Dinámicas de Interacción y Sistemas en Biología y Ciencias de la Tierra

Tipos de Interacciones en Sistemas Naturales

Las relaciones o interacciones entre elementos pueden clasificarse en:

• Interacciones Simples

  Son relaciones de tipo causa/efecto entre dos variables. Pueden ser:

  • Directas o Positivas

    Son aquellas en las que la variación de un elemento produce la variación en el mismo sentido sobre el otro elemento. Por ejemplo: el número de nacimientos y el tamaño de una población.

  • Negativas o Inversas

    Son aquellas en las que la variación de un elemento produce una variación en sentido contrario del otro elemento. Por ejemplo: el número de fallecidos y el tamaño de una población.

• Relaciones Encadenadas

  Son aquellas que se producen entre más de dos variables, donde el efecto de una variable se propaga secuencialmente a través de otras. El resultado final es la suma de los efectos individuales a lo largo de la cadena.

  Ejemplo de relación encadenada:

  Aumento de [CO2] en la atmósfera → Aumento de la temperatura global → Disminución del tamaño de los glaciares → Aumento del nivel de los océanos.

• Interacciones Complejas (Realimentación o Retroalimentación)

  Una relación compleja es aquella en la que un elemento influye sobre otro, y este, a su vez, influye en el primero, formando un bucle. Pueden ser:

  • Realimentación Positiva

    Es aquella en la que el número de relaciones negativas en el bucle es par. Este tipo de realimentación produce un crecimiento exponencial y descontrolado del sistema, amplificando el cambio inicial.

    Ejemplos:

    • El crecimiento de una población: un mayor número de nacimientos aumenta el tamaño de la población, lo que a su vez puede llevar a más nacimientos.
    • El deshielo del Ártico: la disminución de la superficie helada reduce el albedo (capacidad de reflejar la luz solar), lo que aumenta la absorción de energía solar y, por ende, la temperatura terrestre, provocando más deshielo.

  • Realimentación Negativa

    Es aquella en la que el número de relaciones negativas en el bucle es impar. Este tipo de retroalimentación produce un efecto estabilizador del sistema, es decir, ante una perturbación o cambio, tiende a mantener el estado inicial. Por ello se les denomina bucles homeostáticos.

    Ejemplos:

    • La regulación de la temperatura corporal en mamíferos: si la temperatura sube, el cuerpo activa mecanismos para enfriarse (sudoración), y si baja, activa mecanismos para calentarse (escalofríos), volviendo a la temperatura óptima.
    • La relación depredador-presa: un aumento de presas lleva a un aumento de depredadores, lo que a su vez reduce la población de presas, y así sucesivamente, manteniendo un equilibrio dinámico.

Tipos de Sistemas Termodinámicos

Desde el punto de vista termodinámico, se distinguen tres tipos de sistemas:

• Sistemas Aislados

  Son aquellos que no intercambian ni materia ni energía con su entorno. Son ideales y no existen en la naturaleza de forma perfecta.

• Sistemas Cerrados

  Son aquellos que intercambian energía pero no materia con su entorno. Por ejemplo: la biosfera terrestre (si se ignora la entrada de meteoritos y la fuga de gases al espacio exterior) o un acuario cerrado.

• Sistemas Abiertos

  Son aquellos que intercambian tanto materia como energía con su entorno. Todos los sistemas naturales son abiertos y suelen poseer un elevado número de variables interconectadas.

La Tierra como un Sistema Integrado

Podemos considerar a la Tierra como un sistema cerrado (siempre y cuando se ignore la entrada de meteoritos y la fuga de gases al espacio) que recibe un flujo constante de energía solar y desprende calor hacia el espacio en forma de radiación infrarroja.

Dentro del sistema terrestre, podemos diferenciar varios subsistemas interconectados:

• Biosfera: Conjunto de todos los seres vivos y sus entornos.
• Hidrosfera: Conjunto de todas las aguas del planeta (océanos, ríos, lagos, glaciares, agua subterránea).
• Atmósfera: Capa gaseosa que rodea la Tierra.
• Geosfera: Parte sólida de la Tierra (corteza, manto, núcleo).

El Funcionamiento del Sistema Climático Terrestre

El sistema climático está formado por las complejas interacciones entre los distintos subsistemas terrestres, lo que resulta en una autorregulación de la temperatura media de la Tierra en torno a los 15ºC, permitiendo la existencia de vida y de agua en estado líquido.

Diversos factores influyen en el sistema climático. Algunos actúan de forma lenta (por ejemplo, los factores astronómicos) y otros actúan rápidamente (por ejemplo, el albedo). Los principales factores que influyen en el sistema climático son:

• Efecto Invernadero

  Está causado por gases como el CO2, el vapor de agua, el metano, entre otros, que permiten el paso de la radiación solar pero absorben la radiación infrarroja emitida por la Tierra. La cantidad de calor atrapado en la atmósfera depende directamente de la concentración de estos gases de efecto invernadero.

• Albedo

  Es la proporción de energía solar reflejada por la atmósfera (debido a partículas como polvo o nubes) o por la superficie terrestre (especialmente por superficies claras como el hielo y la nieve). Posee un efecto contrario al efecto invernadero, ya que una mayor reflexión implica una menor absorción de calor.

• Factores Astronómicos

  Son factores externos al sistema Tierra y consisten en las variaciones de la energía procedente del Sol, conocida como constante solar o irradiancia solar, así como cambios en la órbita terrestre y la inclinación del eje de rotación (ciclos de Milankovitch).

• Factores Geológicos

  Incluyen la distribución de los continentes (que afecta las corrientes oceánicas y los patrones de viento) y, sobre todo, la actividad volcánica. La actividad volcánica influye en el clima de dos maneras principales:

  • Emiten CO2, que contribuye al efecto invernadero y, a largo plazo, aumenta la temperatura terrestre.
  • Emiten partículas (como SO2, que forma ácido sulfúrico H2SO4 en la atmósfera) que aumentan el albedo atmosférico, provocando un descenso de la temperatura a corto plazo.

  Dado que el tiempo de permanencia en la atmósfera del CO2 y de las partículas es diferente, a corto plazo las erupciones volcánicas pueden disminuir la temperatura (por las partículas), y a largo plazo, contribuir a aumentarla (por el CO2).

• Otros Factores

  • Los océanos: Absorben y disuelven grandes cantidades de CO2, y redistribuyen el calor terrestre a través de las corrientes oceánicas.
  • El hielo: Contribuye significativamente al sistema climático a través del ciclo del hielo, que puede actuar como un mecanismo de retroalimentación positiva, desestabilizando el sistema climático al amplificar los cambios de temperatura (por ejemplo, el efecto albedo-hielo).