Sistemas complejos, biosfera y sistema climático

Procesos naturales, modelos y sistemas

Los humanos parecemos tener una compulsión, innata o que se estabiliza en los primeros años de vida, tendente a percibir todo (y a describir todo lo que percibimos) en forma secuencial (temporal), espacial, y causal (en cadenas de causa-efecto) (véase v.g. La síntesis Kantiana entre racionalismo y empirismo; Schopenhauer: el mundo como Voluntad y representación; Las metáforas y la construcción imaginaria de la realidad). Somos sistemas complejos sometidos a un proceso permanente de cambio, y que construye representaciones sobre lo que es el mundo, a partir de percepciones muy puntuales procedentes de éste. Esto no significa que cualquier representación que podamos crear tenga la misma validez práctica. Dentro de nuestras limitaciones constitutivas, no todas las descripciones espacio-temporales y causales que podemos hacer de la realidad se ajustan a lo que observamos de forma consistente y coherente, es decir, de forma pragmáticamente útil a la hora de manipular y de predecir el comportamiento futuro de los objetos observados. El llamado “conocimiento científico” no es sino el estado actual de esa pragmática en la que un conjunto de metáforas y conceptos sobre supuestos objetos reales (y clases de objetos) ha sido aceptado como el conjunto cuya coherencia y consistencia intrínseca (de unos conceptos observacionales con los otros) es máxima. 

Las descripciones científicas de la realidad se hacen utilizando modelos, que son conjuntos muy especiales de metáforas y conceptos. Un modelo contiene un conjunto de teorías generales sobre la clase de objetos a la que supuestamente pertenece el objeto descrito y también un conjunto de hipótesis auxiliares sobre características únicas del objeto que estamos describiendo y el ambiente que le rodea. Normalmente, los modelos científicos se construyen en forma matemática.

En las “instrucciones de uso” de un modelo también hay que definir la "escala espacio-temporal" en la que se debería observar la realidad para poderla comparar con lo que el modelo predice (o escala espacio-temporal de aplicabilidad del modelo) y la definición de lo que debería considerarse como “las variables de interés” del objeto observado. No todas las propiedades observables en el objeto las consideramos importantes y relevantes para el modelo; sólo algunas de ellas. El conjunto elegido constituye el "sistema de interés". Esta elección de variables y escala del “observador-modelador” tendrá pues un importante efecto sobre los resultados y predicciones que se obtendrán del modelo.

Hay algunos casos en los que la relación particular entre ''observador-modelador'' y ''objeto observado-modelado'' puede ser olvidada sin que los resultados del modelo pierdan validez. Son aquellas en las que existe un acuerdo previo e incontrovertido entre las diversas partes interesadas que utilizarán el modelo, sobre cómo interaccionarán con el objeto, sobre la ‘‘escala espacio-temporal’’ a la que interesa observarlo (por ejemplo, los distintos ambientes, momentos y geografías en los que los actores observarán al objeto real no lo afectarán hasta el punto de convertirlo en otra cosa a una velocidad que requeriría un análisis evolutivo complementario) y hay también un consenso previo sobre lo que debería considerarse como "el sistema de interés", dentro de la variedad de detalles diferentes con los que se puede presentar una misma clase de objetos en momentos y sitios diferentes y para observadores diferentes.

En los apartados que siguen resumiremos la forma como la ciencia actual ha llegado a concebir los procesos de cambio en los objetos más complejos que percibe y describe, y analizaremos dos ejemplos concretos: la biosfera y el sistema climático.

Sistemas disipativos y sistemas auto-organizativos

Todos los sistemas naturales de interés para la sostenibilidad y para la supervivencia de los humanos sobre el planeta Tierra (por ejemplo, los ciclos biogeoquímicos complejos, las células vivas que realizan la fotosíntesis, los sistemas ecológicos, o los sistemas humanos cuando se analizan en diferentes niveles de organización y escalas por encima de la molecular) son “sistemas disipativos”. Esto es, son sistemas atravesados por flujos de energía, lejos del equilibrio termodinámico, y afectados por procesos auto-organizativos.

Ejemplos de procesos auto-organizativos relativamente simples son los cilindros de agua rotante (o las columnas hexagonales) que se forman en una caja con agua calentada por debajo; o las ondas y espirales que se producen en las reacciones químicas no-lineales, como la de Belusov-Zhabotinski, y que a veces siguen una pauta periódica y otras se generan de forma caótica e impredecible.

Resumamos las características de los procesos auto-organizativos. (i) Se dan en sistemas alejados del equilibrio y abiertos a la energía y/o a los materiales externos, por lo que no son sistemas hamiltonianos (que conservan su energía total) sino sistemas abiertos disipativos (que toman energía de baja entropía del medio, la hacen circular entre sus componentes, y la dejan salir de nuevo al medio con mayor entropía de la que entró).

(ii) Muestran creación espontánea (no buscada por el observador humano) de inhomogeneidad y cambios cualitativos donde su estado previo era homogéneo y/o estable.

(iii) Sus variables observables a escala macroscópica (como la temperatura o la densidad) interactúan de un modo no-lineal. En los modelos matemáticos de los sistemas de este tipo, cuando hay más de dos variables (y una variable que varía espacialmente, como las de un fluido, equivale a infinitas variables) el sistema puede generar atractores para la evolución de sus variables, esto es, trayectorias recurrentes hacia las que las variables del sistema tienden. Los atractores pueden ser estacionarios, ciclos limite, ciclos multiples, o atractores caóticos.

Desde el punto de vista del modelo matemático, la estructura disipativa se produce cuando el sistema, que estaba inicialmente en un estado estacionario (típico en muchos sistemas termodinámicos abiertos), (a) pierde la estabilidad y (b) cae en otro atractor de igual o mayor complejidad.

¿Cómo se produce la inestabilización del sistema? Prigogine distingue tres formas: (a) por la aparición de una fluctuación suficientemente intensa de las componentes, que desestabiliza el atractor actual de la dinámica macroscópica del sistema; (b) por cambio en los parámetros externos que controlan los flujos, fuerzas termodinámicas, interacciones entre las partículas o probabilidades de interacción entre los subsistemas ("inestabilidades sinergéticas" sistematizadas posteriormente por H. Haken), o (c) por inestabilidad estructural ante la aparición de nuevos componentes y/o nuevas interacciones ("inestabilidad estructural ante la aparición de nuevas variables").

La primera clase de inestabilidad es muy improbable en sistemas con atractores intensos que llevan funcionando establemente mucho tiempo, porque esto mismo es una demostración de que son estables ante las fluctuaciones estadísticas habituales en sus componentes y en el entorno; pero todo sistema compuesto de partes es sólo “metaestable”, esperando el tiempo suficiente es siempre posible que aparezca una fluctuación estadística que meta en el sistema una concentración de energía anómala del entorno, o que lleve una gran parte de la energía del sistema hacia un grupo de componentes que, al moverse sincronizadamente, pueden romper la (meta)estabilidad del sistema. 

En las inestabilidades de tipo (b) (sinergéticas), los parámetros del medio ambiente dentro del cual está el sistema pueden ir modificándose lentamente a lo largo de periodos de tiempo mucho más dilatados que los tiempos típicos de cambio del propio sistema; ello puede acabar volviendo inestable a los atractores que ordenan el comportamiento del sistema. Éste puede volverse inestable porque se modifiquen las tasas de interacción con el entorno, las restricciones externas, o las probabilidades de interacción entre sus subsistemas componentes (por ejemplo, partículas). Esto último genera una posibilidad adicional de comportamiento complejo, pues tales probabilidades de interacción pueden estar siendo modificadas por alguna de las emergencias macroscópicas generadas por la interacción de los componentes.

La aparición de columnas de convección de forma hexagonal en sistemas naturales o de laboratorio se pueden predecir mediante esta clase de modelos sinergéticos.

Columnas de convección formadas espontáneamente en un lago salino

La reacción de Belousov-Zhabotinsky es otro ejemplo. El atractor estacionario del sistema se ha debilitado por variación de sus parámetros, y pequeñas perturbaciones locales producidas por la propia turbulencia del fluido, por una vibración sonora, o por la acumulación casual de muchas moléculas de ácido malónico en un mismo punto, pueden desencadenar la amplificación de una pauta macroscópica, que en cada momento es diferente, como muestra la figura siguiente.

Las inestabilidades del tercer tipo son importantes cuando estructuras previamente autoorganizadas y que tienen cierta (meta)estabilidad se encuentran unas con otras y alguna propiedad emergente de una afecta a la dinámica de la otra. La aparición de simbiosis o endosimbiosis entre células simples puede modelarse en principio mediante esta clase de inestabilización de estructuras previas que se encuentran por azar.

