El sistema solar y los subsistemas terrestres

En la superficie de la Tierra, bajo la influencia de las radiaciones y los impactos procedentes del Sistema Solar, interaccionan la geosfera o parte sólida del planeta, la atmósfera, la hidrosfera y la biosfera. Estos subsistemas modifican constantemente la parte exterior del planeta.

La geosfera
La geosfera tiene un origen similar en todos los cuerpos de tamaño parecido del Sistema Solar, que sirven de referencia para entender los grandes procesos que pueden haber afectado a nuestro planeta.

El Sol, los planetas y otros cuerpos menores forman un sistema en movimiento en el que tienen gran importancia las interacciones gravitatorias y las diferencias de masa, de composición y de posición respecto al Sol.

Todos los planetas y cuerpos del Sistema Solar reciben la energía procedente del Sol, que puede
movilizar las envolturas fluidas exteriores, gaseosas o líquidas. Los cuerpos de mayor tamaño presentan en su interior zonas de distinta composición y tienen, o han tenido, una energía interna responsable de las deformaciones y los fenómenos magmáticos que han sido recientemente observados gracias a las sondas espaciales. Algunos fenómenos pueden deberse también al efecto de las mareas inducidas por las atracciones gravitatorias.



Una característica común a todos los cuerpos del Sistema Solar con superficie sólida es la presencia de cráteres. Se supone que una gran parte de ellos se produjeron en las primeras etapas de la formación del Sistema Solar, pero todavía se siguen produciendo impactos de pequeños asteroides o cometas contra los grandes satélites o planetas.

La Tierra muestra pocos cráteres en su superficie debido a que la dinámica externa los termina borrando. En otros planetas se utiliza el grado de craterización para saber la edad de las distintas regiones de su superficie.

Por otra parte, las variaciones en los movimientos de la Tierra, especialmente los cambios en la inclinación de su eje, están posiblemente relacionadas con los cambios climáticos globales que se deducen de la historia geológica de la Tierra.



La atmósfera

La atmósfera constituye la envoltura gaseosa de la Tierra. Su composición ha cambiado con el tiempo, debido a la liberación de oxígeno mediante la fotosíntesis y a la fijación del dióxido de carbono. Otros cambios temporales y locales están relacionados con el vulcanismo y la evaporación del agua en los océanos. Tanto la atmósfera como la hidrosfera se originaron por la desgasificación de las rocas de la Tierra.

Los cambios en la composición de la atmósfera pueden afectar al balance energético del planeta, al regular la relación entre la energía recibida del Sol y la que se devuelve al exterior por reflexión o contrarradiación.

Además, los gases de la atmósfera participan en los procesos de alteración química de las rocas de la superficie terrestre, y las diferencias de temperatura en la atmósfera regulan el régimen de vientos y el transporte del agua de los océanos a los continentes.



La hidrosfera

El volumen de la hidrosfera parece que ha sido prácticamente el mismo desde hace 3000 millones de años. Esta envoltura está compuesta por agua en sus tres estados, aunque la mayor parte de ella se encuentra en los océanos. Esta agua se desplaza continuamente desde la superficie de la Tierra a la atmósfera, y viceversa, dando lugar al ciclo hidrológico.

Las aguas de los océanos pueden tener importantes diferencias de composición, salinidad, temperatura y densidad. Algunas de estas diferencias originan corrientes oceánicas e influyen en el clima terrestre a través de la atmósfera.

Las corrientes, los aportes detríticos procedentes de los continentes, los organismos marinos y las características químicas del agua influyen en la formación de sedimentos en los océanos. Además, las aguas continentales participan en los procesos de alteración, erosión, transporte y sedimentación en los continentes.

Todos los seres vivos dependen del agua de la hidrosfera.

La biosfera

Una de las principales características de la Tierra es la existencia de vida en su superficie. La biosfera ha evolucionado con el planeta e interacciona con todos sus sistemas, hasta tal punto que muchos procesos solo son explicables por la acción de los seres vivos.

En la actualidad, la biosfera está profundamente influida por la presencia del ser humano, que ha alcanzado la capacidad tecnológica para modificar grandes superficies del planeta e incluso destruir a otros seres vivos que también lo pueblan.


El estudio de los fósiles muestra algunos cambios drásticos en el número y variedad de los seres vivos a lo largo de la historia de la Tierra. La biosfera parece que ha superado varias crisis o extinciones masivas cuyas causas no se conocen con precisión.

