Tema 1. Fundamentos de Sistemas Ambientales y Sociedades.

1.2. Sistemas y modelos

Un sistema es un conjunto estructurado de elementos, objetos y atributos que presentan

relaciones unos con otros y operan de forma conjunta, como un todo complejo y unificado.
Un sistema puede ser vivo o no vivo y de cualquier tamaño. Una célula, un bosque o una
persona es un sistema. Nosotros consideraremos en esta materia, sobre todo, los
ecosistemas, que pueden tener variados tamaños, desde un estanque hasta un océano,
desde un árbol a un bosque, desde un arrecife de coral hasta un continente. La biosfera en
su conjunto es también un ecosistema.
La teoría de sistemas es de aplicación general a todos los ámbitos del conocimiento,
comenzó a utilizarse en cibernética por N. Wiener y se aplicó a biología por Ludwig Von
Bertalanffy. Un sistema podemos representarlo como un diagrama.

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 Los sistemas sociales y los sistemas económicos incluyen los marcos legal, financiero y
burocrático que permiten su funcionamiento y regulación.
El sistema de valores ambientales que tú mantienes consiste en tus opiniones sobre el
medio ambiente y cómo las evalúas.
Un sistema puede permanecer estable largo tiempo o puede cambiar rápidamente. Los
sistemas se desarrollan dentro de su propio entorno, el cual puede estar formado por otros
sistemas o ecosistemas que, generalmente, intercambian entradas y salidas –energía y
materia en los sistemas vivos, información en los no vivos— con su entorno.

No es una mera suma de componentes, los sistemas son más que la suma de sus partes.
No es cierto que para conocer lo que es una célula sea suficiente estudiar muy bien las
moléculas que la forman; o que conocemos un ecosistema porque se han estudiado sus
distintos componentes.
Realidades, como una célula, un organismo vivo o un ecosistema, son lo que llamamos
sistemas complejos y en ellos el conjunto es mayor que la suma de las partes, ya que sus
interacciones determinan propiedades emergentes que no poseen las partes por separado.
El enfoque holístico que precisa el estudio de los sistemas implica varias ciencias
(Ecología, Sociología, Climatología, Economía, etc.).
La metodología empleada en el estudio de los sistemas se conoce como dinámica de
sistemas, fue desarrollada en los años sesenta por Forrester, y observa y analiza
relaciones e interacciones entre las partes, recurriendo al uso de modelos, que son
versiones simplificadas de la realidad, que no se pueden aplicar fuera del entorno para el
que fueron formulados.
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Las características principales comunes a todo sistema son cuatro:

1. Todo sistema tiene una finalidad, es decir, cumple una función concreta.
2. Todo sistema recibe influencias del ambiente en el que se encuentra.
3. El sistema influye en el ambiente que le rodea, ya que genera productos.
4. Los productos que el sistema envía al ambiente provocan una respuesta
(retroalimentación) del ambiente sobre el sistema. De esta forma el sistema es
"informado" de la repercusión que han tenido los productos que ha generado.

El sistema tiene esas características porque así se mantiene en el tiempo y se asegura

su permanencia. No permanece siempre igual sino que está cambiando. Está sometido a
perturbaciones al azar y se encuentra en lo que llamamos un "equilibrio dinámico" en el
que está en transformación continua, pero manteniendo un tipo de organización que les
permite cumplir su función.
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Cuando alejamos a un sistema vivo de su situación de equilibrio, normalmente muestra

una gran capacidad de adaptarse para responder a estos cambios. Pero cuando el cambio
es muy fuerte, llega un momento en el que ya no es capaz de adaptarse y entonces pueden
suceder dos cosas: A) se impone el desorden y el sistema se destruye
B) por mecanismos auto-organizativos, el sistema se renueva y alcanza un nuevo estado
estable, diferente del anterior. En este último caso se ha producido una evolución positiva.
Todo sistema puede ser parte de otro sistema mayor que él, al que se le suele llamar
supersistema. También se suele decir que un sistema está formado por subsistemas

cuando sus componentes son otros sistemas más reducidos.

