Los sistemas vivos y las ciencias de las complejidades. Relación

MEDISAN 2004;8(3):39-45
REVISIONES
Instituto Superior de Ciencias Médicas
LOS SISTEMAS VIVOS Y LAS CIENCIAS DE LAS COMPLEJIDADES. RELACIÓN ENTRE SOMA
Y RED BIOLÓGICA
Lic. Mauricio de Jesús Pichín Quesada, 1 Dra. Andrea Olimpia Fariñas Salas 2 y Dra. Sochi Margarita
Miyares Quintana 3
RESUMEN
La primera ciencia de la complejidad que se acercó a la vida como fenómeno
universal fue la termodinámica clásica, pero no lograba explicar completamente
los fenómenos asociados a la vida misma, debido al carácter lineal de su
estructura matemática, que imposibilitaba describir los sistemas alejados del
equilibrio termodinámico (esto último considerado la primera gran característica
de los organismos vivos como sistemas); lo más que tal ciencia podía esclarecer
eran aquellos procesos delimitados por flujos débiles cercanos al equilibrio, en los
cuales el sistema termodinámico alcanzaba un estado estacionario con una
generación de entropía mínima (medida del desorden de un sistema), que
mantenía a este muy próximo al equilibrio.
Descriptores: DINÁMICAS NO LINEALES; FRACTALES; TEORÍA DEL CAOS
Límite: HUMANO
les entre los componentes que conforman los
Se tornó indispensable una nueva visión de
patrones sistémicos, de manera que es posible
la realidad que tuviera en cuenta el carácter
estudiarlos desde la conducta del todo dináno lineal de la conducta de interconexión e inmico, conocido como patrón de organizaterdependencia de estos sistemas, debido a
ción, que se basa en la configuración de relaque estamos rodeados en el mundo real por
ciones entre los elementos que componen el
un comportamiento similar en una gran parte
sistema. Del mismo modo que, en el lenguaje,
de todo el universo; así surgió, en la Física, la
la letra de una palabra no tiene nada que ver
Teoría de los Sistemas Dinámicos (porque
con el significado de esta, los átomos y moléestán sujetos a movimientos y cambios consculas que constituyen una célula no determitantes) no Lineales, y el lenguaje matemático
nan sus cualidades. Estos patrones sistémicos
asociado a ella, conocido como Matemáticas
conforman la red, y al ser analizado el sistema
de la Complejidad.
mediante técnicas matemáticas, se logra reLa Teoría de Sistemas Dinámicos no Livelar su comportamiento en gráficos de curvas
neales y sus ramas más importantes: la Teoy diagramas que posibilitan acceder a su conría del Caos y la de Fractales, en realidad
ducta. 1
constituyen teorías matemáticas -- cuyo aparato es aplicable a una amplia gama de fenóLa Teoría de los Sistemas Dinámicos no
menos de la naturaleza -- que enfatizan su
Lineales se fundamente en el estudio de la
abordaje sobre las cualidades de los sistemas,
estabilidad, inestabilidad y periodicidad o no
lo cual marca un viraje radical en el análisis
periodicidad de las soluciones para las ecuacientífico, que deja de ser cuantitativo porque
ciones que describen la condición de los siscentra su atención en las relaciones funcionatemas dinámicos no lineales. 2, 3
-------------------1
Licenciado en Física
2
Especialista de II Grado en Fisiología. Profesora Consultante
3
Especialista de I Grado en Medicina General Integral. Profesora Asistente
En la física clásica, las fórmulas relativas a
estos sistemas obviaban y linealizaban los
efectos no lineales mediante aproximaciones
tales, que solo se incluían en las ecuaciones
pequeños cambios de los parámetros físicos
del sistema, lo cual no se corresponde enteramente con la realidad, además de asumirse
que causas parecidas provocaban efectos similares, lo que estaba muy lejos de lo cotidiano, como veremos más adelante en el
comportamiento caótico.
La no linealidad de la conducta de estos
sistemas está determinada por los procesos
de retroalimentación que aparecen en las interacciones entre sus elementos constitutivos,
donde el resultado de un proceso es utilizado
nuevamente para iniciar el mismo proceso,
marcando una iteración (característica matemática común de los atractores extraños y el
vínculo entre la teoría del caos y la fractal),
que puede ser definida por una ecuación iterativa. 2, 3. De esta manera se pierde la linealidad
entre la relación de la causa y el efecto y la
suma de los efectos de las partes ya no nos
ofrece la totalidad de la conducta del sistema.