La esfera de la razón

El crecimiento de la población y el avance cualitativo y cuantitativo en el desarrollo de la ciencia y la tecnología en los dos últimos siglos (y aceleradamente en la actualidad), han convertido las actividades humanas en un factor condicionante de la futura evolución de la biosfera.

Esto llevó al mineralogista ruso V. I. Vernadsky (fundador de la Biogeoquímica moderna) a proponer la existencia de un nuevo subsistema: la noosfera, o esfera de la razón. Ella sería el resultado de la acción de la inteligencia, del pensamiento científico y del trabajo humano sobre la biosfera. Esta "envoltura", gobernada por la inteligencia humana, ocuparía el lugar de la biosfera, capa determinada por procesos biológicos.

Justo antes de su muerte, en 1945, Vernadsky escribía a un amigo: "Veo el futuro con gran optimismo. Creo que estamos sufriendo un cambio no solo histórico, sino también planetario. Vivimos en una transición hacia la noosfera".

Los acontecimientos ocurridos desde esa fecha no parecen dar la razón a Vernadsky y, sin embargo, este concepto de transición es la única alternativa a los límites que la humanidad está imponiendo (de seguir así) a su existencia en el planeta.

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El sistema planeta Tierra

Podemos considerar la Tierra como un sistema abierto que recibe un flujo continuo de radiación solar (entrada de energía en forma de radiación electromagnética), y que emite al espacio calor (salida de energía en forma de luz infrarroja). Dentro del sistema terrestre podemos diferenciar varios subsistemas que interaccionan: atmósfera (envoltura gaseosa), geosfera (la tierra sólida formada por las rocas), hidrosfera (aguas continentales, mares y océanos) y biosfera (todos los organismos vivientes sobre el planeta). También posee subsistemas cibernéticos, con sus puntos de partida y bucles de retroalimentación.
El máximo grado de relación lo tiene en la biosfera respecto a todos los demás subsistemas, ya que integra todos los seres vivos, el medio físico en que habitan y el conjunto de relaciones que se dan entre ellos. La geosfera proporciona el sustrato y la fuente de nutrientes inorgánicos a los ecosistemas terrestres; la hidrosfera, a los acuáticos; y la atmósfera interacciona con la biosfera en lo que a intercambios gaseosos se refiere. Pero no solo la vida depende del ambiente físico: han sido precisamente los procesos biológicos los que han modificado drásticamente las características del medio (como la composición de la atmósfera, que debe su oxígeno a la fotosíntesis, o diversas características de los océanos, como su contenido en bicarbonato).

Todos los componentes del sistema Tierra se relacionan de una u otra forma en un equilibrio dinámico, de manera que el cambio en un subsistema repercute sobre los demás. Esto se puede ilustrar con algunos ejemplos:
• La regulación del clima terrestre, en la que intervienen todos los subsistemas, pero especialmente la atmósfera y la hidrosfera. Las alteraciones provocadas por el aumento del efecto invernadero demuestran hasta qué punto interaccionan todos los componentes terrestres.
• El ciclo del agua, que recorre la atmósfera, la hidrosfera, la geosfera y la biosfera mediante sucesivos cambios en su estado físico.
• Los ciclos biogeoquímicos. en los que los elementos como el carbono, el nitrógeno o el fósforo van pasando de unos subsistemas a otros, ya que forman parte de moléculas que permanecen estables durante cierto tiempo en cada etapa.


Algunos autores, principalmente J. Lovelock, han desarrollado un modelo de la Tierra conocido como "hipótesis de Gaia", en alusión a la diosa griega Madre Tierra. Según este modelo, la Tierra es un superecosistema con numerosas funciones que interaccionan, y con mecanismos de retroalimentación, que moderan las temperaturas extremas y mantienen relativamente constante la composición química de la atmósfera y de los océanos. En palabras de Lovelock, "la biosfera es una entidad autorregulada con capacidad para mantener a nuestro planeta sano mediante el control del ambiente físico-químico".

Dado que el ser humano no ha construido este sistema, no lo comprende totalmente. Queda aún mucho que aprender sobre los entramados del océano, sobre la dinámica de los suelos y los sedimentos que determinan cuándo y en qué proporción se reciclan los nutrientes, etc. La Tierra (y fundamentalmente la biosfera) proporciona el sustento de vida para la humanidad: los alimentos, el agua, el oxígeno que respiramos, incluso los artefactos que hacen nuestras vidas más confortables. Si queremos seguir disfrutando de todos estos bienes y servicios de calidad que se nos ofrecen "gratuitos", tendremos que conservar, mantener y reparar la biosfera. De ella depende nuestra supervivencia como especie.

