Modelos y Sistemas

1.1.1. Resaltar los conceptos y características de los sistemas

Un sistema es aquello que funciona como un todo por la interacción de las partes organizadas que lo componen. De este modo, las partes constituyen la unidad. Los componentes interdependientes están conectados mediante la transferencia de energía y materia, con la unión de todas las partes y la interconexión de unas con otras.  Ejemplos de sistemas con niveles crecientes de complejidad incluyen las partículas, los átomos, las moléculas, las células, los sistemas orgánicos, las comunidades, los ecosistemas, los  biomas, la Tierra, el Sistema Solar, las galaxias y el universo. El enfoque sistemático central en el programa ESS hace hincapié en las semejanzas en las formas en las que la materia, la energía y la información se unen en una variedad de disciplinas diferentes como la ecología, la economía, la geografía y la política. Por lo tanto, este enfoque permite observar distintas disciplinas desde el mismo punto de vista y que se produzcan uniones entre ellas. Aunque las partes individuales de un sistema complejo pueden verse de forma independiente, como pasa normalmente en el caso de la investigación científica (el enfoque reduccionista), esto ignora la manera en la que estos sistemas operan como un conjunto; un enfoque holístico es necesario para comprender completamente la manera en la que operan juntos.

Los sistemas consisten en:

• Depósitos (de materia o energía).
• Flujos (entradas al sistema, salidas del sistema).
• Procesos (que transfieren o transforman energía o materia).
• Mecanismos de retroalimentación que mantengan la estabilidad y el equilibrio.

Los sistemas de diagramas consisten en:

• Cuadros que muestran depósitos, en el dibujo 1.1, la biomasa del árbol, es decir, la materia biológica
• Flechas que muestran flujos, entrantes y salientes de los depósitos.

Además,  el diagrama puede ser completado con procesos en cada flecha. Procesos incluidos en este ejemplo serían:

• Fotosíntesis, transformación de dióxido de carbono (CO2), agua (H2O) y luz en biomasa y oxígeno (O2)
• Respiración, transformación de la biomasa en dióxido de carbono y agua
• Difusión, permite el movimiento de nutrientes y agua en el interior del árbol
• Consumo, transmisión de tejido, es decir, biomasa, de un nivel trófico a otro

El programa ESS se centra especialmente en los ecosistemas, aunque el enfoque sistemático puede aplicarse igual a otros aspectos del programa, incluyendo tanto a los sistemas sociales y de valores, como a los sistemas económicos.

1.1.2. El concepto de sistemas en un rango de escalas

El concepto de sistemas puede aplicarse a través de un rango de escalas. Podemos verlo si observamos, por ejemplo, un ecosistema. 

Un ecosistema es una comunidad biológica de organismos interdependientes  y el medio físico en el que habitan. Los ecosistemas se diferencian dependiendo de los tipos de especies que encontremos en ellos y de los entornos físicos y climáticos que se observen. Un ecosistema podría ser por lo tanto de cualquier tamaño  hasta mundial. 

Los ecosistemas debidos a condiciones climáticas similares en diferentes partes del mundo son normalmente llamados biomas. Ejemplos de distintos biomas son la tundra, la selva tropical y el desierto.

TIPOS DE SISTEMAS

Sistemas cerrados: la energía, y no la materia, se intercambia a través de los límites del sistema (Dibujo 1.2b). Como ejemplo tomamos los átomos, las moléculas, y sistemas mecánicos. La Tierra puede considerarse un sistema cerrado: entrante = radiación solar (energía solar o luz), saliente = energía calorífica. La materia se recicla en el sistema. Aunque se puede considerar que las naves espaciales y los meteoritos producen movimientos de pequeñas cantidades de materia dentro y fuera de la Tierra por lo general, estos no se tienen en cuenta.

Sistemas aislados: ni la energía ni la materia se intercambian a través de los límites del sistema (Dibujo 1.2.c). Estos sistemas no existen de forma natural, aunque se puede pensar en el universo entero como un sistema aislado.