•
Autoorganización y estabilidad
En los organismos vivos, las relaciones de
interacción entre sus componentes y el continuo intercambio al que están sujetos con el
medio, definen su carácter no lineal, lo cual
genera la aparición de cualidades emergentes
que no se explican tomando en cuenta las
propiedades de cada una de sus partes. Estas
cualidades solo pueden ser determinadas en
el patrón de organización, o sea, a partir de la
visión del sistema como un todo, por lo cual la
estrategia cartesiana que hasta el siglo pasado
había imperado en la ciencia y requería la
división en cada una de las partes para su
análisis y medición cuantitativa, devenía obsoleta para estudiar el fenómeno cualitativo
resultante de las funciones de red sistémicas
aparecidas en estos sistemas alejados del
equilibrio termodinámico.
El concepto de red asociado a estos sistemas se deriva de la propia autoorganización
sistémica que emerge de la interacción entre
las partes y delimita fronteras de interacción
entre los componentes del sistema, incluidas
las iteraciones retroalimentadoras que se desencadenan en estos y los pueden conducir de
estados cercanos a la estabilidad a condiciones absolutamente inestables, donde el sistema sobrevivirá si la perturbación no excede
de los límites de flexibilidad y tolerancia que
posee, pues de lo contrario se destruirá.
La autoorganización en tales sistemas
constituye una característica fundamental que
resulta de la capacidad de flexibilidad
autorreguladora otorgada por las relaciones de
interdependencia de sus partes ante las perturbaciones externas e iteraciones de retroalimentación propias, las cuales propician que
cualquier situación (favorable o no) se extienda por toda la red y retorne a su origen a lo
largo de cadenas de bucles de retroalimentación, de modo que el sistema aprenderá y se
regulará a sí mismo ante las diferentes circunstancias. Esta aparición espontánea de orden por las regulaciones resultantes de las retroalimentaciones recibe el nombre de autoorganización.
En los sistemas dinámicos complejos, así
como ocurre en los sistemas vivos, la autoorganización se define por 3 características básicas:
9 Interconexión no lineal entre los componentes del sistema
9 Alejada del equilibrio termodinámico
9 Creación de nuevos componentes y modos de conducción durante el intercambio
Al concepto de autoorganización hay que
añadir el de estabilidad de la red, el cual indica la potencialidad del sistema para automantenerse en determinados estados por un
tiempo específico, como sucede por ejemplo
con el cauce de un río cuando le lanzamos
una piedra, pues como el río es un sistema
caótico, el cauce no se ve afectado; pero si las
moléculas de agua siguieran un curso altamente ordenado, la simple caída de una piedra
a ella modificaría de forma tal el cauce, que
este cambiaría radicalmente.
•
Inestabilidad y estructura disipativa
Los organismos vivos, en tanto sistemas
dinámicos no lineales, se conducen como sistemas caóticos ante aquellas perturbaciones
que les hacen perder la estabilidad y determinan su desarrollo y evolución.
A medida que un sistema se aleja del equilibrio, los flujos de materia y energía son cada
vez más fuertes, de manera que aumentando
considerablemente la disipación y evolución
del sistema se dirige hacia el encuentro de
puntos críticos, donde los flujos lo obligan a
ser muy inestable y algunas diferencias mínimas en las variables de las condiciones externas producen conductas capaces de llegar a
ser extraordinariamente disímiles, lo cual se
conoce como efecto mariposa.
