TEMA 1. EL MEDIO AMBIENTE 1. Concepto de medio ambiente.

2. Enfoque interdisciplinar de las ciencias ambientales. 2.1. Relación del Medio Ambiente con otras disciplinas (Física, Química, Matemáticas, Ecología, Economía, Geología...)

3. Aproximación a la Teoría de Sistemas. 3.1. Concepto de sistema. Enfoque reduccionista y holístico. 3.2. Tipos de sistemas: abiertos cerrados y aislados. 3.3. Dinámica de sistemas.

4. Realización de modelos sencillos de la estructura de un sistema ambiental natural. 4.1. Caja Negra. 4.2. Caja Blanca. Relaciones causales: concepto y tipos (Simples: directas, inversas o encadenadas; y Complejas: realimentación o retroalimentación positiva y negativa. Aplicar estos conceptos con el crecimiento de una población).

5. Complejidad y entropía. 5.1. La energía en los sistemas. Primera y segunda ley de la Termodinámica. Entropía.

6. El medio ambiente como sistema. Ejemplificar en la hipótesis de Gaia

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TEMA 1. MEDIO AMBIENTE Y TEORÍA DE SISTEMAS.

1. CONCEPTO DE MEDIO AMBIENTE. En la Conferencia de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente Humano celebrada en Estocolmo en 1972 se expresa como: “el medio ambiente es el conjunto de componentes físicos, químicos, biológicos y sociales capaces de causar efectos directos o indirectos, en un plazo corto o largo sobre los seres vivos y las actividades humanas”. Se trata pues de un conjunto de componentes físico-químicos (atmósfera, hidrosfera y geosfera), biológicos (los seres vivos o biosfera) y sociales (la humanidad) no estudiados de una manera aislada, sino ligados de forma que unos actúan sobre los otros; es decir, interaccionan causando efectos directos o indirectos sobre los seres vivos y sobre las actividades humanas. Debido a ello, cualquier intervención en el medio natural, por puntual que ésta sea, arrastra tras de sí una serie de repercusiones en cadena sobre todos los componentes del medio ambiente, lo que se conoce como efecto dominó. Por ejemplo, si talamos los bosques para obtener madera, no sólo agotaremos este recurso sino que, además estaremos provocando la erosión y el deterioro del suelo, la disminución de los recursos hídricos de la región, el aumento del CO2 atmosférico y las alteraciones en la fauna.

2. ENFOQUE INTERDISCIPLINAR DE LAS CIENCIAS AMBIENTALES. El estudio del medio ambiente es interdisciplinar, ya que abarca temas que deben ser abordados desde distintos puntos de vista, de los que se ocupan las diferentes disciplinas: Ecología, Economía, Sociología, Derecho, Biología, Geología, Física, Química, Matemáticas, Ingeniería, Arquitectura, Medicina y Geografía. Para este tipo de enfoques, se necesita una visión holística (de conjunto o global), que junto a la educación ambiental constituye un arma muy eficaz para intentar solucionar los problemas ambientales.

3. APROXIMACIÓN A LA TEORÍA DE SISTEMAS. 3.1 Concepto de sistema. Enfoque reduccionista y holístico Sistema es un conjunto de elementos y las interrelaciones entre ellos, es decir, en el que unas partes actúan sobre otras y del que interesa considerar fundamentalmente el comportamiento global. Así por ejemplo, un televisor montado es más complejo que sus partes sueltas (cables, tornillos, pantalla…), ya que sueltas carecen de función. Si sólo me fijo en sus elementos carece de significado y no se puede explicar el fenómeno.

