II. SISTEMAS Y CAMBIOS: EL SENDERO DE LA ESTRUCTURA
EL ATOMO ES UN ORGANISMO; EL UNIVERSO UN SISTEMA
EL CONOCIMIENTO científico no consiste en la mera acumulación de hechos o de datos sobre el mundo, sino, especialmente, en la generación de modelos y teorías. En contraste con el uso popular de la palabra, una teoría no es una hipótesis, es decir, una inferencia o predicción sobre hechos, sino un sistema explicativo concreto y causal que incluye leyes, interpreta la realidad y genera nuevas observaciones y experimentos. Es así que el progreso de la ciencia se caracteriza por el surgimiento, el desarrollo, la corrección y la sustitución de teorías científicas. Su importancia es capital. Dos ejemplos. Los datos de la biología actual se insertan y se explican a la luz de la teoría de la evolución de Darwin, enriquecida con la genética molecular. La física busca afanosamente la integración en una gran unidad de sus dos teorías centrales: la mecánica cuántica, que se refiere al comportamiento de las partículas subatómicas, y la teoría de la gravitación, que explica propiedades del macrocosmos: planetas, estrellas o galaxias. Evidentemente, la magnitud de la empresa es enorme.
A partir de mediados de siglo surgieron tres teorías en el campo de las matemáticas que con el tiempo vendrían a influir notablemente sobre el desarrollo y los conceptos de prácticamente toda la ciencia. Me refiero a la teoría de los sistemas generales, la teoría de la información y la cibernética. Las tres han venido a interrelacionarse y a ser aplicadas en campos tan diversos como la teoría de las empresas, la psicoterapia familiar o la ecología, una ciencia que, por cierto, tuvo un impulso definitivo a partir de entonces. Veamos en qué consisten estas teorías.
Hasta los años veinte una feroz controversia dividía a los biólogos. Un grupo defendía la idea de que la vida podía explicarse por las propiedades de los componentes físicos de los organismos o de las células, en tanto que otro postulaba que solamente un espíritu o un principio energético podrían dar cuenta de los fenómenos vitales como la conducta, el metabolismo, la sensibilidad y la reproducción. La controversia vino a ser acallada por un bioquímico austríaco, Ludwig von Bertalanffy, con la idea de que los fenómenos vitales no se pueden explicar por las unidades que componen a las células, sino que emergen de sus interacciones. La vida es una propiedad de la estructura funcionando en su totalidad. A esa estructura la concibió como un sistema, y a partir de allí se dedicó a definir las propiedades de los sistemas.
Figura 1. "Sistemas, estados y devenir." S: sistema; ss: subsistema; Ss: suprasistema; E1, E2,..., En: estados; t: tiempo.
Un sistema es una totalidad organizada por un conjunto de elementos en determinada disposición que interactúan entre sí y con su entorno o medio ambiente. Pero, a su vez, el medio ambiente es otro sistema con el que el primero intercambia materia-energía e información. Al absorber materia e información los sistemas pueden desarrollarse y evolucionar, es decir, organizarse. Ahora bien, la información, en la idea original de Shannon y Weaver, quienes formularon la teoría de la información, es precisamente una medida inversa al desorden y consiste en la organización de señales, lo cual permite la comunicación. La cibernética, que se gestó parcialmente en México por la fecunda colaboración de Norbert Wiener, matemático vienés y Arturo Rosenblueth, neurofisiólogo mexicano, vendría a definir que la característica fundamental de los sistemas son sus propiedades de autorregulación que tienden a adaptar al sistema con su medio y a mantener constantes sus puntos internos de operación (como aquel que mantiene nuestra temperatura en 37 grados).
Nuestro universo puede ser concebido como una jerarquía de sistemas ordenados y autorregulados. Es así que puedo especificar siete niveles de sistemas ordenados jerárquicamente: átomos- moléculas-células - órganos -organismos - grupos - sociedades. Vemos inmediatamente que cada sistema está integrado por elementos del nivel previo, llamados entonces subsistemas, y se inserta, interactuando con otros del mismo nivel, en un sistema del nivel superior, que es su medio ambiente o suprasistema. Es evidente también que, además de que existen leyes pertinentes y específicas de cada nivel, surgen propiedades nuevas o emergentes por la interacción de los subsistemas que no están funcionando con plenitud en éstos considerados aisladamente, como por ejemplo la vida a nivel de la célula, la mente a nivel del organismo, la cultura a nivel social. Los sistemas concretos, como una galaxia, un ecosistema, un individuo, una fábrica o un átomo son entidades de asombrosa complejidad, pero el pensar en ellos en un continuo de niveles de organización interactuantes permite entender algunos problemas mucho mejor que si los consideramos aisladamente. En efecto, la teoría ha permitido observar al mundo como un conjunto de estructuras y fenómenos interrelacionados y ha demostrado que ciertos principios de organización de los sistemas son generales a todas las estructuras que los integran.
Esto es así porque las estructuras que definimos como sistemas tienen propiedades comunes. De ahí que la teoría se llame general. Por ejemplo, los sistemas tienen límites físicos, como la membrana celular, la piel o la atmósfera; tienen sensores de información del medio ambiente, como los receptores celulares, los órganos de los sentidos, los teletipos. En general tienen unos elementos que procesan materia/energía y otros que procesan información. Entre los primeros hay ingestores, convertidores, productores, almacenes, motores. Entre los que procesan información hay sensores, codificadores, memorias. Los sistemas, además, envían información al medio empleando señales, sean éstas moléculas, como las hormonas, conductas de un organismo, o lenguajes simbólicos, como el que uso en este momento. Los sistemas tienen elementos con funciones específicas que hacen posible o, mejor aún, enriquecen su economía al hacerla menos costosa. Sus elementos compiten y cooperan.
El proceso de transformación de los sistemas está determinado por influencias de los elementos que lo componen, de la totalidad resultante de sus procesos y de influencias del medio en el que se inserta. El conflicto de las partes lleva a un reajuste y éste abre nuevas interacciones que conforman un proceso peculiar que no es totalmente previsible ni totalmente azaroso. Y entre el equilibrio y el desequilibrio de estas fuerzas hay reglas del juego que desembocan en desarrollo y evolución. Un objeto cualquiera ya no es definible por sí mismo sino en su interrelación con otros. El átomo es un organismo; el Universo un sistema.
