Waldo Quiroz Venegas - Naturaleza de la Ciencia para Todos

A distintos niveles podemos encontrar sistemas, tanto a nivel atómico molecular hasta el nivel del sistema solar, galaxias, cúmulos de galaxias. Tal como un árbol proyecta ramas, la naturaleza nos entrega distintas ramas en distintos niveles los cuales son todos sistemas, lo que intenta representar igualmente la Figura 2.

Es muy simple darse cuenta que estamos ante un sistema y no ante un conjunto. Así por ejemplo, cuando usted era niño y jugaba a las canicas, en su bolsillo usted tenía un conjunto de canicas, estos no eran un sistema por cuanto la presencia de una canica no afectaba en ningún aspecto la presencia de otra. Sus propiedades no se modifican en absoluto ya sea que usted tenga una o mil canicas. Si me permite la analogía de las canicas con los átomos (perdonen mis colegas químicos de profesión, pero esto tiene un propósito loable), en el caso de una molécula los átomos no son simples canicas formando un conjunto sino que estos están interaccionando ya que muchas de las propiedades de los átomos individuales se alteran al formar moléculas.

Para ejemplificar lo anterior basta con decir que un átomo aislado no vibra, sin embargo, cuando interacciona con otro formando una molécula, este podría vibrar. Sus electrones más internos cambian levemente su nivel de energía, pero sus electrones con los cuales forma los enlaces químicos cambian su distribución espacial y contribuyen a estabilizar este nuevo sistema, es decir, se hibridan como dirían los físicos y químicos cuánticos.

En la medida en que los objetos interaccionan para formar sistemas emergen algunas propiedades nuevas como también otras propiedades desaparecen. Así, por ejemplo el humano cuando está solo tiene la característica de disponer completamente de su tiempo. Sin embargo, cuando este se compromete, “pierde” esa libertad, pero emerge en él la capacidad de amar, reproducirse y comunicarse, procesos que no pueden hacerse solos. Acá tenemos entonces un claro ejemplo de propiedades emergentes y propiedades que se extinguen en la formación de un sistema.

En toda la naturaleza podemos ver el mismo patrón. El funcionamiento de una colmena es uno de los casos más maravillosos respecto de cómo interaccionan las partes (hormigas o abejas) para poder formar un sistema muy eficiente el cual es capaz de recolectar alimento para el invierno, cuidar huevos, crear puentes para sortear un obstáculo, reproducirse, etc., todo un sistema social.

Comprender que la naturaleza está estructurada en base a sistemas y que estos se manifiestan a distintos niveles (observable o inobservable, micro, macro o cosmológico) es fundamental para entender la actividad científica. Es evidente que para conocer la naturaleza, por lo tanto, es muy importante relacionar las partes de los sistemas que la componen, como además entender cómo interaccionan estas partes.

Para el caso de las hormigas, es muy importante conocer las propiedades de una hormiga aislada, como también conocer cómo esta interacciona con otras de su especie para sobrevivir y formar estos sistemas tan maravillosos que son sus colmenas, con sus propiedades que emergen cuando ellas interaccionan, cuando se dan sus relaciones de cooperación, de liderazgo, sumisión, su división de tareas.

Ningún objeto natural está aislado, estos se encuentran en estrecha relación con otros objetos materiales. Por ejemplo, el árbol se encuentra en estrecha relación con el sol, el aire, el suelo y el agua, de lo contrario moriría en poco tiempo. El árbol forma parte por lo tanto de un sistema, mejor llamado “ecosistema terrestre”, que quiere decir que el árbol es un objeto material que se relaciona con otros objetos materiales en un entorno en donde la relación común de todos ellos es en general la corteza terrestre. Esto es necesario por cuanto el árbol requiere como mínimo intercambiar materia y energía con su entorno, intercambia materia con el aire absorbiendo su CO2 y con el suelo absorbiendo agua y nutrientes, intercambia energía con el sol absorbiendo sus fotones y de pasada nos entrega O2, semillas y frutos.