Transferencias y transformaciones
Un sistema está constituido por reservas y flujos.
Los flujos proporcionan entradas y salidas de materia y energía. La materia y la energía
se mueven o fluyen a través de los ecosistemas.
Los flujos son procesos que pueden ser o transferencias (un cambio de ubicación) o
transformaciones (un cambio en la naturaleza química, un cambio de estado o una
variación energética).
Una transferencia sucede cuando el flujo a través del sistema no supone un cambio de
forma o de estado, aunque sí de emplazamiento; como puede ser el agua moviéndose por
un río hasta el mar, la energía química en forma de azúcares fluyendo desde un herbívoro a
un carnívoro.
Las transformaciones tienen lugar cuando el flujo lleva consigo un cambio de forma o de
estado; como ocurre en la evaporación parcial del agua del río, la energía luminosa que se
convierte en energía química.
Ambos tipos de flujo requieren energía; las transferencias, más sencillas, requieren
menos y son más eficientes que las transformaciones.

LAS TRANSFERENCIAS PUEDEN SUPONER LAS TRANSFORMACIONES PUEDEN SER

 • Movimiento de materia a través de organismos • De materia en materia (glucosa soluble convertida
vivos (carnívoros comiendo otros animales). en almidón insoluble en plantas).

• El movimiento de materiales en procesos no vivos • De energía en energía (luz convertida en calor por
(el agua movida por una corriente). superficies radiantes).

• El movimiento de la energía (corrientes oceánicas • De materia en energía (Quema de

transfiriendo calor)
combustibles fósiles) • De energía en materia

(fotosíntesis)

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Flujos y reservas
Materia, energía e información fluyen (como entradas y salidas) a través de los sistemas
pero, a veces, son almacenadas (como depósitos)
dentro del
ecosistema. Los flujos provocan el aumento o
disminución de las reservas y son los únicos
elementos
que pueden modificarlas.
Así, la energía fluye de unos compartimentos a
otros;
como ocurre en una cadena alimenticia. Pero
cuando un
organismo se come a otro, la energía que se mueve entre
ellos está en forma de energía química almacenada (el
cuerpo del organismo presa).
La energía fluye a través de un
ecosistema en forma de enlaces
carbono-carbono en compuestos
orgánicos. Esos enlaces se rompen
durante la respiración cuando los
carbonos se unen con O2 para producir
CO2; esto libera energía que sirve para la
síntesis de ATP, que, a su vez, la
proporciona para mantener la vida
perdiéndose parte en forma de calor. El
origen de toda la energía en un
ecosistema es el sol.
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Tipos de sistemas

SISTEMAS DE CAJA NEGRA

Un sistema caja negra se representa como si fuera una caja dentro de la cual no
queremos mirar y sólo nos fijamos en sus entradas y salidas de materia, energía e
información, es decir, en sus intercambios con el entorno:

Los sistemas denominados de caja negra pueden ser:

a) Abiertos: son aquellos que intercambian con el entorno materia y energía. Por ejemplo,
en una ciudad entran energía y materiales y sale energía en forma de calor y materia en
 forma de desechos y productos manufacturados). “Los ecosistemas” son sistemas
abiertos en los que continuamente entran y salen cosas, aunque la apariencia general y
las funciones básicas permanecen constantes durante largos períodos.

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Tema 1. Fundamentos de Sistemas Ambientales y Sociedades.
Dentro de un sistema puede haber subsistemas, es decir grupos de elementos
relacionados entre sí. Por ejemplo, en un ecosistema:

b) Cerrados: son los que sólo intercambian energía con el entorno. No existen sistemas
naturales cerrados en la Tierra, aunque el planeta como tal puede ser considerado como
un sistema “casi” cerrado. Para facilitar su estudio, algunos ecosistemas podemos
considerarlos cerrados. Por ejemplo, en una charca entra energía solar y sale calor, pero
la materia se recicla.
Muchos ejemplos de sistemas cerrados son artificiales y se construyen par supuestos
experimentales. Un acuario o un terrario se pueden sellar de tal forma que sólo puede ser
intercambiada energía en forma de luz y calor, pero no materia.

c) Aislados son los que no intercambian nada, ni materia ni energía, con el medio. No
 existen en la naturaleza, aunque podríamos pensar en el Universo entero como un

sistema aislado.