Las células eucariotas parecen haber surgido de la entrada simbiótica de células procariotas dentro del citoplasma de otra célula procariota receptora

Aún no se ha podido encontrar una ley universal válida para la evolución de cualquier sistema alejado del equilibrio. Lo más que se puede hacer es construir el diagrama de bifurcaciones e inestabilidades para las clases de sistema cuya forma de inestabilizarse tiene una estructura matemática recurrente. Al hacerlo, conviene tener en cuenta que: (i) el sistema puede contener impurezas e influencias no consideradas al escribir las ecuaciones, que proceden de escalas inferiores (escala “micro”) a la de observación (escala “macro”); (ii) no siempre se puede aislar el sistema de la aparición de nuevos elementos y/o interacciones a nivel microscópico (a escala de los constituyentes); (iii) hay que considerar, además, las fluctuaciones de las variables macro relevantes (originadas muchas veces en la impredecibilidad de comportamiento de los componentes), su probabilidad, y su influencia en la trayectoria del sistema por su “espacio de fases” (conjunto de valores accesibles a sus variables macro v₁,v₂…v_n). Por ello, la predicción de los modelos suele dar la probabilidad P(v; t) de que en el tiempo futuro t el estado del sistema sea v= (v₁,v₂…v_n). Si no hubiera fluctuaciones, P sería siempre una distribución de varianza nula o "delta de Dirac" (trayectoria determinista); debido a la existencia de fluctuaciones y perturbaciones impredecibles, y la forma como las interacciones internas del sistema reaccionan ante ellas, las variables v_i se distribuyen con cierta probabilidad en torno a una trayectoria media en muchos sistemas naturales. Las fluctuaciones y su forma estadística se convierten en determinantes en momentos en que un atractor se convierte en inestable o se bifurca. Por ello, en tales momentos las descripciones macro y mesoscópica se vuelven insuficientes, y se suele recurrir al uso de ecuaciones, llamadas "master", para la evolución de la probabilidad P.

Finalmente, hay un tema de reflexión muy interesante, y es el de cuál es el rasgo común que tiene el proceso de inestabilización del estado estacionario en sistemas tan distintos como una reacción química y un fluido por ejemplo, y por qué tal estado nunca se vuelve inestable cuando el sistema está “cerca del equilibrio” (atravesado por flujos débiles de energía). ¿En qué consiste esa retroalimentación positiva o catálisis entre componentes micro que desestabiliza el estado estacionario y genera una pauta macro nueva? Una respuesta heurística a esta cuestión podría ser la siguiente:

En los sistemas cerca del equilibrio, las fluctuaciones no son lo suficientemente intensas como para provocar encuentros lo suficientemente frecuentes entre los elementos micro.

Por contra, si hay mayor densidad de energía, materiales y momento atravesando al sistema, en forma de fuertes flujos y fuerzas termodinámicas (que aumentan las energías internas y/o potenciales), habrá mayor energía disponible para fluctuaciones grandes (y pequeñas).

Por otro lado, los encuentros entre los constituyentes (colisiones si son partículas) generan propiedades emergentes que (i) son posibilitadas por los encuentros y (ii) muchas veces se intensifican con la frecuencia de encuentros. Y tales propiedades emergentes facilitan (probabilísticamente) la continuación del tipo de encuentros que es capaz de producirlas (en un verdadero "embuclamiento" micromacromicro). En esto parece consistir en general la autocatálisis, que es el rasgo principal de la auto-organización.

Muchas veces, la autocatálisis producto de las colisiones (o los encuentros, o las interacciones entre componentes) basta para generar emergencias como las correlaciones a largas distancias de las propiedades macroscópicas generadas por esas sincronizaciones micro.

Es importante resaltar que la metodología reduccionista utilizada por la ciencia mecanicista hasta bien entrado el siglo XX presupone que explicar el comportamiento o las propiedades del todo a partir de sus partes es “objetivo” mientras que explicar el comportamiento de las partes a partir del todo, eso no es objetivo ni científico. Sin embargo, la retroacción de la propiedad emergente macroscópica sobre el comportamiento (o las propiedades) de los constituyentes es algo que aparece una y otra vez en procesos complejos; y esta evidencia es devastadora para las pretensiones del reduccionismo (Rosen, 1993). La aplicabilidad de éste debe ser circunscrita en lo sucesivo a situaciones muy particulares del objeto y de los sujetos que lo describen. 

Sistemas que se auto-mantienen

Los sistemas que se automantienen son sistemas constituidos por sistemas auto-organizativos cuyos atractores (estacionarios o cíclicos) mantienen a sus variables macro emergentes en cierta (meta)estabilidad. De este modo, los sistemas auto-organizativos componentes pueden permitirse mantener cierta persistencia en la interacción de sus propiedades (variables) emergentes con las de otros componentes. Pero además, y este es el rasgo esencial de los sistemas que se automantienen, los sistemas componentes se producen unos a los otros de forma operacionalmente cerrada (Hejl 1984). Esto es, los materiales y energía requeridos por cada componente proceden de los materiales y energía liberados por otros componentes. Para resaltar y modelar la materialidad de esos flujos en red entre los ingredientes de un ensamblaje que se automantiene, el concepto de red o hiperciclo de auto-mantenimiento puede ser de gran utilidad. Se trata de un esquema de flujos materiales (y energéticos) entre los componentes del sistema, tal como el de la Figura siguiente.

 

Los sistemas que se auto-mantienen son la consecuencia de un bucle de retroalimentación constructivo (organización) que permite la regeneración continua de los componentes (Varela 1974).

Los lazos causales y materiales cerrados que son característicos de los sistemas que se auto-mantienen impiden la posibilidad de explicar de forma reduccionista (a partir de las propiedades de las partes únicamente) el comportamiento de tales sistemas (Rosen 1993).

Sistemas auto-poiéticos

Los sistemas auto-poiéticos se pueden considerar casos especialmente complejos de sistemas que se auto-mantienen. Un sistema autopoietico se organiza (definido como una unidad) como una red de procesos de producción (transformación y destrucción) de componentes que producen los componentes que:

1. a través de sus interacciones y transformaciones, continuamente regeneran y realizan la red de procesos (relaciones) que los produjeron; y

2. Lo constituyen [al sistema que se auto-mantiene] como una unidad concreta en el espacio en el que [los componentes] existen especificando el dominio topológico de su realización como tal red (Varela 1979).

Un sistema autopoiético es siempre un sistema que se auto-mantiene. Pero la característica clave de un sistema autopoiético es el mantenimiento de su organización, es decir, la preservación de la red relacional que lo define como una unidad sistémica. Esta invariancia o persistencia organizacional es el resultado crítico de la 'autopoiesis', mientras que la (re)producción de los componentes es el medio por el cual esto se lleva a término de forma continuada. De ahí la definición resumida de autopoiesis que Maturana (1975) ha empleado a veces: "Los sistemas autopoiéticos operan como sistemas homeostáticos que tienen su propia organización como la variable crítica fundamental que ellos activamente mantienen constante”.

Los sistemas auto-poiéticos son además sistemas autónomos, dado que no son dependientes de procesos de producción externos a su organización (o hiperciclo de flujos).

Un ejemplo de esta clase de sistemas son los organismos procariotas. Una célula viva es un caso especial de sistema auto-poiético en el que sus componentes son moléculas. La figura siguiente esquematiza los principales flujos moleculares entre enzimas (proteínas catalizadoras) componentes del organismo. La red completa es un hiperciclo que representa al metabolismo celular.

Esquema de los flujos principales del metabolismo celular. El círculo central es el ciclo de Krebs

 

Todo ese hiperciclo cerrado de flujos materiales exige la vecindad de los materiales reactantes y de las enzimas catalizadoras de las reacciones. Esta vecindad es posibilitada por la presencia de una membrana celular cerrada que impidiera la libre difusión de los materiales por el espacio.

 

Las moléculas de fosfolípidos tienen la propiedad de que, cuando son agitadas por la turbulencia en un medio acuoso, orientan espontáneamente sus cabezas hidrofílicas hacia las moléculas de agua y sus colas hidrofóbicas lejos del agua. Esto les permite formar estructuras bicapa como la de la figura. Este parece ser el origen de las membranas biológicas, una estructura auto-organizada sobre la que la selección natural pudo actuar, añadiendo mecanismos metabólicos reparadores, canales y otras sofisticaciones. Aunque son estables, tales membranas pueden sufrir accidentes y, en esos casos, una parte del metabolismo de la célula procariota se activa y se encarga de su reparación. Dentro de esa estructura pudo evolucionar un metabolismo celular auto-poiético que añadió innovaciones a la propia membrana, como la aparición de canales con puertas que pueden sea abiertas o cerradas por moléculas específicas, lo cual permitió la comunicación de la célula con el medio exterior y con otras células.

