Los sistemas vivos son formas de vida (o, más coloquialmente conocidos como seres vivos ) tratados como un sistema . Se dice que son abiertos, autoorganizados y que interactúan con su entorno. Estos sistemas se mantienen mediante flujos de información , energía y materia . Se han propuesto múltiples teorías sobre los sistemas vivos. Estas teorías intentan trazar principios generales sobre cómo funcionan todos los sistemas vivos.
Algunos científicos han propuesto en las últimas décadas que se requiere una teoría general de los sistemas vivos para explicar la naturaleza de la vida. [1] Tal teoría general surgiría de las ciencias ecológicas y biológicas e intentaría trazar principios generales sobre cómo funcionan todos los sistemas vivos. En lugar de examinar los fenómenos intentando descomponer las cosas en componentes, una teoría general de los sistemas vivos explora los fenómenos en términos de patrones dinámicos de las relaciones de los organismos con su entorno. [2]
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 Living Systems de Miller de 1978 , 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 . Por 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 los sistemas vivos ecológicos, los sistemas 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, rendimientos y salidas de energía e información. [6] [7] [8] Seppänen (1998) dice 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 procesamiento de materia-energía y procesamiento de información, mostrando cómo los sistemas sociales están vinculados a los sistemas biológicos. LST analiza las irregularidades o "patologías organizativas" del funcionamiento de los sistemas (p. ej., estrés y tensión del sistema, irregularidades de retroalimentación, sobrecarga de entrada de información). Explica el papel de la entropía en la investigación social al tiempo que 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 por parte del geólogo escocés James Hutton . En 1785 afirmó que la Tierra era un superorganismo y que su estudio adecuado debía ser la fisiología . [12] : 10 La hipótesis Gaia, propuesta en la década de 1960 por James Lovelock , sugiere que la vida en la Tierra funciona como un organismo único que define y mantiene las condiciones ambientales necesarias para su supervivencia. [13] [14]
Todas las entidades vivientes poseen información genética que se mantiene mediante procesos llamados acciones cis. [15] La acción cis es cualquier acción que tiene un impacto sobre el iniciador, y en los sistemas químicos se conoce como conjunto autocatalítico . En los sistemas vivos, todas las acciones cis tienen generalmente una influencia positiva en el sistema, ya que aquellas con impacto negativo son eliminadas por selección natural . La información genética actúa como iniciador y puede mantenerse a través de una serie de acciones cis como la autorreparación o la autoproducción (la producción de partes del cuerpo que se distinguen de la autorreproducción, que es una duplicación de todo el proceso). entidad). Varias acciones cis le dan a la entidad rasgos adicionales para ser considerada viva. La información automantenible es un requisito básico: un nivel cero para ganar vida y puede obtenerse mediante cualquier acción cis como la autorreparación (como un gen que codifica una proteína que repara la alteración de un ácido nucleico causada por la radiación ultravioleta ). Posteriormente, si la entidad es capaz de realizar una autorreproducción propensa a errores, adquiere el rasgo de evolución y pertenece a un continuo de información automantenible : se convierte en parte del mundo viviente en el significado de fenómeno , pero aún no es un individuo vivo . Para esta mejora, la entidad tiene que procesar el rasgo de distinción, entendido como la capacidad de definirse como una entidad separada con su propio destino. Hay dos formas posibles de alcanzar la distinción: 1) mantener un sistema abierto (una célula ) y/y 2) mantener un proceso de transmisión (para parásitos obligatorios ). Cumplir cualquiera de estas cis-acciones eleva a la entidad a un nivel de individuo vivo, un elemento distinto del continuo de información automantenible. El nivel final considera el estado de la entidad como viva o muerta y requiere el rasgo de funcionalidad. [15] Este enfoque proporciona una jerarquía de entidades similar a una escalera dependiendo de su capacidad para mantenerse a sí mismas, su capacidad de evolución y su distinción. Distingue entre la vida como fenómeno, un individuo vivo y un individuo vivo. [15]
Una visión sistémica de la vida trata los flujos ambientales y biológicos juntos como una "reciprocidad de influencia" [16] y una relación recíproca con el medio ambiente es posiblemente tan importante para comprender la vida como lo es para comprender los ecosistemas. Como lo explica Harold J. Morowitz (1992), la vida es una propiedad de un sistema ecológico más que de un solo organismo o especie. [17] 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. [18]
Robert Rosen dedicó gran parte de su carrera, desde 1958 [19] en adelante, a desarrollar una teoría integral de la vida como un sistema complejo autoorganizado, "cerrado a la causalidad eficiente". Definió un componente de un 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 de un organismo" como la diferencia fundamental entre los sistemas vivos y las "máquinas biológicas". Resumió sus puntos de vista en su libro Life Itself . [20]
La biología de sistemas complejos es un campo de la ciencia que estudia el surgimiento de la complejidad en organismos funcionales desde el punto de vista de la teoría de sistemas dinámicos . [21] Esta última también suele denominarse 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 tales 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 organismos como una teoría categorial 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 . [22] [23] Los enfoques relacionados se centran en la interdependencia de las limitaciones, donde las limitaciones pueden ser moleculares, como las enzimas, o macroscópicas, como la geometría de un hueso o del sistema vascular. [24]
Harris Bernstein y sus colegas argumentaron en 1983 que la evolución del orden en los sistemas vivos y en ciertos sistemas físicos obedece a un principio fundamental común denominado dinámica darwiniana. Esto se formuló considerando primero cómo se genera el orden macroscópico en un sistema no biológico simple lejos del equilibrio termodinámico, y luego extendiendo la consideración a moléculas cortas de ARN replicantes. Se concluyó que el proceso subyacente de generación de órdenes era básicamente similar para ambos tipos de sistemas. [25] [26]
La teoría del operador de Gerard Jagers propone que 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 [27] 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. [28] [29] [30] [31] 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. [32]
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 . [33] Esta definición se amplía por la evolución de nuevas funciones a lo largo del tiempo. [34]
Budisa , Kubyshkin y Schmidt definieron la vida celular como una unidad organizativa que descansa sobre 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 son partes de diferentes poblaciones que participan en el proceso abierto unidireccional e irreversible conocido como evolución . [35]
En ausencia de tal teoría, nos encontramos en una posición análoga a la de un investigador del siglo XVI que intentaba definir el "agua" en ausencia de una teoría molecular. [...] Sin acceso a seres vivos que tengan un origen histórico diferente, es difícil y quizás, en última instancia, imposible formular una teoría adecuadamente general de la naturaleza de los sistemas vivos.