La desviación hacia un estado completamente nuevo puede estabilizar aún más su
comportamiento, aunque muestre una tendencia cada vez mayor a la disipación, de forma
que la estabilidad se logra a costa de un alto
nivel entrópico, si bien en este caso la relación
entre entropía y orden es contemplada bajo
una nueva perspectiva, lo que define paralelamente un nuevo concepto para describir la
autoorganización en sistemas abiertos, lejos
del equilibrio: las estructuras disipativas, que
además de mantener el estado estable lejos
del equilibrio, pueden incluso evolucionar. 2, 4
Todos los sistemas van del orden al desorden; y para comprobarlo basta analizar hechos
tan cotidianos como que los animales enferman, envejecen y mueren; las vasijas de cristal se rompen al caer, los equipos electrodomésticos se descomponen, y así sucesivamente, porque tienden al estado de máxima
probabilidad o máximo desorden. Este estado
es el atractor del equilibrio térmico, y una vez
que se alcanza, el sistema no se aleja más de
él; aunque en ocasiones, debido al movimiento
aleatorio de las moléculas, el sistema puede
pasar por otros estados que oscilarán a su alrededor y solo permanecerá en tales condiciones durante poco tiempo. En la estructura disipativa también se propendeal estado de
máxima probabilidad, que sigue siendo el de
máxima generación entrópica, salvo que en
este el sistema gana en orden y puede mantener la estabilidad.
La Teoría de las Estructuras Disipativas
puede explicar los fenómenos alejados del
equilibrio en todos los sistemas dinámicos no
lineales, incluidos los sistemas vivos, donde
las moléculas y los procesos en los que estas
se involucran, no se encuentran en estado de
movimiento aleatorio, sino de equilibrio termodinámico, debido al cual, si se moviesen en
forma predeterminada, terminarían existiendo
zonas más calientes o más frías y no habría
equilibrio alguno; por tanto, como el caos se
asocia con equilibrio, ello explica entonces
aquellos movimientos moleculares en los que
estas se entrelazan a través de múltiples bucles de retroalimentación cuyas ecuaciones
(no lineales) ya no son gobernadas por atractores puntuales.
Un atractor está dado por uno o más valores donde las iteraciones del sistema tienden a
estabilizarse, es decir: el conjunto de valores
donde la función f(x) se estabiliza cuando el
número de iteraciones y tiende a infinito; con
otras palabras: el atractor es una condición
que hace que el movimiento se dirija hacia él,
lo cual significa que el movimiento de un sistema es atraído hacia un estado final, denominado atractor. Es muy probable que todos los
movimientos caóticos de los sistemas posean
su atractor, pero resulta extremadamente
complejo determinarlo desde el punto de vista
matemático. Como ejemplo de atractor del organismo humano para contraer algunas enfermedades no infecciosas se puede citar al
genoma; y de otros casos, el modo de vida del
individuo, incluida su proyección mental.
La estructura disipativa permanece alejada
del equilibrio mediante una serie de bifurcaciones. En esos puntos pueden producirse espontáneamente estados de orden, 6 en el sentido de la probabilidad de los estados en que
se encuentra el sistema, aunque la entropía
total de este último continúe aumentando, lo
cual no significa un incremento en desorden,
sino que los estados de orden y desorden
convergen en una danza de creación simultánea, conocida como intermitencia, donde el
caos se deriva del orden y viceversa, y lo simple alterna con lo complejo. 3
Desde el punto de vista filosófico, el concepto de complejidad surge cuando se empieza a disponer de las técnicas matemáticas
necesarias para discernir el comportamiento
de los sistemas, que marcan su trascendencia
epistemológica. Así, comienza a emerger
desde los años 70 un novedoso paradigma
científico que aborda el comportamiento sistémico como una realidad universal compleja,
pero inevitable de asumir si se aspira a comprender la magnitud de los fenómenos universales, partiendo de una nueva dimensión para
su estudio, más allá del marco cartesiano.
•
Irreversibilidad y redes energéticas
El químico y físico ruso Ilya Prigogine,
Premio Nobel de Química en 1977 y profesor
de la Universidad Libre de Bruselas (Bélgica),
se percató en la década de los 70 de la importancia que revestían las pérdidas por disipación en los sistemas alejados del equilibrio,
al definir estas la irreversibilidad de los procesos que ocurren en dichos sistemas. 5 La
irreversibilidad se convierte entonces en “el
mecanismo que extrae orden del caos”, 2 según palabras del propio científico. Los procesos irreversibles de retroalimentación positiva
en los sistemas químicos alejados del equili-
brio combinan 2 mecanismos diferentes: las
reacciones químicas y el flujo de moléculas
por gradiente de concentración. Las ecuaciones que describen tales procesos, se conocen
como ecuaciones de reacción – difusión.