Sistemas auto-referenciales y otros

Mingers (1997) y otros autores han diferenciado otras clases de sistemas complejos, pero no necesariamente auto-poiéticos, que establecen relaciones circulares de algún tipo. Los más relevantes son los siguientes:

Sistemas que se auto-influyen: Sistemas dinámicos que tienen bucles causales o causalidad circular (retroalimentaciones positivas o negativas). Ejemplo: Tamaño y tasa de crecimiento de una población.

Sistemas que se auto-regulan: Sistemas que mantienen alguna variable en un nivel particular (homeostasis). Ej.: El sistema de regulación de la temperatura corporal.

Sistemas organizacionalmente cerrados: Sistemas en que sus componentes y procesos son dependientes unos de otros para el funcionamiento del conjunto y de sí mismos, pero que no necesariamente producen sus propias componentes.

Sistemas que se auto-reconocen: Sistemas capaces de reconocer sus propias partes (y eventualmente rechazar otras) pero que, de nuevo, pueden necesitar de otros para su propio mantenimiento. Ej.: Sistema inmunológico.

Sistemas que se auto-replican: sistemas que construyen réplicas de ellos mismos. Ej.: Virus, bacterias, organismos que se reproducen.

Varela también distinguió los sistemas auto-referenciales. Son sistemas que organizan los estados de sus sistemas componentes de un modo operacionalmente cerrado. Pero no necesariamente son sistemas auto-poiéticos, pues sus componentes pueden no estar siendo producidos por el propio sistema, sino por sistemas exteriores. Son sistemas similares a los que Mingers (1997) llama “autorreferentes” y que serían sistemas simbólicos o representativos que se refieren a sí mismos ya sea por alguna forma de señalar a la propia organización como una unidad; o por contener una imagen de sí mismos dentro de sí mismos; o porque se refieren a ellos mismos lingüísticamente. El cerebro podría ser un sistema auto-referencial.

Sistemas que se auto-conocen: Sistemas que generan identidad cognitiva. Ej.: animales con sistemas nerviosos que interaccionan simbólicamente.

Sistemas auto-conscientes: Sistemas capaces de interaccionar con descripciones de ellos mismos (el observador observando al observador). Ej.: Una persona diciendo “actué egoístamente hoy”.

Sistemas jerárquicos

Un sistema que se auto-mantiene es habitualmente un sistema jerárquico. O’Neill (1989) define sistema jerárquico de este modo: “un sistema disipativo es jerárquico cuando opera en múltiples escalas espacio-temporales, esto es cuando se encuentran en el sistema diferentes tasas de procesamiento”. Otra definición útil que da de los sistemas jerárquicos es: "los sistemas son jerárquicos cuando son analizables en conjuntos sucesivos de subsistemas".

La existencia de diferentes niveles y escalas en las que opera un sistema jerárquico implica la inevitable existencia de formas no equivalentes de describirlo. Por ejemplo, podemos describir a un ser humano en el nivel microscópico para estudiar el proceso de digestión de nutrientes dentro de su cuerpo. Sin embargo, este tipo de descripción no sería compatible con la descripción que se requeriría para describir su "cara" a otro ser humano (Giampietro 2005).

Los seres vivos, las sociedades humanas y los ecosistemas son generados por procesos que operan en varios niveles jerárquicos sobre una cascada de diferentes escalas. Por lo tanto, son ejemplos perfectos de sistemas jerárquicos disipativos anidados que requieren una pluralidad de descripciones no equivalentes para ser utilizadas en paralelo para analizar sus características relevantes en relación con la sostenibilidad.

Sistemas complejos adaptativos

Los componentes de un sistema complejo pueden ser autómatas. Un autómata es cualquier elemento que puede interaccionar con su entorno, tiene un código interno (o programa) para interpretar esas interacciones y modificar su estado interno acorde con ellas, y produce una respuesta de acuerdo con el cambio de su estado interno. Cuando el autómata tiene sensores y programas sofisticados de respuesta se suelen denominar agente (v.g. un programa complejo de control de procesos, un robot, un ser humano). La respuesta de los autómatas y agentes puede ser determinista (una única, función del estado interno presente) o estocástico (muchas respuestas posibles para un estado interno, que pueden obedecer, o no, a una distribución estable de probabilidad. A veces se habla de que un agente tiene un comportamiento “en parte determinista, en parte estocástico”. Esto significa que responde estocásticamente, pero que podemos predecir cómo evoluciona en el tiempo la distribución de probabilidad de sus respuestas.

Comportamiento del "Juego de la Vida" de Conway. Se trata de un sistema de autómatas en el cual cada autómata muere o sigue viviendo según una regla muy sencilla en función del número de autómatas que lo rodean, de los ocho vecinos posibles. Si esta regla se modificará en función de la vida pasada del autómata el sistema se convertiría en adaptativo.

De https://gliderlabs.com/devlog/2015/a-pattern-emerges/

Un sistema complejo adaptativo es un sistema: (i) compuesto de autómatas (o agentes) con un comportamiento en parte determinista y en parte estocástico; (ii) la respuesta (o comportamiento futuro) determinado de cada agente es una función determinista de su estado interno, el cual depende de las interacciones pasadas; (iii) la función determinista de respuesta (o comportamiento determinista) está controlada por un conjunto de reglas (o leyes) de interacción; (iv) cada agente modifica sus reglas (o leyes) de interacción en función de los resultados obtenidos por su comportamiento pasado. 

Nótese que el punto (iv) supone implícitamente capacidades auto-referenciales en el agente, esto es, la capacidad de que una parte del agente sea sensible al estado del propio agente. El agente debe ser capaz, pues, de identificar su estado interno (efecto de su comportamiento e interacciones pasadas), asignarle un valor a este estado, y cambiar sus reglas de interacción en función de ese valor. Por supuesto, esta reflexividad no tiene por qué ser necesariamente consciente; la consciencia humana de uno mismo es una forma especial de reflexividad. Los agentes pueden interaccionar sólo localmente, con sus vecinos próximos, o simultáneamente con todos los agentes constituyentes del colectivo. Esta clase de modelos se han aplicado para representar interacciones entre humanos (modelados como agentes) sometidos a distintas reglas morales, o a distintas estrategias inversoras en un mercado, o a distintas preferencias políticas, etc. También se ha usado para modelar la creación de memes o pautas de opinión en redes de contactos o redes sociales de Internet. Otro campo de aplicación fructífero es la teoría de juegos evolutiva (que trata de identificar estrategias evolutivamente estables) y la toma de decisiones colectivas.

Las ciencias de la complejidad han seguido su curso desde sus inicios en la cibernética y la teoría de sistemas. La figura siguiente resume dicha evolución entre los años 50 y la actualidad.

La biosfera y la hipótesis Gaia

Bertalanffy (1952 pp. 124-125) fue uno de los primeros en caracterizar los seres vivos como estructuras que se autoproducen y automantienen canalizando por su interior un flujo continuo de energía y materiales que lo atraviesan:

Cuando comparamos objetos inanimados y animados encontramos un contraste sorprendente. Un cristal, por ejemplo, está construido de componentes invariables; persiste con ellos tal vez durante millones de años. Un organismo vivo, sin embargo, sólo en apariencia es persistente e invariable; en realidad es la manifestación de un flujo perpetuo. Como resultado de su metabolismo, que es característico de todo organismo vivo, sus componentes no son las mismas de un momento al siguiente. Las formas vivas no están en el ser, están sucediendo; ellos son la expresión de una corriente perpetua de materia y energía que atraviesa el organismo y al mismo tiempo lo constituye...

Esta concepción dinámica del organismo puede ser contada entre los principios más importantes de la biología moderna. Conduce a los problemas fundamentales de la vida, y nos permite explorarlos.

Desde el punto de vista de la física, el estado característico en que encontramos el organismo vivo se puede definir afirmando que no es un sistema cerrado con respecto a su entorno, sino un sistema abierto que continuamente entrega materia al mundo exterior e incorpora materia de él, pero que se mantiene a sí mismo en este intercambio continuo en un estado estacionario, o se aproxima a ese estado estacionario en sus variaciones en el tiempo.

En su libro The evolution of the biosphere (1986) M. I. Budyko usó el término “biosfera” para designar el Sistema constituido por todas las especies vivas. Un hecho esencial de este sistema según Budyko es que las tasas de intercambio de materiales que se producen entre las especies son mucho más altas que las tasas de incorporación de estos materiales desde otros sistemas, como la litosfera, la hidrosfera o el espacio exterior. Además, estos intercambios de materiales sólo “se cierran” en la escala de la propia biosfera, no en escalas más locales como los ecosistemas particulares. Siguiendo esta perspectiva, podemos definir la biosfera como el sistema global de reciclado de los materiales que sirven como sustrato para el metabolismo y autopoiesis de los seres vivos. Barlow y Volk (1990) defienden una perspectiva similar a ésta sugerida por Budyko.

