual con que se ha efectuado la exploración (Fig.1) referencia a aquellos aspectos que consideramos esenciales – en cualquiera de los niveles – para la comprensión de la nutrición como un conjunto de procesos íntimamente relacionados. Fundamentalmente, nos centramos en averiguar hasta qué punto se comprende el papel del sistema circulatorio en la nutrición humana, a un doble nivel. a) Relaciones digestión/circulación: las sustancias nutritivas resultantes de la digestión de los alimentos son utilizadas por los órganos (células) de nuestro cuerpo. El sistema circulatorio es el encargado de transportarlas. b) Relaciones respiración/circulación: el oxígeno recogido en los pulmones es llevado por la sangre a los diferentes órganos (células). Del mismo modo, la sangre recoge dióxido de carbono procedente de los órganos (células) para ser eliminado a través de los pulmones. La recogida información se basa en la administración de un cuestionario cuya elaboración consta de cuatro fases (Treagust. 1988; Anderson, Sheldon y Dubay, 1990; Seymour y Longden, 1991): 1) ensayo previo, mediante la realización de entrevistas individuales a un grupo reducido de 8-10 alumnos/as por cada nivel, de cara a confeccionar un cuestionario adecuado a sus conocimientos. 2) estudio piloto, consistente en la administración del cuestionario provisional (elaborado a partir de la fase anterior) a un grupo de alumnos/as pertenecientes a los diferentes niveles objeto de estudio; 3) reformación del cuestionario inicial a partir de los datos suministrados por el estudio piloto y la revisión realizada por los compañeros investigadores y los profesores de ciencias correspondientes a la muestra utilizada en la fase anterior; 4) administración del cuestionario definitivo a la muestra objeto de nuestra exploración. El cuestionario utilizado contiene 19 cuestiones de diversos tipos: respuesta abierta, elección múltiple y doble elección <<respuesta –razón>> (Haslam y Treagust, 1987). Para evitar el carácter aleatorio de ciertas respuestas o la información restringida que se obtiene de alguna de ellas, se utilizan diferentes preguntas para incidir en un mismo aspecto (como propone Yarroch, 1991), y se complementan las cuestiones más complejas con una escala de fiabilidad, para que las y los estudiantes expresen el grado de certeza en sus afirmaciones. (En el anexo I se muestra, a modo de ejemplo, algunas preguntas incluidas en el cuestionario, que por su extensión no reproducimos íntegramente. No obstante, queda a disposición de quien lo solicite.) En síntesis, la exploración se ha centrado sobre los siguientes aspectos: - Digestión de los alimentos: Se plantea una situación problemática (digestión de la leche) a partir de la cual se pregunta qué tipo de sustancias obtenemos mediante dicho proceso (complejas, sencillas, sustancias buenas….) y donde se absorben. - Relaciones entre el proceso digestivo y la circulación de la sangre: Se utilizan tres cuestiones. Las dos primeras consisten en situaciones problemáticas: qué sucede cuando estamos sin tomar alimentos durante dos o tres días; si las sustancias que transportan la sangre salen de los vasos sanguíneos cuándo llegan a los músculos. En la tercera se pregunta sobre el transporte de los nutrientes a los órganos. - Respiración y relación entre el dicho proceso y la circulación de la sangre: Se indaga en torno a la composición de los gases inspirado y espirado: a las relaciones entre el sistema circulatorio y el transporte de los gases respiratorios (por qué respiramos más de prisa después de correr 200m qué ocurre cuando estamos buceando y contenemos la respiración o cuando dormimos); al transporte de oxígeno y dióxido de carbono 25 (por medio de dibujos esquemáticos y preguntas de elección múltiple); y cuestiones referidas a la necesidad de oxígeno por los distintos órganos. - Estructura celular de nuestro cuerpo: Para ello, se incluyen tres preguntas. La primera está relacionada con la noción general que poseen los estudiantes sobre la célula y la relación entre éstas y los órganos; en la segunda se les facilita una relación de órganos y se les pide que señalen si están formados por células; la tercera incide en la cuestión de las sustancias necesarias para que las células realicen sus funciones. El análisis de las respuestas de las alumnas y los alumnos se basa en la regularidad y coherencia que presentan a través de los diferentes instrumentos empleados (diversos ítems del cuestionario y entrevistas individuales), tomando como referencia el nivel conceptual establecido en la figura 1. En resumen consta de las siguientes fases: 1) Una vez tabulados los datos correspondientes a cada pregunta del cuestionario, establecemos una serie de concepciones específicas y esquemas conceptuales sobre aspectos parciales de los procesos objeto de estudio. Para ello, contrastamos la correlación existente entre las respuestas que dan las y los estudiantes a aquellas cuestiones que se refieren a los mismos aspectos (p.e., sustancias que se obtienen mediante la digestión, sustancias que transporta la sangre, destino de dichas sustancias…..). 26 2) Definición de los modelos conceptuales que subyacen el conjunto de concepciones puntuales y esquemas conceptuales relativos a las relaciones existentes entre algunos procesos de nutrición (digestión/circulación, respiración/circulación). 3) Identificación de los modelos conceptuales correspondientes a cada uno de los alumnos y alumnas pertenecientes a la muestra utilizada. En aquellos casos en que sus concepciones parecían incompletas o contradictorias, recurriríamos a la realización de entrevistas individuales para su clarificación. DESCRIPCIÓN DE LOS MODELOS CONCEPTUALES Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS Al margen del diferente grado de profundidad con que se estudia la nutrición en los niveles educativos explóralos, que lógicamente se refleja en la riqueza de las concepciones de los alumnos y las alumnas, la investigación ha puesto de manifiesto la existencia de una serie de modelos conceptuales comunes a todos ellos, aunque extendidos de manera desigual. Los diversos modelos encontrados (referidos tanto alas relaciones digestión/circulación como a las relaciones respiración/circulación) tienen un carácter progresivo y están ordenados en función de que sean más o menos acordes con el conocimiento científico: no relacionados, parcialmente relacionados y relacionados. A. Modelos de relación entre digestión y circulación sanguínea Encontramos un total de seis modelos, agrupados en torno a las tres categorías antes mencionadas. 1. Modelos no relacionados Clasificamos en este grupo aquellas concepciones caracterizadas por la falta de relaciones adecuadas entre el proceso digestivo y la circulación sanguínea, en él ámbito de la nutrición humana. En esta categoría encontramos dos modelos, en función de si las alumnas y los alumnos mencionan o no el papel de la sangre en el transporte de sustancias nutritivas procedentes de los alimentos. Modelo 1 De las explicaciones de las y los estudiantes encuadrados en este modelo (fig. 2) se deduce que, para ellos, las sustancias que se obtienen como consecuencia de la digestión de los alimentos (proceso que entienden como separación de las sustancias buenas y malas que éstos contienen) no son recogidas por la sangre, sino que recorren el tubo digestivo y finalmente son eliminadas. Por lo tanto, además de representar una visión incompleta de la digestión, en este modelo se simplifica la nutrición considerando que el simple tránsito se sustancias a través del aparato digestivo garantiza la supervivencia humana. Modelo 2 La progresión de este modelo con respecto al anterior estriba en que se admite que la sangre transporta las sustancias nutritivas obtenidas durante la digestión (en ocasiones <<sustancias buenas>>), aunque se afirma que éstas no salen de los vasos sanguíneos y, por tanto, e desconoce su destino y el modo en que son utilizadas. Así se deduce de explicaciones como las siguientes: Profesor. Una vez que la sangre llega, por ejemplo, a los músculos, ¿qué ocurre con las sustancias nutritivas que transporta? Alumno (6º de EGB). Yo creo que esas sustancias van recorriendo todo el cuerpo. P. ¿Pero salen de los (venas, arterias….) o no? vasos sanguíneos A. No la sangre pasa por los músculos y otras partes del cuerpo, pero no pueden salir porque entonces no nos alimentarían. Esta forma de entender el papel de transporte de la sangre estaría relacionada con la atribución al propio cuerpo de una serie de funciones <<mágicas>> (para nutrirnos es suficiente con que las sustancias nutritivas vayan circulando con la sangre), que –en definitiva- resultan exponente de la escasa compresión de aspectos esenciales de los procesos de nutrición humana. Los modelos no relacionados se encuentran ampliamente extendidos en 6º de EGB (57% globalmente), mientras que resultan minoritarios en 8º de EGB y 1º de BUP (25% y 11%, respectivamente) y –obviamente- no se dan en 3º de BUP (fig. 6). Estos datos, parecen confirmar una idea apuntada por autoras como Gellert (1962), Nagy (1953) o Carey (1985), en el sentido de que, para los alumnos y las alumnas de estas edades, el funcionamiento del cuerpo humano tiene un carácter finalista: cada órgano/aparato realiza una función específica, independientemente de los demás, De ahí que la participación del aparato digestivo y el sistema circulatorio en la nutrición humana no se relacionen correctamente. Por otra parte, la existencia de dichos modelos indica que, a pesar del grado de detalle con que se estudian estas nociones en los niveles básicos de enseñanza (quizás, precisamente por eso), un gran número de estudiantes elabora concepciones muy superficiales al simplificar la nueva información para acomodarla a su modo particular de percibir la realidad. 2. Modelos parcialmente relacionados El conjunto de concepciones correspondientes a esta categoría de modelos, intermedia entre la anterior y los que consideramos correctos desde el punto de vista de la ciencia, se caracteriza por un mayor reconocimiento del papel de la sangre como medio de transporte de nutrientes, aunque tampoco –en este casose alude claramente a las células como el lugar en que son utilizados. Las respuestas de los alumnos permiten diferenciar dos modelos (figura 3). Modelos 3.1 A través de las explicaciones que dan los alumnos a las diferentes preguntas 27 formuladas en relaciono n estos aspectos, se constata su creencia de que los procesos relacionados con la nutrición tienen lugar en los diferentes órganos de nuestro cuerpo: Profesor. Supongamos que estamos sin tomar alimentos durante dos o tres días ¿Qué ocurre con las sustancias nutritivas que lleva la sangre? Alumna (8º de EGB). Se acabarían. P. ¿Por qué? A. Porque la sangre las lleva a los órganos de nuestro cuerpo y allí se consume. A. Las gastan para funcionar, pero no se cómo. P. ¿Los músculos están formados por células? A. Sí. P. Las sustancias nutritivas que obtenemos de los alimentos. ¿son utilizadas por las células? A. No, las células se alimentan por sí solas. De ahí que sitúen el destino de las sustancias nutritivas en dichas estructuras, desconociendo las relaciones existentes entre los niveles macroscópicos (órganos) y microscópicos (células). P. ¿Cómo utilizan los órganos (por ejemplo, los músculos) esas sustancias? Modelo 3.2 Aunque en cierta medida, las concepciones correspondientes a este modelo suponen un avance con respecto al anterior (implican aceptar que las sustancias nutritivas pueden ser utilizadas en las células), presentan una serie de contradicciones que justifican su inclusión en la categoría de modelos parcialmente relacionados: considerar que el destino de las sustancias nutritivas son, en unos casos, los órganos y en otros las células; creer que unos órganos están formados por células y otros no; o afirmar que se produce un doble intercambio de sustancias nutritivas entre la sangre y las células. 28 A la vista de los resultados (Fig. 6) podemos afirmar que los modelos parcialmente relacionados se detectan en todos los niveles educativos investigados, aunque con diferente grado de representatividad y significación. Mientras que –hasta cierto punto- nos parece lógico que en 6º de EGB el máximo grado de relación entre digestión y circulación se sitúe en el modelo 3.1 (37% del total), no pensamos lo mismo con respecto al porcentaje del estudiante del 8º de EGB y 1º de BUP encuadrados en el mismo (14% y 18%), puesto que en estos niveles se puede ampliar el estudio de la nutrición haciendo referencia a algunos procesos celulares como la obtención de energía o el crecimiento. Aunque la existencia de cierta <<controversia>> órganos-células, en cuanto al destino de las sustancias nutritivas (modelo 3.2), no se halla muy extendida (10% en 8º, 18% en 1º de BUP y 22% en 3º de BUP), a nuestro juicio, pone de manifiesto que la entrada de nuevas informaciones al estudiar estas nociones se ha traducido en un aumento de vocabulario que, en la mayoría de los casos, no ha modificado las concepciones iniciales de las y los estudiantes, al no producirse un aprendizaje significativo de los nuevos contenidos. De sus explicaciones decimos la existencia de un obstáculo epistemológico, señalado por autores/as como Dreyfus y Jungwirth (1988), Gagliardi (1988) o Caballer y Jiménez (192): el desconocimiento de la estructura y funcionamiento celular de nuestro cuerpo y, en particular, de las relaciones entre los procesos a nivel anatómico y sus referentes a nivel celular. 3. Modelos relacionados Constituyen una relación adecuada entre digestión y circulación, a nivel que se ha Modelo 4.2 Supone cierto grado de progresión con respecto al modelo anterior, al entender que todos los órganos están formados por células y que los nutrientes obtenidos mediante la digestión de los alimentos son necesarios para realizado la investigación (Fig. 1), independientemente de que en los cursos más avanzados se posea un mejor conocimiento de las mismas. Dentro de esta categoría se pueden diferenciar dos modelos, en función de cual sea el destino de las sustancias nutritivas (Fig. 4): Modelo 4.1 Las concepciones correspondientes a este modelo coinciden en señalar el papel de la sangre como medio de relación entre procesos: recoge las sustancias nutritivas procedentes de la digestión y las transporta hacia las células, en donde serán utilizadas para la realización de determinadas funciones (crecer, estar fuertes…). Probablemente como consecuencia de un conocimiento incompleto de la estructura y organización celular de nuestro cuerpo, los alumnos y las alumnas encuadrados en este modelo afirman que determinados órganos (pulmones, corazón, huesos….) no necesitan nutrientes para realizar sus funciones (Fig. 5). el desarrollo de procesos que están relacionados con la nutrición humana, los cuales son imprescindibles –a su vez- para el funcionamiento de los órganos. Como cabría esperar a priori, el mayor grado de relación entre los procesos objeto de 29 análisis se produce en 3º de BUP (70% globalmente) y, en menor medida, en 8º de EGB (43%) y 1º de BUP (49%), tal y como se desprende de la figura 6. Los resultados en estos últimos niveles pueden ser interpretados en dos sentidos: si bien tienen de positivo que alrededor de la mitad de la muestra posean un conocimiento adecuado de las relaciones digestión/circulación, por el contrario, muestran que no se produce progresión conceptual entre ambos niveles, a pesar del estudio de la nutrición humana incluyendo lecciones específicas sobre el conocimiento de la célula (estructura y funciones). Abundando en el análisis de estos datos, constatamos que es significativamente menor el porcentaje de estudiantes encuadrados en el modelo más avanzado, como consecuencia de las dudas existentes en torno a si el destino de las sustancias nutritivas que transporta la sangre son todos los órganos o una parte de ellos. En ese sentido, resulta esclarecedor comprobar (Fig. 5) cómo las mayores discrepancias se producen en relación con una serie de órganos que realizan funciones muy específicas (pulmones, corazón…) o bien con aquéllos que aparentemente no realizan ninguna actividad (huesos), admitiendo –por el contrario- que los órganos más relacionados con el movimiento corporal (músculos), o que se consideran más importantes para el organismo (cerebro), precisan sustancias nutritivas para su funcionamiento. Así como en 8º de EGB y 1º de BUP estos últimos resultados, coincidentes, por otra parte, con trabajos como los de Caballer y Jiménez (1992, 1993) sobre la célula, pueden explicarse por la falta de consolidación de determinados conceptos, no pensamos lo mismo con respecto a los de 3º de BUP, teniendo en cuenta que se trata de estudiantes que han cursado biología y química con un elevado grado de diferenciación conceptual. 4. Modelos de relación entre respiración y circulación sanguínea Tal vez como consecuencia de las dificultades que plantea la comprensión del proceso respiratorio y su relación con la circulación sanguínea, la investigación ha puesto de manifiesto la existencia de una amplia gama de modelos conceptuales (nueve en total) que, no obstante, se pueden agrupar en torno a las tres categorías establecidas en el apartado anterior: no relacionados, parcialmente relacionados y relacionados. 30 Modelos no relacionados Los cinco modelos pertenecientes a esta categoría (Fig. 7 y 8) tienen en común no identificar la respiración como un proceso celular y, por consiguiente, no relacionar correctamente el papel de la sangre como medio de transporte del oxígeno desde los pulmones a las células y del dióxido de carbono desde éstas hasta el aparato respiratorio. Dichos modelos, clasificados de menor a mayor grado de relación y diferenciación conceptual, presentan las siguientes características: Modelo 1 Supone considerar la respiración como un proceso que tiene lugar en los pulmones, mediante la entrada de oxígeno y la salida de dióxido de carbono. La existencia de este modelo incluye concepciones como las siguientes: a) el aire que entra a los pulmones contiene solamente oxígeno, gas necesario para vivir; b) el aire que aspiramos sólo contiene dióxido de carbono (que se origina a partir del oxígeno o es el mismo que entró al inspirar); c) la sangre no transporta oxígeno ni dióxido de carbono (este último es tóxico). Figura 7 Modelos respiración/circulación (no relacionados 1) CO2 Aire Aire O2 CO2 O2 CO2 Pulmones Pulmones Aire O2 O2 O2 CO2 CO2 Sistema circulatorio Órganos Sistema circulatorio Órganos Pulmones Células Células Modelo 1 Modelo 2.1 Modelo 2.2 31 Figura 8 Modelos respiración/circulación (no relacionados 2) y parcialmente relacionados. Aire O2 CO2 Aire Aire O2 O2 CO2 CO2 Pulmones Pulmones Pulmones O2 O2 CO2 O2 CO2 Sistema circulatorio Sistema circulatorio Sistema circulatorio ¿? O2 O2 O2 O2 ¿? CO2 CO2 Órganos Órganos O2 O2 ¿? O2 O2 Células Modelo 3.1 32 ¿? Algunos Órganos Células Modelo 3.1 Células Modelo 4 Modelo 2.1 Aunque los alumnos y alumnas encuadrados en este modelo admiten que la sangre pueda transportar oxígeno, entienden la respiración como un proceso principalmente pulmonar y atribuyen al sistema circulatorio un papel secundario: a) la sangre transporta oxígeno pero éste no sale de los vasos sanguíneos (sólo circula), por tanto, se desconoce su destino y utilidad; b) la sangre no transporta dióxido de carbono, ya que dicho gas se origina en los pulmones. Esta aparente contradicción no es tal para las y los estudiantes, como se comprueba a través de sus explicaciones: Profesor. ¿En qué consiste la respiración? Alumno (8º de EGB). Cuando inspiramos, tomamos oxígeno y, cuando espiramos, expulsamos dióxido de carbono. P. ¿Para qué necesitamos el oxígeno del aire? A. Lo necesitan los pulmones para respirar. Si no fuese así nos moriríamos. P. Además de los pulmones, ¿qué otros órganos necesitan oxígeno? A. No lo sé. Creo que solamente lo necesitan los pulmones. inspirar), se admite que la sangre lo transporta. No obstante, ello no implica entender su relación con los procesos de nutrición (se afirma que se origina en los órganos, el corazón o la propia sangre), sino que –probablemente- constituya un ejemplo de la <<distorsión>> de nuevas informaciones que no han sido comprendidas suficientemente. Modelo 3.1 Junto con el modelo siguiente, supone un importante avance con respecto a los anteriores. En él se considera que el oxígeno que transporta la sangre sale de los vasos sanguíneos y va a las células. Sin embargo, consideramos que no se establecen relaciones adecuadas entre respiración y circulación, como se deduce de explicaciones de las y los estudiantes que afirman que el oxígeno es necesario sobre todo en los pulmones o cuando se refieren a un doble intercambio de dicho gas entre la sangre y las células: Profesor. Supongamos que la sangre que circula por estos vasos sanguíneos (señala la muñeca de un brazo) ha llegado a la mano. ¿Qué sustancias de las que transporta la sangre son necesarias para el funcionamiento de los dedos? P. Antes me has dicho que la sangre transporta sustancias nutritivas por todo el cuerpo; ¿lleva también oxígeno y dióxido de carbono? Alumna (1º de BUP). Los dedos necesitan glucosa, proteínas, vitaminas y oxígeno. A. Oxígeno sí, pero dióxido de carbono no porque como es tóxico nos moriríamos. A. En las células. P. ¿Cómo? P. Cuando la sangre llega a órganos como los músculos, ¿qué ocurre con el oxígeno que transporta? A. No lo sé. P. Quiero decir, si el oxígeno sale de las arterias y es utilizado en los músculos. A. No, el oxígeno recorre el cuerpo pero no puede salir de las venas. P. Entonces, ¿Cómo músculos funcionen? es posible que los A. Porque tomamos alimentos como la leche o la carne, que nos dan mucha energía. Modelo 2.2 SE diferencia del modelo anterior en cuanto al origen del dióxido de carbono: aunque la mayor parte de dicho gas se produce en los pulmones (o es el mismo que entró al P. Pero ¿cómo utilizan esas sustancias? A. Sé que lo estudió el año pasado, pero no me acuerdo. P. Una vez que las células realizan sus funciones (aunque no te acuerdes cuáles son?, ¿se producen algunas sustancias de desecho? A. Sí. Creo que las células producen vitaminas, oxígeno y otros desperdicios que pasan a la sangre para poderlos expulsar. P. ¿No habías dicho que el oxígeno se obtiene en los pulmones? A. La mayoría se produce en los pulmones, pero una parte va a las células para que puedan realizar sus funciones. P. Entonces, ¿en qué quedamos?: ¿el oxígeno pasa de la sangre a las células o de las células a la sangre? A. El oxígeno va a las células, pero ellas también dan oxígeno a la sangre. 33 En relación con el dióxido de carbono, dichos estudiantes consideran que se origina en los pulmones, por lo que, en conjunto, se trata de un modelo básicamente pulmonar. Modelo 3.2 Se diferencia del modelo anterior únicamente en cuanto al origen del dióxido de carbono, admitiendo que, aunque la mayor parte de dicho gas se obtiene en los pulmones, también se produce en los órganos, el corazón o la propia sangre. Con excepción de 3º de BUP, una amplia mayoría de alumnos y alumnas pertenecientes a los diferentes niveles educativos explorados (Fig. 11) poseen concepciones encuadrables en lo que hemos denominado modelos no relacionados (considerados globalmente: 92% en 6º de EGB, 67% en 8º de EGB y 85% en 1º de BUP. No obstante, comprobamos ciertas variaciones de unos niveles a otros: - En 6º de EGB predominan los modelos menos avanzados, constatándose dos tipos de concepciones: a) considerar la respiración como un proceso básicamente pulmonar, minimizando el papel de la sangre en el transporte de gases (modelo 2.1); b) admitir que la sangre transporta oxígeno hacia las células, pero desconociendo su utilidad y afirmar que el dióxido de carbono se origina en los pulmones. En ambos casos se pone de manifiesto que la enseñanza no modifica –sustancialmente- la creencia de que la respiración se realiza en los pulmones, obteniéndose (a lo sumo) nuevas informaciones que no han sido incorporadas 34 al núcleo iniciales. central de sus concepciones - En 8º de EGB y 1º de BUP, con resultados similares, se produce cierta progresión hacia modelos no relacionados más avanzados (3.1 y 3.2), aunque subsisten concepciones propias de niveles anteriores (un tercio de alumnos en modelos 2.1 y 2.2). Sin embargo, tampoco en este caso, dichos avances suponen establecer relaciones adecuadas entre respiración y circulación, concretándose –principalmenteen la elaboración de concepciones incompletas (la sangre transporta oxígeno hacia las células y dióxido de carbono hasta los pulmones) y la aparición de nuevos errores conceptuales (las células producen oxígeno; el dióxido de carbono se origina en los pulmones, algunos órganos o el corazón; etc.) Estos resultados ponen de manifiesto las dificultades que encuentran y los estudiantes para comprender los aspectos esenciales del proceso respiratorio y su relación con el sistema circulatorio, cuestión que ha sido señalada en investigaciones como las de Arnaudin y Mintzes (1985), García Zaforas (1991) y Pérez de Eulate (1992). En particular, hay que destacar el escaso aprendizaje que realizan los alumnos y alumnas de 8º de EGB y 1º de BUP, así como la falta de progresión entre dichos niveles, por tratarse de nociones básicas que son abordadas con cierto grado de profundidad. Figura 9 Modelos respiración/circulación (relacionados) Aire Aire O2 O2 CO2 CO2 Pulmones Pulmones O2 O2 CO2 2 Sistema circulatorio O2 Sistema circulatorio CO2 O2 CO2 Células Modelo 5.1 CO2 Alguno Órganos Algunos Órganos O2 CO2 O2 CO2 Células Modelo 5.2 35 36 5. Modelos parcialmente relacionados En este grupo incluimos un modelo cuyas concepciones sobre las relaciones entre respiración y circulación tienen en común situar el proceso respiratorio en los órganos (Fig. 8): considerar que las sustancias nutritivas y el oxígeno son llevados a los diferentes órganos de nuestro cuerpo, que en ellos son utilizadas para realizar las funciones vitales, y que –como consecuencia de dichos procesos- se obtiene dióxido de carbono. Evidentemente, esta forma de entender la respiración supone una visión incompleta de su relación con la nutrición humana, al desconocer que dicho proceso tiene lugar en las células. Aunque se trata de un modelo con escasa representación en los niveles investigados, su existencia pone de manifiesto que algunos alumnos y alumnas simplifican los procesos de nutrición (en este caso, las relaciones respiración/circulación) situándolos en los órganos como consecuencia del desconocimiento de la estructura y organización celular del cuerpo humano. A nuestro juicio, este modelo podría constituir un nivel intermedio adecuado para cursos como 6º de EGB e incluso 8º de EGB, en calidad de paso previo al estudio de los procesos celulares en cursos posteriores. Por el contrario, la introducción prematura de nociones de tanta complejidad en EGB trae como consecuencia la elaboración de concepciones alternativas y una escasa relación entre los procesos objeto de estudio, tal y como acabamos de señalar. Modelos relacionados Se incluyen en este tipo de modelos aquellas concepciones que relacionan correctamente respiración y circulación, al nivel elemental con que se ha planteado esta investigación (Fig. 1). Es decir, hay que entender que el proceso respiratorio tiene lugar en las células y atribuir al sistema circulatorio el papel de transporte de oxígeno desde los pulmones hacia las células, y del dióxido de carbono (producido como desecho en el transcurso de dicho proceso), desde éstas hasta los pulmones. Como en el caso de los modelos digestión/circulación, algunas respuestas de los alumnos y las alumnas permiten diferenciar dos submodelos (Fig. 9) en función de que sitúen la respiración en todos los órganos (modelo 5.2) o sólo en una parte de ellos (modelo 5.1). Solamente encontramos este tipo de modelos en 8º de EGB, 1º de BUP y 3º de BUP (Fig. 11). Mientras que en los dos primeros resulta minoritario el porcentaje de alumnos y alumnas que establecen relaciones adecuadas entre respiración y circulación (21% y 8%, respectivamente), este tipo de modelos se encuentra ampliamente extendido en 3º de BUP (69% si consideramos ambos modelos globalmente). Los resultados correspondientes a 8º de EGB y 1º de BUP confirman argumentaciones realizadas en apartados anteriores, en el sentido de que existe una escasa correspondencia entre las previsiones de la enseñanza (tal y como aparece en el currículo y los libros de texto) y el aprendizaje que logran los alumnos y alumnas. Por otra parte, aunque los resultados de 3º de BUP nos parecen lógicos, dado el nivel elemental con que se ha planteado esta investigación, creemos que deben ser relativizados, por tres razones: a) Casi una tercera parte de la muestra se encuentra en modelos no relacionados (aunque se trata del más avanzado) o parcialmente relacionados. Muestran, por tanto, concepciones alternativas propias de niveles inferiores. b) Solamente el 17% del total se agrupa en el modelo relacionado más avanzado (5.2), mientras que un 50% presenta algunas dudas con respecto al destino del oxígeno que transporta la sangre. Como se desprende de la figura 10, un porcentaje elevado de estudiantes afirma que órganos como los huesos, dedos, riñones o estómago no necesitan oxígeno para desempeñar sus funciones. c) A través de algunas respuestas de las y los estudiantes, constatamos errores importantes, como desconocer en qué orgánulos celulares tiene lugar la respiración celular y qué sustancias son necesarias para ello. Profesor. ¿En qué consiste la respiración? Alumno. La respiración es un proceso que se produce en todas las células de nuestro cuerpo y nos sirve para obtener energía. P. ¿En qué partes de la célula tiene lugar? A. Yo creo que en los ribosomas. 37 P. Además del oxígeno, ¿qué otras sustancias necesarias? A. Por ejemplo, glucosa. P. En los casos en que no se dispone de esta sustancia, ¿qué otros nutrientes pueden ser utilizados? A. Por ejemplo aminoácidos. vitaminas, proteínas y Aunque nuestro propósito no haya sido analizar en profundidad las ideas de estos alumnos, los resultados nos deben hacer reflexionar sobre la idoneidad de los métodos de enseñanza habituales para modificar concepciones erróneas y propiciar aprendizajes significativos. CONCLUSIONES Como hemos puesto de manifiesto a lo largo de este artículo, buena parte de las concepciones de los alumnos y alumnas sobre aspectos específicos de los diferentes procesos implicados en la nutrición humana (digestión, respiración, circulación...) se encuentran organizados en su estructura conceptual, llegando a constituir verdaderos esquemas o teorías (modelos conceptuales), a partir de los cuales podemos interpretar dichas concepciones. Por otra parte, si –como hemos señalado- estos modelos suponen el bagaje conceptual con que los estudiantes afrontan el aprendizaje de nuevas nociones, su conocimiento resulta de gran utilidad para la planificación de la enseñanza. Los resultados obtenidos han puesto de manifiesto el predominio de modelos conceptuales no relacionados o parcialmente relacionados, caracterizados por no identificar adecuadamente el papel del sistema circulatorio con los procesos de digestión y respiración.. No obstante, encontramos diferencias significativas al comparar la comprensión de las relaciones digestión/circulación con las de respiración/circulación: mientras en el primer grupo se constata cierto conocimiento en la mayoría de los cursos investigados, la comprensión de las relaciones entre respiración y circulación resulta,mucho más problemática, incluso en niveles superiores. Comparando los datos relativos a los diferentes niveles educativos, podemos afirmar que, si bien se aprecian ciertas diferencias entre 6º y 8º de EGB o de 3º de BUP con el resto de los niveles, no existe progresión importante entre 1º de BUP y 8º 38 de EGB (en algunos casos constatamos un retroceso), a pesar de que dichos estudiantes hayan profundizado en el estudio de la nutrición humana. Si además tenemos en cuenta las precisiones realizadas al referirnos a los resultado sen 3º de BUP, podemos concluir que la enseñanza habitual no contribuye, de manera efectiva, a que los alumnos reestructuren sus concepciones iniciales, desarrollando modelos relacionados que sean acordes con el conocimiento científico. Sin pretender realizar un análisis exhaustivo de las causas que motivan los resultados comentados, podemos señalar una serie de factores que, entre otros, pueden estar en la base los mismos: a) De acuerdo con argumentaciones como las de Driver, Guesne y Tiberghien (1985), el razonamiento infantil presenta ciertos rasgos diferenciales (pensamiento dirigido por la percepción, enfoque limitado, causalidad lineal y simple, etc.) que, a nuestro juicio, dificultan la elaboración de modelos relacionados. Por otra parte, si como señalan Pozo, Gómez Crespo, Limón y Sanz Serrano (1991), las características de las teorías implícitas de los alumnos y las alumnas difieren claramente del modo en que se estructuran las teorías científicas, parece lógico que la enseñanza habitual no produzca un acercamiento suficiente entre ambas, prevaleciéndolas teorías personales que, a lo sumo, sufren pequeñas reestructuraciones que no modifican sustancialmente sus elementos esenciales. b) El análisis del currículo y los libros de texto (Núñez, 1994) pone de manifiesto que la enseñanza de la nutrición humana adolece de una serie de deficiencias, en parte indicadas por Del Carmen (1993), entre las cuales podríamos citar: ausencia de una visión global de lo que se está enseñando (es decir, no se fomenta el aprendizaje de conceptos básicos y generales), falta de progresión en los contenidos (no se suele establecer un grado de diferenciación adecuado en función del nivel educativo de que se trate), escasa relación entre los contenidos que se enseñan (la enseñanza de la nutrición se efectúa de forma compartimentada y sesgada, estudiando cada proceso por separado y prestando más atención a los detalles específicos que al establecimiento de relaciones entre ellos) o planificación de la enseñanza sin tener en cuenta los conocimientos previos de los alumnos y alumnas a que se dirige. c) Aspectos socioculturales, como la influencia del entorno familiar de los alumnos o el papel de los medios de comunicación pueden determinar la elaboración de concepciones alternativas que difieren claramente del conocimiento científico. En este sentido se expresan autores como Solomon (1987), Driver (1989) o Llorens, De Jaime yLlopis (1989), indicando el papel del lenguaje en el aprendizaje de conceptos. A partir de las argumentaciones realizadas, parece evidente que el estudio de la nutrición precisa de un diseño conceptual y un enfoque didáctico diferentes de los que se vienen realizando tradicionalmente. En esta línea, se ha elaborado una propuesta didáctica que contempla el diseño conceptual de la nutrición humana de manera global e integrada, a la vez que plantea su enseñanza siguiendo una secuencia acorde con el constructivismo orientado a la consecución del cambio conceptual (Driver, 1988; Posner, Strike, Hewson y Gertzog, 1982, entre otros). Los resultados obtenidos como consecuencia de supuesta en práctica en aulas de 8º de EGB muestran que una amplia mayoría de las y los estudiantes participantes en nuestra intervención didáctica establecen relaciones adecuadas entre los diversos procesos de nutrición, adquiriendo, al mismo tiempo, una visión global e integrada de dicha función. En un próximo trabajo daremos cuenta de las características de la propuesta didáctica y ofreceremos una mayor concreción de estos resultados. 39 ANEXO I 40 SOY EL TORRENTE SANGUÍNEO DE JUAN* Lo que ocurre en el interior de los 120 000 km de mi intrincada red de conductos determina, más que nada, el estado de salud o de enfermedad de Juan. J. D. Ratcliff Todo en mí es de enormes proporciones. Soy un sistema de transporte de 120 000 kilómetros, distancia superior al recorrido de cualquier línea aérea mundial. Recojo la basura y sirvo de mensajero a sesenta billones de clientes, o sea, 13 500 veces el número de seres humanos que pueblan el planeta. Mi clientela está integrada por las células del organismo de Juan.16 Yo arrastro sus desechos y les llevo los elementos esenciales para la vida. Soy el torrente sanguíneo de Juan. Él suele imaginarme como un río de perezosa corriente, pues no parece advertir la frenética actividad que hay en mí en todo momento. En el segundo que transcurre durante un parpadeo, 1 200 000 glóbulos rojos míos concluyen su ciclo vital de 120 días y sucumben, En ese mismo segundo la médula ósea de Juan, principalmente la de sus costillas, huesos craneales y vértebras, produce un número igual de eritrocitos. En el tiempo que dura la vida humana, los huesos llegan a producir una media tonelada de glóbulos rojos. En su corta existencia, cada una de estas células hace unos 75 000 viajes de ida y vuelta desde el corazón de Juan hasta otras regiones de su organismo. ¿Cómo llevo a cabo mi recorrido por todo el cuerpo? El corazón es la bomba principal que me impulsa, y yo diría que no muy eficazmente en cuanto a mover mi masa. Su fuerza impelente obra a intervalos y corresponde a las grandes arterias regular mi flujo expandiéndose a cada contracción cardiaca y estrechándose en las pausas entre dos contracciones consecutivas, para que yo llegue como corriente continua hasta las regiones más alejadas. Cuando la sangre va a regresar por las venas hasta el corazón, su presión ha disminuido casi hasta cero. En * En Selecciones del Reader’s Digest, febrero, 1983,pp. 126-128. 16 Juan es un hombre común y corriente de 47 años de edad. En números anteriores de Selecciones ya han hablado de sí mismos varios órganos de su cuerpo. tales condiciones, de no intervenir otra fuerza, la sangre no regresaría. Sin embargo, sigo desplazándome en sentido contrario, desde los dedos de los pies hasta el corazón, gracias a ciertos músculos que no forman parte del aparato circulatorio. Esto parecerá extraño, pero así es: al contraerse los músculos de las piernas de Juan, oprimen las venas y hacen subir la sangre (las válvulas situadas a trechos regulares en el interior de las venas impiden el reflujo o retroceso de mi masa líquida). Ello explica que andar sea un excelente ejercicio para estimular la circulación. (Cuando las válvulas no cierran bien, las venas se pueden obstruir con sangre coagulada. Al dilatarse demasiado, la vena se vuelve varicosa, alteración casi siempre dolorosa y que causa muchas molestias). La sangre que circula por mi intrincado sistema de conductos consta fundamentalmente de glóbulos rojos (llamados también eritrocitos y hematíes), plaquetas y una gran variedad de componentes solubles, como el colesterol, el azúcar, las sales minerales, las enzimas y las grasas; todos estos componentes están inmersos y flotan en un líquido: el plasma sanguíneo. Para asegurar el volumen adecuado y la tensión sanguínea normal, debo mantener siempre la liquidez adecuada. Y para no exponerme a ningún riesgo al respecto, recibo virtualmente toda el agua que ingiere Juan; los excesos se eliminan por la orina, el sudor y el aire expelido en la respiración. Cuando escasea el agua ingerida, retengo hasta la última gota y pido auxilio urgente. Por esta razón, los heridos graves suplican que les den de beber. Todo el mundo ha oído hablar de los principales grupos sanguíneos: A, B, AB y O. Pero contengo además una gran variedad de factores diversos (M, N, P, Rh, etcétera) y continuamente se descubren otros. Cada día resulta más evidente la posibilidad de que la sangre de Juan sea tan personal y característica como sus huellas dactilares; parece que no existen dos sangres completamente iguales. En realidad, sería posible tomar una muestra de sangre de todos los espectadores de un gran estadio y, un año después, al repetirles la prueba, volver a sentar a cada uno en el mismo asiento que había ocupado antes, según las características personales de su composición sanguínea. En mi labor primordial de distribuir oxígeno y elementos nutricios a las células, me desempeño de manera semejante a un sistema urbano de aprovisionamiento de agua 41 potable. El corazón funciona como una bomba aspirante e impelente que hace llegar la sangre hacia las arterias, cuyo calibre va disminuyendo gradualmente hasta los vasos capilares. En esta enmarañada red, que conecta las arterias con las venas, es donde realmente cumplo mis funciones. Los capilares son tan angostos que, al llegar a ellos, los glóbulos rojos tienen que ponerse “en fila india” para poder pasar, y en ocasiones hasta se deforman. Pero en el segundo que aproximadamente tardan en hacerlo, se produce un verdadero torbellino de actividad. Ocurre algo semejante a la descarga de un camión de mercancías que se vuelve a carga inmediatamente con objetos ya inútiles. Lo más importante de lo que se descarga es, desde luego, el oxígeno; el bióxido de carbono que resulta de las combustiones celulares constituye el principal producto de desecho que hay que transportar rumbo a su eliminación final. Pero es asombrosa la variedad de las demás sustancias que hay que llevar hasta los tejidos. Sólo que las necesidades de las células de los diferentes tejidos no son, de ninguna manera, las mismas. Unas necesitan una pizca de cobalto; otras, ciertas sales minerales, vitaminas, hormonas, glucosa, grasas, aminoácidos o simplemente agua. Cuando Juan hace ejercicio corporal, aumentan enormemente las cantidades de todos estos productos que necesitan sus tejidos. La piel se le enrojece, signo de que los capilares funcionan al máximo. Durante el sueño, las exigencias celulares de elementos nutritivos se reducen al mínimo y más del noventa por ciento de los capilares dejan de funcionar. La salud de Juan depende, en último término, del perfecto estado de sus capilares. Él está convencido de que respira con los pulmones, come con la boca y absorbe los alimentos con el intestino. En realidad, todas esas funciones las desempeñan sus capilares. Por ello, su médico observa atentamente con el oftalmoscopio el fondo del ojo cada vez que le hace un reconocimiento, pues la retina es el único lugar del organismo donde los capilares son claramente visibles. Si los ve obstruidos y dilatados, esa alteración sería signo de que la salud de Juan ha decaído. Para ahorrar a Juan cualquier trastorno, vivo con la constante preocupación de no desviarme de la normalidad. Si me entero de alguna pérdida de sangre, ya sea por una cortadura leve o por lesión de arma de fuego, inmediatamente envío hasta la herida mis 42 plaquetas. En unos segundos estos elementos tapan temporalmente la brecha. Al mismo tiempo, movilizo otras defensas más vigorosas. La fibrina es una sustancia esencial para cerrar las heridas. De ordinario no está presente en la sangre, pues podría obstruir con coágulos las arterias y causar la muerte casi instantáneamente. Pero siempre tengo a mano las materias primas necesarias para la producción de fibrina y llevo también las enzimas indispensables para hacer la operación química que las transforma en dicha sustancia. Puedo hacer que se inicie este proceso en unos cuantos segundos. Después de que la situación de urgencia ha quedado superada, dispongo del tiempo necesario para aportar las materias primas que se precisan a fin de tapar definitivamente la brecha. Toda solución de continuidad en mi sistema de conductos representa para mí un grave estado de urgencia, pero una amenaza mayor aún son los intrusos de todo tipo, como el virus de la gripe, los granos de polen, las astillas y otros muchos que forman una lista interminable. Sin embargo, cuento con armas, llamadas anticuerpo, contra más de un millón de esta clase de invasores; cada anticuerpo puede atacar a uno, y solamente a uno, de estos enemigos. Es como disponer de una fuerza policial de un millón de hombres, cada uno de los cuales está especializado en cierto delito. La propiedad más notable de mis anticuerpos acaso sea su memoria. Aunque Juan no se acuerda ya de las paperas que tuvo a los seis años de edad, mis anticuerpos contra ese virus específico si las recuerdan, no obstante los 41 años transcurridos. Si algunas partículas del virus de esta enfermedad llegaran a penetrar en el organismo de Juan, esos anticuerpos las destruirán persiguiéndolas como el lebrel a la liebre. Claro que él no se percata de que en su interior se está librando una lucha a muerte. Una vez que han perecido, otros elementos celulares blancos, los fagocitos, se apresuran a devorar los restos de ambos. Soy muy escrupuloso en cuanto a limpieza y, por ende, en mis dominios nunca tolero cadáveres insepultos. En el tiempo necesario para leer esta frase, se habrán incorporado a mí miles de millones de anticuerpos de refresco. Y es que, si no contara con esa protección, hasta la más leve infección representaría un peligro mortal para Juan. Teniendo en cuenta lo riguroso de mis necesidades, no es extraño que sea yo víctima de un sinnúmero de padecimientos. Al acumularse el calcio en las arterias, pueden endurecerse hasta adquirir la consistencia de una tubería de barro. Además, la grase de deposita en sus paredes y llega a ocluir la luz de los vasos. De esta alteración pueden derivar muchas calamidades: desde la gangrena en los dedos del pie hasta un ataque de apoplejía o un síncope cardíaco mortal. Si mi contenido de azúcar (glucosa) aumentara excesivamente, Juan sería diabético, y si se redujera a concentraciones muy bajas, le sobrevendría hipoglucemia, con palpitaciones, palidez, sudoración, vértigo y debilidad general. La escasez o la mala conformación de los glóbulos rojos redunda en anemia. Mis glóbulos blancos pueden disminuir mucho en número en el estado patológico llamado agranulocitosis, capaz de causar la muerte en unos cuantos días si no se detiene la infección causal mediante el empleo de antibióticos. Pero también existe el otro extremo; los leucocitos llegan a aumentar de una cifra normal de 6 000 u 8 000 por milímetro cúbico de sangre hasta 100 000 o más en los casos de leucemia. ¿Puede Juan hacer algo para aliviar mi pesada carga? Sí, mucho. En primer lugar, vigilarse la tensión arterial, pues cuando es demasiado alta me somete a un sobreesfuerzo continuo. Afortunadamente, hay medicamentos eficaces para mantener la tensión a niveles que no entrañan peligro. El ejercicio corporal es absolutamente imprescindible para que yo circule bien. Otro renglón importante es la alimentación: se ha demostrado que el exceso de grasas en la comida acorta la vida. En suma, necesito mucho más cuidado que otros tejidos y órganos. Pero vale la pena esta solicitud especial que hay que dispensarme, pues la buena salud de los demás órganos de Juan depende en gran medida de mí. 43 SOY EL PULMÓN DE JUAN* J. D. Ratcliff Un vistazo al interior de ese delicado órgano esencial, merecedor de un trato más considerado que el que suele recibir. Ustedes conocen muchas personas semejantes a Juan. Él tiene 47 años, es próspero y vive feliz con su esposa. Yo soy su pulmón derecho, y me corresponde el privilegio de hablar porque soy algo más grande que mi compañero, situado en el lado izquierdo del tórax. Tengo tres lóbulos (o compartimientos) separados, mientras que el otro sólo tiene dos. Juan se llevaría una sorpresa si me viera, pues piensa que soy una especie de vejiga vacía, de color rosa, que cuelga dentro del tórax. Pero no estoy vacío; la realidad es que, si me cortaran, ofrecería el aspecto de una esponja de goma para baño. Además, mi color no es rosado. Lo fue cuando Juan era muy pequeño. En la actualidad, después de haber consumido un cuarto de millón de cigarrillos y de haberme inflado unos quinientos millones de veces en la contaminada atmósfera de las ciudades, tengo un feo color gris moteado de negro. En el tórax de Juan hay tres compartimientos separados y herméticamente cerrados: en uno me encuentro yo, en el otro se aloja el pulmón izquierdo y en el último de halla el corazón. Cuelgo holgadamente en mi compartimiento y peso alrededor de medio kilo. Como no tengo músculos, desempeño un papel pasivo en los movimientos de la respiración. Hay un vacío parcial en mi compartimiento; por consiguiente, cuando se dilata el tórax de Juan, me dilato yo. Cuando él exhala, yo me desinflo. Se trata simplemente de un mecanismo de retroceso. Si llegara a ocurrir que la pared del tórax se perforara en un accidente, dejaría de existir el vacío parcial y yo quedaría colgando lacio, sin trabajar, hasta que sanara la herida y se volviera a hacer el vacío. Veamos más de cerca cómo estoy constituido. La tráquea, que mide unos doce centímetros de longitud, se divide en la parte inferior en dos conductos bronquiales principales: uno unido a mí y el otro a mi compañero. Luego comienzo a ramificarme como un árbol invertido. Primero en las ramas bronquiales y por último en los diminutos bronquíolos, que * En Selecciones del Reader’s Digest, abril, 1983, pp. 107-111. 44 miden un cuarto de milímetro de diámetro. Todos ellos son sencillamente conductos de aire. El verdadero trabajo lo realizo en los alvéolos: los microscópicos sacos de aire que se agrupan como racimos de uvas. Hay en mí unos 250 millones de alvéolos que, extendidos, cubrirían con su tejido alrededor de media cancha de tenis. Cada alvéolo está cubierto por una maraña de capilares. El corazón impulsa la sangre hacia un extremo de cada capilar, y los glóbulos rojos, uno por uno, lo recorren más o menos en un segundo. A continuación ocurre algo asombroso. A través de la membrana finísima de la pared capilar, los glóbulos rojos descargan su desecho de anhídrido carbónico en mis alvéolos. Simultáneamente toman el oxígeno que entra por el otro extremo. Es una especie de tienda de intercambio: por un extremo de los capilares la sangre entra de color azulado y por el otro sale de un vivo color rojo cereza. Los órganos más importantes de Juan –sobre todo, el corazón- funcionan por control automático. Lo mismo ocurre conmigo la mayor parte del tiempo, aunque también estoy sujeto al control voluntario de mi amo. De niño, cuando Juan hacía berrinches, en ocasiones contenía la respiración hasta ponerse un poco morado. Su madre se preocupaba, aunque sin razón, pues mucho antes de que sufriera verdaderos perjuicios, la respiración automática se hubiera hecho cargo y el pequeño habría comenzado a respirar, aunque no quisiera. La acción automática de mis funciones respiratorias está regulada por el bulbo raquídeo –la protuberancia donde la médula espinal se inserta en el cerebro-, que es un detector químico asombrosamente sensible. Durante el ejercicio enérgico, los músculos consumen pronto el oxígeno y descargan el desecho de anhídrido carbónico. Conforme se acumula este gas, la sangre se vuelve un poco ácida. El centro de control de las funciones respiratorias detecta esto de manera instantánea y me envía la orden de que trabaje más aprisa. Si la acidez aumenta demasiado, como ocurre cuando Juan hace un ejercicio enérgico, el centro de control me ordena que también haga más profunda la respiración: es lo que llamamos “el segundo aliento”. Cuando Juan está sentado necesita unos dieciséis litros de aire cada minuto; en la marcha, necesita unos veinticuatro; en la carrera, unos cincuenta. Recostado tranquilamente en la cama, necesita unos ocho litros de aire cada minuto. Para inhalarlos respira unas dieciséis veces por minuto, es decir, inhala poco menos de medio litro de aire cada vez que respira. (Yo puedo recibir ocho veces esa cantidad, que sólo me infla en parte). Sin embargo, no todo ese medio litro de aire me llega a mí; un tercio se escapa sin rumbo fijo por la tráquea y otros conductos. de limpieza propiamente dicha la realizan los cilios: pelillos microscópicos que cubren, en cantidad de decenas de millones, todos mis conductos respiratorios. Como trigo al viento, los cilios se agitan hacia atrás y adelante cerca de doce veces por segundo. Moviéndose hacia arriba, empujan los desechos hacia la garganta, donde pueden ser deglutidos por Juan. El aire que necesito me debe llegar poco más o menos tan húmedo y cálido como el de una marisma tropical. Para producir ese aire tan especial en el trayecto de unos cuantos centímetros, se requiere todo un complicado sistema. Las mismas glándulas lagrimales que constantemente bañan los ojos de Juan, junto con otras glándulas que vierten secreciones mucosas en la nariz y en la garganta, producen hasta medio litro de líquido por día para humedecer el aire que recibo. A lo largo de la mucosa de esos mismos conductos, los vasos sanguíneos –que en los días fríos se dilatan y en los cálidos se constriñen- realizan la labor de calentamiento. Si Juan pudiera observar mis cilios al microscopio, vería que cuando se les arroja humo de cigarrillo o aire muy contaminado, dejan de agitarse y se paralizan durante algún tiempo. De continuar esta irritación por un período largo, los cilios se debilitan y mueren, sin que los puedan reemplazar. Hay una lista casi interminable de cosas que me pueden causar dificultades. Cada día Juan inhala toda clase de bacterias y virus. La lisozima, poderosa enzima antimicrobiana existente en la nariz y la garganta, destruye a casi todos ellos. Y, por lo general,, puedo combatir a los demás que llegan a penetrar hasta mis oscuros, cálidos y húmedos conductos, que constituyen un excelente coto de caza de microbios. Los fagocitos que vigilan en mis conductos envuelven a los invasores y los engullen. Desde luego, el aire contaminado es mi mayor enemigo. Los demás órganos viven protegidos; sin embargo, para las consecuencias reales, daría lo mismo que yo estuviese afuera del cuerpo de Juan, expuesto a los peligros del ambiente y a sus impurezas. Aunque no lo parezca, soy muy delicado, y es asombroso que pueda sobrevivir siquiera, obligado como estoy a sufrir la presencia de compuestos como el anhídrido sulfuroso, el benzopireno, el plomo, el bióxido de nitrógeno. Como algunos pueden fundir inclusive medias de nailon, podrán ustedes imaginar qué efectos surten en mí. El proceso mediante el cual se purifica el aire que recibo comienza con los pelillos de la nariz, que detienen las grandes partículas de polvo. Una película adherente de materia mucosa, en la nariz, la garganta y los bronquios, actúa en forma semejante a la del papel matamoscas para atrapar las partículas más pequeñas de polvo. Y por último, la labor A los treinta años de fumador, Juan ha perdido casi todos los cilios, y las membranas de los conductos que segregan materia mucosa han aumentado tres veces su espesor normal. Él no lo sabe, pero corre el peligro de sofocarse. Si cae en mis sacos de aire demasiada materia mucosa, la respiración cesa tal como si hubieran penetrado en los pulmones varios litros de agua. Lo único que lo salva de ese riesgo es su ruidosa tos de fumador, que ha pasado a suplir la silenciosa función de los cilios. Juan debe tener presente que este es el único mecanismo de limpieza que me queda, y deberá guardarse de tomar medicamentos para combatir la tos. La mayor parte del tiempo Juan me exige que inhale verdaderos desperdicios. Algunas partículas obstruyen mis conductos más pequeños, y otras queman mis tejidos. Las frágiles paredes de mis alvéolos pierden elasticidad y no se desinflan como es debido cuando exhalo. (Por eso les es posible inhalar, mas no exhalar). El anhídrido carbónico queda retenido en los alvéolos, que dejan de proporcionar oxígeno a la sangre y de tomar los desechos de anhídrido carbónico. Así sobreviene el enfisema pulmonar, espantoso padecimiento en que cada respiración constituye una lucha para sobrevivir. Aunque Juan no lo sabe, varios millones de alvéolos míos se hallan en esta situación. Como su capacidad pulmonar es unas ocho veces mayor de lo que necesita para el trabajo sedentario, todavía le queda una reserva suficiente. Sin embargo, a últimas fechas se ha percatado de que incluso un esfuerzo menor le causa una forma leve de sofocación. De esta manera lo estoy poniendo sobre aviso. Juan debe tener en cuenta el viejo adagio médico que advierte: “El que está consciente 45 de tener pulmones, es que ya está enfermo”; y debe darme un mejor trato, lo que ante todo significa un aire de mejor calidad. Lo más importante, desde luego, es que deje de fumar. Pero si es incapaz de renunciar al cigarrillo, puede ayudarme por otros medios. Existe una pequeña máquina que hace circular el aire de la habitación a través de una capa de carbón activado –empleado en las caretas de protección contra el gas- y absorbe las sustancias químicas que atacan a mis tejidos. Si él colocara una en su alcoba y otra en la oficina, yo tendría dieciséis horas de protección cada día. También le aconsejo que haga más ejercicios y observe un régimen alimenticio más adecuado. Cualquier clase de ejercicio corporal –subir a pie las escaleras, pasear, salvar distancias a trote lento, practicar deportes- me obliga a respirar con mayor profundiad, y eso es muy conveniente. Además, hay ejercicios especiales para las funciones respiratorias. En condiciones normales la mejor manera de respirar es hacerlo profundamente, introduciendo en los pulmones mayor cantidad de aire a un ritmo más pausado. Juan podría practicar la respiración abdominal, como lo hacen los cantantes de ópera, que consiste en no inflar el tórax y en dejar caer el diafragma. De este modo el aire penetra hasta mis alvéolos más recónditos. Además, sería útil que varias veces al día Juan empleara en mí cierto recurso de limpieza. Cree que con exhalar normalmente yo quedo vacío de aire. Pero está equivocado. Que abra la boca y exhale todo el aire que pueda. Luego, que frunza los labios y sople: todavía le quedará bastante aire. Si lo hiciera fumando, observaría algo que debería hacerlo reflexionar; de sus labios fruncidos saldría humo que en condiciones normales quedaría encerrado, estancándose en mi interior. Todo se resume en lo siguiente: en su mayoría los órganos vecinos míos pueden soportar sin queja un trato muy rudo. Por desgracia, este no es mi caso. La naturaleza no me ha dotado de todos los medios de protección que necesito para vivir en el mundo de hoy. Por eso han adquirido proporciones de epidemia una serie de enfermedades de los pulmones. ¡Presta atención, Juan! 46 SOY EL INTESTINO DE JUAN* J. D. Ratcliff Cierto que a veces me quejo, pero ¿acaso no tengo derecho? Juan no hace más que comer (¿y hay que ver lo que come!), mientras yo soy el que trabaja. Soy el patito feo de la anatomía de Juan.1 Otros órganos se hacen notar mucho menos que yo. Siempre estoy recordándole a Juan que existo: con ruidos que lo incomodan, cólicos, exceso de actividad algunas veces y pereza en otras. Soy el tracto intestinal y mido ocho metros de longitud. Juan tiene una idea vaga de mí; piensa que soy un tubo enrollado dentro de su cuerpo. Pero soy mucho más que eso. Preferiría que me describieran como una complicada fábrica transformadora de alimentos. Juan cree que me alimenta, pero soy yo en realidad quien lo alimenta a él. Casi todo lo que come le resultaría tan mortífero como el veneno de una víbora si pasara directamente a su corriente sanguínea. Yo hago aceptables los alimentos; los transformo en componentes normales de su sangre: en nutrimento para sus billones de células, en energía para sus músculos. Convierto el tocino frito de su desayuno en ácidos grasos y glicerina. Transformo las proteínas de la chuleta de carnero en aminoácidos. Cambio en glucosa los carbohidratos de su puré de papas. Sin mis poderes químicos, Juan se moriría de inanición aunque comiera hasta la saciedad. Con excepción de la celulosa (de las cáscaras de nuez (sic), de los tallos del apio, etcétera), digiero virtualmente todo lo que Juan come y lo paso en seguida a su corriente sanguínea o linfática. Mis desperdicios finales están en parte compuestos de millones de bacterias muertas, de moco lubricante que he segregado y de restos de alimento que no puedo absorber. Mi estructura está maravillosamente adaptada a los procesos de la digestión. En primer término, junto al estómago está mi duodeno, que mide veinticinco centímetros de largo; le sigue mi yeyuno, con casi dos metros y medio de longitud y un diámetro de cuatro * En Selecciones del Reader’s Digest, mayo, 1984, pp. 21-28 1 Juan es un hombre común y corriente de 47 años de edad. En números anteriores de Selecciones ya han hablado de sí mismos varios órganos de su cuerpo. centímetros; luego, tres metros y medio de íleon, que es un poco más delgado; y por último, metro y medio de intestino grueso. Mi porción