La teoría de los sistemas ha significado un notable avance en la teorización y la concepción científicas. El cambio de actitud que implican estas ideas quedará más claro si recordamos que la ciencia clásicamente se ha caracterizado por ser analítica, es decir, por disecar y analizar por partes. Las explicaciones consistían en tratar de entender los fenómenos por el comportamiento de sus componentes más pequeños. La teoría sistémica ha venido a contrarrestar el fraccionamiento creciente de la ciencia. Pero, además, en un juego de espejos, nos ha revelado que la propia teoría científica no es otra cosa que un sistema, es decir, un conjunto de conceptos articulados que intenta ser, en definitiva, un modelo de un sistema real o de alguno de sus fenómenos. En pocas palabras, la teoría es un sistema conceptual, una viñeta, un cuadro que pinta el científico para entender la realidad.
Podríamos sintetizar el meollo de la teoría sistémica en el antiguo adagio según el cual el todo es más que la suma de sus partes.
EL TODO Y LA PARTE: UNA PERSPECTIVA VERTICAL
Existen dos formas complementarias de estudiar un objeto en la ciencia. La primera es disecarlo y observarlo por partes. De esta manera es posible ser muy preciso y, entender al objeto, podemos decir, desde abajo (bottom-up). Ésta es la aproximación analítica, que espera reducir la comprensión de una totalidad a la de sus componentes. El éxito de esta empresa ha sido considerable y algunos de sus defensores más radicales consideran que con el tiempo será posible explicar la biología en términos de la química, y ésta en los de la física. Sin embargo, siguen quedando huecos entre los niveles de organización de los objetos. Esto sucede porque un sistema es una totalidad que presenta o que se denominan propiedades nuevas o emergentes y que son características del ensamblaje y la resultante de la interacción de sus partes. Como hemos visto, esta consideración es el fundamento de la teoría de los sistemas generales, la cual constituye un ejemplo acabado de la segunda forma de abordaje de un objeto: su estudio como un todo. En efecto, a diferencia de la aproximación analítica que diseca y separa, ésta es una perspectiva sintética, una visión desde arriba (top-down). El progreso en este tipo de aproximación ha sido muy rápido desde mediados de siglo y podemos decir que la polémica entre los llamados "reduccionistas", que favorecen el análisis por partes, y los "holistas" (del griego holon, todo) que prefieren una aproximación global, ha terminado en un empate: no sólo es legítimo, sino deseable y aun necesario analizar a los sistemas naturales desde ambos ángulos. De hecho los dos son enfoques relativos, ya que el mundo está organizado no por bloques elementales de materia sino por sistemas ensamblados en diversos niveles de acoplamiento.
Desde este punto de vista relativo, el químico resulta un holista respecto al físico porque analiza moléculas que son sistemas de átomos, pero resulta un reduccionista respecto al biólogo, a quien le interesan sistemas muy complejos de moléculas que constituyen las células y los tejidos. A su vez el biólogo, especialmente el neuro biólogo, resulta un reduccionista para el psicólogo, quien intenta comprender las áctividades mentales y el comportamiento del individuo como un todo. Pero el psicólogo tiene un universo muy parcial en relación con el del sociólogo, quien pretende analizar la conducta de grupos humanos.
Ahora bien, no toda la ciencia se ubica tan diáfanamente en una cadena de sistemas cada vez más complejos. Hay ciencias que, por su propia definición, parecerían no poder escapar a la disección analítica. Por ejemplo, la biología molecular tiene como objetivo comprender los fenómenos biológicos en términos de las moléculas químicas que supuestamente les dan origen y, en particular, desentrañar los mecanismos moleculares de la herencia y la expresión de la información de las macromoléculas del código genético (el ADN y el ARN), en las que está contenida y se transcribe la instrucción que, en buena parte, determina la forma y la función de las células, los tejidos y el organismo como un todo. El biólogo molecular ha llegado a establecer con exactitud la naturaleza de múltiples genes, que son porciones no siempre continuas de ADN, en términos de la secuencia precisa de las unidades moleculares que los constituyen. Esta secuencia es de capital importancia, ya que es "copiada" por moléculas de ARN y llevada del núcleo celular (que contiene la información genética en forma de ADN) al citoplasma. Allí el ARN mensajero transcribe su secuencia para que se sinteticen proteínas particulares que llevan a cabo funciones específicas, como las enzimas que catalizan la síntesis de múltiples sustancias esenciales del metabolismo, las hormonas que actúan sobre células distantes, o los receptores que reconocen a otras moléculas y responden a ellas.
Para el biólogo molecular, como para todo reduccionista, existe una dirección causal, una cadena de acontecimientos que los determina desde abajo. Así, podríamos decir que la expresión de la herencia sigue la siguiente secuencia: la información contenida en el ADN se duplica en la división celular o en la concepción de tal manera que las células hijas tienen una copia del ADN de los padres. Esa información pasa entonces al ARN y de éste a las proteínas que van a constituir y a determinar la actividad de las células. Ésta es una visión desde abajo por excelencia, según la cual la actividad celular se explica por las moléculas que constituyen a las células.
Ahora bien, esta visión reduccionista empieza a ser demasiado simple aun para los biólogos moleculares. Resulta que la cantidad de proteínas existente en una célula, o la demanda de actividad de muchas de las más significativas, como las enzimas o los receptores, es capaz de regular de una manera compleja la expresión del propio ADN. Esto tiene un sentido funcional evidente, ya que si existe una demanda o una saturación de una función particular en la célula, ésta debe tener mecanismos de autorregulación. De hecho, son los mecanismos de autorregulación los que mejor definen a los sistemas, en particular a los sistemas vivos. Además, es totalmente incorrecto decir que el ADN es una molécula que se autorreplica si no agregamos que es la célula la encargada de hacerlo. El ADN por sí mismo es una molécula informacionalmente muerta.