Lovelock y Margulis (1974) y Lovelock y Watson (1982) sugirieron que la biosfera controla la temperatura, la composición atmosférica y la disponibilidad de otros materiales que la vida utiliza como sustrato de su metabolismo, contribuyendo así a estabilizar las condiciones ambientales necesarias para su supervivencia. Esta es una hipótesis muy fuerte que ha suscitado un vivo debate desde entonces.

En su formulación fuerte, la hipótesis no parece sostenible. El sistema regulador principal que mantiene la temperatura del planeta aceptable para la vida es geológico: la meteorización de los silicatos del suelo por el ácido carbónico de la lluvia (procedente del CO₂ tectónico) y su retroacción negativa: sobre la concentración atmosférica de CO₂ tanto cuando ésta es alta como cuando la temperatura es alta (véase sección siguiente). El artículo de Kirschner (2003) ilustra otras críticas a esta formulación fuerte de la hipótesis Gaia. Tal como lo expone el resumen de dicho artículo: “Las incertidumbres que rodean el cambio climático global proporcionan amplia evidencia, si alguna fuera necesaria, de la necesidad de una visión sistémica de la Tierra. Podría decirse que el intento más visible, y controvertido, de entender la Tierra como un sistema ha sido la teoría Gaia de Lovelock. Gaia ha sido un generador de hipótesis fructíferas y ha generado muchas conjeturas interesantes sobre cómo los procesos biológicos podrían contribuir a la regulación a escala planetaria de la química atmosférica y el clima. En muchos casos importantes, sin embargo, estas conjeturas son refutadas por los datos disponibles. Por ejemplo, la teoría de Gaia predice que la composición de la atmósfera debería estar estrechamente regulada por los procesos biológicos, pero las tasas de absorción de carbono en la biosfera se han acelerado en solo un 2% en respuesta al aumento del 35% en el CO2 atmosférico desde los tiempos preindustriales. La teoría de Gaia predeciría que el CO2 atmosférico debería ser más efectivamente regulado por la captación del ecosistema terrestre (que está mediada biológicamente) que por la captación oceánica (que es principalmente abiótica), pero ambos procesos son igualmente insensibles a los niveles de CO2 en la atmósfera. La teoría de Gaia predice que las retroalimentaciones biológicas deberían hacer al sistema Tierra menos sensible a la perturbación, pero los mejores datos disponibles sugieren que el efecto neto de las retroalimentaciones biológicamente mediadas será amplificar, no reducir, la sensibilidad del sistema terrestre al cambio climático antropogénico. La teoría de Gaia predice que los subproductos biológicos en la atmósfera deberían actuar como reguladores del clima planetario, pero el núcleo de hielo de Vostok indica que el CO2, el CH4 y el sulfuro de dimetilo, todos subproductos biológicos, funcionan calentando la Tierra cuando hace calor; y enfriándola cuando hace frío. La teoría de Gaia predice que las retroalimentaciones biológicas deberían regular el clima de la Tierra a largo plazo, pero los picos en la paleo-temperatura se corresponden con los picos en el paleo-CO2 en registros que se remontan al Pérmico; por lo tanto, si el CO2 está regulado biológicamente como parte de un termostato global, ese termostato ha estado conectado al revés durante al menos los últimos 300 millones de años. La teoría de Gaia predice que los organismos alteran su medio ambiente para su propio beneficio, pero en la mayor parte de la superficie del océano (que comprende más de la mitad del globo), el agotamiento de nutrientes por el plancton casi ha creado un desierto biológico, y se mantiene bajo control solo por la hambruna de nutrientes del plancton en sí. Por último, cuando los organismos mejoran su entorno por sí mismos, crean una retroalimentación positiva; por lo tanto, los dos principios centrales de la teoría de Gaia: primero, que los organismos estabilizan su entorno, y segundo, que los organismos alteran su entorno de manera que los beneficia, son mutuamente inconsistentes entre sí. Estos ejemplos sugieren que el desarrollo posterior de la teoría de Gaia requerirá una comparación más ajustada de la teoría y los datos.”

Barlow y Volk utilizan el término Gaia y no el de biosfera, no en el sentido fuerte que le da Lovelock, sino como forma de subrayar que esta biosfera es una entidad global que es probablemente más autónoma, más autorregulada y más persistente que sus ecosistemas constituyentes o los agregados de ecosistemas. Podemos llamar a esto el planteamiento débil de la hipótesis Gaia.

Estos autores sugieren que la naturaleza casi cerrada del sistema tierra para los flujos de materiales impuso una presión de selección a todas las especies desde el principio. Esta presión tendió a seleccionar las combinaciones de especies que tenían mayores capacidades de reciclar (conjuntamente) materiales esenciales.

 

Para ello se apoyan en Margulis y Sagan, quienes describen la secuencia de eventos en la evolución de los procariotas como habiendo sido provocada por una escasez tras otra. Las primeras formas de vida pueden haberse alimentado de productos químicos libremente disponibles y de ATP generado abióticamente. La evolución de la fermentación simple liberó a la vida de los límites impuestos por la cantidad de ATP generado abióticamente, porque los azúcares generados abióticamente podían ahora consumirse para generar ATP. A la escasez de azúcar le siguió la evolución de nuevas formas de fermentación por las cuales las bacterias podrían derivar energía de los desechos metabólicos (ácidos y alcoholes) de otros fermentadores. Otras bacterias desarrollaron estrategias metabólicas por las cuales el ATP era construido desde sulfatos. Luego se produjo la evolución de diferentes estrategias fotosintéticas que usaban la energía del sol para construir carbohidratos a partir del último producto de desecho, el dióxido de carbono, y alguna fuente de hidrógeno. La disponibilidad de gas hidrógeno y de sulfuro de hidrógeno de origen volcánico (y de los residuos metabólicos de bacterias del azufre) puso un límite a la cantidad de actividad fotosintética que podía inicialmente ser soportada. Pero cuando una bacteria mutante fue capaz de extraer hidrógeno del agua, tuvo lugar un salto cuantitativo para la biomasa. Como lo expresaron Margulis y Sagan, la inexorable pérdida de hidrógeno que sufre un planeta interior de baja gravedad “condujo a una de las mayores innovaciones evolutivas de todos los tiempos: el uso del agua en la fotosíntesis. Pero también condujo a una tremenda crisis de contaminación, la acumulación de gas oxígeno, que era originalmente tóxico para la gran mayoría de los organismos". 

Entonces, aprovechando la nueva oportunidad - oxígeno libremente disponible – los organismos procariotas evolucionaron incorporando otra serie de estrategias metabólicas: respiración con oxígeno del hidrógeno fermentable para formar agua, de metano para formar dióxido de carbono, del sulfuro para formar sulfito, y del amoniaco para formar nitrato.

 

Barlow y Volk citan también la evolución de las técnicas de captura de nitrógeno como otro ejemplo del papel que tuvo el cierre planetario a los materiales en la evolución de la vida. Los procesos abióticos originales fueron la oxidación del nitrógeno atmosférico por los rayos, que produjeron NO, NO₂ y NO₃, y la fotolisis del amoniaco que producía nitrógeno atmosférico. A estos procesos originales, la vida añadió sucesivamente el consumo de amoníaco, la amonificación o producción de NH₃, la asimilación de nitratos, la nitrificación (o producción de NO₂ y NO₃ a partir de NH₃), y la fijación de nitrógeno (o producción de NH₃ a partir de N₂ atmosférico). La escasez de nitrógeno fácilmente disponible y la demanda biológica de fuentes adicionales parecen haber sido las fuerzas motrices en tales innovaciones evolutivas.

Diversidad biológica y resiliencia

En ecología, la resiliencia se define como la capacidad de un ecosistema de mantener las mismas relaciones entre sus poblaciones después de sufrir perturbaciones externas; esto es, la magnitud de la perturbación que un ecosistema puede soportar antes de cambiar su estructura (Holling, 1973). Sin embargo, el concepto ha tomado un significado algo más amplio en estudios de sistemas socio-ecológicos. Por ejemplo, como subraya Castillo-Villanueva y Velázquez-Torres (2014), algunos autores plantean la resiliencia como la capacidad de un sistema de mantener sus funciones y estructuras básicas en momentos de choques y perturbaciones (Birkmann, 2006: 15-16). Otros señalan que “la resiliencia implica que el sistema, ya sea social, ecológico o socio-ecológico, puede movilizar la suficiente auto-organización para mantener las estructuras y los procesos esenciales mediante adaptación o estrategias de supervivencia. Otros definen la resiliencia como la capacidad de un sistema, comunidad o sociedad para anticiparse o adaptarse a los efectos de un evento peligroso, absorberlos o recuperarse de ellos, en forma oportuna y eficiente, garantizando la preservación, la restauración o la mejora de sus estructuras y funciones básicas y esenciales”. Esto es, se asume implícitamente que el sistema puede sufrir restructuraciones en sus componentes (e.g. especies) y en algunos de sus atractores emergentes, pero manteniendo las funciones principales (atractores emergentes principales). 