superior está casi totalmente libre de microbios, pues los fuertes ácidos del estómago los matan a casi todos. Mi porción inferior, el intestino grueso, aloja un verdadero parque zoológico microbiano, con más de cincuenta variedades y un contingente total que llega a billones de bacterias. Es bien sabido que la digestión empieza en la boca y en el estómago. La boca muele; el estómago bate y revuelve. Desde el estómago me pasa un chorro de alimento a través de una válvula o compuerta. Un vaso de agua puede llegarme a los diez minutos de beberla, pero una chuleta de cerdo acaso tarde cuatro horas. El alimento que el estómago me pasa es muy ácido; si me llegara de repente o en cantidad excesiva, dañaría mi recubrimiento interior y neutralizaría la acción de mis importantísimas enzimas digestivas. El problema del ácido lo resuelvo bastante bien. Mi duodeno produce una sustancia llamada secretina, que entra en la corriente sanguínea de Juan y estimula al páncreas para que produzca instantáneamente su alcalino jugo digestivo. Este jugo (alrededor de un litro al día) se vierte dentro del duodeno y netraliza los ácidos. Si este proceso fallara, Juan sufriría lo que él llama una úlcera del “estómago”. (En realidad, el 75% de las úlceras de este tipo se presentan en el duodeno). El jugo pancreático contiene también tres enzimas principales que desintegran las proteínas, las grasas y los carbohidratos para formar los sillares de la construcción orgánica. Hay otros fluidos que constantemente se vierten dentro de mí y que tienen diferentes orígenes: dos litros de saliva al día; tres litros de jugo gástrico que provienen del estómago; bilis procedente del hígado (que desintegra los glóbulos grandes de grasa, convirtiéndolos en muchas gotitas pequeñas, para que puedan actuar sobre ellas las enzimas pancreáticas); y dos litros de jugo intestinal que vienen de innumerables glándulas. En total ¡casi ocho litros! A simple vista, las tres porciones del intestino delgado tienen el interior de aspecto aterciopelado. Sin embargo, el microscopio revela intrincados dobleces, cavidades y protuberancias. Si mi pared interior fuera totalmente lisa, tendría solamente medio metro cuadrado de superficie absorbente; pero en realidad tiene más de ocho metros cuadrados. Quizá mis componente más 47 importantes son los millones de vellosidades (proyecciones microscópicas en forma de dedos que salen de mis paredes). Su función es tomar de mi interior el alimento ya digerido y ponerlo en circulación para que llegue a todo el cuerpo de Juan (las proteínas y los carbohidratos, por su corriente sanguínea; las grasas, por su sistema linfático). En toda su longitud, mis paredes están recubiertas de complicados grupos de músculos. Un grupo produce un movimiento de oscilación (mi unión con la pared del abdomen es muy laxa) que bate el alimento con sus jugos digestivos. Cuando estoy trabajando, hago de diez a quince de estos movimientos por minuto. Otro grupo muscular produce una acción ondulante; las ondas hacen avanzar varios centímetros mi contenido pastoso antes de extinguirse. Mis más de seis metros de intestino delgado no están nunca en completo reposo. Se requieren de tres a ocho horas para digerir una comida. Después, dejo pasar el húmedo contenido al intestino grueso, que le extrae el agua y la devuelve a la sangre. Esto es de vital importancia. Si Juan perdiera los ocho litros segregados en la producción diaria de jugos digestivos, muy pronto se convertiría en una momia seca. Una vez recuperada el agua, queda un residuo semisólido que guardo en la parte de mi colon más cercano al recto. En condiciones normales, el proceso de extracción del agua es lento: tarda de doce a veinticuatro horas. Muchas situaciones (tensión nerviosa, medicinas, procesos bacterianos) pueden acelerar mis movimientos, y entonces Juan tendrá diarrea. En otros casos (como son las preocupaciones y la mala alimentación) mi actividad tiende a menguar o a detenerse casi, y entonces Juan presentará estreñimiento. De estos dos trastornos, la diarrea es más seria, porque puede llevarlo a una deshidratación grave. Al igual que cualquier otro órgano, estoy sujeto al humor bueno o malo de Juan. Las emociones fuertes pueden detener por completo mis movimientos rítmicos. Y por eso a él no le interesa la comida cuando se enoja. Por lo que a mí toca, sería preferible que no comiera nada hasta que se calmara. Como muchas personas de su edad, Juan tiene diverticulosis. Pero no lo sabe. Lo que sucede es que mis paredes se debilitan y forman salientes como burbujas (su tamaño puede ser el de una uva). Estas protuberancias no importan mucho, a menos que se infecten. En este último caso se 48 presenta la diverticulitis (la terminación itis significa inflamación), que, aunque es un padecimiento raro, puede ser grave. La enteritis es una inflamación de mi recubrimiento interno, causada por virus, bacterias y sustancias químicas. Los síntomas son cólicos, náusea y diarrea. Juan ha tenido enteritis muchas veces y la llama “catarro intestinal”, pero no hay tal enfermedad. Generalmente la inflamación desaparece con uno o dos días de reposo y dieta blanda. La colitis ulcerativa –úlceras en el interior de mi intestino grueso- es otro de mis múltiples males. No sé cuál es su causa. Si la ulceración es leve, puedo curarme con ayuda del médico; si es extensa, las úlceras pueden perforar mi colon y producir hemorragias. Esto no le ha sucedido a Juan, pero si le llegara a pasar, tendrían que hacerle una operación importante. Como casi todas las personas, Juan se considera muy capacitado para curarse de los estreñimientos ocasionales. Pero yo preferiría que me dejara en paz. Juan debe tener muy presente que soy un órgano temperamental. Aunque me enfurruñe unos días, no le pasará nada malo: notará una sensación desagradable de llenura, pero mis desechos no van a envenenarlo. Ahora que ya no soy joven (como tampoco Juan), no digiero los alimentos con tanta eficiencia como antes. En otro tiempo Juan podía comer de todo sin que yo protestara; ahora ya no es así. Sin embargo, no le pido que se sacrifique a una dieta. Pero nos entenderíamos mejor si Juan observara siquiera algunas reglas de sentido común. Debería tener cuidado, por ejemplo, con los alimentos que producen mucho gas (cebolla, col, frijol) y evitar las comidas pesadas y grasosas. Debería comer mucha fruta, legumbres con hojas y cereales integrales; estos alimentos dejan residuos que me estimulan y ayudan. Debería beber más agua. Y, quizá más que nada, debería evitar esas situaciones de tensión emocional que tanto me trastornan. Sé muy bien que pido mucho, pero es el precio que exijo para trabajar con un mínimo de quejas. ESTUDIO LLEVADO A CABO SOBRE REPRESENTACIONES DE LA RESPIRACIÓN CELULAR EN LOS ALUMNOS DE BACHILLERATO Y COU* A. M. García Zaforas FUNDAMENTACIÓN Quizás influenciados por una dogmatización de la Ciencia que adolece de poca investigación en el aula y dejándonos llevar por inercia del ritmo que imponen los libros de texto, del lenguaje cotidiano que a veces interfiere con el científico, junto a la metodología usada por la mayoría de nuestro profesorado, propiciamos toda una serie de elementos que inducen a los alumnos frecuentemente a ideas conceptuales alternativas, siendo la investigación de algunas de ellas el objeto de este estudio. Centrándonos en el campo de las Ciencias Naturales, el concepto de que la vida de un organismo la mantiene el funcionamiento de sus células supone para la mayoría de nuestros alumnos un escalón difícil de entender, quizás por la poca estructuración con que se estudian los temas correspondientes al nivel orgánico y al nivel celular, o dicho de otra forma por la desvinculación que ofrecemos al alumno entre el mundo macroscópico y el microscópico, donde el primero encuentra su verdadera fundamentación fisiológica. La mayoría de nuestros alumnos cree saber lo que son las funciones de nutrición, pero que el estudio de ellas englobe la respiración y el oxígeno como nutriente, la circulación y la sangre como medio que transporta los nutrientes, la excreción que a su vez suelen confundir con egestión y, aún más, que todos estos procesos tengan sus últimas consecuencias a nivel de las células –donde se lleva a cabo el metabolismo celular- supone un engranaje que a una mayoría de nuestros alumnos les cuesta llegar a entender; uniéndole, además, la falta de motivación de la que gozan, causada, entre otros factores, por el papel pasivo a que los sometemos y al excesivo protagonismo del profesor, ambiente en el que habitualmente se desarrolla nuestra enseñanza hoy día. Concretemos más el tema mediante un ejemplo: por respiración entienden, nuestros alumnos, el simple intercambio de gases con el medio ambiente que se lleva a cabo con el aparato respiratorio y no van más allá en la cuestión, sin acabar de comprender que la verdadera respiración se lleva a cabo en cada una de nuestras células y que la función del aparato respiratorio es la de actuar de mero intermediario en todo el proceso de la respiración celular. Esto trae en consecuencia, errores conceptuales de grandes magnitudes, como es el caso de: ¡¡Si los vegetales carecen de aparato respiratorio que es el que lleva a cabo la respiración, pues será que no respiran!! Manifiestan así, según señalan Driver, Guesne y Tiberghien (1985), un razonamiento dominado por la percepción (los rasgos observables). Tampoco comprenden que el oxígeno sea un nutriente necesario para la célula, pero que al ser gaseoso se capta por distinta vía que los nutrientes líquidos y sólidos, aunque de igual manera que éstos su actuación se va a llevar a cabo en el seno de las células. Objetivo de la experiencia Apoyándonos en la teoría ausubeliana, el aprendizaje significativo se produce cuando los nuevos conocimientos conectan con las ideas previas que tienen los alumnos sobre el tema. El objetivo de esta experiencia es, pues, investigar y cuantificar la magnitud de las representaciones que poseen los alumnos (Driver, Guesne y Tiberghien 1985) sobre la función de respiración en los seres vivos, con vistas a provocar, si fuera necesario, el consabido cambio conceptual y metodológico que nos conduzca dentro de un paradigma constructivista a una enseñanza más racional y por tanto a un aprendizaje más significativo (Ausubel 1978). Hipótesis “Los alumnos de bachillerato y COU que cursan estudios de Ciencias Naturales presentan ideas alternativas respecto a la respiración celular”. El análisis del contraste de las respuestas dadas por los alumnos en los niveles de 1º, 3º y COU, nos permitirá observar la persistencia de estas representaciones (Furió, Carrascosa y Gil 1985). * En Enseñanza de las ciencias, vol. 9, núm. 2, 1991, pp. 129-134. 49 Recursos La estrategia utilizada para esta investigación ha consistido en la elaboración y contestación de encuestas, previamente comentadas y contrastadas por distintos profesores miembros del seminario didáctico. La muestra ha sido tomada en un solo centro, un instituto de bachillerato situado en zona urbana, donde predomina un alumnado de clase media-alta. Ha sido contestada por un alumnado no seleccionado, correspondientes a 50 alumnos de 1º de BUP, 53 alumnos de 3º de BUP y 49 alumnos de COU. En todos los casos estos alumnos habían estudiado ya los temas correspondientes a la nutrición celular. No hay que descartar, por tanto, que entre las respuestas correctas exista un porcentaje de lo que Hewson (1981), Ausubel (1978) y otros llaman memorización mecánica, que no llega a constituir aprendizaje significativo; pues, aunque de hecho las respuestas sean correctas, el alumno no sabe extrapolarlas a otro entorno o situación distinta a la aprendida. La encuesta que figura a continuación como Anexo I permite un sondeo de los esquemas conceptuales que tienen los alumnos sobre la respiración celular. Con ella se han perseguido los siguientes objetivos: 1º Detectar las representaciones de los alumnos sobre el proceso de respiración celular como fuente de energía de los seres vivos. 2º Detectar las representaciones sobre el lugar donde se lleva a cabo el proceso respiratorio y si éste es confundido con el simple intercambio de gases. 3º Detectar el grado de identificación de la respiración celular con una reacción química de la materia orgánica, para la que se necesita oxígeno y se desprende dióxido de carbono como producto de desecho. 4º Detectar las ideas que tiene los alumnos sobre el origen de la materia orgánica que se quema en la respiración; si ésta es adquirida por ingestión, como hacen los animales, o bien,, es fabricada por ellos mismos como hacen los vegetales verdes. 5º Investigar la consistencia de estas representaciones comparando las respuestas dadas por los alumnos a los distintos ítems. Tratamiento de los resultados A las respuestas a cada una de las cuestiones que plantea la encuesta se les ha aplicado un 50 X2, separadamente para el caso de animales y para el caso de vegetales, con objeto de saber, si las diferencias entre las frecuencias obtenidas en 1º, 3º, y COU para cada una de las preguntas llegan a ser significativas, lo que reflejaría un cambio en los esquemas conceptuales de los alumnos a lo largo de los niveles. X2= Ij (Oij-Eij)2 0= Frecuencias observadas Eij E= frecuencias esperadas Los resultados y su análisis Se han contabilizado solamente las respuestas dadas con un margen de seguridad superior a 5, suponiendo éstas un 95% del total de la muestra y siendo los resultados los siguientes: 1ª cuestión: “¿Respiran ¿Respiran los vegetales? los animales? Los porcentajes obtenidos de respuestas correctas (Si, los animales, Si, los vegetales) fueron los siguientes: 1º de BUP 3º de BUP COU Anim. Veg. Anim. Veg. Anim. Veg. 100% 100% 100% 100% 100% 100% El 100% de los alumnos de los tres niveles han respondido correctamente y aparentemente no tienen duda de ello, aunque podría darse el caso de ser un conocimiento declarativo (Haswen 1986) repitiendo fragmentos de lo aprendido, sin ser capaces de aplicarlo a la resolución de un problema de la vida cotidiana (conocimiento procedimental que muestra aprendizaje significativo). Por ello, se pasa a continuación a investigar lo que entienden por respiración, puesto que en estudios ya realizados (Stavy et. al 1987 obtuvieron respuestas en las que se contemplaba la fotosíntesis como un tipo de respiración, señalando en algunos casos que era una respiración inversa. 2ª cuestión: “¿La respiración consiste solamente en un intercambio de gases con el medio ambiente en animales y/o vegetales?” Los porcentajes de respuestas correctas (No, en animales. No, en vegetales) fueron los siguientes: 1º de BUP COU 3º de BUP Anim. Veg. Anim. Veg. Anim. Veg. 36% 47% 42% 60% 52% 55% Como puede apreciarse por los porcentajes, parte de los alumnos encuestados presentan la idea alternativa de que la respiración consiste solamente en un intercambio de gases con el medio ambiente, persistiendo además esta idea a lo largo de los tres niveles. La respuesta obtenida puede estar justificada si tenemos en cuenta que la pregunta está formulada desde un punto de vista perceptivo “Lo que se ve es lo que se cree”, siendo ésta una de las causas que señalan Osborne (1983) Driver y Erikson (1983) como origen de las ideas previas: “El pensamiento está dominado por la percepción”. La aplicación del X2 indica que no hay significación ni en las respuestas correspondientes a animales ni en las correspondientes a vegetales entre los niveles de 1º, 3º y COU, tratándose, por tanto, de una idea alternativa que persiste en los tres niveles. 3ª cuestión: “La verdadera respiración ocurre en las células y para ello se necesita oxígeno y se desprende dióxido de carbono”. Los porcentajes de respuestas correctas (Si, en animales. Sí, en vegetales) han sido los siguientes: 1º de BUP coherencia en los razonamientos, pues una gran mayoría contesta afirmativamente a la 2ª y a la 3ª pregunta a la vez, siendo ambas excluyentes. Estos resultados corroboran las obtenidas por Astudillo y Gené (1984) en su trabajo sobre: “Errores conceptuales en Biología. La fotosíntesis de las plantas verdes”. Así mismo, Driver, Guesne y Tiberghien (1985) señalan como uno de los rasgos generales que presentan las ideas alternativas el hecho de que “consideran sólo aspectos limitados de una situación dada, lo que dificulta la comprensión de interacciones entre varios elementos”. Un aspecto particular de esta atención limitada es la dificultad para percibir situaciones de equilibrio dinámico, como pueden ser muchas reacciones metabólicas. La aplicación del X2 indica que no existe significatividad en cuanto a los resultados obtenidos en los tres niveles estudiados. 4ª cuestión: Está planteada con el objetivo de comprobar si los alumnos relacionan la respiración como fuente productora de energía para las células “La respiración es un proceso para que las células produzcan energía por medio de una combustión”. Los porcentajes de respuestas correctas (Si, en animales. Sí, en vegetales) han sido los siguientes: 1º de BUP 3º de BUP Anim. Veg. Anim. Veg. Anim. Veg. 60% 56% 90% 30% 90% 59% COU COU 3º de BUP Anim. Veg. Anim. Veg. Anim. Veg. 100% 53% 96% 54% 96% 76% Gran parte de los alumnos encuestados piensan que los animales son distintos de los vegetales en cuanto a la respiración celular. Esta idea alternativa se mantiene sobre todo en los cursos de BUP subsanándose en parte en el nivel de COU. Se aprecia además poca Nuevamente aparecen ideas alternativas; en 1º de BUP, un 40% del grupo no relaciona la respiración como fuente energética ni en animales ni en vegetales. En los grupos de 3º y COU, esta representación decrece su porcentaje en animales, pero persiste en vegetales. Dreyfus y Jungwirth (1988) ponen de manifiesto la idea alternativa de que sólo algunas células producen energía y fabrican proteínas. Algo semejante ocurre con Gayfor (1986) en su artículo: “Some aspects of the problems of teaching about energy en school 51 biology”, donde la respiración no se identifica como proceso productor de energía. Según la respuesta obtenida en esta cuestión, en los niveles de 3º y COU se observa que los alumnos dan un tratamiento muy diferente en cuanto a la producción de energía en la célula animal de la célula vegetal. ¿Será porque identifican la respiración en vegetales con el proceso de fotosíntesis? En los siguientes ítems se investiga esta cuestión. La aplicación del X2 muestra nuevamente que no hay significatividad entre los niveles de 1º, 3º y COU, siendo por tanto persistente esta representación a lo largo del bachillerato y COU. 5ª cuestión: Es una ampliación de la pregunta número 3. Introduzco aquí el concepto de materia orgánica como sustrato que “se quema” en la respiración celular. Además en esta pregunta y la siguiente entro en relación con el concepto de nutrición autótrofa y heterótrofa, en el momento en que planteo la pregunta como: “La materia orgánica y el oxígeno que toman los seres vivos son llevados hasta las células para intervenir en la respiración y expulsar dióxido de carbono”. Los porcentajes de respuestas correctas (Si, en animales. No, en vegetales) han sido los siguientes: 1º de BUP 3º de BUP COU Anim. Veg. Anim. Veg. Anim. Veg. 83% 96% 67% 00% 96.5% 50% Resulta muy significativo en la observación de estos porcentajes como el error conceptual de que los vegetales toman la materia orgánica, va decreciendo desde un 50% en 1º de BUP, un 33% en 3º hasta llegar a un 3.5% en COU. La posible explicación que se le puede dar a estos datos sea quizás la falta de conceptos claros a nivel de 1ol BUP de lo que es la materia orgánica, con lo que pretendo corroborar la idea que Pedro Cañal y Soledad García (1987) sacan a la luz en su artículo “La nutrición vegetal, un año después. Un estudio de caso de 7º de EGB”, donde dicen textualmente: “En general estos alumnos carecen de conceptualización adecuadas sobre lo que es inorgánico u orgánico...” 52 Aplicando X2 no resulta significativo en animales ni en vegetales, aunque en estos últimos queda muy cercano al límite de significatividad. 6ª cuestión: Esta pregunta es la complementaria a la anterior; se da la otra versión, redactándola: “No ingieren la materia orgánica sino que la fabrican...” Por tanto la comparación de las respuestas obtenidas en uno y otro caso nos va a permitir medir la consistencia que tienen estas ideas en nuestros alumnos. Los porcentajes de respuestas correctas (No, en animales. Sí en vegetales) han sido los siguientes: 1º de BUP 3º de BUP COU Anim. Veg. Anim. Veg. Anim. Veg. 30% 41% 50% 47% 26% 37% Por los porcentajes obtenidos se puede deducir que incluso a nivel de COU la mitad de los alumnos contesta incorrectamente. Este resultado viene a coincidir con lo que Bell (1985) señala en su artículo “Student’s ideas about plant nutrition: what are they?” los alumnos poseen concepciones alternativas sobre la forma en que los vegetales obtienen la comida, así como, a otros conceptos derivados de la fotosíntesis respecto a intercambios gaseosos, producción de energía, etc. Otros estudios llevados a cabo por Wandersee (1983, 1985) en Estados Unidos, Stavy et al (1987) en Israel, y Bell y Brook (1984) en el Reino Unido han mostrado la dificultad que tienen los adolescentes para comprender la fotosíntesis, y al preguntarles de dónde procede el alimento de las plantas, la mayoría contestaron que del suelo. La aplicación del X2 muestra nuevamente que no existe significatividad entre las respuestas dadas en los tres niveles ni en el caso de animales ni en el de vegetales. 7ª cuestión: Como conclusión a la encuesta planteada, quise indagar someramente, los conceptos que nuestros alumnos tienen sobre el tema a nivel microscópico. Este es el objeto de las preguntas Nº 7 y 8 donde introduzco “mitocondrias” y “cloroplastos”, partiendo dela hipótesis de que el alumnado no delimita claramente el papel que desempeña cada uno de estos orgánulos mencionados; con ellos “juego” en estas dos últimas preguntas: “Las mitocondrias son los orgánulos más implicados en el proceso de respiración de las células”. plantas verdes equivale al de la respiración en animales. X2 aplicado a estas respuestas sale nuevamente con significatividad negativa. Los porcentajes de respuestas correctas (Sí, en animales. Sí en vegetales) obtenidas han sido los siguientes: 1º de BUP 3º de BUP COU Anim. Veg. Anim. Veg. Anim. Veg. 93% 40% 78% 100% 55% 48% 8a cuestión: “¿Son los cloroplastos los orgánulos implicados en el proceso de la respiración celular en animales y/o vegetales?” Los porcentajes de respuestas correctas (No, en animales. No, en vegetales) obtenidas han sido las siguientes: 1º de BUP 3º de BUP Anim. Veg. Anim. Veg. Anim. Veg. 96.7% 33.4% 97% 18% 100% 48% COU Se aprecia un nuevo error conceptual y además de gran persistencia. Se trata, de que en un gran porcentaje los alumnos piensan que los vegetales no usan las mitocondrias para la respiración celular (cuestión Nº 7) y que esta función se lleva a cabo en los cloroplastos (cuestión Nº 8). Nuevamente se ponen de manifiesto ideas alternativas que vienen a corroborar trabajos citados con anterioridad (Astudillo y Gené 1984) y otros, llegando a la conclusión de que los alumnos piensan que el proceso de fotosíntesis en las 53 ASÍ ES LA BIOLOGÍA Ernst Mayr LAS CARACTERÍSTICAS QUE DISTINGUEN LA VIDA En la actualidad, cuando uno consulta a biólogos o a filósofos de la ciencia, parece existir un consenso sobre la naturaleza de los organismos vivos. A nivel molecular, todas sus funciones –y a nivel celular, casi todasobedecen las leyes de la física y la química. No existe ningún residuo que obligue a recurrir a principios vitalistas autónomos. Sin embargo, los organismos son fundamentalmente diferentes de la materia inerte. Son sistemas ordenados jerárquicamente, con numerosas propiedades emergentes que no se observan nunca en la materia inanimada; y lo más importante es que sus actividades están gobernadas por programas genéticos que contienen información adquirida a lo largo del tiempo, algo que tampoco se da en la naturaleza no viva. En consecuencia, los organismos vivos representan una forma muy notable de dualismo. No se trata de la dualidad cuerpo y alma, o cuerpo y mente, que es una dualidad en parte física y en parte metafísica. El dualismo de la biología moderna es perfectamente compatible con la físicaquímica, y surge del hecho de que los organismos poseen un genotipo y un fenotipo. Para entender el genotipo, consistente en ácidos nucleicos, se precisan explicaciones evolutivas. El fenotipo, construido sobre la base de la información aportada por el genotipo –y consistente en proteínas, lípidos y otras macromoléculas-, exige para su comprensión explicaciones funcionales (próximas). No se conoce una dualidad semejante en el mundo inanimado. Para explicar el genotipo y el fenotipo se necesitan diferentes tipos de teorías. Permítaseme citar algunos de los fenómenos específicos de los seres vivos: Programas evolucionados. Los organismos son el producto de 3.800 millones de años de evolución. Todas sus características reflejan esta historia. El desarrollo, el comportamiento y todas las demás actividades de los organismos vivos están controlados en parte por programas genéticos (y somáticos) que son el resultado de la información genética acumulada a lo largo de la historia de la vida. Históricamente, ha habido una corriente 54 ininterrumpida desde el origen de la vida y los procariontes más simples hasta los árboles gigantes, los elefantes, las ballenas y los seres humanos. Propiedades químicas. Aunque, en último término, todos los organismos están compuestos por los mismos átomos que la materia inanimada, los tipos de moléculas responsables del desarrollo y funcionamiento de los organismos vivos –ácidos nucleicos, péptidos, enzimas, hormonas, componentes de las membranas... –son macromoléculas que no existen en la naturaleza no viva. La química orgánica y la bioquímica han demostrado que todas las sustancias encontradas en los organismos vivos se pueden descomponer en moléculas inorgánicas más simples y, al menos en principio, se pueden sintetizar en laboratorio. Mecanismos reguladores. Los sistemas vivos se caracterizan por poseer toda clase de mecanismos de control y regulación, incluyendo múltiples mecanismos de retroalimentación que mantienen el estado estacionario del sistema, de un tipo que jamás se ha hallado en la naturaleza inanimada. Organización. Los organismos vivos son sistemas complejos y ordenados. Esto explica su capacidad de regulación y control de las interacciones del genotipo, así como sus limitaciones de desarrollo y evolución. Sistemas teleonómicos. Los organismos vivos son sistemas adaptados, como resultado de la selección natural a que se vieron sometidas incontables generaciones anteriores. Se trata de sistemas programados par actividades teleonómicas (dirigidas a un objetivo), desde el desarrollo embrionario hasta las actividades fisiológicas y de comportamiento de los adultos. Orden de magnitud limitado. El tamaño de los organismos vivos varía dentro de unos límites reducidos, desde los virus más pequeños hasta las ballenas y los árboles más grandes. Las unidades básicas de la organización biológica –las células y los componentes celulares- son muy pequeñas, lo cual confiere a los organismos gran flexibilidad de desarrollo y evolución. Ciclo vital. Los organismos –al menos lo que se reproducen sexualmente- recorren un ciclo vital muy concreto, que comienza con un zigoto (óvulo fecundado) y pasa por varias fases embrionarias o larvarias hasta llegar al estado adulto. Las complejidades del ciclo vital varían según las especies, y en algunas incluyen la alternancia sexuales y asexuales. de generaciones Sistemas abiertos. Los organismos vivos obtienen constantemente energía y materiales del exterior, y eliminan los productos de desecho de su metabolismo. Al ser sistemas abiertos, no están sometidos a las limitaciones de la segunda ley de la termodinámica. Estas propiedades de los organismos vivos les confieren una serie de capacidades que no existen en los sistemas inanimados: - Capacidad de evolución. - Capacidad de autorreplicación. - Capacidad de crecimiento y diferenciación, siguiendo un programa genético. - Capacidad de metabolismo liberación de energía). (captación y - Capacidad de autorregulación, para mantener el complejo sistema en estado estacionario (homeostasis, retrolalimentación). - Capacidad (gracias a la percepción y a los órganos de los sentidos) de responder a estímulos del ambiente. - Capacidad de cambio a dos niveles, el del fenotipo y el del genotipo. Todas estas características de los organismos vivos los distinguen categóricamente de los sistemas inanimados. La aceptación gradual de este carácter único que diferencia al mundo vivo dio origen a la rama de la ciencia llamada biología, y ha conducido al reconocimiento de la autonomía de esta ciencia, como veremos en el Capítulo 55 LA MÁS BELLA HISTORIA DEL MUNDO Hubert Reeves Joel de Rosnay Yves Coppens Dominique Simonnet LA EXPLOSIÓN DE LAS ESPECIES Las células, demasiado tiempo solitarias, se tornan solidarias. Se despliega un mundo lleno de colores: nacen las especies, mueren, se diversifican. La vida crece y se multiplica. La solidaridad de las células - En esta etapa de nuestra historia, la Tierra está poblada de células que viven apaciblemente en los océanos y que muy bien pudieron continuar así... - Pero llega un momento en que se ven obligadas a evolucionar. Las primeras células, que proliferan, se envenena con los desechos que ellas mismas arrojan al entorno. Desde un comienzo la vida muestra una tendencia natural a agrupar a los individuos. Las sociedades “celulares” poseen ventajas evolutivas evidentes. Están mejor protegidas, sobreviven mejor que las células aisladas. - ¿Cómo se van a constituir? - El comportamiento de una ameba, el dycostelium, que hoy vive todavía, nos puede ayudar a saberlo. Se alimenta de bacterias. Si se la priva de alimento y de agua, emite una hormona de ansiedad. Se le unen otras amebas y se aglomeran en una colonia de cerca de un millar de individuos que se desplazan en busca de alimento. Si no lo encuentran, se fijan, desarrollan un tallo con esporas y así se quedan indefinidamente, en plena sequía. Si aparece agua, las esporas germinan y producen amebas independientes que se marchan cada una por su lado... Los vólvox, pequeñas células provistas de flagelos, se comportan del mismo modo: en un medio pobre en sustancias nutritivas, secretan una especie de gelatina, se pegan unas con otras y se desplazan en la misma dirección, con los flagelos en la parte exterior, de un modo coordinado, como formando una sola y la misma entidad. 56 - ¿Así se constituyeron organismos multicelulares? los primeros - Es probable que una lógica semejante de socialización haya actuado en los comienzos de la vida. Las primeras asociaciones de células utilizan una especie de cañería central, una suerte de cloaca general para evacuar desechos. Otras tienen forma ahusada, adelante poseen un sistema de coordinación y atrás o a los costados un sistema de propulsión. De este modo se mantienen juntas. - ¿A qué se parecen estos primeros conjuntos de células? - Están compuestos por varios miles de individuos y forman pequeñas jaleas transparentes; son los primeros organismos marinos, gusano, esponjas, medusas primitivas. Esta transformación ocurre en un lapso de sólo algunos cientos de miles de años. La evolución se acelera. La división del trabajo - Estos nuevos ensamblajes son muy distintos de los anteriores. - Sí. La materia suele estar hecha de apilamientos de átomos idénticos unos a otros. En el mundo viviente, las células se diferencian según el lugar que ocupan en la estructura. Algunas se van a especializar en la locomoción, otras en la digestión, y otras en la acumulación de energía. Poco a poco, reproduciéndose en el curso de las generaciones, estos organismos transmiten sus propiedades a su descendencia. - ¿Y se puede fenómeno por sobrevivir? seguir explicando este la mera urgencia de - Sí. El organismo compuesto por células especializadas resiste mejor que un conjunto de células idénticas, pues puede responder de distintos modos a las agresiones del entorno, lo que le concede mejores posibilidades de supervivencia. Los sistemas monolíticos siempre han terminado por desaparecer. - ¿Pero qué empuja a estas células a asociarse? Desde luego, no se dicen “esto nos conviene para sobrevivir”... - ¡Por supuesto que no! Las células no saben, es obvio, que les interesa sobrevivir. Pero poseen mecanismos de aproximación que las invitan a ligarse a sus semejantes, e intercambian sustancias unas con otras. El juego de esta comunicación química y de los pequeños cambios que afectan sus genes termina por especializarlas. Se establece entonces una topografía en el grupo de células. Una medusa, por ejemplo, posee un sistema de contracción para desplazarse y un sistema sensorial que le permite dirigirse hacia el alimento. El plan del conjunto está contenido en cada una de las células. Basta con una para que vuelva a empezar la organización. - A pesar de todo, las células que permanecieron solitarias consiguieron sobrevivir y algunas lo han hecho hasta hoy. ¿Por qué no se reagruparon éstas? - Porque estaban bien adaptadas a su entorno. Es el caso de los paramecios y las amebas: una sólida membrana las protege y están equipadas con cilios vibrátiles que les permiten desplazarse con facilidad; disponen de manchas fotosensibles que les señalan la luz y de enzimas eficaces que digieren toda suerte de presas. Una bacteria posee hasta una especie de olfato: receptores químicos que comunican con su flagelo y la guían hacia los medios con mayor abundancia de alimento, como si sintieran el olor de la comida. ¡Viva el sexo! - ¿Y cómo van a continuar su evolución los organismos de varias células? - El árbol de la vida se desarrolla en tres grandes ramas a partir de los seres pluricelulares más simples, como las algas, las medusas, las esponjas: la de los champiñones, los helechos, los musgos, las plantas de flor; la de los gusano, los moluscos, los crustáceos, los arácnidos, los insectos, y la de los peces, los reptiles, los procordados, luego las aves, los anfibios, los mamíferos... - Y después viene una invención mayor: el sexo. Hasta entonces las células se reproducían, en el sentido propio del término: de manera idéntica. Con el sexo, dos seres vivos procrean un tercero que es distinto de ellos dos. ¿Quién fue el astuto que lo inventó? - Según algunas hipótesis, el sexo habría nacido del... canibalismo: al comerse unas a otras, las células habrían integrado los genes de otras especies, que luego se habrían mezclado. Este fenómeno existe en las bacterias: algunas, bautizadas más y menos, se aparean e intercambian su material genético. En seguida, a medida que los organismos se tornan más complejos, se van a dotar de células especializadas en la reproducción, las células germinales, que incluyen, cada una, la mitad de los genes de su organismo. La sexualidad se generaliza. - Y desde ese momento el mundo viviente se hace más y más variado. - Es una revolución. La naturaleza puede combinar genes gracias a la sexualidad. Estalla la diversidad. Comienza la gran aventura de la evolución biológica; va a experimentar innumerables ensayos fracasado, pistas que no llevan a ninguna parte, especies que no sobreviven... La naturaleza pone a prueba en gran escala: si la especie inventada no se adapta, desaparece. - ¿Por qué la sexualidad se estabilizó entre dos? ¿Por qué no entre tres? - La mezcla de genes pone en juego, con los dos filamentos del ADN, un proceso de duplicación. Para combinar dos pares de cromosomas en un huevo fecundado, se necesita una maquinaria biológica extremadamente compleja. Y lo sería aún más si tuviera que mezclar tres patrimonios genéticos. Si hubo especies que inventaron una sexualidad de este tipo, no han sobrevivido. La muerte necesaria - Y se produce otro fenómeno decisivo: la introducción del tiempo en el organismo, es decir el envejecimiento y, en última instancia, la desaparición del individuo, la muerte. ¿No se pudo prescindir de esto? - La muerte es tan importante como la sexualidad: vuelve a poner en circulación los átomos, las moléculas, las sales minerales que necesita la naturaleza para continuar desarrollándose. La muerte realiza un gigantesco reciclaje de unos átomos cuyo número es constante desde el Big Bang. Gracias a ella, la vida animal se puede regenerar. - ¿Estaba presente organismos? desde los primeros - Sí, también envejecen las medusas. Las células no dejan de reproducirse en todos los seres vivientes, pero poseen un oscilador químico, una especie de reloj biológico interno que limita la cantidad de sus reproducciones: entre cuarenta y cincuenta. Cuando llegan a esta fase, un mecanismo 57 programado en sus genes las conduce a una especie de suicidio. Mueren. Sólo las células cancerosas eluden esta fatalidad: se reproducen indefinidamente, sin especializarse ni diferenciarse como lo hacen las células embrionarias. - Pero su inmortalidad provoca la muerte del organismo a que pertenecen... ¿Se puede decir que la muerte es una necesidad de la vida? - Totalmente. Pertenece a la lógica de lo viviente. A medida que las células se dividen, multiplican los errores de sus mensajes genéticos y éstos se acumulan en el curso del tiempo. Finalmente hay tantos errores que el organismo se degrada y muere. Es un fenómeno ineluctable. La muerte no es, por cierto, un regalo para el individuo, pero sí lo es para la especie: le permite conservar su nivel óptimo de desempeño. - ¿Qué más puede hacer la evolución una vez que conoce el sexo y la muerte? - Perfeccionarse. El mundo viviente va a seleccionar un modo de fabricar energía; utilizando los azúcares como alimento, va a enriquecer su metabolismo y desarrollar músculos, lo que le permitirá actuar, nadar, volar, correr,, conquistar el mundo. Simultáneamente, los captores, que son los sentidos, coordinan las actividades del organismo. Aparecen tres grandes novedades: el sistema inmunitario, que asegura protección contra parásitos o virus; el sistema hormonal que permite el control de los ritmos biológicos y de la reproducción sexuada, y el sistema nervioso, que rige la comunicación interna. - ¿Cuándo aparece este último? - Los primeros organismos, medusas, peces primitivos, necesitan coordinar sus células para reproducirse. Cuentan por lo tanto con canales especializados por donde circula la información. Un gusano, que apenas está compuesto por algunos miles de células, posee fibras nerviosas que convergen en su cabeza, ganglios. En el curso de la evolución, este dispositivo se va a ramificar para formar una red de neuronas interconectadas que se reunirán en un cerebro. De hecho, los tres sistemas, nervioso, hormonal e inmunitario, aparecen apenas los animales salen del agua. 58 El regalo de las lágrimas - ¿Qué los impulsa a salir del agua? - Las especies pululan en los océanos. Reina la competencia. Aventurarse a tierra firme parece ventajoso para conseguir alimento, pero volviendo al océano para poner los huevos. El primero que experimentó esta fórmula fue sin duda un pez extraño, el ictiostega. Posee grandes aletas, vive en pequeñas lagunas y saca del agua de vez en cuando sus ojos globulosos para buscar pequeños insectos. En el curso de las generaciones, los descendientes de esta especie se arriesgan más tiempo en tierra firme gracias a unas branquias que les permiten capturar oxígeno del aire, pero también gracias a las lágrimas: tienen que conservar húmedos los ojos para poder ver tan bien en tierra como en el agua. La especie mejora por sucesivas selecciones: las aletas se tornan más sólidas, aparece una cola. Sus descendientes serán los batracios y los anfibios. ¡No estaríamos aquí si este pez no hubiera tenido lágrimas! - ¿La vida al aire libre favorece la evolución? - Sí. La comunicación es más inmediata en el aire, más rápida, más sencilla. Y mayor la accesibilidad del alimento. Sin embargo, el oxígeno es un veneno para la vida: contribuye al nacimiento de radicales libres, moléculas desequilibradas, que inducen la destrucción celular y por lo tanto el envejecimiento precoz; pero es esencial para dotar de energía a los organismos y hacer avanzar la evolución. - ¿Y cómo van a acelerar el perfeccionamiento de los organismos estas restricciones del medio? - Con la aparición del esqueleto, los animales se tornan más sólidos y se liberan del peso. La invención de los músculos les permite dejar de ser bolas de gelatina muelle como los gusanos de tierra o las medusas; ahora pueden ejercer presión mecánica sobre el entorno, soportar el peso de la grasa protectora y del cerebro. Todo se diversifica: el metabolismo, los sistemas de locomoción... Durante este tiempo se seleccionan en las plantas los sistemas para captar la energía solar con las hojas y para transportar energía con la savia. El olfato de los vegetales árboles se “avisan”, a distancia, la presencia de un agresor. - Y por qué los vegetales no desarrollaron todas estas maravillas que aportaron los animales? - ¿”Avisan”? - Con la excepción de las algas, que evolucionaron en la superficie de los océanos, los vegetales se ingeniaron un camino más económico gracias a su inmovilidad, que les permite gastar menos energía. Su modo de vida es sencillo: fotopilas para transformar directamente la energía solar en energía química, raíces para extraer sales minerales y agua... Lo astuto es su sistema reproductor, que es móvil y utiliza variados medios. También los vegetales han heredado una sexualidad muy rica y están adaptados maravillosamente bien. Basta, para comprobarlo, observar un champiñón al pie de una secoya gigante de varios miles de años de edad. O, sencillamente, basta mirar los triviales pinos de montaña. - ¿En todo caso se puede afirmar que los animales son los que han llegado más lejos en cuanto a complejidad? - Y en qué se advierte que resultan de una buena adaptación? - Necesitan de una determinada temperatura para desarrollarse en el bosque. Tal como las margaritas de nuestro planeta imaginario, los árboles sombríos y negros capturan mejor el débil resplandor solar, calientan el entorno inmediato y crean un microclima favorable para su crecimiento. Pero en invierno se cubren de nieve y quedan blancos. Si se mantuvieran así demasiado tiempo, ya no podrían asegurar las condiciones propicias. Ahora bien, como tienen las ramas inclinadas hacia abajo y en punta, la nieve se sostienen menos tiempo; recuperan su color y se calientan rápidamente. La evolución ha mantenido el tipo de árbol que mejor resiste la intemperie. Por eso hay pinos en las montañas... - ... y uno se maravilla por esa fantástica adaptación. Una pregunta ingenua. ¿por qué los vegetales no desarrollaron un cerebro? - Seres inmóviles no necesitan funciones complejas de coordinación. No les impulsa la necesidad de huir o de luchar como los animales. Comenzamos, no obstante, a descubrir, en las plantas, una forma de sistema inmunitario, un sistema de comunicación e incluso un homólogo del sistema nervioso. Los vegetales poseen sofisticados mecanismos que los protegen contra invasores: una suerte de “hormona” vegetal les permite, por ejemplo, movilizar sus defensas. Se sabe, también que los - Sí. Cuando están en presencia de animales predadores que les quieren comer las ramas bajas, algunos árboles emiten productos volátiles que transportados de árbol en árbol modifican la producción de proteínas y dan a las hojas un gusto desagradable. ¡Yo no iría tan lejos, sin embargo, como para decir que hay que hablar con las plantas de interior! - Es verdad que el mundo animal, en efecto, demuestra mayor exuberancia que el mundo vegetal en su adaptación al medio: hay especies que corren, que excavan, que nadan, que vuelan, que se arrastran... Los animales desarrollan innumerables trucos, desde las presiones del abejorro hasta los tentáculos del pulpo, inventan trampas, cebos, armas, garras, alas, picos, aletas, caparazones, tentáculos, veneno... La exclusión natural - Cuando se dice “inventan”... - No inventan. El fenómeno de la “selección” elimina a los menos aptos. Consideremos por ejemplo los gorriones de gran pico que se alimentan exclusivamente de pequeños gusanos ocultos en agujeros de los árboles. Son tan numerosos y activos que terminan por eliminar todos los gusanos que hay en la superficie de las cortezas. Sin alimento, la mayor parte muere. Pero unos pocos poseen, por una mutación ocurrida al azar, un pico en punta y más largo que el de los otros. Sus descendientes pueden ir a buscar gusanos en agujeros más profundos y resisten mejor la escasez. Resultado: este linaje se impone. Con el curso de las generaciones, la mayoría de la especie va a poseer un pico más largo. No se puede decir, sin embargo, que los gorriones “inventaron” este recurso. En realidad es al revés: murieron los que no tuvieron la fortuna de una mutación que les dio un pico más largo. - En el proceso de evolución entonces, intencionalidad. no hay, - No. La evolución intenta miles de soluciones al mismo tiempo; unas tienen éxito y otras no. Se conservan, por definición, las que permiten sobrevivir. 59 - ¿Y el medio no actúa directamente sobre la evolución? - Hoy se considera que quizás tiene alguna influencia en el comportamiento de las células, por intermedio de las mitocondrias, esas fábricas que en el interior de las células poseen planes genéticos independientes y son muy sensibles a los cambios. Pero esto no se trasmite a la descendencia. - ¿Entonces el principio de la selección natural sigue siendo pertinente hoy? - Sí, pero a condición de que no se vea en ello la noción de un entorno demiurgo que decidiría lo que está bien y lo que no. Esto se mantiene y esto se desecha. No. Hablemos, mejor, de exclusión competitiva: en el curso de las generaciones, se excluye a las especies menos adaptadas. Para comprender bien este fenómeno hay que contar con el curso del tiempo y pensar en una larga cadena de generaciones sucesivas que se modifican muy lentamente. - Una mayoría aplastante de soluciones, de especies inventadas por la naturaleza, desaparece. ¿No hay momentos en que la evolución haya intentado detenerse, en que el mundo viviente puede hallar estabilidad, como las margaritas de nuestro planeta? - No. La diversidad es enorme desde el comienzo de la vida. Retomando la metáfora de Hubert Reeves, hay demasiadas letras como para que sólo formen una palabra única. ¿La estabilidad de alguna especie gastada ha podido establecerse en algún pequeño asteroide, constituyendo una suerte de compromiso o armisticio de la evolución? Pero no en la Tierra, que tiene unas dimensiones, una geología, una biosfera, una relación entre lo mineral y lo orgánico y un entorno en cambio constante que obliga a las especies a modificar su adaptación y evolucionar. - Y eso ocupa algunos cientos de millones de años. - Sí. Esta selección actúa sobre millones de generaciones sucesivas. Los mecanismos sensoriales se afinan, los comportamientos se diversifican. Algunas especies se asocian y forman un verdadero organismo colectivo. Un panal de abejas, por ejemplo, mantiene la temperatura gracias al movimiento de las alas de los insectos; está irrigado por las hormonas que resultan del frotamiento de los insectos. Cuando las abejas dejan el panal para buscar alimento, indican con una danza las fuentes más cercanas. Así el panal 60 economiza energía; optimiza sus posibilidades de sobrevivencia. Lo mismo ocurre con las hormigas: mantienen a las larvas, ayudan a la reina, se reparten las tareas, un poco como las células del vólvox, y aseguran el equilibrio del organismo hormiguero. Si se quita el treinta por ciento de las obreras, el conjunto se va a adaptar y restablecerá la proporción. - Pero las hormigas no son comportamientos autónomos. capaces de - E incapaces de planificar. Se comunican individualmente por las feromonas, pero también colectivamente por el entorno: una hormiga joven va a aprender las redes, los caminos que han trazado sus congéneres. El comportamiento simultáneo de miles de individuos conduce a una forma de inteligencia colectiva. La hormiga, por ejemplo, sabe escoger el camino más corto para traer alimento. Este modo de asociación ha tenido bastante éxito, porque las hormigas existen hace millones de años. Si el planeta experimentara una guerra nuclear, es probable que sobrevivan gracias al caparazón que les permite resistir las radiaciones y gracias a su modo de organización. El infortunio de los dinosaurios - Un mundo de hormigas y de bacterias... Hermosa perspectiva. En el curso de este relato se puede apreciar que, como la del universo, la evolución de la vida ha sido, por lo menos, caótica. - Sí. Ha experimentado una aceleración constante, pero también crisis, caminos sin salida y periodos de grandes extinciones. Los dinosaurios reinaban en el planeta hace doscientos millones de años. Las especies jamás habían logrado conquistar, como ellos, todos los ambientes. Había pequeños, enormes, vegetarianos, carnívoros, corredores, voladores, anfibios... Una diversidad formidable, que les permitió adaptarse a sus entornos. - Y sin embargo desaparecieron... ¿Entonces es estúpida la hipótesis de que eso se debió a su mala adaptación? - Totalmente. A finales del jurásico, hace sesenta y cinco millones de años, cayó en el Golfo de México, cerca de Yucatán, un enorme meteorito de cinco kilómetros de diámetro. El choque fue tal que repercutió al otro costado del planeta y provocó un resurgir de magma. Este golpe doble creó un incendio mundial, se abrasaron los bosques, se liberó gas carbónico y polvaredas cubrieron la Tierra con un velo inmenso. El planeta se oscureció, se produjo un frío terrible y, probablemente, un posterior efecto invernadero que condujo a un recalentamiento. - ¿Sólo sobrevivieron algunas especies? - Sí. Es el caso de los lemures, que son muy móviles, adaptables y están provistos de manos prensiles. Se refugiaron en las grietas de las rocas y originaron los linajes que condujeron a los mamífero. Éstos adquirieron una nueva ventaja para asegurar la supervivencia de su descendencia: llevar el huevo internamente lo protege mucho más que si queda en el exterior. Pensemos en los batracios, que ponen miles de huevos que se dispersan, son comidos, se pierden... La selección en la cabeza - ¿En qué momento aparece verdaderamente el verdadero cerebro? - Desde los peces, y después con los vertebrados, los pájaros, los reptiles, los anfibios y el hombre, el cerebro no ha cesado de perfeccionarse por estratos sucesivos. Primero, el más primitivo: el de los reptiles, que coordina los instintos primarios de supervivencia, hambre, sed, el instinto sexual, el miedo, el placer que impulsa a la unión y el dolor que no se le puede disociar. Ante un intruso, el cerebro primitivo reacciona y conduce al organismo a producir un veneno o a saltar sobre el agresor... Segundo estrato, en los pájaros: el mesoencéfalo, que conduce a mecanismos colectivos como el cuidado de los pequeños, la construcción del nido, la búsqueda de alimento, el reparto, el canto, las exhibiciones amorosas... El tercer estrato aparece en seguida en los primates y sobre todo en el hombre: la corteza cerebral que proporciona datos abstractos, la conciencia, la inteligencia. - Lo más asombroso es este principio de selección, que se encuentra por todas partes, en el universo, en la primera química de las moléculas, en los seres vivos y, si debemos creer al neurobiólogo Jean Pierre Changeux, en el interior mismo del cerebro cuando se desarrolla en un recién nacido. - El desarrollo del sistema nervioso también obedece, en efecto, al principio darwiniano de la selección. Cuando crece un pequeño animal, sus neuronas se relacionan mediante un sistema que obedece a un plan de orden genético. Pero el empalme entre dos neuronas sólo subsiste si éstas funcionan en un circuito, si el entorno las solicita. Las neuronas visuales de un recién nacido no se conectan si a éste se le mantiene continuamente en la oscuridad. Hay, pues, de algún modo, una selección que sólo mantiene los circuitos pertinentes. Aprender es eliminar. - Según el antropólogo Stephen J. Gould, cada suceso, por insignificante que sea, influye el curso de la historia. Como en La vie est belle, la película de Frank Capra, basta modificar una nadería para que todo cambie con toda una catarata de consecuencias. Si no hubiera aparecido el pikaia, un gusano que está en el origen mismo de nuestro linaje, o si hubieran sobrevivido los dinosaurios, no estaríamos aquí. No habría ningún sentido, según él, en la evolución. Ésta no retendría a los mejor adaptados, sino a los más afortunados. La vida quizás fuera un acontecimiento probable, pero el hombre un verdadero afortunado. - Si los lemures no hubieran sobrevivido ni podido alimentarse de bayas en sus agujeros mientras desaparecían los dinosaurios, no estaríamos aquí. No hay una intención oculta en esta historia. Pero el resultado es que aumenta la complejidad. Si existen planetas que se hayan desarrollado en las mismas condiciones que la tierra, no es improbable que esos seres existan y que no se diferencien de nosotros más que un avestruz de un cocodrilo: cuatro miembros, dos ojos, un cerebro, sistemas locomotrices. Y hay una fuerte posibilidad de que estén en el mismo punto evolutivo que nosotros... No se puede afirmar que exista una ley que impulse a la complejidad. Pero comprobamos que alguna cosa se organiza y conduce a una inteligencia cada vez mayor y más desmaterializada. Quizás la historia de la evolución es el artefacto de una conciencia que adquiere conciencia de sí misma. La memoria de los orígenes - Sólo el cerebro humano se interroga sobre sí mismo... ¿Esto le distingue de los demás? - No sólo eso. Es capaz de exteriorizar funciones en el medio. La herramienta prolonga la mano. El hombre puede hacer hoy todo lo que hacen los demás animales: 61 correr como una gacela con un automóvil, volar como un águila con un ala Delta, evolucionar bajo el agua como un delfín, avanzar bajo tierra como un topo... Una máscara, anteojos, un paracaídas, alas, ruedas... Ha ampliado también sus funciones sensoriales mediante la escritura, que permite conservar la palabra y transmitir el pensamiento en el espacio y en el tiempo. Esto caracteriza el cerebro humano. No es sólo una masa muelle de neuronas, ni una estación telefónica que agrupa los circuitos del cuerpo, ni siquiera un ordenador. Se extiende también al exterior, acoplado a otros cerebros humanos en el conjunto del planeta. Es una red fluida, en continua reorganización, que reconfigura sus neuronas en la acción y la reflexión. - En toda esta historia, se comprueba que la complejidad se desarrolla con la disposición de cosas simples: dos cuarks en el comienzo del universo, cuatro átomos simétricos para el carbono, sólo cuatro bases para los genes, dos moléculas semejantes para fundar los mundos animal y vegetal, dos individuos para el sexo... Como si en cada etapa la naturaleza encontrara el camino más sencillo para progresar. - De algún modo... Complejidad no es complicación. Es una repetición de elementos simples que se reproducen y proliferan. Hoy sabemos simular este fenómeno en una pantalla de ordenador: partiendo de una forma elemental vemos que se constituyen dibujos elaborados a los que llamamos con el hermoso nombre de “formas fractales”, parecen alas de mariposa, colas de hipocampos, montañas, nubes. La vida es así, repetitiva. El átomo está en la molécula que está en la célula que está en el organismo que está en la sociedad... - Llevamos en nosotros, entonces, las huellas de estos ajustes... - Exacto. Nuestro cerebro, con sus tres estratos, conserva la memoria de la evolución. También nuestros genes. Y la composición química de nuestras células es un fragmento pequeño del océano primitivo. Hemos guardado en nosotros el medio del que salimos. Nuestro cuerpo relata la historia de nuestros orígenes. 