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SISTEMAS DE CAJA BLANCA

Los sistemas de caja blanca estudian los componentes del propio sistema, sus variables
y las relaciones entre ellas. Estas relaciones pueden ser simples: directas, inversas y
encadenadas: ♦ Directas son aquellas en las que el aumento o la disminución de un
componente o variable causa, respectivamente, el aumento o la disminución de otro.
 Nacimientos + Población

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♦ Inversas son aquellas en las que el aumento o disminución de un componente o variable
causa, respectivamente, la disminución o el aumento de otro.

-
Defunciones Población

♦ Encadenadas lo son cuando hay más de dos variables entre las cuales podemos
establecer relaciones lineales (directas o inversas)

Defunciones - Población +
Nacimientos

También pueden ser complejas, cuando las acciones de un elemento del sistema sobre
otro implican las de este sobre aquél; es la retroalimentación, que veremos más adelante.
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Modelos de sistemas
Para los estudios de la dinámica de sistemas se recurre al empleo de modelos, es decir,
de versiones simplificadas de la realidad que se pueden usar para comprender cómo
funciona un sistema y para predecir cómo responderá este a los cambios.
Un modelo inevitablemente implica un cierto grado de aproximación y, por tanto, una
pérdida de precisión.
Un modelo puede tener muchas formas. Cuando se diseña hay que hacer
simplificaciones, eliminando los detalles complejos o que no sean relevantes para nuestro
objetivo. Nos permiten, así, mirar al futuro y predecir los efectos de un cambio ante una
entrada en el sistema. El modelo formal, al igual que en el método científico, se puede
verificar comparándolo con la realidad; si coincide con las predicciones del modelo,
podremos afirmar que es adecuado o que se ajusta a lo
esperado, pero si no coincide tendremos que diseñar
uno nuevo.

Tipos de modelos.
• Modelos físicos: túnel del viento o de agua, globo
terráqueo o del sistema solar, un acuario o un terrario.

• Modelos descriptivos. Son representaciones de la

realidad.
Por ejemplo, la producción de petróleo en 2003.
 • Modelos predictivos. Su objetivo es prever
los
efectos de un proceso en el tiempo. Ej:
prever
cuándo se podrían agotar las reservas actuales de
petróleo. Un modelo puede ser tan sencillo como
una simple explicación con palabras de lo
fundamental de una realidad. A este tipo se le
suele llamar modelo verbal.

• En los modelos numéricos o

matemáticos se usan magnitudes y
ecuaciones matemáticas para describir
con exactitud los distintos componentes
del sistema y las relaciones entre ellos.

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Tema 1. Fundamentos de Sistemas Ambientales y Sociedades.
• El desarrollo de los ordenadores ha hecho posible manejar una gran cantidad de datos y
por eso ahora se usan, cada vez más, simulaciones, en los que con programas de
ordenador se imita el funcionamiento de sistemas complejos. Este tipo de modelos son
los más perfeccionados y
han permitido simular
relativamente bien, procesos muy
complicados como el funcionamiento
de la atmósfera o las fluctuaciones
de las
poblaciones de peces, entre otros
muchos.
• En otros modelos usamos diagramas de flujos y reservas en los que se dibujan de una
forma simplificada los componentes del sistema señalando con flechas las acciones de
unos sobre otros. Son modelos gráficos. Algunos pueden ser muy esquemáticos, pero
cuando en cada flecha se indica el tipo de acción que tiene lugar y se señalan
diferentes compartimentos y tipos de interacción, pueden llegar a ser muy
 complicados.