Un sistema abierto intercambia tanto energía como materia con lo que lo rodea, un sistema cerrado intercambia energía, pero no materia y un sistema aislado no intercambia nada con el medio que lo rodea.


                                            

1.1.3. Las leyes de la termodinámica y los sistemas medio ambientales

La energía existe en variedad de formas (ej. Luz, calor, química, electricidad y cinética). Puede  transformarse de una forma a otra pero no puede ser creada o destruida. Cualquier forma de energía puede convertirse en otra, pero el calor solo puede convertirse en otra forma cuando hay una diferencia de temperatura.

El comportamiento de la energía en los sistemas viene definido por las leyes de la termodinámica. La primera ley establece que la energía ni se crea ni se destruye, sólo puede transformarse. Esto significa que la energía total de cualquier sistema, incluyendo el universo, es constante y todo lo que puede pasar son cambios en la forma que tome la energía. Esta ley también se conoce como “la ley de conservación de la energía”. En los ecosistemas, la energía entra al sistema en forma de luz solar, se convierte en biomasa mediante la fotosíntesis, pasa a través de las cadenas alimenticias como biomasa, es consumida, y finalmente abandona el ecosistema en forma de calor. Ninguna nueva energía ha sido creada durante el proceso, simplemente se ha transformado y pasado de una forma a otra. El calor se libera debido a la ineficiente transferencia de energía (como en todos los demás sistemas).

La energía disponible se utiliza para hacer  trabajos, tales como el crecimiento, el movimiento y el montaje de moléculas complejas.  Aunque la cantidad total de energía en un sistema no cambia, la cantidad disponible de energía sí (Dibujo 1.3). La transformación y transferencia de energía no es eficiente 100%: en cualquier transformación de energía hay menos energía aprovechable al final del proceso que al principio. Esto significa que hay una disipación de energía que no estará disponible para realizar el trabajo. La segunda ley de la termodinámica establece que la energía pasa de un estado concentrado (ej. El Sol) a un estado disperso (en última estancia el calor): la disponibilidad de energía para realizar el trabajo por lo tanto disminuye y el sistema se vuelve cada vez más desordenado.

La energía es necesaria para crear un orden (ej. Mantener unidas moléculas complejas). Por lo tanto, como existe menos energía disponible, aumenta el desorden (entropía). En cualquier sistema aislado, la entropía tiende a incrementarse espontáneamente. El universo puede considerarse un sistema aislado en el que la entropía está en crecimiento constante, por lo que finalmente en millones de años, no existirá más energía disponible. Los sistemas naturales realmente no pueden ser aislados porque siempre debe haber una entrada de energía para trabajar

1.1.4. La naturaleza del equilibrio

Los sistemas abiertos tienden a poseer un estado de armonía entre los componentes del sistema, se encuentran en un estado de equilibrio. 

El equilibrio permite a los sistemas volver a su estado original tras una perturbación inicial. A continuación, se describen dos tipos de equilibrio.

EQUILIBRIO EN ESTADO CONTÍNUO/CONSTANTE/ESTACIONARIO

El equilibrio dinámico es la propiedad más común de la mayoría de los sistemas abiertos en la naturaleza. A pesar de las constantes entradas y salidas de energía y materia, la total estabilidad del sistema permanece intacta.  Las fluctuaciones en el sistema se dan alrededor de una trayectoria fija, y la derivación por encima o por debajo de esta trayectoria da lugar a un retorno hacia la misma. 

La estabilidad de esta forma de equilibrio significa que el sistema puede volver a un estado estable tras el disturbio; por ejemplo, la recuperación de la cubierta forestal cerrada en la selva tropical tras la muerte de la copa del árbol durante todo el proceso de sucesión. Los mecanismos homeostáticos en animales (ej. El control de la temperatura) mantienen las condiciones corporales en un estado constante, un alejamiento del estado constante da lugar a una vuelta al equilibrio.  El término “equilibrio dinámico” es usado en algunas ocasiones para describir este fenómeno, pero no será usado en esta materia.