Un caso clásico de proceso irreversible
que fundamenta a la vida misma, son las reacciones químicas de un tipo especial, identificadas como bucles catalíticos, puesto que no
habrá inestabilidad química simplemente porque el sistema esté alejado del equilibrio, sino
que esta se produce por medio de una reiterada retroalimentación autoamplificadora, que
se origina en tales reacciones y es capaz de
llevar al sistema químico a situaciones de inestabilidad que le confieren mayor complejidad
a su organización en los sucesivos puntos de
bifurcación, al aumentar sustancialmente la
cantidad de energía consumida y a su vez disipada. Es así que se convierte en una nueva
estructura en cuanto a orden (estructura disipativa), por lo que la relación entre incremento
de la entropía y orden creciente, aparentemente contradictorias (son características básicas de los sistemas vivos), se resuelve satisfactoriamente con la definición de estructura
disipativa realizada por Prigogine. 2
En las nuevas ciencias de la complejidad,
la asociación que hacía la física clásica en
cuanto a que solo el equilibrio engendraba el
orden, es rota de forma crucial al asociarse el
no equilibrio al orden.
Desde el punto de vista orgánico, las redes
energéticas son el resultado de la organización
de millones de pares electrónicos y portadores
de carga positivos, que estructuran un patrón
de organización estable. Las fluctuaciones
continuas, alejadas del equilibrio en las bifurcaciones, y la reiteración de bucles de retroalimentación como iteraciones repetidas en las
ecuaciones, hacen que un mínimo error por
una aproximación en los cálculos, redunde en
la aparición de una gran incertidumbre; y ambas situaciones conducen a que sea imposible predecir la conducta de tal sistema.
El comportamiento caótico es una característica intrínseca de las estructuras disipativas.
Ninguno de nosotros sabe cuánto nos afectará
mañana el viento que nos golpea hoy suavemente en la cara, si en el momento de ocurrirnos esto nos encontramos fuera de la estabilidad; es decir, en el punto crítico de estabilidad.
La conducta caótica impredecible de las estructuras disipativas libera la potencialidad de
nuestro organismo de desarrollo frente a las
noxas patógenas y es además responsable de
la evolución de este, pues si en la bifurcación
se vuelve a alcanzar la estabilidad, debido a
que la agresión quedó dentro de los límites
instantáneos permisibles de tolerancia del
sistema -- lo cual depende, como ya hemos
dicho, de las condiciones imperantes cuando
se instaló --, se desencadenarán mecanismos
y procesos tales que desarrollarán nuevas estructuras en este bajo un nuevo orden.
En el punto de bifurcación, la estructura
disipativa puede destruirse o pasar a uno o varios nuevos estados de orden; pero el camino
que tomará entonces, dependerá del estado
anterior a la aparición del punto crítico y de la
gestación misma del umbral de estabilidad por
el intercambio, o sea, de la cantidad de energía de la perturbación. Aquí la sensibilidad es
extrema a los ruidos provenientes del entorno,
que se manifiestan como pequeñas fluctuaciones aleatorias y determinan la conducta a seguir por el sistema en su propia autoorganización. Es por ello que en los sistemas vivos
existe la interrelación permanente entre los
antecedentes previos de desarrollo del sistema
y su propia estructura. El médico conoce, por
su experiencia clínica, que la evolución de las
enfermedades tiene mucho que ver con los
precedentes patológicos a la aparición de los
primeros síntomas.
En la nueva perspectiva, donde se incluyen
autoorganización, sensibilidad mínima a los
cambios, historia anterior, creatividad y orden
creciente en complejidad, se manifiestan algunas de las características de los sistemas vivos en los alejados del equilibrio; pero no es
menos cierto que la capacidad de autoorganización de estos reviste matices complejos,
porque define una estructura estable, cuya red
de componentes posee la potencialidad de
autorréplica y producción continua de los elementos de la propia red.
La necesidad de aire, agua e ingredientes
sólidos en el ser humano forma parte del intercambio implícito que delimita los patrones de
autoorganización de este; así, mientras una
cantidad dada de flujo de materia y energía
determina un patrón de organización estable,
otros volúmenes marcarán la diferencia, el
sistema saldrá de la estabilidad y engendrará
un patrón diferente, que implicará su evolución
hacia un nuevo estado estable o a la destrucción. Por tal razón se le adjudica tanta importancia a la respiración misma en las culturas
orientales, puesto que la entrada del aire no
solo representa la adquisición del oxígeno que
será utilizado por el organismo, sino que al
inspirar desencadenamos un gradiente hacia
el exterior de las corrientes de portadores de
cargas, pues los propios cambios mecánicos
desencadenan ondas que afectan la red y, por
ende, la estructura orgánica; al espirar ocurre
el mismo fenómeno físico, pero en sentido inverso, de manera que propicia una condición
virtual de entrada de corrientes de portadores
de cargas.