En el momento mismo en que visualizamos un sistema, en el caso de nuestro ejemplo a una célula, como un sistema de autorregulación y especificamos los mecanismos que la constituyen, adoptamos una visión de conjunto, una aproximación cibernética y holista desde arriba. Pero ocurre que así como la biología molecular es una ciencia de orígenes analíticos que por su propio desarrollo se ha acercado a concepciones más globales, también ha ocurrido lo opuesto. Hay ciencias que también por sus orígenes son holistas, como la fisiología y la ecología. Al fisiólogo y al ecólogo clásicos les interesa el flujo de información en sistemas complejos y diversos: los tejidos y sistemas de un organismo vivo en el primer caso, y los individuos vegetales y animales de un ecosistema en el segundo. Con el desarrollo de estas ciencias se han dado dos tendencias opuestas, una que "tiende a subir" hacia sistemas aún más complejos y otra que "tiende a bajar" a los componentes de cada uno. De esta manera algunos fisiólogos se han abocado a estudiar de qué manera las actividades de sistemas particulares se acoplan para determinar algunas funciones del organismo como un todo, como sería el caso de la conducta, en la que intervienen el sistema nervioso, el sistema muscular y el sistema endocrino finamente entrelazados, en tanto que otros fisiólogos han profundizado en los mecanismos moleculares que determinan la función que les interesa.
A pesar de que existen los elementos para defender el punto de vista integrativo entre las tendencias reduccionista y holista, en los hechos y las actitudes, continúa un debate obsoleto entre los científicos ya no de diversas disciplinas, como sucedía antaño, sino de diversas tendencias, debate que impide una muy deseable unificación.
Los organismos, como todos los sistemas existentes, surgen, se desarrollan, se organizan, se transforman y se disipan. Nada hay que sea permanente y, sin embargo, el proceso de desarrollo y transformación está organizado de una manera precisa, intrincada y sutil. Muchas ciencias han aportado teorías y nociones de importancia capital para entender el proceso de cambios en un organismo. Veamos algunos conceptos fundamentales de ellas.
El fisiólogo Walter Cannon (1871-1945) en los años treinta estableció la idea de un mecanismo fundamental para mantener el equilibrio en los organismos vivos al que denominó homeostasis (del griego horno, igual, y stasis, nivel). La cantidad de hormonas en la sangre o las funciones del sistema nervioso autónomo, como la presión arterial y la frecuencia cardiaca, se mantienen dentro de unos límites estrictamente especificados que permiten la óptima función del sistema. El papel fundamental de la fisiología fue así desentrañar los mecanismos por los cuales se mantiene tal equilibrio y la homeostasis llegó a convertirse en una noción central de la cibernética: la idea de que los sistemas son entidades autorreguladas mediante mecanismos de retroinformación. Cuando las variables se salen de su equilibrio ponen en marcha dispositivos que afectan a los sistemas que los regulan, con lo cual el equilibrio vuelve a establecerse. Lo interesante es que se puede reconocer este tipo de servomecanismos no sólo en los organismos vivos, sino en sistemas inorgánicos complejos como el clima de la Tierra, en sistemas sociales como la economía y la comunicación o en diversas máquinas. La cibernética busca los sistemas generales de ajuste y control de estos procesos autorregulados. Su desarrollo ha permitido comprender la manera como se controlan las operaciones dentro de un rango y ha subrayado la utilidad de estudiar a los sistemas como un todo, además de analizarlos por sus partes.
Ahora bien, lejos de ser considerados sencillamente sistemas que mantienen sus puntos o rangos de equilibrio, los organismos complejos sufren transformaciones. Es necesario explicar no sólo el concierto que mantiene un orden establecido sino los cambios cualitativos que se hacen evidentes en el proceso de la evolución de los seres vivos, en las transformaciones sociales, en las variaciones de los ecosistemas de la Tierra o en la metamorfosis embrionaria de un ser vivo desde el huevo hasta el organismo adulto. En todos estos casos la noción de la homeostasis es claramente insuficiente.
Correspondió a un embriólogo, Conrad Hal Waddington (1905-1975), producir una nueva noción de cambios programados en ciertas rutas, según la cual el desarrollo se concibe como la adquisición de un orden nuevo y la acomodación o equilibrio de esta nueva organización a partir de la cual es posible una nueva transformación. De esta manera el desarrollo se plantea como una escalera con peldaños caracterizados por el equilibrio y regidos por mecanismos fisiológicos de homeostasis y desequilibrios programados, los cuales estarían regidos por mecanismos bautizados con el nombre de homeorresis. Así, los organismos están genéticamente programados no sólo para conservar ciertas funciones sino para adquirir nuevas. Con el tiempo vendría a considerarse que la evolución biológica se ha regido por cambios bruscos y periodos de equilibrio. La teoría de Waddington también fue confirmada por Jean Piaget en sus estudios acerca de la maduración de la inteligencia en los niños, que sigue precisamente este desarrollo de adquisición y acomodación. La psicogénesis (las etapas de adquisición de las capacidades intelectuales y emocionales) emula a la embriogénesis (las etapas de transformación del feto), como ésta a la filogénesis (la evolución de las especies).
Una nueva ampliación de estas teorías se dio en los años sesenta con el trabajo del químico ruso-belga Ilya Prigogine, quien se interesó por entender los mecanismos de cinética de los sistemas químicos, lo que le valió el premio Nobel en 1977. Además, Prigogine nos ha dejado un texto fascinante sobre estas teorías y sus implicaciones, La nueva alianza. En esencia, la idea de Prigogine es que los sistemas modifican su organización y operaciones de manera global y relativamente brusca cuando las condiciones internas o externas son lo suficientemente cambiantes como para sacar al sistema de su equilibrio. Una vez fuera de equilibrio el sistema puede desorganizarse o adquirir una nueva organización más apropiada a las nuevas condiciones. Prigogine denominó a estos procesos de acomodación autógena disipativos y enriqueció considerablemente la noción de los sistemas complejos, no sólo como aquellos dotados de mecanismos para autorregular su equilibrio (homeostasis) y dirigir sus transformaciones por rutas prestablecidas (homeorresis), sino como aquéllos capacitados para generar nuevas funciones y estructuras en presencia de presiones del medio. De esta manera, la transformación disipativa de Prigogine está caracterizada por el desequilibrio, la ruptura de las funciones e interacciones existentes, la generación de novedad y la reformulación de las funciones. Esta idea viene a resolver la antigua paradoja sobre cómo es posible la aparición de sistemas cada vez más ordenados y organizados en la evolución, ya que los sistemas, constituidos por elementos materiales y en concordancia con la segunda ley de la termodinámica, tienden al desorden.
