Naturaleza incompleta

Los sistemas homeodinámicos son esencialmente equivalentes a los sistemas termodinámicos clásicos , como un gas a presión o un soluto en solución, pero el término sirve para enfatizar que la homeodinámica es un proceso abstracto que puede realizarse en formas que van más allá del alcance de la termodinámica clásica . Por ejemplo, la actividad cerebral difusa normalmente asociada con los estados emocionales puede considerarse un sistema homeodinámico porque existe un estado general de equilibrio hacia el cual se distribuyen sus componentes (actividad neuronal). ^{[ 5 ]} En general, un sistema homeodinámico es cualquier conjunto de componentes que eliminará espontáneamente las restricciones reorganizando las partes hasta alcanzar un estado de entropía máxima (desorden).

Un sistema morfodinámico consiste en el acoplamiento de dos sistemas homeodinámicos, de modo que la disipación de restricciones de cada uno complementa al otro, generando orden macroscópico a partir de interacciones microscópicas. Los sistemas morfodinámicos requieren perturbaciones constantes para mantener su estructura, por lo que son relativamente raros en la naturaleza. El ejemplo paradigmático de un sistema morfodinámico es una celda de Rayleigh-Bénard . Otros ejemplos comunes son la formación de copos de nieve , los remolinos y la emisión estimulada de luz láser .

Producción máxima de entropía : La estructura organizada de un sistema morfodinámico se forma para facilitar la producción máxima de entropía. En el caso de una celda de Rayleigh-Bénard , el calor en la base del líquido produce una distribución desigual de moléculas de alta energía que tienden a difundirse hacia la superficie. A medida que aumenta la temperatura de la fuente de calor,entran en juego los efectos de densidad . La simple difusión ya no puede disipar la energía tan rápido como se añade, por lo que la parte inferior del líquido se calienta y se vuelve más flotante que el líquido más frío y denso de la parte superior. La parte inferior del líquido comienza a ascender y la superior a descender, produciendocorrientes de convección .

Dos sistemas: La importante diferencia de calor en el líquido genera dos sistemas homeodinámicos. El primero es un sistema de difusión, donde las moléculas de alta energía en la parte inferior chocan con las de menor energía en la parte superior hasta que la energía cinética añadida de la fuente de calor se distribuye uniformemente. El segundo es un sistema de convección, donde el fluido de baja densidad en la parte inferior se mezcla con el fluido de alta densidad en la parte superior hasta que la densidad se distribuye uniformemente. El segundo sistema surge cuando hay demasiada energía para ser disipada eficazmente por el primero, y una vez que ambos sistemas están presentes, comienzan a interactuar.

Autoorganización: La convección crea corrientes en el fluido que alteran el patrón de difusión del calor de abajo hacia arriba. El calor comienza a difundirse hacia las zonas más densas de la corriente, independientemente de la posición vertical de estas porciones más densas del fluido. Las zonas del fluido donde la difusión se produce con mayor rapidez serán las más viscosas, ya que las moléculas rozan entre sí en direcciones opuestas. Las corrientes de convección evitarán estas zonas y preferirán las partes del fluido donde puedan fluir con mayor facilidad. De este modo, el fluido se segrega espontáneamente en celdas donde el fluido de alta energía y baja densidad fluye hacia arriba desde el centro de la celda, y el fluido más frío y denso fluye hacia abajo a lo largo de los bordes, predominando los efectos de difusión en la zona comprendida entre el centro y el borde de cada celda.

Sinergia y restricción: Lo notable de los procesos morfodinámicos es que el orden emerge espontáneamente porque el sistema ordenado resultante es más eficiente para aumentar la entropía que uno caótico. En el caso de la celda de Rayleigh-Bénard , ni la difusión ni la convección por sí solas producen tanta entropía como la combinación de ambos efectos. Cuando ambos efectos interactúan, se restringen mutuamente a una forma geométrica particular, ya que esta facilita una interferencia mínima entre los dos procesos. La forma hexagonal ordenada es estable mientras persista la diferencia de energía, y sin embargo, esta forma la degrada con mayor eficacia que cualquier otra. Por eso, los procesos morfodinámicos en la naturaleza suelen ser tan efímeros. Se autoorganizan, pero también se autodestruyen.