La hipótesis de Gaia

El científico James Lovelock propuso que la vida en su conjunto ejerce una acción global que contribuye a mantener sobre el planeta las condiciones adecuadas para su desarrollo, reaccionando ante los desequilibrios y transformando activamente el planeta. Esta visión contrasta con la tradicional, que analiza el fenómeno de la vida como el resultado de unas condiciones excepcionales que permitieron su desarrollo y evolución.

Muchos científicos son escépticos respecto a que los ecosistemas y la biosfera realmente funcionen como un sistema cibernético, aunque la mayoría acepta el concepto de que los organismos desempeñan un papel en el control químico de la atmósfera y los océanos (Kerr, 1988). El hecho es que de vez en cuando han ocurrido sucesos catastróficos, tales como choques de cometas contra el planeta, erupciones volcánicas y cósmicos, y la vida no solo ha persistido sino que continúa diversificándose y por sí sola desempeña un papel importante en la restauración de las condiciones favorables. No obstante, a pesar de que la biosfera ha exhibido en tiempos geológicos pasados una estabilidad flexible para recuperarse, no es razón para estar satisfechos con la flexibilidad de nuestros actuales sistemas vitales.

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Tipos de sistemas

Un sistema es un conjunto de partes o de acontecimientos que son interdependientes e interaccionan, por lo que puede ser considerado como un todo sencillo. La teoría de sistemas es una forma de pensamiento acerca del mundo, un enfoque para desarrollar modelos de forma globalizadora.

Por ejemplo: un aeroplano se compone de diversas partes, como son el motor, los asientos, los controles y los componentes de la estructura del aparato. Pero cuando se observa un avión en vuelo se piensa en él como en un todo único y completo, es decir, un sistema de transporte. De igual modo, se puede considerar una charca como una serie de elementos (agua, sustancias disueltas, sustrato, algas, y otros organismos), o puede interrelacionarse todo ello y tomar la charca en conjunto como un ecosistema.

Una consecuencia importante de considerar la realidad como una serie de sistemas es la observación de las denominadas propiedades emergentes. Según estas, los componentes de un sistema están combinados para producir un conjunto funcional en el que surgen propiedades nuevas que no pueden ser previstas a partir del estudio de los distintos componentes por separado, o que están desacopladas de la unidad global.

En resumen, "el todo es más que la suma de las partes". Si ponemos todas las piezas de un avión juntas en un montón, probablemente no podremos observar tal aparato, ni mucho menos podrá volar. El conjunto de piezas debe constituir un sistema organizado. De igual forma, para entender y gestionar adecuadamente un bosque, no solo se debe ser un experto en árboles, sino que también hay que conocer las características específicas del bosque como unidad funcional en su conjunto.

Aunque existen diversas formas de clasificar los sistemas, aquí serán tratados dos tipos básicos, que son los más útiles para el estudio del medio ambiente. Se trata de los sistemas abiertos y de los sistemas cibernéticos.

Sistemas abiertos

Un sistema abierto recibe entradas del ambiente exterior y las modifica para producir salidas. Para continuar funcionando, los sistemas abiertos necesitan siempre nuevas entradas.

La forma más fácil de esquematizar un sistema de este tipo es mediante el modelo de caja negra.

Una caja negra toma algo del exterior (entrada) y mediante manipulaciones desconocidas lo modifica hasta lograr una cosa diferente, que emite (salida). Para muchos de nosotros, la televisión es una caja negra que tiene entradas de ondas electromagnéticas, que transforma (no sabemos cómo) en imágenes y sonidos. Se trata de un sistema abierto, porque si se cortan las entradas deja de funcionar.

Los ecosistemas también son sistemas abiertos en los que continuamente entran y salen cosas, aunque la apariencia general y las funciones básicas permanecen constantes durante largos períodos.

Si se estudia la caja negra', se puede ver cómo está organizada internamente y dilucidar qué ocurre con las entradas. Se denomina componentes o elementos del sistema a las partes o piezas que lo integran. Cuando un científico descubre las relaciones que hay entre los componentes de un sistema, los agrupa. Estos grupos relacionados se llaman subsistemas.