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Un sistema es algo más que la suma de sus partes, ya que de las interacciones entre las mismas y del comportamiento global surgen las propiedades emergentes que están ausentes en el estudio de las partes por separado. Como ejemplos de sistemas podemos citar realidades complejas: el cuerpo de un ser vivo, una fábrica, un instituto, un ecosistema, un bosque o el medio ambiente. Hay distintos enfoques con los que abordar su estudio: El enfoque reduccionista consiste en dividir o fragmentar nuestro objeto de estudio en sus componentes más simples y observarlos por separado. Este procedimiento fue válido hasta que se enfrentó a problemas complejos, en los que las partes interactuaban. El enfoque holístico trata de estudiar el todo o la globalidad y las relaciones entre sus partes sin detenerse en los detalles. Con este enfoque se ponen de manifiesto las propiedades emergentes resultantes del comportamiento global y de las relaciones entre los componentes. Por ejemplo, las piezas de un reloj por separado no tienen la propiedad de dar la hora; sin embargo, el reloj montado como un todo sí. Más ejemplos: - Si estudiamos un coche desde el enfoque reduccionista, sólo se estudiarían sus piezas por separado (volante, cristal, puerta, botones, asientos, ruedas…) y, así sólo, no se puede ver su funcionamiento ya que el coche no funciona si no se conectan (relacionan) todas sus piezas, que sería entonces el enfoque holístico, que estudia tanto las piezas sueltas como conectadas. - No podemos estudiar bien un león sin tener en cuenta los herbívoros de los que se alimenta, sus competidores (hienas) que le pueden quitar la comida, el lugar donde vive, los cazadores furtivos…, por eso es necesario el enfoque holístico en Ciencias Ambientales ya que para estudiar bien un sistema ambiental se deben estudiar todas las relaciones que hay entre los elementos del medio ambiente (leones, cazadores, hienas, agua, temperatura, paisaje...).

3.2 Tipos de sistemas: abiertos, cerrados y aislados. En función de los intercambios de materia y energía de un sistema con su entorno, podemos distinguir tres tipos: ▪

Abiertos. En ellos se producen entradas y salidas de materia y energía. Por ejemplo, en una ciudad entran energía y materiales, sale energía en forma de calor y materia en forma de desechos y productos manufacturados.

▪

Cerrados. En ellos no hay intercambios de materia, pero sí de energía. En una charca entra energía solar y sale calor, pero la materia se recicla.

▪

Aislados. Son aquellos en los que no existe intercambio de materia ni de energía. Por ejemplo, el Sistema Solar formado por el Sol y por sus planetas se considera como modelo aislado.

En la realidad, la inmensa mayoría de los sistemas son abiertos, sin embargo, podemos considerarlos como modelos cerrados o aislados para facilitar su estudio. CTM_Tema 1_UNIVERSIDAD

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3.3 Dinámica de sistemas. Para estudiar los sistemas se utiliza el enfoque holístico, mediante una metodología conocida como dinámica de sistemas o teoría de sistemas que se basa en observar y analizar las relaciones e interacciones existentes entre las partes del objeto de nuestro estudio, recurriendo al uso de modelos. Las principales relaciones entre los elementos del sistema son los intercambios de materia, de energía e información.

4. REALIZACIÓN DE MODELOS SENCILLOS DE LA ESTRUCTURA DE UN SISTEMA AMBIENTAL NATURAL. Definimos modelo como un objeto que representa a otro, es decir, versiones simplificadas de la realidad. Por ejemplo, para guiarnos por una carretera utilizamos unos modelos: los mapas. Tipos de modelos: mentales, formales e informales: ▪ Modelo mental: aquellos modelos que desarrollamos en nuestro cerebro para explicar la realidad. (hacemos modelos mentales de cómo son y como funcionan las cosas que nos rodean para interpretar el mundo real y los vamos modificando con la experiencia). ▪ Modelo formal o matemático: explica la realidad mediante fórmulas matemáticas. ▪ Modelo informal: es aquel modelo que utiliza un lenguaje simbólico, no formal. El más importante de los informales es el modelo de relaciones causales, éste utiliza las variables y las relaciona mediante flechas. Ejemplos: ↑ Tª ↑ horas de trabajo ↑ vegetación

——————→ —————→ ——————→

↓ casquetes polares ↑ sueldo ↑ herbívoros

4.1 Caja negra. Un sistema caja negra. Solo se estudian las entradas y salidas de materia, energía e información en el sistema, es decir, sus intercambios con el entorno. Se representa como si fuera una caja dentro de la cual no queremos mirar y sólo nos fijamos en sus intercambios.