62 LAS PROPIEDADES DE LA VIDA Joel De Rosnay Dejando de lado los virus, organismos incompletos, conviene repasar rápidamente las características que presenta la vida. membrana; cada uno forma una totalidad, una unidad viviente autónoma. - Nutrición: se mantienen con vida absorbiendo o fabricando los alimentos que necesitan para crecer y para mantener sus funciones vitales; los alimentos son asimilados, vale decir, se convierten en la sustancia misma del organismo que se alimenta. - Individualización: todos estos seres pequeños son individuos delimitados por una - Respiración-fermentación: por medio de reacciones de combustión lenta, transforman la energía de los alimentos en energía utilizable por la propia célula. - Evolución: los organismos vivos pueden “evolucionar” como consecuencia de los mecanismos de mutación y de selección natural. - Reproducción: todos los seres vivos pueden crear copias exactas de sí mismos; estos mecanismos de división dependen de los ácidos nucleicos. - Movimiento: algunos microorganismos se desplazan de madera coordinada por medio de cilias o de flagelos. - Muerte: si se vierte formol en la gota de agua donde evolucionan los unicelulares, 63 cesa toda actividad; los microorganismos mueren. anticuerpos, que protegen el organismo de los invasores (microbios, virus). Todo lo que vive sobre la Tierra deriva de los seres microscópicos de los que se ha hablado en este capítulo. Desde luego, en el curso de la evolución biológica han aparecido otras propiedades: por ejemplo, el olfato, el instinto y la conciencia reflexiva. Pero antes de oír o de pensar es necesario vivir, y el objetivo de esta obra es buscar el origen y el funcionamiento de la vida más elemental. Aunque existen muchos tipos de células, su anatomía básica comprende casi siempre una membrana, que asegura su individualidad y la separa del mundo exterior pero sin aislarla; un citoplasma, jalea proteínica transparente que rodea los órganos celulares (mitocondrias, cloroplastos...); un núcleo que contiene el material genético. Las tres funciones fundamentales de los seres vivos serían, entonces: 1. La posibilidad de mantenerse vivo por medio de la nutrición, la asimilación, las reacciones energéticas de respiración y fermentación; 2. La posibilidad de propagar la vida por medio de la reproducción; 3. La posibilidad de autoadministrarse mediante la coordinación, la sincronización, la regulación y el control de las reacciones de conjunto. Para evitar cualquier equívoco, y dado que estas funciones son tan propias del hombre como de la bacteria, conviene generalizar más y denominarlas autoconservación, autorreproducción y autorregulación. Partícula fundamental de la vida, la célula es también una verdadera fábrica en escala molecular. El cuerpo humano se compone de unos sesenta billones de células contráctiles de los músculos, células cardíacas que laten al unísono, células del cerebro (neuronas), agentes de comunicación, células de la retina (sensibles a la luz), células de la piel. Otras son independientes y poseen capacidad de desplazamiento: células rojas o blancas de la sangre, macrófagos, espermatozoides u óvulos, células sexuales. Así, el cuerpo humano es comparable con una sociedad de células que se comunican entre sí por medio de hormonas, nervios y el sistema inmunitario. Para comprender la vida, es necesario penetrar en el corazón de la vida. En la célula misma, planeta misterioso en el universo de lo infinitamente pequeño... La estructura elemental capaz de cumplir las tres funciones fundamentales es la célula viva, constituyente de todo organismo viviente, sea microbio o ser humano, y unidad elemental de la vida animal o vegetal. La célula viva es una sociedad de moléculas. Las tres funciones fundamentales de la vida serían imposibles sin la red de comunicación que las integra y regula. Sin la comunicación intra e intercelular, no habría vida. Esta comunicación se apoya en moléculas portadoras de información que actúan como señales: por ejemplo, las hormonas. Estas señales son recogidas y reconocidas por receptores que a su vez inician las reacciones que permiten, por ejemplo, sintetizar moléculas requeridas por la célula, su reproducción o desplazamiento. En esta red de comunicaciones, las proteínas ocupan un lugar privilegiado. Algunas cumplen una función pasiva, como ladrillos o materiales de construcción de las células; otras son activas, fabrican, transforman o reconocen otras moléculas. Cada una tiene una función precisa (un “oficio”). Así sucede con las enzimas (máquinas-herramienta o químicos infatigables de la célula) o los 64 Estructura de una célula viva LA PERSPECTIVA HUMANA Sherman, Irwin W. y G. Sherman PRODUCCIÓN DE ENERGÍA EN PRESENCIA DE OXÍGENO Durante la respiración anaeróbica, el ácido pirúvico forma o alcohol (como en las células de levadura) o ácido láctico (como en un músculo fatigado) (Cuadro 4ª), pero cuando el oxígeno es abundante, estos productos no se forman, y el ácido pirúvico tiene otro destino. Como hemos visto, este compuesto de tres carbonos es todavía muy rico en energía, y es evidente que una célula que pierde semejante molécula, pierde también una fuente potencial de ATP. Si una célula fuera a existir solamente con respiración anaeróbica, entonces debería consumirse otra molécula de glucosa para derivar otras dos moléculas de ATP. Al descartar el ácido pirúvico u otras moléculas relacionadas (ácido láctico, alcohol), la célula anaeróbica desperdicia energía química potencial; puesto que si el ácido pirúvico pudiera degradarse más, la célula podría obtener cantidades adicionales de energía sin tomar más glucosa. Esto es lo que ocurre durante la respiración aeróbica, donde, el ácido pirúvico se descompone en dióxido de carbono y agua. La producción principal de energía para la célula ocurre durante esta fase. Claramente, como lo dice el nombre de aeróbico, la degradación del ácido pirúvico exige oxígeno. Durante la respiración aeróbica el ácido pirúvico se rompe para producir un fragmento de dos carbonos (llamado grupo acetil) y dióxido de carbono (Fig. 4-9). Simultáneamente, este último sale de la célula y el fragmento de dos carbonos se une a una coenzima llamada coenzima A, que produce una molécula llamada acetil-coenzima A (Fig. 4-9). Es evidente que una tercera parte de los átomos de carbono de la glucosa se han convertido en dióxido de carbono; los dos tercios restantes están ahora como grupo acetil de la acetil-coenzima A. Los carbonos del grupo acetil se oxidan para producir dióxido de carbono, mediante una serie cíclica de reacciones catalizadas por enzimas llamada ciclo de Krebs, o del ácido cítrico (Fig. 4-9). LA CÉLULA Cuando la acetil-coenzima A entra al ciclo de Krebs, el grupo acetil se une a un compuesto de cuatro carbonos (ácido oxalacético) para formar otro de cuatro carbonos (ácido cítrico), y en el proceso se libera la molécula de coenzima A. La coenzima A liberada por el grupo acetil que entra en el ciclo, está disponible para transportar más grupos acetil a las enzimas de ciclo de Krebs. Mediante una serie de reacciones catalizadas por enzimas, el ácido cítrico se descompone en ácido oxalecético, el material inicial, que puede aceptar otro grupo acetil; en el proceso, el grupo acetil original se ha descompuesto para producir dos moléculas de dióxido de carbono. El ciclo de Krebs proporciona un mecanismo continuo para descomponer los grupos acetil. Durante las reacciones del ciclo, el grupo acetil pierde sus hidrógenos; éstos se unen al oxígeno molecular y se convierten en agua a través de una serie de reacciones llamadas cadena respiratoria (Fig. 4-10). La cadena respiratoria consiste en una cascada de energía que implica una serie de reacciones entre enzimas y coenzimas por donde pasan hidrógenos para reducir, finalmente el oxígeno y formar agua (Fig. 410). Por cada vuelta del ciclo de Krebs, hay cuatro deshidrogenaciones, cada una libera un par de hidrógenos. Así, en cada vuelta se producen cuatro pares de hidrógenos. Cada par de hidrógenos que bajan por la cadena respiratoria genera tres moléculas de ATP; así, por cada vuelta del ciclo, se generan 12 moléculas de ATP. Además de liberar hidrógeno para producir energía mediante la cadena respiratoria, la célula obtiene otro beneficio del ciclo de Krebs, la producción de unidades usadas en la síntesis de biomoléculas. Algunos de los compuestos formados durante el ciclo pueden utilizarse para producir aminoácidos y otros componentes celulares esenciales; estos productos intermedios pueden salir en diferentes puntos del ciclo. De igual forma; las moléculas que no se necesitan para la biosíntesis pueden ser introducidas dentro del ciclo en diferentes puntos, lo que permite a la célula usar una mayor diversidad de productos alimenticios utilizables. El ciclo de Krebs puede considerarse como el eje metabólico de la célula. Examinemos ahora algunos de los detalles del flujo de energía a través de la cadena respiratoria que permiten a la célula obtener moneda energética, ATP. Cuando el ácido pirúvico se divide para producir acetilcoenzima A y dióxido de carbono, pierde, también, un par de hidrógenos. Éstos, lo mismo que los de los ácidos del ciclo de Krebs, se pasan a la coenzima NAD, que se reduce (NADH2) (Fig. 65 4-10). El NADH2 pasa sus hidrógenos a otro receptor, la coenzima FAD (dinucleótido de adenina flavina, derivado de la vitamina riboflavina); la transferencia de hidrógenos es nuevamente una reacción de oxidación y reducción. El FAD, que tiene hidrógenos (FADH2), puede pasarlos a una serie de enzimas llamadas citrocromos, proteínas conjugadas que contienen hierro en una estructura cíclica (hem) y se parecen a la hemoglobina. Hay tres tipos de citocromos, y el último dona sus hidrógenos al oxígeno molecular (Fig. 4-10). La cadena respiratoria consta de NAD, FAD y los citocromos. En la cadena respiratoria, el ácido pirúvico o los ácidos del ciclo de Krebs son: XH2 y Y es NAD; la siguiente reacción sería: NADH2 YH2 FAD NAD Z + Y + en la siguiente serie de pasos: citocromo FADH2 citocromo y finalmente: En resumen, escribamos nuestra ecuación general de oxidación y reducción: C6H12O6 + X + YH2 ZH2 + Cy FAD reducido Z + CyH2 2ATP citrocomo reducido oxígeno CyH2 O2 + agua citocromo H2O + Cy La ecuación completa para la degradación aeróbica de glucosa es la siguiente: XH2 6º2 6CO2 Y X FIGURA 4-10 Cadena respiratoria 66 ZH2 ATP En este punto podemos preguntarnos por qué la célula atraviesa semejante serie de complicadas reacciones. La respuesta es que con cada transferencia de la cadena respiratoria (una reacción de oxidación y reducción) el hidrógeno baja de un estado de energía elevada a uno de baja; en algunas de estas transferencias, se forma el ATP. Podemos comparar el transporte de hidrógenos en la cadena respiratoria, al movimiento del agua en la cascada de energía, en la liberación de pequeñas cantidades de energía a lo largo de la ruta. XH2 + Y FADH2 + 6H2O H2Y RESPIRACIÓN AERÓBICA: CONTABILIDAD DE COSTOS La degradación del ácido pirúvico por las enzimas del ciclo de Krebs y la transferencia de hidrógenos a lo largo de la cadena respiratoria produce energía disponible para el trabajo celular; en el proceso el ácido pirúvico se transforma en dióxido de carbono y los hidrógenos eliminados de él, se convierten en agua. ¿Qué tan eficiente es la respiración aeróbica? Por cada molécula de ácido pirúvico que forma acetil-coenzima A, se produce una molécula de NADH2 que al pasar los hidrógenos a los citcromos, forma tres moléculas de ATP. Puesto que se forman dos moléculas de ácido pirúvico por cada u de glucosa, la producción neta par ala célula es de seis moléculas de ATP. De las dos moléculas de acetil-coenzima A formadas de la molécula original de glucosa en cada vuelta del ciclo de Krebs, se generan 12 moléculas de ATP (cuatro deshidrogenaciones y tres moléculas de ATP producidas por deshidrogenación); debido a que son dos vueltas, el rendimiento neto de ATP es de 24 moléculas de ATP. Recordemos ahora que durante la respiración anaeróbica se produjeron dos moléculas de NADH2. Si estos hidrógenos pasan a la cadena respiratoria, se generan tres moléculas de ATP por cada par de hidrógenos, para sumar un total de seis moléculas de ATP. Lo que hace un gran total de seis moléculas de ATP del ácido pirúvico que van a formar acetil-coenzima A, 24 ATP de la secuencia del ciclo de Krebs de la cadena respiratoria y seis ATP provenientes de la secuencia glucólisis-cadena respiratoria. El rendimiento total de la respiración aeróbica es de 36 moléculas de ATP; a esto hay que añadir las dos provenientes de la respiración anaeróbica, de modo que la célula obtiene 38 moléculas de ATP de la oxidación completa de la glucosa. Ahora, calculemos la eficiencia mediante una simple operación aritmética. Hicimos notar que la energía total que se obtiene de 1 mol de glucosa es de alrededor de 700 calorías. Mediante las respiraciones anaeróbica y aeróbica, la célula capta 38 moléculas de ATP, lo que equivale a 380 calorías. La eficiencia de la respiración combinando la anaeróbica y la aeróbica es, por tanto, de 54% (380/700 x 100 = 54%. Esta eficiencia es mucho mejor que la de cualquier motor térmico que se haya inventado (la eficiencia promedio del motor térmico es de alrededor del 30%). Si pudiéramos fabricar un motor que empleara principios similares a los que emplea la célula, disminuirán la escasez de electricidad y de calefacción y los problemas de transporte; habría abundancia de energía para todos. CUADRO 4B ¿Por qué mata el cianuro? Los citocromos pueden reaccionar con el cianuro. El efecto letal de la cámara de gas (el gas cianuro se genera añadiendo comprimidos de cianuro de sodio a un ácido como el clorhídrico) depende de que el hierro del citocromo se enlace con estas sustancias irreversiblemente. Así, las enzimas del citocromo se inactivan y no transfieren electrones. Las células aeróbicas que no pueden obtener energía de la glucosa se degradan y mueren. Ésta es la razón por la que el cianuro causa la muerte ¿DÓNDE SE USA EL ATP? El ATP proporciona la fuerza motriz para casi todas las actividades celulares, entre ellas la muscular y la nerviosa, el movimiento de cilios y flagelos, el transporte activo y una amplia variedad de procesos metabólicos requieren energía. Describiremos algunos de estos fenómenos con mayor detalle más adelante (Caps. 17 y 20). Cuando las sustancias tienen que entrar o salir de las células contra un gradiente de concentración, se requiere energía. En algunos casos, esto se llama transporte cuesta arriba. El bombeo de sodio hacia fuera de la célula, requiere ATP, si no lo hay (por un envenenamiento, por ejemplo) el proceso se detiene. El trabajo de sacar el agua que entra en la célula por ósmosis requiere ATP. En esta forma, el ATP participa en el trabajo de las células de nuestros riñones, que conservan nuestro equilibrio de agua. Las células nerviosas desempeñan un trabajo eléctrico y aquí nuevamente el ATP interviene en el movimiento de las moléculas cargadas (llamadas iones) a través de la membrana celular, generando así un potencial eléctrico; el movimiento de esta carga eléctrica es la base de la transmisión de los mensajes nerviosos. Si el sistema ATP es envenenado con una sustancia, como el gas neurotóxico, se produce una parálisis porque no pueden generarse mensajes eléctricos. La fabricación de moléculas, esto es, la formación de nuevos enlaces químicos depende del ATP. En las plantas verdes el ATP se forma durante la llamada fase luminosa de la fotosíntesis, y subsecuentemente se usa para sintetizar carbohidratos (azúcares) a 67 partir del CO2. De estos carbohidratos dependemos todos respecto a la energía. Así, en la economía de la vida, la moneda del reino es el ATP (Fig. 4-11). El ATP es el intermediario común de intercambio en las reacciones que requieren energía y en las que la producen. RECOLECCIÓN DE ENERGÍA QUÍMICA: EVOLUCIÓN Y LOCALIZACIÓN CELULAR Todas Las células, sean anaeróbicas o aeróbicas, tienen el esquema anaeróbico para extraer energía de la glucosa. Parecería, por tanto, que durante la evolución (desarrollo) de la vida celular, los organismos anaeróbicos surgieron primero, y que el sistema respiratorio aeróbico se añadió más tarde al anaeróbico. Esta línea de razonamiento ajusta bien con nuestras deducciones acerca del origen de la vida, puesto que la atmósfera de la Tierra primitiva era reductora y los organismos aeróbicos no podían funcionar en ella; más tarde, cuando hubo oxígeno disponible, los organismos anaeróbicos deben haber adquirido la capacidad de utilizarlo en la respiración celular. En virtud de esto, su metabolismo se hizo más eficiente, y pudieron conservar mayores cantidades de energía (en forma de ATP) por cada molécula de sustancia rica en energía que ingerían. Las células son transformadoras de energía química, pero ¿dónde se localiza en la célula la fábrica de energía? ¿en qué forma la maquinaria para la producción de energía se ajusta dentro de l a célula? Hemos visto que hay una considerable división del trabajo dentro de las células, que algunas funciones celulares están restringidas a estructuras o compartimentos específicos denominados organelos. Los procesos de producción de energía que ocurren en la célula también están en forma de compartimientos. Si se licua a alta velocidad un fragmento de hígado de modo que se homogenice, y luego se le centrífuga, se obtendrían dos partes: una solución acuosa y un sedimento (Fig. 4-12). Las reacciones de la respiración anaeróbica catalizadas por enzimas ocurren en la porción soluble del citoplasma, en la parte del hígado que se separó en la solución. Aunque las enzimas están probablemente organizadas, no se presentan en una configuración geométrica fija y observable. Los fenómenos enzimáticos que se llevan a cabo durante la respiración aeróbica, no ocurren en la porción citoplásmica soluble de la célula, sino en un organelo especial, la mitocondria. Estas 68 mitocondrias se encontrarían en el sedimento de la muestra del hígado fraccionado. La mitocondria ha sido llamada la planta de energía de la célula porque es el principal sitio de obtención de energía proveniente de la glucosa. Ya se mostraron ilustraciones de mitocondrias como se observan bajo el microscopio electrónico (Pág. 33). La matriz contiene las enzimas del ciclo de Krebs, en tanto que las enzimas de la cadena respiratoria están en las membranas mitocondriales interiores, las crestas. Imaginemos la degradación sistemática de una molécula de ácido pirúvico; las 15 enzimas de la secuencia se localizan en serie en las mitocondrias, y los electrones e hidrógenos son extraídos en forma gradual. La secuencia enzimática se ajusta a la estructura geométrica de la mitocondria. Podemos comparar esta situación con la línea de ensamble de una fábrica; las enzimas y coenzimas se alinean y, como si fueran una brigada que trabaja con cubos, extraen los electrones y los hidrógenos para pasarlos finalmente al oxígeno molecular, en este proceso se produce ATP, que está disponible para el uso de toda la célula. RESUMEN 1. La energía es la capacidad de efectuar un trabajo. La energía potencial es energía almacenada; la energía cinética es energía en acción. Las células vivas dependen de la liberación y uso de energía que proviene de los alimentos para sobrevivir. 2. Las leyes de la termodinámica establecen que la energía no se crea ni se destruye. PROCESAMIENTO DE LOS ALIMENTOS: DIGESTIÓN ¿POR QUÉ COMEMOS? Todos reconocemos lo que es el alimento. A veces el solo hecho de pensar en alimentos nos hace agua la boca. Pero ¿por qué necesitamos comer? La mayoría de nosotros respondería diciendo: “comemos para vivir”. Intuitivamente, cada uno de nosotros reconoce que la vida depende de un suministro de alimentos, y todos sabemos que tenemos una continua y constante demanda de materia y energía (Caps. 3 y 4). De los alimentos obtenemos los materiales necesarios para el crecimiento, la reparación y la energía. Como Walter de la Mare lo señaló: Es una cosa sumamente raratan rara como puede serque cuanto come la Señorita T se convierte en Señorita T.17 Nuestras células, como las de la Señorita T, necesitan que los nutrientes o sustancias reguladoras contenidas en los alimentos estén disponibles en los líquidos de los tejidos en una forma soluble. Sin embargo, los alimentos que comemos son sustancias complejas, con frecuencia insolubles. Por tanto, el problema que se le presenta al cuerpo con el desayuno, la comida o la cena consiste en descomponer los productos alimenticios complejos en moléculas pequeñas y solubles que puedan atravesar las membranas de las células del aparato digestivo. El proceso mediante el cual nuestros alimentos se descomponen y pasan de sustancias complejas e insolubles a solubles y simples, se llama digestión. Ésta es una función especial del sistema de órganos denominada tubo digestivo (llamado también, conducto alimentario o tubo gastrointestinal (GI)) Una vez que el alimento es digerido, el tubo digestivo desempeña otra función: absorbe las sustancias solubles y las pone a disposición de las células del cuerpo mediante los líquidos corporales. Finalmente, el digestivo elimina los residuos alimentarios que no pueden ser digeridos o absorbidos. contra las sustancias abrasivas que hay en los alimentos y proporciona una envoltura protectora que resiste la acción de las enzimas de los jugos digestivos. Aunque el tubo digestivo suele denominarse “las entrañas”, en un sentido bastante real, cualquier sustancia presente dentro de él no está totalmente en el cuerpo. El tubo digestivo va de la boca al ano y está rodeado por el cuerpo, pero las sustancias que hay en el tubo están tan fuera del cuerpo como un dedo colocado en el hueco de una argolla está fuera de la sustancia de la argolla. TABLA 11-1 Organización funcional del sistema digestivo Estructura Descripción Boca Contiene los dientes, la lengua y las aberturas de las glándulas salivales Los dientes Minutos muelen y despedazan el alimento, ofreciendo así una gran área superficial para la acción de las enzimas. La lengua ayuda a los dientes y enrolla el alimento para formar el bolo preparándolo para la deglución. La saliva diluye y humedece el alimento. El moco une el alimento y lubrica el bolo para la deglución. Cada día se produce de 0.5 litros a 0.5 galones de saliva. Faringe Estructuras que tienen en común el sistema digestivo y el respiratorio El bolo Segundos alimenticio es empujado a la faringe voluntariamente por la lengua. De aquí, una acción (reflejo) involuntaria continúa la acción deglutoria. APARATO DE INGESTIÓN: PROCESAMIENTO DE ALIMENTOS El tubo digestivo es continuo desde la boca hasta el año (Fig. 11-1a); si se extendiera, mediría casi 30 pies de longitud. En la vida, sin embargo, el tono muscular (un estado sostenido de contracción parcial) acorta su longitud a una extensión de 12 a 15 pies. Las paredes tienen cuatro capas: el revestimiento más interno (la mucosa) consta de células epiteliales; la capa que sigue (la submucosa) está formada de tejido conjuntivo con fibras, vasos sanguíneos y terminaciones nerviosas; las capas más externas son musculares: la interna tiene una orientación circular de las fibras; la externa, un ordenamiento longitudinal (Fig. 11-1b). El revestimiento formado por la mucosa del tubo digestivo secreta una sustancia mucosa, viscosa, y en algunos sitios produce también jugos digestivos. Este moco lubrica el tubo, facilita los movimientos de los alimentos a lo largo de él, protege las delicadas células epiteliales Actividad Tiempo empleado por los alimentos 17 De “Miss T” de Walter de la Mare. Reimpreso con permiso de The Literay Trustees of Walter de la Mare y La Society of Authors como sus representantes. 69 Esófago Esfínter Cardíaco Estómago Esfínter Pilórico 70 Tubo de 10 pulgadas que conecta la faringe y el estómago Banda muscular que cierra la entrada del estómago Bolsa muscular en forma de l con una capacidad aproximada de 1 qt, debajo de las costillas, que actúa como depósito de alimentos; las glándulas gástricas y mucosas secretan alrededor de 2 qt de jugo gástrico al día Músculo que cierra la salida del estómago hacia el intestino delgado. Las paredes plegadas se distienden, y las ondas peristálticas de la contracción de los músculos impulsan el alimento hacia el estómago. Los líquidos pasan con mayor rapidez, gracias a la gravedad. 4 a 10 seg Intestino delgado Tubo muscular enroscado de 21 pies, con un diámetro de 1 pulgada, revestido por glándulas y vellosidades absorbentes para los sólidos Consta de regiones: Duodeno Las ondas Segundos peristáticas hacen presión contra el esfínter y hacen que se abra. Los líquidos son retenidos hasta que llega la onda peristática. Las paredes 2 a 6 h musculares agitan y subdividen aún más los alimentos. Las finas partículas se mezclan con el jugo gástrico y el moco y producen un quimo espeso. La secreción gástrica y la movilidad del estómago están reguladas por factores nerviosos y hormonales. La función de almacenamiento elimina la necesidad de muchas comidas pequeñas. El quimo gástrico Segundos se vacía periódicamente en el intestino delgado. (El vaciado del estómago es controlado por varios factores que actúan sobre el esfínter). Yeyuno Conserva el 5 a quimo en h movimiento mediante movimientos de agitación. Las glándulas secretan diario 1.5 galones de moco y agua. tres La desintegración de las células epiteliales de las paredes libera enzimas digestivas. Ileon Continúa digestión hidrolítica la Se absorben los materiales digeridos Se absorben los materiales digeridos Páncreas Glándula grande con abertura al duodeno y que produce jugo pancreático* Las enzimas pancreáticas prosiguen la digestión hidrolítica de las sustancias nutritivas. La secreción pancreática está regulada por factores nerviosos y hormonales. Hígado + Vesícula biliar y El hígadoproduce bilis acuosa de color verde oscuro, que se concentra y almacena en la vesícula biliar, el conducto biliar conecta la vesícula biliar con el duodeno+ La bilis se vierte en el duodeno, y su secreción está regulada por nervios y hormonas. Ayuda a emulsionar las grasas (las convierte en pequeñas gotitas), lo que proporciona un área de superficie mayor para la acción de la enzima lipasa. 6 Esfínter Válvula que ileocolónico guarda la abertura entre los intestinos delgado y grueso Evita el reflujo Segundos del intestino grueso al intestino delgado. Ciego y Sacos ciegos en apéndice la unión de los intestinos delgado y grueso No es funcional (vestigial) en los seres humanos. En los herbívoros contiene bacterias que son importantes para la digestión de la celulosa. Colon e Tubo en forma de intestino U, con paredes grueso gruesas, con un diámetro de 2.5 pulgadas y aproximadamente 5 pies de longitud; secreta moco; contiene gran número de bacterias Recto Continuación del intestino grueso protegido por la válvula ileosecal proximalmente y por los esfínteres anales distalmente; depósito que almacena las heces. Absorbe agua del quimo. El peristaltismo compacta los residuos como heces. Las almacena antes de la evacuación. El moco lubrica las heces y protege contra los jugos digestivos provenientes del intestino delgado. Las bacterias actúan sobre cualquier alimento no digerido y sintetizan sustancias útiles, por ejemplo vitaminas y gases, como metano y ácido sulfhdrico, que da olor a las heces. Diariamente se eliminan como heces alrededor de 0.5 libras de material indigerible, compactado, más pigmentos (que le dan color a las heces) y bacterias (1050% de las heces). Los esfínteres ileónico y anal regulan el vaciado del recto, controlados por el reflejo de defecación *El páncreas también produce insulina y cosa, pero éstas son secretadas directamente en la sangre (Cap. 16) + El hígado es un regulador importante de nutrientes después de su digestión y absorción. 12 A 24 h El procesamiento de los alimentos por el tubo digestivo ocurre de la siguiente manera. Tres veces al día, más o menos, entran alimentos al conducto alimentario a través de la boca, donde son degradados mecánicamente por la acción desgarradora, trituradora y cortadora de los dientes; la acción agitadora de la lengua y la secreción de la saliva le dan al alimento la forma de una bola flexible, o bolo. El alimento pasa luego a la garganta (faringe) y es deglutido. De la garganta es transportado al estómago por el esófago y luego pasa al intestino. El paso del alimento a lo largo del conducto se efectúa mediante movimientos musculares rítmicos llamados peristálticos (Fig. 11-2); empujada e impulsada por músculos, la carga sufre cambios mecánicos y químicos: el estómago agita los alimentos y los mezcla con moco de modo que asuman una consistencia pastosa empezando, aquí la digestión. Más tarde, los alimentos pasan al intestino delgado, donde desembocan “vías tributarias” que llevan enzimas digestivas; casi toda la digestión ocurre en el intestino delgado, y lo que era una carga bruta se convierte en una mezcla de sustancias solubles y líquidas. Los materiales solubles son transportados a través de la pared intestinal al torrente del sistema circulatorio. Absorbidos y puestos en la circulación, los constituyentes moleculares de los alimentos entran en las células corporales, donde son utilizados para obtener energía, reparar y construir nuevas células. Las sustancias remanentes no digeridas (heces) pasan al intestino grueso y salen del tubo digestivo por el ano. Ahora que hemos examinado la organización general del tubo digestivo, hagamos un viaje más detallado y observemos sus funciones especializadas. En la Tabla 11-1 se muestran 71 los detalles del viaje seguido por los alimentos que comemos. DIGESTIÓN: DEGRADACIÓN DE LOS ALIMENTOS El tubo digestivo es muy poco selectivo. Casi todas y cada una de las cosas digeribles que comemos son absorbidas sin ninguna clase de selectividad. (Otros órganos, como el hígado y el páncreas, son los que realmente establecen los niveles de los nutrientes transportados en la sangre). La descomposición enzimática de los alimentos en el tubo digestivo ocurre mediante hidrólisis. La hidrólisis separa las moléculas por adición de agua. (Para el estudio de las reacciones hidrolíticas véase el capítulo 3). En este tipo de reacciones, el cambio energético en las moléculas mismas es insignificante; esto es se pierde poca energía química de los alimentos. Más aún, las reacciones hidrolíticas no requieren energía (no se consume ATP). En el estómago y en el intestino las proteínas son digeridas hasta polipéptidos y, en último término, hasta aminoácidos; las grasas se descomponen en glicerol y ácidos grasos, los azúcares y almidones se hidrolizan para dar monosacáridos y los ácidos nucleicos se degradan en nucleótidos. La Tabla 11-2 enumera las enzimas y otras sustancias secretadas por el conducto alimentario y sus órganos, e indica su acción sobre los componentes de nuestros alimentos. ABSORCIÓN: ASIMILACIÓN DE LOS ALIMENTOS La digestión química reduce lo que alguna vez fue una comida deliciosa en una solución de ácidos grasos, glicerol, glucosa, fructosa, nucleótidos y aminoácidos. Si estas pequeñas y solubles moléculas van a utilizarse de alguna forma por las células corporales, deben ser extraídas del intestino hacia la corriente sanguínea. El proceso de transporte de los nutrientes y el agua del intestino y pasarlos a la sangre constituye la absorción. TABLA 11-2 Enzimas digestivas y productos relacionados del tubo digestivo y sus órganos correlativos Órgano Boca Enzima Amilasa salival Acción Almidón-maltosa (ptialina) Estómago Ácido clorhídrico al Pepsinógeno-pepsina 0.5% (ph 1-3)* Pepsina Proteínas-polipéptidos 72 Otros comentarios De 5 a 10% es hidrolizado en la boca; hasta 50% se continúa en el estómago. El pH neutral de la saliva es ideal para la acción de ptialina La acidez inactiva la ptialina cuando se subdivide el bolo, esteriliza los alimentos, destruye las bacterias. El estómago secreta pepsinógeno inactivo, que es activado por el pH bajo. Esto evita la autodigestión, puesto que las células que revisten el estómago no están expuestas ala pepsina intracelularmente. Moco* Lipasa gástrica Renina Intestino delgado Protege la mucosa del estómago de la pepsina Grasas – ácidos grasos Ayuda a la digestión de Alta en lactantes y niños. la leche Cuaja la leche, lo que hace Caseína-requesón que permanezca en el estómago más tiempo para la digestión de las proteínas por el jugo gástrico. El pH óptimo es 5-6, que sólo se encuentra en los jóvenes. ‘Carbonato de sodio Neutraliza (ph8-9)* ácido el quimo Proporciona el pH adecuado para la acción de jugo pancreático y las enzimas intestinales. ‘Moco* Reviste las paredes intestinales para protegerlas Digestión ‘Enterocinasa Tripsinógeno-tripsina de las ‘Tripsina Proteínas polipéptidos proteínas ‘Quimotripsina Proteínas-polipéptidos ‘Carboxipeptidasa Proteínas-polipéptidos ‘Aminopeptidasa Polipéptidosaminoácidos “Amilasa Almidón-maltosa La quimotripsina es activada por la tripsina Digestión de “Maltasa Maltosa-glucosa los carbohidratos 73 ‘Lactasa Lactosa-galactosa glucosa y “Sucrasa Sacarosa-fructosa glucosa y “Lipasa Ácidos grasos y glicerol Bilis* Emulsiona las grasas “Ribonucleasa Ácidos nucleicos mononucleótidos Contiene bilirrubina (producto de la descomposición de la hemoglobinal), varias sales y colesterol. – Digestión de las grasas Digestión de los ácidos nucléicos “Desoxirribonucleasa ‘ Liberada por las células epiteliales del intestino que se desintegran. “ Secretada por el páncreas. * Estos productos no son enzimas, pero ayudan al proceso digestivo como se indica. El estómago El intestino Cuando llega al estómago lo que fue un bolo alimenticio finamente dividido, ya ha sido descompuesto en una solución ácida de polipéptidos, gotas de grasa finamente suspendidas y almidones degradados parcialmente. Sólo unas cuantas sustancias se absorben en forma directa a través de las paredes del estómago. Una de éstas es la aspirina, un ácido débil, y también el alcohol etílico. El alcohol etílico es hidro y liposoluble y se difunde con rapidez a través de la superficie epitelial del estómago para entrar en la sangre. Ésta es la razón por la cual sus efectos se manifiestan tan rápidamente. Aunque se absorbe en el estómago, este proceso es más rápido a través de las paredes intestinales porque éstas tienen mayor superficie. Es posible reducir los efectos inmediatos del alcohol, esto es, el embotamiento de los centros superiores del cerebro y la euforia concomitante, al disminuir la absorción intestinal. Beber leche antes de ingerir alcohol o comer bocadillos de queso o entremeses muy grasosos, demora el vaciado del estómago y, en consecuencia, lentifica la absorción del alcohol, pero no la evita del todo. Aproximadamente 90% de los alimentos digeridos se absorbe en el espacio de 20 a 25 pies del intestino delgado; el duodeno tiene aproximadamente 1 pie de longitud, el yeyuno, de siete a ocho pies, y el ileon alrededor de 12 pies (Fig. 11-1). Además, cerca de 10% del agua y la sal totales del cuerpo entran al día en el intestino delgado como secreciones de las diversas glándulas digestivas, y aproximadamente 90% se absorbe hacia la corriente sanguínea. Si toda el agua secretada en los intestinos se perdiera con las heces, nos veríamos frente a un serio problema de deshidratación. 74 Puesto que el intestino delgado es el sitio donde se absorben las sustancias nutritivas y casi toda el agua, deberíamos esperar que tuviera una gran área superficial de exposición, y éste es exactamente el caso. El intestino delgado es bastante largo y está dentro de la cavidad abdominal en forma replegada (Fig. 11-1) de modo que sólo por su longitud ofrece una gran superficie de absorción. Sin embargo, esto no es todo, ya que la superficie del intestino delgado también contiene pliegues y una enorme cantidad de prolongaciones, digitiformes llamadas vellosidades (del latín villus = pelo tupido) que se proyectan hacia su cavidad (Fig. 11-3). Tanto los pliegues como las vellosidades aumentan muchísimo la superficie de absorción de la pared intestinal, más que si fuera completamente lisa. Se ha calculado que la superficie total del intestino delgado es de 2 mil pies cuadrados, o sea aproximadamente 100 veces la superficie de la piel. Además, cada vellosidad está cubierta por células epiteliales, y la membrana de cada célula tiene muchas microvellosidades, que aumentan más el área superficial de absorción (Fig. 11-4). Así, la superficie del intestino delgado es muy semejante a una toalla absorbente, con sus numerosas y finas proyecciones que facilitan la absorción del agua; una toalla de baño tejida, sin su lanilla, tiene menos poder de absorción. Las vellosidades se mueven hacia delante y hacia atrás, cada una independientemente de la otra, en forma muy semejante a un campo de trigo mecido por la brisa, y estos movimientos tienen un origen muscular. El movimiento es mayor después de una comida, de modo que el proceso de absorción es más rápido. Las células que se encuentran en la superficie superior de las vellosidades se eliminan y reemplazan en forma continua como resultado de la actividad mitótica de las células que se encuentran en su base, y cada 36 horas se reemplaza todo el epitelio intestinal. La continua descarga de células en el espacio intestinal suma aproximadamente la cantidad de ¡0.5 libras de células cada día! El paso de sustancias nutritivas a través de las células del intestino delgado no es pasivo y la velocidad con la que ocurre no puede explicarse sólo por difusión. Más bien, depende del acortamiento de las vellosidades, lo mismo que la acumulación activa y selectiva de materiales que requieren el gasto de una considerable cantidad de energía metabólica. ¿Por qué se requiere energía para la absorción selectiva de las sustancias nutritivas? Para mover las moléculas de una región de baja concentración (en el intestino) a una de mayor concentración (en el intestino) a una de mayor concentración (la corriente sanguínea) se requiere el transporte activo de las moléculas “cuesta arriba”, por así decirlo, y la energía para esos movimientos la proporciona el ATP. Como puede haberse previsto, las células con vellosidades del intestino delgado están bien provistas de mitocondrias para generar esta “fuerza de movimiento”. 75 FIGURA 11-3 Intestino delgado. a) Estructura del intestino delgado (región duodenal) y glándulas relacionadas. b) Detalle de la pared del duodeno. c) Estructura de las vellosidades. 76 CUADRO 11 A Una mirilla en el estómago El 6 de junio de 1812, en una pequeña comunidad e la frontera entre Canadá y el estado de Michigan, Alexis St. Martín accidentalmente disparó su mosquete y se abrió un gran agujero en el costado izquierdo del abdomen. William Beaumont, un cirujano del ejército destacado en el cercano fuerte de Mackinac, examinó al joven a los 30 minutos del accidente y atendió la herida de St. Martín, pero dio pocas esperanzas de que el muchacho de 18 años de edad pudiera recuperarse. St. Martín era joven y vigoroso, y no sólo sobrevivió, sino que se recuperó muy bien. Sin embargo, su herida cicatrizó en una forma peculiar: un túnel de 2.5 pulgadas de ancho permaneció abierto en su costado, y éste conducía a través de la piel y los músculos de la pared abdominal directamente hasta el estómago. La comida y la bebida salían por la perforación, a menos que se evitara esto mediante una compresa y un vendaje. La fístula (abertura anormal) de St. Martín proporcionó a Beaumont una notable oportunidad para asomarse al aparato digestivo, y el médico conservó al joven como sirviente en su casa. St. Martín efectuaba diversos trabajos domésticos; tuvo hijos y disfrutaba de buena salud y vigor como cualquier hombre en general. Periódicamente, Beaumont usaba al joven para hacer experimentos sobre los procesos digestivos introduciendo diversos materiales en el estómago por el agujero, sellando la abertura con un vendaje para evitar filtraciones y extrayendo luego los materiales introducidos para evaluar los cambios. He aquí el primer experimento registrado: A las 2 en punto p.m. las saqué y examiné de nuevo: encontré que la col, el pan, la carne de puerco y la carne hervida habían sido digeridos limpiamente y habían desaparecido del hilo; los otros pedazos de carne habían sufrido muy poco cambio. Las regresé una vez más al estómago. A las 3 en punto p.m., las examiné nuevamente y encontré que la carne sazonada estaba parcialmente digerida: la carne cruda estaba ligeramente macerada en la superficie, pero su textura general era firme y estaba entera. El olor y el sabor de los líquidos del estómago eran ligeramente rancios; y el muchacho se quejaba de cierto dolor y de molestias en el pecho. Regresé las piezas al estómago otra vez. W. Beaumont, Experiments and Observations on the Gastric juice and thePhysiology of Digestión, Pittsburgh, Allen, 1833. St. Martin y Beaumont siguieron colaborando durante 8 años; St. Martín permaneció con buena salud y sobrevivió a Beaumont 27 años y murió a los 76 años de edad. Hoy e día sabemos mucho acerca de la función del tubo digestivo, pero fue una notable serie de circunstancias la que permitió a Beaumont asomarse al estómago por primera vez, hace 150 años. FIGURA 11-4 Micrografía electrónica de las microvellosidades que revisten el duodeno (Cortesía de K. R. Porter). 1 de agosto de 1825. A las 12 de la mañana en punto introduje en el estómago por la perforación los siguientes alimentos, suspendidos en un hilo de seda, atados a distancias adecuadas para que pasaran sin causar dolor: un pedazo de carne muy sazonada; uno de carne de puerco, grasosa, cruda y salada; uno de carne cruda salada, magra; uno de carne salada hervida, uno de pan rancio; y col cruda, picada; cada pedazo pesaba alrededor de 8 gr; el muchacho continúa con sus trabajos ordinarios en la casa. A la 1 en punto p.m. saqué y examiné los productos introducidos: encontré que la col y el pan, habían sido medianamente digeridos. Los pedazos de carne no habían cambiado. Los regresé al estómago. 77 ¿A dónde van los nutrientes absorbidos? Cuando cruzan el revestimiento epitelial de las vellosidades, entran en la región central, que contiene un lecho capilar de vasos sanguíneos (Fig. 11-3), una arteriola, una vénula y un vaso linfático, el quilífero. Los aminoácidos se utilizarán para el crecimiento, reparación energía. El hígado regula el nivel de aminoácidos y azúcares en la sangre y actúa como un regulador de la absorción indiscriminada de nutrientes por el tubo digestivo y los requerimientos específicos de las células corporales. También las vitaminas, los minerales y el agua entran en la sangre y son transportados a las diversas células. Aunque los ácidos grasos y el glicerol entren en las células epiteliales, se recombinan para formar grasas neutras (llamadas triglicéridos). Más de 60% de la grasa entra en los vasos quilíferos en forma de diminutas gotas, ello les da una apariencia lechosa (lacteus = lechoso). Los vasos quilíferos vierten en los vasos linfáticos que, en último término, desembocan en la circulación sanguínea, a través de las venas yugular y subclavia en el cuello (Cap. 12). Una parte de la grasa absorbida se almacenará en las células de tejido conjuntivo llamado tejido adiposo, algunas se utilizarán para sintetizar membranas, y el resto será utilizado para obtener energía. DEFECACIÓN: EXPULSIÓN DE DESECHOS Los residuos de los alimentos que no pueden digerirse o absorberse salen del intestino delgado y pasan a través de la válvula ileocolónica al intestino grueso. Allí, el agua y las vitaminas (producidas por las bacterias intestinales) son absorbidas y los materiales de desecho son comprimidos en heces. Los movimientos peristálticos en el colon son lentos, y 99% del tiempo no hay contracciones, pero cuando el colon se llena en exceso, se presentan fuertes ondas peristálticas y la materia fecal es propulsada grandes distancias a lo largo del colon. La parte inferior del colon (el recto) está rodeado por dos bandas circulares de músculos llamadas los esfínteres anales (literalmente del griego “aquello que aprieta”). Cuando los esfínteres se relajan, se abre el paso y el material puede salir; cuando están contraídos, la salida está cerrada. FIGURA 11-5 El sistema portal hepático. La sangre es llevada directamente del estómago y los intestinos al hígado, por las venas 78 mesentéricas, gástricas y hepáticas portales. Las venas hepáticas la trasladan luego al corazón, por medio de la vena cava interior. Cuando las materias fecales se acumulan en el recto, se inicia un reflejo especial de defecación mediante la excitación de terminales nerviosas que envían sus impulsos a la médula espinal. Los impulsos de respuesta se transmiten al colon, al recto y al esfínter anal interno y provocan la contracción de los músculos en las paredes del colon y del recto y la relajación del esfínter, que a su vez provoca el vaciado de los intestinos (colon y recto), porque el esfínter anal externo es un músculo esquelético voluntario que cierra la abertura exterior del ano, y puede ser controlado conscientemente. Si el momento no es conveniente para vaciar los intestinos, el esfínter anal externo evita la defecación, a pesar del reflejo. Cualquier padre que haya tratado de adiestrar a un niño en la defecación, reconoce cuánto tiempo se lleva el desarrollar tal control consciente del esfínter anal externo. A la mayoría de nosotros nos es familiar el deseo natural de defecar después de una comida pesada o después de la primer comida del día. Esto es provocado por los reflejos gastrocólico yduodenocólico. El llenado del estómago y del duodeno estimula los nervios receptores en las paredes de estos órganos. Los impulsos viajan a la médula espinal y regresan al colon, donde estimulan los músculos de las paredes y aumentan el peristaltismo. Como resultado, el material fecal se mueve con rapidez a todo lo largo del colon y aparece el reflejo de defecación. El vaciado del recto después de cada comida es más evidente en los lactantes y en los ancianos, en quienes el control del esfínter anal externo es débil. NUTRICIÓN: USO DE LOS NUTRIENTES PROCESADOS Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) fue un aristócrata elegante y un brillante científico quien halló su fin bajo la guillotina durante la Revolución Francesa. Fue ejecutado no a causa de sus trabajos científicos, sino por que era recolector de impuestos de Luis XVI. Cuando en su juicio se le pidió al juez que perdonara la vida de Lavoisier, replicó: “La República no necesita científicos”. Después de la ejecución, un antiguo amigo de Lavoisier hizo esta observación: “Llevó sólo un segundo cortar su cabeza; cien años no serán suficientes para producir otra semejante”. Antes de su muerte prematura, Lavoisier estableció con toda claridad que los alimentos se quemaban (oxidaban) en las fábricas químicas del cuerpo y que en esta forma era como los organismos vivos obtenían su energía. Lavoisier también demostró que el contenido energético de cualquier combustible –un montón de carbón, lo mismo que un cubo de azúcar o una libra de carne- podría determinarse simplemente quemándolos y midiendo el calor liberado como calorías. Desde la época de Lavoisier hemos sido contadores de calorías. Ciertamente, todos sabemos que los alimentos, lo mismo que cantidades diversas del mismo alimento tienen diferentes valores calóricos. En general puede decirse que una cantidad dada de grasa contiene más del doble de calorías que una cantidad igual de proteínas o de carbohidratos. Toda la energía que el cuerpo oxida en los alimentos aparece en último término como calor, que se disipa en el ambiente. La intensidad con que se produce el calor es igual a las demandas energéticas del cuerpo, y a esto se le llama índice metabólico. El índice metabólico es una medida de las demandas energéticas en determinado tiempo. Puede medirse y expresarse en calorías. Para una persona promedio que pese 150 libras, la cantidad de energía mínima requerida para quedarse en cama sin hacer absolutamente nada, es de 1500 a 1800 calorías. A esto se le llama metabolismo basal BMR), y la energía se utiliza para conservar las funciones del corazón y los movimientos respiratorios y, en general, para sostener vivas las células del cuerpo. El metabolismo basal varía con el sexo y con otros factores (entre ellos, la edad, las hormonas y el estado nutricional del cuerpo). Una mujer promedio tiene un índice metabólico algo más bajo (de 15 a 20% más bajo) que un hombre promedio y, así, requiere menos calorías. Por arriba y por abajo del índice basal, un individuo requiere calorías para el trabajo. Los requerimientos calóricos varían con los diversos tipos de actividades. Por ejemplo, las mujeres requieren más calorías cuando están embarazadas o amamantan, y un niño en desarrollo requiere más calorías por libra de peso corporal que un adulto; un lactante requiere 50 calorías por libra de peso corporal, en tanto que un adulto sólo requiere 18 calorías cuando lleva una vida sedentaria y 35 cuando está en actividad. Los carbohidratos y las grasas proporcionan energía, y los carbohidratos son fácilmente convertidos en grasa dentro del cuerpo. El simple intercambio de carbohidratos por grasa explica por qué la grasa se deposita cuando una persona come una dieta rica en carbohidratos. También la proteína puede contribuir al suministro de energía, pero las demandas energéticas de las células se satisfacen con carbohidratos y grasas en tanto se disponen de estos materiales. A esto se le llama ahorro de proteínas. Durante la inanición, los depósitos de carbohidratos y grasas se vacían primero, luego los aminoácidos sirven como combustible. La cantidad de energía disponible proveniente de los aminoácidos bajo estas condiciones puede bastar sólo para algunos días, puesto que deben obtenerse de los tejidos estructurales del cuerpo. Después de este corto tiempo, el cuerpo empieza a consumirse a sí mismo. Las células no pueden crecer y repararse, y esto en último término conduce a la muerte. A diferencia de los carbohidratos y de las grasas, las proteínas contienen nitrógeno. Aunque las tres pueden servir como fuente de energía, las grasas y los carbohidratos no pueden servir como una fuente para la formación de los aminoácidos, porque carecen de átomos de nitrógeno. Los aminoácidos y las proteínas no pueden almacenarse (excepto en los huevos y las nueces), por lo que las cantidades de proteínas en exceso se transforman rápidamente en glucógeno y grasa y su nitrógeno se excreta como urea. Así, aunque podemos existir durante algún 79 tiempo sin grasas o carbohidratos, necesitamos tener un suministro continuo de proteína en nuestra dieta. Los carbohidratos y los lípidos provenientes de varias especies de plantas y animales difieren sólo ligeramente en su composición y en el valor nutricional que tienen para nosotros. Las proteínas, sin embargo, son únicas, y no todas ellas contienen las 20 diferentes clases de aminoácidos. En general, las proteínas completas, que pueden sostener el crecimiento cuando se utilizan como el único suministro dietético, se derivan de fuentes animales. En consecuencia, la nutrición adecuada sólo a base de vegetales, de ordinario requiere una dieta mixta de alimentos vegetales. Casi toda la materia vegetal es baja en proteínas; esto significa que una dieta vegetariana ordinariamente se complementa con carne u otros alimentos ricos en proteínas para satisfacer los requerimientos dietéticos diarios de proteína. En general, puede decirse que un ser humano requiere cerca de 1g de proteína por kilogramo de peso corporal por día. La falta de las cantidades adecuadas de proteína en la dieta diaria, o la deficiencia de aminoácidos por falta de equilibrio en los alimentos proteínicos, quizá es el problema más grave que enfrentan los pobres de este mundo. (Cap. 29). TABLA 11-3 Composición química y requerimientos nutricionales diarios de un varón de 70 kg. (150 lb) Componentes Contenido (g) Requerimiento diario Agua 41 400 Grasa 12 600 Aproximadamente Proteína 12 600 70-100 g Aproximadamente 2 500 calorías Carbohidrato 300 Aproximadamente Na (sodio) 63 3.0 g K (potasio) 150 2.5 g Ca (calcio) 1 160 1.0 g Mg (magnesio) 21 Cl (cloro) 85 2.5 g PO* (fosfato) 670 1.5 g S (azufre) 112 Fe (hierro) 3 l (yodo) 0.014 Vitamina A 400 g ? 12 mg 250 mg 5,000 IU Tiamina 1.2 Riboflavina 1.7 mg Niacina 19 mg Ácido ascórbico 70 mg Vitamina D 100 g 400 IU (10 mg) * En promedio, los alimentos orgánicos (esto es, orgánicos en el sentido químico y como se definió en la Pág. 9) contienen alrededor de cinco calorías por gramo, por tanto, para un suministro calórico adecuado, el cuerpo requiere alrededor de 500 gr. de alimento orgánico (1 a 2 lb.) al día. Alrededor de 14% del alimento que se ingiere debe ser proteína. Una dieta diaria bien equilibrada debe constar de proteínas (15%), carbohidratos (65%) y grasas (de 30 a 40%), para satisfacer las necesidades energéticas y estructurales del cuerpo, junto con vitaminas, minerales, minerales que menos abundan en el organismo y agua. Estas últimas cuatro 80 sustancias son constituyentes importantes de las coenzimas y de otros reguladores metabólicos, así como componentes estructurales del cuerpo. Las cantidades de las diversas clases de nutrientes incluidos en la dieta dependen de su papel en el metabolismo. La Tabla 11-3 presenta las cantidades de sustancias alimenticias requeridas al día y las compara con las cantidades que se encuentran en el cuerpo. PROBLEMAS A LO LARGO DEL TUBO DIGESTIVO En circunstancias normales, el paso del alimento por el tubo digestivo está regulado por diversos mecanismos nerviosos y hormonales, y la comida, la deglución, la digestión y la defecación ocurren sin ningún problema. Sin embargo, la gran cantidad de remedios que se venden sin prescripción para tratar diversos problemas, desde una indigestión hasta el estreñimiento, testifica el gran número de cosas, reales o imaginarias, que no funcionan bien. Caries dental Las caries o picaduras dentales son el padecimiento humano más frecuente. Algunas bacterias fermentan los azúcares y secretan ácidos, el ácido corroe los dientes y produce caries. El desarrollo de éstas depende de la susceptibilidad del diente, de la capacidad de la saliva para neutralizar los ácidos y de la presencia de azúcar en la boca. Enjuagarse o cepillarse los dientes después de las comidas ayuda a evitar las caries, porque se eliminan las partículas alimenticias y las secreciones ácidas de las bacterias, incrementándose la secreción salival. El dolor (odontalgia) ocurre cuando la destrucción ha llegado a las terminaciones nerviosas de los dientes. Las caries no detectadas pueden con el tiempo provocar un absceso. Vale la pena cuidar de los dientes, no sólo para reducir gastos odontológicos, sino porque la pérdida de los dientes causa un notable cambio estético, como el hundimiento de los labios y las mejillas, y en la nutrición, puesto que la capacidad para masticar depende de la condición de los dientes. Un antiguo chiste tiene gracia: “los dientes están muy bien, pero las encías tienen que sacarse”. Contiene algo de verdad, porque después e los 35 años se pierden más dientes por enfermedades de las encías, que por las mismas caries. Los tejidos de las encías que rodean los dientes (tejidos periodontales) se inflaman con frecuencia, situación llamada piorrea; los dientes se aflojan y caen. La piorrea puede ser causada por depósito de cálculos (placas cargadas de bacterias, que se calcifican), una inadecuada limpieza con el cepillo, traumatismos causados por palillos de dientes y gingivitis (enrojecimiento o inflamación de las encías causada por poca higiene), deficiencias de vitaminas B y C e infecciones bacterianas como la angina de Vincent (boca de trinchera). Acedía e indigestión La situación conocida como acedía es causada por un reflujo en el extremo inferior del esófago de jugo gástrico sumamente ácido que irrita la mucosa del esófago y provoca una sensación quemante. En algunos individuos esta situación es crónica, causada por el cierre inadecuado del músculo constrictor cardias en la unión del estómago y el esófago. El cierre normal del carias se origina por la presión que hay en la cavidad abdominal, la parte inferior del esófago está debajo del diafragma (Fig. 11-1a). Si el segmento terminal del esófago es empujado hacia arriba a través del diafragma para que quede en la cavidad toráxica (como ocurre en los últimos cinco meses del embarazo, por el gran tamaño del feto), la barrera no es tan eficaz, y existe la tendencia a que algunos contenidos del estómago sean regurgitados hacia el esófago. La acidez estomacal lleva a la acedía, característica durante los últimos meses del embarazo. Se reduce en las últimas semanas cuando el feto se vuelve hacia abajo. La tendencia en el recién nacido a regurgitar se debe a que la porción inferior de su esófago no está en su cavidad abdominal, de modo que la constricción entre el estómago y el esófago es débil. No obstante la publicidad actual, un “estómago ácido” es natural y funcional. Si el estómago no fuera ácido, no podría empezar la digestión de las proteínas. Sin embargo, la acedía puede aliviarse bebiendo una solución alcalina, como el bicarbonato de sodio. La indigestión es común cuando hay alteraciones emocionales. Mediante el reflejo nervioso la secreción de jugo gástrico se inhibe con emociones como el disgusto y el temor, de modo que no debe sorprender que la digestión se deteriore cuando nos encontramos bajo estrés emocional. Úlceras pépticas Las úlceras pépticas son pequeños agujeros semejantes a cráteres erosionados en las paredes del estómago (donde se llaman úlceras gástricas) o del intestino delgado (úlceras duodenales) y se calcula que afectan a uno de cada 10 adultos en Estados 81 Unidos; la mayoría de las víctimas son hombres. Existe alguna correlación entre el estrés y el desarrollo de la úlcera (Cuadro 11B). Las úlceras son el resultado de una secreción insuficiente de moco y de una secreción excesiva de jugo gástrico en el estómago, esto erosiona la pared de la mucosa y puede perforar el estómago o el mismo duodeno y causar peritonitis18 y hemorragia. Lo más común es que una úlcera péptica se encuentre en el duodeno, más allá del estómago. El dolor relacionado con una úlcera duodenal quizá origina irritación de las fibras nerviosas expuestas y de las células musculares en la región de la úlcera; los espasmos musculares iniciados por el ácido que actúa sobre el músculo pueden ser factores contribuyentes. La ingestión de leche, bases y alimentos puede aliviar temporalmente el dolor, puesto que estas sustancias tienden a neutralizar el ácido en el jugo gástrico y a retrasar el vaciado del estómago. El dolor abdominal quemante en los que sufren de úlcera suele empezar dos o tres horas después de comer, cuando el ácido no neutralizado empieza a entrar en la región duodenal. Cálculos biliares, bilis e ictericia La bilis es un líquido complejo: contiene los pigmentos bilirrubina (rojo oscuro) y biliverdina (verde), resultantes de la descomposición de la hemoglobina; diversas sales biliares y algo de colesterol. Si el conducto biliar se obstruye o si la vesícula biliar, donde se almacena la bilis, ha sido extraída quirúrgicamente, se deteriora la digestión de grasas. Los pigmentos biliares dan a las heces su color café característico; así, la obstrucción del conducto biliar, el daño del hígado o un trastorno sanguíneo como la anemia (causada con frecuencia por falta de hemoglobina), puede reflejarse en heces calcéreas o grisáceas, puesto que los pigmentos biliares no pueden verterse en el intestino. En ocasiones, llos pigmentos biliares se acumulan en la sangre porque no pueden excretarse y dan a la piel un matiz amarillento: situación denominada ictericia. Ésta tiene varios orígenes: obstrucción del conducto biliar, daño en las células hepáticas causado por la cirrosis, la hepatitis, sustancias tóxicas como los venenos o el alcohol, y una destrucción excesiva de eritrocitos por anemia 18 La peritonitis es una inflamación producida por bacterias, de la mucosa de la cavidad abdominal; antes de la llegada de los antibióticos, casi siempre era mortal. 82 perniciosa o paludismo. Puesto que las causas son tan variadas, el tratamiento de la ictericia debe ajustarse a su origen. Quizá el padecimiento más frecuente que involucra a la bilis es el estado conocido como cálculos biliares. Es normal que la bilis en la vesícula biliar se concentre cinco a 10 veces por la resorción de agua, y en circunstancias ordinarias la bilis concentrada no contiene depósitos. En ocasiones se precipitan cristales del colesterol, y éstos se combinan con sales y pigmentos biliares para producir los cálculos biliares. Estos menudos cálculos teñidos de un color verde amarillento pueden producir dolor y obstruir el conducto biliar, y detener, por tanto, el flujo de bilis hacia el intestino, perjudicando seriamente la digestión y la absorción de grasa. Algunos cálculos biliares salen con el alimento no digerido, pero los de tipo obstructivo deben de ser extraídos mediante cirugía. Apendicitis El saco sin salida que se encuentra en la extremidad del ciego, el apéndice vermiforme (Fig. 11-1), es un órgano linfoide que no tiene funciones digestivas en los seres humanos. Aunque protege contra la infección, puede infectarse con bacterias provenientes del resto de los intestinos, y producir un estado inflamatorio llamado apendicitis. Esta situación puede tratarse con antibióticos o bien, el apéndice puede extirparse quirúrgicamente. El peligro de la apendicitis consiste en que el apéndice infectado puede perforarse, y arrojar su contenido bacteriano en la cavidad abdominal y causar una peritonitis. Estreñimiento, diarrea y colitis Las heces eliminadas del cuerpo generalmente son blandas y en forma de columna. Si el vaciado se demora, hay una absorción excesiva de agua y la materia fecal se seca y endurece, dificultando la evacuación, lo que se denomina estreñimiento, mismo que también puede ser provocado por emociones como el temor, la ansiedad o el susto, que inhiben el reflejo de defecación. Los dolores de cabeza y otros síntomas que acompañan el estreñimiento no son resultado de las toxinas o venenos absorbidos de las heces, sino de la distensión mecánica del recto. Síntomas similares aparecen en condiciones experimentales si el recto es rellenado con una sustancia no tóxica, como el algodón o un globo inflado. Las paredes del recto tienen vasos sanguíneos. A veces debido al estreñimiento, la presión abdominal (como sucede en el embarazo o en caso de obesidad grave), o la predisposición hereditaria, estos vasos crecen y producen las hemorroides, que pueden ser externas o internas y causar dolor y hemorragia. Si el contenido del colon se mueve demasiado rápido, hay menos tiempo para la absorción del agua, y los materiales fecales que llegan al recto son más líquidos, lo que se conoce como diarrea. La diarrea, caracterizada por evacuaciones acuosas y frecuentes, puede originarse por irritación de la mucosa del colon debido a la presencia de bacterias que causan disentería, irritantes en los alimentos (como las ciruelas, que estimulan los movimientos intestinales), o sustancias tóxicas. La diarrea prolongada o grave puede causar una pérdida excesiva de agua o colitis ulcerosa, debido al rápido flujo de jugos digestivos del intestino delgado en el colon. Éste puede, a su vez, producir úlceras en la pared del colon. RESUMEN 1. La digestión es el proceso durante el cual las sustancias complejas e insolubles de los alimentos se descomponen en otras simples y solubles. Ocurre en el tuvo digestivo, que también absorbe los materiales solubles y elimina los residuos. 2. El tubo digestivo secreta moco y enzimas. 3. El peristaltismo mueve el alimento a lo largo del tubo, después de la boca y la faringe, cuando pasa por el esófago hasta el estómago, los intestinos delgado y grueso y el recto, desde el cual se expulsan las heces. 4. La digestión de los carbohidratos comienza en la boca. 5. En el estómago los alimentos son agitados y subdivididos para formar el quimo en un medio ácido. Empieza la digestión hidrolítica de las proteínas para convertirlas en polipéptidos y de las grasas para transformarlas en ácidos grasos. 