Ciencia resuelve el enigma de por qué el metabolismo de los animales depende de su masa

El metabolismo basal, es decir, la energía mínima que consume un organismo para mantenerse vivo, varía con su masa. Uno de los primeros en darse cuenta de este 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 perdía por la piel. La superficie de la piel varía con el cuadrado del tamaño del animal, mientras que su volumen varía con el cubo.

Sin embargo, en 1932, las medidas que su tocayo Max Kleiber, biólogo suizo, hizo un estudio en mamíferos sobre un rango de masas mayor, incluyendo bueyes y ratas, que parecían indicar que el metabolismo en realidad variaba con la potencia 3/4, 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 Geoffrey West. 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.

La astrofísica al servicio del conocimiento biológico

Ahora, un grupo de científicos, entre los que se encuentran investigadores de las universidades de Valencia y Politécnica de Madrid, han encontrado la pieza que completa el puzle a partir de un modelo teórico de la astrofísica. Los resultados se publican en la revista Scientific Reports.

“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, coautor del estudio e investigador de la Universidad de Valencia.

Relaciones empíricas entre el metabolismo basal y la masa corporal para diferentes animales / Fernando J. Ballesteros et al

“Vicent J. Martínez y yo introdujimos esto en el modelo térmico y vimos que los datos encajaban perfectamente con nuestra teoría. Andrés Moya se dio cuenta en seguida de que nuestro modelo era un trade off, un intercambio evolutivo, y juntos lo perfeccionamos. Enric Valor dio solidez al modelo térmico tras el trade off, y Bartolo Luque y Lucas Lacasa extendieron el trabajo a otros seres vivos además de los mamíferos, confirmando su poder predictivo”, añade el científico.

Los expertos 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 o para 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 M^2/3; es decir, B = aM + bM^2/3, 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.

El metabolismo basal, es decir, la energía mínima que consume un organismo para mantenerse vivo, varía con su masa. Uno de los primeros en darse cuenta de este 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 perdía por la piel. La superficie de la piel varía con el cuadrado del tamaño del animal, mientras que su volumen varía con el cubo.

Sin embargo, en 1932, las medidas que su tocayo Max Kleiber, biólogo suizo, hizo un estudio en mamíferos sobre un rango de masas mayor, incluyendo bueyes y ratas, que parecían indicar que el metabolismo en realidad variaba con la potencia 3/4, 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 Geoffrey West. 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.

La astrofísica al servicio del conocimiento biológico

Ahora, un grupo de científicos, entre los que se encuentran investigadores de las universidades de Valencia y Politécnica de Madrid, han encontrado la pieza que completa el puzle a partir de un modelo teórico de la astrofísica. Los resultados se publican en la revista Scientific Reports.

“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, coautor del estudio e investigador de la Universidad de Valencia.

Relaciones empíricas entre el metabolismo basal y la masa corporal para diferentes animales / Fernando J. Ballesteros et al

“Vicent J. Martínez y yo introdujimos esto en el modelo térmico y vimos que los datos encajaban perfectamente con nuestra teoría. Andrés Moya se dio cuenta en seguida de que nuestro modelo era un trade off, un intercambio evolutivo, y juntos lo perfeccionamos. Enric Valor dio solidez al modelo térmico tras el trade off, y Bartolo Luque y Lucas Lacasa extendieron el trabajo a otros seres vivos además de los mamíferos, confirmando su poder predictivo”, añade el científico.

Los expertos 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 o para 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 M^2/3; es decir, B = aM + bM^2/3, 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.