Un ejemplo sencillo, como el de la figura, sirve para ver las distintas partes que suelen
tener los modelos en ecología y las interacciones entre los componentes.

Modelo gráfico (Odum 1985, modificado)

E son las fuentes de energía o las fuerzas

que
impulsan el sistema. F representan los
caminos
por los que discurren la energía o los
materiales
de unos componentes a otros. P y C
representan
los distintos componentes. I son puntos de
interacción en los que se producen
modificaciones, aumentos o
disminuciones de
los flujos. R son retroalimentaciones que indican
que un componente posterior del sistema está
influyendo sobre componentes previos.

Un modelo como este puede representar

diferentes realidades. Por ejemplo podría
representar una charca en la que E1 es la energía procedente del sol que, por una parte
calienta el agua y la evapora (C1 y C2) , saliendo esta energía del sistema por E3. Por otra
parte la energía E1 sirve para que proliferen las plantas (fitoplancton) P1 que es comido por
el zooplancton P2. Zooplancton y fitoplancton serían comidos por los organismos más
grandes P3, cuya energía se disipa en E2. R podía significar en este caso que el crecimiento
de plancton se ve favorecido por los desechos de los organismos superiores que
devuelven nutrientes al sistema.

Con el mismo modelo podríamos representar una pradera, en la que P1 son los
herbívoros, P2 los carnívoros y P3 los omnívoros; o la formación de smog fotoquímico en
una ciudad en la que las P son los distintos contaminantes.

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Como hemos visto en el ejemplo, Howard T. Odum, desarrolló un sistema de
representación de los ecosistemas que daba bastante información al modelar
el flujo de energía en el sistema.
 Cada componente se representa por el símbolo correspondiente:

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 Diagrama de Odum que representa un ecosistema terrestre
La caja que engloba todos los símbolos marca los límites del sistema:
• Los productores son las hojas, que realizan la fotosíntesis.
• Los consumidores son los animales, los tallos y las raíces de las plantas.
• El almacén es el suelo, que tiene tres subalmacenes: agua, arcillas y nutrientes. • Los
símbolos que corresponden a las fuentes de energía, los sumideros y los factores
externos como la lluvia, la radiación solar, el aire y los procesos geológicos están
fuera de los límites.

Ventajas e inconvenientes del uso de modelos

Como hemos dicho más arriba, un modelo:
• Es una simplificación que imita los fenómenos del mundo real, de modo que se puedan
comprender las situaciones complejas. Es una manera fácil de trabajar una realidad
compleja. Por ejemplo, si se dispone de un buen modelo del funcionamiento de la
atmósfera se podrá predecir qué pasaría si se aumenta la concentración de un gas, por
ejemplo, del CO2, y ver como variará la temperatura.
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• Podemos hacer predicciones. Un buen modelo permite predecir situaciones futuras
porque, al imitar la realidad, da la posibilidad de adelantarse al presente y situarse en lo
que vendrá. • Nos ayudan a ver patrones de funcionamiento.
• La limitación obvia es que un modelo imita, pero no es la realidad. Por muy bueno que sea
siempre está lejos de la complejidad del proceso natural. Así, se ha comprobado que la
complejidad y la aleatoriedad de los procesos climáticos es tan grande que, a pesar de
haberse empleado los mayores superordenadores y los más sofisticados modelos
computacionales, no se ha logrado predecir el tiempo con fiabilidad para periodos de
varios días.
• Si nuestras premisas son falsas, nuestras conclusiones serán erróneas.
• Las predicciones pueden ser inexactos

Ecología y teoría general de sistemas

El término ecosistema nos indica que la ecología se estudia aplicando la teoría de
sistemas a las interacciones entre los componentes bióticos y abióticos de aquél. Así,
tomando como ejemplo el sistema clima de la Tierra, vemos cómo una serie de
subsistemas (atmósfera, hidrosfera, Geosfera y biosfera) interactúan a través de varios
factores.
El efecto invernadero, causado por emisiones de CO2, CH4, N2O y vapor de agua, resulta
beneficioso para mantener 15 ºC de temperatura media, pero perjudicial si hay aumento de
los gases. Tiene como causas las combustiones, que incrementan los gases, y las
deforestaciones que disminuyen la absorción de los mismos.
invernadero
+

