Niveles de Organización de la Materia

M. en C. Rafael Govea Villaseñor

El concepto de Nivel de Organización de la Materia es muy importante en biología, sin embargo con frecuencia en los textos de la materia no suele encontrarse de manera desarrollada, ni su definición ni sus alcances. Nosotros le pondremos más atención.

Al estudiar la vida, los biólogos se dan cuenta que es un fenómeno sumamente complejo que ocurre en objetos muy disímbolos tales como, una bacteria de apenas 1 µm de diámetro, apenas visible en el microscopio compuesto; como en nosotros mismos que medimos un millón de veces más y tenemos muchas más partes dedicadas a diferentes funciones. Nota, incluso, que un buen número de esas funciones no las llevan a cabo las bacterias.

¿Las bacterias (Acinetobacter creciendo sobre una gota de petróleo) de la primer figura pueden graznar, poner huevos y picotear, como el pato de la segunda? ____.

Fijándonos en nosotros, podemos darnos cuenta que somos un conglomerado muy grande de células (cerca de 10^13, es decir, unos diez billones = 10,000,000,000,000 ). Cada una de nuestras células es más grande y compleja que las células bacterianas, habitantes comunes de nuestro cuerpo.

Con un poco más de atención nos daremos cuenta de que no somos un simple mazacote de células, pues éstas viven juntas, pero no revueltas. conformando: nuestro corazón, que late con fuerza al acercarse nuestra "Dulcinea" o nuestro "Príncipe azul"; a nuestras Glándulas suprarrenales, que son las verdaderas responsables del batir de nuestro pecho, pues cuando ellos se acercan -estas glándulas- producen la adrenalina que hace brillar nuestros ojos, enrojecer el rostro y el latir impetuoso de nuestro corazón; a nuestro Sistema Nervioso que nos permite reconocer en ellos al probable compañero de los años futuros del que tanto nos han hablado en las novelas de la televisión o en los libros "rosas" que compraba nuestra tía.

La vida es un fenómeno que ocurre tanto en las bacterias, los protozoarios, las algas, los hongos, las plantas, como en nosotros y en cada una de nuestras partes aparentemente tan diferentes.

Es por ello que es necesario comprender que ella -la vida- ocurre a varios niveles de complejidad, por esto es necesario construir un concepto que nos guíe durante la observación de los sucesos vitales y del Universo.

Ese concepto nos describe cómo está conformado el Universo, nos dice que la materia forma estructuras (objetos) de diferente jerarquía, complejidad y tamaño. Cada una de esas estructuras materiales está formada por otras estructuras de menor tamaño y que como si fuesen una caja china o una matrioska rusa, dentro de sí, hay otras estructuras de menor tamaño y si analizamos a éstas veremos otras más pequeñas aún. Observa la tercer figura. Ese concepto se llama Nivel de Organización de la Materia.

Tipos de sistemas.
Antes de proseguir es conveniente hablar acerca de lo que es un sistema. Así pues un sistema es cualquier conjunto de objetos que tomamos u observamos para estudiarlo. No importa la naturaleza de los objetos, éstos pueden ser reales o irreales, pueden ser materiales o inmateriales. Para efectos del concepto básico de sistema nos basta que sus componentes formen un conjunto.

Existen dos tipos de sistemas:
1. Los Sistemas Integrales.
2. Los Sistemas No Integrales.

Cuando vemos a un perro, una célula, un planeta o a un átomo estamos viendo a sistemas integrales, pues estos sistemas son conjuntos de elementos que interaccionan entre sí siguiendo reglas definidas (las conozcamos o no).

Como resultado de cada interacción nuestro sistema posee alguna propiedad nueva de la que carecen los elementos que interactúan, es decir, muchas de las propiedades de un Sistema Integral derivan de las interacciones de sus elementos y no directamente de las propiedades de éstos y bastaría con impedir la interacción para lograr que el sistema perdiera alguna propiedad.

Por ejemplo vean los ojos del perro, Uds. saben que si cortan el nervio óptico, es decir, sí interrumpen la conexión entre el ojo y la corteza visual entonces el sistema (el perro) pierde una de sus propiedades (la visión). No obstante que sigue teniendo ojos y corteza visual.