Un caso particular de transformación, estrechamente vinculado al anterior, es el proceso de cambio descrito por el matemático y topólogo Rene Thom bajo el sorprendente nombre de teoría de las catástrofes. En un sistema en equilibrio suele suceder que una variable empieza a modificarse sometiendo al sistema entero a un proceso adaptativo para mantener su equilibrio. En caso de que la variable continúe operando y lleve al sistema hasta un pico de tensión, el sistema no puede sino tomar dos opciones opuestas. Por ejemplo, si nos acercamos lentamente a un perro bravo, el animal no se mueve pero empieza a emitir signos de agresión. Si lo presionamos aún más llega un momento en el que el perro sólo puede hacer una de dos cosas: atacar o huir. Este tipo de bifurcaciones y reordenamientos a partir del desequilibrio se ha convertido en una de esas teorías felices de la ciencia que tiene aplicaciones a múltiples niveles, desde el acomodo de las placas tectónicas y la producción de sismos hasta la evolución de grupos humanos como familias y oficinas.
Las implicaciones de esta nueva filosofía natural del orden a partir del desequilibrio tienen consecuencias profundas. Menciono algunas. La vida en la Tierra se caracteriza por haber surgido y alcanzado estadios superiores de organización en situaciones alejadas del equilibrio. Aun conociéndolo en detalle no podemos predecir la trayectoria de un sistema complejo. El Universo no es una máquina regida por leyes inmutables especificadas desde dentro, sino un proceso de cambios adaptativos, muchas veces violentos. El Universo es inestable y por eso evoluciona.
Muchos son los sistemas naturales que se comportan de manera compleja y aparentemente azarosa. Las ciencias tradicionales que los abordan, como la meteorología, la ecología o la dinámica de fluidos, han generado modelos matemáticos de ellos que consisten en numerosas ecuaciones que deben ser continuamente agregadas para dar cuenta del fenómeno particular. Este enfoque había resultado en un sinfín de modelos matemáticos cada vez más laboriosos e ininteligibles hasta que en 1963 Edward Lorenz, profesor de meteorología, empezó a utilizar una computadora para tratar de predecir el clima. Esto se consideraba inútil ya que, aunque los meteorólogos pensaban que el clima obedecía a leyes precisas, es tan grande el número de variables que intervienen en su desarrollo que no habría forma de obtenerlas, de proporcionarías a una computadora y menos aun de manejarlas matemáticamente para obtener un resultado confiable.
Lorenz intentó una nueva ruta. Consideró tres variables importantes del clima en una ecuación tomada de la hidrodinámica y programó a la computadora para que desarrollara una reconstrucción dinámica del clima. Con esta fórmula la máquina realizó una secuencia de eventos que en parte simulaban algunas de las dinámicas de la atmósfera. Un buen día resolvió repetir una secuencia, pero, en vez de reproducir la secuencia que ya tenía en su totalidad, decidió empezar desde la mitad para ahorrar tiempo. Metió las variables tal y como se encontraban en ese momento y echó a andar el programa. Para su sorpresa se encontró con que las líneas del segundo desarrollo se iniciaron igual que el primero pero que divergían progresivamente de éste hasta volverse por completo distintas. Esto parecía totalmente imposible porque violaba el principio determinista de la ciencia. Al investigar la causa de la divergencia encontró que la máquina había sido programada para usar tres decimales de los resultados previos, en lugar de seis, ya que se suponía que diferencias tan pequeñas no podrían alterar el resultado global. Fue así como Lorenz descubrió que diferencias mínimas en las condiciones iniciales de un sistema podrían tener consecuencias formidables en su evolución.
Éste fue uno de los inicios de una nueva tendencia en las matemáticas de sistemas complejos conocida como teoría o ciencia del caos, y el origen de una célebre analogía, la analogía de la mariposa. Según esta noción una mariposa que bate sus alas en el Amazonas en determinado momento crea una turbulencia mínima en el aire que, meses después, puede llegar a ser amplificada en gran escala y afectar el clima de toda Europa. Esta imagen es escalofriante y le da un intenso aroma de realismo al conocido verso de T. S. Eliot: "¿me atreveré a trastornar al universo?"
De esta forma, en las últimas dos décadas la nueva aproximación matemática ha eliminado el conjunto cada vez más abultado de ecuaciones, sustituyéndolas por otras mucho más simples que toman en consideración el flujo temporal; se trata de las ecuaciones diferenciales no lineales. En estos modelos, lo que antiguamente consistía en el resultado del cálculo se convierte sencillamente en una nueva entrada al sistema de ecuaciones. Tales sistemas fluidos en los que los estados resultantes se toman como nuevas condiciones del propio sistema tienden a exhibir una conducta caótica, es decir, comportamiento desorganizado, azaroso y desordenado. Sin embargo, la ciencia que ha resultado de la aplicación de este nuevo enfoque matemático, la ciencia del caos, ha demostrado que tal comportamiento es desordenado sólo en apariencia y que está constituido por un complejo orden dinámico.
En conformidad con el precepto central de la teoría de los sistemas generales, según la ciencia del caos los sistemas no lineares son aquellos que sólo pueden ser descritos por la interacción de sus componentes y no por la mera adición de ellos. Es por esta característica que la ruta de desarrollo de un sistema, como por ejemplo la turbulencia de la atmósfera o de los fluidos, cambia drásticamente cuando cualquiera de los aspectos, como la temperatura o la viscosidad, se modifican, así sea mínimamente. Estos sistemas exhiben también conducta repetitiva o periódica y conducta no periódica entremezcladas y se pueden observar en sistemas vastamente diferentes en tamaño y en constitución, como una galaxia y un remolino de agua.