Sistemas cibernéticos

Un sistema cibernético se caracteriza porque presenta un cierto grado de autorregulación o de autocontrol, ya que la salida puede influir sobre Ta entrada mediante un mecanismo llamado retroalimentación. La idea básica de la retroalimentación consiste en que parte de la salida del sistema se utiliza para controlar parte de la entrada futura.



Los sistemas cibernéticos presentan, por lo general, un punto de partida o estado ideal, en el cual se apoya el sistema. Un mecanismo de retroalimentación negativa determina el reajuste continuo del punto de partida, de forma que si el sistema se separa de esa referencia, por exceso o por defecto, el mecanismo de retroalimentación lo devuelve al estado inicial.

Un ejemplo típico de sistema cibernético con retroalimentación negativa es el de un calentador con termostato.

Los sistemas cibernéticos también pueden contar con una retroalimentación positiva, que tiende a separarlos cada vez más del punto de partida.



Un ejemplo de retroalimentación positiva es el crecimiento exponencial de una población que no tenga limitaciones para reproducirse: al aumentar la población inicial, habrá mayor número de nacimientos, que, a su vez, incrementan la población, y así sucesivamente hasta el infinito (o hasta que los recursos vitales se agoten).





En muchos casos, un sistema cibernético tiene ciertos límites, dentro de los cuales se presenta la retroalimentación negativa. Pero cuando la separación del punto de partida se hace demasiado grande, aparece la retroalimentación positiva, y el sistema se aleja definitivamente del estado ideal.

Así ocurre, por ejemplo, con el sistema de regulación de temperatura del cuerpo humano. Normalmente, el cuerpo mantiene una temperatura de unos 36,5 °C, el estado ideal o punto de partida. Cuando se eleva un poco (o desciende un poco) la temperatura corporal, se desencadenan unos mecanismos homeostáticos que consiguen el retorno a los 36,5 °C. Pero si la temperatura es demasiado alta, el cuerpo resulta incapaz de perder calor a velocidad suficiente, y entonces aparece la retroalimentación positiva: los procesos metabólicos corporales se desarrollan más rápidamente, lo cual eleva aún más la temperatura, que a su vez acelera la actividad metabólica, y así sucesivamente hasta la muerte del organismo por hipertermia.



Sistemas biológicos

Todos los sistemas biológicos (células, sistemas orgánicos, organismos, poblaciones o ecosistemas) son, necesariamente, sistemas abiertos. Para mantenerse vivo, el sistema debe tomar energía y, en muchos casos, materia, del exterior. También debe liberar el calor que se genera en los procesos químicos, como la respiración. Sin embargo, cada nivel de un sistema biológico abierto contiene sistemas cibernéticos que operan en él y que le proporcionan características exclusivas. De esta manera, una célula es un sistema abierto, puesto que, de forma constante, obtiene alimentos del exterior y elimina desechos metabólicos. También contiene subsistemas cibernéticos, como la membrana celular, que controlan la entrada y la salida de sustancias. Si se rebasan los límites (por ejemplo, de desechos tóxicos en el interior), los mecanismos de la retroalimentación corrigen la situación. La célula puede vivir porque es un sistema abierto. Existe como tal por los subsistemas cibernéticos que mantienen intactas sus características.

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La ecologia actual

En sus comienzos, la ecología era una disciplina fundamentalmente descriptiva. Los ecólogos clasificaban y pormenorizaban gran cantidad de elementos ambientales. A partir de este valioso conjunto de informaciones descriptivas, la ecología moderna pretende comprender y explicar el origen y los mecanismos de la interacción de los seres vivos (incluidos los humanos) consigo mismos y con el mundo inerte, con el fin de desarrollar teorías generales que sean capaces de predecir situaciones futuras.


Para lograr esto, es necesario construir modelos. Un modelo es una simplificación que imita los fenómenos del mundo real, de modo que puedan comprenderse las situaciones complejas y sea posible hacer predicciones sobre ellas. Un buen modelo utiliza los elementos clave que pueden variar en una situación particular (variables), así como sus interacciones.

Algunas situaciones muy complicadas pueden llegar a modelarse de forma sencilla, permitiendo su comprensión. Por ejemplo, el modelo de selección natural de Darwin ofrece una explicación sobre el origen de los animales y las plantas relativamente simple, natural y lógica.