En este sentido, escribe: ¿Qué está representado en la segunda figura? _____________________.

Es por ello que con respecto a los Sistemas Integrales puede decirse que "EL TODO ES MAYOR QUE LA SUMA DE SUS PARTES", el Sistema (el Todo) = a sus componentes (las partes) + las interacciones entre los componentes. Observa la cuarta figura.

Escribe cuatro ejemplos de sistemas integrales:
· Un carro, un átomo, una lagartija, ...
· ____________________________________.
· ____________________________________.
· ____________________________________.

En cambio un Sistema no Integral es tan sólo un conjunto de objetos cuyas interacciones son pocas y casuales como por ejemplo el mismo perro, pero descuartizado, en ese caso el ojo podría estar junto al bazo y la pata derecha estar bajo el corazón. En este caso las propiedades del sistema suelen ser simple­mente la suma de las partes por ejemplo: el peso del perro descuartizado = a la suma del peso de las par­tes. Esto mismo ocurre con el perro vivo, pero es que el perro vivo puede ladrar y el montón de trozos de perro, no.

¿Qué tipo de sistema es el montón de arena de la quinta figura? _______________________________.

Escribe tres ejemplos de sistemas no integrales:
1. ____________________________________.
2. ____________________________________.
3. ____________________________________.

Los niveles de organización de la Materia (una propuesta)
Un Nivel de Organización de la Materia es un concepto que refleja el modo en que se encuentra la materia en el Universo, pues ella forma estructuras materiales ordenadas jerárquicamente.

Cada una de estas estructuras es un sistema integral conformado por otros sistemas integrales más pequeños y estos a su vez están formados por otros sistemas aún más pequeños y así sucesivamente de manera análoga a una matrioska, esa muñeca rusa de madera que dentro de sí tiene a una muñeca más pequeña y ésta a otra aún menor y así sucesivamente.

Cada uno de estos Sistemas Integrales es un todo compuesto por partes que interactúan siguiendo reglas definidas naturalmente ya sean éstas deterministas o probabilísticas y cuyas propiedades surgen en mayor medida de esas interacciones que solo de las propiedades de las partes.

Por supuesto que nosotros podemos llevar una cuchara a la boca porque tenemos un brazo con sus huesos, músculos, tendones y nervios; porque los huesos rígidos sostienen el brazo, los músculos generan la fuerza para mover los huesos, los tendones transmiten la fuerza de los músculos a los huesos y los nervios estimulan o inhiben la contracción de los músculos.

Pero bastaría impedir cualquiera de sus interacciones para perturbar el acto de llevar la cuchara a la boca e inclusive impedirlo, piensa simplemente en las consecuencias de separar los huesos del codo (una luxación) o en cortar el nervio del músculo que permite la flexión del brazo (denervación) o la rotura del tendón.

Resumiendo podríamos decir que un Nivel de Organización de la Materia es un sistema integral jerárquicamente dispuesto entre otros sistemas integrales.

O que es un conjunto de objetos materiales cuyos elementos interaccionan entre sí siguiendo reglas definidas naturalmente (leyes) generando con ello propiedades nuevas en el conjunto y no necesariamente existentes en sus partes, cada una de estas partes sería a su vez otro conjunto de elementos, pero de una jerarquía menor:

· Nivel "Quark" {?} Por ejemplo: quark up, quark down y quark belleza.

· Nivel "Partícula subatómica"{quarks} Por ejemplo: protón, neutrón y mesón.

· Nivel "Agregado de Partículas" {partículas subatómicas}: 1H1+ (núcleo del hidrógeno), núcleo del carbono, envoltura electrónica del calcio.

· Nivel "Átomo" {agregados de partículas} Por ejemplo: Átomos de helio, fosforo y oxígeno.

· Nivel "Molécula" {átomos} Por ejemplo: Las moléculas de agua, H2O; glucosa, C6H12O6 y la glicina, C2H5NO2.