En este sentido es probable que el remoto padre de la moderna teoría del caos haya sido Leonardo da Vinci, quien notó y dibujó pautas de turbulencia comunes a pequeñas porciones de un arroyo de agua y a grandes movimientos de masas de aire y nubes, captando de esta manera una de las características centrales de los sistemas caóticos que se denomina escalamiento. En otras palabras, independientemente del sistema que sea modelado, los sistemas dinámicos muestran conductas que son cuantitativamente idénticas y a las que se conoce como constantes de Feigenbaum.
La representación gráfica de los sistemas dinámicos no lineales ha sido uno de los éxitos más notorios y difundidos de la teoría del caos y las ciencias de la complejidad. Estas gráficas se basan en la idea de estado espacial. El estado espacial es una gráfica en la cual cada eje se asocia a una variable dinámica, como, por ejemplo, posición y velocidad. Un punto en la gráfica representa entonces el estado del sistema en un momento dado. Cuando el sistema cambia, el punto se mueve y dibuja una trayectoria que constituye, así, la historia del sistema. Este tratamiento de los datos es extraordinariamente significativo en la historia de la ciencia, ya que la graficación científica se ha basado hasta este momento en la gráfica cartesiana. En efecto, Descartes descubrió la manera de convertir la geometría en números asignando coordenadas a los puntos en el espacio. La teoría del caos convierte a los números en figuras geométricas asumiendo que son coordenadas en un espacio imaginario que se denomina estado o fase espacial.
Usando este tratamiento las dimensiones del sistema se desarrollan de manera continua y espectacular en la que algunos elementos pueden disiparse, mientras que otros emergen, conformando de esta manera trayectorias que sugieren mecanismos de desarrollo complejos muy acordes con los que observamos en los organismos vivos y en los procesos históricos, los cuales no son totalmente previsibles ni totalmente azarosos.
Figura 2. Remolinos de agua, dibujo de Leonardo da Vinci.
Una propiedad de estas gráficas es que, con el tiempo, una de variables del sistema tiende a predominar sobre las demás y se constituye en un atractor. La fuerza atractora que opera y deforma la trayectoria de una gráfica multidimensional se ha bautizado con el jocoso nombre de extraño atractor. Para visualizar esto mejor imaginemos el movimiento de un péndulo. Si dibujamos ese movimiento en una gráfica se crea una espiral por la desaceleración del péndulo. Independientemente del impulso inicial el péndulo acabará por rotar en círculos, sea a favor o en contra de las manecillas del reloj. Cuando el péndulo para se indica en la gráfica con un punto. Es como si el péndulo fuese atraído por esos círculos finales y ese punto de reposo, el cual, si lo trasladamos a la realidad, coincidiría con el centro de la Tierra. Los círculos y el punto podrían ser considerados entonces extraños atractores.
En los sistemas más complejos los atractores se mueven, se combinan y recombinan de tal forma que una computadora puede trazarlos en gráficas de estado espacial. En el modelo matemático el parámetro de la ecuación que representa la fricción se manifiesta en los valores que son producto del cálculo de la propia ecuación que se expresan en las gráficas. En el caso de las ecuaciones lineales, las líneas de desarrollo del sistema se comportan regular y periódicamente, pero en el caso de las ecuaciones no lineales las líneas se comportan de manera extraña, semiperiódica. Una vez más las oscilaciones hacia el desorden y hacia el orden son características de los sistemas complejos, incluidos los sistemas vivos y los mentales.
Una de las características de las imágenes generadas por estas ecuaciones es precisamente la del escalamiento: la misma forma fundamental se reproduce en diversas escalas de amplificación. La más famosa de estas ecuaciones recursivas fue elaborada por Benoit Mandelbrot y es conocida como la geometría de los fractales. Las gráficas resultantes de estas ecuaciones evocan de inmediato sistemas naturales como las ramas de los árboles, los helechos, las ramificaciones de los vasos sanguíneos o de los bronquios. Y como las muñecas rusas que se reproducen una dentro de otra a diferentes escalas, los fractales se ven igual al microscopio y a gran escala.
La teoría del caos modifica de manera radical el objetivo de la ciencia de buscar leyes que permitan la predicción exacta y coloca a la variación y al cambio en el centro del interés. El mundo deja definitivamente de ser un mecanismo de reloj. De hecho los cálculos recientes revelan que incluso el Sistema Solar, probablemente el que los científicos han considerado uno de los más estables y previsibles, se comporta como un sistema imprevisible, de tal forma que sin una información infinitamente precisa de la posición, velocidad y órbita de cada uno de sus componentes, cualquier cálculo basado en las leyes de Newton sería totalmente erróneo en un lapso tan corto (en términos de la vida del Universo) como 4 000 000 de años.
Si consideramos que todos los sistemas naturales están interconectados por efectos mariposa empieza a aclararse una de las grandes dificultades de la física teórica, la flecha del tiempo, el hecho, tan familiar, de que el tiempo fluye en una sola dirección y que nunca se ha visto a un río fluir del mar hacia su fuente. En efecto, sólo un sistema aislado exhibiría reversibilidad temporal y el hecho de que no ocurra en nuestro mundo implica que, finalmente, el Universo es un sistema, pero un sistema complejo y dinámico en el cual el orden y el desorden se combinan.
Un astronauta llega a un planeta en el que se sospecha la existencia de vestigios de vida y de inteligencia, pero de muy diferente naturaleza a las de la Tierra. ¿Cuáles serán los indicios de la existencia de estas propiedades? La primera clave sería la forma. A diferencia del mundo inorgánico, la materia viva tiene una estructura más ordenada; por ejemplo los seres vivos son relativamente simétricos en referencia a un plano horizontal, están organizados por partes seriadas, su forma sugiere capacidad de movimiento autónomo y, sobre todo, tienen estructura fina, es decir, presentan formas ordenadas y complejas aun examinados a nivel microscópico y ultramiscroscópico. Pensemos en una hoja de árbol en comparación con una piedra o, aun más sutil, en una concha de caracol en relación con un cristal de cuarzo.