6. En el intestino delgado continúa la digestión de las proteínas, los carbohidratos y las grasas en un medio alcalino. Los productos del hígado y el páncreas ayudan en la digestión y se vierten en el duodeno. El duodeno, el ileon y el yeyuno tienen una gran área superficial de absorción debido al revestimiento de vellosidades y microvellosidades de las células epiteliales. La absorción ocurre mediante transporte activo, lo mismo que por difusión. CUADRO 11B Las úlceras: el precio del éxito Las úlceras pépticas se presentan a cualquier edad, pero son más frecuentes de los 30 a los 35 años de edad. Hay aproximadamente cuatro veces más hombres con úlcera que mujeres. Existe una estrecha relación entre las úlceras y la personalidad. Las víctimas de la úlcera son ordinariamente individuos agobiados de conflictos, que manejan bruscamente, que comen de prisa, que tienen ansias de superioridad; son más del tipo activo que del flemático e introvertido. En las personas que se hallan bajo estrés, las úlceras se presentan con muchísima frecuencia: conductores de autobuses y de taxis, ejecutivos en el mundo de los negocios. Hace aproximadamente diez años, se iniciaron algunos interesantes experimentos para investigar la causa de las úlceras. Se adiestraron monos para que evitaran un choque eléctrico bajando una palanca, una situación de aprendizaje que no les costó mayor trabajo dominar. Aunque los simios aprendieron bien, con frecuencia murieron a causa de úlceras pépticas graves. Pruebas posteriores demostraron que si a un mono se le ataba a una silla y se le sometía a choques eléctricos a intervalos, no desarrollaba úlceras. Para aclarar la situación, un par de monos fueron relacionados el uno con el otro mediante un piso conectado con un alambre eléctrico y simultáneamente se les dieron choques. Así, el tratamiento administrado fue exactamente el mismo para cada uno de ellos. Sin embargo, uno de los animales tenía una palanca ficticia; ambos monos recibieron el mismo número de choques, pero sólo uno de ellos, el mono “ejecutivo” podía desconectar la descarga. Sólo el mono ejecutivo desarrolló úlceras. (Hay que hacer notar que el mono ejecutivo no recibía ninguna advertencia de los choques que iban a venir). Investigaciones más recientes han intentado separar los factores físicos y psicológicos que intervienen en la producción de las úlceras gástricas, utilizando para ello ratas. Al igual que los monos, dos ratas recibieron choques eléctricos simultáneamente a través de electrodos colocados en sus colas. Una de las ratas oía una señal unos cuantos segundos antes del choque, de modo que podía predecir cuándo ocurriría la descarga, en tanto que la otra no recibía ninguna señal de advertencia. Las ratas que oían el zumbido de advertencia desarrollaron una úlcera grave, en tanto que las que recibían choques sin advertencia precia no desarrollaron úlceras. De aquí que el efecto psicológico de predictibilidad más que el choque mismo determinaba la gravedad de la úlcera. Si el animal estaba provisto de una palanca mediante la cual podía evitar el choque y escapar, esto es, hacer frente al choque después de la señal de advertencia, la ulceración era mucho menos grave. Este último resultado era aparentemente contrario al obtenido con los monos. Esta contradicción puede explicarse por los efectos de retroacción sobre el comportamiento repetitivo, esto es, si un animal puede hacer frente a un choque desconectándolo, está obteniendo un esfuerzo positivo o una llamada retroacción importante de su ambiente. Si el animal intenta hacer frente al choque y aún así lo recibe, 83 como el mono ejecutivo, está recibiendo un refuerzo negativo o una retroacción poco importante de su ambiente; esto produce ansiedad y estrés que, en último término, lleva a la úlcera péptica. Si el animal no recibiera la oportunidad de hacer frente al choque, esto es, lo recibiera y no pudiera hacer nada al respecto, no estaría recibiendo retroacción ni negativa ni positiva. La tensión psicológica se reduce consecuentemente y, aunque el animal esté en una situación sumamente tensa, el desarrollo de la úlcera se reduce, porque disminuye la cantidad total de estrés. Estos estudios sugieren que la fatiga física (los choques en este caso) no son el principal factor en la formación de las úlceras, sino los factores psicológicos o emocionales. De suma importancia es el carácter cíclico de la fatiga emocional; el desarrollo de la úlcera fue máximo cuando se sometieron los monos a seis horas de fatiga seguidas por seis de descanso. Parece que la fatiga continua produce un tipo de ajuste estable de la situación y, en consecuencia, las úlceras no tienden a desarrollarse. En una situación similar, las personas que reciben choques inevitables pero piensan que pueden evitarlos apretándolos puños u oprimiendo un botón, mostraron menos excitación emocional que aquellas a las que se les administraron los mismos choques y que también se les pidió que apretaran los puños u oprimieran un botón, pero que comprendían que los choques eran inevitables. Quienes pensaron que tenían control sobre el choque, veían que sus respuestas les producían una retroacción importante –refuerzo positivo-, en tanto que en contraste, las personas que pensaban que estaban indefensas, consideraban que sus respuestas no producían ninguna retroacción importante. Más tarde se ha encontrado que los animales que reciben retroacción positiva, es decir, los que pueden evitar el choque, muestran un aumento en las cifras de neurotransmisores (noradrenalina) en el cerebro, en tanto que los que se saben indefensos ante los mismos choques muestran una disminución. Se sospecha que las cifras reducidas de neurotransmisores en el cerebro causan la depresión nerviosa y la incapacidad consecuente para arreglárselas. Así, la incapacidad inicial en una situación particular puede inducir cambios bioquímicos en el sistema nervioso; éstos intensifican la depresión y la incapacidad para afrontarla puede convertirlas en un círculo vicioso. Una vez que la úlcera se desarrolla, ¿cómo puede tratarse? El tratamiento de las úlceras implica intentos para reducir la secreción de jugo gástrico mediante la administración de fármacos que bloqueen los estímulos nerviosos que producen la secreción ácida. Si esto no funciona, el tratamiento consiste en cortar quirúrgicamente el nervio vago, nervio que es el principal estimulador de la porción secretora del estómago. ¿En qué forma pueden controlarse las úlceras sin recurrir a la cirugía? El método más simple es con frecuencia el más difícil: evitar el ambiente que causa la tensión nerviosa. Un cambio de trabajo y de modo de vida con frecuencia ayudan, como también comidas frecuentes de una dieta blanda que contenga leche y productos lácteos y una completa abstinencia de estimulantes como el tabaco, el alcohol y el café. 7. Los aminoácidos y los azúcares entran en la corriente sanguínea por los capilares de las vellosidades y son transportados directamente al hígado mediante el sistema portal hepático. Las grasas, como 84 los ácidos grasos y el glicero, se recombinan para formar triglicéridos y entrar en el sistema linfático por los quilíferos de las vellosidades. 8. Los reflejos gastro y duodenocólico originan el vaciado intestinal (colon y recto) por el ano. 9. Las demandas energéticas del cuerpo se miden en cuanto a calor (calorías) como la tasa metabólica. La tasa metabólica y los requerimientos calóricos varían con el sexo y la actividad diaria. La energía es suministrada por lo general por las grasas y los carbohidratos, y las proteínas proporcionan energía lo mismo que sirven como materiales de construcción para el crecimiento estructural y las reparaciones. 10. A diferencia de los carbohidratos y las grasas, las proteínas no pueden almacenarse. Las llamadas proteínas completas provienen generalmente de fuentes animales, en tanto que los vegetales tienen un bajo contenido proteínico y a menudo incompleto en cuanto a su contenido de aminoácidos. 11. Necesitamos comer una dieta bien equilibrada que contenga grasas, carbohidratos y proteínas, lo mismo que vitaminas, minerales que más abundan y que menos abundan en el organismo y agua. 12. El proceso digestivo es normalmente regulado por hormonas y nervios. 13. Los trastornos del sistema digestivo pueden reflejarse en forma de caries dental, piorrea, acidez estomacal, indigestión, úlcera péptica, peritonitis, ictericia, cálculos biliares, apendicitis, estreñimiento, diarrea y hemorroides. Algunas de éstas, particularmente la acidez estomacal y las úlceras, pueden agravarse por factores psicológicos que aumentan la secreción ácida del estómago. PALABRAS CLAVE - Acedía Ahorro de proteínas Apéndice vermiforme Apendicitis Bilirrubina Biliverdina Bolo Cálculos biliares Caries - Diarrea Digestión Esfínteres anales Estreñimiento Fístula Heces Hemorroides Hidrólisis Ictericia Indigestión Intestinos Metabólica Metabolismo basal Microvellosidades Mucosa Peristaltismo Peritonitis Piorrea Quilífero Reflejo duodenocólico Reflejo gastrocólico Submucosa Tejido adiposo Tejido periodontal Tono muscular Triglicéridos Tubo digestivo o gastrointestinal Úlcera duodenal Úlcera gástrica TEMAS DE REPASO Y ESTUDIO 1. ¿Qué es la digestión? ¿Cuál es importancia para la nutrición humana? su 2. Comentar la estructura del tubo digestivo y en qué forma sus partes se relacionan con sus funciones. 3. ¿Cuál es la importancia experimentos de Beaumont? de los 4. ¿En qué se diferencia la defecación de la excreción? 5. ¿Por qué el estómago no se digiere a sí mismo? 6. ¿En qué forma se relaciona la estructura de la mucosa con su función absorbente? 7. Fundamentar la siguiente opinión. “los intestinos están fuera del cuerpo”. 8. ¿En qué forma las enzimas digestivas tienen que ver con la nutrición humana? 9. Describir la participación del hígado en la digestión. 10. ¿Cómo se digieren las proteínas en el tracto digestivo humano? 85 TRANSPORTE INTERNO: EL SISTEMA CIRCULATORIO ¿POR QUÉ NECESITAMOS UN SISTEMA CIRCULATORIO? La vida surgió en el mar. El mar no sólo engendró diminutas gotas de materia viva, sino que las nutrió. El mar primitivo, un caldo orgánico diluido, suministró a las células primitivas las materias primas para sostener su metabolismo. Las células recibieron alimento y, si eran aerobias, oxígeno del medio líquido donde estaban suspendidas. Los desechos metabólicos –dióxido de carbono y compuestos nitrogenados-, elementos naturales de la actividad celular, se desarrollaron en el mar. Para los seres primitivos, de tamaño diminuto, el intercambio con el medio era un asunto sencillo: a través de la membrana plasmática de la célula, por el proceso de difusión introducía lo que se necesitaba y extraía lo que no era necesario. La difusión funcionaba bien porque la superficie de intercambio, la plataforma de carga y de descarga, nunca estaba demasiado lejos del interior de la célula. Aún hoy en día, las plantas y animales unicelulares o multicelulares dependen de mecanismos similares (Fig. 12-1a). Al aumentar los organismos de tamaño y volverse estructuralmente más complejos con comunidades de células cada vez más grandes, surgieron los problemas de transporte. La superficie de intercambio se alejó mucho de las células que estaban en el interior ¿Cómo podían el alimento y el oxígeno que había en el mar circundante llegar a células interiores “Tierra adentro”, y cómo podían sus desechos ser extraídos para ser depositados fuera de la superficie del cuerpo? Un mecanismo para proporcionar un paseo marítimo a las células rodeadas de tierra, fue ahuecar el cuerpo en la forma de un tubo y mover el líquido circundante hacia adentro y hacia fuera. Ésta es la situación en organismos que tienen una forma semejante a un saco, cuyos representantes modernos son las esponjas, las hidras, las anémonas de mar y las medusas (Fig. 12-1b). Sin embargo, cuando el tamaño del animal siguió aumentando, el simple conducto de agua salada (o agua dulce) ya no fue suficiente para intercambios eficientes entre el animal y su medio. Para que el alimento y el oxígeno pudieran llegar a las células que se encontraban a una distancia considerable de la superficie corporal, el conducto que 86 contenía el líquido circundante se ramificó y creó un complicado sistema de conductos que asegurara que fuera posible el intercambio con el líquido ambiental, si no para todas, el menos para la mayor parte de las células (Fig. 12-1c). Las células internas tuvieron de nuevo contacto con la “costa”. Ahora se desarrollaron otros problemas. Tener un sistema de conductos llenos con agua de mar podría bastar para seres pequeños, moderadamente activos, como los platelmintos, pero no lo sería para organismos voluminosos y más activos. La eficiencia del intercambio y conservación de un medio interno más o menos constante es de capital importancia para esos organismos; la difusión sencillamente no es eficaz en grandes distancias, y el flujo y el reflujo en una red tubular reducen la eficacia. Con el tiempo el problema se resolvió: el mar interno quedó encerrado en la red tubular, el flujo y el reflujo fueron reemplazados por una corriente rápida de un solo sentido, y un mecanismo regulador evolucionó gradualmente para conservar una constancia interna. El líquido permaneció en movimiento mediante un dispositivo de bombeo: un vaso palpitante o corazón. Al circular el líquido junto a las plataformas de carga de alimento y oxígeno en la superficie corporal, los elementos nutritivos y el oxígeno se difunden en él para ser llevados luego alas células, donde son recibidos; las células, a su vez, ceden sus desechos al líquido circulante y son expulsados en la plataforma de descarga de la superficie. El líquido circulante se convierte en una ruta comercial para efectuar rápidos intercambios entre el exterior y el interior del cuerpo. Así pues, en casi todos los animales activos más grandes, incluidos los humanos, las regiones especializadas para obtener elementos nutritivos, intercambio de gases y expulsión de desechos, restringidas más o menos a la superficie corporal, estaban vinculadas a las innumerables células de las capas más profundas mediante un sistema de tubos llenos de líquido: el sistema circulatorio. Una vez que esto había ocurrido, las células corporales eran bañadas desde dentro, y tales seres eran en cierto grado independientes del medio ambiente acuoso del que habían surgido. Estos organismos podían salir a tierra, y algunos de ellos lo hicieron. Nosotros no somos sino uno de esos muchos seres terrestres que emergieron hace siglos del primitivo hábitat acuoso. FIGURA 12-1 Intercambio de materiales entre las células y el medio ambiente. a) La unicelular Amoeba. B) La hidra. C) El platelminto Dugesia. 87 FIG. 12-2 Una vista simplificada del sistema circulatorio humano. (Tomado de Carl J. Wiggers, “The Herat”. Copyright 1957 by Scientific American, Inc. All rights reserved) 88 ¿QUÉ FUNCIONES DESEMPEÑA EL SISTEMA CIRCULATORIO? El sistema circulatorio, con el corazón, los vasos sanguíneos y la sangre, es el mayor órgano del cuerpo y, en total, tienen dos veces el tamaño del hígado. Si los conductos tubulares del sistema circulatorio humano se unieran uno tras otro, medirían una cuarta parte de la distancia que hay entre la Tierra y la Luna: 60 000 millas. El corazón muscular bombea la sangre a las arterias, y éstas se ramifican como un árbol para distribuir la carga de sangre a todas las partes del cuerpo (Fig. 12-2). Cuando la sangre sale por el lado izquierdo del corazón, entra a la gran arteria19 del cuerpo: la aorta. La aorta tiene aproximadamente una pulgada de ancho; se dobla hacia arriba en un arco cuando sale del corazón y luego corre hacia abajo, a lo largo de la columna vertebral, hacia el abdomen. Derivadas de la aorta, hay otras grandes arterias que suministran sangre a la cabeza, a los órganos internos, a los brazos y a las piernas. Éstas se ramifican en arterias cada vez más pequeñas del sistema arterial son las arteriolas microscópicas. Las arterias son conductos con paredes relativamente gruesas que contienen tejidos muscular y elástico (Fig. 12-3a). La fortaleza y elasticidad de las paredes evita que se rompan por la presión, y el músculo permite controlar su diámetro. Las ramificaciones más delgadas, las arteriolas, están formadas casi totalmente por músculos lisos y pueden ensanchar o estrechar su amplitud tubular. Las arteriolas más pequeñas se ramifican a su vez en diminutos capilares, compuestos de una sola capa de células planas (Fig. 12-3b). Esta capa no sólo forma las paredes de los capilares, sino que recubre los otros vasos sanguíneos y el corazón, de modo que toda la sangre del cuerpo está contenida dentro de un solo recubrimiento continuo. Hay miles de millas de capilares en una persona adulta, y bañan a todos los tejidos corporales; además, ninguna célula se encuentra a más de unas cuantas milésimas de pulgada de un capilar. En el capilar ocurre la función primaria del sistema circulatorio: la continua carga y descarga para las células y la eliminación de los productos del metabolismo celular. En cierto sentido, los otros componentes del sistema circulatorio son el bombeo secundario 19 Hay que notar que una arteria saca la sangre del corazón y que una vena lleva sangre al corazón o entre otros órganos (venas portales, figura 11-5). Aunque la mayor parte de las arterias llevan sangre oxigenada y casi todas las venas llevan sangre desoxigenada, el contenido de oxígeno no puede tomarse como base para distinguir una arteria de una vena. para llevar sangre a los capilares y traerla de ellos. Desde los capilares la sangre entra en las venas más pequeñas, las vénulas, y éstas se combinan para formar las venas más grandes. Las venas devuelven la sangre al corazón. Se diferencian de las arterias en que sus paredes no son tan ricas en tejidos elásticos o muscular, sino que están formadas principalmente por tejido conjuntivo (Fig. 123c). Como resultado, estos vasos son más extensos y menos elásticos que las arterias; además, las venas están provistas de válvulas de una sola dirección de modo que se evita el reflujo de sangre hacia los capilares. El corazón, las arterias, los capilares ylas venas forman un sistema cerrado de conductos a través de los cuales el río interno de la sangre circula una y otra vez. En resumen, el sistema circulatorio es un sistema dinámico lleno de líquido que permite que la comunidad de células desempeñe sus papeles individuales, pero interconectados, y proporciona un ambiente estable para las células del cuerpo. EL CORAZÓN: UNA BOMBA NOTABLE La doble bomba El corazón de una persona adulta tiene aproximadamente el tamaño y la forma de un uño (Fig. 12-4). Tiene unas 5 pulgadas de largo por 3.5 pulgadas de ancho y pesa menos de una libra (de 12 a 13 onzas). El corazón es una bomba muscular que conserva la sangre en circulación, y sin su constante palpitación la vida pronto cesaría. Si la sangre que fluye al cerebro se interrumpe por más de 5 segundos, perdemos el conocimiento; luego de 15 a 20 segundos, los músculos se convulsionan, y después de 8 minutos de circulación interrumpida las células cerebrales sufren un daño irreparable. El corazón se halla exactamente detrás del esternón entre los pulmones y arriba del diafragma. Rodeando al corazón hay un saco de paredes dobles; el pericardio. El líquido que hay en el pericardio actúa como lubricante, de modo que con cada latido las superficies se deslizan suavemente una sobre otra. Aunque está localizado en un punto central, el eje de simetría del corazón no se encuentra a lo largo de la línea media, y la porción cónica del órgano está inclinada hacia la izquierda; es en esta parte donde el latido se siente y se escucha con mayor facilidad (lo que origina la popular, pero equivocada impresión de que el corazón se encuentra al lado izquierdo del cuerpo). 89 FIGURA 12-3 La estructura de los vasos sanguíneos: a) Arteria. b) Capilar. c) Vena. 90 Cuando el cuerpo está en reposo, el corazón bombea 2 onzas de sangre por latido, 5 qt por minuto, 75 galones por hora. Cada mitad de corazón tiene un depósito superior o cámara colectora: la aurícula (atrium = vestíbulo, aulis = oreja; L.) y una cámara de bombeo inferior, el ventrículo (Fig. 12-5a). La sangre que regresa del cuerpo entra en la aurícula derecha y luego pasa al ventrículo derecho. Entre la aurícula y el ventrículo derechos hay tres aletas o cúspides de tejido que actúan como una válvula (la válvula tricúspide) que dirige el flujo de sangre de la aurícula al ventrículo. Las aletas de la válvula están unidas mediante ligamentos (“las fibras sensibles”) con pequeños músculos que hay en la superficie interna del ventrículo. Cuando la sangre pasa de la aurícula al ventrículo, la válvula no ofrece resistencia, pero cuando el ventrículo se contrae, las aletas de la válvula tricúspide se mueven una hacia las otras, cerrando la abertura y evitando el reflujo. Los ligamentos evitan que las aletas de la válvula sean impulsadas hacia la aurícula (Fig. 125b). Del ventrículo derecho, la sangre pasa a la arteria pulmonar. La abertura está guardada por la válvula pulmonar o semilunar, constituida por tres aletas en forma de media luna dispuestas de modo que se evita el reflujo de la arteria hacia el ventrículo (Fig. 12-5b). La arteria pulmonar conduce la sangre a los pulmones. El lado derecho del corazón se llama bomba pulmonar, puesto que interviene en un circuito que lleva la sangre a los pulmones y la regresa al lado izquierdo del corazón. La sangre oxigenada que viene de los pulmones regresa al lado izquierdo del corazón mediante las venas pulmonares. Entra en la aurícula izquierda y de ahí pasa al ventrículo izquierdo. El paso de la aurícula izquierda al ventrículo está guardado por una válvula de un solo sentido que consta de dos aletas, la válvula bicúspide o mitral. Esta válvula evita el reflujo de sangre del ventrículo izquierdo hacia la aurícula cuando las gruesas paredes musculares del ventrículo se contraen para llevar la sangre a la aorta. La abertura que va del ventrículo izquierdo a la aorta contiene la válvula aórtica, que asegura una sola dirección al flujo que sale del corazón (Fig. 12-5b). El lado izquierdo del corazón es la bomba sistémica, puesto que interviene en el movimiento de la sangre desde el corazón a los sistemas de órganos del cuerpo (excepto los pulmones) y en su regreso al lado derecho del corazón. tejido. Gracias a esto, es posible reemplazar una válvula enferma, descompuesta o dañada, con otra normal extraída de un cadáver, o por una artificial, del tipo de bola y anillo. La válvula artificial se cierra cuando una bolita de plástico (de silástic) se asienta en un anillo de acero; se evita que la bolita ande de un lado al otro, encerrándola en una red sobre el lado en el que baja la corriente (Fig. 12-6). Algunas de estas válvulas artificiales duran hasta siete años sin presentar ningún problema. Sin embargo, informes recientes indican que a veces se recubren de materiales grasos que causan la formación de una costra; con miras a reducir esta tendencia, se ha intentado modificar sus diseños. La pared del corazón consta de tres capas: la externa, el epicardio, compuesta de tejido conjuntivo y frecuentemente infiltrado de grasa; la interna el endocardio, que recubre la cavidad del corazón, cubre las válvulas y se continúa con la mucosa de los vasos sanguíneos, y la capa intermedia, o miocardio, que consta de una compleja red de músculos. El miocardio permite las contracciones cardiacas. - La forma en que están ordenados los grupos de músculos en la pared del corazón es tal que, cuando las células auriculares son estimuladas, las dos aurículas se contraen juntas y, en forma similar, los dos ventrículos se contraen al mismo tiempo cuando son estimulados. Las gruesas paredes ventriculares tienen los músculos dispuestos en anillos, espirales y aros conectados unos con otros. Esta disposición es mecánicamente muy eficiente; la contracción ventricular no sólo impulsa la sangre fuera de los ventrículos, sino que la exprime con un movimiento de torsión; las cámaras ventriculares son los elementos primarios de la bomba cardiaca. Antes de una contracción, los ventrículos se llenan casi completamente de sangre mediante la relación elástica de la contracción previa; no como se podría esperar, mediante la contracción de las aurículas mismas. La contracción de éstas completa la transferencia de sangre, por así decirlo, exprimiendo las últimas gotas. La abertura y cierre de las válvulas del corazón son pasivas, y sólo dependen de la forma en que están ordenadas las aletas de 91 FIGURA 12-5 A) Vista Del corazón. B) Válvulas del corazón, su estructura y función: 1) llenado de los ventrículos, 2) Contracción de los ventrículos, 3) corte transversal a través de las válvulas. FIGURA 12-6 a) Válvula cardiaca artificial Starr Edwards. (Cortesía de Edwards Laboratories, Santa Ana, California). B) Radiografía que muestra dos válvulas artificiales implantadas en un paciente. (Cortesía de la World Health Organization). 92 Actividad eléctrica del corazón Un corazón extraído completamente del cuerpo, pero provisto de una nutrición adecuada, continuará latiendo rítmicamente casi en forma indefinida. El latido se origina en el músculo mismo y, por tanto, se dice que es miogénico (myo = músculo; gennao = producir; Gr.) El compás empieza en una región denominada marcapaso cardiaco, o nudo sino auricular (SA), que es un grupo de células especializadas localizadas en la parte superior de la aurícula derecha (Fig. 125a). Estas células generan un breve impulso eléctrico, aproximadamente 72 veces por minuto, y este impulso se extiende con rapidez por las aurículas y las excita para que se contraigan al mismo tiempo. El impulso también llega a otro nudo de células musculares especializadas situadas entre las aurículas y los ventrículos: el nudo aurículoventricular (AV). Aquí el impulso se demora brevemente (0.07 segundos) y luego es conducido a través de un anillo aislante que está entre las aurículas y ventrículos mediante un sistema especial de conducción llamado el haz Avn. Las fibras de este haz son células musculares cardiacas modificadas que transmiten los impulsos seis veces más rápido que los músculos cardiacos ordinarios. El haz AV se divide en dos ramificaciones principales, que a su vez se ramifican por ambos ventrículos en muchas finas ramificaciones llamadas fibras de Purkinje. El impulso cardiaco se extiende por las fibras de Purkinje y, como resultado, los ventrículos se contraen casi simultáneamente, convirtiendo al corazón en una bomba eficaz. En un corazón normal, no puede generarse o ser conducido un segundo impulso al menos durante 0.3 segundos, durante este intervalo se dice que el corazón es refractario. Sin embargo, si la vía de conducción se alarga debido al crecimiento del corazón, hay una reducción del periodo refractario a causa de una enfermedad o de la administración de algún fármaco (por ejemplo, adrenalina), o si el sistema de Purkinje deja de ser conductor, entonces el impulso sigue su viaje alrededor del músculo cardiaco indefinidamente y causa una agitación muscular, o fibrilación. La fibrilación ventricular se inicia con facilidad mediante un choque eléctrico, especialmente de corriente alterna de 60 ciclos, razón ésta por la que tocar una toma eléctrica con corriente en la casa, es peligroso. un medio nutriente artificial, continúan palpitando en forma rítmica. Sin embargo, como todos sabemos, dentro del cuerpo el latido del corazón se modifica de acuerdo con la carga de trabajo o el estado de ánimo. Durante el descanso, el corazón late con lentitud; durante un ejercicio pesado o debido a la excitación, su paso se acelera. Cuando dormimos, el corazón bombea un galón de sangre por minuto; pero si hacemos un ejercicio vigoroso, aumenta su rendimiento a 5 galones por minuto. La regulación de los latidos del corazón ocurre mediante el sistema nervioso. El nudo SA está formado por dos series de nervios, simpáticos y parasimpáticos (Fig. 12-7). La estimulación de las fibras nerviosas parasimpáticas aumenta la actividad del corazón; la frecuencia cardiaca se incrementa, las contracciones de los músculos cardiacos son más fuertes y fluye más sangre hacia las arterias coronarias, que abastecen al mismo músculo del corazón. El latido más frecuente, cuando se hace ejercicio o se está excitado, se debe a la descarga de nervios simpáticos y es claramente una respuesta a la demanda del cuerpo (real o anticipada) de un rápido tránsito de sangre por el sistema circulatorio. Las fibras del sistema parasimpático son inhibitorias y reducen la actividad del corazón. Aunque los principales mecanismos reguladores de la frecuencia cardiaca son nerviosos, otros factores modifican su acción. La adrenalina actúa directamente sobre el músculo cardiaco, lo mismo que sobre las fibras nerviosas, para acelerar el corazón; el dióxido de carbono aumenta la velocidad de bombeo. Los factores mecánicos, como la presión de la sangre dentro del corazón, afectan las palpitaciones. Un corazón aislado late a su propia velocidad sin conexión nerviosa. Aún cuando se aíslen pequeñas partes de tejido cardiaco y se coloquen en una caja de Petri que contenga 93 FIGURA 12-7 Control de la frecuencia cardiaca. El nervio parasimpático (vago) es inhibidor, y en condiciones normales reduce las pulsaciones del corazón mediante una corriente continua de impulsos nerviosos. La excitación, el ejercicio o la emoción ponen en funcionamiento impulsos del centro vasomotor para acelerar los latidos del corazón mediante el nervio simpático. FIGURA 12-8 corazón. 94 A) Un electrocardiograma (ECG). b) La propagación de la actividad eléctrica en el El ciclo cardiaco y el electrocardiograma Los médicos escuchan los ruidos del ciclo cardiaco colocando un estetoscopio sobre el lado izquierdo del tórax, aproximadamente una pulgada abajo del pezón. Los sonidos oídos pueden representarse como lub-dupp, pausa, lubb, dupp, pausa. El sonido lubb es agudo y resonante, y representa el “portazo” de las válvulas auriculoventriculares y la contracción de los ventrículos; el sonido dupp es simultáneo con el cierre de las válvulas semilunares y aórticas. A través del estetoscopio pueden oírse ruidos peculiares llamados soplos, y muchos de ellos no tienen importancia clínica. Sin embargo, ciertos soplos representan un mal funcionamiento de las válvulas, como un cierre incompleto debido a un orificio agrandado o a que las aletas de las válvulas están demasiado extendidas, en cuyo caso hay un reflujo de sangre. En otros casos, el soplo indica una restringida apertura valvular a causa de que la aleta valvular se ha endurecido. El registro de la actividad eléctrica del corazón durante un ciclo cardiaco se denomina electrocardiograma (ECG). Puesto que el músculo del corazón actúa como un sistema de conducción eléctrico, su actividad se detecta colocando electrodos sobre el cuerpo (un buen conductor de la electricidad). Los electrodos están conectados a un instrumento que registra la actividad eléctrica del corazón. Un registro semejante de actividad puede verse en la figura 12-8. Como puede observarse por la figura 12-8a, el primer componente del ECG, la onda P, representa la actividad eléctrica de las aurículas antes de la contracción (sístole); después de ésta hay un pico triangular agudo, la onda QRS, que representa los potenciales eléctricos de los ventrículos exactamente antes de la contracción; luego hay una larga onda lenta, la onda T, que representa la actividad eléctrica antes de la relajación ventricular (diástole). Los aspectos más importantes de un electrocardiograma son las relaciones de tiempo entre las diversas ondas. En la figura 12-9 se muestran algunos ejemplos anormales. LA RED CARDIOVASCULAR EN ACCIÓN La presión arterial Una de las mediciones que se toman durante un examen médico sistemático es la presión sanguínea arterial. El instrumento para tal medición, un esfingomanómetro, consta de una faja inflable (la manga), una bombilla de hule con un conducto y un tubo de vidrio con mercurio (el manómetro) (Fig. 12-11). La manga se enrolla en la parte superior del brazo y luego se infla mediante la bombilla de hule. El médico coloca el diafragma del estetoscopio sobre un vaso sanguíneo en la parte anterointerna del codo y lentamente reduce la presión en la manga. En menos de un minuto el doctor dice: “Bastante normal. Su presión arterial es 120-80” ¿Qué indica esta lectura en forma de una fracción? ¿Cómo se mide la presión arterial? ¿Por qué se indican dos presiones? Cada latido del corazón envía 2 onzas de sangre desde los ventrículos a las elásticas arterias. La contracción (sístole) del ventrículo que actúa sobre la sangre causa una elevación en la presión. En tanto el ventrículo se llena de sangre, está relajado (diástole) y la presión arterial en el ventrículo es cero. En la arteria que recibe la sangre durante la sístole, la presión baja (aunque no a cero). Así, con cada latido del corazón hay una elevación y un descenso en la presión de la arteria y una expansión y contracción correspondientes en la pared arterial. Cuando la manga de la presión arterial se infla, la arteria de la parte superior del brazo se colapsa al ser mayor la presión aplicada externamente a la arteria que la ejercida por la sangre dentro del vaso. Cuando la presión en la manga se reduce gradualmente, los primeros chorros de sangre pasan por la arteria y causan un sonido intermitente que puede oírse con el estetoscopio. Una mirada al manómetro en este momento muestra la máxima presión en la arteria –la presión sistólica- y ésta se registra en milímetros de mercurio. Cuando la presión de la manga se reduce aún más, la presión es suficientemente baja de modo que la sangre fluye por la arteria sin ninguna intermitencia (los sonidos palpitantes ya no se oyen mediante el estetoscopio). Esta lectura en el manómetro corresponde a la presión diastólica, cuando el corazón está en reposo entre las contracciones, y las arterias se están contrayendo por retroceso elástico. Las presiones diastólica y sistólica se registran en forma de fracciones, en las que el numerador es la presión sistólica y el denominador, la diastólica. Así, si la presión diastólica es 80 y la presión sistólica es 120 mm de Hg, el valor se escribe 120/80. Hay una amplia gama de presiones normales: de 100 a 140 para la sistólica, y de 60 a 90 para la diastólica. 95 Si la presión arterial registrada par un individuo fuera 200/120, sería anormalmente alta. La causa de presión arterial elevada puede ser una elasticidad reducida en las paredes arteriales, casi siempre por aterosclerosis. El depósito de placas calcificadas impide que la arteria se extienda durante la sístole y minimiza el retroceso elástico durante la diástole. La presión arterial baja puede deberse a choque, volumen de sangre reducido, o ambos. Si observamos la presión arterial en los diferentes vasos sanguíneos (Fig. 12-12), vemos una elevación y un descenso característico en las arterias, pero la presión arterial promedio disminuye continuamente conforme la sangre se aleja del corazón. La presión es mayor en la aorta, baja un poco en las arterias y en las arteriolas es casi la mitad de la que hay en las arterias. Cuando la sangre llega a los capilares, la presión es una quinta parte de la que había en las grandes arterias. La presión llega a su punto más bajo en las venas, especialmente en las que están cerca del corazón ¿Cuál es la razón de que la presión arterial baje cuando la sangre se mueve más lejos del corazón? La resistencia que presenta la fricción de las paredes de los vasos sanguíneos reduce la velocidad del flujo sanguíneo y, a menor diámetro, mayor resistencia, debido a la fricción. Así, cuando la sangre se aleja de la fuerza bombeadora del corazón y pasa a través de vasos sanguíneos cada vez más estrechos, las fuerzas de la fricción que encuentra reducen la velocidad del flujo. Esto es válido para la caída de la presión arterial en el viaje de las arterias a los capilares. La reducción de la presión arterial se relaciona con el área total del conjunto de los capilares (Fig. 12-12). Sin embargo, el diámetro de un capilar individual es tan pequeño, que, los eritrocitos se deslizan en una sola fila. Este lento movimiento de la sangre por la extensa red de capilares permite que el oxígeno, los elementos nutritivos y otros materiales esenciales atraviesen las paredes de los capilares hacia los espacios de tejido circundante llenos de líquido. Igualmente, los residuos que salen de la célula se mueven hacia el espacio líquido y hacia los capilares. (El líquido acuoso que rodea las células y que actúa como medio para la carga y la descarga, se llama líquido intersticial). Ahora la sangre, cargada con los desechos celulares, empieza su viaje de regreso al corazón, pasando de los capilares a las vénulas. La presión en las vénulas y en las 96 venas pequeñas es bastante baja porque aún están muy lejos de la fuerza de bombeo del corazón y también por las fuerzas de fricción en los capilares. Sin embargo, la velocidad del flujo en las venas aumenta rápidamente ya que tienen un área total más pequeña que la extensa red de capilares. Es obvio que la presión que hay en las venas no basta para el regreso de la sangre al corazón; también, puesto que los seres humanos ordinariamente nos encontramos en posición erecta, una buena cantidad de sangre debe ser impulsada cuesta arriba. Frente a este déficit de presión, ¿cómo vuelve la sangre al corazón? CUADRO 12A El infarto cardiaco Cada año, más de 650 mil personas en Estados Unidos sucumben al asesino número uno de la nación; el infarto cardiaco. Más de dos tercios de las muertes ocurren en las horas (con frecuencia minutos) después de que comienza el ataque. Muchas personas piensan que el infarto es una forma fácil de irse: es rápido, sencillo, indoloro y complejo; con frecuencia olvidan que muchos miles no mueren en esta forma, sino que duran años sufriendo las parálisis que les provoca la enfermedad del corazón. ¿Qué causa el infarto cardiaco, y por qué su habitual aparición súbita? FIGURA 12-9 Electrocardiogramas anormales. FIGURA 12-10 El progreso de la arterosclerosis. a) Arteria normal. b) Bloqueo parcial de la arteria. c) Bloqueo avanzado de la arteria. 97 En el término promedio de una vida, el corazón trabaja lo suficiente para levantar un peso de 45 toneladas a una altura de 5 millas. Para desempeñar ese trabajo, las demandas de combustible y oxígeno son grandes. A diferencia de los músculos del esqueleto, el del corazón no puede contraer una deuda de oxígeno; continuamente debe recibir un suministro del mismo. En tanto que otros tejidos utilizan sólo 25% del oxígeno que les proporciona la sangre, el corazón utiliza 80%. Hay un pequeño margen de seguridad. La sangre que pasa por las cámaras del corazón no puede utilizarse para abastecer de oxígeno al mismo músculo cardiaco; en cambio la sangre es transportada directamente a las células musculares por dos arterias coronarias, cada una de las cuales tiene el diámetro de un popote para refresco. Las arterias coronarias se originan en la aorta, se enrollan alrededor de la superficie del corazón, y se subdividen para enviar ramificaciones pequeñas a todas las células musculares (Fig. 12-4). Las redes de cada arteria coronaria no se entremezclan mucho. La sangre regresa a la aurícula derecha mediante una bolsa o depresión en la pared de la aurícula derecha, el seno coronario, dentro del cual desembocan las venas coronarias. Un infarto es causado generalmente por un bloqueo en las arterias coronarias, y el músculo y el tejido conjuntivo que dependen de ese vaso pronto quedan sin oxígeno y mueren. Tal bloqueo puede ocurrir rápida o lentamente, pero casi siempre se relaciona con la arterosclerosis. La arterosclerosis es un estado degenerativo en el que las paredes de las arterias son invadidas por grasas, principalmente colesterol. Con el tiempo estos depósitos se vuelven fibrosos y se impregnan con calcio y forman láminas o placas, similares en su consistencia a la de los huesos (Fig. 12-10). Conforme crecen los depósitos, la luz del vaso sanguíneo se hace más pequeña, hasta que un pequeño coágulo de sangre, o trombo, quizá no más grande que un perdigón BB, puede obstruirla. Si el bloqueo ocurre en la arteria coronaria, el individuo sufre un “infarto cardiaco” o una “coronaria” que con frecuencia causa la muerte. Si el daño no es extenso porque el bloqueo sólo ha afectado a un pequeño vaso sanguíneo, es posible que el estado de debilitamiento pueda ser sólo temporal. Quizá sorprenderá saber que si se tienen más de 30 años de edad ya hay unas cuantas 98 zonas muertas en el corazón, el tejido cicatrizado de tal daño local sigue ahí. Alrededor de los 40 años de edad, probablemente se experimentarán unos cuantos bloqueos coronarios menores, bastante diminutos, y confundidos con frecuencia con dolores causados por la indigestión. ¿Por qué tal bloqueo no siempre produce un infarto cardiaco? Si el bloqueo es gradual, ordinariamente se desarrollan vasos sanguíneos auxiliares, y un ejercicio suave acelera el desarrollo de esos vasos sanguíneos accesorios. Como consecuencia, se abren nuevas vías de suministro sanguíneo para las células en la región de la arteria bloqueada, y el daño es mínimo. Sin embargo, la oclusión coronaria que causa la muerte no siempre puede ser grande. La mayor parte de las muertes son resultado de perturbaciones en el ritmo eléctrico del corazón. La zona del músculo cardiaco que muere y queda más allá de la oclusión, puede bloquear la conducción normal como si fuera una diminuta resistencia eléctrica. Se desencadena entonces un ritmo anormal y esto origina la fibrilación ventricular. Un ventrículo fibrilado no bombea sangre, y si el corazón no se desfibrila en unos cuantos minutos, sobreviene la muerte. El movimiento de la sangre hacia el corazón se efectúa mediante lo que se llama la bomba venosa. Todas las venas periféricas contienen válvulas que evitan el reflujo y hacen que la sangre solamente fluya hacia el corazón (Fig. 12-13). Además, cada vez que un músculo se contrae o una extremidad se mueve, se comprimen las venas. Puesto que las válvulas impiden el reflujo, los músculos están siempre “ordeñando” las venas e impulsando la sangre en dirección del corazón. Así, el balancear los brazos, el caminar, el correr y otros movimientos corporales ayudan a que la sangre regrese al corazón. Además, una ligera contracción de los músculos en las paredes de las venas ayuda en el flujo de regreso y evita que la sangre se acumule en las extremidades. FIGURA 12-11 Representación diagramática de los fenómenos registrados al medir la presión arterial. 99 FIGURA 12-12 Presiones sanguíneas y velocidades de flujo en varias partes del sistema circulatorio. FIGURA 12-13 La bomba venosa: los músculos ayudan a mover la sangre en las venas hacia el corazón. 100 Intercambio de materiales a través de la pared capilar En una pulgada cúbica de músculo se ha calculado que hay más de 1.5 millones de capilares. La extensa ramificación, el pequeño diámetro, las delgadas paredes y el área superficial de los capilares aseguran que las transferencias entre las células y la corriente sanguínea se efectúe con toda rapidez. Las paredes de los capilares son muy permeables al agua y a casi todas las moléculas pequeñas; el transporte de estos materiales a través de los capilares ocurre principalmente por difusión. Los intercambios entre la sangre (contenida en los capilares) y las células de los tejidos no es directa, las células de los tejidos están rodeadas y bañadas por el líquido intersticial, que actúa como intermediario: las sustancias pasan de la sangre a través de la pared capilar al líquido intersticial y de ahí a la célula, o viceversa. A causa de que el movimiento de los materiales a través de la pared capilar implica la difusión, se requiere un gradiente de concentración que proporcione la fuerza motriz para el movimiento neto de una sustancia. La conservación de este gradiente depende básicamente de que las células del tejido metabolicen en forma activa. Veamos por qué. Los nutrientes disueltos en la sangre se difunden fuera de los capilares y pasan a las células del tejido mediante el líquido intersticial. Puesto que las células de los tejidos usan continuamente los nutrientes, hay una eliminación constante de estas sustancias del líquido intersticial y, como consecuencia, se establece un gradiente en el que la concentración de nutrientes es mayor en la sangre que en el líquido intersticial o en las células mismas. Por el contrario, los residuos metabólicos son producidos constantemente por las células de los tejidos que metabolizan en forma activa y, como aumenta la concentración intracelular, estas sustancias salen de la célula hacia el líquido intersticial y, por difusión, entran en los capilares. La secuencia de los fenómenos relacionados con los intercambios entre los capilares y las células de los tejidos se muestran en la figura 12-14. 101 FIGURA 12-14 Representación diagramática del movimiento de nutrientes y desechos entre la sangre ylas células de los tejidos. Las sustancias atraviesan las paredes capilares principalmente por difusión, y así dependen de la conservación de un gradiente de concentración entre los líquidos capilar e intesticial. FIGURA 12-15 a) Micrografía electrónica que muestra una sección transversal de un capilar. La unión de las células endoteliales con un obvio espacio intercelular se indica mediante flechas. Además, numerosas vesículas pinocitóticas pueden verse en las células endoteliales que forman la pared capilar. (Cortesía de R. R. Porter) b) Intercambio de líquidos entre el capilar y el espacio del tejido. FIGURA 12-16 El marcapasos artificial. a) La cabeza del marcapasos pasa por una vena del cuello, la vena cava, la aurícula derecha y el ventrículo derecho. B) Dos tipos de marcapasos sostenidos en la mano. El de la derecha tiene aproximadamente el tamaño de una caja de cerillos. En la radiografía que se encuentra en el fondo, el marcapasos más grande sostenido en la mano izquierda se muestra ya implantado. (Cortesía de World Health Organization). 102 Puesto que los materiales liposolubles penetran la membrana celular con bastante facilidad, éstos tal vez pasan directamente a través de la pared capilar. Las moléculas cargadas (iones9 y las sustancias que no son liposolubles tendrían gran dificultad en pasar a través de ella si no fuera por que existen espacios entre las células endoteliales que forman la pared capilar (Fig. 12-15). Se cree que estas moléculas de difusión lenta se mueven a través de los espacios intercelulares mediante filtración, más que por difusión directa a través de la membrana celular, y en esta forma se intercambian con mayor rapidez de lo que podría anticiparse, considerando sólo sus características de difusión. Además el microscopio electrónico muestra que la mayor parte del transporte de moléculas grandes y pequeñas hacia adentro o hacia fuera de los capilares puede llevarse a cabo mediante la pinocitosis (Fig. 12-15). CUADRO 12B Marcapasos artificiales MUCHOS MARCAPASOS FUNCIONAN MAL LOS ÁNGELES (UPI)- La mitad de los 250 marcapasos artificiales recobrados en personas fallecidas el año pasado estaban funcionando mal en cierto grado, dijo ayer un médico de la USC. El funcionamiento defectuoso bastaba para poner en peligro la vida y, posiblemente, fue un factor causante de muerte en el 16 por ciento de los casos, explicó el doctor Michael Biltich, profesor auxiliar de medicina en el USC. Biltich dijo que de 25 al 50% de los casos el hospital deja de enviar la tarjeta de garantía al fabricante quien luego se rehúsa a reemplazar el marcapasos cuando empieza a funcionar defectuosamente. Un gran porcentaje de las muertes por enfermedades del corazón en Estados Unidos son el resultado directo de arritmias, palpitaciones irregulares del corazón. Si los ritmos potencialmente peligrosos se detectan a tiempo, entonces pueden tomarse medidas correctivas. Ciertamente alrededor de un millón de personas confían ahora en marcapasos artificiales que pueden durar de seis a 12 años. El marcapasos artificial es un dispositivo mecánico que suministra al corazón los impulsos eléctricos que le dan al músculo cardiaco un latido rítmico. El marcapasos artificial se utiliza cuando el marcapasos natural, el nudo SA, deja de enviar una señal eléctrica que puede activar las aurículas y los ventrículos. Para millares de individuos es el don de la vida, aunque según indica la noticia citada, no carece de defectos. A principios de la década de 1950 se introdujeron los primeros marcapasos artificiales. Constaban de una batería que se llevaba externamente con una conexión que iba directamente al corazón mediante alambres que atravesaban la piel. Puesto que el corazón late alrededor de 40 millones de veces al año, y esto doblaría los alambres del marcapasos 80 millones de veces, el problema que se presentó con mayor frecuencia fue la fatiga y el rompimiento de los alambres. La interrupción de la señal por un circuito roto significaba la falla del corazón. Técnicas recientes han tratado este problema, y actualmente el alambre del suministro de energía se introduce en la vena del cuello y se hace llegar por la vena cava hasta el interior de la aurícula derecha, a través de la válvula tricúspide y se pone en contacto con la pared interior del ventrículo derecho (Fig. 12-16). El método no requiere una cirugía de corazón abierto y reduce al mínimo la flexión del alambre; si las baterías se cambian con regularidad, un marcapasos puede durar hasta siete años. El corazón normal late 70 veces por minuto; durante el sueño los latidos se reducen a un promedio de 55 o 60; y en momentos de tensión nerviosa, el corazón puede latir 150 veces por minuto. Así, para una vida normal, una persona a la que se le ha adaptado un marcapasos artificial debería tener la capacidad de variar los impulsos eléctricos entre 55 y 150. Un instrumento tan elaborado no sólo sería costoso, sino más propenso a las fallas que uno que tuviera un diseño más sencillo. Por tanto, en la práctica la mayor parte de los marcapasos tienen tres posiciones de ajuste: lento, normal y rápido. Éstas son controladas por el usuario de modo que el corazón late aproximadamente de acuerdo con su carga de trabajo. El marcapasos artificial moderno que más éxito ha tenido, es un modelo transistorizado que capta los impulsos del nudo SA del propio paciente; las señales se amplifican, demoradas durante un intervalo apropiado, y luego se envían al músculo ventricular. En el caso de que el nudo SA deje de enviar una señal eléctrica, el marcapasos implantado se conecta a su propio generador de pulso y emite 72 pulsaciones por minuto. En los casos en que el corazón esté bloqueado irregularmente, el marcapasos artificial funciona a voluntad y produce una pulsación sólo cuando el marcapasos natural falla. Puesto que los impulsos eléctricos del nudo SA se perciben mejor en la parte exterior del corazón, la implantación es relativamente simple. Un médico lo explica En resumen, el transporte de carga (pinocitosis), la filtración y la difusión son los mecanismos mediante los cuales las sustancias disueltas se transportan a través de las paredes capilares, y como resultado las células que componen los tejidos intercambian desechos inservibles por nutrientes esenciales. Hemos tenido suerte. El impulso eléctrico que estimula los ventrículos es reproducible, utilizando un efecto descubierto por Luigi Galván desde 1791. El descubrimiento de Galván aplicado a la cirugía y la técnica eléctrica dio por resultado el actual marcapasos. El logro verdadero sería unir la adaptabilidad del marcapasos natural con un dispositivo vinculado a las vías de retroacción del propio cuerpo. Nadie está considerando seriamente esto, todavía. Control del movimiento de los líquidos a través de los capilares ¿Qué determina la dirección en la que los líquidos (principalmente el agua) entran o salen de los capilares? La cantidad de líquido 103 que entra o sale de los capilares está determinada por las diferencias relativas en magnitud entre las presiones hidrostática (líquido) y osmótica en cada lado del capilar. En el extremo arterial del capilar la presión sanguínea (hidrostática) es aproximadamente de 30 mm de Hg y la del líquido del tejido circundante es de 10 mm de Hg. Así, la presión hidrostática efectiva que tiende a hacer pasar el líquido del capilar hacia los espacios intersticiales es de 20 mm de Hg. La compensación de esta fuerza es la diferencia en las presiones osmóticas coloidales de la sangre y del líquido intersticial. La sangre contiene cantidades relativamente grandes de proteínas plasmáticas a las que las paredes capilares no son muy permeables; en consecuencia, el líquido intersticial es bajo en proteínas de gran peso molecular. Por ello, la presión osmótica de la sangre en el extremo de la arteriola es más alta (25 mmHg) que la del líquido intersticial (15 mmHg). Así la presión osmótica efectiva, que tiende a devolver el líquido a los capilares, es de 10 mmHg. Cuando se consideran tanto las fuerzas hidrostáticas como osmóticas, hay una presión de filtración hacia fuera de 10 mmHg (20 a 10 mmHg) en el extremo de la arteriola (Fig. 12-15b). En el extremo venoso, la situación es contraria. La presión sanguínea en este extremo del capilar es de 15 mmHg, la presión del líquido del tejido es de 10 mmHg ypor consiguiente, la presión hidrostática efectiva es de 5 mmHg. La presión osmótica efectiva en el extremo venoso del capilar es la misma que en el extremo arterial: 10 mmHg. Debido a que la presión osmótica es mayor que la hidrostática en el extremo venoso, el líquido del tejido es obligado a volver al capilar. En la parte media del capilar las presiones hidrostáticas y osmóticas son casi iguales, y no hay movimiento neto de líquido (Fig. 12-15b). En tanto las fuerzas osmóticas e hidrostáticas están equilibradas, no hay movimiento neto de líquido (esto es, entran y salen iguales cantidades de líquido de los capilares); sin embargo, cualquier alteración en el equilibrio puede permitir que los tejidos se hinchen o se arruguen. La acumulación de cantidades excesivas de líquido en los espacios de los tejidos se conoce como edema. El choque, que frecuentemente se presenta después de una operación quirúrgica, quemadas graves, heridas o tumores, se caracteriza por un aumento de la permeabilidad capilar que permite que las proteínas de la sangre pasen a los espacios de los tejidos. Esto reduce el gradiente de presión osmótica entre la sangre y los líquidos de los tejidos, impide el flujo de 104 regreso de la sangre, disminuye el volumen de sangre y, si esto prosigue por un largo tiempo, puede sobrevenir la muerte. La linfa y el sistema linfático El cuerpo contiene una red tubular extensamente ramificada para sacar las cantidades excedentes de líquido intersticial y devolverlas al sistema circulatorio. Los tubos de esta red tienen paredes delgadas, vasos cerrados llamados linfáticos que se unen para formar vasos cada vez más grandes. Finalmente, los vasos mayores desembocan en dos grandes ductos, el conducto linfático derecho y el conducto torácico, que desemboca en el sistema sanguíneo en la región del cuello (Fig. 12-17). En tanto se encuentra en el sistema linfático, el líquido intersticial se llama linfa. La diferencia esencial entre el líquido circulatorio (plasma) y la linfa consiste en que el plasma es mucho más rico en proteínas. Los vasos linfáticos intervienen en forma importante al regresar el líquido y las proteínas al sistema circulatorio. Como se ha observado, la pared capilar es ligeramente permeable alas proteínas; como consecuencia de esto, hay una lenta pero constante pérdida de proteínas de la sangre hacia el líquido intersticial que rodea las células. Sin embargo, esas proteínas no pueden regresar al sistema circulatorio a través de la pared capilar porque hay una presión líquida tisular insuficiente para moverlas en esa dirección. Los mismos vasos linfáticos proporcionan el medio para regresar las proteínas a la sangre puesto que son bastante permeables a estas moléculas (Fig. 12-17c). En realidad, si no ocurriera tal regreso la presión osmótica de la sangre bajaría tanto que el volumen sanguíneo se reduciría continuamente y podría sobrevenir la muerte en menos de 24 horas. El fracaso en la reducción del agrupamiento de proteínas en el líquido intersticial interfiere con el mecanismo que extrae el agua de las regiones que rodean las células del tejido hacia el extremo venoso del capilar, hay un movimiento neto de líquido hacia los espacios tejido, y esto origina el edema. La grotesca inflación de las extremidades que se ve en la elefantiasis (Fig. 12-18), se debe al bloqueo de los conductos que dan salida a la linfa por un gusano parasitario llamado filaria. FIGURA 12-17 El sistema linfático. a) Diagrama de la relación entre el sistema linfático y el sistema circulatorio. B) Diagrama esquemático del sistema linfático. C) Detalle de un vaso linfático y un capilar sanguíneo. FIGURA 12-18 Una pierna normal comparada con la de un paciente con elefantiasis. FIGURA 12-19 Ganglios linfáticos y drenaje de un área infectada. 105 ¿Qué impulsa a la linfa a lo largo de la extensa red de conductos linfáticos hasta el punto donde se vierte en el sistema sanguíneo en el cuello? La linfa fluye lentamente en los vasos linfáticos, mucho más lentamente que la sangre en sus vasos propios. Dos factores determinan la rapidez con la que fluye la linfa en los vasos linfáticos: 1) la presión del tejido y 29 la bomba linfática. Siempre que la presión del líquido se eleva sobre lo normal, se hace más rápido el flujo de linfa en los vasos linfáticos. El mayor movimiento del líquido incrementa la velocidad del flujo de linfa. La bomba linfática no es en realidad un órgano muscular, sino la comprensión ejercida durante el movimiento corporal por los músculos y otros tejidos que rodean los vasos linfáticos. Funciona de la siguiente manera: los vasos linfáticos, al igual que las venas, tienen válvulas de un solo sentido que permiten el flujo en una sola dirección. Cuando se comprime cada vaso linfático, se impulsa al líquido hacia la región del cuello y fluye hacia el sistema venoso. El ejercicio, el correr, o el caminar ayudan a bombear la linfa desde los espacios de los tejidos hacia la corriente sanguínea. En determinados puntos de unión de los vasos linfáticos pequeños con los grandes (la ingle, las axilas y el cuello, en particular) se localizan masas de células grumosas conocidas como ganglios linfáticos (Fig. 1219). Éstos intervienen en forma importante en la defensa del cuerpo contra las enfermedades mediante la producción de linfocitos y anticuerpos y la expulsión de bacterias y partículas extrañas. Los linfocitos son leucocitos ameboides especializados, que pueden rodear partículas extrañas (Cap. 13). La linfa que proviene de los tejidos, para regresar a los conductos del sistema circulatorio, debe pasar a través de los filtros de los ganglios linfáticos. Así la linfa se purifica constantemente de desechos y bacterias extrañas y la sangre se limpia y purifica. No es raro que durante una infección severa los ganglios linfáticos se inflamen, porque participan en una batalla protectora. Por ejemplo, una infección en el dedo o en la mano puede causar una inflamación en el ganglio axilar y hacerlo hipersensible y doloroso. Las glándulas salivales en realidad son algunas veces ganglios linfáticos desarrollados. Puesto que la red linfática es un sistema extenso de drenaje (Fig. 12-17), se puede apreciar fácilmente la razón por la que con frecuencia es afectada por el cáncer metastásico. Una vez que las células 106 cancerosas han invadido los vasos linfáticos, pueden alojarse y proliferar en los ganglios. Si se diagnostica a tiempo, existe la posibilidad de que la extracción de los conductos y ganglios linfáticos que corren hacia abajo puede evitar una ulterior propagación del cáncer. CUADRO 12C La muerte de Lenin Fue un día amargo y frío en Gorki, un suburbio de Moscú. Era el mes de enero de 1924. En las primeras horas de aquella tarde, el cuerpo de Lenin, líder de la Revolución Rusa, había sido llevado a la sala de necropsias. Diez médicos y José Stalin estaban presentes. Los escalpelos y las tijeras para cortar huesos abrían el cráneo y ponían al descubierto el cerebro de Lenin. La causa de la muerte era clara. Todo el lado izquierdo del cerebro estaba destruido. Un examen más detallado del cerebro reveló la razón. Una arteria principal que abastecía una extensa porción del cerebro estaba bloqueada y el tejido que estaba más allá de la oculusión había muerto de inanición. Cuando la hoja del escalpelo se introdujo en la arteria obstruida, la hoja golpeó algo duro y arenoso, como si estuviera cortando un pedazo de piedra, lo que alguna vez fue una arteria elástica semejante a hule, ahora era una varilla sólida semejante a un hueso. La muerte de Lenin no fue totalmente inesperada; éste fue el tercer ataque. Sucumbió a una enfermedad degenerativa del sistema circulatorio llamada arterosclerosis (a la que se alude comúnmente como “endurecimiento de las arterias”). Aún ahora más de 28 millones de personas en este país tienen alguna forma de enfermedad cardiovascular. Entre nuestros amigos, parientes y personas que viven en nuestra ciudad y en nuestra capital, una de cada siete está afectada por una enfermedad cardiovascular. RESUMEN 1. La evolución de los sistemas circulatorios estuvo probablemente relacionada con el aumento en el tamaño del cuerpo. 