Si definimos pues, qué retroalimentaciones y ciclos del hiperciclo de un sistema son los esenciales para garantizar sus funciones emergentes principales, todo sistema, ante una variable externa perturbadora, tiene un rango de resiliencia, un valor (con su incertidumbre asociada) para el cual la estructura esencial del sistema sufre un cambio irreversible, y un rango de vulnerabilidad, o rango de valores de la variable perturbadora para el cual el sistema no puede mantener su estructura anterior. 

En ecología, hay bastante consenso en que la biosfera como un todo ha demostrado una enorme resiliencia ante cambios climáticos muy intensos (veremos algunos en la próxima sección); y que esta resiliencia está asociada a la gran diversidad de los ecosistemas terrestres. La diversidad biológica a su vez está relacionada con la abundancia de genes diferentes, de especies, y de hábitats. 

Selva macrotérmica, con clima Af (sin época de sequía) en Barro Colorado (Panamá), que muestra la gran diversidad ecológica en este tipo de vegetación que tiene muchas especies con distintas épocas de floración. Los pájaros e insectos se encargan de la polinización, por lo que la diversidad existente es origen de su alimentación continua. Se puede ver la característica fundamental de la selva ecuatorial: miles de especies vegetales por unidad de superficie, pero pocos ejemplares de cada una, también por la misma unidad de superficie.

 

Stuart Kauffman ha estudiado cómo ha podido surgir y evolucionar esa gran biodiversidad utilizando modelos de sistemas complejos de agentes adaptativos. Consideremos el conjunto de todos los genes humanos, unos 80.000, cada uno de los cuales puede estar activo o inactivo, según sean activados o desactivados por la combinación de señales (traídas por proteínas) procedentes de otros genes con los que cada gen está conectado a distancia. El número de estados posible para una célula es de 2⁸⁰⁰⁰⁰, unos 10²⁴⁰⁰⁰ estados. Si se tardara un segundo en activar o desactivar un gen, una célula tardaría 10²⁴⁰⁰⁰ s en explorar todos sus posibles estados, esto es, unos 426 billones (10¹²) de años, necesitaría un tiempo muy superior al que lleva existiendo el universo (13.800 millones). Las células, sin embargo, no parecen explorar la totalidad de sus estados de activación genética, sino más bien explorar ciclos concretos cerrados de activaciones que, tras varias horas, o días de tiempo, vuelven a un estado inicial.

Supongamos que una célula tiene solo tres genes, A, B y C, cada uno de los cuales puede estar activo (1) o inactivo (0). El conjunto de los 8 estados posibles sería: {(000),(001),(010),(011),(100),(101),(110),(111)}. En un sistema dinámico determinista, dado un estado del sistema en el tiempo t, el sistema cambia a otro estado sucesor que es único, y función del estado precedente; si el sistema no es determinista, cambia a uno de los N estados sucesores posibles de acuerdo con cierta distribución de probabilidad. 

Supongamos que nuestro sistema de genes celulares es determinista. La función de cambio de estado podría ser la definida por la tabla siguiente:

T T+1

(ABC) (ABC)

(000)  (110)

(001)  (010)

(010)  (010)

(011)  (100)

(100)  (011)

(101)  (110)

(110)  (111)

(111)  (110)

Con tales reglas de transición entre estados, el sistema genera tres bucles finales, ciclos de estados, o “atractores” de tipo ciclo-límite, tal como se muestra en el esquema siguiente:

(101)



(000)(110) (111)

(001)(010)

(100)  (011)

El segundo ciclo se produce simplemente entre el estado (010) y él mismo, o sea, más que un ciclo límite se puede llamar un atractor estable. Estos ciclos finales pueden llamarse “atractores”, pues atraen hacia ellos el flujo de otros estados “transitorios”, como los estados ((101), (000), o (001). El conjunto de los estados que fluyen hacia un atractor más los estados que componen el propio atractor se llama “cuenca de atracción” del atractor. Las cuencas de atracción dividen el espacio de estados en conjuntos disjuntos.

Cuando el sistema tiene mucho más que tres genes y reglas de transición diferentes a esta, aparecen ciclos límite más largos, que relacionan cíclicamente a muchos genes a lo largo del tiempo. Kauffman y otros investigadores encontraron sistemáticamente tres formas de funcionamiento en estos sistemas de “genes” conectados: un régimen ordenado, un régimen caótico y un régimen fronterizo, o “frontera del caos”. En el régimen ordenado, la mayoría de los genes permanecen activados o desactivados la mayor parte del tiempo (generalmente dentro de un ciclo límite largo) y cambian su estado sólo de vez en cuando, y hay unos pocos grupos de genes que cambian de estado continuamente. En el régimen caótico, la situación se invierte: la mayoría de genes cambian de estado continuamente, mientras grupos aislados de genes permanecen estables o lentamente cambiantes. La frontera del caos es una situación intermedia entre los dos regímenes citados, y de transición entre los mismos.

En el régimen ordenado, las longitudes de los atractores crece de forma polinómica con el número de genes. En la frontera del caos, el número de estados de un ciclo es proporcional a la raíz cuadrada del número de genes. En el régimen caótico, la longitud de los ciclos crece exponencialmente con el número de genes.

Si, por ejemplo, la regla de transición cambia al azar en cada interacción, el resultado es un régimen caótico en el que la longitud típica de un ciclo de estados es de 2¹²⁰⁰⁰ transiciones. 

Dado que el ser humano tiene unos 80.000 genes, y la raíz de ese número es 283, si el genoma humano funcionara en un régimen ordenado pero cercano al caótico (o sea, en la vecindad o frontera del caos), debería tener ciclos de esa longitud. El número de clases de células humanas es d 256, por lo que Kauffman piensa que: (i) el sistema genético humano (con su citoplasma asociado) funciona en el régimen ordenado cercano al caos, (ii) los ciclos límite de activaciones del genoma humano corresponden a la construcción de todas las clases de células posibles para ese genoma; (iii) Además, el periodo de duración de un ciclo límite completo correspondería a los tiempos característicos de los ciclos biológicos: como lleva entre uno y diez minutos el activar o desactivar un gen eucariótico, el periodo de sus ciclos genéticos sería de entre 4.75 y 48 horas, un tiempo claramente en el margen de lo biológico.

Además, en el régimen ordenado pero fronterizo con el caos, el mal funcionamiento repentino de un gen se propaga sólo perturbando a un número de genes que es igual como máximo a dos veces la raíz cuadrada del número total de genes. En el régimen caótico, la avalancha afecta a casi la totalidad de los genes (el “efecto mariposa”, o sensibilidad exponencial a pequeñas diferencias iniciales, es la norma en los atractores caóticos). En la mosca Drossofila, que tiene unos 16.000 genes, la peor avalancha debería afectar a unos 254 genes; según Kauffman, la más grande observada hasta ahora afecta a unos 155 genes, luego el modelo resulta hasta el momento verosímil.

El mecanismo por el cual la evolución habría seleccionado a los organismos para que permanezcan en este régimen sería precisamente el que la diversidad genética hace más adaptable a una especie (al igual que hace más adaptable a un ecosistema). El régimen fronterizo con el caos es el que más eficazmente puede explorar las posibilidades genéticas posibles cercanas a las que están funcionando en un metabolismo celular dado; pero, lo hace sin que el metabolismo celular se vuelva super-crítico (caótico) y la célula empiece a tener un comportamiento molecularmente impredecible que sería incompatible con sus hiper-ciclos de auto-poiesis. Si alguna célula, alguna vez, ha traspasado esa frontera, con toda probabilidad se ha extinguido. Así que, según Kauffman, las especies y los ecosistemas tenderían a ser tan diversos como lo permite la dinámica de las relaciones entre agentes adaptativos en la frontera del caos. 

Uno de los parámetros que la selección natural ha podido ir ajustando es el número K de entradas (señales de otros K genes) a las que cada gen es sensible. Kauffman, Derrida y Pomeau demostraron que si K=2 o inferior, las redes funcionan en el régimen ordenado, independientemente del contenido de las reglas de transición. Éstas pueden ser aleatorias, y aún así el funcionamiento es ordenado. Como dice Kauffman, “si tomamos 10.000 genes al azar y los combinamos también al azar con la única limitación de que tengan sólo K=2 entradas, aunque la función de transición asignada a cada gen sea aleatoria (de las 16 posibles), el sistema se las arregla para orbitar alrededor de sólo unos 100 estados de los 2¹⁰⁰⁰⁰ posibles!”. Esta forma de autoorganizarse de los sistemas complejos de agentes, combinando cambios azarosos con atractores, sugiere que una parte importante del orden que observamos en los seres vivos procede de procesos autoorganizativos; y sobre ellos, actúa la selección natural perfilando los últimos detalles, por así decirlo. 