Cada situación de intercambio engendra
un patrón propio en la red y, de igual modo, la
ingestión de alimentos determinará una estructura (corporeización física del patrón de
organización) concreta de la organización del
sistema vivo; así, comidas más sanas promoverán la estabilidad y alimentos insanos favorecerán lo contrario, pues los cambios en la
red y la estructura del organismo dependerán
cada vez más de las condiciones iniciales en
que ocurre el intercambio.
Un proceso similar aparece en las inmediaciones de la membrana celular, donde se origina inicialmente la estructura de la red biológica del organismo. Debido a interacciones
entre los portadores de cargas negativa -- fundamentalmente de los electrones libres -- y
positiva, respectivamente, además de los intercambios en membrana se presentan pequeños movimientos (oscilaciones) que terminan constituyendo ondas para cada tipo de
portador, de forma muy similar a la génesis del
fonón (unidad quántica de energía vibracional
en los cristales, producida por las ondas térmicas y cortas de sonido en el sólido), pero en
un medio diferente y con otros matices. El suministro continuo de energía y materia desde
el medio exterior provoca movimientos energéticos organizados por el sistema, al devenir
cada célula una estructura disipativa, que en
conjunto forman la red y cuya organización es
el resultado de las inestabilidades a que se ve
sometida cada una de ellas por el intercambio
continuo.
Dado que en la naturaleza todo está interconectado y el proceso de medición, el observador y lo observado constituyen un todo
único, se impone trascender la búsqueda de la
individualidad y asumir al sistema como un
todo cualitativo, en pos de las relaciones que
conforman el patrón de organización de este,
es decir, sus funciones sistémicas.
Las funciones sistémicas que le confieren
las cualidades del todo al sistema, se esconden y gestan en cada una de las interconexiones y relaciones de los elementos entre sí; y
cuando estas se pierden, es preciso restituir
las condiciones conducentes a que el sistema
retome en su dinámica a la estabilidad e interacciones de la red, lo cual significa restablecer
al todo sistémico (patrón de organización) dentro de parámetros que propicien su retorno a
la dinámica estable. Es obvio que si logramos
conducir al sistema a una bifurcación donde
reaparezca la dinámica estable de la red, entonces automáticamente esta influirá sobre la
estructura disipativa (aquí vemos que, en el
sistema, el vínculo fuerte entre estructura y
patrón de organización lo constituye el intercambio de materia y energía, de modo que la
dinámica sistémica dependerá enteramente de
este flujo).
Esa relación entre estructura y patrón de
organización es el principio de todas las terapias, incluidas las de imposición de manos:
pretender cambiar por diferentes vías el flujo
que se intercambia, pues en estas el campo
energético de la mano influye sobre el intercambio de la red y puede o no desviar el estado de ella hacia una inestabilidad, en dependencia de la cantidad de energía portada
por el campo de la mano del terapeuta, a partir
de la cual se desencadenarán en el sistema
ciertos cambios hasta retomar o no a un estado estable. Si la imposición es efectiva y los
niveles de intercambio varían bruscamente,
pueden observarse en los pacientes reacciones vagales fuertes, que se corresponden con
los nuevos estados de inestabilidad por los
que transcurre el sistema hacia un nuevo orden estructural y de la red. Estas reacciones
duran intervalos distintos en cada paciente, en
dependencia del grado de sensibilidad a las
condiciones iniciales de cada cual; o sea, del
estado del sistema, que a su vez dependerá
totalmente del estado inicial antes de la imposición, además de la cantidad de energía por
instante de tiempo (potencia energética) que
entrega el terapeuta.
