Sistemas vivos

La teoría de los sistemas vivos de James Grier Miller es una teoría general sobre la existencia de todos los sistemas vivos, su estructura , interacción , comportamiento y desarrollo , destinada a formalizar el concepto de vida. Según el libro de Miller de 1978 , Sistemas vivos , dicho sistema debe contener cada uno de los veinte "subsistemas críticos" definidos por sus funciones. Miller considera los sistemas vivos como un tipo de sistema . Debajo del nivel de los sistemas vivos, define el espacio y el tiempo , la materia y la energía , la información y la entropía , los niveles de organización y los factores físicos y conceptuales, y por encima de los sistemas vivos los sistemas ecológicos, planetarios y solares, las galaxias, etc. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} La tesis central de Miller es que los múltiples niveles de los sistemas vivos (células, órganos, organismos, grupos, organizaciones, sociedades, sistemas supranacionales) son sistemas abiertos compuestos por subsistemas críticos y mutuamente dependientes que procesan entradas, flujos y salidas de energía e información. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} Seppänen (1998) afirma que Miller aplicó la teoría general de sistemas a gran escala para describir todos los aspectos de los sistemas vivos. ^{[ 9 ]} Bailey afirma que la teoría de Miller es quizás la teoría de sistemas sociales "más integradora", ^{[ 10 ]} distinguiendo claramente entre el procesamiento de materia-energía y el procesamiento de información, mostrando cómo los sistemas sociales están vinculados a los sistemas biológicos. La LST analiza las irregularidades o "patologías organizativas" del funcionamiento de los sistemas (por ejemplo, estrés y tensión del sistema, irregularidades de retroalimentación, sobrecarga de información-entrada). Explica el papel de la entropía en la investigación social mientras equipara la negentropía con la información y el orden. Enfatiza tanto la estructura como el proceso, así como sus interrelaciones. ^{[ 11 ]}

La idea de que la Tierra está viva se encuentra en la filosofía y la religión, pero la primera discusión científica al respecto fue realizada por el geólogo escocés James Hutton . En 1785, afirmó que la Tierra era un superorganismo y que su estudio apropiado debería ser la fisiología . ^{[ 12 ] : 10} La hipótesis de Gaia, propuesta en la década de 1960 por James Lovelock , sugiere que la vida en la Tierra funciona como un solo organismo que define y mantiene las condiciones ambientales necesarias para su supervivencia. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Una visión sistémica de la vida trata los flujos ambientales y biológicos conjuntamente como una "reciprocidad de influencia" ^{[ 15 ]} , y se podría argumentar que una relación recíproca con el medio ambiente es tan importante para comprender la vida como para comprender los ecosistemas. Como explica Harold J. Morowitz (1992), la vida es una propiedad de un sistema ecológico más que de un solo organismo o especie ^{[ 16 ]} . Sostiene que una definición ecosistémica de la vida es preferible a una estrictamente bioquímica o física. Robert Ulanowicz (2009) destaca el mutualismo como la clave para comprender el comportamiento sistémico y generador de orden de la vida y los ecosistemas ^{[ 17 ] .}

Robert Rosen dedicó gran parte de su carrera, desde 1958 ^{[ 18 ]} en adelante, al desarrollo de una teoría integral de la vida como un sistema complejo autoorganizado, «cerrado a la causalidad eficiente». Definió un componente del sistema como «una unidad de organización; una parte con una función, es decir, una relación definida entre la parte y el todo». Identificó la «no fraccionabilidad de los componentes en un organismo» como la diferencia fundamental entre los sistemas vivos y las «máquinas biológicas». Resumió sus ideas en su libro La vida misma . ^{[ 19 ]}

La biología de sistemas complejos es un campo de la ciencia que estudia la aparición de la complejidad en organismos funcionales desde la perspectiva de la teoría de sistemas dinámicos . ^{[ 20 ]} Esta última también se denomina a menudo biología de sistemas y tiene como objetivo comprender los aspectos más fundamentales de la vida. Un enfoque estrechamente relacionado, la biología relacional, se ocupa principalmente de comprender los procesos vitales en términos de las relaciones más importantes y las categorías de dichas relaciones entre los componentes funcionales esenciales de los organismos; para los organismos multicelulares, esto se ha definido como "biología categórica", o una representación modelo de los organismos como una teoría de categorías de las relaciones biológicas, así como una topología algebraica de la organización funcional de los organismos vivos en términos de sus redes dinámicas y complejas de procesos metabólicos, genéticos y epigenéticos y vías de señalización . ^{[ 21 ] [ 22 ]} Los enfoques relacionados se centran en la interdependencia de las restricciones, que pueden ser moleculares, como las enzimas, o macroscópicas, como la geometría de un hueso o del sistema vascular. ^{[ 23 ]}