2. La sangre fluye del corazón hacia la aorta, las arterias, las arteriolas, los capilares, las vénulas, las venas y regresa al corazón. 3. Las arterias conducen la sangre fuera del corazón, las venas llevan la sangre al corazón o de un órgano a otro (venas portales). 4. En el corazón de cuatro cámaras, un flujo de sangre de un solo sentido se dirige de la aurícula derecha al ventrículo derecho por la válvula tricúspide, y del ventrículo derecho a la arteria pulmonar a través de la válvula semilunar. De la arteria pulmonar la sangre fluye a los pulmones. 5. De los pulmones, la sangre regresa a la aurícula izquierda por la vena pulmonar. Un flujo de sangre de un solo sentido desde la aurícula izquierda al ventrículo izquierdo es controlado por la válvula bicúspide, en tanto que la válvula aórtica dirige el flujo del ventrículo izquierdo a la aorta. 6. El lado derecho del corazón es la bomba pulmonar, y el lado izquierdo es la bomba sistémica. 7. Las válvulas del corazón operan pasivamente para evitar el reflujo de sangre cuando el corazón se contrae. Las válvulas defectuosas pueden reemplazarse con materiales artificiales. 8. La pared del corazón consta de epicardio, endocardio y miocardio muscular. Las dos aurículas se contraen juntas, lo mismo que los dos ventrículos. 9. El latido del corazón es miogénico, es decir, generado eléctricamente por células musculares especializadas; el nudo regulador o sino auricular y el nudo auriculoventricular. Hay células musculares de rápida conducción, llamadas el fascículo AB, que salen del nudo AB como fibras de Purkinje y ayudan a controlar la palpitación ventricular. Se dispone de marcapasos artificiales transistorizados que producen o regulan la actividad eléctrica de los nudos SA atrofiados o que no funcionan bien. 10. Durante un ciclo normal de palpitación cardiaca, hay un período refractario; si este período se reduce, sobreviene la fibrilación. La fibrilación ventricular es especialmente peligrosa y puede originarse por una corriente eléctrica de 60 ciclos. 11. El control nervioso de la frecuencia cardiaca se efectúa mediante los nervios parasimpáticos (inhibidores) y simpáticos (estimulantes), que actúan sobre el nudo SA. Las hormonas (adrenalina), el CO2 y la presión arterial pueden afectar también la frecuencia cardiaca. y una onda T más larga y más suave (que refleja la relajación ventricular o diástole). 14. Los infartos cardiacos son causados ordinariamente por el bloqueo de las arterias coronarias debido a la aterosclerosis. 15. La presión arterial se toma con un esfingomanómetro y refleja la eficacia de bombeo del corazón. La presión sistólica refleja la contracción del corazón; la presión diastólica indica que el corazón se ha relajado. Las presiones altas pueden originarse por aterosclerosis; las presiones bajas se deben a choques y/o a la reducción del volumen sanguíneo. La presión es mayor en las arterias y menor en las venas. El regreso de la sangre venosa al corazón es favorecido por válvulas que hay en las venas periféricas y las contracciones de los músculos del cuerpo que en conjunto constituyen la bomba venosa. 16. El intercambio de nutrientes y desechos entre las células de los tejidos y la sangre ocurre mediante difusión, filtración y transporte de carga a través de las paredes de los capilares y las de las células de los tejidos por medio del líquido intersticial. La dirección de los movimientos del líquido a través de la pared capilar está determinada por el equilibrio relativo entre las presiones hidrostática y osmótica. La alteración de este equilibrio puede causar edema. 17. El exceso de líquido intersticial se regresa a la sangre mediante un extenso sistema linfático. Cuando está en los vasos linfáticos, el líquido se llama linfa; es más bajo en proteínas que el plasma sanguíneo. La presión de los tejidos y la bomba linfática (comprensión muscular y de los tejidos) lo mismo que las válvulas, ayudan al flujo de linfa en los vasos linfáticos. 18. Los ganglios linfáticos contienen linfocitos y son importantes en la lucha contra infecciones y enfermedades. 12. Los soplos del corazón pueden indicar el mal funcionamiento de las válvulas. 13. La actividad eléctrica del corazón puede registrarse con un ECG. Eléctricamente, cada ciclo completo de pulsación del corazón muestra una onda P (anterior a la contracción auricular o sístole), una onda QRS (anterior a la contracción ventricular) PALABRAS CLAVE - aorta - arteria - arterias coronarias - arteriola - aterosclerosis 107 - aurícula - válvula aórtica - Bomba linfática - válvula bicúspide o mitral - bomba pulmonar - válvula pulmonar o semilunar - bomba sistémica - válvula tricúspide - bomba venosa - vena - capilares - venas portales - conducto linfático derecho - vénulas - conducto torácico - ventrículo - corazón - choque - diástole - ECG - edema - endocardio - epicardio - esfigmomanómetro - fascículo - fibras de Pukinje - fibrilación - ganglios linfáticos - iones - linfa - linfáticos - linfocitos - líquido intersticial - miocardio - nervio parasimpático - nervio simpático - nudo auriculoventricular (AV) - nudo marcapaso sino auricular (SA) - onda P - onda QRS - onda T - pericardio - periodo refractario - presión sistólica - seno coronario - sistema circulatorio - sístole - soplos 108 ACTIVIDADES EN EL AULA PARA LA REESTRUCTURACIÓN DE IDEAS: UN EJEMPLO RELACIONADO CON LA NUTRICIÓN HUMANA Banet E. Y F. Núñez RESUMEN Tomando como referencia la lección “Obtención y utilización de los nutrientes contenidos en los alimentos” –que forma parte del módulo de enseñanza “Nutrición Humana” desarrollado en cursos correspondientes a niveles de Enseñanza Secundaria Obligatoriapresentamos en este artículo el desarrollo de una propuesta didáctica que tiene en cuenta los conocimientos iniciales de los estudiantes. INTRODUCCIÓN Desde hace tiempo, muchos trabajos de investigación han mostrado que los alumnos y alumnas de distintos niveles educativos mantienen ideas imprecisas o equivocadas sobre diferentes aspectos científicos, y que éstas interfieren con los contenidos que deberían aprender. En lo que se refiere a la nutrición humana este fenómeno ha sido estudiado, tanto en relación con los procesos que intervienen en esta función-digestión (Giordan, 1987; Cubero 1988; Banet y Núñez 1989), respiración (Anderson, Sheldon y Dubai, 1990; Banet y Núñez, 1990; Seymour y Longden, 1991) o circulación (Arnaudin y Mintzes, 1985; Shemesh y Lazarowitz, 1989; Pérez de Eulate, 1992), por ejemplo- como también respecto a lo que piensan los estudiantes sobre las relaciones que existen entre ellos (Núñez, 1994; Núñez y Banet, 1996). Sin embargo, son menos numerosos los trabajos dirigidos a valorar la eficacia de propuestas de enseñanza que pongan de manifiesto la manera de fomentar el cambio conceptual (Giordan, 1987; Lawson, 1988). Aunque parece existir cierta coincidencia en relación con los principios fundamentales para que éste se produzca (señalados por Posner, Strike, Hewson y Herzog, 1982; Osborne y Freyberg, 1985; Lauren y Resnick 1983; Driver 1988; Strike y Poner, 1990, entre otros), existen algunas discrepancias sobre la forma de conseguir en el aula este propósito, como se puede deducir del análisis de las diferentes secuencias de enseñanza propuestas por Lawwon (1991), Dreyfus, Jungwirtz y Eliovith (1990), Needham y Scott (1987) o Driver (1988), entre otros autores. El propósito de este artículo es mostrarutilizando como ejemplo unos contenidos concretos- cómo seleccionar y secuenciar las actividades de enseñanza para intentar lograr la reestructuración de ideas y el cambio conceptual. Los datos que presentamos a continuación forman parte de un amplio estudio sobre la nutrición humana, desarrollado en octavo de EGB, curso correspondiente al segundo año de Educación Secundaria (13-14 años). Creemos, sin embargo, que muchas de estas consideraciones pueden ser útiles para los últimos cursos de Primariacomo comentaremos en este artículo- si se tienen en cuenta las diferentes posibilidades de aprendizaje entre los estudiantes de uno y otro nivel. Describir una parte del mismo- la segunda lección “Obtención y destino de los nutrientes contenidos en los alimentos”- se debe únicamente a la imposibilidad material de resumir, y a la vez concretar, en este trabajo los detalles completos del estudio llevado a cabo. Las dos lecciones que completan el módulo son: 1. “Los Alimentos”; 2. “La Respiración. Obtención y utilización de energía por las células”. Las ideas de los alumnos y el cambio conceptual Los conocimientos- acertados o no- que poseen los estudiantes sobre determinados contenidos científicos pueden tener como origen la escuela, las experiencias de la vida cotidiana o, también, pueden ser debidos a la influencia de los medios de comunicación (Albaladejo y Caamaño 1992). Sin embargo, no todos tienen la misma importancia en relación con el proceso de enseñanza y aprendizaje. Para nuestros propósitos- y siendo conscientes de que simplificamos demasiado el problemalos hemos caracterizado atendiendo a tres criterios: • Grado de articulación: según se trate de nociones relativamente independientes de otras (cuestiones terminológicas, conocimientos memorísticos más o menos aislados) o de esquemas más o menos amplios, que agrupan y relacionan distintos conceptos. • Nivel de aproximación al conocimiento científico: nociones correctas que serán 109 ampliadas durante el proceso de enseñanza, o bien ideas alternativas al conocimiento científico, que deben ser sustancialmente modificadas. • Relevancia respecto a los objetivos fundamentales de un tema determinado: se trata de ideas básicas para comprender sus contenidos y sus relaciones con otras lecciones; o por el contrario, se refieren a aspectos más secundarios, o de ampliación. Aunque la casuística es mucho más amplia y compleja, el análisis simultáneo de los tres criterios, nos puede permitir anticipar las iniciativas a adoptar para ampliar los conocimientos iniciales- si son correctos- o para intentar producir una reestructuraciónmás o menos radical- de los mismos, en caso de que sean erróneos. También nos puede proporcionar una primera idea sobre el grado de dificultad que encontraremos en nuestro intento. Por tanto, conocer las ideas de los alumnos y alumnas debe ser de gran utilidad para seleccionar y, sobre todo, concretar las actividades de enseñanza, como intentaremos mostrar a continuación. Los datos disponibles sobre los contenidos relacionados con la “Obtención y destino de los nutrientes contenidos en los alimentos” – expresión con la que nos referimos a las consecuencias del proceso digestivo y al transporte de las sustancias obtenidas a las distintas células del organismo- ponen de manifiesto que los estudiantes que se encuentran finalizando la Educación Primaria y los de primeros cursos de Educación Secundaria, mantienen nociones con cierto grado de articulación 8esquemas conceptuales), con frecuencia erróneas, que por su relevancia pueden dificultar los procesos de aprendizaje. Por su importancia, nos centramos en dos aspectos que consideramos referencias conceptuales centrales en el desarrollo de la intervención en el aula: a) El primero de ellos tiene que ver con los sucesos más destacados que tienen lugar en el tubo digestivo. En estos niveles, en los que una visión general sería suficiente, el pensamiento de muchos estudiantes podría responder al esquema I (figura 1), en el que se observan tres obstáculos importantes que van a interferir con los nuevos conocimientos: - El papel preponderante, casi exclusivo, que atribuyen al estómago en el proceso digestivo (como consecuencia de las 110 acciones de los jugos gástricos y, en ocasiones, también de la bilis), desconociéndolas acciones que tienen lugar en los restantes órganos (que consideran como un tubo que debe recorrer el alimento) - La imprecisa conceptualización, incluso a nivel de Educación Secundaria, de lo que supone la digestión, identificada por muchos estudiantes como proceso mecánico, que produciría la trituración o el desmenuzamiento de los alimentos. - Las consecuencias de la digestión: como los alimentos están formados por sustancias buenas o aprovechables, los resultados de este proceso sería la obtención de estas sustancias (generalmente, proteínas y vitaminas). b) Evidentemente, este esquema no se encuentra aislado en la estructura cognitiva de los estudiantes, sino que puede estar relacionado con otros (alimentos, o circulación de la sangre, por ejemplo). Precisamente, el segundo de los aspectos al que nos vamos a referir tienen que ver tiene que ver con lo que ocurre a los nutrientes una vez finalizado el proceso digestivo (figura 2). Las principales dificultades que se han observado en este caso han sido las siguientes: - Un número significativo de estudiantes desconoce el destino de las sustancias nutritivas obtenidas a partir de los alimentos: recorren el tubo digestivo, sin incorporarse a la circulación (esquema 3); son recogidas por la sangre, aunque no tendrían como destino los órganos o las células (esquema 4). - En otros casos, aunque conocen que los nutrientes son transportados a los órganos o a las células del cuerpo, piensan que no todos ellos (pulmones o huesos, entre otros) necesitan estas sustancias (esquema 5). Aunque no sea un enfoque demasiado habitual, consideramos que otros aspectos (como, por ejemplo, ciertos detalles sobre la anatomía del aparato digestivo) tienen una importancia secundaria, y no deberían desviarnos de los propósitos fundamentales que acabamos de mencionar. Fig. 1 Reestructuración de ideas sobre el proceso digestivo Fig. 2. Reestructuración de ideas sobre el de la digestión. SD= Sistema Digestivo SC = Sistema Circulatorio FC = Funciones Celulares 111 En función de cuál sea el nivel de partida de los estudiantes, las intenciones educativas se deberían centrar, en unos casos, en producir lo que algunos autores han llamado reestructuración ligera (Carey, 1985), crecimiento conceptual (Rumelhart y Norman, 1981), captura conceptual (Hewson, 1981) o desarrollo conceptual (Pines y West, 1986); en otros se debe producir un cambio radical, que ha sido denominado reestructuración (Rumelhart y Norman, 1981), reestructuración fuerte (Carey, 1985), o simplemente cambio conceptual (Hyewson, 1981; Pines y West, entre otros9, lo que implicaría un abandono de las ideas iniciales, sustituyéndolas por otras nuevas. La aplicación. En Enseñanza Secundaria- de estas ideas a nuestro ejemplo, se concreta en las siguientes consideraciones: - El esquema 1 de la figura 1, debería ser significativamente reestructurado en tres sentidos (esquema 2): a) Recomponer su estructura jerárquica, situando al estómago al nivel que le corresponde junto a otros órganos del tubo digestivo que contribuyen a la digestión. b) Modificar algunas de las relaciones que establecen los estudiantes en relación con determinados elementos del mismo: como las conexiones de hígado y páncreas con el estómago (que contribuyen a la persistencia del papel central y, a veces, exclusivo del estómago en este proceso); o sobre las consecuencias de la digestión(no es igual pensar que “por medio de la digestión se obtienen las sustancias buenas o aprovechables contenidas en los alimentos”, que “la digestión produce la transformación de las sustancias nutritivas contenidas en los alimentos, produciendo sustancias más sencillas”). c) Además es necesario producir una mayor diferenciación del mismo, bien por la incorporación de nuevos conceptos al esquema (procesos químicos, sustancias nutritivas sencillas) o por la ampliación del conocimiento sobre otros (clase de nutrientes que contienen los alimentos, por ejemplo). Si nos referimos ahora a los esquemas de la figura 2 (3 a 5), la reestructuración supone, según los casos: a) Establecer nuevas relaciones en estructura cognitiva entre digestión y: 112 su - sus ideas sobre el sistema circulatorio, comenzando a integrar estos procesos en las funciones de nutrición. - la necesidad de nutrientes distintos órganos del cuerpo. para los b) Simultáneamente, consideramos necesarioampliando su grado de comprensión sobre la estructura del cuerpo humano- atribuir a las células de todos los órganos el desarrollo último de los procesos de nutrición (en nuestra propuesta se completa posteriormente al abordar la respiración). Naturalmente que estos propósitos no se pueden trasladar íntegramente a los últimos cursos de Primaria. Sin embargo, ya desde estos niveles educativos, los alumnos y alumnas tienen algunas ideas formadas- con frecuencia erróneas, en el sentido que hemos señalado antes- en relación con la digestión y, también, sobre lo que ocurre después de este proceso. Por esta razón y para que la enseñanza no suponga un refuerzo de las mismas, deberíamos intentar establecer relaciones entre el proceso digestivo y las necesidades de los distintos órganos del cuerpo y, por tanto, con el sistema circulatorio como medio de transporte, aunque es cierto que habría que cuidar la terminología y el nivel con el que se abordan estos aspectos. Las actividades de enseñanza reestructuración de ideas y la Sin embargo, que se produzcan estos cambios no resulta una tarea sencilla- como lo prueba la persistencia de las ideas equivocadas- y requerirá que tanto la selección como el desarrollo de las actividades de enseñanza en el aula tengan en cuenta estas intenciones educativas. Para ello, en nuestra opinión, hay que considerar los siguientes aspectos: a) Aunque en el proceso de planificación de la enseñanza hay que contar con muchos otros factores (Sánchez Blanco y Valcárcel Pérez, 1993), es necesario conocer antes de iniciar la lección, lo que piensan los alumnos y alumnas, al menos sobre los aspectos más significativos de la misma. b) La reestructuración de ideas se producirá como consecuencia de la interacción, entre otros, de los siguientes factores: - El interés (grado de motivación) de los estudiantes, que facilitará su implicación en proceso educativo y favorecerá la actividad mental necesaria para que los modos de pensar sobre estos aspectos sean modificados con un nivel de comprensión aceptable. - Los contenidos de enseñanza, que tienen que ser inteligibles para los estudiantes, a la vez que deben ser considerados más explicativos y funcionales que sus conocimientos iniciales. - Las actividades que se desarrollan en el aula, que deben garantizar el cumplimiento de las dos consideraciones anteriores. c) La construcción de aprendizajes requiere mayor protagonismo por parte de los estudiantes. Favorecer su nivel de implicación y participación en el proceso de enseñanzafrente a algunos planteamientos centrados en la transmisión de conocimientos- fomentar el trabajo en equipo y propiciar la reflexión sobre los contenidos de enseñanza, contribuyen a que se produzca el cambio conceptual. Esto puede suponer, en algunos casos, un replanteamiento significativo en cuanto a la organización del trabajo en el aula y, también, respecto a los papeles del profesor y de los estudiantes durante el desarrollo del mismo. Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores y tomando como referencia las características generales de la secuencia de enseñanza propuesta por Needhan y Scott (1987) y Driver (1988), presentamos en el Anexo-1 un esquema de la secuenciación de las actividades de enseñanza en el aula, cuyo contenidos- que responden al mapa de conceptos de la figura 3- hemos dividido en dos partes: la primera se refiere al proceso digestivo y a sus resultados, mientras que en la segunda haremos referencia al destino de los nutrientes que se obtienen como consecuencia del mismo. En el Anexo-II describimos, de forma resumida, el contenido de cada una de ellas. Estas hojas de trabajo, junto con otras en las que se incluye la información que aporta el profesor, se resumen las conclusiones de las puestas en común o se reflejan los resultados de las consultas bibliográficas, constituyen el cuaderno del estudiante. Aunque somos conscientes de la dificultad de reflejar en este artículo todos los detalles de la propuesta, confiamos en que esta descripción resulte adecuada para proporcionar una perspectiva suficientemente precisa sobre la misma. Fig. 3 Esquema conceptual de la lección. 113 Descripción de la intervención en el aula ¿Cómo comenzar la lección? Dar respuesta a esta cuestión supone considerar, entre otros aspectos, qué propósitos deben tener las primeras actividades y cómo concretarlas y organizar su realización para conseguirlos (Tabla I). En este caso, al iniciar la lección intentamos lograr dos objetivos importantes: motivar y explicitar las ideas de los estudiantes. Para ello: - El contenido de la actividad debe tener en cuenta los conocimientos de los alumnos y estar relacionado con los aspectos centrales de la lección. - Su planteamiento y desarrollo debe provocar cierto interés y/o expectación. - La explicitación y el contraste de ideas debe ser desarrollado inicialmente en grupos pequeños (3-4) estudiantes), asignando una responsabilidad concreta a cada uno de sus miembros (portavoz, secretario...) La actividad con la que comenzamos la lección (A.1), presenta una inconsecuencia, sobre la anatomía del aparato digestivo (inconsecuencia porque provoca desconcierto y discrepancias). A partir de ella se formulan las cuestiones sobre las que se explicitarán las ideas. Actividades de esta naturaleza pueden interesar a los estudiantes y, además, suscitan un buen número de dudas sobre el proceso digestivo, en particular cuando contrastan sus ideas con las de sus compañeros. Ello les lleva a pedir detalles y explicaciones sobre las cuestiones formuladas. Después del trabajo en grupo se realiza una puesta en común, moderada por el profesor. En este momento- mejor que aclarar las dudas –orientamos sobre los contenidos de la lección (A.2). Para ello se puede utilizar un mapa de conceptos (figura 3) que se entrega a cada estudiante o grupo, mediante el que se presentan los conceptos fundamentales, y se relacionan con otros ya estudiados (alimentos) o que se abordarán a continuación (en este caso es importante situar la digestión como un proceso más de las funciones de nutrición). Las consultas frecuentes de este esquema son muy útiles para lograr que los alumnos y alumnas puedan seguir día a día el desarrollo del tema (sobre todo cuando éste dura varias sesiones). 114 Reestructuración proceso digestivo de ideas sobre el Es cierto que las actividades anteriores nos llevarán algún tiempo- generalmente se pueden desarrollar en una sesión de claseaunque creemos que los estudiantes se encuentran, ahora, en condiciones más favorables para afrontar las situaciones de enseñanza que planteamos a continuación. Las actividades de reestructuración de ideas tienen como principales objetivos sustituir o ampliar, según los casos, los conocimientos de los alumnos y alumnas (Tabla II). Deben tener como referencias los aspectos fundamentales sobre los que intentamos fomentar el cambio conceptual y, si es posible, se deberían plantear situaciones de conflicto cognitivo, que favorezcan el abandono de las ideas equivocadas y su sustitución por conocimientos más apropiados. En esta fase, el trabajo de los grupos de alumnos y alumnas- que, como antes, constituye la forma habitual de trabajo en el aula- se ha centrado en las siguientes actividades: a) La tercera actividad (A.3) –que trata de ejemplificar las acciones del jugo gástrico sobre distintos alimentos, utilizando pepsina- intenta mostrar que no todos los alimentos completan su digestión en el estómago. Además, trata de cuestionar la naturaleza exclusivamente mecánica del proceso digestivo y puede servir para destacar el carácter específico de las acciones de los jugos digestivos. Somos conscientes de que en ella se introducen elementos (pepsina) que pueden producir cierta dificultad para comprender lo que está sucediendo en los tubos de ensayo. Sin embargo, la sencillez en cuanto a su preparación, desarrollo, así como la claridad con que se aprecian los resultaos, hacen de ella una experiencia útil, incluso para los últimos niveles de Primaria (siempre que consideremos, en cada caso, hasta dónde pueden alcanzar a comprender estos estudiantes). Propósitos Actividades • Motivar • Explicitar ideas. • Orientar sobre contenidos los Papel del profesor • Inconsecuencias, discrepancias. • Planteamiento problemas. • Puesta en común. • Mapas de conceptos • Interesar alumnos/ expectación. los • crear Utilizar sus ideas para resolver las situaciones planteadas. • Animar la participación • de los estudiantes. Participar en debates y puestas con común. • Organizar el desarrollo • de las actividades. • Moderar las puestas en común. Relacionar los nuevos contenidos con otros ya estudiados. de a Papel de los alumnos Tabla 1 Características de las actividades para comenzar la lección Propósitos Actividades • Provocar cognitivo conflicto • • Modificar, sustituir o • ampliar los conocimientos de los estudiantes • • Papel del profesor Situaciones problemáticas. Explicaciones demostraciones profesor. • o del • Experiencias sencillas (laboratorio o aula). • Utilización de maquetas. videos, • Papel de los alumnos Animar a los • estudiantes a proponer soluciones a las situaciones planteadas. • Suministrar información puntual. Proponer soluciones a las situaciones conflictivas. Organizar y controlar el • desarrollo de las actividades. Participar actividades. Desarrollar el esfuerzo mental necesario para aprender. en las Moderar las actividades de discusión y síntesis. Tabla 2 Características de las actividades de reestructuración de ideas. Propósitos • • Actividades Consolidar (también • reestructurar) ideas. Resaltar el cambio • conceptual producido. • Papel del profesor Pequeños proyectos de • trabajo. • Actividades de ampliación. Aplicación • vida cotidiana. Dar instrucciones. Revisión de resultados • de las actividades (cuaderno de trabajo). • Suministrar información. Papel de los alumnos • Proporcionar material. Realizar seguimiento del trabajo. • Realizar el trabajo individual, de grupo. Confrontar y evaluar las nuevas ideas con las iniciales. Orientar el análisis del cambio conceptual y destacar sus aspectos más significativos. Tabla 3. Características de las actividades de aplicación de conocimientos y revisión de ideas. 115 b) En Educación Secundaria, esta actividad puede ser complementada por otra experiencia de laboratorio más compleja (A.4)- comprobar la acción de la saliva sobre el almidón y sobre los alimentos- no sólo para demostrar la acción digestiva de esta secreción, sino también para ejemplificar la transformación de una sustancia compleja (almidón) en moléculas sencillas (glucosa). Como en el caso anterior, en los manuales de prácticas de Ciencias Naturales se puede encontrar la información necesaria para el desarrollo de esta actividad. c) En estas condiciones, el profesor puede proceder a aclarar muchas de las dudas y contradicciones surgidas con atención por la mayoría de la clase. Así, informaremos (A.5) de las acciones de los jugos digestivos sobre los alimentos y de los órganos en que éstos actúan. Si el nivel lo permite, consideramos importante diferenciar entre sustancias nutritivas complejas y sencillas, como profundización necesaria para comprender el proceso digestivo. d) Por medio de una fácil experiencia de aula (A.6), en la que tratamos de demostrar distintos comportamientos entre almidón y glucosa, ejemplificamos algunas diferencias entre sustancias complejas y sencillas y tratamos de poner de manifiesto la incidencia de esta circunstancia en la absorción de nutrientes en el intestino delgado. Motivación y reestructuración de ideas: Anatomía del aparato digestivo Aunque el estudio de este tema se suele iniciar con la anatomía del aparato digestivo, el excesivo nivel de detalle con que se aborda puede desviarnos de uno de los objetivos básicos del mismo, que tienen que ver, en nuestra opinión, con la relación y el nivel de integración que debemos establecer entre la digestión y los restantes procesos que intervienen en la nutrición humana, intentando superar la imagen compartimentada que se presenta con demasiada frecuencia. Algunos trabajos han puesto de manifiesto ciertos errores anatómicos- confusión entre órganos, situación en el tubo digestivo (Banet y Núñez, 1988)- aunque no todos tienen la misma importancia. Desde nuestro punto de vista, dos consideraciones requieren especial atención por su repercusión sobre la correcta 116 comprensión del proceso digestivo: precisar los lugares de conexión entre hígado, páncreas y tubo digestivo, y establecer las relaciones anatómicas entre el aparato digestivo y el sistema circulatorio. Para ello, intentando crear expectación e interés, se retoman los resultados de la primera actividad (A.1) y se comparan con láminas o maquetas que les presentamos; a continuación, se proyecta un video sobre la digestión (A.7). Posteriormente el profesor resume y completa la información sobre las transformaciones que experimentan los alimentos en cada uno de los órganos del tubo digestivo (A.8). Aplicación de conocimientos y revisión de las nuevas ideas Las últimas actividades de esta primera parte de la lección tienen dos objetivos: consolidar sus aprendizajes, llevando a cabo actividades sencillas de aplicación de los nuevos conocimientos –que en muchos casos contribuyen a completar la reestructuración de ideas- y procurar que los estudiantes sean conscientes de lo que han aprendido (Tabla III). Para reforzar el conocimiento de la anatomía (A.99 planteamos la reconstrucción del aparato digestivo, utilizando como materiales una silueta del cuerpo humano y la representación a escala de los distintos órganos (si es posible, esta actividad puede ser desarrollada con otros recursos: plastilina, madera...) Para evaluar y aplicar las nuevas ideas sobre el proceso digestivo les proponemos relacionar las acciones de los jugos digestivos con alimentos habituales, tomando como referencia la composición de los mismos (A.10). La revisión de los aprendizajes (A.11) se ha realizado analizando individualmente y, después, en grupo los resultados de la primera actividad (explicitación de ideas). ¿Y después de la digestión...? Favorecer las discrepancias explicitación de ideas. y la Nuestro siguiente objetivo era relacionar la digestión con los restantes proceso de nutrición humana. Por ello, hemos comenzado esta segunda parte de la lección con una actividad de explicitación, para conocer hasta qué punto piensan que las sustancias que se obtienen de los alimentos pasan a la sangre y son necesarias en los órganos (A.12). Las discrepancias que suscita contribuyen a incrementar un poco más el interés de muchos de nuestros estudiantes. Finalizada la actividad se realiza un apuesta en común, con objeto de resaltar los aspectos más significativos en los que ha existido coincidencia o discrepancia. A continuación, retomando el mapa de conceptos de la segunda actividad, situamos a los estudiantes en relación con el desarrollo de la lección (analizando lo ya estudiado), y mostramos los contenidos que se van a abordar, en particular en lo que se refiere a las relaciones entre los sistemas digestivo, circulatorio y los distintos órganos del cuerpo humano (A.13). Una breve información posterior (A.16), que toma como referencia los resultados de estas experiencias, contribuye a poner de manifiesto la estructura celular del cuerpo humano (en Primaria habría que referirse solamente a los diferentes órganos), aspecto que, aunque generalmente ha sido abordado en lecciones anteriores, no se suele comprender adecuadamente. Pretendemos, así ampliar sus ideas sobre las relaciones entre las funciones y la estructura del organismo y- haciendo énfasis en la necesidad de estas sustancias para todos los órganos del cuerpo- dar respuesta a la pregunta: ¿para qué utilizan los órganos (las células) las sustancias nutritivas que se obtienen de los alimentos? Aplicación y revisión de las nuevas ideas Reestructuración de digestión/circulación ideas; Relaciones En este caso, no resulta fácil seleccionar actividades de enseñanza que permitan la ampliación o la reestructuración de los escasos conocimientos de los estudiantes al respecto, en particular en los últimos cursos de Primaria. Las relaciones entre éstos y las nuevas ideas habrá que intentar establecerlas buscando ejemplos suficientemente significativos para ellos. Renunciar a esto supondría restar importancia al hecho de que muchos de ellos equiparan los sucesos que tienen lugar en el tubo digestivo con la nutrición, idea que se convertirá en un obstáculo importante en cursos posteriores. En este sentido, la alternativa que hemos seguido se ha centrado en relacionar la alimentación y la digestión con procesos tan evidentes como el crecimiento o el consumo energético del organismo, aspectos sobre los que tienen cierto nivel de conocimiento (A.14). Mediante esta actividad pretendemos que relacionen alimentación y necesidades de los distintos órganos del cuerpo, para intentar cubrir el vacío conceptual que suele existir entre ambos fenómenos, resaltando la necesidad del transporte de nutrientes mediante el sistema circulatorio. Posteriormente, intentamos reforzar esta noción (A.15) estableciendo –a través de una sencilla experiencia (la disección de un muslo de pollo) y de la observación de distintas células al microscopio (preparaciones permanentes)- las relaciones entre el sistema circulatorio y diferentes órganos y tejidos (o células) del cuerpo humano. Las últimas actividades pretenden que los estudiantes apliquen sus conocimientos, mediante la resolución de varias cuestiones y una situación problemática, que tienen que realizar en grupo (A.17) Partiendo de los resultados de estas actividades y tomando como referencia las conclusiones de la actividad de explicitación de ideas realizada anteriormente (A.12), los alumnos y alumnas realizan un breve informe en el que destacan los cambios más importantes en relación con su modo de pensar sobre las consecuencias del proceso digestivo para la nutrición de las personas (A.18). Seguimiento actividades del desarrollo de las Durante el desarrollo de la lección, es necesario conocer en qué medida se están cumpliendo los objetivos que nos proponemos en cada una de las actividades. Esta tarea no resulta demasiado compleja si establecemos previamente cuáles serán los aspectos a los que prestaremos atención en cada caso, y elaboramos un sencillo protocolo de recogida de información. En este sentido convienen observar: a) El interés que provoca en los distintos grupos de trabajo las actividades de motivación. b) La relevancia de las ideas explicitadas, la participación de los estudiantes en los debates que tienen lugar en los grupos y en las puestas en común. c) El nivel de seguimiento de la explicación del profesor en las actividades de 117 orientación o de presentación de información, interaccionando con los alumnos y alumnas y solicitando aclaraciones. d) Los resultados de la actividad de los grupos de trabajo durante la reestructuración o aplicación de ideas. e) Las conclusiones obtenidas por los estudiantes durante el proceso de revisión de los aprendizajes. Como consecuencia del análisis de estos datos, podremos introducir modificaciones en la propuesta didáctica que permita una mejor adecuación a las circunstancias en que se desarrolla el trabajo en el aula. ¿En qué medida una propuesta de esta naturaleza promueve el cambio conceptual? Para finalizar, haremos una breve referencia a las consecuencias de la implementación de estas actividades en el aprendizaje de los estudiantes de dos aulas de octavo de EGB (N=63). Los resultados correspondientes a la exploración inicial (pretest), indican que dos de cada tres alumnos no relacionan las consecuencias del proceso digestivo con la necesidad de nutrientes en las células del organismo, ya que: casi la mitad de los estudiantes incluidos en esto tienen lugar en las células de todos los órganos del cuerpo. Evidentemente este hecho deberá ser tenido en cuenta, en particular cuando se estudie la estructura y organización del cuerpo humano. Hay que resaltar, por tanto, que la evolución conceptual producida como consecuencia de la enseñanza ha sido muy importante. Si analizamos los datos desde la perspectiva del cambio conceptual que se ha producido en cada uno de los estudiantes (figura 4), podemos señalar que el modo en que éstos han modificado sus concepciones iniciales ha consistido-fundamentalmenteen una reestructuración parcial o completa de las mismas, siendo poco relevantes los casos de retroceso o de mantenimiento de sus conocimientos erróneos. Fig. 4. Evolución individual conceptual a nivel a) No se refieren a la sangre como destino inmediato de las sustancias nutritivas que se obtienen mediante la digestión (15%). b) Piensan que la sangre transporta estas sustancias, pero no es necesario que éstas salgan de los vasos sanguíneos y pasen a los órganos (30%). c) Admiten que son necesarias para los órganos, pero no incluyen las células como destino de las mismas(25%). Sólo un 30% señala que la sangre transporta los nutrientes hasta las células del cuerpo, aunque casi todos ellos mantienen que no son necesarias para determinados órganos (huesos, pulmones...) Los resultados obtenidos en la prueba de retención- administrada tres meses después de finalizar la intervención en el aula- ponen de manifiesto que una amplia mayoría de los estudiantes (aproximadamente un 85%) han reestructurado sus conocimientos, integrando el proceso digestivo dentro de la función de nutrición y considerando necesario el transporte de nutrientes hasta las células por medio del sistema circulatorio. Sin embargo, 118 Conclusiones En este artículo mostramos cómo hemos seleccionado y secuenciado las actividades de enseñanza sobre contenidos relacionados con la nutrición humana, trasladando al aula algunas implicaciones de las teorías constructivistas. En nuestra opinión, el interés de esta ejemplificación reside más en resaltar la eficacia y viabilidad práctica de estos planteamientos, que las características específicas del caso presentado, desarrollado en unas circunstancias didácticas determinadas. En consecuencia, nos parece necesario finalizar este artículo realizando, con carácter general, las siguientes consideraciones: a) El aprendizaje de los contenidos científicos suele requerir la reestructuración de las ideas de los estudiantes. Para que este proceso –más o menos intenso según los casos- se produzca, es necesario que las actividades de enseñanza tengan en cuenta los conocimientos iniciales de los alumnos y alumnas (grado de articulación, nivel de coincidencia con las ideas científicas, relevancia para el tema en cuestión), que contribuyan a fomentar el interés (motivación) por los contenidos de enseñanza, aspecto que se favorece cuando éstos son considerados explicativos y de cierta utilidad, y que promuevan la participación y reflexión de los estudiantes. b) Es evidente que, bajo estas condiciones, el proceso de enseñanza-aprendizaje se desarrolla de manera distinta a la que podríamos considerar más habitual: - Requiere un mayor esfuerzo de planificación y, también, en cuanto a la preparación de los materiales de las distintas actividades (incluyendo el cuaderno de trabajo de los estudiantes). - La mayor parte del trabajo se desarrolla en grupo y buena parte del protagonismo debe recaer sobre los que aprenden. El profesor, además de proporcionar la información científica necesaria, desempeña un papel fundamental como organizador y moderador de las actividades de enseñanza. - Además, son necesarios períodos de tiempo más amplios. Es cierto que los resultados presentados pueden ser atribuidos a esta circunstancia, más que a los elementos positivos que pudiera tener una propuesta como la presentada; también se puede argumentar que, como consecuencia de ello, habría que reducir los programas, que los estudiantes aprenderían menos... No obstante, si estamos convencidos de que son los alumnos y alumnas quienes deben construir sus conocimientos, que este proceso no resulta fácil, que los procedimientos habituales no producen aprendizajes satisfactorios..., deberíamos relativizar – y más en los niveles obligatorios de enseñanza- la importancia de este factor. c) La implementación de una metodología constructivista parece producir aprendizajes que se muestran estables a corto y medio plazo, al menos en lo que se refiere a los contenidos básicos de la lección; aunque no ocurre así en todos los casos y, a veces, se olvidan algunas nociones que creíamos que habían sido aprendidas. d) Además, este tipo de enseñanza influye, en general, en el interés de los estudiantes hacia las clases de ciencias, propiciando una opinión favorable hacia diversos aspectos de la metodología utilizada en el transcurso de la misma. En este sentido, han destacado su carácter motivador, el interés del trabajo en grupo, la utilidad de los materiales de aprendizaje (en particular su cuaderno de trabajo...) En definitiva, consideramos que –en el contexto educativo actual- resulta viable el desarrollo de propuestas de enseñanza basadas en el constructivismo, en particular si consideramos que este enfoque constituye una referencia básica de la Reforma del sistema educativo, que propone un desarrollo curricular mucho más abierto y flexible. En la medida en que se faciliten datos sobre la puesta en práctica de estos planteamientos, se podrá ir consolidando el constructivismo como nuevo modelo de enseñanza, capaz de dar solución a muchos de los problemas que en la actualidad plantea el aprendizaje de las ciencias. 119 ANEXO I: Secuenciación de las actividades de enseñanza El comienzo de la lección A.1 ¿Qué recordamos sobre la digestión? A. 2 La digestión y la nutrición humana Aplicación de conocimientos y revisión de ideas A. 17 ¿Qué pasaría si...? Entonces, ¿qué le ocurre a los alimentos? A. 18 Revisando las nuevas ideas Reestructuración de ideas A. 3 ¿Qué le ocurre a los alimentos en el estómago? A. 4 Acción de la saliva sobre los alimentos Reestructuración de ideas A. 5 Introducción de información A. 6 La absorción de nutrientes: una analogía A. 14 ¿Por qué crecemos? ¿Necesitamos energía? A. 15 Disección de un muslo de pollo. Observación de células al microscopio. A. 16 La estructura del cuerpo humano y los procesos de nutrición Motivación y reestructuración de ideas A. 7 Anatomía del aparato digestivo A. 8 Completando la información sobre la digestión Aplicación de conocimientos y revisión de ideas A. 9 Construcción del aparato digestivo humano A.10 La digestión y algunas situaciones de la vida cotidiana A. 11 Revisando los aprendizajes 120 Motivación, orientación y explicitación de ideas A. 12 ¿Y después de la digestión? A. 13 Relaciones entre los sistemas digestivo y circulatorio DANDO SENTIDO A LA CIENCIA EN LA SECUNDARIA Driver, Rosalind INTRODUCCIÓN La construcción de las ideas científicas: consecuencias para la enseñanza y el aprendizaje Los niños desarrollan ideas sobre los fenómenos naturales antes de que se les enseñe ciencia en la escuela. En algunos casos estas ideas están de acuerdo con la ciencia que se les enseña. Sin embargo, en muchos casos, hay diferencias significativas entre las nociones de los niños y la ciencia escolar. Las concepciones de los construcciones personales niños como Desde los primeros días de su vida los niños han desarrollado ideas o esquemas sobre el mundo natural que les rodea. Tienen experiencias sobre lo que ocurre cuando dejan caer objetos, los empujan, tiran de ellos o los lanzan, y de esta forma construyen ideas y expectativas en relación con la forma en que se perciben y mueven los objetos. De manera similar, desarrollan ideas sobre otros aspectos del mundo que les rodea a través de experiencias, por ejemplo, con los animales, las plantas, el agua, la luz y las sombras, las estufas y los juguetes. Un niño de nueve años se dio cuenta de que una vez apagado un tocadiscos el sonido tardaba unos segundos en desaparecer. <<Debe haber millas y millas de cable ahí dentro por las que pase la electricidad>>, dijo, <<para que el sonido tarde tanto en pararse>>. Este niño no había recibido una enseñanza formal de ciencias y sin embargo había desarrollado la noción de que la electricidad estaba implicada en la producción del sonido, ¡de que fluía a través de cables y de que lo hacía muy rápidamente! Muchas de las concepciones que los niños desarrollan respecto a los fenómenos naturales proceden de sus experiencias sensoriales. Algunas concepciones o esquemas de conocimiento, aunque influyen en la interacción de los niños con su entorno, no se pueden representar de forma explícita mediante el lenguaje. Por ejemplo, los niños que juegan al balón han desarrollado una serie de esquemas de conocimiento sobre las trayectorias que siguen los balones, que les permiten lanzarlos y recogerlos con éxito. Sólo mucho después, los estudiantes tendrán oportunidades formales para representar y analizar tales movimientos: aunque, desde los primeros años de vida, ha existido un esquema de conocimiento que hace posible que el niño interactúe de forma eficaz cuando lanza ycoge balones. Las investigaciones realizadas en distintos países han identificado rasgos comunes en las ideas de los niños y los estudios evolutivos proporcionan visiones útiles sobre las formas características en que progresan estas ideas durante los años escolares. Estas investigaciones han indicado que tales ideas deben considerarse como algo más que simples ejemplos de información incorrecta; los niños tienen formas de interpretar los sucesos y fenómenos que son coherentes y encajan con sus campos de experiencia aunque pueden diferir substancialmente de la opinión científica. Los estudios indican también que, a pesar de la enseñanza formal, estas ideas pueden persistir en la edad adulta. Rasgos comunes en las concepciones de los niños Los estudios sobre concepciones respecto a los fenómenos naturales indican que puede haber rasgos que aparecen muy a menudo en las nociones de los niños que es posible organizar y describir. Además, estas nociones parecen evolucionar a medida que se van adaptando a experiencias más amplias. Un tema que ha sido bien estudiado es el de las concepciones sobre la luz y la visión. ¿Cómo entienden los niños cómo llegan a ver las cosas? ¿Relacionan luz y visión? Si es así ¿cómo? Si se pregunta a niños pequeños, ¿Dónde hay luz en esta habitación?, se puede imaginar lo que pueden decir. De forma característica, los niños de 5 ó 6 años identificarán la luz como la fuente o el efecto; podrían identificarla con esta bombilla o con aquella mancha brillante en la pared. Más adelante, los niños identificarán algo en el espacio entre la fuente y el efecto. Se enciende el interruptor y la habitación se llena con un baño de luz que permite ver las cosas. Posteriormente, durante la etapa básica, algunos niños empiezan a utilizar la idea de que la luz viaja. Cuando se considera la velocidad a que viaja la luz, resulta 121 interesante el hecho de que los niños estén sugiriendo esto espontáneamente. Razonarán que la luz sale de la fuente, viaja y golpea a un objeto, y debido a que el objeto está iluminado se puede ver. Sin embargo, están menos seguros en cuanto a lo que sucede entre el ojo y el objeto. Algunos niños establecen un enlace en términos de rayos visuales que van desde el ojo al objeto –un modelo que implica un papel activo por parte de quien ve; <<miramos a>> las cosas o <<lanzamos una mirada>> a los objetos. El diagrama típico de un libro de texto en que la luz se distribuye a partir de un objeto y una parte de ella va en dirección al ojo es, de acuerdo con la literatura, una opinión sostenida por una relativa minoría de los niños de escuela secundaria*. Un rasgo importante es la semejanza en los modelos conceptuales que utilizan niños de diferentes países y distintos antecedentes. Las concepciones de los niños sobre la ciencia no son idiosincrásicas, ni tienen en muchos casos una dependencia cultural fuerte. Se forman por la experiencia personal con los fenómenos. En escuelas que tienen alumnos de un amplio rango de grupos sociales y étnicos, los profesores probablemente encontrarán que las ideas de los alumnos proporcionan una base común para la construcción de unas buenas relaciones de trabajo. Un estudio de Nussbaum y Novak sobre las concepciones de los niños respecto a la Tierra en el espacio, reveló un conjunto de cinco concepciones o, como ellos las denominaron, <<nociones>>. Progresaban desde la Tierra como una superficie plana con un marco de referencia absoluto respecto a arriba y abajo, pasando por nociones intermedias, hasta la noción científica de la Tierra como una esfera y arriba y abajo definidos tomando a la Tierra como marco de referencia (ver Fig. 1.1). Este estudio se replicó en Nepal y se identificó la misma secuencia de concepciones. La figura 1.2 muestra el porcentaje de niños nepalíes de 12 años que sostenían cada una de esas cinco nociones. Se compara con el porcentaje de niños norteamericanos de 8 años. Como comentan los autores del artículo, <<el dato destacable para nosotros no es que los niños nepalíes sean más lentos en la adquisición del concepto, sino que el desarrollo de estas ideas * N. De la T.: Dado que los niveles educativos son diferentes en los distintos países, a lo largo del texto, y para facilitar su comprensión, se utilizan en cada caso los niveles a que esas edades o cursos corresponderían en el sistema educativo español actual 122 es similar en diferentes>>. culturas tan ampliamente La construcción social del conocimiento Durante los últimos años se ha hecho hincapié de forma creciente en el proceso de interacción en el aprendizaje. Se reconoce que el aprendizaje sobre el mundo no tiene lugar en un vacío social. Los niños tienen a su disposición mediante el lenguaje y la cultura maneras de pensar y formar imágenes. Frases como, <<cierra la puerta y no dejes que entre frío>>, o <<está cayendo el rocío>>, proporcionan, mediante metáforas, formas de representar aspectos del mundo físico. Fig. 1.1. Concepciones de los niños respecto a la Tierra en el espacio. Fig. I.2. Porcentaje de niños norteamericanos y nepalíes que sostenían cada una de las nociones respecto a la Tierra. El que las ideas de un individuo sean confirmadas y compartidas por otros, en los comentarios de clase, desempeña un papel al dar forma al proceso de construcción del conocimiento. En el ejemplo siguiente se invitó a un grupo de niños de 13 años a desarrollar su modelo para explicar las propiedades del hielo, el agua y el vapor, realizando actividades relacionadas con el cambio de estado. Después de una discusión inicial en la que los alumnos introdujeron la idea de moléculas y la adoptaron, un grupo empezó a prestar atención a la cuestión del enlace. A1: ¿El agua se convirtió en hielo? Creo que probablemente se hace más fuerte el enlace. A2: Bueno, eso no está demasiado claro, realmente. (enfáticamente) A2: Cuando empieza a enfriarse, no vibran tanto. A1: ¡Ah, sí! Cuando se enfrían, el enlace aumentará así que no serán capaces de moverse tanto alrededor, esto encaja, ¿no? A1: El asunto es, en los gases el enlace ha desaparecido totalmente. (Nótese aquí la comprobación obvia de la consistencia. La idea a comprobar parece ser que, debido a la mayor fuerza del enlace a menores temperaturas, las moléculas no serán capaces de vibrar tanto debido a que están forzadas. Esta idea, sin embargo, sigue sin resolver la cuestión de cómo se hace más fuerte el enlace a temperaturas menores, como indica el comentario del alumno siguiente) A2: Entonces ¿cómo es que el enlace aparece otra vez? A2: Si, perola cuestión recuperamos el enlace? A1: Supongo que funciona al revés, cuando se le calienta destruye el enlace, cuando se le enfría, ya sabes, lo reconstruye. A4: Haciendo que vibren más despacio... A1: Porque hoy no hicimos un experimento como ese, en realidad. Estábamos sólo con la fusión. A2: No estábamos seguros, quiero decir que tenemos más o menos claro lo que ocurre al pasar de sólidos a líquidos y a gases, pero no de gases a líquidos y a sólidos. A3: Pero ¿cómo lo reconstruye? ¿con qué lo reconstruye? (La cuestión sobre de dónde vienen los enlaces reconstruidos continúa preocupando al grup) A2: Si los átomos están unidos, un átomo no puede convertirse en un enlace para mantener a los otros átomos juntos ¿no? (En ese punto interviene presente en la clase) un observador E: ¿Cómo os imagináis el enlace? A4: Como una especie de cuerda entre los átomos. A1: No, no es eso. Él (refiriéndose al profeso) nos habló de magnético, magnetismo. Algún tipo de fuerza. A4: Electricidad estática o algo así. A2: Sí. Eso los mantenía juntos. Y supongo que si estaba caliente entonces no estaba tan magnetizado o algo y cuando estaba frío se magnetizaba más. (El grupo parece haber adoptado la idea de que los enlaces se deben a un tipo de fuerza magnética, y vuelven a considerar cómo puede esto explicar que el enlace aparentemente cambie cuando se calienta una sustancia) A4: Cuando están calientes vibran más, y rompen el enlace y entonces al final se convierten en un gas y de ahí no pasan... pero ¿cómo recupera el enlace? es, ¿cómo A2: Haciendo más lentas las vibraciones. (Uno de los alumnos tiene una opinión diferente en este punto. Sugiere que la fuerza está presente en todo momento) A4: Supongo que siempre está presente pero... si, no ha tenido oportunidad como de agarrar, agarrarlas, ya sabes y mantenerlas juntas. Bueno, donde se hace más lenta, ya sabes, podría dominar el... A3: Un poco más fácil mantener juntas las cosas más lentas. El resultado de esta discusión es un logro considerable. Los alumnos han reunido su conocimiento de que las partículas están en continuo movimiento y de que este movimiento aumenta con la temperatura, con la idea de que la fuerza entre las partículas está presente durante todo el tiempo, para explicar la aparente <<formación y ruptura>> de enlaces. El ejemplo ilustra claramente cómo los alumnos, si se les motiva y se les da la oportunidad, pueden reunir las ideas y las experiencias previas para hacer avanzar su conocimiento. La discusión con sus iguales puede cumplir una serie de funciones en el proceso de construcción del conocimiento. Proporciona un foro en el que ideas previamente implícitas pueden hacerse explícitas y quedar disponibles para la reflexión y la comprobación.. Proporciona una situación en la que los individuos tienen que clarificar sus propias nociones en el proceso de discusión con los otros. También puede proporcionar una oportunidad para que los individuos 123 construyan sobre las ideas de los demás con vista a alcanzar una solución. Howe e al. Han investigado, en una serie de contextos científicos, en qué medida se favorece la comprensión conceptual de los niños respecto a la ciencia mediante la discusión en grupo. Su trabajo sugiere que el progreso en la comprensión se consigue mediante la oportunidad de cada individuo de reorganizar sus propias ideas al hablar y escuchar. Si tienen que dar un sentido a sus experiencias en las clases de ciencias, los alumnos necesitan suficientes oportunidades para hablar y escuchar a los demás. La atmósfera de aprendizaje no será aquella de un <<aula ordenada>> con los alumnos trabajando en silencio; ni los alumnos deberán estar ocupados en <<hacer>> trabajos prácticos todo el tiempo. Es probable que las charlas animadas y las discusiones sean el distintivo de las clases de ciencias eficaces. La naturaleza de consecuencias para aprendizaje. la ciencia y sus la enseñanza y el El modo en que los alumnos construyen las ideas en ciencias refleja la naturaleza y el estatus de la ciencia como conocimiento público; también se construye personal y socialmente. Las ideas y teorías científicas son resultado de la interacción de los individuos con los fenómenos. Pasan luego a través de un complejo proceso que implica la comunicación y comprobación por parte de las principales instituciones sociales científicas antes de ser validadas por la comunidad científica. Esta dimensión social de la construcción del conocimiento científico ha dado como resultado que la comunidad científica comparta una visión del mundo que implica conceptos, modelos, convenciones y procedimientos. Este mundo está habitado por entidades como átomos, electrones, iones, fuerzas, genes y especies; está provechosamente organizado mediante la unificación de ideas y procedimientos de medida y experimentación. Las ideas científicas, que se construyen y transmiten a través de las instituciones científicas culturales y sociales, no serán descubiertas por los estudiantes individualmente mediante su propia investigación empírica: aprender ciencia implica ser iniciado en la cultura de la ciencia. Si a los aprendices se les tiene que dar acceso a los sistemas de conocimiento de la ciencia, el proceso de construcción del conocimiento 124 debe ir más allá de la investigación empírica personal. Los aprendices necesitan que se le conceda el acceso no sólo a experiencias físicas sino también a los conceptos y modelos de la ciencia convencional. El reto para los profesores reside en ayudar a los alumnos a construir estos modelos por sí mismos, a apreciar sus campos de aplicación y, dentro de esos campos, a usarlos. Si la enseñanza consiste en llevar a los alumnos hacia las ideas científicas convencionales, entonces la intervención del profesor es esencial, tanto para proporcionar pruebas experimentales adecuadas como para hacer que las ideas y convenciones teóricas de la comunidad científica estén a disposición de los alumnos. La relación entre teoría y datos no es sólo una importante faceta de la naturaleza de la ciencia, es también un asunto crítico en el aprendizaje de la ciencia por los niños. Del mismo modo que las teorías científicas sirven para organizar y explicar las observaciones a la vez que para dar forma al progreso futuro en ciencia, las ideas de los niños sobre los fenómenos naturales desempeñan un papel organizativo en su construcción de nuevos conocimientos y en su interpretación de nueva información. Es importante para los alumnos saber cómo se desarrollan y evalúan las ideas científicas por una serie de rezones: para que puedan apreciar la importancia de compartir y revisar las ideas; para que puedan apreciar el carácter <<provisional>> de las ideas científicas; y para que adquieran confianza al ensayar y comprobar ideas. Estas metas contrastan con las perspectivas que están implícitas en los enfoques de enseñanza que plantean el conocimiento científico como algo <<objetivo>>, no problemático y fijo –la imagen que surge a menudo en los libros de texto o en las clases formales- o con los que presentan la ciencia como algo que se <<descubre>> mediante investigaciones empíricas individuales, una perspectiva que está implícita en los enfoques de proceso ingenuos o en los métodos de aprendizaje por descubrimiento para la enseñanza de las ciencias. Las aulas escolares enfrentan a menudo a los estudiantes con imágenes del conocimiento científico como un conocimiento impersonal y sin valores. Esto puede deberse al uso de ciertas herramientas lingüísticas de la ciencia que sirven para mantener a los alumnos <<a cierta distancia>> de la ciencia que se les enseña. Al insistir en hablar del conocimiento científico y las actividades del aula en tercera persona, y al eliminar la personificación y el lenguaje coloquial la ciencia se puede presentar como algo remoto, difícil y autorizado. El pensamiento científico fácilmente se puede presentar como un tipo especial de pensamiento que es fundamentalmente diferente del razonamiento de sentido común, y puede ser percibido, por tanto, por muchos alumnos como inaccesible. La enseñanza y el aprendizaje basados en el interés por construir ideas exige de los niños no solamente <<hacer>> trabajo de laboratorio, sino también pensar sobre cómo se relacionan sus investigaciones con las ideas que están desarrollando. Los niños necesitan ser conscientes de la gama de ideas diferentes que pueden tener sus compañeros para explicar los mismos fenómenos y deben desarrollar el hábito de evaluar estas explicaciones. Cuando los niños observan fenómenos, el sentido que les dan estará influido por las ideas que ya tienen. Los niños centrarán sus observaciones en lo que perciban como factores importantes (que pueden ser o no los que ha identificado el profesor). Muchos alumnos no sabe qué finalidad tiene la actividad práctica, piensan que <<hacen experimentos>> en la escuela para ver si algo funciona, más que para reflexionar sobre cómo una teoría puede explicar las observaciones. Hay razones para <<dejar entrar a los aprendices en el secreto>> de por qué se les pide que hagan diferentes tipos de trabajos prácticos en la escuela. En lugar de verse a sí mismos como receptores pasivos de información, los alumnos necesitan verse activamente implicados en la construcción de significados aportando sus ideas previas para relacionarlas con las nuevas situaciones. La experiencia en sí mismo no es suficiente. Es el sentido que los estudiantes le den lo que importa. Si lo que los estudiantes entienden debe variar en la dirección de lo que la ciencia acepta, entonces es esencial la negociación con una autoridad, normalmente el profesor. Enseñar desde esta perspectiva es también un proceso de aprendizaje: una característica del profesor que trabaja teniendo presentes las ideas de los niños es la habilidad para escuchar el sentido que los alumnos están dando a sus experiencias de aprendizaje y responder de forma que afronten ese sentido. La enseñanza de las ciencias teniendo presentes las ideas de los niños Cuando están planificando y desarrollando la enseñanza, los profesores tienen que ser conscientes de las ideas que ya tienen los alumnos, de las metas de la enseñanza y también de la naturaleza de cualquier diferencia entre ambos aspectos. El cómo puede resultar en la práctica este método se ilustra con ejemplos sobre la enseñanza de dos temas, <<disolución y fusión>> y <<oxidación>>. Un ejemplo para la enseñanza y aprendizaje sobre disolución y fusión La profesora de una clase de 1er. curso de secundaria ha terminado una unidad de trabajo sobre <<disolución>> y tiene que seguir la continuación con <<cambio de estado>>. Durante el trabajo con las disoluciones, la profesora se ha dado cuenta de que los alumnos usan los términos <<fusión>> y <<disolución>> de forma intercambiable. Esto no le sorprendió porque ya se había enfrentado antes con el problema, tanto en la enseñanza previa como en sus lecturas sobre la comprensión de la materia por parte de los niños. Decidió averiguar hasta donde llegaba la confusión planteando a sus alumnos una actividad que implicaba el uso de tarjetas para clasificar. En las tarjetas había frase como: <<jabón en el agua del baño>>; <<un caramelo de menta extra fuerte en la boca>>; <<un cubito de hielo sobre la mesa de la cocina>>. Los alumnos trabajaron por parejas, separaron el juego de 20 tarjetas en dos montones <<se funde>> y <<se disuelve>>. Luego la profesora recogió las respuestas de cada pareja en una tabla en la pizarra. Analizando esta tabla de información y pidiendo a los alumnos que justificaran sus elecciones la profesora fue capaz de <<sacar a la luz>> una parte de las ideas de los alumnos en esta área y de presentar la distinción científica entre disolución y fusión. Los alumnos pudieron aprender entonces a asociar a cada proceso el término adecuado y en lecciones posteriores se enorgullecían de no confundirlos. Este breve episodio sirve como ejemplo de un intento de enseñar ciencias teniendo presentes las ideas de los niños. La profesora ideó una actividad que respondía directamente a un aspecto del aprendizaje de sus alumnos; permitía obtener ideas sobre su pensamiento; era útil en el desarrollo en el desarrollo de la 125 comprensión de los alumnos. Además, la actividad de clasificar tarjetas yla posterior discusión les gustaron mucho. Se les pregunta <<¿Cuáles de estos son seres vivos? ¿animales? ¿plantas?