La mente tiene también una huella bastante clara en el soporte físico del cuerpo. Una parte de ella es la morfología y la arquitectura inconcebiblemente elaboradas del cerebro y la otra la inferimos por la capacidad de acción del organismo, es decir, por su conducta. Los organismos simples tienen elementos motores sencillos en comparación con los organismos superiores. Por ejemplo, la intrincada y exquisita estructura de la mano y de la laringe mucho dicen de la capacidad mental. Además, la conducta, que es la forma corporal en movimiento, deja huellas y, en el caso de la inteligencia, objetos manufacturados y símbolos. La forma, entonces, es tan definitiva como la demostración del ADN para inferir vida o aún más para adjudicar mente. Pero, a todo esto, ¿qué es la forma?
Aristóteles pensó que toda realidad se compone de materia y forma y que ésta determina a la materia para ser algo. Así, la materia tendría una naturaleza indeterminada, en tanto que la forma sería clara y pensable. Por ejemplo, cuando decimos "árbol" evocamos una forma general; la madera sería su materia, su color una forma accidental. Otro intento significativo por entender la forma se inició con Pitágoras y floreció en el Renacimiento, cuando se aplicaron principios matemáticos de coordenadas y perspectivas al estudio de la proporción y la forma. Gracias a los estudios de un Durero o un Leonardo da Vinci ahora podemos no sólo disfrutar obras magistrales, sino entender que existen principios matemáticos que subyacen tras la forma. Por su parte, en sus poco conocidos tratados científicos, Johann Wolfgang von Goethe (1749-1832), el gran poeta del romaticismo alemán se abocó a estudiar la forma en muchos procesos naturales y unificó su interés proponiendo una nueva ciencia, la morfología, que tendría como objeto el análisis de las transformaciones. El proceso formativo, para Goethe, unificaba la ciencia y el arte. Desgraciadamente Goethe no hizo escuela científica, y fue un biólogo de principios de siglo, D'Arcy Thompson, quien demuestra en 1912 que las formas tanto orgánicas como inorgánicas se explican porque son mecánicamente eficientes. Analizando factores como la tensión superficial, la magnitud, la resistencia y la economía energética resuelve formaciones tan diversas como la acumulación de las células de grasa en forma de rombos, la configuración en rama de muchas prolongaciones celulares, las proporciones espirales de las conchas y los planos hexagonales de los cristales de nieve. Con D'Arcy Thompson aprendimos que, aun cuando los organismos difieran en múltiples detalles, un solo cambio morfogenético puede explicar todas sus diferencias. Aprendimos que la forma orgánica está sometida a leyes mecánicas y geométricas, pero que no por ello queda totalmente explicada.
Poco más tarde aparece en Alemania la psicología de la forma, conocida como psicología de la gestalt, segun la cual las formas son totalidades que se perciben unitariamente y de golpe. Influido por esta escuela, Adolf Portmann, un zoólogo suizo, plantea en 1952 una hipótesis comunicativa o semántica de la forma de los animales: la apariencia externa del animal está diseñada para atraer el ojo del observador. A esto se deben las grandes diferencias exteriores entre los animales, en tanto que sus arreglos viscerales son mucho más similares. La forma externa es un mensaje que manifiesta la aptitud subjetiva del organismo. De igual manera, la complejidad de las partes más aparentes, como el rostro, obedece a su capacidad expresiva y función comunicativa.
Es sorprendente comparar las propiedades de la forma en relación con la materia. La materia-energía se conserva cuantitativamente constante, en cambio las formas surgen y desaparecen, se disipan. Las formas pueden permanecer a pesar de los cambios en la materia que las sustenta; así reconocemos a un rostro en una foto, en una escultura. Pero también, a la inversa, las formas cambian drásticamente pero mantienen su información de acuerdo con el canal físico que las sustenta. La luz cambia de forma al tocar los conos y bastones de la retina, al ser trasmitida como potenciales eléctricos por el nervio óptico y al llegar a la corteza cerebral donde "se ve". Las formas se transforman y son ubicuas. Se transfieren entre sistemas. A esto le llamamos comunicación. Nótese que la propia palabra "información" es compuesta: in-forma. Información es poner en forma.
La barrera entre materia y forma es tan voluminosa que hay quien ha dicho que las ciencias se pueden clasificar en aquellas que pretenden analizar la composición de la materia y las que se dedican a la forma. La química y la física serían ejemplos de las primeras, la anatomía y la topología de las segundas. Pero esta brecha está hoy día superada: a los químicos les ha interesado cada vez más la forma que adquieren las moléculas al organizarse, tanto que en ella estriba su capacidad de reacción, o a los anatomistas la relación entre la forma y los elementos materiales que la definen. Lo que persiste en todas las ciencias es una diferencia entre los métodos que abordan la forma y la composición. Para analizar la composición contamos con aparatos que rastrean elementos o sustancias, pero para analizar la forma seguimos contando, a fin de cuentas, sólo con el ojo y con el acto de ver.
Figura 3. Proporción matemática de la forma, dibujo de Leonardo da Vinci.
Esto no implica que seamos menos objetivos. Hay métodos estrictos que permiten reconocer formas de una manera confiable, es decir, corroborable entre observadores. Con ellos se enseña a un aprendiz a reconocer características, a describirlas y denominarlas. La práctica en el reconocimiento de formas conduce a la corrección y a la eficiencia. Así aprende el electrocardiografista a interpretar los trazos, el anatomista el tipo de célula y tejido que observa al microscopio. El proceso no difiere, en esencia, del músico que aprende la ejecución y reconocimiento de la nota y la melodía. Ahora bien, una de las fronteras de la computación es precisamente la del reconocimiento de formas por la máquina. Las posibles aplicaciones son obvias: el reconocimiento permitiría hablar con la computadora o categorizar automáticamente imágenes, sean éstas geográficas o microscópicas.
El mundo se nos presenta como un conjunto de objetos organizados en distintos niveles de complejidad. Los objetos aparentemente ocupan un lugar en el espacio, tienen una duración en el tiempo y pueden ser analizados por las partes que los componen, como partes, a su vez, de otros objetos y sistemas, o como totalidades. Desde esta perspectiva el mundo es un complejo organizado de cosas. Sin embargo, pronto nos percatamos de que las cosas se desintegran y que se relacionan entre sí de una manera intrincada y cambiante, con lo cual llegamos a percibir que el mundo puede ser visto también como un proceso, como un devenir semiordenado. De hecho, nuestro mundo más inmediato se revela ya sea como un universo de cosas, entre las que ocupamos nuestro lugar, o como un universo en flujo constante.