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Tipos de sistemas caja negra: en función de los intercambios de materia y energía de un sistema con su entorno, podemos distinguir los tres tipos anteriores: abiertos, cerrados y aislados.

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4.2 Caja Blanca. Relaciones causales: concepto y tipos (Simples: directas, inversas o encadenadas; y Complejas: realimentación o retroalimentación positiva y negativa. Crecimiento de una población) Cuando observamos el interior de un sistema, nos estamos basando en un enfoque de caja blanca. Primero, hay que marcar las variables (una variable es un símbolo que representa un elemento de un conjunto) que lo componen. Después, establecer las relaciones causales (causa-efecto) y se hace, uniendo las variables con flechas que las relacionen entre sí y que representan las interacciones. Su representación, variables y flechas, forma un diagrama causal. Cada variable se puede considerar como un subsistema del inicial. A

B D

C

E

Por ejemplo, podemos estudiar el “sistema colmena” como caja blanca. Sus variables serían las castas (reina, obreras y zánganos), que se relacionan entre sí.

Relaciones causales. Son las conexiones causa-efecto o cualquier otro tipo de correlación entre las variables, pueden ser simples o complejas. A. Relaciones simples. Representan la influencia de un elemento sobre otro y pueden ser directas, inversas o encadenadas. ▪

Directas. Son aquellas en las que “el aumento de A causa un aumento de B” y “una disminución de A causa una disminución de B”, es decir, las dos variables se mueven en el mismo sentido y se indica mediante un signo (+) sobre la flecha. + A↑

B↑

(si A aumenta B aumenta) Ejemplo: CO2 y efecto invernadero

+ A↓

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B↓

(si A disminuye B disminuye)

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▪

Inversas. Son aquellas en las que “el aumento de A implica la disminución de B, o viceversa”, es decir, que las dos variables se mueven en sentido contrario y se indica con un signo (-) sobre la flecha. _ B↓

A↑

(si A aumenta B disminuye).

Ejemplo: contaminación y vida en los ríos. _ A ↓

▪

B↑

(si A disminuye B aumenta).

Encadenadas. Están formadas por una serie de variables unidas mediante flechas.

Para simplificar, podemos reducirlas a una sola relación contando el número de relaciones negativas existentes. Si es par, la relación resultante será positiva (el cero es un número par). Si es impar, la relación será negativa. +

_

A

B

C

Ejemplo: tala, erosión y suelo.

_ Simplificado:

A

C

Relaciones complejas: realimentación, feedback, o retroalimentación positiva y negativa Llamamos relaciones complejas a las acciones de un elemento sobre otro que implican, a su vez, que este último actúe sobre el primero, es decir, se trata de una relación causal que se cierra sobre sí misma. Se conocen como bucles de realimentación o de retroalimentación, y pueden ser positivos o negativos: ▪

Bucles de realimentación positiva. La realimentación positiva supone que “al aumentar A aumenta B y al aumentar B, hace que aumente A y viceversa”: la causa aumenta el efecto y el efecto aumenta la causa. Por este motivo, se trata de un incremento desbocado.

Se indica con un signo (+) dentro de un círculo situado en el centro de la relación. TN + Nacimientos ++ Población

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Por ejemplo: en el crecimiento de una población. El número de individuos que la constituyen aumentará cada año por el número de nacimientos, que será proporcional a la población existente y que, a su vez hará crecer el número de nacimientos. La realimentación positiva se llama también bucle de refuerzo, ya que provoca un alejamiento de la situación inicial y desestabiliza el sistema al producir un incremento descontrolado del funcionamiento del sistema. Un bucle de realimentación positiva refleja la potencialidad del sistema para crecer descontroladamente, por lo que se dice de él que presenta un comportamiento explosivo que desestabiliza los sistemas.