>>. • Predecir y explicar. Se pregunta a los alumnos <<¿Flotará una patata en el agua?>> <<¿Flotará la manzana en el agua?>> Se les pide que expliquen sus predicciones y las pongan a prueba. • Experimentos prácticos. Los alumnos utilizan una <<bola>> en un canal de plástico. Pueden utilizar cualquier cosa que necesiten para poner a rodar la bola, y se les pide que la hagan rodar (a) con velocidad fija y (b) con un movimiento acelerado. Se les pide que hagan mediciones para probar que han logrado los dos tipos de movimiento y que estén preparados para demostrar sus ideas. Comprobación de las ideas de los niños Para explorar las ideas de los niños sobre aspectos científicos se puede utilizar una gran variedad de técnicas. Todos los ejemplos siguientes han sido ensayados con éxito en las clases de ciencias. • Expresiones escritas. Se pide a los alumnos que escriban cinco expresiones que incluyan la palabra <<energía>>. Escriben sus frases en trozos de cartulina y luego reúnen sus ideas en pequeños grupos. Cada grupo organiza todas sus expresiones y las clasifica de acuerdo con sus propios criterios. (Por ejemplo, expresiones relacionadas con movimiento, comida o combustibles) Presentan sus ideas al resto de la clase. • Carteles. Se pide a los alumnos que hagan carteles para responder a la pregunta <<¿Cómo se alimentan las plantas?>>. Discuten en grupos pequeños y hacen un cartel para resumir sus ideas. Se preparan para dar un informe al resto de la clase. • Tarjetas para clasificar. Se dan a los alumnos tarjetas que muestran ejemplos de disolución y ejemplos de fusión. Se les pide que clasifiquen las tarjetas en dos grupos: <<se disuelve>> y <<se funde>>. • • Experimentos mentales. Se plantean a los alumnos problemas del tipo, <<Suelto una piedra que tengo en la mano. Cae. ¿Por qué?>> o <<Estoy en la superficie de la Luna y suelto una piedra que tengo en la mano. ¿Qué sucede? ¿Por qué?>>. Se les pide que discutan las preguntas en grupos pequeños y se preparen para dar un informe al resto de la clase. Diseñar y hacer. Se pide a los alumnos que utilicen los materiales que quieran para mantener el agua de un vaso de precipitados tan caliente como sea posible durante tanto tiempo como sea posible. • Explicar. Se pregunta a los alumnos <<¿Qué causa el día y la noche?>>. Piensan sobre ello y escriben su explicación. Pueden utilizar diagramas si lo desean. • Lista de control/cuestionario. Se dan a los alumnos dibujos de objetos y seres vivos. 126 Esta lista no es en absoluto completa. Una vez que el profesor adquiere experiencia en someter a prueba la comprensión que tienen los alumnos rápidamente le resulta evidente que en la enseñanza hay muchas oportunidades para descubrir qué están pensando los niños, ya sea mediante los tipos de actividades señaladas anteriormente o simplemente poniendo más cuidado al hacer preguntas y escuchar. Poner a prueba las ideas de los alumnos no se limita al inicio de la enseñanza, puede ser una parte integral y continua de la actividad del aula y puede ser el fin principal de algunas actividades. Respuesta a las ideas de los niños El descubrir cómo piensan los niños respecto a los diversos temas tratados en la clase de ciencias puede ser muy interesante. No es, sin embargo, el final de la historia. Los profesores de ciencias tienen la responsabilidad de iniciar a sus alumnos en la visión del mundo científicamente aceptada. Por tanto, surge la cuestión de cómo podría planear el profesor la ayuda a los alumnos para que vayan desde los puntos de partida identificados hacia la meta final del aprendizaje que es llegar al punto de vista científico. Lo primero que hay que hacer es considerar la naturaleza de cualquier diferencia que exista entre el pensamiento predominante en los niños y el punto de vista científico. Existen varias posibilidades y, por tanto, el aprendizaje de la ciencia podría implicar: • Desarrollo de las ideas existentes. Por ejemplo, desde <<las cuerdas de la guitarra y los címbalos vibran para producir sonidos>> (donde las vibraciones son obvias) hasta <<el aire en un simple silbato vibra para producir sonidos>> (donde las vibraciones no son obvias). • Diferenciación de las ideas existentes. Por ejemplo, reconocimiento de que la disolución y la fusión son procesos absolutamente diferentes. • Integración de las ideas existentes. Por ejemplo, reunión de las ideas sobre los materiales y sobre los seres vivos para explicar el ciclo de la materia en un contexto biológico. • Cambio de las ideas existentes. Por ejemplo, la progresión desde pensar que las pajas de bebida funcionan por succión, a pensar en términos de presión atmosférica. • Introducción de nuevas ideas. Por ejemplo, el aprendizaje sobre el modelo corpuscular de la materia, o el pensar en el rozamiento como una fuerza. Una vez que el profesor ha identificado la naturaleza de las diferencias entre las ideas de los alumnos y el punto de vista científico se hace más fácil planificar actividades que apoyen el aprendizaje que se pretende. Así, en el primer ejemplo con que comenzamos, la profesora se dio cuenta de que sus alumnos no diferenciaban entre disolución y fusión y planteó la actividad de la clasificación de tarjetas para dirigirse directamente a ese problema. En situaciones en que el punto de vista científico es contrario a las ideas que tienen los niños podría esperarse que el aprendizaje resultara más problemático. A menudo se da ese caso. Por ejemplo, los alumnos tienen con frecuencia dificultades para aceptar la primera Ley de Newton para el movimiento. La visión newtoniana de que para mantener un movimiento uniforme es necesario que no exista fuerza resultante es totalmente opuesta a la experiencia diaria con sistemas afectados por el rozamiento, en los que para mantener el movimiento se necesita un empuje uniforme. La enseñanza en esta área necesitará reconocer la diferencia fundamental de perspectiva. Se necesitará tiempo para que los alumnos acepten la visión newtoniana y la actividad práctica en sí misma no es suficiente. Un ejemplo para la enseñanza y el aprendizaje sobre la oxidación Un profesor planeó y puso en práctica una forma de enseñar la oxidación que reconoce explícitamente los puntos de partida de los alumnos y trabaja buscando unos determinados fines de aprendizaje. Una clase de 2º curso de secundaria estaba trabajando sobre <<cambios químicos>> e iba a empezar con una sección sobre <<la oxidación>>. El profesor decidió que sus alumnos seguramente tenían una amplia experiencia respecto al fenómeno de la oxidación y probablemente tendrían algunas ideas sobre qué lo causa. Por tanto decidió empezar la nueva sección tratando de establecer cuáles podrían ser esas ideas que ya tenían. Dos semanas antes de las clases, justo antes de las vacaciones de mitad de trimestre, dio a cada alumno un brillante y reluciente clavo de hierro. Los alumnos recibieron instrucciones para llevar el clavo a casa y <<ponerlo en un sitio donde tu creas que se oxidará mucho>>. Además, se les pidió que contestaran por escrito a estas preguntas. • ¿Dónde pusiste el clavo? • ¿Qué le ocurre a ese sitio para que lo pusieras allí? • ¿Por qué crees que eso hará que el clavo se oxide? • ¿Qué crees que es el óxido? Después de dos semanas los alumnos devolvieron los clavos y montaron una exposición a lo largo de la pared lateral del laboratorio. Se colocaron los clavos y se situaron por orden desde el más oxidado al menos oxidado. La exposición tenía al menos dos propósitos. Proporcionaba al profesor gran cantidad de información sobre las ideas de sus alumnos respecto a la oxidación y también ofrecía datos fácilmente disponibles respecto a las condiciones necesarias para la oxidación. Prácticamente todos los alumnos pensaban que se necesitaba agua para la oxidación y, por tanto, colocaron el clavo en condiciones de humedad. Además algunos mencionaban la necesidad de aire, otros pensaban que el <<frío>> ayudaba a la oxidación. Unos pocos se referían a la acción de la sal, otros pensaban que los ácidos podrían ayudar. Algunos sugerían que el óxido era como un <<moho>>. 127 El profesor estableció unas metas de aprendizaje amplias respecto al tema de la oxidación. Esperaba que al final de las clases todos sus alumnos apreciaran que: • el aire y el agua son factores esenciales para que se produzca la oxidación • el proceso de oxidación es un ejemplo de cambio químico. Al observar las ideas de sus alumnos en la exposición de clavos, el profesor reconoció que el considerar el agua como un factor esencial para la oxidación no era probable que presentara problemas a los alumnos, mientras que la necesidad de aire no era tan obvia. Se dio cuenta también de que la mayoría de los alumnos no habían relacionado la oxidación con su trabajo general sobre cambios químicos. El profesor organizó grupos de alumnos para llevar a cabo experimentos controlados para comprobar los diversos factores que ellos habían sugerido como esenciales para oxidación. Un grupo hizo pruebas para ver si era necesaria el agua para que se produjera la oxidación, otro para ver si era necesaria la sal, etc. A partir de los resultados de estas investigaciones se establecieron los factores necesarios para la oxidación. El profesor recordó entonces a los alumnos el trabajo previo sobre el cambio químico, estableciendo paralelismos con sus observaciones sobre la oxidación. La discusión de clase se centró en saber de dónde venía el óxido y finalmente se llegó al acuerdo de que era una nueva sustancia formada sobre el exterior del clavo. Esta fue una clase interesante porque algunos alumnos sostenían que el óxido debía estar ya bajo la superficie del clavo, y que simplemente se mostraba durante la oxidación. El profesor ayudó a los alumnos a estudiar esta opinión serrando un clavo oxidado y haciendo circular los trozos por la clase. La visión del brillante y reluciente metal supuso realmente un impacto para los alumnos: el óxido estaba claramente sobre el exterior del clavo. El profesor trabajó sobre esas ideas explicando que la oxidación es un cambio químico durante el cual el hierro del clavo se combina con el oxígeno del aire, en presencia de agua, para formar óxido Después de una posterior discusión, los miembros de la clase tuvieron que volver a la exposición de clavos y utilizar sus nuevas ideas, sobre la oxidación como cambio químico, para explicar las diferencias que podían observarse. 128 Un comentario sobre la continuidad y la progresión El enseñar ciencias teniendo en mente las ideas de los niños se apoya en una cuidadosa planificación en la que se diseñe la continuidad del currículum para conseguir la progresión en esas ideas. El término <<progresión>> se aplica a algo que sucede dentro de la cabeza de quien aprende: al pensar sobre experiencias e ideas, los niños desarrollan sus ideas. Algunos aspectos de este aprendizaje pueden producirse bastante rápida y fácilmente, mientras que otros se producen a pasos muy cortos, con dificultades y a lo largo de una serie de años. La continuidad, por otra parte, es algo organizado por el profesor: describe la relación entre las experiencias, actividades e ideas que los alumnos encuentran durante un período de tiempo, en un currículum que está estructurado para apoyar el aprendizaje. La continuidad curricular no puede garantizar la progresión. Su función es estructurar las ideas y experiencias para los alumnos en una forma que les ayudará a hacer avanzar su comprensión conceptual en términos científicos. Al diseñar un currículum de ciencias, como al diseñar una clase, es importante tener presentes los puntos de partida de los niños así como las metas de aprendizaje científico que se intentan alcanzar. Se puede ilustrar esto en relación con la enseñanza sobre la nutrición de las plantas, la fotosíntesis, la respiración y la descomposición, el ciclo de la materia y el flujo de energía en los ecosistemas. Varios estudios han aclarado los problemas que tienen los estudiantes para dar sentido al papel de la nutrición de las plantas en la fotosíntesis, al papel de la fotosíntesis en el ciclo de la materia y al del flujo de energía en los ecosistemas. En particular, los alumnos tienden a usar analogías con la alimentación animal para explicar la nutrición de las plantas, considerando las raíces como órganos para <<ingerir alimentos>> a partir del suelo. Muchos alumnos piensan también que el gas dióxido de carbono y el agua son <<alimento>> para las plantas, puesto que <<se ingieren>>. Un problema en el aprendizaje sobre la nutrición de las plantas es el significado específico que tiene la palabra <<alimento>> en ciencias, puesto que es diferente de su significado cotidiano. Para muchos de los alumnos de hasta 16 años, las ideas sobre el papel de los <<alimentos>> tanto en plantas como en animales pueden no ir más allá de una idea de <<ayuda>> para procesos como el crecimiento y el movimiento. La idea de los alimentos como un substrato para la respiración, dando como resultado que la energía esté disponible para los procesos vitales, no es evidente en la mayoría de los alumnos de 16 años. La mayoría de los alumnos en los niveles de Primaria (Key Stages 1 y 2**), también un número significativo de alumnos de más edad, piensan que la materia puede <<aparecer>> y <<desaparecer>> en procesos como la descomposición. Al planificar la enseñanza, es útil para los profesores pensar en términos de ayudar a los alumnos a dar una serie de <<pequeños pasos>> tiene que intervenir lo que se sabe sobre la progresión en la comprensión de los niños. Sin embargo, es importante, tener presente que algunos de estos <<pequeños pasos>> pueden, en sí mismos, plantear dificultades a los estudiantes. Por ejemplo, el pasar desde una visión de la materia en la que las cosas pueden aparecer y desaparecer a la idea de que la materia se conserva no es un paso trivial. Los profesores no deben sentirse obligados a llevar las explicaciones demasiado lejos con los alumnos más pequeños. El propósito de los fragmentos concretos de enseñanza es ayudar a los alumnos a dar pequeños pasos en dirección a una mayor comprensión. ** Nota de la T.: Se refiere a los exámenes oficiales que los alumnos realizan a las edades de 7 y 11 años. 129 LAS IDEAS DE LOS NIÑOS SOBRE LA VIDA Y LOS PROCESOS VITALES LOS SERES VIVOS El concepto de <<vivo>> La investigación sobre las ideas de los niños respecto a lo <<vivo>> se ha venido desarrollando desde los años 20. Sin embargo, se puede definir lo <<vivo>> contrastando los seres vivos bien con objetos inanimados o bien con organismos muertos y estas alternativas no siempre se han diferenciado en la investigación. Los primeros estudios sobre las ideas de los niños respecto a lo <<vivo>> fueron desarrollados por Piaget que observó que los niños tienden a considerar muchos objetos inanimados como capaces de tener sensaciones, emociones e intenciones. Él llamó a esta visión <<animismo>>. Los niños pequeños dicen que cosas como el sol, los coches, el viento, los relojes y los fuegos <<saben donde están>> y podrían <<sentir un pinchazo>>. Cuando se les pregunta qué está vivo y qué no, consideran estos mismos objetos como vivos. Piaget mostró que los niños de menos de diez años tienden a interpretar los fenómenos físicos en términos de intención por parte de los objetos inanimados, diciendo, por ejemplo, <<el sol está caliente porque quiere calentar a la gente>>. Identificaba cinco estadios en el desarrollo del <<concepto de vida>> en los niños: • Estadio 0 (0-5 años): Sin concepto. • Estadio 1 (6-7 años): Se consideran vivas las cosas que tienen cualquier tipo de actividad, incluyendo el caer o hacer ruido. • Estadio 2 (8-9 años): Se consideran vivas todas las cosas que se mueven, y sólo esas. • Estadio 3 (9-11 años): Se consideran vivas las cosas que parecen moverse por sí mismas, incluidos los ríos y el sol. • Estadio 4 (a partir de 11 años): Concepto adulto: sólo se consideran vivos los animales, o se consideran vivos animales y plantas. Carey sugiere que la progresión en el concepto de <<vivo>> está unida al marco 130 conceptual que está desarrollando el niño sobre los procesos biológicos, dado que los niños pequeños (4-7 años) tienen pocos conocimientos biológicos, pero hay un aumento señalado entre los 9 y 10 años. Los niños de menos edad, por tanto, explican las funciones corporales de los seres vivos y la actividad de los objetos inanimados utilizando una <<psicología ingenua>> del comportamiento humano en lugar de conceptos de función biológica. Esta <<psicología ingenua>> se caracteriza por el razonamiento causal intencional en las explicaciones del niño, por ejemplo: <<las espinacas hacen fuerte a Popeye porque le gustan>>, <<el sol luce para mantenernos calientes>>. A medida que aumenta el conocimiento biológico del niño, la idea de función biológica se desarrolla independientemente de la causalidad intencional humana y el razonamiento animista se debilita. El trabajo de Piaget provocó una serie de nuevos estudios, en diversos países y culturas, y una amplia literatura sobre el animismo en la infancia. En 1969 Looft y Bartz revisaron la literatura y de ella surge que las nociones animistas están presentes en poblaciones de todos los rangos de edad y con grandes diferencias culturales. Un estudio reciente de Inagki y Hatano sugiere que los niños pequeños utilizan el animismo de forma metafórica como modelo para explicar los fenómenos, en lugar de creer que los objetos inanimados razonan como los seres humanos. Las palabras <<vivo>> y <<vida>> pueden etiquetar conceptos diferentes. Klingber, al que se referían Looft y Bartz, encontró que la pregunta ¿Está vivo (un cierto objeto)? Daba lugar a respuestas diferentes que la pregunta ¿Tiene vida? Estas distinciones semánticas no siempre han sido reconocidas al diseñar las investigaciones y han dado lugar a muchas discusiones sobre su efecto en los resultados. La investigación en los años 70 intentó ahondar en los criterios biológicos que utilizan los niños para decidir si algo está vivo. Smeets encontró que los niños de 11 años utilizaban palabras biológicas en los criterios para considerar vivas a las cosas, pero no distinguían los significados de estas palabras de los de otras palabras similares. Por ejemplo, la mayoría de los niños parecía considerar idénticas en significado las siguientes parejas de palabras: destrucción y muerte, visión y conocimiento, contacto y sensación, presencia de orejas y oído, producción de sonido y habla, expansión y crecimiento. Looft informa de que aunque entre 59 niños de 7 años 39 clasificaron correctamente como vivos o no vivos 16 ítems, esta habilidad no indica un control biológico de las implicaciones del concepto de vida. Más de la mitad de los 39 entendieron la necesidad de nutrición, pero pocos aplicaron un concepto de respiración o de reproducción para definir a los seres vivos, incluso cuando se les plantearon cuestiones como, ¿Respira o necesita aire una rana?>> biología. Arnold y Simpson recomiendan centrarse en la unidad de los seres vivos mediante la atención a sus características. Leach et al. Confirman estos resultados. Estos investigadores encontraron que a algunos niños pequeños no les resultaba familiar la palabra <<vivo>> (alive). Cuando reconocían la palabra, la mayoría de los niños de esa edad, y muchos hasta los 11 años, no consideraban que las plantas estuvieran vivas. Bell (antes Stead) ha señalado que palabras de uso habitual como <<vivo>>, <<muerto>> y <<animal>> pueden ser usadas por parte de personas diferentes para referirse a conceptos diferentes. Encontró que todos los componentes de su muestra que tenían entre 9 y 15 años, excepto uno, utilizaban características de la vida biológicamente aceptadas para justificar su clasificación de los ejemplos como seres vivos. Muchos utilizaban una combinación de estos atributos. Sin embargo, informa de que sólo cinco de los treinta y dos alumnos tenía un concepto de ser vivo similar al de un biólogo, a pesar de los cuatro años de enseñanza formal de biología. La mayoría de los niños sobreentendían el concepto científicamente aceptado de ser vivo: consideraban como vivos el fuego, las nubes, el sol, una vela, un río y un coche. Eso normalmente era el resultado de utilizar solamente uno o unos pocos atributos críticos; por ejemplo, <<Una nube está viva porque se mueve>>. Algunos alumnos consideraban que un ítem como por ejemplo una bicicleta podía estar viva unas veces y otras no. Muchos alumnos reconocían que estaban inseguros de sus clasificaciones. Los resultados de Stavy y Wax, en un estudio con niños de 5 a 16 años en Israel, son similares. Encontraron que casi todos los niños reconocían los ejemplos de animales como vivos, pero sólo el 30 por 100 de los de 6 años y entre el 70 y el 80 por 100 de los comprendidos entre 12 y 15 años consideraban vivas a plantas concretas. Casi todos los niños atribuían crecimiento a las plantas pero aparentemente no consideraban esto como un prerrequisito para la vida: el 100 por 100 de los que tenían entre 8 y 11 años dijeron que las plantas crecían pero sólo el 69 por 100 de ellos consideraron las plantas como vivas: Stavy y Wax atribuyen sus resultados en parte al lenguaje hebreo, donde la palabra para decir <<vida>> es similar a la palabra para decir <<animal>>, pero no a la palabra para decir <<planta>>. También las palabras para decir <<crecimiento>> y <<muerte>> en animales son diferentes a las aplicadas a las plantas. Arnold y Simpson investigaron el concepto de ser vivo entre alumnos escoceses de 10 a 15 años, entre los que unos estudiaban biología y otros no. Todos los alumnos podían utilizar el término <<seres vivos>> dentro del contexto y podían dar ejemplos apropiados, pero al clasificar dieciocho ejemplos de seres vivos y no vivos no había una mejora estable entre los 10 y los 15 años, y los alumnos con certificado de secundaria sin biología actuaron mejor que los alumnos de biología. De los alumnos de 15 años sin certificado (logros más bajos), el 28 por 100 incluyó como ser vivo al menos uno de los siguientes: fuego, leche, agua, nube, energía, coche. Sólo el 9 por 100 clasificó correctamente los 18 ítem. Los cuatro atributos más comunes elegidos para identificar a los seres vivos eran comer/beber, moverse/andar, respirar, crecer. Sólo el 36 por 100 de los sujetos de 14 a 15 años incluyeron la respiración como criterio de vida aunque muchos habían estudiado Tamir et al. Estudiando a 414 alumnos israelíes de entre 8 y 14 años, encontraron también que no había diferencia significativa con la edad en la habilidad de los niños para clasificar dieciséis imágenes como seres vivos o no vivos. Más del 99 por 100 de los niños clasificó como seres vivos todos los dibujos de animales y el 82 por 100 de las respuestas clasificaron correctamente como seres vivos las ilustraciones de plantas, considerando vivos con menos frecuencia a los árboles y al champiñón que a las plantas herbáceas. Además, el 80 por 100 de las respuestas clasificaba los ejemplos inanimados como no vivos, siendo consideradas como vivas con más frecuencia las cosas naturales como el sol o un río que los objetos hechos por el hombre. (En total, un 20 por 100 de las respuestas a los ítems eran incorrectas y esto puede representar mucho más de un 20 por 100 de niños que clasificaban incorrectamente al menos un ítem.) Las respuestas sobre embriones eran interesantes: sólo la mitad de los niños consideró que los huevos estaban vivos mientras que un 60 por 100 consideraba vivas las semillas. 131 En los criterios que daban para clasificar los ejemplos resultaba evidente una progresión entre los estudiantes más jóvenes y los de más edad. En conjunto, los criterios más comunes como indicadores de vida eran el movimiento para los animales, y el crecimiento y el desarrollo para las plantas y embriones. En torno a la mitad de las razones se basaban en procesos vitales, poniendo los niños de más edad más énfasis en los procesos biológicos y menos en la utilidad para el hombre. La mayoría de los niños que clasificaban como vivos ítems inanimados creían que tenían un tipo de vida diferente y alrededor de la mitad pensaba que las plantas tienen un tipo de vida diferente de la de los animales. Las diferencias se relacionaban con supuestas diferencia en movimiento, sensación y conciencia. Lucas, Linke y Sedgwick utilizaron un objeto no familiar, en una fotografía, para lograr obtener los conceptos de vida de casi mil niños australianos con edades comprendidas entre los 6 y los 14 años. El objeto era en realidad un trozo de masa de pan fotografiada sobre un fondo de arena y se pidió a los niños que escribieran cómo podrían averiguar si el objeto estaba vivo, con claves respecto a cómo actuar: ¿qué buscarías? ¿qué le harías? ¿qué haría él? La respuesta más abrumadoramente extendida (86-100 por 100 según la edad) era en términos de comportamiento del objeto. La conducta que eligieron la mayoría de los niños era algún tipo de movimiento, aumentando esta respuesta a lo largo de primaria y disminuyendo en los primeros años de secundaria. Sin embargo, el análisis de los rangos de respuestas de los niños reveló que incluso las ideas de vida de los niños pequeños se basan en algo más que en el movimiento. Niños de todos los niveles aplicaron una variedad de criterios y pidieron el consejo de expertos. En todos los niveles más del 40 por 100 de los alumnos sugería un criterio basado en la estructura externa. Una proporción creciente de los alumnos de cursos superiores utilizaban un aspecto de la estructura interna, como la sangre o las células; una proporción considerable utilizaba funciones fisiológicas, como el latido cardíaco o la respiración. Brumby estudió las percepciones del concepto de vida en 52 estudiantes de biología británicos. Planteó cuatro problemas diferentes, uno de los cuales era similar al de Lucas et al. El material que utilizaba como estímulo era una piedra alterada por la atmósfera, en lugar de una fotografía y sus 132 otras preguntas se referían a si el fuego está vivo, a las pruebas de vida en Marte y a explicar la expresión <<la red de la vida>>. La mayoría de los estudiantes se referían a los criterios utilizados por los niños pequeños, tales como crecimiento y movimiento. Las siete características de la vida (movimiento, respiración, sensibilidad, crecimiento, reproducción, excreción y nutrición) dominaban sus explicaciones pero se aplicaban de forma no sofisticada y sin referencia a principios de experimentación científica, lo que sugería que las siete características se habían aprendido de memoria. Algunas respuestas incluían referencias a células o compuestos químicos orgánicos, pero apenas hubo mención a moléculas autorreplicantes. Brumby sugiere que el <<aprendizaje>> de <<hechos>> fragmentarios, al convertirse en estudiantes superiores, había dominado a la curiosidad y asombro de los niños y había contribuido poco a la comprensión. Debe señalarse que una serie de investigadores consideran simplista la noción de que los niños clasifican los objetos como vivos o no mediante el uso sistemático de creiterios. Carey e Inagki y Hatano sugieren que factores como el movimiento pueden llevar a los niños a considerar un objeto como vivo porque tienen a comparar los objetos que no les son familiares con los objetos que saben que están vivos o que no lo están. Sugieren que es más probable que al tomar sus decisiones los niños recurran al conocimiento de un adulto experto que a un criterio biológico determinado. Los niños atribuyen a menudo características humanas, pensamientos, emociones e intenciones a cosas no humanas. No siempre está claro si los que dan respuestas antropomórficas de este tipo creen que otros organismos u objetos piensan realmente como los humanos o si están hablando metafóricamente. Inagaki y Hatano señalan que los niños distinguen a las personas de otros seres vivos y no aceptan fácilmente que los humanos son una clase de animal. Sin embargo, parecen reconocer grados de semejanza entre los humanos y otras cosas. Una serie de estudios revisados por Carey, sobre el concepto de muerte en los niños ha sugerido que progresan hacia una conceptualización biológica intuitiva a la edad de 9 ó 10 años. Muestran que los niños pequeños consideran la muerte en términos de experiencia humana, relacionándola con las nociones de dormir y marcharse, de separación y castigo y no viéndola como definitiva ni inevitable. En torno a los 9 ó 10 años, parece que los niños empiezan a entender la muerte como un proceso biológico inevitable, en el que el cuerpo deja de funcionar. Un estudio de Sequeira y Freitas mostró la estabilidad de los conceptos de muerte y descomposición en los niños portugueses de escuela primaria, incluso después de la enseñanza. Estos niños tendían a conceptuar la muerte en términos de un modelo animal o humano, refiriéndose al cansancio del cuerpo, o a la parada de órganos humanos o animales, principalmente el corazón. Algunos niños tendían a definir la muerte usando un método teológico o una referencia a causas afectivas como tristeza o falta de amigos. Las explicaciones basadas en las células sólo se encontraron a los 12-13 años y entre éstos sólo en un 40 por 100 de las respuestas. Pocos niños consideraban la muerte con relación a todos los organismos vivos. El concepto <<animal>> Carey señala que niños muy pequeños parecen tener un concepto de <<animal>> que no incluye objetos inanimados, aunque el concepto es diferente del de un adulto. Leach et al., sin embargo, encontraron algunos alumnos de escuela infantil que desconocían la palabra <<animal>>. Stead (Bell) y sus colegas informan de que para muchos estudiantes sólo son animales los grandes mamíferos terrestres, como los que se encuentran de mascota, en las granjas o en los zoos: su rango de ejemplos de animales es más restringido que el de un científico. Encontró que de treinta y nueve alumnos de 15 años, sólo cuatro clasificaron dibujos de animales y no animales como lo haría un biólogo. Aproximadamente, sólo la mitad de los alumnos clasificaron como animales un pez, un chico, una rana, un caracol, una serpiente y una ballena. Las razones para identificar algo como animal incluían: cuatro patas, gran tamaño, vivir en tierra, pelo y producción de sonido. Alrededor de la mitad de los niños utilizaron los atributos que sirven de criterio para distinguir a los seres vivos para clasificar los ítems como animales. No parecían reconocer que estos atributos no distinguen a los animales de otros seres vivos. Algunos mencionaban la alimentación, pero simplemente como un atributo de los seres vivos, en lugar de poner énfasis en la naturaleza heterotrófica de la alimentación animal. La comprensión de la palabra <<animal>> por parte de alumnos, estudiantes universitarios y profesores llevaba a las respuestas que se muestran en la Tabla 1.1 y en la Figura 1.1. Bell y Barker informan de que la enseñanza tradicional sobre consumidores y sobre los animales como consumidores no afectó de forma apreciable a la comprensión de ambos conceptos por parte de los alumnos. Los alumnos tendían a creer que sólo son consumidores los grandes mamíferos. Sin embargo, las actividades de enseñanza dirigidas a extender el concepto de animal tuvieron éxito. A una clase paralela de alumnos se le enseñó la visión de animal que tiene un biólogo antes de la enseñanza en relación con los consumidores. Después de esta enseñanza focalizada todos los niños identificaron correctamente como animales y como consumidores a una serie de criaturas. Trowbridge y Mintzes informan también de un concepto restringido de <<animal>> en el pensamiento de estudiantes de colegio y de universidad. Al pedirles que nombraran cinco animales, la mayoría de los estudiante dieron ejemplos de grandes animales terrestres de cuatro patas. Estos investigadores recomiendan una estrategia de enseñanza que incluya contraejemplos para desarrollar habilidades de discriminación y generalización. Tema, basando su estudio en el trabajo de Bell, se planteó investigar las concepciones de <<animal>> que tenían alumnos africanos, rurales y urbanos. A pesar de sus diferentes antecedentes culturales la mayoría de los estudiantes mostraron algunas semejanzas con los alumnos de Bell. 133 Tabla 1.1 Respuestas positivas a la pregunta <<¿Es un animal>> Objeto 11 años Profesores de (N=49) Primaria en prácticas (N=34) (%) (%) Profesores de primaria experimentados Estudiantes universitarios de biología (N=53) (N=67) (%) (%) Vaca 98 100 100 100 Niño 57 94 96 100 Gusano 37 77 86 99 Araña 22 65 86 97 0 0 0 0 Césped Fig. 1.1. Respuestas positivas a la pregunta <<¿Es un animal?>> 134 El concepto de <<planta>> Clasificación Stead (Bell) estableció, a partir de entrevistas con veintinueve niños de entre 9 y 15 años, que daban a la palabra <<planta>> un significado mucho más restringido que el de un biólogo. Sólo cuatro niños utilizaron, para clasificar todos los ejemplos de plantas, criterios generalizados como <<crece en el suelo>>, <<tiene hojas>>, tiene raíces>>, <<es verde>>. Bell encontró en todos los grupos de edad, niños que consideraban que un árbol no es una planta, aunque decían <<era una planta cuando era pequeño>>. Más de la mitad no consideraban que una semilla fuera una planta. Parece que muchos alumnos consideran las malas hierbas, las verduras y las semillas no como subgrupos del grupo <<plantas>> sino como grupos comparables. Las ideas de muchos de los alumnos de 15 años eran tan restringidas como las de los de 10 años a pesar de la enseñanza de ciencias recibida (ver Figura 1.2). Leach et al. Informan de que la mayoría de los niños de 7 años puede asignar organismos a grupos de su propia elección, pero los grupos son de diferentes status y en lugar de jerárquicos son mutuamente excluyentes. Al asignar organismos, los niños pequeños podían usar sólo dos grupos al mismo tiempo, mientras que los de más edad usaban una serie de grupos a la vez. A los 13 años la mayoría de los niños, cuando se les preguntaba, podían usar el grupo <<animal>> para incluir grupos como <<pájaro>>, y a los 16 años la mayoría de los estudiantes utilizaba la clasificación jerárquica más espontáneamente. Leach et al. Confirma que los alumnos escogen <<planta>>, <<árbol>> y <<flor>> como grupos excluyentes. Sin embargo, cuando se les daba un número restringido de categorías en una tarea de clasificación, sus alumnos querían asignar árboles y flores a la categoría <<planta>>. Fig. 1.2. Respuestas positivas a la pregunta <<¿Es una planta?>> Ryman encontró que niños ingleses de 12 años tenían dificultades para clasificar organismos en categorías taxonómicas, más en el caso de plantas que en el de animales. Parecía que los alumnos aprendían una forma de clasificar para la <<ciencia escolar>> mientras retenían sus ideas intuitivas sobre conceptos como <<flor>> y <<animal>> para su uso en la vida cotidiana. Entre los estudiantes analizados por Schofield et al. se encontró que menos de la mitad de los niños de 13 años utilizaban las categorías <<planta con flores>> y <<vertebrado>> en sentido científico. Aún menos podían aplicar correctamente el término <<reptil>>, 18 por 100 en la muestra de unos 800 niños. Askham informa de que niños californianos de 9 a 12 años utilizaban estrategias mixtas para clasificar plantas de exterior en un jardín botánico. En lugar de en la planta entera, se centraban en rasgos particulares de las plantas como forma de las hojas, las flores o el color. Leach et al. Señalan también que, cuando clasifican seres vivos, niños de todas las edades se centran en los rasgos más obvios como el número de ramas o el hábitat, en lugar de fijarse en diferencias más fundamentales como la fisiología. Trowbridge y Mintzes informan de resultados similares a los de Ryman. Utilizaron grupos como <<insectos>> para animales cuyo nombre de grupo era desconocido. Muchos estudiantes se basaban en el uso cotidiano de los nombres de clase, en lugar de en los taxonómicos, como clasificar medusa y estrella de mar* como peces, y tortugas con * N. De la T.: En inglés las palabras para medusa (jellyfisch) y estrella de mar (starfish) incluyen el término pez (fish). Un ejemplo similar en castellano sería clasificar como gusanos a los gusanos de seda que en realidad son insectos. 135 hábitos anfibios como anfibios. La clasificación <<anfibia>> de las tortugas y también de los pingüinos la encontró Braund en muchos de los niños que estudió. ellas. Sin embargo, más de un tercio de las respuestas revelaban ideas alternativas <<inadecuadas>> sobre las células. Adaptación El concepto de <<especie>> Leach et al. informan de que alumnos de 5 a 16 años reconocían que rottweilers, caniche y perros lobo se situarían en un grupo llamado <<perros>> pero mostraban que su comprensión de en qué se basa ese agrupamiento era escasa. A los 16 años unos pocos alumnos se referían a la genética, pero mostraban poco conocimiento de la base genética del concepto <<especie>>. Teoría celular Arnold ha mostrado que los alumnos parecen sufrir interferencias entre los conceptos de <<célula>> y <<molécula>>. Se pidió a alumnos escoceses de 11 años que dibujaran su visión de las moléculas. La mayoría de los dibujos se parecían a células, en las que eran discernibles rasgos como núcleo y membranas. Los niños parecían tener un concepto generalizado de <<unidades muy pequeñas que forman cosas mayores>> al que Arnold ha llamado <<molecélula>>. Se pidió a alumnos de 14-15 años que indicaran si ciertos ítems estaban formados por células y/o moléculas. Tanto los organismos vivos en si mismos, como las cosas relacionadas con los organismos vivos eran consideradas, por una amplia minoría de alumnos, como formados por células. Parecía que los ítems estudiados en las clases de biología, incluidas las proteínas, los hidratos de carbono y el agua se consideraban hechos de célula. Al mismo tiempo, una abrumadora mayoría de los alumnos indicaba que los organismos vivos no están hechos de moléculas, pero que la energía y el calor sí. Parece que los alumnos reducían el concepto <<moléculas>> a las cosas que encuentran en la física y la química. Dreyfus y Jungwirth informan de una confusión similar sobre los órdenes de magnitud y los niveles de organización entre los estudiantes israelíes de 16 años. Las respuestas sugerían que los alumnos pensaban que las moléculas de proteína son mayores que el tamaño de una célula y que los organismos unicelulares contienen intestinos y pulmones. Los alumnos habían recibido clases sobre las células en el curso anterior y <<sabían>> superficialmente una serie de afirmaciones correctas respecto a 136 Los alumnos tienden a considerar la adaptación en un sentido naturalista o teleológico: emprendía para satisfacer la necesidad o deseo del organismo de cumplir con algún futuro requerimiento. En el estudio de Engel Clough yy Wood-Robinson dos tercios de los sujetos de 12 a 14 años y la mitad de los de 16 daban interpretaciones teleológicas para ejemplos de adaptación y sólo el 10 por 100 del total de la muestra daba explicaciones científicamente aceptables. Los estudiantes confundían una adaptación de un individuo durante su vida con cambios heredados en una población a lo largo del tiempo: parecían creer en la herencia de los caracteres adquiridos. Esta creencia lamarckiana está clara según la mayoría de los trabajos con estudiantes, tanto antes como después de la enseñanza de genética y evolución. Brumby encontró que sólo el 18 por 100 de los estudiantes, incluso después de estudiar el nivel <<A>> de biología*, sabía aplicar correctamente un proceso de selección para explicar el cambio evolutivo. La mayoría daban la interpretación lamarckiana de que los individuos se pueden adaptar al cambio en el entorno si lo necesitan, y que estas adaptaciones se heredan. Organización del cuerpo: estructura y función Carey ha revisado una serie de estudios sobre los conceptos de organización del cuerpo que tienen los niños. A los diez años, pero no a los 7 o a los 8, los niños parecen entender que el cuerpo contiene numerosos órganos que funcionan juntos para mantener la vida. Carvita et al. Y Caravita y Tonucci encontraron que los niños pequeños daban explicaciones egocéntricas de las partes del cuerpo, como en <<mi pelo es para lavarlo>>, pero al final de la escuela primaria explicaban las funciones de los órganos o aparatos en términos de relaciones causales. Estos autores confirman la aseveración de Carey de que * Nota de la T.: El nivel <<A>> es un examen oficial que realizan los alumnos a los 18 años y tras el cuál entrarían en la Universidad. El nivel <<O>> es un examen oficial que se realiza a los 16 años. entre los 7 y los 9 años se produce un cambio en las ideas de los niños, pasando de una visión holística, centrada en el ser huamano a una visión que reconoce diferentes partes funcionales que trabajan juntas. NUTRICIÓN Los alimentos ¿qué son? Cualquier discusión respecto a <<alimentos>> viene cargada con el problema semántico de que la palabra <<alimentos>> tiene significados diferentes en la vida cotidiana y en contextos científicos y no hay palabras alternativas fáciles que ofrecer a los alumnos en ninguno de los contextos. La definición de la ciencia escolar para alimentos, como compuestos orgánicos que los organismos pueden utilizar como una fuente de energía para procesos metabólicos, no la usan de forma sistemática ni siquiera los educadores de ciencias. Además, cuando se usa en las clases de ciencias, la palabra <<alimentos>> se utiliza en diversidad de sentidos tanto por los profesores como por los libros de texto. Los niños parecen considerar alimentos cualquier cosa útil que se introduce en el cuerpo de un organismo, incluidos el agua, los minerales y, en el caso de las plantas, el dióxido de carbono e incluso la luz solar. Al referirse al almidón en el contexto de la nutrición de las plantas, un comentario típico de un niño fue <<el almidón no es alimento porque se ha fabricado no se ha comido>>. Cuando Eisen y Stavy preguntaron a estudiantes avanzados de secundaria y a universitarios <<¿Qué significa para ti alimentos?>> las respuestas incluían: • Materiales esenciales: 24 por 100 • Fuente de energía: 40 por 100 • Materiales para construir el cuerpo: 14 por 100 • Energía y materiales de construcción: 11 por 100 Los niños a menudo dan una explicación no funcional de la importancia de los alimentos: dicen que se necesitan para mantener vivos a los animales y a las plantas, sin referirse al papel de los alimentos en el metabolismo. Los alumnos de secundaria, de 13-14 años, <<no captan, o ignoran, el... significado de la palabra ‘alimento’ como un material que sirve como sustrato para la respiración>>. Eisen y Stavy encontraron menos respuestas correctas a los 14 años que a los 13. Después de aprender ideas científicas, los alumnos parecen volver a sus conceptos ingenuos y esto era especialmente evidente entre los estudiantes avanzados que habían continuado con la biología. En Nueva Zelanda, Barker investigó los conceptos de alimento de los estudiantes, primero entrevistado a veintiocho alumnos (entre 8 y 17 años) y luego estudiando a una muestra más amplia de escolares, estudiantes, profesores y textos. Llegó a la conclusión de que el concepto de alimento de cualquier alumno es flexible y dependiente del contexto, dependiendo de quién es el que se considera que come, si los materiales se consideran de forma aislada o combinados, o si el alimento se considera de forma metafórica. Componentes dietéticos Desde una edad temprana los niños relacionan el comer con diversas consecuencias: crecimiento, salud, fuerza y energía; pero para los alumnos estos son conceptos vagos. Carey cita estudios, de Wellman y Jonson y de Contento, sobre las ideas de los niños respecto a la nutrición. Los niños de preescolar pensaban que el consumo de cualquier cosa, incluida el agua, llevaría al cuerpo a ganar peso y que las diferencias de altura lo mismo que las diferencias de volumen eran una consecuencia directa de la cantidad consumida. Estos niños pensaban que algunas dietas son más sanas que otras para garantizar la salud y el crecimiento. A partir de los 8 años la mayoría de los niños diferenciaba distintas clases de dietas que engordan o fortalecen a la gente. Los niños de 5 años sabían que las frutas y la leche son buenas para ellos pero no sabían por qué. Conocían las vitaminas como <<pastillas para poner fuerte y sana a la gente>> pero de treinta y cuatro niños de entre 5 y 11 años sólo tres se daban cuenta de que los alimentos normales contienen vitaminas. Lucas en su estudio de 1.033 adultos, encontró que conocían los nombres de los componentes dietéticos pero no sus funciones: el 37 por 100 pensaba que las proteínas cubren la mayor parte de las necesidades energéticas del cuerpo humano y el 19 por 100 pensaba que son las vitaminas. Las proteínas son las que más frecuentemente se identifican con los alimentos: la mayor parte de una muestra de 1.405 estudiantes de entre 10 y 19 años seleccionó las proteínas como el producto de la fotosíntesis, 137 relacionando probablemente estas sustancias con los alimentos y el crecimiento. Se asociaban con el crecimiento los alimentos en lugar de la energía. Algunos alumnos se referían a que las plantas obtenían vitaminas del suelo. Siguiendo la sugerencia de Arnold respecto a la <<interferencia>> entre los conceptos de célula y molécula, Simpson estudió las ideas que tenían sobre los alimentos 249 estudiantes de biología de seis escuelas que tenían 14-15 años, todos habían recibido clases sobre alimentos y digestión. Se les pidió que identificaran entre los ítems de una lista si estaban <<hechos de átomos y moléculas>> y/o <<hechos de células>>. Tres cuartas partes de los alumnos aceptaron que los hidratos de carbono y las proteínas están hechos de moléculas pero una amplia minoría pensaba que también están hechos de células. Sólo la mitad de los estudiantes pensaba que también están hechos de células. Sólo la mitad de los estudiantes que estudiaban también química, y únicamente un tercio de los que no la estudiaban, pensaba que una galleta está hecha de moléculas y casi una quinta parte pensaba que está hecha de células. Los alumnos parecían considerar que lo que se asocia con seres vivos está formado por células pero no por moléculas, mientras que lo que se estudia en física y química (incluida la energía) está hecho de moléculas y no de células. Las proteínas y los hidratos de carbono se colocaban en las dos categorías. Los alumnos parecen tener dificultades para desarrollar los conceptos de <<hidrato de carbono>> y <<almidón>>. Arnold y Simpson encontraron en Pascoe que muchos alumnos (54 por 100 de los de 11 años, 30 por 100 de los de 13) piensan que hidrato de carbono es un gas. Asimilación y digestión humanas La revisión de una serie de estudios por parte de Carey proporciona una visión de las ideas de los niños pequeños respecto al sistema digestivo humano. Fraiberg encontró que hasta los nueve años aproximadamente el niño imagina su cuerpo como un bolso de piel hueco que es todo <<estómago>>; un depósito en el que de alguna forma están contenidos la sangre, los alimentos y los desechos. Mintzes encontró que cuando dibujaban el estómago como un órgano interno generalmente lo mostraban más grande y más debajo de cómo realmente es. 138 Dibujaban los intestinos, pero raramente mostraban el hígado. Muchos niños en el estudio de Brinkman y Boschhuizen dibujaron o describieron el sistema digestivo como doble con dos salidas, una para las heces y otra para la orina. Los niños más pequeños parecían relacionar el estómago con la respiración, la sangre, la fuerza y la energía, mientras que hacia los 7 años surge la idea de que el estómago ayuda a romper o digerir los alimentos, y más tarde la de que los alimentos se transfieren a algún otro sitio después de estar en el estómago. Gellert encontró que a los 11 años la mayoría de los niños tenía una visión bastante correcta de la anatomía y la función general de los sistemas. Los niños de los últimos años de primaria decían que los trozos de alimento se rompen, que los jugos o el ácido disuelven los alimentos y que de alguna forma se extrae <<la sustancia>>. Los niños de menos de 9 años pensaban que los alimentos desaparecen una vez que uno se los come. Los de más edad sugerían que los alimentos se convierten en <<sustancia>> o <<energía>>, sin conservar aparentemente la energía en este contexto. Sólo tres entre treinta y cuatro sujetos, de 8 a 11 años, sabían que los alimentos cambian en el estómago y que producen sus efectos después de haberse transformado en otras sustancias que son llevada a los tejidos de todo el cuerpo. Una idea muy común, encontrada por Simpson,, es que la digestión es el proceso que libera la energía útil de los alimentos. Parece surgir cuando unen dos ideas aceptables (<<la energía se obtiene del alimento>> y <<la digestión es la transformación del alimento>>) para construir una idea no ortodoxa. Las ideas de los niños respecto a la secuencia de la digestión parecen ser muy confusas, tanto en la ruta anatómica como en los procesos. La secuencia de procesos puede empezar, como mostraba Simpson, con la ruptura en partículas solubles y la liberación de energía, que es seguida por la deglución. Claramente estas ideas no son nociones intuitivas ingenuas sino construcciones derivadas de la información: los alumnos han encontrado muchas palabras desconocidas o palabras conocidas con nuevos significados. Simpson encontró que el 58 por 100 de los niños de 13 años pensaba que los enzimas están hechos de células. Los niños de los cursos superiores de primaria parecen pensar que la defecación es necesaria para dejar sitio a más alimentos. A los 13 años la mayoría de los niños decía que una parte de nuestros alimentos es inútil o dañina y por eso debe ser eliminada. Nutrición de las plantas. Durante los años 80 se realizó una gran cantidad de investigaciones sobre las ideas de los niños respecto a la alimentación de las plantas y se señalaron en ellas patrones consistentes en varios países diferentes. Diversos proyectos de investigación ha desarrollado esquemas de enseñanza (por ejemplo, los que realizaron el Aberdeen College of Education, el Grupo de Investigación sobre el Aprendizaje de la Ciencia por los niños (Children’s Learning in Science Research Group) en la Universidad de Leeds, la Unidad de Investigación sobre Enseñanza de la Ciencia (Science Education Research Unit) en la Universidad de Waikato, Nueva Zelanda, y el Instituto para la Investigación sobre enseñanza (Institue for Research on Teaching) en la Michigan State University, EE.UU.). Muchos investigadores señalan las demandas conceptuales en el tema de la nutrición de las plantas. Arnold y Simpson resumen las demandas planteadas por el abstracto y complejo concepto de fotosíntesis señalando que los alumnos tienen que entender que: Un elemento, el carbono (que es sólido en su forma pura), está presente en el dióxido de carbono (que es un gas incoloro del aire) y que este gas es convertido por una planta verde en azúcar (un sólido, pero disuelto) cuando se le añade hidrógeno (un gas) del agua (un líquido9 utilizando la energía luminosa que se convierte por tanto en energía química. Sugieren que muchos alumnos no poseen los conceptos previos respecto a seres vivos, gas, alimentos y energía que se requieren para alcanzar una comprensión de la fotosíntesis. Barker y Carr comentan <<lo improbable y contrario a la intuición que es el concepto de fotosíntesis>>. La secuencia de hechos tiene los <<elementos de un cuento de hadas. Cuánto más creíble es la probabilidad de que las plantas chupen los alimentos del suelo>> Bell revisó el trabajo de Simpson y Arnold, Roth Smith y Anderson y Driver et al. así como su propio trabajo en el Proyecto para el Aprendizaje de la Ciencia por los Niños (Children’s Learning in Science Project). La concepción intuitiva general y muy persistente, identificada en todos los estudios con sujetos de todas las edades, es que las plantas obtienen su alimento de su entorno, específicamente del suelo; y que las raíces son los órganos de la alimentación (como se muestra en la Figura 2.1). La mitad de la muestra de Arnold y Simpson, 344 niños escoceses de 12-13 años, y un tercio de los 627 de 14 a 16 años, así como más del 70 por 100 de los 229 niños norteamericanos de 11 años de Roth sostenían la opinión de que las plantas se alimentan de una manera similar a la de los animales. Analizando cientos de respuestas de estudiantes de 15 años a las preguntas planteadas en las pruebas de la Unidad de Evaluación del Rendimiento (Assesment of Performance Unit), Driver et al. y Bell y Brook encontraron que una quinta parte de las respuestas atribuían el crecimiento de un árbol a los alimentos que había incorporado, refiriéndose la mayoría al suelo. Sólo un 8 por 100 indicaba que un árbol fabrica sus propios materiales a partir de constituyentes que incorpora de su entorno. En otros estudios muchos niños afirmaban que las plantas incorporan sustancias alimenticias orgánicas del suelo (almidón y azúcar o proteínas). Parecen creer que las plantas tienen múltiples fuentes de alimento. El estudio de Barker muestra que la visión ingenua da paso, con la enseñanza, a la visión científica escolar. Los niños parecen sostener la opinión heterotrófica junto con las ideas que se les enseñan sobre fotosíntesis. La visión de que los alimentos de las plantas son el material que absorben es resistente al cambio incluso frente a la enseñanza prolongada. Los niños, al entender que las plantas absorben agua del suelo y que el agua es esencial para crecer, parecen asumir que es el principal componente del material de crecimiento. Al haber aprendido que las plantas incorporan dióxido de carbono, agua y minerales los alumnos tienden a considerar a éstos como los alimentos de las plantas y cuando se asocia alimentos con energía suponen que estas sustancias inorgánicas contienen y aportan energía. La mitad de los niños de 12-13 años, de una muestra de 344, que sabían que las plantas absorben dióxido de carbono, pensaba que se absorbe a través de las raíces. Algunos alumnos pensaban que el agua se absorbe a través de las hojas. Muchos niños creían que el agua y el dióxido de carbono mantienen los procesos de bebida y respiración de la planta, respectivamente, y 139 que permanecen sin cambios durante estos procesos. En el estudio de Tamir, algunos niños pensaban que la luz del sol que absorben las plantas es alimento. Los alumnos sabían que Fig. 2.1. Póster de Fuente:B.F. Bell y A. Brook, Aspects of secondary students’understanding of plant nutrition, Children’s in Science Project, Centre for Studies in Science and Mathematic Education, University of Leeds, 1984. N. de la T.: En la figura el alumno explica <<Cómo obtienen su alimento las plantas>>: los alimentos llegan al suelo, suben por las raíces, de allí pasan a los vasos del tallo y de éstos a los vasos más finos de las hojas. Fotosíntesis Hay pruebas de que los niños construyen significados alternativos para las palabras técnicas como <<fotosíntesis>> y <<clorofila>> cuando estas palabras se presentan en la enseñanza. Parecen pensar en la fotosíntesis como una sustancia más que un proceso, o como el tipo de respiración de las plantas. Los alumnos parecen tener una escasa comprensión de las transferencias de energía en el metabolismo de las plantas. Pensaban que los alimentos adquiridos por una planta se acumulan a medida que ésta crece. Había una escasa comprensión de que los alimentos aportan energía para los procesos vitales de la planta y Bell encontró que muchos alumnos no desarrollan las ideas que se pretenden a partir de su trabajo práctico en este campo. 