Esta dicotomía se refleja tanto en la experiencia más elemental como en el ámbito de la ciencia. Sin embargo, ha sido más sencillo para la ciencia abordar al mundo como un conjunto de objetos al definir sus características y algunas de las relaciones constantes que establecen.
Introducir el factor del tiempo en el análisis científico ha sido siempre problemático. Incluso al analizar procesos de cambio y transformaciones la ciencia ha empezado por reconocer los elementos distintivos del flujo para poder así identificarlos, contarlos y establecer sus probabilidades de secuencia. Tomemos por ejemplo al comportamiento, un acto que difícilmente puede ser entendido dentro de un mundo de cosas estables, sino como parte del universo de la actividad y el movimiento. Sin embargo la conducta es, en esencia, el proceso de cambios efímeros en la forma de un sistema, con lo cual es posible abordarla clasificando, en primer lugar, las unidades formales, es decir, el número y las características de cada una de las formas que puede adoptar ese sistema.
Nos topamos aquí con dificultades, ya que las formas que adopta un sistema vivo, así sea un organismo unicelular, son múltiples y se transforman unas en otras, haciendo difícil delimitarlas. En cualquier caso, es posible establecer las formas más características. En algunos procesos esto puede parecer relativamente sencillo, como acontece con el lenguaje o la música, procesos en los que se puede definir una unidad formante elemental, como podría ser la letra o la nota. Sin embargo, nos damos cuenta de que estas unidades se establecen desde el punto de vista físico con facilidad, pero que en sí mismas carecen de significado. Si usamos el criterio del significado como definitorio tenemos que definir a la unidad como el elemento mínimo que establezca un significado. Tal sería el caso de la palabra en el lenguaje o del tema melódico en la música. Así, con el universo limitado de unas docenas de letras o teclas en un piano, podemos crear uno que sea miles de veces más numeroso en palabras y temas musicales elementales. Pero si tratamos de hacer una ciencia del lenguaje o de la música no basta tampoco con esto, ya que estos fenómenos, como muchos de los procesos organizados, tienen aún más niveles de complejidad: las palabras se organizan en frases, los temas musicales en melodías y así sucesivamente. De igual manera, la conducta, compuesta en principio por un catálogo de formas posibles, se organiza en el tiempo en actos y éstos en actividades.
Nuestro mundo más íntimo, el mundo de la conciencia, es también un proceso cambiante de estados particulares. En ese mundo hay percepciones, pensamientos, imágenes, emociones o intenciones que por su contenido específico se pueden reconocer como unitarios, que se presentan en combinaciones particulares y, especialmente, en un flujo constante que corresponde a la "corriente de la conciencia", según la afortunada metáfora de William James.
En todos esos flujos advertimos que hay una organización compleja, una tarea y una meta. Se trata, en suma, de procesos pautados, es decir, que tienen una organización de unidades que se presentan en cierta secuencia, en alguna combinación simultánea, que tienen ciertos ritmos y que poseen, además, un factor particular que denominamos cualidad. La cualidad es la manera como se presenta el evento, aunque sus caracteres elementales sean los mismos. Esto es particularmente evidente en la conducta. Un mismo comportamiento, como puede ser el caminar, y que se define por ser una secuencia de elementos formantes, en este caso los pasos, puede variar según los factores de su ritmo, de otras conductas simultáneas y, en particular, de la cualidad de su expresión. Es así que se puede caminar erguido, decidido, cauteloso, incierto, etc. Cada uno de estos adjetivos califica el tipo de deambulación, es decir, define su cualidad. La peculiar combinación de todos los elementos es la que le confiere a la conducta, al lenguaje, a la música o a la conciencia su carácter global y distintivo.
Ver al mundo como un proceso resulta particularmente enriquecedor. Por una parte produce vértigo el percatamos de lo efímero, de que nada permanece igual, pero por otra parte nos damos cuenta de su extraordinaria organización en el tiempo. Los movimientos de las cosas y sus relaciones, es decir, su intercambio de materia y de información, conforman un proceso en el que, de acuerdo con las circunstancias internas y externas del sistema, se combinan una direccionalidad y un azar. En efecto, los procesos pautados son procesos estocásticos, es decir, en los que existe una organización temporal que no es totalmente caótica ni totalmente previsible. Una melodía caótica sería ruido, una melodía repetitiva sería monótona. Dentro de las directrices y limitantes de las necesidades vitales, los organismos vivos nos movemos en líneas de comportamiento más o menos estables, pero es la novedad causada por el desequilibrio la que proporciona posibilidades de reacomodo y líneas diferentes de desarrollo.
Sólo una "cosa" parece permanecer estable en el mundo de los cambios: el ser, el yo. A pesar de que sabemos que nuestros constituyentes materiales e renuevan permanentemente, yo soy el mismo que cuando nací. El planeta Tierra es el mismo desde su condensación hasta que sea absorbido y disuelto en millones de años por el Sol en expansión. La bacteria es una hasta que se divide. ¿Realmente? ¿No será esto un efecto del lenguaje o de la perspectiva que se tome? En todo caso lo que define al ser como tal no es la sustancia de la que está hecho, pero tampoco, creo yo, un espíritu fijo. Lo que lo define como tal es el hecho de estar constituido por un mismo proceso. Es, como la música, una unidad, en efecto, pero una unidad en el tiempo. Somos, con el resto del mundo, un devenir, un proceso en evolución que se enriquece, se conforma, tiene un pasado y una proyección dirigida, se transforma y que, inexorablemente, se disipa.
Considere lo que está haciendo en este preciso momento. Su mirada se desliza sobre esta línea, su retina capta unos, trazos de tinta y su cerebro les proporciona un significado. Este no está cifrado en la composición física de la tinta sino en su disposición espacial, en su forma. Esta forma contiene, entonces, información. Por su parte, la información, cuando está codificada y se transfiere entre sistemas, se convierte en comunicación. Y, a su vez, la comunicación que utiliza símbolos como mensajes constituye un lenguaje. De esta manera tenemos un vasto mundo de información en el que está contenido otro de comunicación y dentro de éste uno más de lenguaje.
