Propietat emergent

- Propietats emergents dels sistemes

A banda de les propietats d'organització, funcionalitat i estructura els sistemes presenten una sèrie de propietats emergents d'alt nivell que no es troben associades específicament a cap part determinada del sistema sinó que resulten del funcionament del conjunt. Algunes d'aquestes propietats són l'entropia del sistema, el contingut d'informació del sistema, l'evolució del sistema en el temps i la seva complexitat. A continuació veurem algunes d'aquestes propietats, en concret el concepte d'entropia, el d'evolució del sistema en el temps i el d'informació. Aquests dos darrers conceptes es vincularan a un sistema natural, l'ecosistema.

a)Entropia

En un sistema físic simple l'entrada d'energia en el sistema produeix més desordre o entropia. Així, si s'escalfa un globus ple de gas la resposta es manifesta amb un major més actiu de les molècules del gas, produint-se així un major desordre intern.

El concepte d'entropia té el seu origen a la Termodinàmica. Els físics preocupats pel funcionament de les màquines tèrmiques, com ara la màquina de vapor, van observar que en cap cas aquesta màquina podia oferir un rendiment del 100%. En aquests sistemes mecànics si bé tot el combustible es pot transformar en calor (segons el primer principi de la Termodinàmica), no és possible convertir tota la calor generada en treball.

L'energia disponible o energia lliure (delta G, l'energia que realment utilitza una màquina tèrmica per produir treball, resulta de la variació de l'energia inicial disponible (o entalpia delta H) menys una energia que es perd en el sistema. L'energia que es perd és proporcional a la temperatura absoluta a la que es troba el sistema (T) i a un valor d'energia conegut com entropia (delta S). L'entropia és una energia que es perd, que s'inverteix en produir desordre molecular en els elements materials del sistema. Això és el que explica que no es pugui obtenir un rendiment del 100% amb una màquina tèrmica. El segon principi de la termodinàmica es formula doncs amb l'expressió

delta G = delta H – T•delta S.

El concepte d'entropia es pot ampliar a altres tipus de sistemes no termodinàmics com ara als sistemes vius o els sistemes socials i en general a qualsevol sistema complex autoadaptatiu. En aquests casos l'entrada d'energia en els sistemes sovint no produeix més desordre intern sinó al contrari, més ordre o organització. D'alguna manera sembla que aquest comportament contradigui el segon principi de la Termodinàmica. En aquests sistemes les estructures o formes preexistents (determinades per la seva història) representa una informació acumulada que permet la canalització de l'energia entrant en determinades direccions. Això fa que l'entropia del sistema no augmenti sinó que disminueixi com a resultat de l'entrada d'energia.

La contradicció del segon principi de la Termodinàmica és només aparent. L'organització preexistent en aquests sistemes permet l'exportació de l'entropia a l'exterior del sistema. Si es considera conjuntament el sistema i el seu entorn com un supersistema aleshores no es viola el segon principi ja que l'entropia del supersistema, format pel sistema i el seu entorn, en conjunt augmenta. De fet res a l'Univers pot violar el segon principi de la Termodinàmica.

El que s'està dient es podrà entendre si es considera com es distribueix l'energia en els ecosistemes. Una part de la radiació solar entrant és canalitzada pels sistemes fotosintètics dels vegetals per transformar aquesta energia en energia d'enllaç químic que es troba a les molècules orgàniques reduïdes com ara els sucres. Aquesta energia emmagatzemada pot ser utilitzada per sintetitzar noves molècules que donen lloc a una millora de l'estructura de la cèl·lula (en més ordre o organització interna).

Això és possible perquè hi ha una informació acumulada que permet aquesta canalització de l'energia. Aquesta informació es troba al material genètic, informació que li diu a la cèl·lula com ha de ser i funcionar el sistema fotosintètic. L'energia acumulada a l'ecosistema passa d'uns organismes a uns altres fins als descomponedors. La respiració dels organismes de l'ecosistema dóna lloc a l'alliberament de l'energia entrada cap a l'entorn del sistema. Així els ecosistemes es comporten com si es tractessin d'acumuladors d'energia que van cedint poc a poc a l'entorn. Considerant l'ecosistema i el seu entorn (el supersistema), l'entropia ha augmentat i per tant no es contradiu el segon principi de la Termodinàmica.

Un fenomen observat en els sistemes naturals com ara els ecosistemes és que, a més d'exportar entropia a l'entorn, aquests sistemes tendeixen a retardar l'exportació d'entropia al llarg de la successió ecològica de forma que en els estadis inicials l'exportació d'entropia és intensa per reduir-se progressivament als estadis més madurs. Així per exemple en un bosc madur, l'energia incident i canalitzada pels vegetals no es dissipa a l'entorn en forma d'entropia sinó que s'acumula en el si del sistema amb estructures inerts com ara la fusta.

b) Dinàmica interna i evolució dels sistemes

Una propietat que presenten els sistemes és la capacitat d'evolució o de canvi dinàmic en el transcurs del temps. No tots els sistemes presenten aquesta capacitat ja que els sistemes simples de tipus determinista (p.e. màquines) no evolucionen o en tot cas presenten un comportament de tipus cíclic (p.e. el sistema mecànic utilitzat per omplir un dipòsit del vàter). Als sistemes més complicats, entre els elements del sistema s'estableixen relacions que condicionen una dinàmica determinada en el temps tant dels elements que conté com del sistema en conjunt. L'evolució del sistema no es dirigeix a qualsevol estat possible sinó cap a un estat que ve determinat per les interaccions establertes entre els elements del sistema ja que aquestes relacions produeixen restriccions que possibiliten uns determinats estats entre tots els estats possibles. Un exemple clar del que es ve dient és com evoluciona un ecosistema, la seva successió ecològica.

c)Informació

En un sistema qualsevol les relacions entre els elements presenten un contingut d'informació. Quan més relacions hagin establertes entre els elements del sistema més gran és el contingut d'informació del sistema.