140 las plantas incorporan minerales del suelo y pensaban que son alimentos para la planta o que contribuyen directamente a la fotosíntesis. Se sugería que la referencia cotidiana a los abono como <<alimento para plantas>> puede promover esta idea. un alumno de 13 años. Barker estudió la aceptación de la afirmación, propuesta en muchos libros de texto escolar, según la cual <<durante la fotosíntesis, la energía se almacena en los alimentos>>. Encontró que el 60 por 100 de los sujetos de 13 años estaba de acuerdo con la afirmación, pero que de ellos menos de la mitad daba una razón considerada como válida científicamente y muchas razones sugerían un aprendizaje memorístico de la frase. En el estudio de Barker, en una pregunta de respuesta libre, el 54 por 100 de los sujetos de 13 años describía la fotosíntesis en términos de fabricación de alimentos, el 19 por 100 en términos de producción de hidratos de carbono y sólo el 3 por 100 en términos de almacenamiento de energía. Roth y Anderson encontraron que la fotosíntesis se consideraba, a menudo, no como algo importante para las plantas en sí mismas sino como algo que las plantas hacen en beneficio de las personas y de los animales, especialmente en relación con el intercambio de gases. Parece existir una incredulidad intuitiva respecto a que se produzca un aumento de peso y un crecimiento debido en su mayor parte a la incorporación de materia a partir de un gas. Incluso estudiantes de 15 años dejaban de mencionar el dióxido de carbono como fuente del aumento de peso en los plantones en crecimiento, aunque muchos sabían que se absorbe dióxido de carbono. Los niños parecen considerar la clorofila como una sustancia alimenticia, una protección, un producto de depósito, una sustancia vital como la sangre, algo que hace fuertes a las plantas o algo que descompone el almidón. Algunos niños, con una idea sobre su función en la fotosíntesis, pensaban que la clorofila atrae la luz del sol o absorbe dióxido de carbono. Algunos tenían la opinión antropocéntrica de que está ahí simplemente para hacer que las hojas sean verdes y atractivas. Los estudiantes raramente apreciaban el papel de la clorofila en la absorción de la energía luminosa, incluso después de la enseñanza. En el estudio de Simpson y Arnold, sólo el 29 por 100 de los alumnos de 12-13 años y el 46 por 100 de los de 14-16 entendían la clorofila como un convesor de energía luminosa en energía química. Muchos niños consideraban que la luz del sol es un reactivo en la fotosíntesis, junto con el dióxido de carbono y el agua, y mucho más de la mitad de la muestra de Simpson consideraba que la luz está formada por moléculas. La mayoría de los niños de 11 años parecen pensar que las plantas siempre necesitan luz para crecer y aplican esta idea incluyendo la germinación. Esta idea persiste incluso a la vista de pruebas en contra, con semillas germinando y plantas que se mantienen en la oscuridad. Barker encontró que 26 de los 28 alumnos de su muestra decían que las plantas obtienen su energía del sol cuando se les mostraba una imagen que contenía un árbol y el sol. Sin embargo, las entrevistas mostraban que la mayoría no entendía la transferencia de energía y la mayoría utilizaba los términos calor y luz de forma intercambiable. Casi el80 por 100 de los que tenían 13 años pensaba que las plantas utilizan el calor del sol como la energía para la fotosíntesis, y la mayoría de los alumnos consideraba que el sol es una de las muchas fuentes de energía de las plantas, otras serían el suelo, los minerales, el agua, el aire y el viento. Barker desarrolló posteriormente una introducción a la fotosíntesis, que ponía el énfasis en el origen del azúcar, el almidón y la celulosa, y se centraba en la madera. ocurre al dióxido de carbono. Sin embargo, con frecuencia el oxígeno se considera equivalente al aire. Entrevistas con niños de 11 años revelaron que pensaban o que las plantas no utilizan el aire o que las plantas y los animales usan el aire de formas <<opuestas>>. Los ejemplos de gases que entran o salen en los organismos eran considerados como respiración (breathing) o respiración celular (respiration) tomando ambos como sinónimos**. Barker, al entrevistar a niños a partir de 9 años, confirmó que sostenían el modelo de <<respiración de las plantas-respiración de los animales>>: que los animales toman oxígeno y expulsan dióxido de carbono, mientras que las plantas toman dióxido de carbono y expulsan oxígeno. Veían con frecuencia la respiración de las plantas de forma antropocéntrica: pensaban que se produce para que nuestra reserva de oxígeno se reponga. Barker identificó, en las ideas sobre el intercambio de gases en las plantas, tendencias relacionadas con la edad: a especificar correctamente los gases, a centrarse en las hojas en lugar de en la planta completa y a alejarse de una visión centrada en lo humano. A partir de sus análisis de las respuestas de una amplia muestra de sujetos de 15 años, Driver et al. encontraron que sólo un tercio entendía el intercambio de gases en las plantas, que sólo la mitad utilizaba la idea de que se requiere oxígeno para la respiración de las plantas y que menos de un tercio usaba la idea de que las plantas verdes absorben dióxido de carbono. Incluso, eran menos los que apreciaban que esto sólo ocurre con luz (Una idea que queda clara a partir de varios estudios es que las plantas no respiran, o que respiran sólo en la oscuridad). Muchos niños sugerían que la respiración de las plantas se produce sólo en las células de las hojas, puesto que sólo las hojas tienen poros para el intercambio de gases. Simpson y Arnold diseñaron un test para estudiantes de 16 años con el fin de estudiar la interferencia entre los conceptos de fotosíntesis y respiración. Buscando concepciones relacionadas con el intercambio de gases, encontraron que el 46 por 100 de los estudiantes no entendía que el aumento de la fotosíntesis reduciría el dióxido de carbono Intercambio de gases en las plantas La relación entre fotosíntesis y respiración es difícil de entender para los niños. Los niños muestran una comprensión mucho mejor de lo quel e ocurre al oxígeno que de lo que le ** N. De la T.: En inglés la palabra respiration puede utilizarse tanto en el sentido habitual equivalente a respiración en castellano, como en sentido científico con el significado bioquímico. 141 en un sistema cerrado. Se señalaron las siguientes concepciones erróneas: • • • Las plantas acuáticas absorben dióxido de carbono por la noche (25 por 100) Las hojas que hacen la fotosíntesis producen altos niveles de dióxido de carbono (25 por 100) Las plantas de un estanque, con luz, producen burbujas de dióxido de carbono (18 por 100) Los niños tienden a creer que los seres vivos consumen energía y que las plantas consumen energía para crecer. Sus ideas sobre la energía en los seres vivos incluyen la noción de que las plantas hacen uso directo de la energía solar para procesos vitales y de que la energía se crea o se destruye en distintos procesos de la vida. Cadenas tróficas y ciclos ecológicos En el pensamiento de muchos estudiantes no está clara la integración de ideas sobre alimentación y energía dentro de una perspectiva ecológica. Cuando se les preguntaba sobre las frases <<la vida depende de las plantas verdes>> y <<la red de la vida>> sólo la mitad de una muestra de estudiantes de licenciatura de biología, daba explicaciones en términos de cadenas tróficas. De ellos, sólo una minoría mencionaba el aprovechamiento de la energía solar o la fotosíntesis como la razón por la que las plantas verdes son cruciales en la cadena trófica. Incluso en el nivel de enseñanza superior, casi una cuarta parte de los estudiantes expresaban opiniones que sugerían que los otros organismos existen para beneficio de los seres humanos. Un estudio posterior con estudiantes desde 13 años hasta el nivel de licenciatura, revelaba que la mayoría de los estudiantes sabía que los animales no podrían existir en un mundo sin plantas, pero algunos pensaban que los carnívoros podrían existir si sus presas se reprodujeran abundantemente. Alrededor de la mitad de los estudiantes de cada nivel de edad indicaba que los animales no podrían vivir sin plantas debido a su necesidad de oxígeno, pero sólo el 10 por 100 mencionaba el ciclo del oxígeno en relación con la parte que corresponde al sol en el origen de la vida. Un estudio con alumnos nigerianos revelaba una variedad de ideas sobre las pirámides de número y la biomasa. Varias ideas eran antropocéntricas, <<hay más herbívoros que carnívoros porque la gente los cría>>, o implicaban predestinación, <<el número de 142 productores es grande para satisfacer a los consumidores>>. Consideraban que los organismos <<más fuertes>> tienen más energía, que usan para alimentarse de los organismos más débiles con menos energía. Algunos alumnos consideraban que la energía se sumaba a lo largo de un ecosistema, de forma que un predador de la parte superior tendría toda la energía de los productores y los otros consumidores de la cadena. Un estudio sobre la conceptualización de los ciclos a los 12-13 años reveló que en lugar de reconocer ciclos de materia o interdependencia con otros organismos y sistemas pensaban en términos lineales respecto a las cadenas tróficas. En una muestra de alumnos de 15 años el 95 por 100 interpretó la dinámica de la red trófica en términos de una sola cadena trófica, y el 18 por 100 de esta muestra pensaba que una población que está por encima en una cadena trófica es un predador para todos los organismos que están por debajo de ella. Los alumnos tienden a considerar que los alimentos que se comen y se usan como fuente de energía pertenecen a una cadena trófica, mientras que los alimentos que se incorporan al material del cuerpo de quien come se consideran a menudo como algo diferente y no se reconocen como el material que constituye el alimento del nivel siguiente. La falta del concepto de conservación de la materia subyace en muchos de los problemas conceptuales en esta área. Leach et al. identificó las ideas de los estudiantes sobre las cadenas tróficas y las redes tróficas. Uso de las ideas históricas Muchos conceptos sostenidos por los niños se parecen a los sostenidos en el pasado por eminente científicos. Por ejemplo, los alumnos tienen ideas previas sobre los materiales y las actividades de las plantas similares a las que sostenían los primitivos filósofos y científicos. La estrategia de enseñanza de Barker para aclarar los reactivos y los productos antes de introducir la energía, <<¿De dónde viene la madera?>> es análoga al desarrollo histórico. El paralelismo histórico se usa de forma todavía más explícita en el esquema de enseñanza de Eisen, Stavy y Barak-Regev y Wandersee sugiere que tests diagnósticos, que reflejen las ideas históricas, pueden ayudar a los estudiantes a descubrir sus propias debilidades conceptuales como punto de partida para reestructurarlas. LAS DIFICULTADES PLANTEADAS POR LA ESCUELA: IDEAS ERRÓNEAS EN LAS CIENCIAS Para alguno de los lectores de este libro, la noción misma de que la escuela plantea dificultades para los niños puede parecerles extraña. Después de todo, puede que tales lectores hayan pasado por la escuela con pocos problemas y, si son afortunados, sus hijos u otros jóvenes de su círculo de amistades puede que también hayan experimentado poca dificultad patente en la escuela. Ciertamente, echarán de vez en cuando un vistazo a los pobres resultados de los exámenes o al número de personas que dejan los estudios, pero seguramente piensan que estos problemas están relacionados con las condiciones extrínsecas a las escuelas (o a La Escuela). Si pudiéramos hacer retroceder simplemente el reloj hasta los primeros días, evitando la tentación del <<la letra con sangre entra>>, todo iría bien hoy en las escuelas norteamericanas y del mundo. Según la opinión que mantengo y que es precisamente la opuesta, buena parte de lo que hemos descubierto acerca de los principios del aprendizaje y del desarrollo humano entra profundamente en conflicto con las prácticas habituales de las escuelas, tal como se han desarrollado por todo el mundo. Hasta fecha reciente, estos conflictos y contradicciones se han ocultado a la vista en su mayor parte, por distintas razones. Las escuelas no sólo se han interesado por una pequeña (y privilegiada) minoría de la población, sino que los materiales que tenían que dominarse en la escuela han permanecido relativamente inmutables, y las realizaciones que se consideraban pruebas de éxito han gozado de un limitado alcance. Tan sólo hace un siglo, más del 10% de los alumnos norteamericanos ingresaban en la enseñanza media, y la mayoría de las escuelas del mundo estaban satisfechas si, al final de cinco u ocho años, los alumnos podían leer, escribir y contar con un modesto grado de competencia. Dado que los estudiantes habían estado trabajando sobre estas habilidades de alfabetización durante más de ocho años, no era absurdo esperar que incluso tales habilidades se hubieran incorporado razonablemente bien en los alumnos que iban más flojos. Sólo un puñado de alumnos – presumiblemente los más talentosos o los más privilegiados- continuarían su escolarización y quizás a la larga se incorporarían a las filas de la enseñanza o de otras profesiones. Una vez que la clientela de las escuelas se universalizó, y una vez que el alcance de la escolarización se extendió más allá del enseñar a leer y escribir, abarcando un abanico de disciplinas, la carga que recayó sobre la escuela se hizo mucho más pesada. Había que formar un amplio número de alumnos en un cuerpo de materias muy grande. Con el cambio de siglo, la escolarización general se hizo obligatoria en los Estados Unidos; en el momento de la terminación de la enseñanza media – secondary school- se contaba con que los alumnos dominaran como mínimo diez disciplinas que iban desde el latín a los idiomas modernos, y desde las matemáticas a la historia. El poderoso Committee of Ten on Secondary School Studies, un grupo de líderes educativos que recomendaba una política para las escuelas nacionales, no tenía pelos en la lengua: Cada tema que se enseña en una escuela de enseñanza media debiera impartirse del mismo modo y en el mismo grado a cada alumno con tal que lo siga, sin que importe cuál pueda ser el destino probable del alumno o en qué momento cesará su educación. Aunque pocos tendrían alguna razón para reconocerlo, era particularmente inevitable una trayectoria de colisión. Por un lado, las exigencias recaían crecientemente en la escuela de una forma prácticamente exponencial. Por otro, las formas en que los alumnos aprendían y las clases de concepciones y de habilidades que traían a la escuela eran, en su mayor parte, invisibles para los pedagogos, y más desconocidas incluso para quienes establecían la política educativa. Sólo la suposición más optimista de la existencia de una armonía preestablecida entre la mente del estudiante y el currículo de la escuela justificaría la predicción de que las escuelas, tal como estaban constituidas, podían lograr llevar a cabo con éxito su misión ambiciosa y siempre en expansión. Al revisar los argumentos presentados en las primeras páginas, espero proporcionar cierta perspectiva sobre la controvertida misión de la escuela. Así pues, a la luz de estas consideraciones generales, en este capítulo y en el siguiente empezaré a estudiar los datos recientemente recogidos que proceden de un abanico de disciplinas y áreas de contenido que proporcionan documentación adicional a las múltiples dificultades inherentes a la consecución de una educación efectiva. Mis recomendaciones acerca del mejor modo de tratar estas dificultades se presentarán en los capítulos 11 y 12. 143 En primer lugar, sin embargo, es importante subrayar un punto. No se puede empezar a evaluar la eficacia de las escuelas a menos que se clarifiquen las ambiciones que se tienen con respecto a la escuela. En lo que viene a continuación, destaco un único criterio para la educación efectiva –una educación que coseche una importante comprensión en los estudiantes-. Mientras las pruebas de respuestas breves y las respuestas orales en clase pueden dar pistas de la comprensión del alumno, es preciso mirar en general más en profundidad si se desean encontrar pruebas firmes de que se han obtenido comprensiones significativas. A tal efecto, los nuevos y poco familiares problemas, seguidos de entrevistas o cuidadosas observaciones clínicas no limitadas de antemano, proporcionan el mejor modo para establecer el grado de comprensión que los alumnos han alcanzado. Variedades de comprensión De acuerdo con el análisis presentado en la parte I, de todos los niños pequeños normales que crecen en un entorno razonable cabe esperar que lleguen a dos modos de conocimiento representativo: 1. Un modo sensoriomotor de conocer, que data de la primera infancia, en el que se llega a conocer el mundo principalmente a través de la actividad de los órganos sensoriales y de las acciones sobre el mundo. El retrato que Piaget ofrece del niño pequeño competente, con sus comprensiones incipientes de la materia y de las demás personas, da cuenta, de un modo razonablemente modular, del niño pequeño. 2. Una forma simbólica de conocimiento, que se remonta a la primera infancia, en la que se llega a conocer el mundo a través del uso de diversos sistemas de símbolos, principalmente aquellos que han evolucionado durante milenios en la cultura en la que casualmente el niño vive. Nuestro retrato del usuario competente de símbolos es un intento de captar la mente de este niño un poco mayor, que todavía no ha ingresado en el sistema escolar formal. A través de una combinación de estas formas de conocer, y en virtud de las diversas propensiones y limitaciones bajo las que opera el conocimiento humano, los niños a la edad de cinco o seis años han desarrollado un conjunto de teorías bastante vigoroso y útil: acerca de la mente, de la materia, de la vida y 144 de ellos mismos. Además, han dominado una serie de realizaciones y han adquirido una serie de guiones que constituyen una parte prominente de su repertorio cognitivo. Finalmente, en el momento de su ingreso en la escolarización formal, los niños han desarrollado también fuerzas y estilos intelectuales más específicos, que son parte esencial de los modos en los que interactuarán con el mundo fuera de casa. Estas modalidades de conocer puede que no sena consistentes unas con otras, pero las contradicciones latentes pocas veces demuestran ser problemáticas fuera del marco de la escuela. En general, los niños simplemente hacen uso de estas capacidades y comprensiones en los contextos en los que se han observado, así como también en los marcos diarios en los que parecen ser apropiadas. Si los niños permanecen en un entorno no escolarizado, sus habilidades y aprendizaje seguirán creciendo a un ritmo moderado. Se producirá cierta intensificación como consecuencia se sus observaciones en su entorno de individuos más competentes en acción; otros incrementos de la competencia estarán relacionados con su inclusión en el aprendizaje de un oficio o alguna otra variante de educación informal. Anteriormente conceptualicé la comprensión en lo referente al modo en que un experto trata las materias, problemas y desafíos que se plantean dentro de su campo. Ahora atengo que subrayar que, bajo las circunstancias acabadas de describir, la cuestión de la comprensión resulta ser problemática sólo en contadas ocasiones. Con tal que las realizaciones se adquieran en contextos en los que éstas se acostumbran a emplear, las comprensiones surgirán de un modo natural. Las razones para llevar a cabo acciones o para ofrecer explicaciones son patentes e incontrovertidas, y quienes las aprenden las adquieren por rutina. Los modos de adquisición de habilidades son simplemente una amalgama de conocimiento sensoriomotor y simbólico; el individuo competente aprende fácilmente el modo de ir y venir entre estas modalidades de conocimiento y a integrarlas para realizar la labor que tiene entre manos. Lo que se dice de la costura, del patinaje o del canto cuadra con el modo en que se cose, patina o canta, del mismo modo que los gestos o las representaciones dan un apoyo añadido a la maestría de estas habilidades. Claro que puede haber disyunciones entre el conocimiento sensoriomotor y el conocimiento simbólico de primer orden. Tomemos, por ejemplo, la demostración clásica de la conservación dada por Piaget. Los niños preescolares creen que un vaso en el que el agua alcanza un nivel más alto debe contener más agua que otro vaso en el que el agua alcanza un nivel menor, incluso en el caso de que este último sea considerablemente más ancho. En docenas de estudios de la conservación de líquidos llevados a cabo durante décadas, se ha establecido que es menos probable que tales niños, en apariencia no conservadores, den un juicio equivocado si ellos mismos llevan a cabo el vertido o si se les aparta de la vista los vasos en los que el agua ha alcanzado diferentes niveles y el sujeto conoce sólo el hecho de que el agua se ha vertido de un vaso a otro. Se da también el caso de que las palabras, y particularmente la ambigüedad de los términos más y menos (¿más o menos qué?) a veces confunden a los sujetos; si se permite a éstos simplemente escoger cuál de los dos vasos de zumo o de los dos montones de chocolatinas prefieren, aparecen inicialmente como conservacionistas genuinos. El punto clave aquí no es la habitual ausencia de conflicto entre representaciones sensoriomotrices y simbólicas; más bien lo que debiera señalarse es que, incluso en ausencia de formación escolar formal, los niños pronto reconcilian estas conceptualizaciones contrastantes de una misma situación. Puede que haya mecanismos neuronales que faciliten la reconciliación entre las formas más antiguas de conocimiento implicadas en la discriminación sensorial y la actividad motriz, y el uso familiar, bien arraigado, de sistemas simbólicos de primer orden. O, posiblemente, los padres u otros habitantes de la comunidad faciliten una reconciliación entre concepciones aparentemente contradictorias que surgen de las formas de representación simbólicas y sensoriomotrices. Si el niño está preparado para una reconciliación, le puede resultar de ayuda escuchar la precisión al estilo de hermano mayor <<parece que aquí haya más, pero realmente si viertes el agua en este vaso vacío, verás que los niveles de agua son realmente los mismos>>. No quiero suponer con ello que todo aprendizaje altamente contextualizado esté libre de problemas. Ciertamente, algunos estudiantes aprenderán mucho más rápidamente que otros en la situación de aprendizaje de un oficio, ya porque tengan una combinación más apropiada de inteligencias, ya porque su estilo de aprendizaje sea más compatible con el estilo de enseñanza del maestro del oficio. Tampoco quiero afirmar que las comprensiones en profundidad aparezcan necesaria o automáticamente; sin duda algunos maestros se sienten felices aceptando realizaciones derivativas, y algunos alumnos se contentan tan sólo con imitar lo que ven ante sus ojos. Sin embargo, en una situación así es menos probable que un aprendiz malinterprete radicalmente la naturaleza de los comportamientos deseados, y por lo general el modelo se presenta de modos tan diferentes, durante un período tan amplio de tiempo, que el aprendiz llega finalmente a dominar la habilidad deseada con cierto grado de flexibilidad. El aprendiz puede ser todavía incapaz de reflexionar, o explicar, la actividad dominada, pero estos fallos carecen de importancia para la mayoría de propósitos. La escolarización introduce algunas otras formas de conocer el mundo. El impulso inicial que da origen al establecimiento de la escuela es la necesidad que tienen los individuos jóvenes de dominar diversas suertes de sistemas notacionales. Aunque existen razones legítimas para la adquisición de estas capacidades de leer y escribir, su lógica característica demostrará ser obscura para los niños pequeños, así como los modos en que tienen que aprenderla resultarán ser extraños para la mayoría de los estudiantes. Con todo, especialmente si los alumnos asisten regularmente y el régimen educativo continúa el tiempo suficiente, la mayoría de niños adquirirán las útiles capacidades de lectura y escritura y justificarán de este modo la inversión en tiempo y dinero hecha en su educación. De qué modo y dónde aplicar estas capacidades de lectura y de escritura es algo que resulta mucho menos evidente. Por razones ritualistas o religiosas, el dominio de un lenguaje sagrado puede ser esencial. De no ser así, la capacidad de leer un texto religioso en una lengua extranjera o muerta tiene un valor pragmático escaso, a menos que se esté aprendiendo una profesión en la que estos textos existan en esta lengua (como por ejemplo, en el caso de un físico en la Edad Media). A menos que maestros, padres y otros adultos respetados hagan uso de estas habilidades en sus vidas diarias, los propósitos manifiestos de las capacidades de lectura y escritura seguirán siendo oscuros. Durante la época pre-revolucionaria en Norteamérica, un buen número de colonos adultos aprendieron a leer a fin de ser capaces de informarse acerca de la posibilidad de una revolución 145 política en sus propias comunidades. Los educadores latinoamericanos, como Paolo Freire, habían confiado en que un impulso político similar facilitaría la labor del aprendizaje del español o del portugués por parte de las masas de ciudadanos con un bajo nivel cultural. Más allá de la simple capacidad de leer y escribir, una misión adicional de las escuelas es transmitir conceptos, redes de conceptos, estructuras conceptuales y formas disciplinarias de razonamiento a sus alumnos. Estos temas generalmente tienen cierta relación con las áreas en las que los estudiantes están, por lo común, interesados, y acerca de las cuales han desarrollado teorías intuitivas, esquemas explicativos afines; después de todo, la ciencia trata del mundo natural, así como la historia expone el relato del propio grupo y de otros grupos relevantes amigables u hostiles. En la medida en que estos materiales se presentan simplemente como listas o definiciones que han de memorizarse, los estudiantes que se aplican a la labor directamente por regla general los pueden dominar. Sin embargo, el currículo de la escuela debe ir más allá de una enumeración repetitiva de hechos e introducir a los alumnos en los modos de pensar usados en las distintas disciplinas. Tal introducción implicaría exponerlos a nuevos modos de conceptualización de entidades que les son familiares o extrañas, ya sean leyes que rigen los objetos en el mundo físico, o los modos en que los historiadores conceptualizan los acontecimientos. El contenido de las diversas disciplinas se encuentra normalmente en formas bastante alejadas de las concepciones que el estudiante lleva consigo al aula. El alumno aprende las leyes de la física o las causas de la guerra leyendo un libro de texto o escuchando la lección del maestro. Así pues, el desafío para el educador es triple: a) Introducir estas nociones a menudo difíciles o contraintuitivas a los estudiantes; b) asegurar que este nuevo conocimiento queda finalmente sintetizado con las ideas anteriores si son congruentes entre sí; c); asegurarse que el contenido disciplinar más nuevo suplante a los estereotipos o concepciones previamente sostenidos que en cierto modo socavarían o chocarían con las nuevas formas de conocimiento. Por lo menos podemos confrontar directamente las razones primarias de por qué la escuela resulta difícil. Es difícil, primero, 146 porque buena parte del material presentado en la escuela les resulta ajeno a muchos estudiantes, si no inútil, y el tipo de contexto de apoyo proporcionado por alumnos de generaciones anteriores se ha visto debilitado. Resulta difícil, en segundo lugar, porque algunos de estos sistemas notacionales, conceptos, estructuras, y formas epistémicas no se dominan fácilmente, en especial por parte de estudiantes cuyas fuerzas intelectuales pueden estar en otras áreas o enfoques. Así, por ejemplo, los estudiantes con mayor fuerza en las esferas espacial, musical o personal puede que encuentren la escuela mucho más exigente que los alumnos que casualmente poseen la combinación de inteligencias lingüísticas y lógicas que permite mantener una relación cordial con el texto. Y resulta difícil, en un sentido más profundo, porque estas formas escolares de conocimiento pueden realmente consolidarse con las formas anteriores extremadamente vigorosas del conocimiento sensoriomotor y simbólico, que ya han evolucionado hasta un elevado grado incluso antes de que el niño ingrese en la escuela. La educación para la comprensión se puede producir sólo si los estudiantes se hacen de algún modo capaces de integrar las modalidades de conocimiento preescolares con las escolares y disciplinares; y si esta integración no demuestra ser posible, son capaces de suprimir o sustituir las formas preescolares de conocimiento en provecho de las escolares. Finalmente, los estudiantes precisan ser capaces de estimar cuándo una forma preescolar de conocimiento puede abrigar una forma de comprensión diferente, o incluso más profunda, de la forma de conocer aprendida en la escuela y relacionada con la disciplina. Hasta aquí he hablado de las dificultades de la escuela en lo que se refiere a los problemas experimentados por los estudiantes cuando se les pide que piensen en nuevas clases de conceptos y formas. Incluso en el entorno escolar más alegre, un régimen como éste puede plantear problemas. Sin embargo, tal como he mostrado en el capítulo anterior, las limitaciones igualmente gravosas bajo las que las mismas escuelas tienen que operar magnifican las limitaciones humanas en el aprendizaje. Aunque sería deseable para los maestros que trabajan directamente con grupos pequeños y bien motivados de estudiantes, la mayoría de las escuelas están cargadas de grupos grandes, reglas y regulaciones onerosas, nocivas demandas de responsabilidad, y estudiantes que tienen muchos problemas personales. No es asombroso que una educación ajustada a la comprensión tenga una baja prioridad en tales escuelas; por su naturaleza, las instituciones burocratizadas tienen dificultad para tratar fines que ni tan sólo pueden cuantificarse fácilmente. De hecho, lo que parece haberse desarrollado en la mayor parte del mundo escolar es una incómoda suerte de distensión. Los maestros piden que los estudiantes respondan a tipos de problemas programados, que dominen listas de nombres, y que memoricen y que faciliten definiciones cuando se les solicita. No piden que los estudiantes intenten reconciliar sus formas de comprensión anteriores, parciales, con las notaciones y conceptos de la escuela; en lugar de ello se ocupan sólo de las últimas formas de conocimiento, esperando que los estudiantes puedan, más tarde, desarrollar las reconciliaciones por su propia cuenta. Tampoco los maestros plantean problemas arduos que forzarían a sus alumnos a esforzarse al máximo de nuevas maneras y que harían que se corrieran riesgos que empeorarían la imagen de los estudiantes y del maestro. Para decirlo con mis propias palabras, ni maestros ni alumnos quieren <<arriesgarse a la comprensión>>; más bien, se contentan con <<compromisos de respuesta correcta>> más seguros. Bajo tales compromisos, ambos –maestros y estudiantes- consideran que la educación es un éxito si los alumnos son capaces de proporcionar respuestas que se han sancionado previamente como correctas. Ciertamente, a largo plazo, tal compromiso no es muy feliz, ya que no se pueden producir compromisos genuinos mientras se acepten realizaciones ritualizadas, repetitivas o convencionalizadas. Sin duda los educadores han llegado a este compromiso por muchas razones, y no es la menos importante que la distancia que existe entre las comprensiones intuitivas de los estudiantes y las comprensiones mostradas por los expertos disciplinares es muy grande. Las respuestas escolares –compromisos de respuesta correcta- parecen ser un punto medio viable entre estas formas dispares de comprensión. Pero no ha sido hasta estos últimos años cuando se ha hecho evidente la magnitud de la disyunción existente entre las formas de comprensión escolares y no escolares. Ésta ha sido el área de mayor preocupación para un grupo de especialistas que se llaman a sí mismos <<científicos, cognitivos interesados en la educación>>, o <<educadores interesados en la investigación científica cognitiva>>. Los nombres de muchos de estos investigadores se encuentran en las notas que se introducen en los estudios importantes pero resulta apropiado hacer mención especial de la obra de Michael Cole, Jean Lave, Lauren Resnick, Sylvia Scribner y sus colaboradores. Su obra ha influido en gran medida en mi propio pensamiento, y da forma a buena parte de la discusión que sigue. Tal como ya he sugerido, cada disciplina, y quizá cada subdisciplina, plantea sus propias formas peculiares de dificultades, sus propias limitaciones, que deben abordarse. Las disyunciones entre las comprensiones intuitivas de la historia y las versiones formales encontradas en la escuela no son directamente comparables a las disyunciones que se encuentran en la física, las matemáticas o en las artes. Estas distinciones no deben ser de ningún modo minimizadas pero será útil a partir de aquí y en adelante agrupar estas disyunciones bajo tres apartados principales. En el caso de la ciencia y de las áreas relacionadas con la ciencia, hablaré de concepciones erróneas que los alumnos traen consigo a sus estudios. En el caso de las matemáticas, hablaré de algoritmos rígidamente aplicados. Finalmente, en el caso de los estudios no científicos, particularmente aquellos que se realizan en humanidades y artes, hablaré de estereotipos y simplificaciones. Como creo que este tipo de dificultades se puede tratar, en este capítulo y en el siguiente las presentaré con cierto detalle. Consiguientemente, en los capítulos 11 y 12 sostengo que las concepciones erróneas se estudian de modo más eficaz en <<encuentros cristobalianos>>; que los algoritmos aplicados rígidamente requieren exploraciones de dominios semánticos adecuados; y que los estereotipos y las simplificaciones apelan a la adopción de perspectivas múltiples. Antes de entrar en líneas específicas de investigación, debo subrayar dos puntos. En primer lugar, debo insistir en que no existe ninguna línea bien marcada que distinga las concepciones erróneas de los estereotipos. De hecho, las dificultades suscitadas en matemáticas y en ciertas ciencias sociales parecen caer a medio camino entre la concepción errónea prototípica en física y el estereotipo prototípico en historia o en las artes. Principalmente por razones programáticas he dividido los datos sobre estas dificultades en dos amplias porciones. Las concepciones científicas y matemáticas erróneas serán discutidas en el resto del 147 presente capítulo, y los estereotipos encontrados en las áreas restantes del programa de estudios formarán el contenido temático del capítulo 9. Debo también conceder que el uso de los términos <<concepción errónea>> y <<estereotipos>> comporta riesgo; estos términos pueden implicar que las opiniones de los jóvenes alumnos sean totalmente inadecuadas y que las opiniones de los niños mayores o de los expertos disciplinares sean netamente superiores. De hecho, sin embargo, la situación demuestra ser mucho más compleja. Existen razones de carácter fundamental que subyacen a las opiniones mantenidas por los niños pequeños, y a menudo estas perspectivas abrigan importantes ideas, que pueden haber perdido los niños mayores y puede que parezcan oscuras o lejanas a los alumnos noveles. Igualmente, no existe una ruta llana que vaya de las concepciones erróneas a las correctas, desde los algoritmos rígidamente aplicados a un flexible comercio entre formalismos y sus referentes, desde estereotipos a opiniones maduras múltiplemente matizadas. Todas las comprensiones son parciales y sujetas al cambio; con mucho, más importante que llegar a <<opiniones correctas>> es una comprensión de los procesos mediante los que se reformulan las concepciones erróneas o se disuelven los estereotipos. A causa de su vivacidad y sugestividad, sigo empleando aquí los términos <<concepciones erróneas>> y <<estereotipos>>; sin embargo, sería más exacto hablar de <<comprensiones tempranas>> y de <<formas de comprensión más elaboradas>>. Malentendidos en física Quizá los ejemplos más espectaculares de los malentendidos estudiantiles son los tomados de la física. Los estudiantes norteamericanos dirigidos por una elite tecnológicamente orientada de universidades han recibido durante un cierto número de años una formación en ciencias generales o ciencia natural, y muchos han estudiado por lo menos un año de física. Así, durante la época en la que prosiguen el estudio de la física al nivel universitario, deben haber adquirido por lo menos una familiaridad lógica con los conceptos y las estructuras de la mecánica newtoniana. Tales estudiantes consiguen, de hecho, elevadas puntuaciones en pruebas estandarizadas sobre el conocimiento de la física, y probablemente consigan los puestos 148 de honor cuando se examinen al final de un semestre o un año de física universitario. ¿Qué sucede cuando a estos estudiantes se les pone a prueba o se les examina de su conocimiento de la física en un contexto ajeno al aula? ¿Qué sucede cuando tienen que basarse en el conocimiento que ostensiblemente han alcanzado a través de algunos semestres durante años, a fin de explicar una demostración o dar cuenta de un nuevo fenómeno fuera del laboratorio? Veamos. El investigador Andrea DiSessa ideó un juego llamado Target (Objetivo), que se juega en un entorno computarizado con un objeto simulado llamado dinatortuga. La dinatortuga se puede mover alrededor de una pantalla de ordenador mediante órdenes como adelante, derecha, izquierda o patada; esta última orden da a la dinatortuga un impulso en la dirección en la que el objeto simulado está realmente orientado. Característicamente la dinatortuga recibe órdenes del tipo derecha 30 (grados o adelante (100) pasos. La meta del juego es dar instrucciones a la dinatortuga, para que ésta de en un blanco y lo haga con la mínima velocidad de impacto. Se introduce a los participantes en el juego mediante una breve descripción de las órdenes y una prueba práctica, en la que tienen la oportunidad de aplicar unos pocos golpes con un pequeño mazo de madera a una pelota de tenis sobre una mesa. Descrito así, el juego suena bastante simple y, de hecho, tanto los niños de la escuela elemental como los estudiantes universitarios de física se entregan a él con entusiasmo y confianza. Sin embargo, casi todo el mundo fracasa tristemente en ambos niveles de experiencia. La razón, en resumen, es que el éxito en el juego requiere la comprensión y aplicación de las leyes del movimiento de Newton. Para lograr ganar, el jugador tiene que ser capaz de tener en cuenta la dirección y la velocidad con la que ya se ha ido moviendo la dinatortuga. Sea cual sea su instrucción formal, sin embargo, los jugadores de este juego se revelan aristotélicos empecinados. Suponen que, con tal que apunte directamente la dinatortuga al objetivo, tendrán éxito, y quedan perplejos cuando la patada no redunda en la deseada colisión. Examinemos qué ocurrió con una estudiante del MIT de nombre Jane, a la que DiSessa estudió intensivamente. Jane sabía todos los formalismos que se enseñan durante el primer año universitario de física. Bajo circunstancias apropiadas de manual podía sacar la ecuación F = ma, podía recitar fielmente las leyes del movimiento de Newton, y podía emplear los principios de la suma de vectores cuando se le pedía que lo hiciera en grupos de problemas. Sin embargo, tan pronto como empezaba a jugar, adoptaba las mismas prácticas que los alumnos de la escuela elemental, suponiendo que la tortuga se desplazaría en la dirección de la patada. Durante media hora aplicó esta estrategia inapropiada. Sólo cuando se convenció de que esta estrategia no funcionaria hizo la observación fundamental de que un objeto no dejaría su movimiento anterior al coletazo precisamente porque se da una patada en una determinada dirección. El hecho de darse cuenta de ello condujo finalmente a la experimentación en la que la velocidad (o la velocidad en una determinada dirección) de la dinatortuga se tomó finalmente en consideración. DiSessa explica el comportamiento de Jane como sigue: Ya hemos discutido la notable similitud del grupo de estrategias (de Jane) con las mostradas por niños de 11 y 12 años de edad. Pero lo que resulta igualmente notable es el hecho de que no relacionaba (de hecho durante un momento no podía hacerlo) el cometido con el que se enfrentaba en el juego con las clases de física que había recibido. No era que no pudiese hacer los análisis característicos de la física; su suma vectorial era, en sí misma, impecable. Se trataba más bien de que su física ingenua y la física que había aprendido en clase permanecían no relacionadas, y en este caso aplicaba su física ingenua... Se podría imaginar la física que se aprende en las aulas operando dentro de un esquema simbólico consciente tipificado por entidades discretas con relaciones explícitas y bien definidas, mientras la física ingenua funcionaría de un modo menos integrado – más al modo de los esquemas de acción de que habla Piaget. Claro que, sería perjudicial sacar excesivas conclusiones a partir del simple fallo de una estudiante en el momento de basarse en su instrucción formal al enfrentarse con un juego por ordenador. Pero el comportamiento de Jane resulta ser bastante típico de lo que se encuentra cuando se plantean a los estudiantes con formación en física o en ingeniería problemas fuera de los estrictos confines del aula –es decir, fuera de lo que se podría denominar el contexto texto-examen-. A continuación presentamos algunos ejemplos sacados de una amplia literatura sobre el tema: - La física clásica enseña que los objetos se mueven en línea recta cuando no actúa sobre ellos ninguna fuerza externa. Se muestra a los estudiantes un diagrama o un aparato que está en movimiento –pongamos por caso, un tubo en movimiento circular- y se les pide que predigan la trayectoria de un objeto que se ha lanzado a través del aparato y sale entonces disparado del tubo. Casi la mitad de los sujetos que habían estudiado física indican su creencia de que el objeto seguirá moviéndose de un modo circular incluso después de haberse liberado del tubo. - Resulta interesante que los estudiantes no expresan las leyes del movimiento; más bien articulan las leyes que están en desacuerdo con las leyes físicas formales. Tal como lo expresan, un objeto que se mueve por un tubo que gira adquiere una <<fuerza>> o un <<momentum>> que hace que continúe con un movimiento circular una vez que ha salido del tubo. Después de un momento, sin embargo, esta fuerza se disipa y la trayectoria en realidad se torna rectilínea. - Se pide a los estudiantes que designen las fuerzas que actúan sobre una moneda que se ha lanzado al aire y ha alcanzado el punto medio de su trayectoria. En un estudio, mencionado sucintamente en el capítulo 1, el 90% de los estudiantes de ingeniería que todavía no habían hecho su curso de mecánica y el 70% de los que lo habían hecho respondieron incorrectamente. En general, indicaban la existencia de dos fuerzas, una de dirección descendente que representaba la fuerza de gravedad y otra que apuntaba hacia arriba que representaba <<la fuerza hacia arriba original con la que salía despedida de la mano>>. De hecho, sin embargo, una vez que la moneda había sido lanzada sólo se halla presente la fuerza gravitacional (i exceptuamos una cierta cantidad insignificante de la resistencia que ofrece el aire). El investigador John Clement explica que la mayoría, ya hayan o no superado un curso de mecánica, no son capaces de comprender que un objeto puede seguir moviéndose en una dirección dada aunque la única fuerza aparentemente operativa sobre él sea ejercida en una dirección opuesta. - A los estudiantes más avanzados que han seguido un curso en teoría especial de la relatividad se les pide que razonen en voz 149 alta cuando buscan la solución a los problemas planteados por investigadores cognitivos. Un problema considera el funcionamiento de un reloj solar; el segundo implica la sincronización de relojes distantes. Los estudiantes son capaces de repetir de nuevo y de un modo fiel las principales afirmaciones de la teoría de la relatividad, según las cuales las propiedades físicas y temporales han de considerarse a la luz de un marco particular de referencia. Y con todo los estudiantes muestran en sus respuestas que de hecho se atienen a una creencia en un espacio y tiempo absolutos. Incluso un tutor del curso <<muestra una firme devoción newtoniana hacia una imagen mecanicista del mundo, que precisa que los objetos tengan propiedades fijas como longitud, masa, etc. Y que las explicaciones de los fenómenos se den en función de estos objetos y de sus interacciones>>. Sólo cuando los estudiantes y el tutor se enfrentan con las inconsistencias que existen entre las afirmaciones que integran los modelos newtoniano y einsteiniano del universo empiezan a abordar los problemas de la forma apropiada. - Los alumnos de la escuela elemental y media reciben una formación en el hecho de que las diferencias entre las estaciones son causadas no sólo por la distancia física de la tierra respecto del sol sino más bien por el ángulo con que los rayos del sol atraviesan la atmósfera terrestre. Los alumnos aprenden a repetir de corrido esta respuesta cuando se les pregunta directamente por la cuestión. Sin embargo es evidente que no creen realmente en los datos científicos, puesto que tan pronto como la pregunta se les plantea en una forma modificada, vuelven a una explicación basada en la distancia física. Incluso la creencia en un mundo plano demuestra ser vigorosa. Habiendo concedido que el mundo es redondo, los estudiantes regresan a un compromiso: al igual que un pomelo que se ha cortado por la mitad, la tierra es redonda en la base pero sigue siendo cómodamente plana por arriba. Esta lista de sorprendentes concepciones erróneas y realizaciones fallidas podría ampliarse fácilmente, pero la cuestión general debe quedar clara. Casi todos los estudiantes sin una instrucción científica formal y un porcentaje desconcertantemente alto de los que tienen una instrucción científica formal ofrecen explicaciones que están en desacuerdo con las simples y bien 150 establecidas leyes del movimiento y de la mecánica. No es simplemente un caso de pura ignorancia del principio investigado; muchos de los estudiantes conocen y pueden enunciar las leyes sobre las que se deben basar. Tampoco es un caso de errores factuales; a los estudiantes no se les pregunta si el sol es una estrella o si un delfín es un pez. Sin duda algunos estudiantes, ciertamente, responden correctamente, y en muchas casos el grupo con el que se compara a los estudiantes universitarios tiene una edad entre diez y doce años, en lugar de nuestra proverbial edad de cinco años. Con todo, las consistentes concepciones erróneas mostradas por estudiantes bien instruidos en ciencia son desconcertantes. Empezamos a comprender lo que aquí sucede cuando recordamos las vigorosas teorías de la materia que los niños desarrollan durante los primeros años de vida. Los investigadores de las ciencias de la educación se refieren a las ideas centrales que ciñen estas teorías en términos de <<primitivas>>. En virtud de sus interacciones sensoriomotrices y simbólicas con el mundo, los niños pequeños desarrollan <<primitivas>> del siguiente tipo: los agentes aplican fuerzas a objetos, estas fuerzas se transfieren a aquellos objetos, permitiéndoles continuar durante un momento antes de que <<se desvanezcan gradualmente>>; se puede decir qué cantidad de fuerza ha sido impuesta a los objetos observando sus trayectorias; si uno quiere que algo vaya en una determinada dirección, debe empujarlo en esa dirección y seguirá el curso deseado; todas las cosas caen, pero las cosas pesadas caen más rápido; la fricción se produce sólo cuando las cosas se mueven; el calor percibido viene determinado por la distancia respecto a la fuente de calor; y así sucesivamente. Lo importante acerca de estas <<primitivas>> no es que estén completamente equivocadas o carezcan de cualquier utilidad. De hecho, se desarrollan y perduran porque demuestran ser suficientemente funcionales en el mundo del niño pequeño y pueden aprovecharse con cierta utilidad incluso en el mundo adulto. Lo que resulta sorprendente es que incluso los estudiantes con instrucción formal recaen en estas <<primitivas>> muy fácilmente cuando se enfrentan con un problema, un acertijo o fenómeno exterior al limitado en torno de un aula o examen de ciencia. Nos podemos mover hacia una explicación de estos sorprendentes resultados analizando el problema del modo siguiente. Por un lado, las lecciones de la clase de física se aprenden de tal modo que pueden producirse en determinados contextos de redacción de informes, especialmente con las tareas para casa o las pruebas en el aula. La memorización de determinadas clases de demostraciones, definiciones y ecuaciones es suficiente, particularmente cuando los estudiantes saben de antemano la forma que estos informes van a adoptar. Con tal que las preguntas se planteen en un cierto marco esperado, parecerá que los estudiantes comprenden, y la condición esencial de la enseñanza de la ciencia se habrá respetado, prevaleciendo el compromiso de la respuesta correcta. Sin embargo, cuando el estudiante no está preparado para esperar que se invoque un determinado elemento del conocimiento físico, se invoca fácilmente un segundo y más poderoso conjunto de mecanismos. Se trata, en efecto, de las bien enraizadas teorías de la materia que se basan en las <<primitivas>> fenomenológicas que se formaron en los primeros años de la vida. Estos principios, nunca abiertamente examinados, nunca confrontados con las leyes de la física, surgen espontáneamente tan pronto como un nuevo problema se presenta en el horizonte. Y es por esto que, por lo visto los adolescentes de dieciocho años, en apariencia competentes, actúan de un modo poco diferente de los niños de siete años. Sería engañoso sugerir que las explicaciones o concepciones correctas son necesariamente más sofisticadas o complejas que las concepciones erróneas, aunque en el caso de la relatividad sí que sería así. (De hecho, en algunos casos, las explicaciones correctas pueden ser consideradas como más simples, porque se ha designado que expliquen mundos idealizados, como por ejemplo mundos sin fricción). La siguiente se ajusta más a la verdad. Cada persona, por el hecho de vivir como ser humano en un mundo con ciertas dimensiones físicas y sociales, desarrolla una colección completa de conceptos, esquemas y marcos que lleva consigo al intentar jugar juegos, explicar fenómenos o simplemente abrirse paso por el mundo. Algunos de estos esquemas se obtienen más fácilmente en un contexto dado, mientras que en otro pueden evocarse, dependiendo de circunstancias particulares, indicaciones o esfuerzos especiales. Por tomar un ejemplo, al intentar comprender un fenómeno como la electricidad, los estudiantes se apoyan en modelos mentales disponibles como <<agua corriente>> o <<conglomeración numerosísima>>. El modelo que se invoca, el acuático o el otro, dependerá de factores como el léxico utilizado por un libro de texto, su preferencia previa por uno de los modelos, y su propia experiencia con los cables de electricidad, con las tormentas, las baterías u otros fenómenos o aparatos eléctricos. En principio este procedimiento de búsqueda del modelo más apropiado e ilustrativo no es diferente del que se plantearon los físicos que lucharon durante siglos para determinar si es mejor considerar que la luz está compuesta de partículas o de ondas o una extraña mezcla de estas dos cosas. La meta de la educación científica efectiva es ayudar a los estudiantes a comprender por qué determinadas analogías, modelos mentales o esquemas se consideran ahora más apropiados para la comprensión de un fenómeno o un conjunto de fenómenos. Este estado de cosas –una comprensión realizada- puede llegar a merecer la aprobación sólo si los estudiantes se familiarizan con los nuevos modelos, comprenden las razones que los sustentan, perciben por qué son más apropiados que los modelos anteriores y concurrentes que puede que conserven aún su atractivo, y sean así, pues, capaces de basarse en ellos cuando se encuentren con un nuevo problema, acertijo o fenómeno. No es una labor menor –incluso para los propios físicos-. En el capítulo 11 sugiero que una vía prometedora hacia esa comprensión perfeccionada es la creación de encuentros cristobalianos: situaciones en las que los primeros modelos o concepciones erróneas de los estudiantes se enfocan intensamente gracias a una experiencia que pone en duda directamente la viabilidad del modelo que ellos han favorecido. Concepciones erróneas en la biología La física, claro está, es la más difícil de las ciencias (excepto, quizá, para los físicos) y se podría especular que concepciones erróneas comparables se encontrarían con menor frecuencia en otras disciplinas, como por ejemplo la biología. Es cierto que determinadas concepciones erróneas de la primera infancia se resolverán durante los años de escolaridad, incluso quizás en ausencia de una tutela explícita. Como Susan Carey ha demostrado, los niños de diez años han abandonado las concepciones de que sólo los objetos móviles están vivos, que los seres humanos son 151 prototipos para todos los animales y que todas las funciones biológicas están bajo control espontáneo, ya que a este conjunto de <<concepciones biológicas populares>> lo sustituyen por una teoría profana de la biología que es por lo menos más o menos útil. Según esta teoría, los organismos biológicos se caracterizan por una determinada estructura física y por la capacidad de llevar a cabo funciones como comer, respirar, crecer y morir; se considera que las plantas y los animales son seres vivos, pero no así los objetos inanimados; los seres humanos no tienen un estatuto especial en el reino animal; y la pertenencia a una cierta categoría de especie vienen determinada por la constitución subyacente, más que por las apariencias visibles. Sin embargo, cuando se investiga más a fondo el contenido temático de la biología, encontramos concepciones erróneas y primitivas que se disponen con la misma exactitud que las encontradas anteriormente en la física. La comprensión de la teoría de la evolución parece que está tan minada como la comprensión de las leyes del movimiento newtonianas; incluso estudiantes con dos años de formación en biología siguen mostrando comprensiones erróneas de carácter elemental. Así pues, aunque abandonan la posición creacionista defendida por la Biblia, los estudiantes siguen aceptando las explicaciones lamarckianas según las cuales las características adquiridas en una generación (la jirafa que se ve obligada a estirar el cuello más hacia lo alto para conseguir alimentarse de las hojas de las copas de los árboles, cuya escasez las dispone en una posición cada vez más alta) pueden transmitirse a la siguiente generación. No consiguen distinguir entre los cambios que se pueden observar en un momento histórico dado y las posibilidades de que estos cambios sena manifiestos en futuras generaciones, atribuyendo los cambios a modificaciones medioambientales en lugar de a un proceso aleatorio de mutación y de selección natural. Los estudiantes muestran también una propensión a invocar explicaciones de tipo teleológico, en las que la evolución se dirige por un camino preconcebido hacia determinadas metas extrínsecas. A los estudiantes les resulta difícil comprender la naturaleza no direccional de la evolución; prefieren considerar las especies con una evolución posterior, como si en cierto sentido fueran mejores, más íntimamente próximas a un ideal de perfección. 152 Las concepciones erróneas y las teorías ingenuas abundan a través del dominio biológico. Los procesos mediante los que las plantas elaboran el alimento son profusamente mal interpretados. Los estudiantes hacen referencia a una mezcla de impresiones: que el suelo pierde peso a medida que las plantas crecen en él, que el suelo es el alimento de la planta, que las raíces absorben el suelo, que la clorofila es como la sangre de la planta, y que las plantas no disponen de la clorofila durante el otoño y el invierno, y por ello las hojas no pueden conseguir alimento. El recurso a la intención y al propósito es abundante; los camaleones cambian de color a voluntad para esquivar a sus depredadores. Las leyes que gobiernan la herencia son también mal interpretadas. Por ejemplo, en lugar de una completa comprensión de los conceptos de heterocigocidad y de homocigocidad, los estudiantes simplemente suponen que la heterocigocidad es un efecto siempre que observan un rasgo distribuido en una proporción de 3 a 1, y suponen que estas proporciones son exactas y no precisamente promedios que salen de gran número de observaciones. Tampoco los procesos celulares de la meiosis y de la mitosis se comprenden bien; incluso ciertos estudiantes de biología que tienen un <<nivel de experto>> atribuyen de modo erróneo la estructura de los cromosomas al número (técnicamente, los ploides) de cromosomas. Aunque las fuentes de estas concepciones biológicas erróneas no se han estudiado en el mismo grado de detalle en que lo han sido las concepciones erróneas en física, parecen ser operativas las mismas clases de principios. Las tendencias más tempranas a considerar que cualquier cosa que se mueve está viva puede que se abandone, pero los estudiantes todavía son propensos a creer que los procesos biológicos reflejan las intenciones de una sustancia viva (los parásitos intentan destruir a sus anfitriones) o las tendencias teológicas de un principio primordial como la evolución (la perfección humana es la meta de la evolución). Se supone que los procesos que no pueden verse no existen mientas que de poderlo ser se supone que tienen efectos directos inmediatos sobre su entorno. Finalmente, en vez de una comprensión profundizada, los estudiantes recurren a señales clave (como una proporción numérica dada) como indicación de un principio como la heterocigocidad. Problemas en matemáticas: algoritmos aplicados rígidamente Quizá se podría argumentar que esta disyunción entre, por un lado, el mundo como describen científicos recónditos y el mundo plural de la experiencia práctica, por el otro, conduce a estas actuaciones frustantemente pobres en ciencias como la física y la biología. O quizá sea el hecho de que los libros de texto pocas veces siguen una progresión ordenada, sino que en su lugar cambian repentinamente de un tema de un capítulo a otro. Quizás al empezar a trabajar con las matemáticas, en las que los alumnos han estudiado temas durante toda una década, en las que el orden de presentación es presumiblemente lógico, y donde <<simplemente>> se trata de manipular esquemas notacionales, encontraremos una imagen más alegre. Desgraciadamente no es así. De hecho, la actuación en los problemas matemáticos revela sorprendentemente clases de deficiencias análogas. Una vez más, los estudiantes fallan característicamente tan pronto como el problema se expresa de un modo un poco diferente o se encuentra o describe un ejemplo inesperado. Un fascinante conjunto de estudios elaborados por Jack Lochhead, John Clement y sus colegas de la Universidad de Massachussets en Amherst ha documentado la sorprendente fragilidad de la comprensión matemática. Si se dice que hay seis veces más estudiantes que profesores y que hay diez profesores, casi todo el mundo puede calcular inmediatamente el número de estudiantes. Cuando se dice que hay sesenta estudiantes y se pide el número de profesores, la actuación es en la práctica igualmente buena. Pero cuando se pide a los estudiantes que escriban una forma que refleje la proporción, utilizando E para representar a los estudiantes y P para los profesores, la mayoría de los estudiantes universitarios fallan. (El lector puede intentar este ejercicio antes de leer el siguiente parágrafo). ¿Qué ocurre con ésta, en apariencia, sencilla asignación? La mayoría de los estudiantes de college escriben la fórmula 6E = P. Les parece correcta. Sin embargo, esta fórmula conduciría a la sorprendente conclusión de que si hay 60 estudiantes, ¡habría 360 profesores (6 x 60 = 360)! Puede parecer que se trata de una pregunta capciosa, y es cierto que la aparición de la palabra seis cerca de la palabra estudiantes puede atraer a algunos de los que buscan solucionar formalmente el problema a caer en la trampa del 6E. El problema fundamental, sin embargo, es que los estudiantes universitarios no comprenden el principio básico del álgebra de que las letras como la E sustituyen a <<número de estudiantes>>, y que P sustituye a <<número de profesores>>, y que las ecuaciones tienen que desarrollarse sobre la base de estas estipulaciones. En cambio, parecen creer que las letras en las ecuaciones etiquetan entidades concretas, como los profesores reales o los mismos estudiantes. De un modo aún más desconcertante, el equipo de investigación de la Universidad de Massachussets ha descubierto que esta suposición demuestra ser en extremo vigorosa y es consecuentemente muy difícil de erradicar. Reflejando la línea de análisis que he presentado aquí, los estudiantes pueden aprender a memorizar la frase X se refiere al número de cierta entidad..., pero vuelven a las formas de aproximación anteriores e inadecuadas una vez han salido del marco de la instrucción. Una comprensión insuficiente de la notación algebraica conduce a una situación desafortunada: siempre que los estudiantes tienen que utilizarla en una situación descrita de un modo determinado, tienen propensión a errar. Sin duda, se puede hacer que los estudiantes mejoren los resultados expresando el problema de un modo que les permita lograrlo, incluso cuando no comprendan la operación de la notación. Por ejemplo, se podría mejorar la actuación sobre el problema mencionado anteriormente diciendo <<el número de estudiantes equivale a seis veces el número de profesores>>, alentando de este modo a que el estudiante escriba E = 6P y conducente a la ecuación correcta 60 = 6 x 10. Pero con toda seguridad, este tipo de soporte es exactamente lo que la comprensión no debiera requerir. En cierto sentido, resulta legítimo considerar a estos estudiantes de álgebra albergando concepciones erróneas –por ejemplo, la creencia de que E representa los estudiantes en lugar del <<número de estudiantes>>. Pero estos estudiantes de álgebra ejemplifican un problema fundamental en matemáticas, la práctica de una aplicación rígida de algoritmos. Las formas en las que se acostumbran a enseñar las matemáticas y las formas en que los estudiantes aprenden conspiran para producir una situación en la que los estudiantes actúan adecuadamente con tal que el problema se enuncie de un 153 modo determinado y por lo tanto puedan <<conectar números o de los símbolos. En un enfoque como éste los estudiantes prestan atención a consideraciones de tipo sintáctico: cuando se escucha que existen seis veces más estudiantes que profesores, la respuesta que se escribe, 6E = P, se desencadena con facilidad y se invoca inmediatamente un algoritmo. La comprensión verdadera va mucho más allá de un enfoque sintáctico como éste. Resulta más probable que los estudiantes resuelvan con éxito una amplia gama de problemas si han explorado el dominio semántico apropiado –en este caso, la relación entre estudiante y profesores, o de una población con la otra- y han llegado a comprender los modos en los que las expresiones algebraicas pueden captar esa situación. Las concepciones matemáticas erróneas surgen a través de todo el espectro de edades y en las diversas áreas de las matemáticas. Una medida de tipo empírico de la falta de comprensión matemática, de hecho, es el punto hasta el que, cuando se da una serie de números, los estudiantes, de un modo inmediato y reflexivo, empiezan a realizar ciertas operaciones con ellos. Ya hemos presenciado el deseo compulsivo por parte de los preescolares, de los niños en las primeras etapas de escolarización, de sumar cualquier conjunto de números hablados o escritos con el que por casualidad se encuentran. Por una razón análoga, la mayoría de los estudiantes se encuentran con dificultades cuando se les pide por primera vez que sumen fracciones, porque sencillamente proceden a sumar entre sí los dos numeradores y los dos denominadores. (Así, 1 y 1 se considera que suman 2). 