¿Por qué los animales más grandes son más eficientes energéticamente? Una nueva respuesta a un rompecabezas biológico centenario

Si piensas en «desvelar los misterios del universo», probablemente pienses en la física: astrónomos mirando a través de telescopios a galaxias distantes, o experimentadores que rompen partículas en pedazos en el Gran Colisionador de Hadrones.

Cuando los biólogos intentan desentrañar profundos misterios de la vida, nosotros también tendemos a recurrir a la física. Pero nuestra nueva investigación, publicado en cienciamuestra que la física no siempre puede tener las respuestas a las preguntas de la biología.

Durante siglos, los científicos se han preguntado por qué, kilo por kilo, los animales grandes queman menos energía y requieren menos comida que los pequeños. ¿Por qué una pequeña musaraña necesita consumir tanto como tres veces su peso corporal en alimentos cada díamientras que una enorme ballena barbada puede sobrevivir con una dieta diaria de apenas 5-30% de su peso corporal en krill?

Si bien los esfuerzos anteriores para explicar esta relación se han basado en la física y la geometría, creemos que la verdadera respuesta es evolutiva. Esta relación es lo que maximiza la capacidad de un animal para producir descendencia.

¿En qué medida las limitaciones físicas dan forma a la vida?

La primera explicación de la relación desproporcionada entre el metabolismo y el tamaño se propuso hace casi 200 años.

En 1837, los científicos franceses Pierre Sarrus y Jean-François Rameaux argumentó el metabolismo energético debe escalar con el área de superficie, en lugar de la masa o el volumen corporal. Esto se debe a que el metabolismo produce calor y la cantidad de calor que un animal puede disipar depende de su superficie.

En los 185 años transcurridos desde la presentación de Sarrus y Rameaux, numerosas explicaciones alternativas para la escala observada del metabolismo se han propuesto.

Podría decirse que el más famoso de estos fue publicado por investigadores estadounidenses. Geoff West, Jim Brown y Brian Enquist en 1997. Propusieron un modelo que describe el transporte físico de materiales esenciales a través de redes de tubos ramificados, como el sistema circulatorio.

Argumentaron que su modelo ofrece «una base teórica y mecánica para comprender el papel central del tamaño del cuerpo en todos los aspectos de la biología».

Estos dos modelos son filosóficamente similares. Me gusta muchos otros enfoques propuestos durante el siglo pasadotratan de explicar patrones biológicos invocando restricciones físicas y geométricas.

La evolución encuentra un camino

Los organismos vivos no pueden desafiar las leyes de la física. Sin embargo, la evolución ha demostrado ser notablemente buena para encontrar formas de superar las limitaciones físicas y geométricas.

En nuestra nueva investigación, decidimos ver qué ocurría con la relación entre la tasa metabólica y el tamaño si ignoramos restricciones físicas y geométricas como estas.

Así que desarrollamos un modelo matemático de cómo los animales utilizan la energía a lo largo de su vida. En nuestro modelo, los animales dedican energía al crecimiento temprano en sus vidas y luego en la edad adulta dedican cantidades crecientes de energía a la reproducción.

Usamos el modelo para determinar qué características de los animales dan como resultado la mayor cantidad de reproducción a lo largo de su vida; después de todo, desde un punto de vista evolutivo, la reproducción es el juego principal.

¡Descubrimos que los animales que se predice que tendrán más éxito en la reproducción son aquellos que exhiben precisamente el tipo de escala desproporcionada del metabolismo con el tamaño que vemos en la vida real!

Este hallazgo sugiere que la escala metabólica desproporcionada no es una consecuencia inevitable de las limitaciones físicas o geométricas. En cambio, la selección natural produce esta escala porque es ventajosa para la reproducción de por vida.

El desierto inexplorado

En el palabras famosas del biólogo evolutivo ruso-estadounidense Theodosius Dobzhansky, «nada tiene sentido en biología excepto a la luz de la evolución».

Nuestro hallazgo de que puede surgir una escala desproporcionada del metabolismo incluso sin restricciones físicas sugiere que hemos estado buscando explicaciones en el lugar equivocado.

Las limitaciones físicas pueden ser los principales impulsores de los patrones biológicos con menos frecuencia de lo que se pensaba. Las posibilidades disponibles para la evolución son más amplias de lo que apreciamos.

¿Por qué históricamente hemos estado tan dispuestos a invocar restricciones físicas para explicar la biología? Tal vez porque nos sentimos más cómodos en el refugio seguro de las explicaciones físicas aparentemente universales que en el desierto biológico relativamente inexplorado de las explicaciones evolutivas.

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