Para valores de K mayores que 2, las redes funcionan en el régimen caótico, salvo si las funciones o reglas de transición poseen alguno de dos tipos de sesgo. El primer sesgo es que los genes tiendan a responder preferentemente con una clase de respuesta (i.e. activarse; o desactivarse) independientemente de la combinación de señales que reciba. Si la preferencia por una respuesta es del 80% de media, por ejemplo, los genes pueden tener 4 entradas y la red permanece en el régimen estable; si la preferencia es del 90%, pueden llegar a tener hasta 11 entradas, etc.

La segunda clase de sesgo (“reglas canalizadas”) es la de que la mayoría de los genes tienen alta sensibilidad (responden siempre) hacia las señales que reciben de algunos de los N genes, y baja sensibilidad (responden con poca frecuencia) hacia las señales que reciben de los demás genes. Kauffman encontró que los seres vivos utilizan esta segunda clase de sesgo sistemáticamente, para poder tener 4, 5 y 6 entradas por gen en algunos casos, y no utilizan la primera. Esto es, cada gen tiene “predilección” por lo que le señalan algunos genes concretos con los que está conectado, y reacciona más débilmente a los demás. Es plausible que la selección natural haya partido de redes autoorganizadas de genes con 2 conexiones por gen de media, y sobre ellas haya explorado el “entorno posible” de ese régimen añadiendo a la vez conexiones genéticas nuevas y reglas canalizadas (“preferencias” limitadas entre genes), manteniéndose así en el régimen fronterizo con el caos.

La regulación del sistema climático

La presencia de átomos radiactivos naturales en nuestro planeta, inusual en la mayor parte del gas interestelar, hace pensar que el sistema solar (el sol y sus planetas) se formó dentro de la onda de choque que provocó la explosión de una antigua supernova anterior al sol.

La ciencia geológica actual piensa que la Tierra tiene un núcleo interno sólido donde se han acumulado por gravedad los materiales más densos, con alto contenido en hierro, níquel y átomos radiactivos. La desintegración de esos átomos mantiene muy caliente al núcleo y funde a los materiales, más ligeros, que lo rodean, que forman un núcleo externo de hierro y níquel líquidos (entre los 2.885 y los 5.155 km de profundidad) donde se producen corrientes de convección. Estas corrientes de metales conductores se combinan con el movimiento de rotación de la Tierra para crear una dinamo que mantiene el campo magnético terrestre

Desde los años 30 del siglo XX se ha pensado que existirían posibles corrientes de convección entre ese núcleo externo hasta la corteza terrestre, sólida. Sin embargo, encima de ese núcleo externo y hasta la base de la corteza terrestre la capa existente no parece ser líquida, sino plástica, según la tomografía sísmica, y no son posibles corrientes de convección en un material plástico.

¿Qué causa entonces el movimiento de las placas tectónicas de la corteza terrestre? En los últimos años, ha aparecido una teoría que afirma que la parte de la placa que ha subducido sigue bajando hasta el manto profundo, tirando con su peso del resto de la placa (emergida). En contacto con el núcleo exterior, esta placa sumergida se funde y crea penachos de material fundido que ascienden en otro lugar geográfico, hasta encontrarse con la litosfera, que se calienta en su base, apareciendo allí “puntos calientes”. Estos puntos pueden generar volcanes. Las dorsales centrooceánicas, en esta teoría, se formarían al fracturarse la litosfera por el tirón de la placa sumergida, no serían los impulsores del movimiento. La teoría es verosímil salvo en que la gravedad, en un sistema estratificado, nunca puede causar un movimiento vertical persistente a largo plazo; la elevación de magma caliente hacia las dorsales centrooceánicas, o bien hacia los puntos calientes, o hacia ambos, deberían seguir siendo, más probablemente, el motor energético del movimiento tectónico.

Sea como fuere, las zonas volcánicas cercanas a las subducciones y en las dorsales centrooceánicas son fuentes activas de CO₂, que van directamente e indirectamente a la atmósfera, respectivamente. En Venus, este gas se ha ido acumulando en la atmósfera hasta hacer de este planeta un auténtico infierno para cualquier forma de vida. Esto se debe al efecto invernadero que provoca el CO₂.

Foto de Venus

En efecto, en Venus la Constant solar (potencia luminosa que entra por m² en la alta atmosfera) es de 2637 Wm^-2 , y su albedo (fracción que vuelve reflejada hacia el espacio) es de 0.77, debido a su cobertura de nubes de ácido sulfúrico. Esto hace que lleguen realmente 606,5 Wm^-2 al suelo. Su densa atmosfera tiene un 96% de CO₂ y crea una presión de 89 atm en la superfície. La temperatura en su alta atmosfera es de T_e= 227 K (-46ºC), y en superficie T_s= 737 K (464ºC); la diferencia de temperatures es provocada por el efecto invernadero, que se puede ver que es enorme.

Marte, en cambio, tiene una atmosfera muy tenue, de solo 0.007 atm, compuesta de CO₂ al 95%.

Foto de Marte

Su masa relativamente pequeña es incapaz de retener la mayoría del gas emitido por los volcanes, que escapa al espacio. Su constante solar es de 592 Wm^-2 con un albedo de 0.14, por lo que llega al suelo 509,12 Wm^-2. Las temperatures sobre y bajo la atmosfera son: T_e= 218 K, (-55ºC) y T_s= 220 K (-53ºC), por lo que podemos comprobar que tiene un efecto invernadero débil. Una vida como la terrestre probablemente no habría sido capaz de sobrevivir y evolucionar con una temperatura superficial tan baja y tan poca agua.

La Tierra, en cambio, tiene una constante solar de 1367 Wm^-2 y un albedo de 0.30, por lo que llega a la superfície 956,9 Wm^-2. Con abundancia de agua y un 0.03% de CO₂, su atmosfera tiene un efecto invernadero moderadamente intenso: T_e= 255 K (-18ºC), T_s= 288 K (15ºC).

El efecto invernadero es un sobrecalentamiento de la superficie terrestre producido por la presencia de gases que interceptan la radiación infrarroja emitida por la superficie de nuestro planeta en su camino hacia el espacio, y la reemite en todas direcciones, con lo cual una parte de esa radiación infrarroja vuelve a la superficie. Los gases absorben luz sólo a las frecuencias específicas que necesitan para pasar de un estado de vibración (o rotación) menos energético a otro estado más energético.

El vapor de agua es el principal gas invernadero de nuestra atmósfera, pues la rotación y vibración de su molécula intercepta la mayor parte de la radiación infrarroja emitida por la superficie (Figura). Pero el CO2 produce efecto invernadero también porque varios modos de vibración de su molécula necesitan absorber ondas infrarrojas de frecuencias de 1.8, 4.5 y 12 micrometros, y esas frecuencias coinciden con ventanas que la rotación y vibración de la molécula de agua deja abiertas, esto es, el vapor de agua no intercepta esas frecuencias infrarrojas. 

 

Como la atmósfera está bastante saturada de vapor de agua, sus aumentos de concentración aumentan el calentamiento de la superficie, pero no tanto como lo que correspondería al aumento de concentración, debido a que las ventanas de absorción que le corresponden están ya casi saturadas (casi toda la radiación procedente de la superficie ha sido interceptada ya, y el que haya aún más vapor cambia poco el panorama). Este no es el caso del CO₂, que al estar en concentraciones relativamente bajas en la atmósfera, una duplicación de su concentración induce casi una duplicación de su efecto invernadero.

En cualquier caso, cuando el CO₂ aumenta su concentración, provoca una subida de la temperatura media de la superficie. Esa subida térmica aumenta un poco más la evaporación del agua de los océanos y suelos, y el aumento consiguiente de vapor de agua atmosférico aumenta en una cantidad adicional el efecto que le correspondería al CO₂ en solitario. Cuando los climatólogos habla del aumento del “efecto invernadero” causado por un aumento de CO₂ antropogénico se están refiriendo al efecto combinado (directo e indirecto, a través de la evaporación) de ese aumento de CO₂.

La Tierra pasa por eras geológicas de alta actividad tectónica (y por tanto, volcánica) y por periodos de baja actividad. Las épocas de alta actividad tectónica son también épocas de alta emisión de CO₂ a la atmósfera, dorsales oceánicas más voluminosas, en consecuencia el océano está más alto, y hay también una deriva más rápida de los continentes.

Esas épocas suelen coincidir con fuertes aumentos del CO2 atmosférico, como muestra la Figura siguiente. Sin embargo, esta figura muestra también que, a lo largo de la historia de la Tierra, el CO₂ no se ha ido acumulando como ha ocurrido en Venus, sino que siempre ha estado en concentraciones moderadas, entre las de las épocas glaciales (33% inferiores a la actual) y las del Ordovícico (unas 17 veces superior a la actual).