                     EQUILIBRIO ESTÁTICO

En el caso del equilibrio estático no hay entrantes y salientes de materia y energía y con el tiempo tampoco se produce ningún cambio en el sistema.

Objetos inanimados como una silla o una mesa están en equilibrio estático. Los sistemas no naturales están en equilibrio estático porque todos tienen entrantes y salientes de energía y materia.

EQUILIBRIO ESTABLE E INESTABLE

Si un sistema vuelve al equilibrio original después de un disturbio, se dice que es estable. Los sistemas que no vuelven a recuperar el equilibrio inicial pero forman uno nuevo son descritos como inestables .

1.1.5. Retroalimentación positiva y negativa

Los sistemas homeostáticos en animales requieren mecanismos de retroalimentación para que vuelvan a su estado constante inicial. Esto también es cierto para todos los demás sistemas. Tales mecanismos permiten a los sistemas controlarse a ellos mismos . El ciclo de la retroalimentación puede ser positivo o negativo.

RETROALIMENTACIÓN POSITIVA

La retroalimentación positiva se da cuando un cambio en el estado del sistema conlleva a un aumento de cambios y algunos cambios adicionales. Por tanto, un aumento en el tamaño de una o más de una de las salidas del sistema repercute en el sistema y da lugar a un cambio auto sostenido que altera el estado de un sistema alejándolo de su equilibrio original y llevándolo hacia la inestabilidad. Por ejemplo, el aumento de la temperatura a través del calentamiento global derrite más hielo en los casquetes polares y glaciares, lo que supone un descenso en el albedo de la Tierra (la reflexión de la superficie terrestre). La Tierra absorbe más energía solar que provoca un aumento de las temperaturas aún mayor, lo que lleva a que se derrita más hielo. El crecimiento exponencial de la población es también un ejemplo de retroalimentación positiva.

  RETROALIMENTACIÓN NEGATIVA

Los mecanismos de retroalimentación negativa se centran en la reducción del efecto de uno de los componentes del sistema. Este es un mecanismo auto regulador de control que tiene como resultado el mantenimiento de un estado constante de equilibrio. Por ejemplo, un incremento en la temperatura del cuerpo humano conlleva un aumento de la liberación de sudor y la vasodilatación, así aumenta la evaporación del sudor  de la piel. Esto enfría el cuerpo y vuelve a su equilibrio original. De forma similar, el aumento de la liberación de dióxido de carbono a través de la combustión de combustibles fósiles produce una mejora en el crecimiento de las plantas debido al incremento que se produce de la fotosíntesis. Esto reduce los niveles atmosféricos de dióxido de carbono. Los mecanismos de retroalimentación negativa son una fuerza de estabilización dentro de los sistemas.  Estos contrarrestan la derivación. Consideramos, por ejemplo, los efectos de una tormenta en una selva tropical. Si el viento derriba un árbol dejando un hueco en la cubierta forestal, esto permite que llegue más luz al suelo del bosque. Esto fomenta nuevos crecimientos: el ritmo de crecimiento es más rápido conforme aumentan los niveles de luz, por lo que los jóvenes árboles nuevos compiten para ocupar el lugar del viejo árbol en la cubierta y el equilibrio se restablece.

1.1.6. Procesos de transferencia y transformación

La materia y la energía se mueven a través de los sistemas. Si el movimiento no implica un cambio de forma o estado, hacemos referencia a la transferencia, pero si el movimiento implica un cambio de forma o estado, estamos hablando de transformación. Ambos tipos de movimiento utilizan la energía: la transferencia es más simple por lo que se usa menos energía y es más eficiente que la transformación.

La transferencia normalmente fluye a través del sistema e implica un cambio en la ubicación. Por ejemplo, la energía fluye de un nivel trófico al siguiente mediante el consumo de biomas.