Per entendre el concepte d'informació d'un sistema posarem l'exemple d'un objecte material creat per l'home com pot ser un diccionari. Cada paraula del diccionari ve definida per la interconnexió d'elements (idees o altres paraules) que li donen un sentit. Un bon diccionari, que sigui complert en l'exposició dels usos diferents de cada paraula, presenta un contingut d'informació elevat. Per contra un diccionari escolar presenta un contingut d'informació més reduït.

En Ecologia el terme informació s'utilitza com un exponent del grau d'organització de l'ecosistema (de la seva complexitat). Un alt nivell d'organització es manifesta amb més informació que es fa palesa per exemple amb una millor estructuració de l'espai (en estrats diferenciats en el cas de l'ecosistema bosc), amb una major diversitat d'espècies (considerant el contingut d'informació del material genètic), amb l'abundància de missatges o senyals (visuals, sonors, olfactius), per la presència de rutes o pistes, de caus ben organitzats, per l'abundància de relacions estables entre les diferents poblacions, etc.,

En els sistemes complexos, la informació es pot associar a l'energia. L'establiment de noves relacions entre elements d'un sistema requereix energia. En el cas d'un sistema social com és una empresa, una millor organització (un major contingut d'informació) serà possible a partir de la incorporació de treball (energia) del personal encarregat. Al llarg de l'evolució del sistema, la incorporació d'energia al sistema fa que el contingut total d'informació del sistema augmenti. També les importacions d'energia i matèria degudes a l'explotació d'altres sistemes amb els que es relaciona dóna lloc a un augment de la informació. Al llarg de la successió ecològica, per exemple, la incorporació constant d'energia a través dels autotrofs fa que el contingut total d'informació del sistema augmenti. També les importacions d'energia i matèria degudes a l'explotació d'ecosistemes veïns permet aquest augment d'informació (o d'organització).

En els ecosistemes, la informació s'acumula tant per via genètica com per la via cultural. L'existència prèvia d'informació a l'ecosistema dóna lloc, com ja s'ha dit més amunt, que l'energia incident doni lloc a més ordre en comptes de desordre o entropia (contradient aparentment el segon principi de la Termodinàmica segons el qual la incidència d'energia a un sistema produeix més desordre o entropia). Aquesta contradicció ja s'ha dit que és més aparent que real ja que el que fa el sistema és canalitzar l'energia adequadament per produir ordre (ja que hi ha informació genètica prèvia que ho permet) i exporta l'entropia a l'entorn del sistema.

Qualsevol entrada d'energia en un sistema produeix canvis en el mateix. En els sistemes físics simples (com ara en un globus ple de gas) la introducció d'energia es tradueix en desordre o entropia, ja que les molècules de gas tendeixen a moure's més activament i a l'atzar. En canvi en els sistemes naturals i socials autoorganitzats, on hi ha informació prèvia acumulada, l'entrada d'energia es tradueix en més organització. Això és possible pel fet que la informació preexistent (genètica i cultural) canalitza l'energia cap a rutes i destins adequats.

Qualsevol població de l'ecosistema és portadora d'informació. Un excés de matèria i energia que incideixi en l'efectiu de població fa augmentar la probabilitat que augmenti la informació tant genètica com cultural. La informació genètica es perd si la població s'extingeix o bé si es fa més uniforme si disminueix l'efectiu de població ja que aleshores es redueix la variabilitat genètica. Pot augmentar si la població incrementa el seu efectiu ja que la probabilitat que es presentin noves adquisicions genètiques favorables augmenta i aquest caràcter es pot transmetre.

La informació cultural fa referència a aquella informació que es transmet de generació en generació a través de l'aprenentatge, si és que l'estructura d'edats ho permet. Si es transmet, la informació a més pot presentar nous significats que en circumstàncies noves pot arribar a ser important per la supervivència de la població, és a dir pot diversificar-se.

El nombre d'esdeveniments ocorreguts a un individu fa augmentar la quantitat d'informació de què disposa. Així per exemple una au insectívora presenta un número de contactes elevat amb la seva presa, fet que contribueix a l'aprenentatge de les millors tàctiques per a la depredació, el que facilita una millor depredació (cal dir que en molts casos el reconeixement de la presa per part del depredador no és genètica doncs això limitaria l'extensió del depredador a territoris on només es presentés aquesta presa). El depredador acumula informació sovint per via cultural (però no exclusivament). La presa tendeix a acumular la informació per via genètica, per selecció natural. Si ha pogut escapar a la depredació, l'avantatge que ha fet possible la seva supervivència és tramesa de generació en generació per via genètica (gràcies a una nova característica morfològica, fisiològica o de comportament instintiu que ha facilitat la supervivència). Cal dir que les preses també poden acumular informació per via cultural.