La palabra información viene del latín in-formare, que quiere decir dar forma, poner en forma. Al constituirse en una forma un sistema adopta cierta disposición o configuración, es decir, se ordena. Decimos que un material está en estado entrópico cuando carece de una forma reconocible y la información es lo opuesto al desorden. Ahora bien, si la entropía es la desorganización, el grado de información es la medida matemática de la entropía negativa o neguentropía. Ya hemos visto que la formulación de esta ley por Shannon constituyó el nacimiento de la teoría de la información en 1949, una feraz teoría que desde el campo de la ingeniería matemática vino a afectar a todas las ciencias. Pero, más allá de ella, el concepto de información resultó también enriquecido al designar no solamente la medida de la organización o la entropía negativa sino la organización misma como una cualidad de los sistemas de estar ordenados de cierta manera y sufrir transformaciones en el tiempo.
Es a partir de esta formulación que podemos unificar a la morfología y a la fisiología en el estudio de la relación entre componentes de los sistemas vivos, relación que necesariamente implica la transferencia de información. Uno de los conceptos centrales de la naciente ciencia cognitiva en los años sesenta fue precisamente pensar al cerebro, en analogía con la máquina computadora, como un órgano especializado en manejar información. En este sentido es posible unificar la conciencia y el cuerpo al conceptualizar que la función del proceso mente-cerebro es captar, almacenar, transformar, crear y emitir información. Nótese que esta definición es aplicable indistintamente a la conciencia y al cerebro y nos revela su peculiar bi-unidad. En efecto, las funciones de relación de un ser vivo con su medio ambiente consisten en percibirlo, construir una representación adecuada y accionar sobre el mundo de manera apropiada para permitir la sobrevida en las mejores condiciones. La información unifica al sujeto y a su mundo al permearse entre ellos y ligarlos como un sirviente silencioso. Vistos de esta manera parecería que los sistemas físicos son meros acarreadores de información y que en ella se dan cita las grandes categorías filosófico-científicas de la materia, la forma, el espacio, el tiempo, el movimiento y la cualidad.
La información es un atributo que se puede entender de dos maneras: el depósito y la transmisión. Hay información latente en el ADN, en los libros o en la memoria, pero para hacerse viva, la información debe trasmitirse entre sistemas mediante un proceso energético particular. Este proceso de transferencia de información se llama comunicación. Para definir la comunicación necesitamos identificar sus tres componentes esenciales: la codificación, el mensaje y la decodificación. La acción de poner información en señales constituye la codificación. Al productor de la señal llamamos emisor, que puede ser una estrella que emite radiaciones periódicas, una célula que libera una hormona a la sangre, un animal que emite una conducta o un olor, un ser humano que produce un gesto, una palabra o una obra de arte. A estos productos, que son formas que se transfieren entre los sistemas, les damos el nombre de mensajes o señales. Se prefiere usar la palabra señal al referirse a la característica física, y mensaje a su significado. Para que ocurra la comunicación, una vez emitida la señal, ésta deberá ser decodififcada, es decir, recibida por un receptor que la procese. En los sistemas vivos no humanos sólo podemos inferir el significado del mensaje por la respuesta del receptor a la recepción de la señal. Ahora bien, en la mayoría de los casos la comunicación fluye entre los sistemas y éstos se convierten alternativamente en emisores y receptores, lo cual define una interacción entre ellos. Los sistemas vivos son exquisitamente sensibles a las señales que les son importantes y las discriminan sobre un vasto fondo de información irrelevante a la que se llama ruido.
Es notable que podamos reconocer los elementos fundamentales de la comunicación —es decir, emisor, señal, receptor y respuesta— en múltiples procesos de los seres vivos a partir de la transmisión química de la información entre las células. Ejemplos de esto son la neurotransmisión, que es la base de la función cerebral, la inmunotransmisión, que define el reconocimiento de antígenos y la producción de anticuerpos, o la intrincada señalización hormonal que unifica al cerebro, la hipófisis, las glándulas endocrinas y el sistema inmunológico y que constituye, en su conjunto, el hermoso concepto de "la sabiduría del cuerpo" de Walter Cannon. Por su parte, la transmisión de información química entre plantas y animales define a los ecosistemas, en tanto que la información entre animales constituye el tema de estudio de la zoosemiótica, cuyos innumerables casos incluyen todas las conductas que se trasmiten por vía visual, auditiva, olfativa y táctil.
Ahora bien, la distinción entre comunicación y lenguaje es más difícil. En principio usamos la palabra lenguaje para identificar señales cuyo contenido de información no está en relación directa con su constitución física. Un gesto o un sonido de amenaza entre animales o seres humanos trasmiten de manera directa el significado. En el caso del lenguaje se dice que la comunicación es simbólica, es decir, que la señal tiene, por convención, un significado distinto al de su estructura física.
Los monos verdes de África emiten tres sonidos de alarma al detectar a cada uno de sus tres predadores potenciales —el águila, el felino o la serpiente— y la respuesta de los receptores es la adecuada para cada caso: esconderse entre arbustos, huir en grupo o trepar al árbol más cercano, respectivamente. Este es, a todas luces, un primordio de lenguaje. El llamado "lenguaje corporal humano" sólo lo es cuando la conducta no verbal cumple con la definición. Así, los gestos faciales de las emociones primarias comunican directamente, es decir, biológica y genéticamente, afectos específicos y, si bien fungen como excelentes señales, no constituyen un lenguaje, como el que utilizan los sordomudos o el movimiento abductor del brazo sobre la cabeza que hace el mexicano para mandar a un receptor a mancillar a su madre.
Lenguaje es símbolo y, en especial, palabra. Y así, aunque nadamos en un mundo de información y comunicación, nuestra capacidad lingüística ha aumentado en muchos órdenes de magnitud la información que procesamos. Los niveles que separan a la información de la comunicación y a ésta del lenguaje están marcados entonces por la creciente densidad de mensajes y, concomitantemente, de conciencia: conciencia es información lúcida.
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