Un sistema teleodinámico consiste en acoplar dos sistemas morfodinámicos de tal manera que la capacidad de autodestrucción de cada uno se vea limitada por el otro. Cada sistema impide que el otro disipe toda la energía disponible, logrando así una estabilidad organizacional a largo plazo. Deacon afirma que debemos identificar el momento en que dos sistemas morfodinámicos se limitan recíprocamente como el punto en el que emergen cualidades intencionales como la función , el propósito y la normatividad . ^{[ 6 ]}

Autogénesis

Deacon explora las propiedades de los sistemas teleodinámicos describiendo un sistema modelo químicamente plausible llamado autógeno. Deacon enfatiza que el autógeno específico que describe no es una descripción propuesta de la primera forma de vida, sino más bien una descripción de los tipos de sinergias termodinámicas que probablemente poseía la primera criatura viviente. ^{[ 7 ]}

Catálisis recíproca: Un autógeno consiste en dos reacciones químicas morfodinámicas cíclicas autocatalíticas, similares a un quimotón . En una reacción, las moléculas orgánicas reaccionan en una serie en bucle, donde los productos de una reacción se convierten en los reactivos de la siguiente. Esta reacción en bucle se autoamplifica, produciendo cada vez más reactivos hasta que se consume todo el sustrato. Un subproducto de este bucle catalítico recíproco es un lípido que puede utilizarse como reactivo en una segunda reacción. Esta segunda reacción crea una barrera (ya sea un microtúbulo u otra estructura cerrada similar a una cápside ) que sirve para contener la primera reacción. La barrera limita la difusión y mantiene a todos los catalizadores necesarios muy cerca unos de otros. Además, la barrera impide que la primera reacción consuma por completo todo el sustrato disponible en el entorno.

El primer yo: A diferencia de un proceso morfodinámico aislado cuya organización elimina rápidamente el gradiente de energía necesario para mantener su estructura, un proceso teleodinámico es autolimitante y autopreservador. Las dos reacciones se complementan y aseguran que ninguna alcance jamás el equilibrio, es decir, la finalización, la cesación y la muerte . Así, en un sistema teleodinámico habrá estructuras que encarnan un esbozo preliminar de una función biológica . La red de reacción interna funciona para crear los sustratos para la reacción límite, y la reacción límite funciona para proteger y restringir la red de reacción interna. Cualquiera de los procesos por separado sería abiótico , pero juntos crean un sistema con un estatus normativo que depende del funcionamiento de sus partes componentes.

La capacidad de un sistema termodinámico para realizar trabajo depende menos de la energía total del sistema y más de la distribución geométrica de sus componentes. Un vaso de agua a 20 grados Celsius tendrá la misma cantidad de energía que un vaso dividido por la mitad con el fluido superior a 30 grados y el inferior a 10, pero solo en el segundo vaso la mitad superior tendrá la capacidad de realizar trabajo sobre la inferior. Esto se debe a que el trabajo se produce tanto a nivel macroscópico como microscópico . Microscópicamente, existe un trabajo constante realizado sobre una molécula por otra cuando colisionan. Pero el potencial de que este trabajo microscópico se sume al trabajo macroscópico depende de que exista una distribución asimétrica de las velocidades de las partículas, de modo que la colisión promedio empuje en una dirección focalizada. El trabajo microscópico es necesario, pero no suficiente para el trabajo macroscópico. También se requiere una propiedad global de distribución asimétrica.

Al reconocer que la asimetría es una propiedad general del trabajo —que el trabajo se realiza cuando los sistemas asimétricos tienden espontáneamente a la simetría—, Deacon abstrae el concepto de trabajo y lo aplica a sistemas cuyas simetrías son mucho más complejas que las contempladas por la termodinámica clásica . En un sistema morfodinámico, la tendencia a la simetría no produce un equilibrio global, sino una forma geométrica compleja, como una celda hexagonal de Bénard o la frecuencia de resonancia de una flauta. Esta tendencia hacia formas simétricas complejas puede aprovecharse para realizar trabajo sobre otros sistemas morfodinámicos, siempre que estos estén debidamente acoplados.

Ejemplo de resonancia: Un buen ejemplo de trabajo morfodinámico es la resonancia inducida que se observa al cantar o tocar la flauta junto a un instrumento de cuerda como el arpa o la guitarra. El aire vibrante que emite la flauta interactúa con las cuerdas tensas. Si alguna de las cuerdas está afinada a una frecuencia de resonancia que coincide con la nota que se está tocando, también vibrará y emitirá sonido.

Cambio contragrado: Al añadir energía a la flauta soplando aire en ella, se produce una tendencia espontánea (ortógrada) a disipar dicha energía, haciendo vibrar el aire dentro de la flauta a una frecuencia específica. Esta generación de forma morfodinámica ortógrada puede utilizarse para inducir un cambio contragrado en el sistema acoplado a ella: la cuerda tensa. Tocar la flauta ejerce trabajo sobre la cuerda, provocando que esta alcance un estado de alta energía que no podría lograrse espontáneamente en un estado desacoplado.