▪ ▪ •

Bucles de realimentación negativa u homeostáticos. La realimentación negativa se da en los casos en que “al aumentar A aumenta B, pero el incremento de B hace disminuir a A”, es decir, al aumentar la causa aumenta el efecto, y el aumento del efecto, amortigua la causa. Este tipo de bucles tienden a estabilizar los sistemas, por lo que reciben el nombre de estabilizadores u homeostáticos. A su vez, la realimentación negativa actúa como medida de control de las realimentaciones positivas, estabilizando los sistemas al contrarrestar la tendencia del sistema a alejarse del estado óptimo.

Se indica mediante un signo menos (-) dentro de un círculo situado en el centro de la relación. Ejemplo: el sistema depredador- presa. Presa Depredador Volviendo al ejemplo de la población, además del bucle de realimentación positiva de los nacimientos, existe otro de realimentación negativa, establecido por las defunciones.

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5. COMPLEJIDAD Y ENTROPÍA. 5.1 La energía en los sistemas. Primera y segunda ley de la Termodinámica. Entropía Cualquier modelo de caja negra que diseñemos habrá de cumplir los principios termodinámicos, que son los que determinan los intercambios de materia y energía. •

Primera ley de la termodinámica: conservación de la energía. Ya sabemos que “la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”. Por ello, en todo sistema que modelemos, la energía que entre será equivalente a la energía almacenada dentro del sistema, más la que salga de él. (Por ejemplo la energía que entra en un lago por la radiación solar sobre todo, debe ser igual a la que sale del lago al ceder calor a la atmósfera más la que se ha quedado dentro del lago para aumentar la temperatura del agua y la absorbida por los organismos fotosintéticos que la almacenan en los enlaces de la materia orgánica que forman con la energía solar).

•

Segunda ley de la termodinámica: la entropía. Esta ley dice que la redistribución espontánea de la energía siempre se mueve hacia un incremento de la dispersión y del desorden (en cada transferencia, la energía se transforma y suele pasar de una “forma más concentrada y organizada a otra mas dispersa y desorganizada”). Esta ley introduce el concepto de entropía que mide la parte no utilizable de la energía contenida en un sistema. La entropía es un tipo de energía incapaz de producir trabajo; se puede considerar energía disipada, normalmente en forma de calor, es decir, energía que se pierde. La entropía hace referencia al aumento del desorden. Más entropía más desorden, es decir, cuando la energía está mas dispersa (más desordenada, menos complejidad) aumenta la entropía y cuando la energía está más concentrada (más ordenada, más complejidad) disminuye la entropía. La tendencia natural del Universo (en general de todos los sistemas abiertos) es hacia un estado de máxima entropía (hacia un aumento del desorden y menor complejidad). Los seres vivos se oponen a esta tendencia porque son sistemas ordenados. (Los seres vivos son la excepción a la segunda ley ya que hacen lo contrario, es decir, disminuyen el desorden y aumentan la complejidad, construyen sus cuerpos a costa de gastar grandes cantidades de energía y de aumentar la entropía (el desorden) del entorno expulsando moléculas muy simples, como el O2, CO2, vapor de agua y grandes cantidades de energía en forma de calor.