Todo objeto material forma parte de sistemas y la ciencia nos muestra que eso es un patrón natural. Usted y yo como objetos materiales formamos parte de una familia, de un sistema social, económico y de un sistema “alimenticio” llamado cadena trófica. Desde un objeto tan pequeño como un átomo el cual forma parte de un cristal o de una molécula a través de fuerzas atractivas y repulsivas, hasta un objeto tan grande como una estrella la cual forma parte de un sistema planetario y de una galaxia unidos mediante un campo gravitatorio, no existen objetos que no intercambien al menos algo de energía con otros. La realidad, el universo, la naturaleza por lo tanto es sistémica. En la Figura 3 se muestran esquemas de 3 sistemas muy conocidos, un ecosistema a la izquierda, un sistema de juego de fútbol al centro y un esquema de un sistema de un cristal de diamante.

Como mencionamos anteriormente, un ecosistema es un sistema en sí donde los seres vivos e inertes se relacionan entre sí mediante el intercambio de masa y de energía.

Ahora bien, el sistema 4-4-2 del fútbol en la Figura 3 es un sistema por que los jugadores se mueven en bloque, mientras unos atacan otros defienden. Los mediocampistas se relacionan con los delanteros mediante pases-gol y a la vez con los defensas ya sea cubriendo los espacios o rotando el balón. Si cada jugador actuara por su cuenta, el equipo sería un caos y probablemente perdería.

Figura 3. Sistemas naturales y artificiales. A la izquierda tenemos un ecosistema terrestre, en el centro un sistema de juego futbolístico y a la derecha un sistema cristalino. (Fotografías de http://commons.wikimedia.org)

Finalmente en un diamante hablamos de un sistema, puesto que los átomos que lo componen interaccionan dándole una geometría especial que le entrega una alta dureza, elevados puntos de fusión y una alta rigidez.

Por otra parte, si analizamos un objeto individual independiente del sistema donde este se encuentre, nos damos cuenta que el objeto material es en sí mismo un sistema también. Por ejemplo usted y yo no sólo formamos parte de los sistemas anteriormente descritos sino que nuestro cuerpo humano es un sistema por sí solo. Somos un sistema compuesto de órganos como el corazón, pulmones, hígado, riñones, cerebro. Estos órganos deben intercambiar energía, gases, nutrientes, impulsos eléctricos, hormonas, etc., para sustentar nuestro ser. Evidentemente que este sistema maravilloso como el cuerpo humano debe interaccionar con el exterior para nutrirse, pero el punto es que distintos objetos materiales estrechamente relacionados conforman nuestro cuerpo.

Los órganos del cuerpo por sí solos también son sistemas, específicamente estamos hablando de sistemas celulares, los cuales al interaccionar generan las propiedades del órgano en cuestión. Por ejemplo el tipo de células que conforman al corazón le dan la capacidad de bombear sangre, el tipo de célula del cerebro le da la capacidad de transmitir impulsos eléctricos y generar el aprendizaje, la creatividad, la memoria. Lo mismo podemos afirmar para los pulmones, hígado y riñones.

Aunque parezca majadero podemos seguir con este jueguito de analizar sistemas de sistemas. Las células son sistemas macromoleculares tales como capas de lípidos, proteínas y estas mismas moléculas son sistemas atómicos y estos átomos son sistemas de partículas sub-atómicas como electrones, protones, neutrones.

¿Hasta dónde podemos seguir con el tema de los sistemas? Los últimos adelantos de la ciencia nos dicen que los protones y neutrones están formados de sistemas de quarks y que estos estarían formados a su vez por cuerdas, aunque tengo entendido que aún no hay evidencias de que estas últimas existan. Los que no somos físicos de partículas podemos entender esto mucho mejor a través de animaciones computacionales.