Un misterio biológico con más de un siglo de antigüedad

No toda la energía que se consume se transforma en calor, parte es utilizada para la división celular./EFE | S.M.
No toda la energía que se consume se transforma en calor, parte es utilizada para la división celular. / EFE | S.M.
Un equipo en el que participan investigadores de la UV aclara por qué el metabolismo basal de los animales depende de su masa
EXTRASValencia

¿Cuánta energía necesita un animal para vivir? Un ser humano en reposo y a 20 grados centígrados de temperatura consume una caloría por kilo y hora aproximadamente. Sin embargo, un elefante gasta en ese mismo tiempo media caloría por kilo de masa y un ratón, en las mimas condiciones, 70 calorías por kilo.

¿A qué se deben estas diferencias? Un equipo multidisciplinar de investigadores de la Universitat de València (UV), la Universidad Politécnica de Madrid y la Queen Mary University of London ha colocado las piezas de un puzzle que estaba causando verdaderos quebraderos de cabeza a los científicos desde hace más de un siglo: ¿cómo y por qué el metabolismo basal de un organismo varía con su masa? El metabolismo basal es el valor mínimo de energía necesaria para que la célula subsista. Es el gasto energético diario, es decir, lo que un cuerpo necesita diariamente para seguir funcionando. A ese cálculo hay que añadir las actividades extras que se pueden hacer cada día.

Según explica la universidad valenciana en un comunicado, uno de los primeros en darse cuenta del fenómeno fue Max Rubner al estudiar en 1883 el metabolismo basal de perros con diferente tamaño. El fisiólogo alemán propuso que la causa del fenómeno era el calor que se perdía por la piel. Como la superficie de la piel varía con el cuadrado del tamaño del animal, mientras que su volumen varía con el cubo, esto implicaría que el metabolismo basal B varía proporcionalmente a la masa elevada a 2/3, M2/3. Sin embargo, en 1932, las medidas que su tocayo Max Kleiber, biólogo suizo, realizó en mamíferos sobre un rango de masas mayor, incluyendo bueyes y ratas, parecían indicar que el metabolismo en realidad variaba conforme M3/4, relación que conocemos hoy día como la ley de Kleiber.

La búsqueda de una explicación para este exponente abrió un intenso debate durante décadas, que pareció concluir en 1997 con el modelo fractal del físico británico Geoffrey West y colaboradores. Este modelo justificaba el exponente por la forma fractal de las redes de distribución de recursos en los organismos, como el sistema circulatorio o el respiratorio. Medir la tasa basal en organismos es una tarea experimental delicada y trabajosa. Conforme se incrementaron las medidas metabólicas en más animales, el modelo fractal comenzó a mostrar más y más discrepancias. Así, en algunos grupos animales como pájaros pequeños o insectos, el exponente 3/4 no encaja. Incluso en mamíferos, para los cuales se concibió la ley de Kleiber, los datos muestran una divergencia notable respecto de la ley teórica.

Modelo Astrofísico

Ahora los autores de un artículo recientemente publicado en ‘Scientific Reports’, la versión abierta de la revista ‘Nature’, Fernando J. Ballesteros y Vicent J. Martínez, profesores del Observatorio Astronómico de la UV, Bartolo Luque, de la ETSI de Aeronáuticos de la Universidad Politécnica de Madrid, Lucas Lacasa de la School of Mathematical Sciences de la Queen Mary University of London, Enric Valor, del Departamento de Termodinámica de la UV, y Andrés Moya, del Instituto de Biología Integrativa y de Sistemas-UV/CSIC, han encontrado la pieza que faltaba en el puzzle a partir de un modelo teórico de la astrofísica. Fernando Ballesteros señala que durante la escritura del libro ‘Fractales y caos’, que aborda la ley de Kleiber, «caímos en la cuenta de que el modelo fractal de West y colaboradores no encajaba. La explicación térmica parecía más natural, pero había que tener en cuenta la parte energética que no se disipa como calor». Así que «Vicent y yo introdujimos esto en el modelo térmico y vimos que los datos encajaban perfectamente con nuestra teoría. Andrés se dio cuenta en seguida de que nuestro modelo era un ‘trade off’, un intercambio evolutivo, y juntos lo perfeccionamos. Enric dio solidez al modelo térmico tras el ‘trade off’, y Bartolo y Lucas extendieron el trabajo a otros seres vivos además de los mamíferos, confirmando su poder predictivo», destaca.

Los científicos proponen como solución un compromiso entre la disipación calórica pasiva y el gasto energético mínimo de mantenimiento celular. No toda la energía que consume un organismo se transforma en calor, parte es utilizada para la división celular, para sintetizar proteínas, etcétera, es decir, para hacer funcionar y mantener al organismo. Si toda la energía consumida se transformara en calor, en efecto el consumo respondería a un exponente dos tercios, pero entonces no hablaríamos de un organismo sino de una estufa. Por otro lado, si toda la energía se consumiera eficientemente, el consumo sería directamente proporcional al número de células, es decir a la masa M, pero parte se pierde inevitablemente como calor. Los organismos reales mantienen un compromiso entre estos dos extremos. La suma ponderada de ambas componentes, una proporcional a la masa M y otra a M2/3. Es decir, B = aM + bM2/3, explica la curvatura en el metabolismo basal de los datos de mamíferos y las diferentes relaciones encontradas en grupos animales distintos, pero también las diferencias metabólicas entre animales desérticos y polares, o incluso el metabolismo de las plantas.

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