En 1983, Harris Bernstein y sus colegas argumentaron que la evolución del orden en los sistemas vivos y en ciertos sistemas físicos obedece a un principio fundamental común denominado dinámica darwiniana. Este principio se formuló considerando primero cómo se genera el orden macroscópico en un sistema no biológico simple, alejado del equilibrio termodinámico, y luego extendiendo el análisis a moléculas cortas de ARN replicantes . Se concluyó que el proceso subyacente de generación de orden es básicamente similar para ambos tipos de sistemas. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

La teoría de operadores de Gerard Jagers propone que la vida es un término general para la presencia de los cierres típicos que se encuentran en los organismos; los cierres típicos son una membrana y un conjunto autocatalítico en la célula ^{[ 26 ]} y que un organismo es cualquier sistema con una organización que cumple con un tipo de operador que es al menos tan complejo como la célula. ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]} La vida puede modelarse como una red de retroalimentaciones negativas inferiores de mecanismos reguladores subordinados a una retroalimentación positiva superior formada por el potencial de expansión y reproducción. ^{[ 31 ]}

Stuart Kauffman define un sistema vivo como un agente autónomo o un sistema multiagente capaz de reproducirse a sí mismo o a sí mismos, y de completar al menos un ciclo de trabajo termodinámico . ^{[ 32 ]} Esta definición se amplía con la evolución de nuevas funciones a lo largo del tiempo. ^{[ 33 ]}

Budisa , Kubyshkin y Schmidt definieron la vida celular como una unidad organizativa que se sustenta en cuatro pilares/piedras angulares: (i) energía , (ii) metabolismo , (iii) información y (iv) forma . Este sistema es capaz de regular y controlar el metabolismo y el suministro de energía, y contiene al menos un subsistema que funciona como portador de información ( información genética ). Las células, como unidades autosostenibles, forman parte de diferentes poblaciones que participan en el proceso unidireccional, irreversible y abierto conocido como evolución . ^{[ 34 ]}

La teoría de los sistemas vivos basada en restricciones (teoría C) caracteriza los sistemas vivos en términos de restricciones termodinámicas , informacionales , ecológicas y arquitectónicas necesarias que limitan el espacio de organización de la vida viable. Es una teoría que abarca diferentes escalas, en lugar de ser independiente de la escala: se discuten las mismas clases de restricciones en distintos niveles (molecular → celular → multicelular → cognitivo → ecosistemas), sin considerar ninguna escala en particular (por ejemplo, solo metabolismo o solo ecosistema) como el lugar privilegiado de la "vida". ^{[ 35 ] [ 36 ]}

Un aspecto clave es que la "lógica" (procesamiento y control de la información ^{[ 35 ]} ) debe implementarse físicamente mediante "circuitos", que en biología se materializan a través de redes complejas (regulación genética, metabolismo, señalización, comunicación, organización social). Estas redes se consideran agentes activos de cambio en la evolución, no meros sustratos pasivos ^{[ 36 ]} .

Las características que definen la teoría C son ^{[ 35 ] [ 37 ] [ 36 ]} :

• Autonomía mediante límites e intermediarios energéticos: la autonomía termodinámica requiere compartimentación (por ejemplo, membranas ) y el almacenamiento/uso de intermediarios energéticos ("monedas") para desacoplar el trabajo interno de las condiciones ambientales inmediatas.
• Mantenimiento del no equilibrio: los sistemas vivos persisten como estados estacionarios de no equilibrio sostenidos por un flujo continuo de energía libre y una exportación de entropía .
• Organización del flujo cíclico: se espera que la organización metabólica interna esté estructurada en torno a transformaciones cíclicas/ciclos de flujo.
• Información heredable en forma de "cinta": se espera que los heteropolímeros lineales con energías monoméricas casi equivalentes sean sustratos adecuados para la información molecular y grandes espacios de búsqueda combinatoria.
• Lógica constructiva de la autorreproducción: se plantean como requisitos para la autorreproducción y evolución escalables los compartimentos cerrados equipados con una lógica de replicación similar a la de von Neumann (copia e interpretación de descripciones).
• Compromisos arquitectónicos: se argumenta que las arquitecturas de red dispersas, heterogéneas y jerárquicas-modulares se ven favorecidas por los compromisos entre la funcionalidad y los costos energéticos de la redundancia, la corrección de errores y el mantenimiento; la modularidad y la jerarquía favorecen la robustez y la "capacidad de evolución".
• Fenómenos críticos en la emergencia: los pasos clave en los orígenes y la organización de la vida pueden describirse como bifurcaciones/umbrales similares a transiciones de fase (por ejemplo, umbrales de error, umbrales de percolación /conectividad, inicio de ciclos/autocatálisis, ruptura de simetría como la quiralidad ).