Lógicamente, en el estado inicial resulta
muy importante para cualquier tratamiento que
se aplique, el grado de aceptación consciente
de la actividad en la cual se verá inmersa la
persona afectada, dado que la mente es una
función sistémica e influye notablemente sobre
el estado de la red; por ello, asumir responsablemente el plan terapéutico puede garantizar
mejorías espectaculares, en menor grado
cuando se cumple a medias e incluso ser nulo
el resultado cuando no se confía en la eficacia
de las medidas prescritas y, por supuesto, se
incumplen de una manera u otra.
Conviene señalar que va ampliándose el
número de autores que, al igual que nosotros,
han mostrado un interés particular por este
asunto. 7 - 11
CONCLUSIONES
Sobre la base de las nuevas perspectivas
sistémicas y en especial de las teorías de los
sistemas no lineales y del caos, respectiva-
mente, es posible discernir la relación indisoluble entre estructura (soma) y patrón de organización del sistema (red biológica) a partir del
intercambio de materia y energía, que lo convierte en un sistema abierto, con las características de estructura disipativa durante las inestabilidades, a lo cual responden todos los
seres vivos y constituyen el fundamento del
origen, evolución y desarrollo de la vida en
nuestro planeta.
ABSTRACT
The Alive Systems and the Complexities Sciences. Relationship Between Soma and Biological
Net
The first complexity science that came closer to life as a universal phenomenon was the
classic thermodynamic, but it could not explain completely the phenomena associated to life
itself, due to the lineal character of its mathematical structure that could not describe the
systems far from the thermodynamic balance, (the latter considered the first great
characteristic of the alive organisms as systems); the most that such a science could clarify
were those processes defined by weak flows near to balance, in which the thermodynamic
system reached an stationary state with a generation of minimum entropy (measurement of the
system disorder) that kept it very close to balance.
Subject headings: NONLYNEAR DYNAMICS; FRACTALS; CHAOS THEORY
Limit: HUMAN
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Capra F. La trama de la vida: una nueva perspectiva de los sistemas vivos. Barcelona:
Anagrama, 1998.
2. Prigogine I, Glansdorff P. Thermodynamics Theory of Structure, Stability and Fluctuation. New
York: Wiley and Wilkins, 1971.
3. Mosekilde E, Rasmus F. Instability and Chaos in Nonlynear Dynamics Systems. System
Dynamics Rev 1988;4:14-55.
4. Prigogine I. Fast reactions in primary processes in chemical kinetics. New York: Interscience,
1967.
5. Remizov A. Física médica y biológica. Moscú: Mir, 1987.
6. Kauffman S. The origins of order. New York: Oxford University Press, 1993.
7. Pereira Júnior A, Guerrini IA. Unidade e multiplicidade do tempo: uma abordagem
transdisciplinar. Interface Comun Saúde Educ 2004;8(15):247-56.
8. Medvinsky AB, Petrovskii SV, Tikhonov DA; Tikhonova IA; Ivanitsky GR; Malchow H. Biological
factors underlying regularity and chaos in aquatic ecosystems: simple models of complex
dynamics. J Biosci 2001;26(1):77-108.
9. Asikainen J; Majaniemi S; Dubé M; Ala-Nissila T. Interface dynamics and kinetic roughening in
fractals. Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys 2002; 65(5 Pt 1):52-104
10. Herbert DE. Chaos and the changing nature of science and medicine : An introduction [Biblioteca
Virtual de la Salud] <http://www.medphysics.wisc.edu/~jrc/rev5.htm> [consulta: 5 feb 2005].
11. Goldberger AL. Nonlinear Dynamics, Fractals, and Chaos Theory: Implications for
neuroautonomic heart rate control in health and disease [Biblioteca Virtual de la Salud]
< http://www.physionet.org/tutorials/ndc/> [consulta: 5 feb 2005].
Dra. Andrea O. Fariñas Salas Facultad de Medicina No.1, Instituto Superior de Ciencias Médicas
Avenida de las Américas s/n entre Calle I y Calle E, Reparto Fomento, Santiago de Cuba
CÓMO CITAR ESTE ARTÍCULO
Pichín Quesada M de J, Fariñas Salas AO, Miyares Quintana SM Los sistemas vivos y las ciencias de
las complejidades. Relación entre soma y red biológica [artículo en línea]. MEDISAN 2004;8(3).
<http://bvs.sld.cu/revistas/san/vol8_3_04/san07304.htm> [consulta: fecha de acceso].