Investigadores de la Universitat descubren por qué el metabolismo basal de los seres vivos varía con su masa
El descubrimiento resuelve un misterio biológico con más de un siglo de antigüedad
El trabajo aparece publicado en Scientific Reports, el open acces de Nature
Un equipo pluridisciplinar de investigadores de la Universitat de València, la Universidad Politécnica de Madrid y la Queen Mary University of London ha conseguido resolver un puzzle que desconcertaba a los biólogos desde hace más de un siglo: cómo y por qué el metabolismo basal de un organismo varÃa con su masa. El metabolismo basal es la energÃa mÃnima que consume un organismo para mantenerse vivo. El trabajo aparece publicado en el digital Scientific Reports, el open acces de Nature.
Un humano adulto en reposo absoluto y a temperatura ambiente de 20º C consume aproximadamente una calorÃa por kilo y hora. Sin embargo, un elefante gasta en ese mismo tiempo media calorÃa por kilo de masa y un ratón la friolera de 70 calorÃas por kilo. ¿Cuál es la causa de esta diferencia?
Uno de los primeros en darse cuenta del fenómeno fue el fisiólogo alemán Max Rubner al estudiar en 1883 el metabolismo basal de perros con diferente tamaño. Rubner propuso que la causa del fenómeno era el calor que se perdÃa por la piel. Como la superficie de la piel varÃa con el cuadrado del tamaño del animal, mientras que su volumen varÃa con el cubo, esto implicarÃa que el metabolismo basal B varÃa 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 mamÃferos sobre un rango de masas mayor, incluyendo bueyes y ratas, parecÃan indicar que el metabolismo en realidad variaba conforme M3/4, relación que conocemos hoy dÃa 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 fÃsico 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. AsÃ, en algunos grupos animales como pájaros pequeños o insectos, el exponente 3/4 no encaja. E incluso en mamÃferos, para los cuales se concibió la ley de Kleiber, los datos muestran una divergencia notable respecto de la ley teórica.
Ahora los autores de un artÃculo recientemente publicado en Scientific Reports, Fernando J. Ballesteros y Vicent J. MartÃnez (Observatorio Astronómico de la Universitat de València-Parc CientÃfic), Bartolo Luque (E.T.S.I. Aeronáuticos de la Universidad Politécnica de Madrid), Lucas Lacasa (School of Mathematical Sciences, Queen Mary University of London), Enric Valor (Dep. Termodinámica de la Universitat de València) y Andrés Moya (Instituto de BiologÃa Integrativa y de Sistemas-UV/CSIC, en el Parc CientÃfic), han encontrado la pieza que completa el puzzle, a partir de un modelo teórico de la AstrofÃsica. "Durante la escritura del libro 'Fractales y caos', en el que hablamos sobre la ley de Kleiber, caÃmos en la cuenta de que el modelo fractal de West y colaboradores no encajaba. La explicación térmica parecÃa más natural, pero habÃa que tener en cuenta la parte energética que no se disipa como calor", comenta Fernando Ballesteros. "Vicent y yo introdujimos esto en el modelo térmico y vimos que los datos encajaban perfectamente con nuestra teorÃa. 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 mamÃferos, confirmando su poder predictivo", concluye.
Los cientÃficos proponen como solución un compromiso entre la disipación calórica pasiva y el gasto energético mÃnimo de mantenimiento celular. No toda la energÃa que consume un organismo se transforma en calor, parte es utilizada para la división celular, para sintetizar proteÃnas..., es decir, para hacer funcionar y mantener al organismo. Si toda la energÃa consumida se transformara en calor, en efecto el consumo responderÃa a un exponente 2/3, pero entonces no hablarÃamos de un organismo sino de una estufa. Por otro lado, si toda la energÃa se consumiera eficientemente, el consumo serÃa 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 mamÃferos 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.
On the thermodynamic origin of metabolic scaling. Fernando J. Ballesteros, Vicent J. MartÃnez, Bartolo Luque, Lucas Lacasa, Enric Valor & Andrés Moya
Scientific Reports, 17-30960 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41598-018-19853-6