 

¿Qué mecanismo planetario mantiene la concentración de CO₂ acotada en esos márgenes? La hipótesis que formuló Lovelock con su hipótesis Gaia fue que la propia biosfera es la que mantiene a ese gas (y a otros) dentro de márgenes tolerables para la vida. Sin embargo, la explicación más aceptada es que el mecanismo principal de esa regulación es la meteorización química de los silicatos del suelo por acción del ácido carbónico, esquematizada en la Figura siguiente.

Esencialmente, una parte del CO2 presente en la atmósfera se disuelve en las gotas de lluvia; allí, una parte del CO₂ disuelto pasa a ácido carbónico disuelto, H₂CO₃, y éste, cuando las gotas de lluvia tocan las rocas del suelo, reaccionan con los silicatos presentes en éstas y los convierte en carbonatos y bicarbonatos. Las raíces de la vegetación disgregan las rocas silíceas y amplifican la formación de ácido carbónico (con ayuda de sus bacterias asociadas), por lo que ayudan a la meteorización. La reacción agregada sería:

CaSiO₃ + H₂O + CO₂  CaCO₃ + SiO₂ + H₂O

Roca Lluvia Vulcanismo Carbonato

Silícea

Llevados por los ríos hasta el mar, los carbonatos fluviales van sedimentando por el camino, y los bicarbonatos disueltos precipitan en forma de carbonatos sólidos, por acción de los organismos marinos, que crean estructuras óseas y conchas a partir de ellos. Así, la meteorización retira CO₂de la atmósfera y lo deposita, en forma sólida estable, en los fondos marinos. De allí, en plazos muy largos de unos millones de años, estos carbonatos son arrastrados por el movimiento del fondo oceánico hacia las subducciones, y tras fundirse bajo los continentes, regresan a la atmósfera mediante el vulcanismo. El flujo de carbonatos de origen abiótico es unas cuatro veces mayor que el flujo biótico desde el bicarbonato disuelto hacia los fondos marinos (Figura próxima). Esto sugeriría que la meteorización era un mecanismo previo a la aparición de la biosfera, pero que ésta ha acabado contribuyendo con una aportación importante (y reforzante) a una parte de su ciclo; sin embargo, ese efecto reforzante del termostato geológico de la biota marina es arruinado por la dinámica de la biota terrestre, como comentamos, que actúa aumentando la emisión de CO2 cuando el CO2 está alto en la atmósfera, y viceversa. 

Ciclo geológico del carbono. Tomado de Zhong et al. (2018).

Hay además una retroalimentación negativa múltiple entre la subida de concentración de CO₂ en la atmósfera y la retirada de CO₂ de la atmósfera por efecto de la meteorización. Por una parte, la reacción de meteorización aumenta su tasa de actividad cuando la concentración de CO₂ (y con ello, la temperatura) es más alta; por otro, en las épocas de mucho CO₂ en atmósfera hay más flujo de este gas hacia las gotas de lluvia y mayor formación de ácido carbónico reactante; finalmente, si la temperatura global es más alta, hay mayor tasa de evaporación y por tanto de precipitación, con lo que aumenta la cantidad de ácido carbónico que llega al suelo y lo ataca químicamente.

La retroacción entre temperatura y meteorización controla la concentración atmosférica de CO₂ (y con ello la temperatura media de la superficie) no sólo por arriba sino también por abajo, tal como ilustra la figura siguiente, por lo cual constituye un eficaz “termostato” climático en la Tierra.

 

Este mecanismo de regulación parece haber salvado el clima del planeta en varios momentos críticos, y haberlo mantenido apto para la evolución de la vida.

Uno de esos momentos críticos fue probablemente el de hace 4000 millones de años, cuando el sol, más joven y frio, debió brillar con un 30% menor intensidad que actualmente. Esto debió haber impedido la existencia de agua líquida en superficie, en contra de las evidencias geológicas. La solución más creíble para esta paradoja (planteada por Carl Sagan y G. Mullen en los años 70) es que en esa época la concentración de CO₂ en atmósfera debió ser mayor (por el mayor flujo de calor desde el interior terrestre y la mayor actividad tectónica); y la relativamente baja temperatura debió provocar una baja meteorización de ese CO₂.

Otros momentos críticos debieron producirse en le precámbrico tardío (1000 a 560 millones de años BP). En ese periodo hay evidencia de al menos dos (y posiblemente más) glaciaciones anormalmente grandes. La primera (“Sturtian”; ~730 millones BP) pudo haber provocado una auténtica “Tierra bola de hielo” pero han quedado poquísimos datos geológicos como para poder afirmarlo con seguridad. La más reciente (~650 a ~560 millones BP), parece haber provocado efectivamente una “Tierra bola de hielo” con evidencias claras de hielo marino llegando al ecuador. 

 

Entre los sedimentos geológicos correspondientes a esta época, se encuentran en efecto sedimentos que se depositan sólo en glaciares o icebergs; sin embargo, estos sedimentos se observan incluso en regiones que se encontraban entonces en el ecuador. 

Otra evidencia son las rocas con bandas de hierro. Tales rocas dejaron de formarse en 1800 Ma BP, porque el alto oxígeno disuelto (que alcanzó probablemente el océano tras la fotosíntesis) lo impidió. Sin embargo, en -700 Ma BP vuelven a formarse, asociados a depósitos glaciares en todos sitios. Como si el océano hubiera permanecido anóxico millones de años, y de repente, se hubiera vuelto oxigenado.

Roca con bandas de hierro

¿Cómo pudo enfriarse tanto el planeta pese al termostato de la meteorización? Una explicación plausible es que, en aquella época, los continentes pudieron estar todos entre los dos trópicos. Los dos polos relativamente aislados de corrientes oceánicas provocan, según los modelos climáticos globales, una alta retroacción positiva del albedo polar sobre el enfriamiento (el casquete de hielo que crece en los polos vuelve más reflectiva la superficie, lo cual disminuye más la temperatura, lo cual aumenta la extensión del casquete de hielo). Los casquetes polares debieron crecer sobre el mar y su crecimiento no inhibía directamente la formación de carbonatos (separando las rocas de la lluvia), porque estos seguían formándose en los continentes sin hielo.

Una vez los casquetes alcanzaron los 30º de latitud, los modelos dicen que el enlentecimiento de la meteorización por la bajada térmica fue incapaz de contrarrestar ya a la retroacción positiva del albedo sobre el enfriamiento. El hielo debió envolver la Tierra hasta el ecuador, mientras el océano se congelaba hasta una profundidad de 1000 m.

El planeta podría no haber salido nunca de ese estado, enormemente estable. Sin embargo, esta glaciación aberrante terminó misteriosamente sólo un poco antes de la “explosión cámbrica” de los seres pluricelulares. ¿Qué mecanismo “salvó” al planeta? La explicación más plausible es la de que los volcanes seguían emitiendo CO₂. La bajísima evaporación, impedía que hubiera nubes de lluvia, por lo que sin gotas de lluvia, no se formaba ácido carbónico, ni había posibilidad de meteorización. Por tanto, el CO₂ permanecía en la atmósfera. Tras unos 10 millones de años, los modelos nos dicen que el CO₂ debería haber subido hasta 1000 veces su concentración atmosférica!

Ante un efecto invernadero tan intenso, las comarcas sin hielo alrededor de las fuentes geotérmicas y de los volcanes continentales sufrirían un calentamiento que fundiría todo los hielos de sus alrededores, según los modelos. Esto provocaría una bajada del albedo regional, aumentaría las temperaturas en tales regiones, abriendo más y más los huecos sin hielo, por la retroalimentación positiva y creciente de la bajada del albedo y el aumento de temperatura. 

Cuando una fracción importante de la superficie se vio liberada del hielo, la acción reguladora de la meteorización se habría reiniciado, bajado el nivel de CO₂ a sus valores normales. Así pues, una vez más, el termostato de la meteorización pudo haber “salvado” al planeta, volviéndolo favorable a la evolución de los organismos pluricelulares.

¿Dónde pudo sobrevivir la vida unicelular (bacteriana) del Precámbrico? Probablemente, en las fuentes geotérmicas continentales, alrededor de las chimeneas volcánicas oceánicas y, algunas células, en las grietas del hielo flotante. Las especies supervivientes de esa catástrofe, pudieron quizás ser especialmente adaptables como sugiere la explosión de formas vivas que se produjo a continuación tras el fin de esta glaciación extrema.