La transformación o conduce a una interacción dentro del sistema en la formación de un nuevo producto final, o conlleva un cambio de estado. Usando el agua como ejemplo, la escorrentía es un proceso de transferencia y la evaporación es un proceso de transformación. En los procesos de putrefacción, la materia orgánica muerta de un lago es un ejemplo de un proceso de transferencia, pero la descomposición de esta materia es un proceso de transformación. La energía se transforma en ecosistemas: la energía solar se transforma en energía química mediante la fotosíntesis y de energía química a cinética y energía calorífica mediante la respiración.

EJEMPLOS DE TRANSFERENCIA

    

EJEMPLOS DE TRANSFORMACIÓN

  

                                      

1.1.7. Flujos y depósitos

Tanto la materia como la energía fluyen a través de un sistema en forma de entrantes y salientes. A veces tanto la energía como la materia son almacenadas en forma de existencias o reservas. En los ecosistemas, la energía entra en forma de energía solar, transformada por la fotosíntesis en enlaces químicos, y luego sale como energía calorífica tras la respiración. La materia fluye de un nivel trófico al siguiente a través del consumo de tejidos y se recicla mediante la descomposición y la putrefacción.

El tamaño relativo de los flujos y depósitos puede mostrarse mediante diagramas, por ejemplo la anchura de las flechas se puede establecer  proporcionalmente a la cantidad de flujos usando flechas más anchas cuanto mayor sean los flujos.

Los ecosistemas podrían tener diversos depósitos unidos por variedad de flujos. El carbono, por ejemplo, está continuamente realizando un ciclo en la tierra, los océanos y la atmósfera.

1.1.7. Modelos y flujos de almacenamiento

Un modelo es una descripción simplificada creada para mostrar la estructura o tareas de un objeto sistemático o un concepto. Los modelos pueden usarse para ilustrar los flujos, los depósitos y las uniones dentro de los ecosistemas

Dibujo 1.12 Los modelos de los ecosistemas son versiones simplificadas de la realidad. Pueden revelar bastante información sobre los procesos fundamentales en el ecosistema y mostrar los vínculos esenciales, pero no son capaces de mostrar mucho sobre la complejidad presente en los sistemas reales.

Las flechas en las cadenas alimenticias representan el flujo de energía. Pueden usarse diferentes formas para representar las fuentes de energía, el productor y los consumidores. La energía se disipa (se pierde) a través de la cadena alimenticia a medida que las especies de cada nivel trófico usan algo de energía para la respiración y a la vez son liberadores de calor que llegan como subproductos (residuos)  al medio ambiente. De este modo, cuando la energía va pasando a través de la cadena alimenticia, la cantidad de energía disponible disminuye.

1.1.8. Evaluación de los modelos

Los modelos podrían ser a efectos prácticos parecidos a un acuario o un terrario, modelos informáticos o diagramas. Aunque están destinados a representar  sistemas reales, en la práctica algunos modelos requieren técnicas de aproximación para que puedan ser usados. Por ejemplo, los modelos de predicción de los sistemas del tiempo podrían dar muchos resultados diferentes. Por el contrario, un acuario podría ser un ecosistema relativamente simple pero que demuestra muchos conceptos ecológicos.

Las ventajas de estos modelos son:

• Permiten a los científicos predecir y simplificar sistemas complejos.
• Los entrantes pueden cambiarse y los resultados ser examinados sin tener que esperar a los sucesos reales.
• Los resultados pueden mostrarse a otros científicos y a la sociedad.

Las desventajas de tales modelos son:

• Puede que no sean precisos: los modelos climáticos son enormemente complejos en cuanto al número de factores implicados en los sistemas atmosféricos, la precisión se pierde en el proceso de simplificación excesiva.
• Se basan en la experiencia de las personas que los realizan.
• Distintas personas pueden interpretarlos de maneras diferentes.
• Los intereses particulares podrían apoderarse de ellos con fines políticos.
• Cualquier modelo es tan bueno como los datos que se introducen y estos podrían crear dudas.
• Diferentes modelos podrían mostrar efectos distintos utilizando los mismos datos.

En particular, le complejidad y la simplificación excesiva de los modelos climáticos ha llevado a la crítica de estos modelos.