Estructura y forma: Es importante destacar que no se trata simplemente de la propagación a escala macroscópica de microvibraciones aleatorias de un sistema a otro. La estructura geométrica global del sistema es fundamental. La energía total transferida de la flauta a la cuerda importa mucho menos que los patrones que adopta durante su transmisión. Es decir, la amplitud de la nota acoplada es irrelevante; lo que importa es su frecuencia . Las notas con una frecuencia mayor o menor que la frecuencia de resonancia de la cuerda no podrán realizar trabajo morfodinámico.

El trabajo se define generalmente como la interacción de dos sistemas de cambio ortógrado que produce un cambio contragrado. ^{[ 11 ]} En los sistemas teleodinámicos, la tendencia ortógrada espontánea no es a equilibrarse (como en los sistemas homeodinámicos), ni a auto-simplificarse (como en los sistemas morfodinámicos), sino más bien a tender hacia la autopreservación. Los organismos vivos tienden espontáneamente a curarse , a reproducirse y a buscar recursos para estos fines. El trabajo teleodinámico actúa sobre estas tendencias y las impulsa en una dirección contraria, no espontánea.

La evolución como trabajo: La selección natural , o quizás con mayor precisión, la adaptación , puede considerarse una forma omnipresente de trabajo teleodinámico. Las tendencias de autopreservación y reproducción otógradas de los organismos individuales tienden a socavar esas mismas tendencias en los congéneres. Esta competencia genera una restricción que tiende a moldear a los organismos hacia formas más adaptadas a sus entornos, formas que de otro modo no persistirían espontáneamente.

Por ejemplo, en una población de chorlitos de Nueva Zelanda que se alimentan de larvas bajo las rocas, aquellos con pico curvo obtienen acceso a más calorías. Quienes tienen pico curvo pueden alimentar mejor a sus crías y, al mismo tiempo, extraen una cantidad desproporcionada de larvas de su entorno, lo que dificulta que quienes tienen pico recto puedan alimentar a sus propias crías. A lo largo de su vida, todos los chorlitos de la población trabajan para determinar la forma de la siguiente generación. La mayor eficiencia del pico curvo hace que esa morfología domine en la siguiente generación. De este modo, se produce una asimetría en la distribución de la forma del pico en la población, una asimetría generada por el trabajo teleodinámico.

El pensamiento como trabajo: La resolución de problemas mentales también puede considerarse un trabajo teleodinámico. Las formas de pensamiento se generan espontáneamente, y la tarea de resolver problemas consiste en moldear esas formas para que se ajusten al contexto del problema en cuestión. Deacon explicita el vínculo entre la evolución como trabajo teleodinámico y el pensamiento como trabajo teleodinámico. «La experiencia de ser sensible es lo que se siente al ser evolución». ^{[ 12 ]}

La clave del descubrimiento de Shannon radicó en reconocer la relación entre la entropía y la información . La entropía suele definirse como una medida de desorden o aleatoriedad, pero esta definición puede resultar engañosa. Para Shannon, la entropía de un sistema es el número de estados posibles en los que dicho sistema puede encontrarse. Cualquiera de estos estados potenciales puede constituir un mensaje. Por ejemplo, una página mecanografiada puede contener tantos mensajes diferentes como combinaciones distintas de caracteres se puedan disponer en ella. El contenido informativo de un mensaje solo puede comprenderse en el contexto de todos los mensajes que podrían haberse enviado, pero no se enviaron. La información se produce mediante una reducción de la entropía en el medio de comunicación.

La concepción de la entropía basada en la información de Shannon debe distinguirse de la concepción termodinámica más clásica desarrollada por Ludwig Boltzmann y otros a finales del siglo XIX. Mientras que la entropía de Shannon es estática y se refiere al conjunto de todos los mensajes/estados posibles que puede adoptar un sistema portador de señales, la entropía de Boltzmann se refiere a la tendencia de todos los sistemas dinámicos a tender al equilibrio. Es decir, existen muchas más maneras de que un conjunto de partículas se mezcle bien que de que se segregue en función de la velocidad, la masa o cualquier otra propiedad. La entropía de Boltzmann es fundamental para la teoría del trabajo desarrollada anteriormente en este libro, ya que la entropía determina la dirección en la que un sistema tenderá espontáneamente.

La contribución de Deacon a la teoría de la información de Shannon consiste en proponer un método para describir no solo cómo se transmite un mensaje, sino también cómo se interpreta. Deacon combina la entropía de Shannon y la entropía de Boltzmann para desarrollar una teoría de la interpretación basada en el trabajo teleodinámico. La interpretación es inherentemente normativa. Los datos se convierten en información cuando tienen significado para su intérprete. Por lo tanto, los sistemas interpretativos son teleodinámicos: el proceso interpretativo está diseñado para perpetuarse. «La interpretación de algo como información refuerza indirectamente la capacidad de volver a hacerlo». ^{[ 14 ]}