Concentración de gases con Temperatura

efecto

El efecto albedo, entendido como el porcentaje de radiación solar reflejada. Cuanto más
clara en una superficie, mayor albedo existe y, por tanto, menor será la temperatura (razón
de las casas blancas en el sur y oscuras en el norte).
- Temperatura
Albedo
-
 Superf con

hielo +

El polvo atmosférico procede de emisiones volcánicas, contaminación, incendios, etc. La

luz del sol no puede pasar y ello determina enfriamiento.

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Tema 1. Fundamentos de Sistemas Ambientales y Sociedades.
Las variaciones de la temperatura terrestre. Determinadas porque gradualmente
disminuye el calor interno de la Tierra y aumenta el calor solar; y porque periódicamente
cambia la excentricidad de la órbita terrestre (cada 100.000 años), la inclinación del eje de
rotación (cada 41.000 años) y la posición de perihelio y afelio (cada 21.000 años).
Las nubes incrementan el albedo si son bajas, pero por otro lado el efecto invernadero si
son altas. El bucle positivo del albedo corre el riesgo de romperse por el deshielo, con lo
que las temperaturas
subirán más.
(+)
+
Superficie helada
+ +
(+)
Efecto
invernadero
_ TEMPERATURA

_
+
(-)
GAIA
Nubes Albedo +

En 1979, James Lovelock publicó su “hipótesis Gaia” en la obra Gaia: Una nueva mirada
a la vida en la Tierra. En ella argüía que la Tierra es un organismo de tamaño planetario y
que la atmósfera es el órgano que la regula y conecta en todas partes. (Gaia es el nombre
de la antigua diosa griega de la Tierra).
Lovelock argumentaba que la biosfera mantiene la composición de la atmósfera dentro
de ciertos límites por mecanismos de retroalimentación negativa.
Basaba sus argumentos en estos hechos:
1. La temperatura de la superficie terrestre es constante a pesar de que el sol está emitiendo
 un 30% más de energía que cuando la Tierra se formó.
2. La composición de la atmósfera es constante con un 79% de nitrógeno, 21% de oxígeno y
0,03% de dióxido de carbono. El oxígeno es un gas reactivo, pero su proporción no
cambia. 3. La salinidad de los océanos es constante, alrededor de un 3,4%, aunque del
lavado de sales de los ríos a los mares cabría esperar su incremento.
Lovelock fue muy criticado por su hipótesis. Lynn Margulis, que trabajó con él, también
apoyó sus puntos de vista, aunque usó un lenguaje menos emotivo sobre la Tierra como
un organismo. Lovelock ha defendido su hipótesis durante 30 años y mucha gente acepta
ahora algunos de sus puntos de vista. Desarrolló “Daisyworld”, una simulación
matemática para mostrar que los mecanismos de retroalimentación pueden evolucionar a
partir de las actividades de los propios organismos interesados.
En su libro de 2006, La venganza de Gaia, defiende con fuerza que la Tierra es una “vieja
señora” que ha recorrido más de la mitad de su existencia como planeta y no es capaz de
recuperarse de los

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cambios tan bien como lo hacía. Sugiere que podemos estar entrando en una fase de
retroalimentación positiva en la que, el hasta ahora equilibrio estable, se vuelva inestable e
iremos hacia un nuevo estado de equilibrio más caliente. Sugiere que la población humana
sobrevivirá, pero con un 90% de reducción en su número.

Ejercicios
• Elaborar un diagrama de sistema o un modelo a partir de un determinado conjunto de
datos • Evaluar el uso de modelos como una herramienta en una determinada situación,
como por ejemplo en predicciones de cambio climático
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