1.1: Sistemas complejos en pocas palabras
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Puede ser bastante inusual comenzar un libro de texto con una definición absoluta de un tema, pero de todos modos, esto es lo que queremos decir con sistemas complejos en este libro de texto 1:
Los sistemas complejos son redes compuestas por una serie de componentes que interactúan entre sí, típicamente de manera no lineal. Los sistemas complejos pueden surgir y evolucionar a través de la autoorganización, de tal manera que no son completamente regulares ni completamente aleatorios, permitiendo el desarrollo de comportamientos emergentes a escalas macroscópicas.
Estas propiedades se pueden encontrar en muchos sistemas del mundo real, por ejemplo, redes reguladoras de genes dentro de una célula, sistemas fisiológicos de un organismo, cerebros y otros sistemas neuronales, redes alimentarias, el clima global, mercados bursátiles, Internet, redes sociales, economías nacionales e internacionales, e incluso culturas humanas y civilizaciones. Para entender mejor qué son los sistemas complejos, podría ayudar saber cuáles no son. Un ejemplo de sistemas que no son complejos es una colección de componentes independientes, como un gas ideal (como se discute en la termodinámica) y arrojes aleatorios de monedas (como se discute en la teoría de la probabilidad). Esta clase de sistemas fue llamada “problemas de complejidad desorganizada” por el matemático y científico de sistemas estadounidense Warren Weaver [2]. La estadística convencional funciona perfectamente cuando se manejan entidades independientes de este tipo. Otro ejemplo, que está en el otro extremo, es una colección de componentes fuertemente acoplados, como los cuerpos rígidos (como se discute en la mecánica clásica) y los tirados fijos de monedas (no estoy seguro de qué disciplina estudia esto). Weaver llamó a esta clase de sistemas “problemas de simplicidad” [2]. En esta clase, los componentes de un sistema están estrechamente acoplados entre sí con solo unos pocos o ningún grado de libertad que quedan dentro del sistema, por lo que se puede describir la colección como una sola entidad con un pequeño número de variables. Hay teorías muy bien desarrolladas y herramientas disponibles para manejar cualquiera de los casos. Desafortunadamente, sin embargo, la mayoría de los sistemas del mundo real están en algún punto intermedio.
La ciencia de sistemas complejos es un área de investigación científica de rápido crecimiento que llena la enorme brecha entre los dos puntos de vista tradicionales que consideran sistemas hechos de componentes completamente independientes o completamente acoplados. Esta es la brecha donde existen lo que Weaver llamó “problemas de complejidad organizada” [2]. La ciencia de sistemas complejos desarrolla herramientas conceptuales, matemáticas y computacionales para describir sistemas hechos de componentes interdependientes. Estudia las propiedades estructurales y dinámicas de diversos sistemas para obtener implicaciones y aplicaciones generales, interdisciplinarias.
La ciencia de sistemas complejos tiene múltiples raíces históricas y cúmulos tópicos de conceptos, como se ilustra en la Fig. 1.1.1. Hay dos conceptos centrales que atraviesan casi todas las subáreas de sistemas complejos: emergencia y autoorganización. La idea de emergencia se discutió originalmente en filosofía hace más de un siglo. Hay muchos fenómenos naturales donde alguna propiedad de un sistema observada a escalas macroscópicas simplemente no se puede reducir a reglas físicas microscópicas que impulsan el comportamiento del sistema. Por ejemplo, se puede decir fácilmente que un perro meneando la cola está vivo, pero es extremadamente difícil explicar qué tipo de procesos físicos/químicos microscópicos que ocurren en su cuerpo están haciendo que este organismo esté “vivo”. Otro ejemplo típico es tu conciencia. Sabes que eres consciente, pero es difícil describir qué tipo de procesos neurofisiológicos te convierten en una entidad “consciente”. Esas propiedades macroscópicas (vida, conciencia) se denominan propiedades emergentes de los sistemas.
A pesar de su larga historia de discusión y debate, todavía hay una serie de definiciones diferentes para el concepto de emergencia en la ciencia de sistemas complejos. Sin embargo, lo único que es común en la mayoría de las definiciones propuestas es que la emergencia se refiere a las propiedades del sistema a diferentes escalas. Si observas una propiedad a escala macroscópica que es fundamentalmente diferente de lo que naturalmente esperarías de las reglas microscópicas, entonces estás presenciando la emergencia. De manera más concisa, la emergencia es una relación no trivial entre las propiedades del sistema a diferentes escalas. Esta definición fue propuesta por el científico de sistemas complejos Yaneer Bar-Yam [4]. Adoptaré esta definición ya que es simple y consistente con la mayoría de las definiciones propuestas en la literatura.
La emergencia es una relación no trivial entre las propiedades de un sistema a escalas microscópicas y macroscópicas. Las propiedades macroscópicas se llaman emergentes cuando es difícil explicarlas simplemente a partir de las propiedades microscópicas.
Otra idea clave de la ciencia de sistemas complejos es la autoorganización, que a veces se confunde con la emergencia. Algunos investigadores incluso usan estos términos casi indistintamente. Una clara distinción, sin embargo, es que, si bien la emergencia se trata de escala, la autoorganización se trata del tiempo (además de la escala). Es decir, se llama a algo autoorganizado cuando observa que el sistema se organiza espontáneamente para producir una estructura y/o comportamiento macroscópico no trivial (o “orden”, si se quiere) a medida que avanza el tiempo. En otras palabras, la autoorganización es un proceso dinámico que parece ir en contra de la segunda ley de la termodinámica (que establece que la entropía de un sistema cerrado aumenta monótonamente con el tiempo). Muchos sistemas físicos, biológicos y sociales muestran un comportamiento autoorganizado, que podría parecer misterioso cuando las personas no eran conscientes de la posibilidad de autoorganización. Por supuesto, estos sistemas no van realmente en contra de la ley de la termodinámica, porque son sistemas abiertos que son impulsados por el flujo de energía que viene y va hacia el exterior del sistema. En cierto sentido, la idea de autoorganización da una explicación dinámica de las propiedades emergentes de sistemas complejos.
La autoorganización es un proceso dinámico mediante el cual un sistema forma espontáneamente estructuras y/o comportamientos macroscópicos no triviales a lo largo del tiempo.
Alrededor de estas dos ideas clave, existen varios clusters tópicos, los cuales se ilustran en la Fig. 1.1.1. Vamos a revisarlos rápidamente.
1 De hecho, la primera frase de esta definición es solo una versión un poco más prolija de la famosa definición de Herbert Simon en su artículo de 1962 [1]: “[Un] sistema complejo [es un sistema] formado por un gran número de partes que interactúan de una manera no sencilla”.