· Nivel “Cuerpo” {moléculas}

· Nivel "Macromolécula" {moléculas} Por ejemplo: Hemoglobina, quera­tina, celulosa y ARN mensajero de la mioglobina.

· Nivel "Complejo multimolecular" {macromoléculas}: Probionte, ATP sintasa y Bicapa lipídica.

· Nivel "Organelo" {complejos multimoleculares} Por ejemplo: Membrana plasmática, Aparato de Golgi y lisosoma.

· Nivel "Célula" {organelos} Por ejemplo: Neurona, hepatocito y linfocito.

· Nivel "Tejido" {células} Por ejemplo: tejido conjuntivo, tejido graso y epitelial.

· Nivel "Órgano" {tejidos} Por ejemplo: estómago, pulmón y vejiga urinaria.

· Nivel "Aparato" = "Sistema"{órganos} Por ejemplo: aparato respiratorio, sistema óseo y aparato digestivo.

· Nivel "Individuo" {aparatos} Por ejemplo: Humano, mosquito Anofeles y piojo.

· Nivel "Población" {individuos} Por ejemplo: La población de manatíes del delta del río Grijalba, la de piojos del niño Manuel y el maizal de Don Venancio.

· Nivel "Comunidad" {poblaciones} Por ejemplo: El bosque de coníferas de la Marquesa, el pastizal del Conejo y la charca de aquí, al lado.

· Nivel “Ecosistema” {comunidades} Por ejemplo: La selva tropical lluviosa, el desierto y la Pradera.

· Nivel "Capa geológica" {cuerpos} Por ejemplo: núcleo terrestre, litósfera, atmósfera.

· Nivel "Astro" {capas geológicas} Por ejemplo: Planeta Tierra, Estrella Vega y Satélite Titán.

· Nivel "Galaxia" {astros} Por ejemplo: Andrómeda, Vía Láctea y M53.

· Nivel “Cúmulo de Galaxias” {galaxias} Por ejemplo: Cúmulo local,

· Nivel “Universo” {cúmulos de galaxias} Por ejemplo: el nuestro.

Nota al variar la jerarquía, también cambian…

· La complejidad.
· La masa involucrada.
· El tiempo de interacción característico.
· El número de unidades
· Y el tamaño de la estructura material.

Así pues un objeto con nivel "Galaxia" es por lo general más grande que cualquier otro objeto de nivel "Sistema Planetario" del mismo modo que un objeto de nivel "Individuo" es mayor que otro de nivel "órgano", aún cuando por supuesto nuestro corazón, siendo órgano, es más grande que una zarigüeya cuyo máximo nivel es el de "individuo". Pero el corazón de la zarigüeya es más pequeño que ella, del mismo modo que nuestro corazón lo es de nosotros.

La lista con los nombres de los niveles de organización de la Materia, de la lista precedente, es sólo una propuesta personal. En este punto existen bastantes discrepancias entre los distintos biólogos o profesionistas que tocan el tema. Pero coincide bastante con ellos.

El nombre de cada nivel ha sido tomado prestado de un objeto material concreto, por ejemplo: el nivel "Quark" se le ha dado ese nombre tomándolo prestado del objeto: quark, pero no sólo los quarks tienen este nivel, de hecho podemos decir que otras partículas como los Leptones (e-, e+ = positrón y otros) poseen ese nivel.

El siguiente nivel podría llamarse "Núcleo" {partículas subatómicas} como el Núcleo atómico, pero en un momento dado existen otras estructuras formadas por partículas subatómicas que no son núcleos atómicos por ejemplo: la envoltura electrónica de los átomos. Para evitar confusiones sugerimos el nombre “Agregado de Partículas”.

Algunos nombres son problemáticos, por ejemplo: "Capa Geológica", el cual puede confundirse con el concepto de Estrato Sedimentario usado en paleontología y dado que el lexema geo- quiere decir Tierra, ello podría inducirnos a pensar que se refiere sólo a ella y no a los demás astros; pero no podemos decir "capa astral" por cuanto que el adjetivo suena a la pseudociencia llamada Astrología.