En resumen la 2ª ley de la termodinámica dice que la entropía tiende a aumentar en los sistemas. 6. EL MEDIO AMBIENTE COMO INTERACCIÓN DE SISTEMAS. El estudio del medio ambiente se ha de realizar en el marco de la teoría de sistemas. Un sistema puede dividirse en subsistemas entre los que se producen interacciones. El medio ambiente, en concreto nuestra Tierra, es un sistema formado por subsistemas interrelacionados (atmósfera, hidrosfera, biosfera, “sociosfera” y geosfera). Por ejemplo: la atmósfera aporta agua con las precipitaciones a la hidrosfera, los seres vivos toman oxígeno de la atmósfera, la sociosfera contamina la atmósfera, etc. Continuamente suceden en el medio ambiente relaciones causales entre sus variables, entre las que se encuentran CTM_Tema 1_UNIVERSIDAD

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realimentaciones positivas reguladas por realimentaciones negativas que mantienen el equilibrio en el medio, pero las acciones del hombre están afectando a estas relaciones poniendo en peligro el equilibrio del planeta entero, como está sucediendo con el incremento del efecto invernadero o la desertización. Relaciones entre los sistemas terrestres. Influencia de la biosfera: Hipótesis Gaia. La hipótesis de Gaia postula que la vida fomenta y mantiene unas condiciones adecuadas para sí misma, afectando al entorno. Según la hipótesis de Gaia, la atmósfera y la parte superficial del planeta Tierra mediante la interacción de sus elementos (atmósfera, hidrosfera, geosfera y biosfera) se comportan como un todo coherente donde la vida, su componente característico, se encarga de autorregular sus condiciones esenciales tales como la temperatura, composición química y salinidad en el caso de los océanos. Gaia se comportaría como un sistema autorregulador (que tiende al equilibrio). La teoría fue ideada por el químico James Lovelock en 1969 (aunque publicada en 1979) siendo apoyada y extendida por la bióloga Lynn Margulis. La capacidad de mantener constante el medio ambiente viene de la biosfera, ya que los seres vivos adquieren la capacidad de controlar el medio ambiente global para cubrir sus necesidades. De modo que la biosfera es algo más que un catálogo de especies, es una entidad con propiedades mayores que la suma de sus partes. Esto significa que la biosfera tiene capacidad homeostática (reguladora). Esta teoría se apoya en las siguientes observaciones: a. La temperatura media de la Tierra a través del tiempo se ha mantenido constante, con una temperatura media en torno a 15 ºC. Se cree que el Sol hace 4000 millones de años era un 30% menos luminoso que en la actualidad. Se presenta una paradoja: la energía liberada por el Sol era más débil en el pasado y la temperatura media de la Tierra parece haber permanecido dentro de ciertos límites. En esto parece haber intervenido la concentración de CO2 próxima al 20% al inicio de la historia de la Tierra, que aumentaría el efecto invernadero (actualmente es del 0,03%). Los organismos fotosintéticos habrían ido rebajando dicho porcentaje. b. La composición química de la atmósfera terrestre (78% de N2) es anómala respecto a los planetas próximos: Venus (1,7% de N2) y Marte (2,7% de N2). La conversión del ión nitrato o de óxidos de nitrógeno en nitrógeno gaseoso es un proceso “cuesta arriba” (se necesita gasto de energía), y esto sólo se puede explicar por efecto de los seres vivos. (Bacterias que transforman los nitratos en N2, etc.). c. La biosfera regula la concentración de oxígeno atmosférico, que es del 21%. Este porcentaje es el ideal para muchos seres vivos. La Tierra primitiva carecía de este gas, y ha sido la actividad fotosintética la causante del nivel actual. La abundancia de oxígeno permitió la formación de la capa de ozono (O3), lo que permitió hace 600 millones de años expandirse a los organismos. (Con la aparición de los organismos fotosintéticos se produjo la formación de oxigeno y la disminución del CO2 (también los organismos formadores de caparazones o esqueletos de CaCO3 han retirado CO2 de la atmósfera) en unas concentraciones que se han mantenido hasta la actualidad, con la excepción del aumento del CO2 por las actividades humanas).

El conocimiento de las interacciones existentes entre los diferentes subsistemas permitirá conocer el sistema Tierra y su evolución futura. CTM_Tema 1_UNIVERSIDAD

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