Uno de los primeros en darse cuenta del fenómeno fue Max Rubner al estudiar en 1883 el metabolismo basal de perros con diferente tamaño

Resuelto un misterio biológico con más de un siglo de antigüedad

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Un equipo pluridisciplinar de investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid, la Universitat de València 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 varía con su masa.

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kleiber_foto_500UPM / El metabolismo basal es la energía mínima que consume un organismo para mantenerse vivo. Un humano adulto en reposo absoluto y a temperatura ambiente de 20º C consume aproximadamente una caloría por kilo y hora. Sin embargo, un elefante gasta en ese mismo tiempo media caloría por kilo de masa y un ratón la friolera de 70 calorías por kilo. ¿Cuál es la causa de esta diferencia?

Uno de los primeros en darse cuenta del fenómeno fue 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 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 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 de 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. E incluso en mamíferos, 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 artículo recientemente publicado en Scientific Reports, (el open acces de Nature), Fernando J. Ballesteros y Vicent J. Martínez (Observatorio Astronómico de la Universitat de València-Parc Científic), Bartolo Luque (ETSI Aeronáutica y del Espacio de la Universidad Politécnica de Madrid), Lucas Lacasa (School of Mathemtical Sciences de la Queen Mary University of London), Enric Valor (departamento de Termodinámica de la Universitat de València) y Andrés Moya (Instituto de Biología Integrativa y de Sistemas-UV/CSIC en el Parc Científic), han encontrado la pieza que completa el puzzle a partir de un modelo teórico de la Astrofísica.

bartolo luque_pie“Durante la escritura del libro ‘Fractales y caos’, en el que hablamos sobre 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”, comenta Fernando Ballesteros. “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”, concluye.

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, sintetizar proteínas… 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 2/3, 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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Referencia bibliográfica: 
On the thermodynamic origin of metabolic scaling
Scientific Reports, 17-30960 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41598-018-19853-6