También el nombre de "Cuerpo" asignado al nivel formado por un conjunto de moléculas asociadas puede inducir a error porque en algunas ramas de la Física, que estudian el movimiento de cualquier objeto material, se usa esa palabra para designar a dichos objetos y por supuesto estos pueden ser proto­nes, núcleos atómicos, átomos, planetas, galaxias u otros. Nosotros reduciremos la extensión del signifi­cado de la palabra "Cuerpo" al de simple conjunto de {moléculas}.

Estos no son los únicos problemas, pero sería largo y difícil tratarlos aquí pormenorizadamente. Quede tan sólo la advertencia de que existen.

Observa que en la lista hemos dispuesto dos series de niveles de organización de la materia: los no-biológicos y los biológicos.

Escribe: ¿cuál es la diferencia fundamental entre ellos dos? _________________ ________________________________.

Los niveles biológicos son subniveles del nivel: __________________.

Busca tres ejemplos concretos de los niveles no biológicos que siguen.

Fíjate en el ejemplo y en las notas al pie de ésta página:

· Nivel "Quark": _________________ __________________ _______________________..
· Nivel "Partícula subatómica": ________________ __________________ ____________________.
· Nivel "Agregado de Partículas": ________________ __________________ ___________________.
· Nivel "Átomo": _________________ __________________ _______________________.
· Nivel "Molécula": _________________ __________________ _______________________.
· Nivel "Cuerpo": _________________ __________________ _______________________.
· Nivel "Capa geológica": _________________ __________________ _______________________.
· Nivel "Astro": _________________ __________________ _______________________.
· Nivel "Galaxia": _________________ __________________ _______________________.

Ahora, has lo mismo pero para los niveles biológicos:

· Nivel "Macromolécula": _________________ __________________ _______________________..
· Nivel "Complejo multimolecular": _______________ ________________ ___________________.
· Nivel "Organelo": _________________ __________________ _______________________.
· Nivel "Célula": _________________ __________________ _______________________.
· Nivel "Tejido": _________________ __________________ _______________________.
· Nivel "Órgano": _________________ __________________ _______________________.
· Nivel "Aparato": _________________ __________________ _______________________.
· Nivel "Individuo": _________________ __________________ _______________________.
· Nivel "Población": _________________ __________________ _______________________.
· Nivel "Comunidad": _________________ __________________ _______________________.
· Nivel “Ecosistema”: _________________ __________________ _______________________.
· Nivel “Biosfera” _________________ __________________ _______________________.

Nota 1: Ejemplos de objetos materiales con niveles de organización no biológicos: Fe, Na, C, Li; 6C6+, 2He2+, 1H+, 3Li3+; roca, risco, cristal; Júpiter, Titán, Europa, Saturno; CO2, C6H12O6, H2; Manto, corteza, atmósfera; Vía Láctea, Andrómeda, M33.

Nota 2: Ejemplos de objetos materiales con niveles de organización biológicos: Epitelio, Hepatocito, Corazón, Mitocondria, Ballena, Trigal de José, Aparato respiratorio, la Selva amazónica, Parénquima, Osteocito, Páncreas, Retículo endoplásmico (RE), Pulpo, la Parvada de golondrinas de Zinapécuaro, A. Urinario, el Pedre­gal de San Ángel, Dermis, Leucocito, Pulmón, Cloroplasto, Mosquito, el Pinar del Río, Sistema Nervioso, el Desierto de Sonora.

Escribe un ejemplo de organismo de cada uno de los niveles que siguen:
"Célula": _____________________________
"Tejido": _____________________________
"Aparato": __________________________ e
"Individuo":_________________________.

Nota 3: Ejemplos de organismos que difieren en su nivel de organización: Manatí, Sargazo, Jacaranda, Amiba, Escorpión, Salmonella, Champiñón, Rosal, Volvox Puma, Oyamel, Amanita, Chichicuilote, Paramecium y Roble.

Bibliografía:
· Miller, James Grieg (1978) The General Theory of living systems. McGraw-Hill
· Bertalanffy, Ludwing von (1968) Teoría general de los sistemas trad. Del inglés de la 1ª ed. por J. Almela, 2ª reimp. de la 1ª ed. FCE. Méx. 1976. 311 p.