2+2= 4 Seguramente se puede suponer que las respuestas equivocadas a muchas preguntas de un examen de aptitud o de evaluación serán la suma o el producto de dos números en el problema; quienes elaboran las pruebas saben que aquellos estudiantes que no saben qué hacer sumarán o multiplicarán sencillamente, aplicando rígidamente el algoritmo más relevante, y esperarán lo mejor. Las notaciones causan mucha confusión. Las similitudes en la notación simbólica entre decimales y los números enteros encubre diferencias esenciales en sus significados. Por ejemplo, en los números enteros, la posición de las unidades es ocupada por el dígito que está más a la derecha, mientras que en las fracciones decimales, la posición de la unidad viene señalada por la coma decimal (o, si no, 154 se puede considerar como el dígito que queda inmediatamente a la izquierda de la coma decimal). Los números enteros crecen a partir del uno por agrupamientos de diez; en cambio las fracciones decimales crecen de diez en diez hacia la izquierda y decrecen de diez en diez hacia la derecha de la coma decimal. (Estas ideas resultan difíciles de expresar en palabras, un hecho que puede contribuir a la confusión del estudiante). Los estudiantes deben llegar a comprender que el sistema decimal utiliza notaciones y reglas numéricas del tipo de las que gobiernan los números enteros para representar cantidades que son como fracciones. No es una labor fácil apreciar que 0,6 es mayor que 0,5999 y menos que sea 0,60001. Uno de los obstáculos de naturaleza profunda en el aprendizaje de las matemáticas afecta al significado preciso de las palabras. En la conversación normal, uno posee una considerable libertad en lo referente al uso que se haga del léxico, y esta libertad realza el humor y el gusto del trato diario. Pero una imprecisión como ésta puede tener resultados fatales en el área de las matemáticas. El investigador Pearla Nesher señala que la simple palabra es puede adoptar por lo menos cuatro expresiones simbólicas diferentes, denotando igualdad, pertenencia a una clase, existencia y participación. No conseguir apreciar estas sutiles diferencias puede conducir a una construcción errónea de un problema. Se ha propuesto que las prácticas lingüísticas abrazadas por grupos culturales particulares pueden hacer especialmente difícil, de vez en cuando, un determinado tema tal como es impartido actualmente. La educadora Eleanor Wilson Orr ha documentado las graves dificultades experimentadas por los jóvenes de los barrios negros cuyo uso del lenguaje a menudo no se ajusta estrechamente a los usos precisos en los libros de texto de matemáticas. Por ejemplo, esos estudiantes a menudo dicen twice as less (<<dos veces menos>> que simplemente no puede ser equivalente a half as much (<<la mitad>>; algunos estudiantes no distinguen entre una localización (cuando se representa habitualmente por un punto) y una distancia (representada como un segmento de línea) y por lo tanto afirmarán <<(la ciudad de) Aurora equals the distance from Cleveland to Washington>> (K<<la ciudad de) Aurora equidista de Cleveland y Washington>>);* algunos combinan las palabras any y some así como at y to, o for y of. Aunque estas distinciones pueden no tener importancia en una discusión ordinaria en un contexto rico, pueden en cambio entrar en colisión con usos en los libros de texto en los que se ha pretendido una única denotación, y no otra. Si los libros de texto matemáticos tienden a ser implacables, los ordenadores programados son aún menos flexibles. Una palabra o una expresión en un lenguaje operativo de ordenadores tiene un significado y sólo uno A veces, en un esfuerzo para hacer que estos lenguajes sean <<amables>> para los usuarios, los creadores de lenguajes emplean las palabras del lenguaje natural. Aunque este gesto puede ser de ayuda para el acceso del principiante y da entrada al ámbito general del significado pretendido, finalmente puede ser más confuso que útil, porque los estudiantes – y aquí el problema demuestra ser generalizado a través de las líneas raciales y étnicas- caen en la definición vulgar del término y no en su definición técnica. Mis colegas David Perkins y Rebecca Simmons refieren la suposición de los estudiantes de que si dan en un programa Pascal el nombre LAR-GEST, el ordenador <<sabrá>> que tiene que almacenar la más extensa de las series de números que lee en esa variable, porque <<sabe>> el significado de la palabra más extensa. Se pueden ver en funcionamiento la disyunción entre el conocimiento intuitivo y el conocimiento de sentido común por un lado y la aparición de la sofisticación notacional por el otro. Recientemente observé un niño de ocho años que aprendía de qué modo medir con una regla. Su objetivo era medir una cartulina en forma de Y recortada. Al parecer, si comprendía los procedimientos requeridos, alinearía uno de los brazos de la Y poniéndolo al nivel de la regla y leería entonces el número en el otro extremo: <<cuatro centímetros>>, <<cinco centímetros>>, incluso <<entre cinco y seis centímetros>>. Entonces, sin embargo, decidió medir el segmento corto o embocadura que forma el extremo del brazo. En este caso, situó el segmento en medio de la regla y anunció que tenía <<siete centímetros>>. Ciertamente no estimaba que todas las medidas tienen que ser tomadas desde el punto de origen (o su equivalente) y que la medida representa la extensión del * Tendría que ser <<Aurora is half way from Cleveland to Washington>> (Aurora equidista de Cleveland y Washington). (N. del T.) alejamiento respecto de un origen. En su lugar simplemente aplicó el algoritmo de leer el número que coincidía con su foco de atención. Claro que este niño de ocho años sabía de un modo sensoriomotor que la embocadura era mucho más corta que el brazo de la Y y cuando se le preguntó directamente <<¿cuál es más largo?>>, fácilmente reconoció que el brazo era más largo. Este fallo se produce porque, en nuestros términos, no estimó la correspondencia entre la información sensoriomotriz (qué segmento es más largo) y la operación del sistema de medición. Se asemejaba al niño al que se le preguntaba la temperatura de dos recipientes acabados de combinar, cada uno de los cuales contenía agua a 10 grados, y que alegremente sumó las cantidades y refirió que la temperatura de la nueva mezcal era de 20 grados. En lugar de integrar el algoritmo con el conocimiento intuitivo, el niño permite que el algoritmo dicte cuál es la respuesta. Del mismo modo que se producen disyunciones entre el conocimiento intuitivo y notacional, puede haber también curiosas separaciones entre formas de conocimiento notacional relacionadas per se. Paul Cobb ha contado la historia de una niña pequeña que sumaba 16 y 9 correctamente contando (sumando simplemente cada una de las nueve unidades a partir de 16). Planteado el mismo problema de forma escrita, no conseguía llevarse 1 y obtenía 15. Consideraba que ambas eran correctas, 15 para el problema en la hoja de trabajo y 25 cuando el problema representaba 15 galletas y 9 más. En palabras de Cobb, <<para ella, la aritmética escolar parecía ser un contexto aislado, independiente, en el que la posibilidad de hacer algo diferente a intentar recordar los métodos prescritos no se producía>>. En un ejemplo relacionado, Robert Lawler describió a su hija de seis años, que podía hacer cálculos mentales con números y también con dinero, pero que era incapaz de conectar los dos ámbitos. Podía sumar 75 centavos y 26 centavos, utilizando su conocimiento de las monedas, y daba con el total correcto en monedas; cuando se trataba de números era capaz de sumar por decenas y contar los restos. Pero sólo algunos meses después se produjo un momento de revelación en el que fue por primera vez capaz de apreciar la relación que existía entre el microcosmos de las monedas y un microcosmos numérico. No quiero sugerir que estos errores y disyunciones sean algo vergonzoso; de hecho 155 se trata de un fenómeno humano natural que puede resultar instructivo. Recomiendo que padres y maestros están atentos a estas dificultades y alienten a los niños a considerarlas críticamente. La cuestión es que los errores o concepciones equivocadas son un signo de alarma, una señal de comprensión incompleta. El maestro no debe simplemente indicar los procedimientos correctos (no, encuentra un denominador común y transforma ambas fracciones en función de él); si se hace esto, el niño probablemente volverá a sus viejos hábitos tan pronto como no logre reconocer un ejemplo que requiera un procedimiento memorizado. Más bien, el maestro necesita trabajar con el alumno en tres dimensiones: a) una comprensión de lo que está en juego (por qué no se puede simplemente sumar numeradores y sumar denominadores); b) una exploración del dominio semántico particular que se está investigando (si se trata de trozos de pizza o de porciones de una cantidad); c) cuál es el modo mejor de relacionar las reglas algorítmicas formales con los particulares de un mundo semántico dado. Si se sigue un procedimiento como éste, hay una posibilidad, en el futuro, razonable de que se consiga la comprensión y que sea mucho menos probable que se produzcan errores como los que hemos mencionado. De hecho, según este análisis, si se abandonara en una isla desierta a un estudiante que comprende, podría volver a inventar incluso un procedimiento tal como la suma de fracciones que ya había olvidado desde hacía mucho tiempo. Quizá la mayor dificultad en toda el área de las matemáticas tiene que ver con el concepto erróneo que tienen los estudiantes en relación con lo que realmente está en juego cuando se les plantea un problema. Los profesores de matemáticas refieren que los estudiantes casi siempre buscan los pasos a seguir para la solución del problema -<<cómo conectar los números>> en una ecuación, de qué modo seguir el algoritmo-. Cuanto más estrechamente paralela es la ordenación de los términos de un problema al orden de los símbolos en la ecuación, más fácil es resolver el problema y lo apreciarán más los estudiantes. El hecho de considerar que las matemáticas son un modo de comprender el mundo, de esclarecer un fenómeno, como una suerte de charla o empresa en la que incluso una persona joven puede participar significativamente, es un caso poco frecuente. Y, con todo, ¿de qué modo puede una comprensión genuina llegar a producirse sin una actitud como ésta? 156 Debiera ser evidente que las concepciones erróneas y las comprensiones equivocadas son tan endémicas en matemáticas como lo son en las ciencias naturales. Cuando todavía son pequeños, los niños desarrollan una fuerte intuición del número, acerca de lo que es más numeroso o menos numeroso. A menudo su comprensión viene conceptualizada en función de una línea de números, yendo desde poco o nada (0) a un número muy extenso (o infinito). Las nociones de suma, resta y división en cantidades iguales son también intuitivas. Tanto como es posible, los estudiantes intentan alinear los problemas matemáticos que encuentran en el mundo con un esquema numérico tan simple como éste, y en muchos casos resulta acertado por lo menos de forma aproximada. El tema formal de las matemáticas, sin embargo, implica el uso de nuevas modalidades de notaciones simbólicas, así como definiciones más explícitas (y menos causales) de imágenes y palabras familiares. La mayoría de los niños no encuentra fácil poner sus intuiciones en estas expresiones matemáticas. El mundo de los números y de las operaciones numéricas, tal como se captan en las operaciones sensoriomotrices, y el mundo de los números hablados, de las expresiones numéricas escritas y de las fórmulas de los libros de texto nunca se unen de un modo sinérgico. Y, por consiguiente, al igual que no consiguen alinear sus intuiciones físicas y biológicas con la temática del libro de texto impartida en los cursos de física y de biología, los estudiantes no buscan tampoco emparejar sus intuiciones numéricas acerca de dominios de objetos con lo que las clases de matemáticas o de aritmética piden. Se ha logrado un compromiso de respuesta correcta, en el que los estudiantes aprenden a seguir determinados procedimientos y a conectar determinados números y símbolos, para realizar los deberes y pasar el examen. Una vez han salido del contexto prueba-texto, sin embargo, los estudiantes no saben de qué modo emplear estos formalismos y recaen en las intuiciones toscas aunque eficaces de la primera infancia. Al hablar de los problemas con los que se encuentran los estudiantes en el área de la aritmética, el término <<concepción equivocada>> deja de ser óptimo e incluso puede no ser apropiado. En las ciencias naturales, los estudiantes cuentan con teorías de la materia y de la vida bien desarrolladas que en algunos casos resultan ser inconsistentes con los principios de la física y de la biología. En el área de las matemáticas, sin embargo, no es muy acertado decir que los estudiantes cuentan con concepciones equivocadas que hacen caso omiso del conocimiento disciplinar de carácter formal. Más bien, he sugerido que la mayoría de los estudiantes suprimen su conocimiento intuitivo acerca de números y ámbitos (como el tiempo, el dinero o los trozos de pizza) y en su lugar intentan seguir conjuntos de reglas aplicadas rígidamente para solucionar problemas. Sólo cuando el problema desencadena el algoritmo que se ha dominado, los estudiantes tendrán la respuesta correcta; cuando haya cualquier alteración en la formulación del problema, el estudiante probablemente estará perdido por completo. A medida que nos alejamos aún más de las ciencias naturales la noción de concepción errónea demuestra ser aún menos adecuada. Términos mejores podrían ser <<estereotipos>> o <<guiones>> -opiniones fuertemente sostenidas del modo correcto en el que pensar sobre los asuntos humanos-. De acuerdo con lo expuesto, en el siguiente capítulo, cuando abordemos el aprendizaje en las ciencias sociales, en las humanidades y en las artes, hablaremos de los estereotipos del alumno. Con todo, aunque la terminología cambie, las clases de problemas resultarán familiares a cualquiera que se haya enfrentado con la materia de este capítulo. 157 ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE DE LAS CIENCIAS Wynne Harlen LAS IDEAS INFANTILES Áreas de conocimiento e ideas principales relacionadas con ellas Hemos escogido las seis áreas de conocimiento siguientes, como marco de referencia de la descripción de las ideas de los niños, que exponemos a continuación: - Diversidad y características de los seres vivos. - Los procesos de la vida. El modelo presentado en el último capítulo describía el proceso de desarrollo de ideas mediante la utilización de técnicas de procedimiento. Estas ideas se aproximan poco a poco a la visión de las cosas aceptada por la ciencia a medida que se expanden las experiencias de los niños y que sus destrezas de procedimiento y formas de razonamiento van haciéndose más controladas y rigurosas. Este capítulo se centra en las ideas en evolución, la forma que adoptan en rotue hacia una visión científica aplicable de manera más generalizada. Veremos lo que ha puesto de manifiesto la investigación sobre las ideas que tienen los niños en distintos momentos y plantearemos las siguientes preguntas: ¿qué características generales poseen esas ideas? ¿qué consecuencias tienen para la enseñanza? En el capítulo siguiente, consideraremos unas preguntas semejantes con respecto a las destrezas y actitudes en evolución de los niños relacionadas con el aprendizaje de las ciencias. Para dar respuesta a estas cuestiones, es necesario identificar y definir las ideas que deseamos elaboren los niños. Podríamos evitar esta identificación adoptando sin más los objetivos de “conocimiento y comprensión” del National Currículum. Sin embargo, conviene recordar que éste no es más que un currículum, cuyas definiciones y estructura se han moldeado con arreglo a un marco de referencia particular de enunciados conductuales en diversos niveles. Incluso en el Reino Unido, hay otras dos versiones de un currículum común de ciencias y, en otros países, hay otros muchos enfoques diferentes. Proponemos utilizar una lista que se relaciona con facilidad con todas estas formulaciones curriculares; su origen, como el de la mayoría de tales formulaciones, está en la idea de que la educación científica debe ayudar a los niños a comprender el mundo que los rodea y a relacionarlo con su experiencia sobre él. Esto ayuda a descubrir unas grandes áreas de conocimiento en relación con las cuales expondremos la evolución de las ideas de los niños. 158 - Materiales, sus interacciones. propiedades, usos e - Fuentes, transmisiones y transferencia de energía. - Fuerzas y movimiento. - La Tierra y su lugar en el universo. En esta relación, no hay mucho que explicar; es muy parecida a otras listas similares y reflejan unas divisiones igualmente arbitrarias del conjunto de las ideas científicas. En el proceso de escisión del todo en partes que se examinarán por separado, conviene no perder de vista la evolución gradual aunque no uniforme de este todo. La Figura 3 pretende representar esta situación. De izquierda a derecha, se extiende un eje temporal y las líneas representan aspectos de las ideas en desarrollo: a veces, se mezclan, cuando se forman conceptos más generales a partir del reconocimiento de semejanzas de orden superior entre fenómenos que antes se consideraban distintos; a veces, divergen, cuando se elaboran las ideas. Figura 3. Cada una de estas seis áreas de conocimiento es, en sí, un conjunto de aspectos en evolución, como muestra la Figura 4, que puede definirse con diversos niveles de detalle. Al moverse hacia la identificación de los aspectos, conviene señalar los criterios que se utilicen para definir los enunciados de conocimiento y comprensión adecuados. Un criterio, ya utilizado para identificar las seis áreas, es que se refieren a la experiencia cotidiana inmediata de los niños. Consideramos fundamental este criterio por dos razones. La primera es que supone que los niños están elaborando conceptos sobre las cosas que los rodean; el incremento de la comprensión de estas cosas constituye, en gran parte, la razón para aprender ciencias. La segunda es que los niños pueden relacionar con facilidad su propia experiencia y conocimientos de primera mano con estas ideas. Mediante su aplicación y utilización, estas ideas evolucionan y el niño las interioriza, incorporándolas a su forma de entender el mundo. Es difícil que las ideas que no se relacionen con la experiencia perduren en la mente del niño, aunque parezcan muy sencillas. Figura 4 El segundo criterio indicativo del nivel de ideas que suponemos desarrollarán los niños está relacionado con su forma de pensar. Sin duda, éstas serán limitadas en el caso de los alumnos de primaria y, hasta cierto punto, es irrelevante que se aleguen al respecto razones de experiencia indica que la comprensión de muchos conceptos abstractos de la ciencia no se alcanza hasta la escuela secundaria y sólo la consiguen algunos alumnos. Es posible, como pensamos, que la experiencia precoz de ejemplos concretos de los fenómenos con los que se relacionarán los conceptos abstractos contribuya a esa comprensión. Así mismo, es probable que, con esta experiencia, consigan una mejor comprensión científica un mayor número de niños que los que llegan en la actualidad, pero esto no es un argumento para introducir ideas y generalizaciones abstractas en el nivel de primaria, sino, más bien, al revés, porque un fundamento sólido de ideas puestas a prueba y comprobadas en diversos contextos prácticos es mucho más útil para el aprendizaje posterior que un conocimiento superficial de ideas teóricas. Un criterio muy relacionado con éste, aunque distinto porque reconoce que los conceptos identificados son científicos, se refiere a su accesibilidad para los niños mediante las técnicas de procedimiento. Los niños deben ser capaces de recoger pruebas y comprobar que concuerdan con las ideas que se generen; deben ser capaces de decidir por su cuenta si las ideas “funcionan” o no en una serie de casos. Esto no significa, como señalamos en el Capítulo II (Pág. 46), que las ideas sólo se tomen de entre las que ya poseían los niños Para éstos, el sentido de una idea se lo da su utilidad y no su origen. Las ideas útiles pueden proceder y, de hecho, proceden de otros alumnos, de los profesores, los libros, la televisión y la radio. La condición de que los niños sean capaces de “hace suya la idea” gracias al empleo de técnicas de procedimiento tampoco significa que sólo tengamos que preocuparnos de las ideas relativas a objetos que los niños puedan tocar y manipular físicamente. Muchas serán y deben ser de este tipo, pero es importante no excluir ideas sobre hechos de experiencia de los alumnos que no pueden manipularse, como las ideas referentes al sol, la Luna y las estrellas y sobre el tiempo meteorológico. Los niños pueden elaborar estas ideas mediante el empleo de técnicas de procedimiento, la observación y el registro meticulosos revelan pautas y suscitan hipótesis y predicciones que pueden comprobarse mediante observaciones posteriores. El cuarto criterio se refiere a la continuidad de la enseñanza de las ciencias. Las ideas desarrolladas en los años de primaria deben relacionarse con las que se desarrollen en secundaria y en niveles educativos posteriores. Por tanto, en resumen, las ideas relativas a las seis áreas de conocimiento se seleccionan de acuerdo con estos cuatro criterios: - Deben contribuir a que los niños comprendan los acontecimientos cotidianos y el mundo que los rodea, pudiendo aplicarse a su experiencia. - Deben estar al alcance de los niños de la escuela primaria, teniendo en cuenta su experiencia y madurez mental limitadas. - Deben ser accesibles y comprobables mediante el uso de las técnicas científicas de procedimiento de los niños. - Deben proporcionar una base sólida para la educación científica posterior. 159 Cuando se aplican estos criterios, se accede a las principales ideas representadas en la Figura 5 para cada área de conocimiento. La idea principal de cada línea de desarrollo está en evolución, significando cosas diferentes en distintos momentos de la misma. Más adelante, en este mismo capítulo, ilustramos algunas ideas de este tipo. No obstante, las variaciones individuales de las ideas de los niños es tal que no es posible identificar una sucesión evolutiva detallada. Sólo tiene sentido hacerlo en relación con puntos suficientemente separados en el tiempo, para describir el carácter de los cambios que indican el desarrollo cuando es necesario para guiar la evaluación del rendimiento de los niños. El final de las fases educativas de primaria y secundaria puede marcar sendos momentos útiles a este respecto y, en el contexto de la evaluación, en el Capítulo VIII (pág. 169), damos algunas ideas al respecto. Lo que aquí nos preocupa es describir el currículum de manera que facilite la adquisición de conocimientos a todos los niños, con independencia de su edad, experiencia o capacidad. Así, por ejemplo, todos los alumnos podrán hacerse una idea de “la relación entre las propiedades de los materiales y sus usos”. Para los más pequeños y con menos experiencia, esto supondrá explorar los materiales para ver en qué se diferencian y qué puede hacerse con ellos; para los mayores, más experimentados significará investigar cómo pueden combinarse y estructurarse los materiales para conseguir las propiedad requeridas. Algunos alcanzarán ciertos aspectos de la comprensión indicados para los alumnos de 7 u 8 años (Pág. 169): las propiedades de los materiales varían; a causa de sus propiedades, se utilizan para distintos fines. Otros llegarán a unas ideas más desarrolladas, propias de los alumnos de 11 y 12 años (Pág. 169): las propiedades de los materiales (sólidos, líquidos y gases) pueden explicarse por su composición y estructura; pueden elaborarse materiales manufacturados que tengan las propiedades requeridas. Sin embargo, para todos, la línea de desarrollo en cuestión identifica una de las ideas principales a las que deben contribuir las actividades de los niños con los materiales. En la Figura 5 aparecen otras. Esta forma de describir el currículum constituye un intento de facilitar una estructura suficiente para servir de guía de la planificación de la enseñanza y el aprendizaje, dejando, no obstante, libertad a los profesores 160 para que promuevan el desarrollo de las ideas de acuerdo con la vía de comprensión de los niños. Evita el marco rígido de referencia de “objetivos” en distintos “niveles” que establecen unas etapas de aprendizaje excesivamente cerradas para mantener la coherencia con el tipo de aprendizaje descrito en el capítulo anterior. La forma de expresar estas ideas requiere cierta explicación. Las formulaciones pueden considerarse como enunciados de hecho, por ejemplo: “las plantas y los animales atraviesan ciclos vitales”, pero, si se aprendieran de memoria, esos datos carecerían de significado. Sólo adquieren sentido si surgen de la observación de los ciclos vitales de una serie de vegetales y animales, por ejemplo, germinación de semillas, transplante de plantones, observación de las plantas desarrolladas cuando florecen y aparecen de nuevo las semillas. También se contempla la observación de los ciclos vitales de diversos animales, desde “insectos palo” hasta conejillos de Indias, y el descubrimiento de los de otros mediante fotografías, filmes o libros de referencia. De este modo, unos enunciados aparentemente sencillos suponen la adquisición de gran cantidad de conocimientos adquiridos mediante la investigación, la observación de primera mano y el estudio de fuentes secundarias. Las ideas infantiles en evolución El curso de la comprensión de un niño concreto, siguiendo las líneas de las ideas principales de la Figura 5 es individual, pues depende del sentido que de a sus experiencias dentro y fuera de la escuela y en distintos momentos. Sin embargo, las experiencias de los niños muestran semejanzas evidentes que se reflejan en los aspectos comunes de sus ideas en desarrollo. La investigación ha confirmado esta situación y, en realidad, es sorprendente la gran semejanza de las ideas de los niños de distintas partes del mundo. Los siguientes ejemplos de ideas de niños constituyen una ilustración del curso evolutivo de algunas ideas importantes y prueban ciertas características generales que tienen consecuencias para la enseñanza. Los ejemplos sólo ofrecen una muestra de las líneas evolutivas; puede verse una descripción más detallada en las referencias de las investigaciones y, en especial, en los informes de investigación SPACE Diversidad de la vida Figura 6 La idea básica para la biología de que hay un grupo de seres vivos denominados “plantas” y otro cuyos componentes se denominan “animales”, no es una simple cuestión de definición. Las investigaciones de BELL (1981) EN Nueva Zelanda establecieron que: a menudo, el significado de la palabra “planta” es mucho más restringido para los niños. En una muestra de 29 niños, descubrió que algunos de 10, 13 y 15 años consideraban que un árbol no era una planta. “No; era una planta cuando era pequeño, pero cuando creció, ya no; cuando se hizo un árbol, ya no era una planta” (10 años) Otros niños dijeron que una planta era algo que se cultivaba, por lo que algunos niños de 13 y 15 años consideraban que la hierba y los dientes de león eran maleza, pero no plantas. Es más, casi la mitad de los alumnos entrevistados consideraba que las zanahorias y las coles no eran plantas, sino verduras. Más de la mitad de los alumnos entrevistados pensaba que una semilla no era una materia vegetal. A pesar de haber cursado varios años de ciencias, muchos alumnos de 15 años seguían manteniendo unas ideas tan limitadas como los de 10 años. (OSBORNE y FREYBERG, 1985, Pág. 7) A continuación de las entrevistas individuales, BELL y sus colaboradores realizaron una investigación sobre muestras mucho más amplias de alumnos. La Figura 6 muestra uno de sus hallazgos: los porcentajes de alumnos de diversas edades que consideraban que un árbol, una zanahoria, una semilla y la hierba son plantas. En investigaciones del mismo estilo, sobre las ideas de los niños acerca de lo que son “animales”, se descubrió que: Muchos alumnos sólo consideraban así a los animales grandes, como los que hay en las granjas, en el zoo o en casa, como animales de compañía. Entre las razones para categorizar algo como “animal” o no estaban el número de patas (los animales tienen cuatro), el tamaño (los animales son mayores que los insectos), el hábitat (los animales viven en tierra), su cobertura exterior (los animales tienen pelo) y la producción de sonidos (los animales hacen ruidos). (OSBORNE y FREYBERG, 1985, pág. 30). Evidentemente el uso diario de las palabras ejerce un considerable efecto, particularmente fuerte en el ejemplo siguiente: el concepto de “animal”. BELL y BARKER (1982) realizaron una investigación sobre las ideas de los niños acerca de las cosas que eran animales y de cómo decidían si algo lo era o no, utilizando entrevistas y una encuesta dirigida a sujetos de edades comprendidas entre los 5 y los 17 años. Los resultados mostraron que la idea inicial de los niños acerca de lo que es un animal se restringe a los grandes mamíferos terrestres. Por ejemplo, una elevada proporción de la muestra de niños de 5 años reconoció que la vaca era un animal, elevándose hasta el 100% a los 7 años. Sin embargo, los gusanos y las arañas no fueron considerados animales por las tres cuartas partes de los niños de 9 años y por una proporción ligeramente más elevada de los de 12 años. Sólo la quinta parte de los niños de 5 años de la muestra consideraron que el ser humano es animal y esa proporción se elevó hasta poco más de la mitad entre los niños de 9 y 12 años. Comentando estos hallazgos, OSBORNE (1985) indica que los carteles de las tiendas como “no se permite la entrada de animales” refuerza la adopción de la noción restringida de animal. Lo mismo sucede con el anuncio de “casa de los animales” de un zoológico y la distinción entre animales y peces que tienden a formar parte del uso común de las palabras. Estas formas vulgares de uso de las palabras entran en conflicto con el uso “correcto”, basado en las características compartidas por todos los animales. Y el conflicto puede tener serias consecuencias para la comprensión de los niños si no están seguros del significado de la palabra en un caso determinado. El profesor nada puede hacer para prevenir el uso incorrecto de la palabra en las situaciones corrientes de la vida diaria, pero sí puede actuar para descubrir el significado otorgado a 161 la palabra por los niños. BELL (1981) sugiere que el profesor ayude a los niños a conformar la idea científica de “animal” y, al mismo tiempo, les haga ver que es diferente del significado que se da a la palabra en la vida diaria. Procesos vitales El SPACE projecto Research Repor (1992) facilita un resumen muy útil de la investigación sobre las ideas infantiles en este campo. En general, muestra que las ideas de los niños se desarrollan para dar sentido a sus conocimientos en expansión de las cosas que los rodean y de sus propios cuerpos. Por ejemplo, los niños pequeños toman conciencia de sus vísceras, empezando por le corazón, como órganos diferentes, cada uno de los cuáles tiene una función exclusiva. Más tarde, empiezan a percibir los canales que conectan los órganos, que les permiten trabajar al unísono. En la investigación SPACE, se pidió a los niños que dibujaran un esquema del cuerpo humano que, en su opinión, correspondiera a su propio cuerpo. Se descubrió que los niños dibujan los órganos o partes que se sienten con mayor facilidad: el corazón que late, los huesos que se notan y el cerebro, porque, a esta edad, ya se ha desarrollado la capacidad de reflexión autoconsciente y de conciencia. En general, los órganos que no se sienten, como los riñones, los pulmones o los intestinos, no forman parte de los conocimientos sobre el cuerpo que tienen los niños. (SPACE research report on The Proceses of Life, 1992). Una investigación posterior del equipo de SPACE sobre las ideas de los niños respecto a las condiciones que necesita una planta para crecer puso de manifiesto la influencia de su experiencia cotidiana. Los niños de 6 ó 7 años señalaban que la planta necesitaba agua, tierra o sol, pero pocos mencionaban las tres cosas. Los niños mayorcitos solían sustituir el “sol” por la luz y el calor, aumentando con la edad el número de requisitos. La mayoría consideraba que la función de la tierra en la vida de las plantas consistía simplemente en sostenerlas; muy pocos niños indicaban que la tierra les proporcionara “comida” o las sustancias que éstas necesitaran. eran circulares: utilizamos papel para escribir porque es bueno para escribir sobre él. Da la sensación de que no hace falta ninguna explicación en relación con las propiedades del material, sino que se escogen porque sirven para los fines que se pretenden. Más adelante, se dan cuenta de que el uso que se da a los materiales está directamente relacionado con su experiencia de las propiedades de los distintos objetos. Por ejemplo, la tiza se usa para escribir en la pizarra porque es blanda y blanca; el cristal se aplica a las ventanas porque se ve a través de él; la madera se emplea en las puertas y en los muebles porque es dura, rígida, protege de la lluvia y no se rasga ni se dobla (SPACE research report on Materials, 1990). Así mismo, en relación con los cambios que se producen en los materiales, hay una etapa en la que no parece haber necesidad de explicaciones. Por ejemplo, los niños emplean su experiencia de hallar óxido bajo las burbujas que forma la pintura en las cancelas metálicas o en el cuadro de las bicicletas para concluir que óxido ya estaba bajo la superficie metálica, por lo que no hace falta explicar qué lo provoca. Energía Las investigaciones sobre las ideas de los niños respecto a la luz ponen de manifiesto una notable semejanza en relación con la función del ojo en la visión de las cosas. Los niños que han superado la etapa de creer que los objetos no existen si no los tienen a la vista o si cierran los ojos, describen, sin embargo, el proceso de ver como si sus ojos produjeran la luz que hace que los objetos aparezcan. La Figura 7 muestra el dibujo de un niño de 10 años acerca de cómo se ve una botella encima de una mesa al encender la luz. Materiales Al principio, las ideas de los niños respecto al uso de ciertos materiales para diversos fines 162 Figura 7 En una clase de 26 niños de edades comprendidas entre los 8 y los 11 años, 8 dibujaron flechas desde el ojo a la botella, 4 representaron los rayos de luz con flechas que iban de la botella al ojo y 2 las pintaron en ambos sentidos, como en la Figura 8. Los restantes (12) no representaron ninguna conexión entre el ojo y la botella. Sus respuestas, sin embargo, no dejan lugar a dudas de que utilizaron sus propias explicaciones de la experiencia, no coincidente con la proporcionada por la física. Quizá sea comprensible que se considere el ojo como un agente activo más que como un receptor, pues se ajusta a la experiencia subjetiva de “mirar”. Cuando decidimos mirar algo, notamos que nuestros ojos se dirigen hacia el objeto como si fuesen los agentes activos del proceso y, por tanto, la línea que va del receptor al objeto representa la línea de la mirada. Una variación de esta idea consiste en considerar la presencia de la luz como algo que activa el ojo, como describe la Figura 9. Figura 8. Figura 9. La Figura 10 es característica de las respuestas de una clase de niños pequeños (7-9 años). Todos, excepto 4, de los 27 de la clase representaron la luz expandiéndose hacia el ojo y hacia la botella pero sin conexión alguna entre ambos. Las interpretaciones de la situación hechas por los niños no tuvieron en cuenta la necesidad de que la luz recaiga sobre el objeto y sea reflejada o producida por él, para poder verlo. PIAGET mostró en sus primeros trabajos que los niños de 9 y 10 años no relacionan el comienzo de la oscuridad de la noche con la falta de luz solar, y “explican” la oscuridad describiéndola como noche, algo que llega porque las personas están cansadas y necesitan dormir (PIAGET, 1929). Así, la captación de los niños de la relación existente entre lo que es visto y la persona que lo ve depende de que relacionen diversas ideas referidas a las experiencias cotidianas y de que caigan en la cuenta de las pautas que siguen: que el cielo se oscurece cuando se pone el sol, que cuanto mayor es la cantidad de luz que incide sobre un objeto, más brilla, que si quieres ver algo en una habitación oscura enciendes una luz en ella y no en tus ojos y así sucesivamente. Figura 10. Estos ejemplos sirven para recordar algunas cuestiones señaladas en el capítulo precedente sobre el papel que desempeñan las técnicas de procedimiento en la formación de las ideas de los niños. Las experiencias necesarias para captar la relación entre un objeto y las condiciones en las que es visto pueden basarse en los hechos cotidianos. El desarrollo de la idea depende de la forma que empleen los niños para procesar estas experiencias. Si seleccionan la evidencia a tener en cuenta, puede que sus ideas salgan reforzadas. Por ejemplo, si consideran sólo lo que ocurre cuando miran de un objeto a otro y cuando cierran los ojos, pueden confirmar la noción de que algo sale de los ojos hacia el objeto. Pero si se les pone en tela de juicio esa idea y tratan de explicar la incapacidad de 163 los ojos para ver en la oscuridad o los cambios que se aprecian en un mismo objeto cuando es iluminado con luces de diferentes colores, quizá tengan que emplear ideas alternativas para ajustarse mejor a esta evidencia. Cuanto más se examina una idea aparentemente simple, menos sencilla parece. El primer pensamiento puede haber consistido en la idea de que “ver las cosas implica que la luz llegue desde ella a nuestros ojos”, es muy trivial y puede ser enseñada con una sola frase o, incluso, darse por supuesta. Cuando se piensa más sobre la cuestión se pone de manifiesto que no es así. Cuando tratamos de comprender el origen de las ideas de los niños encontramos cierta “lógica” en ellas, pero únicamente si aceptamos la selección de la evidencia que utilizan y, como ellos, ignoramos otras posibles causas y otros razonamientos. La apreciación de su “lógica”, no obstante, nos lleva a percatarnos de la dificultad de transformar las ideas de los niños. No se trata sólo de ampliar su ámbito de experiencia; tienen que estar dispuestos y preparados para prestar atención a la evidencia que no se ajusta a su perspectiva, para reflexionar sobre ella y relacionar una porción de experiencia con la otra (por ejemplo, que el efecto de la luz del sol y el de una linterna encendida en una habitación oscura están relacionados con la posibilidad de ver las cosas). Pueden sugerirse gran número de actividades distintas relativas a este concepto relacional. Los niños pueden explorar las condiciones en las que son vistos los objetos, tratar de explicar lo que sucede en cada caso, intentar predecir el efecto de los cambios de la luz en su entorno, de la posición del objeto, de la colocación de una pantalla en diversas posiciones. Pueden prestar atención a los ojos que ven: cómo se mueven cuando una persona mira en diferentes direcciones, qué ocurre cuando se cubren con materiales distintos: opacos, traslúcidos o transparentes pero coloreados. Cuando comienzan a comprobar que el ojo es un receptor, puede resultar adecuado para ellos conocer su estructura en los seres humanos y en otros animales, pero el objetivo será el de consolidar y refinar la idea de que la vista implica que la luz llegue al ojo, sin aprender los nombres de las partes que lo componen: cristalino, retina, córnea, etc. Las ideas sobre la función del oído como receptor del sonido se forman antes que las equivalentes en relación con el ojo. Esto puede deberse a que las fuentes de sonido son más evidentes que la fuente de luz 164 constituida por objetos que se ven por reflexión y no porque emitan luz. No obstante, los niños tienen diferentes ideas sobre la transmisión del sonido y la intervención de las “vibraciones”. Con frecuencia, las vibraciones se relacionan con el sonido cuando son directamente observables, pero no en caso contrario. Por ejemplo, un niño de 7 años escribió: Tensé una anilla de goma entre mi dedo índice y el pulgar y la pellizqué con la otra mano. Me di cuenta de que no hace mucho ruido, vibra y me hace daño. Pellizqué una anilla de goma que estaba en una caja. Observé que hace un sonido fuerte y no vibra. Con ella, puedo dar un tono. (SPACE research report onnSound, 1990, pág. 50). Muchos niños distinguen también entre el sonido y la vibración. Describiendo el funcionamiento de un “teléfono de hilo” hecho con tarrinas de yogur y cuerdas, un niño de 10 años escribió: La voz llega a la cuerda y se transforma en vibraciones que la recorren y, al llegar a la otra tarrina de yogur, se transforma de nuevo en voz. (Investigación SPACE no publicada). La investigación sobre las ideas infantiles sobre circuitos eléctricos sencillos ha puesto de manifiesto la persistencia de la representación de una única conexión entre la pila y la bombilla, como muestra la Figura 11 (a), hasta el punto de presentarla incluso niños que saben por experiencia que, en la práctica, no funciona (SPACE research report on Electriciy, 1991). La representación de la Figura 11 (b) supone una idea más sofisticada, pero todavía no distingue la existencia de dos conexiones para cerrar el circuito en la bombilla; la que aparece en la Figura 11 (c) sí lo hace, pero de un modo que no funciona. El informe del equipo de SPACE señala un notable incremento de las representaciones correctas de las conexiones después de actividades en las que, primero, se pide a los niños que describan y dibujen cómo harían las conexiones, después, que traten de llevar a la práctica suplan y, cuando consigan que funcione, comparen lo que han hecho en la práctica y lo que dibujaron al principio. Figura 11. Fuerzas y movimiento La relación entre las fuerzas que actúan sobre un objeto y su movimiento constituye un campo difícil de las ciencias de primaria porque la idea científica aceptada es demasiado antiintuitiva. Por ejemplo, la experiencia cotidiana nos dice que un objeto en movimiento, como un balón que ruede por el suelo, se detiene aparentemente “por sí mismo”, sin que lo pare ningún agente externo. Pero esta idea pasa por alto la fuerza que ejerce el contacto con el suelo y con el aire. Muchas fuerzas como éstas están “ocultas”, incluyendo la importantísima de la gravedad, por lo que los niños las ignoran cuando tratan de explicar por qué se detienen las cosas que se mueven. Por eso, cuando se lanza al aire un balón y asciende, creen que hay una fuerza que lo empuja hacia arriba cuando sube, una fuerza de valor 0 cuando llega al punto más alto y una fuerza que lo empuja hacia abajo cuando cae. GUSTONE y WATTS (185), en su revisión de la investigación sobre las ideas respeto a la fuerza, identificaron algunas “reglas intuitivas”: los niños identifican la fuerza con los seres vivos: son la consecuencia de alguna intención; los objetos en movimiento constante necesitan que una fuerza constante los mantenga en movimiento; sobre los objetos en reposo no actúa ninguna fuerza; sobre un cuerpo en movimiento actúa una fuerza en la dirección del movimiento. Todas esas ideas tienen una cierta lógica en relación con la limitada experiencia cotidiana y muchos alumnos de secundaria y no pocos adultos las conservan. Su aparente carácter de “sentido común” hace difícil su modificación. La flotación es un fenómeno que depende del equilibrio entre las fuerzas que actúan sobre un objeto situado en el agua, pero, a menudo, los niños creen que hay otros factores implicados, como la velocidad del movimiento del objeto y la profundidad del agua. Además, el concepto de lo que “flota” es problemático. Una investigación realizada en Nueva Zelanda (BIDDULPH y OSBORNE, 1984), analizó lo que los niños entienden por flotar utilizando tarjetas con dibujos de diversos objetos en el al gua, algunos flotando y otros no. Las edades de los niños oscilaban entre los 7 y los 14 años y fueron entrevistados individualmente más de 100. Los resultados de las encuestas se contrastaron con una investigación que abarcó una cantidad de niños mucho mayor que confirmó los principales descubrimientos, poniendo de manifiesto lo que parecía una tendencia del desarrollo temporal de las ideas de los niños. Al dialogar sobre los dibujos que mostraban objetos con una parte fuera del agua y otra dentro (una persona que flota con un chaleco salvavidas, por ejemplo), la decisión de los niños acerca de si flotaba o no estaba influida por la magnitud de la porción del objeto que sobresalía del agua y por la que quedaba dentro de ella. Si aparecía por encima de la superficie una proporción considerable del objeto se llegaba a un acuerdo generalizado de que flotaba, pero si sólo sobresalía una pequeña parte (como en el caso de la botella que flotaba con sólo el cuello fuera del agua), muchos niños (42% de la investigación) dijeron que en parte flotaba y en parte se hundía. Un niño de 9 años dijo en la entrevista que “flota y no flota. La parte de arriba flota y la de abajo no”. El movimiento inferido de un objeto también afectaba al juicio sobre su flotación. La mitad de los alumnos pensaban que el yate de la Figura 12 (a) no flotaba y varios de los niños más pequeños afirmaron que la lancha de carreras de la Figura 12 (b) no flotaba porque se movía. Un niño de 8 años dijo: “va de prisa, y flotar es quedarse quieto y flotar alrededor”. Cuando los objetos estaban totalmente sumergidos (como una persona buceando) poco menos de la mitad dijeron que no flotaban. También se preguntó a los niños sobre diversas variables que posiblemente afectasen a la flotación, como el tamaño del objeto o la profundidad del agua. Los resultados muestran una tendencia definida relacionada con la edad. Sólo el 10% de los niños de 8 años pensaban que una vela entera flotaría igual que un trocito de vela. La proporción subía al 30% entre los niños de 10 años y el 65% entre los de 12 años. Sin embargo, aún a los 12 años, la cuarta parte de los niños pensaba que la vela entera flotaría menos que 165 el trozo pequeño. Para investigar el efecto del cambio de la profundidad del agua se mostró a los niños el dibujo de la Figura 13, pidiéndoles que comparasen el nivel de flotación de la motora en aguas someras y profundas, pero sólo la quinta parte de los de 10 y 12 años dieron esta misma respuesta. Alrededor de los dos tercios de los niños de 10 y 12 años dijeron que el nivel de flotación no se vería afectado por la profundidad, pero sólo el 40% de los de 8 años respondieron de igual manera. Entre los objetos del cielo están las nubes, importantes en la evolución de las ideas de los niños sobre el tiempo meteorológico. Si no se tienen en cuenta las ideas de los niños sobre la evaporación y las nubes, los intentos de ayudarles a comprende el ciclo del agua pueden provocar confusión. Los niños pequeños no ven la necesidad de explicar por qué cae agua cuando llueve –“porque si” (SPACE research report on Condensation and Evaporation). Más tarde, algunos se dan cuenta del efecto del Sol, pero le confieren un papel muy activo, como en la Figura 14. Figura 12. Flotar: a, yate en dificultades; b, lancha rápida, a toda velocidad (en BIDDULPH y OSBORNE, 1984) Figura 13. Motora que flota en el lago (en BIDDULPH y OSBORNE, 1984). Los resultados de esta investigación pudieron ser rápidamente comprobados por los profesores, comentando de modo informal ejemplos de flotación con sus propios alumnos. Quienes lo hicieron, quedaron sorprendidos por la semejanza de sus resultados con los obtenidos por los investigadores neozelandeses. Comprobaron, así mismo, lo fácil que es no percatarse de las diferentes interpretaciones infantiles de lo que significa flotar. La Tierra y su lugar en el universo Las ideas primitivas de los niños sobre el movimiento del Sol y la Luna se derivan de sus percepciones de los rápidos movimientos de las posiciones de estos cuerpos provocadas por el propio movimiento del niño de un lugar a otro. Si se mantienen a la sombra de un árbol, el Sol parece quedar detrás del árbol; si salen de la sombra, parece que el Sol ya no está detrás del árbol; el hecho de que vean el Sol en todo momento les da la idea de que les sigue. Los niños mayorcitos distinguen este movimiento rápido e irregular aparente de las pautas regulares del movimiento día a día, aunque las interpreten inevitablemente como un movimiento del Sol alrededor de la Tierra. 166 Algunos, incluso, ¡lo representan como una especie de pajilla que va del Sol al agua! Para algunos niños, las nubes desempeñan este activo papel, permanentemente dispuestas a recibir el agua evaporada: Cuando se evapora, va a una nube; después, la nube se va a algún sitio y, más tarde, se cae como lluvia. Está así hasta que se vacía y la nueve se va a otro sitio con agua y hace lo mismo. La nube es como un imán, de manera que el agua atraviesa unas grietas y sube; eso es lo que yo creo. (SPACE research report on Condensa and Evaporation, 1990, pág. 30) Características generales de las ideas infantiles Estos ejemplos no suponen una revisión formal de la investigación, pero reflejan ideas halladas por distintos investigadores que han trabajado en contextos diferentes. Estas semejanzas indican que las ideas son productos del razonamiento y no de la imaginación de los niños. Este punto de vista se apoya en el estudio de las ideas y en la apreciación de que, una vez que los niños ven la necesidad de explicar las cosas, basan sus ideas en sus experiencias con ellas. No obstante, en sus ideas, aparecen diversas incongruencias que se desprenden de una o más de las circunstancias siguientes: • Sus experiencias son, necesariamente, limitadas y, en consecuencia, las pruebas de que disponen son parciales: es fácil que crean que el óxido está en los metales si sólo le prestan atención cuando aparece debajo de la pintura o estropea los cromados; • Los niños prestan más atención a lo que perciben con sus sentidos que a la lógica que pueda indicarles una interpretación diferente: si parece que el Sol se mueve a su alrededor y los sigue, piensan que así sucede; • Sobre todo los niños pequeños se centran en una característica como causa de un efecto concreto, sin reparar en la posibilidad de que intervengan varios factores, como ocurre en relación con las condiciones necesarias para que los seres vivos crezcan de manera saludable; • Es fácil que el razonamiento que utilicen no resista la comparación con el razonamiento científico: si utilizaran sus ideas con auténticos fines de predicción, tendrían que rechazarlas, pero, en realidad, “predicen” lo que saben que se ajusta a su idea; • Utilizan ciertas palabras sin comprender su significado: hemos visto que así ocurre con “flotación”, “vibración” y “evaporación”, pero podríamos aducir muchos más casos; • Pueden aferrarse a sus ideas previas aunque tengan pruebas en contra porque no sean capaces de hacerse con una visión alternativa que tenga sentido para ellos; en tales casos, adaptan su idea para que se ajuste a las pruebas, en vez de abandonarla, como en el caso de la idea de que “la luz enciende el ojo”. contrario, según indican las investigaciones, es probable que los alumnos aprendan de memoria las ideas “correctas”, con el fin de satisfacer las exigencias de la escuela y aprobar los exámenes, sin influir en absoluto en las ideas previas (OSBORNE y FREYBERG, 1985). Por tanto la principal consecuencia para la enseñanza consiste en que han de tomarse como punto de partida esas ideas que a los alumnos les parecen racionales. El cometido del profesor cuando se plantea la introducción de un tema, teniendo presente la evolución de algunas ideas importantes, es, ante todo, descubrir las ideas previas de los alumnos sobre el tema. Esto puede hacerlo incluyendo algunas actividades específicas en la “puesta en escena” o introduciendo ciertas actividades que pudieran formar parte del punto de partida normal de un tema, aunque diseñadas de manera que pongan de manifiesto las ideas de los alumnos. En otro capítulo (Capítulo IX) proponemos algunas técnicas concretas, pero ya hemos dado aquí ciertas indicaciones al respecto en los ejemplos anteriores de este capítulo; por ejemplo, pedir a los alumnos que dibujen lo que les parezca la causa de que suceda algo, que escriban sobre ello o, más a menudo, que hablen del tema en pequeños grupos estructurados o en una sesión de diálogo de toda clase. Manifestadas las ideas, el siguiente paso consiste en descubrir un modo adecuado para responder a ellas. No hay ningún método para hacerlo, pero sí disponemos de un conjunto de estrategias de entre las que seleccionar la más conveniente para una situación concreta. La elección dependerá del diagnóstico acerca de lo que más influya en el pensamiento de los niños. Por ejemplo: • Si es posible combatir una idea poniendo a prueba una predicción fundada en ella, se puede ayudar a los alumnos a formular esa predicción y a planear una prueba “adecuada” de la misma. Es fácil que esto suponga ayudar a los alumnos a que utilicen correctamente las destrezas de procedimiento, pues es probable que, la aplicación previa de unas destrezas de procedimiento rigurosas que llevara a los alumnos a hacerse una idea, fuera un fracaso; • Si una idea se deriva de un reducido conjunto de pruebas (como en el caso del óxido dentro del metal), la estrategia consistiría en facilitar más pruebas; • Si la utilización de las palabras es sospechosa, convendrá pedir a los Consecuencias para la enseñanza La evidencia de que los niños llegan por su cuenta a estas ideas y de que tienen sentido para ellos, dentro de los confines de su corta experiencia y de sus limitadas formas de razonamiento, significa que, en la enseñanza, no se puede prescindir de tales ideas. De lo 167 alumnos que pongan ejemplos y contrajemplos del significado que dan al vocablo en cuestión. Estas estrategias, que exponemos con detalle en el Capítulo VII, no se excluyen mutuamente. Es probable que la primera – ayudar a los alumnos a poner a prueba sus ideas- sea la más potente y, por tanto, la más utilizada, pero hay ocasiones en donde la discusión sobre las palabras y la ampliación de la experiencia (buscando más pruebas) tengan su sitio. Al planear cómo ayudar a los alumnos a desarrollar sus ideas, conviene tener presente que: • Lo más probable es que su experiencia directa, a través de sus sentidos, les haya llevado a la interpretación que hacen, por lo que éste es también el mejor medio para que se convenzan de la necesidad de modificar o revisar sus ideas. Por tanto, aunque puedan introducirse ideas alternativas procedentes de libros u otras fuentes secundarias, debe procurarse, siempre que se pueda, la experiencia de primera mano; • Las ideas de los niños más pequeños pueden parecer más “correctas” que las de los mayorcitos. Esto no se debe a una marcha atrás, sino a la consecuencia de la confusión suscitada por la mayor complejidad de la experiencia a medida que crecen. Por ejemplo, es fácil que un niño pequeño llame “animales” a todos los animales que conozca, pero, más adelante, cuando aprenda las palabras “insecto”, “mamífero”, etcétera, surgirá la confusión con respecto a lo que sea un animal; • Los niños puede que tengan una idea “locamente correcta” sobre un fenómeno en un contexto, pero no se den cuenta de que la misma explicación sirve en un contexto diferente. Por ejemplo, la evaporación del agua de la ropa tendida puede explicarse en términos de que el agua “va al aire”, mientras que la desaparición del agua de los charcos se atribuya únicamente a la absorción del suelo. Todos estos aspectos subrayan el mensaje de que el impulso de las ideas principales señaladas en la Figura 5 requiere, en relación con cada una de ellas, una amplia lista de experiencias. Probablemente, sea mejor no afrontarlas todas a la vez, sino agruparlas en conjuntos de dos o tres y ocuparse de ellos en 168 el transcurso de uno o dos años o, quizá, incluirlos en otros temas, porque es obvio que los tipos de actividades que hemos presentado abarcan otras muchas ideas. A menudo, es preferible la revisión y desarrollo progresivo de las ideas a dedicarles un único período prolongado de tiempo. Las interconexiones entre unas ideas y otras significan que es mejor dar pequeños pasos en relación con varias, volviendo sobre cada una más tarde, que tratar de avanzar mucho en una, aislada de las demás. Es algo así como tratar de elevar una plataforma pesada con varios gatos: hay que elevarlos todos a la vez, poco a poco, para mantener la estabilidad. Esta analogía es muy adecuada, porque nos recuerda que no debemos forzar demasiado la evolución de las ideas y destrezas de los niños. Es un proceso lento y conviene mantener un equilibrio razonable entre las ideas del niño y su experiencia, porque le hace confiar en que puede dar sentido al mundo que lo rodea y le motiva para hacerlo. Más adelante, a medida que amplíe su experiencia, como debe ocurrir, tratará de relacionar sus ideas con nuevos problema y de modificarlas cuando sea preciso. Surge la cuestión de la importancia del modo de pensar y razonar los alumnos sobre sus experiencias. Los niños no adquieren ideas científicas sino en la medida en que desarrollen destrezas científicas de procedimiento.