Los científicos revisan continuamente sus modelos tratando de lograr una mayor aproximación entre la teoría y la realidad, y así aumentar la precisión de las predicciones. Es importante no olvidar que un modelo no es la realidad, sino una representación que nunca coincide exactamente con ella, pues siempre omite algún elemento. Dependiendo de cuál sea la finalidad del modelo y cuál el tipo de predicción que se pretenda hacer, se tendrán en cuenta unas variables y se desecharán otras. Así, un bosque de pinos será modelado de diferente manera por una empresa de explotación maderera que por un equipo de investigación biológica sobre plagas.

Los modelos más simples pueden ser verbales (frases concisas) o gráficos. Los más elaborados (modelos formales) se basan en formulaciones matemáticas. Actualmente se dispone de muchos programas informáticos idóneos para establecer las ecuaciones que asocian las variables del modelo entre sí, y de este modo realizar simulaciones. La simulación informática permite modificar los valores de diversas variables, para observar el resultado (solución de las ecuaciones). Si el modelo es válido, ayudará a tomar decisiones en el mundo real. Por ejemplo: dado el modelo de una presa, con una capacidad de embalse de agua determinada, una resistencia de los materiales que la constituyen bien establecida, etc., se pueden simular las condiciones que se darían en el caso de que se produjera una elevación del nivel de agua por una súbita crecida del río que abastece al embalse.

Esa simulación ayudaría a los técnicos a decidir si es necesario soltar agua y en qué cantidad, o si existe riesgo de rotura de la presa. De este modo, considerando que el modelo fuera correcto y la situación simulada ocurriese en la realidad, la toma de decisiones oportunas sería más eficaz.

Los mapas meteorológicos son modelos que intentan plasmar las condiciones atmosféricas en un momento determinado.

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El concepto de medio ambiente

El medio ambiente es el conjunto de componentes físicos, químicos, biológicos y sociales capaces de causar efectos sobre los seres vivos y las actividades humanas. La enorme complejidad del conjunto de interacciones que establecen los organismos vivos y su ambiente ha hecho necesaria la construcción de modelos que faciliten su estudio; como consecuencia, la ecología moderna ha adoptado una perspectiva integradora y sistematizadora cuya herramienta más útil es la teoría de sistemas. Por otra parte, el progresivo deterioro de la naturaleza, sometida a los efectos del desarrollo de la humanidad, nos ha urgido a profundizar en el conocimiento de los ecosistemas.

La Tierra es un gran sistema con varios subsistemas en constante interacción (atmósfera, hidrosfera, biosfera y geosfera), su vez subdivididos y relacionados entre sí.

El medio ambiente incluye todo nuestro entorno, millones de organismos vivos e innumerables procesos que operan de una forma coordinada, gracias a los cuales los seres humanos podemos respirar, beber y comer con comodidad. A pesar de que, en gran medida, los sistemas y los procesos ecológicos puedan ser identificados, para hacerlo debemos pensar en nuestro medio ambiente como un conjunto y, desde un punto de vista práctico, dividirlo en unidades funcionales de un modo sistemático. La teoría de sistemas es una herramienta útil para ello.

Medio ambiente y ecología

La definición de medio ambiente que se acepta en la actualidad y que será tomada como referencia en este libro es: "el conjunto de componentes físicos, químicos, biológicos y sociales capaces de causar efectos directos o indirectos, en un plazo corto o largo, sobre los seres vivos y las actividades humanas". Se trata de una acepción amplia que se estableció en la Conferencia de las Naciones Unidas sobre Medio Ambiente, celebrada en Estocolmo en 1972.

Este concepto adquiere diferentes matices según quien lo defina. Una visión económica o productiva entiende el medio ambiente como una fuente de recursos naturales, un soporte de actividades productivas y un receptor de desechos y residuos. Desde un punto de vista administrativo-operativo (según la Directriz 85/337 de la UE), el medio ambiente es un sistema constituido por el hombre, la flora y la fauna, el suelo, el aire, el agua, el clima, el paisaje, los bienes materiales, el patrimonio cultural y las interacciones entre todos estos factores.

La ecología es la ciencia que estudia las interacciones de los organismos vivos y su ambiente o, dicho de otro modo, el estudio de los ecosistemas.

Para un ecólogo, el ambiente es la suma total de todos los factores físicos y biológicos que actúan sobre un individuo, una población o una comunidad, es decir, incluye todo el entorno vital. Es algo extremadamente complejo cuyo estudio requiere el apoyo de diversas disciplinas y la elaboración de modelos que faciliten la comprensión de esa realidad.

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