Otras situaciones que resultaron críticas para la vida sobre el planeta, pero que la resiliencia biosférica pudo resistir, fueron las cinco grandes extinciones masivas: la del Ordovícico-Silúrico (439 millones a BP, 85% de especies), la del Devónico-Carbonífero (367 millones a BP, 82% de especies), la del Pérmico-Triásico (210 millones a BP, 96% de especies), la del Triásico-Jurásico (210 millones a BP, 76% de especies), y la del Cretácico-Terciario (65 millones a BP, 76% de especies). La causa de la primera es completamente incierta (se ha especulado con la explosión de una supernova cercana), mientras que el resto pudieron ser causadas por emergencia de magma y erupciones volcánicas masivas (acompañadas en algún caso por el impacto de un gran meteorito). 

En la del Pérmico-Triásico, hay evidencias de una caída muy importante de la concentración de oxígeno: del 35 % de comienzos del Pérmico al 15% al final del período (Berner, 1999), quizás provocado por la anormal bajada del nivel del mar, que expuso a la oxidación al 70% de las plataformas continentales, ricas en sedimentos carboníferos. La reducida presión parcial de oxígeno por encima de unos pocos centenares de metros de altitud fue desalojando de allí lentamente a muchos cuadrúpedos, que se habían acostumbrado a un metabolismo muy consumidor de oxígeno. La escasez de oxígeno dio ventaja a las bacterias metabolizadoras de azufre sobre las aerobias, lo que aumentó las emisiones de sulfídrico y de metano por los océanos. A mitad del periodo, el choque de China Sur con la placa del Mar de Thetis produjo un accidente geológico anormal, que fue el ascenso masivo de magma a través de depósitos de carbón, que liberó a la atmósfera 170 trillones de toneladas de CO₂, 18 trillones de toneladas de ácido clorhídrico y gran cantidad de metano. Finalmente, 5-10 millones de años después, se produjo una segunda crisis tectónica en Siberia, con la emisión de 1-4 millones de m³ de lava basáltica que cubrió una superficie casi igual a la europea, quemando grandes extensiones de bosques. Este segundo pico de gases invernaderos y aumento térmico favoreció entonces la autocombustión de grandes masas de carbón que se habían generado desde el Carbonífero. Esto aún produjo más CO₂ y disminuyó aún más la concentración de oxígeno en la atmósfera, que llegó a ser del 16%. Las aguas de los mares se calentaron, liberando los depósitos de metano congelado próximos a la costa, con lo que se incrementó aún más el efecto invernadero. Esto volvió aún más anóxico a los océanos, que vertieron tanta cantidad de sulfuro de hidrógeno que las costas, donde se habían refugiado muchas especies, se volvieron inhabitables. Se extinguieron el 96% de las especies, y hasta la mayoría de los insectos.

En la del Triásico-Jurásico, el super-continente Pangea comenzó a fracturarse a lo largo de una línea de ruptura llamada “Central Atlantic Magmatic Province” (CAMP). En esa enorme región geográfica de unos tres millones de Km² (figura) empezaron a emerger, una vez más, gigantescas coladas de basaltos, que provocaron continuas lluvias ácidas provocadas por las emisiones de SO₂, y un probable calentamiento brusco provocado por el aumento del CO₂.

 

La extinción del Ordovícico-Silúrico es incierta, pero pudo ser provocada por la explosión de una supernova cercana. Si una de estas explosiones sucediera lo suficientemente cerca destruiría la capa de ozono de la atmósfera. Esto nos expondría a la radiación ultravioleta del Sol, que además romperían el oxígeno hasta en las capas bajas de la atmósfera, formando ozono a ras de suelo, gas que, a ese nivel, es tóxico para la vida animal y vegetal. ¿Puede la biosfera adaptarse a cualquier perturbación? Está claro que la biodiversidad es y fue una gran baza, pero no garantiza la supervivencia en cualquier situación geológica. Un ejemplo es la evolución geológica de Venus. 

¿Por qué la superficie terrestre no es un infierno, como lo es la superficie de Venus? Venus es una especie de gemelo de la Tierra por su masa, y aun estando más cerca del sol, la cantidad de radiación que llega a su superficie es menor que la que llega a la Tierra (debido a su densa atmósfera). Sin embargo, ha evolucionado geológicamente de una manera absolutamente hostil para cualquier forma de vida que conozcamos. La explicación más plausible está relacionada, sorprendentemente, con la diferente velocidad de rotación de ambos planetas.

La velocidad de rotación de Venus es de una vuelta cada 243 días terrestres. Esta rotación tan lenta produce un efecto dinamo inapreciable en un probable núcleo exterior líquido como el de la Tierra. Por lo que tiene un campo magnético planetario prácticamente inapreciable. En cambio, la Tierra tiene a su alrededor un campo magnético desarrollado, tal como muestra la figura.

El sol emite un flujo supersónico continuo de protones, electrones y núcleos de helio, llamado viento solar. Estos iones tienen una energía entre 1.5 y 10 kEV, unas 30-200 veces más que la energía de ionización y rotura de la molécula de agua, de modo que una molécula de agua tiene pocas probabilidades de sobrevivir al choque con uno de estos iones de alta energía. El campo magnético de la Tierra, sin embargo, curva la trayectoria de estos iones alrededor de la Tierra, de manera que sólo unos pocos consiguen alcanzar nuestro planeta, casi todos en las regiones polares, donde ionizan o excitan los átomos de nitrógeno, oxígeno y agua, y producen las auroras boreales (cuando los átomos o iones excitados vuelven a su estado fundamental de energía emitiendo fotones). La mayoría de los iones del viento solar, sin embargo, continúa su camino hacia el exterior del sistema solar. 

En contraste con la Tierra, ningún escudo magnético protege la atmósfera de Venus. Los iones del viento solar inciden directamente contra las capas altas de su atmósfera. El vulcanismo de Venus, como el de la Tierra, debe de haber estado vertiendo a la atmósfera (principalmente) CO₂ y agua desde hace varios miles de millones de años. Como el agua es más ligera que el CO₂, flota sobre él, y tiende a colocarse encima, así que el agua en Venus ha debido ir colocándose en la atmósfera alta, a lo largo de millones de años, mientras el CO₂ iba llenando su parte baja. Lo que ha debido ocurrir lo podemos imaginar, y ha sido en parte confirmado por las imágenes y datos enviados por la sonda Venus Express de la Agencia Espacial Europea (ESA) en 2006 (foto siguiente).

Interacción entre Venus y el viento solar (Crédito: ESA / C. Carreau)

 

La sonda Venus Express (1270 kg), en órbita polar entre 250 y 66000 km de Venus, fue lanzada en Noviembre de 2005 por un cohete Soyuz, alcanzó Venus tras 153 días de viaje y tras 5 días de maniobras controladas por radio desde la Tierra (a 40 millones de km), consiguió su órbita.

Una de las primeras fotografías enviadas mostró, en el lado nocturno de Venus, una estela turbulenta de átomos abandonando el planeta. Pues bien, el “Analyser of Space Plasma and Energetic Atoms” (ASPERA) de la sonda mostró en la composición de esa estela una proporción de dos átomos de hidrógeno saliendo por cada uno de oxígeno. ¡Venus está perdiendo continuamente agua ionizada! Y probablemente la ha estado perdiendo por más de 3000 millones de años, por lo que su atmósfera ahora tiene ahora 1/105 veces menos agua que la atmósfera terrestre.

Así pues, esa foto nos hace testigos de la tragedia de Venus. Sin agua en su atmósfera, el CO2 de los volcanes de Venus no puede formar ácido carbónico; La retroacción negativa de la meteorización no existe; el CO2 se acumula continuamente, mientras que el agua es descompuesta por el viento solar en su alta atmósfera, y va abandonando el planeta en forma de iones de alta velocidad. Tres o cuatro mil millones de años más tarde, la temperatura en su superficie es de cerca de 500ºC, llueve ácido sulfúrico, y la presión es tan alta (89 atm) que las primeras naves Venera que llegaron intactas a su superficie, filmaron una imagen óptica lechosa, como de estar sumergidos en algo más parecido a un líquido que al aire que conocemos.

Probablemente, las primeras células vivas que evolucionaron en la Tierra (ya sea por síntesis química estilo Oparin y Miller, ya sea por panespermia desde los cometas) se beneficiaron de ciclos reguladores del clima tal como la meteorización, y sobre ese contexto geológico construyeron sus propias dinámicas, que en algunos casos refuerzan la regulación climática geológica y en otros la debilita ligeramente sin inutilizarla. La biosfera ha evolucionado, como hemos visto, en el contexto de unas fuerzas, ciclos y eventos geológicos que, en muchos casos, eran demasiado poderosos y tenían una causación demasiado remota como para que la adaptación biológica pudiera afectarlos. Pero la biosfera era lo suficientemente resiliente, debido a su diversidad, para que un pequeño número de especies sobrevivieran a las grandes catástrofes, y repoblaran el planeta.

Artículo escrito por Antonio García-Olivares

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