Hoy voy hablarles sobre la energía en la biología.
Por "en biología" me refiero a toda la biología,
desde la evolución, la ecología, la fisiología hasta la biología celular.
Y la razón por la que quiero hablarles de un sector tan amplio de la biología
se debe a que usamos energía para cualquier cosa que hacemos
y porque dedicamos mucho tiempo y tenemos muchas funciones,
únicamente, para generar y obtener la energía.
Por estas razones, hay formas infinitas
a través de las cuales pudiéramos hablar sobre energía
y describírselas de incontables maneras,
pero una de las más divertidas para mí
y una de las artes de la ciencia, para mí, es determinar cómo esbozar las cajas
que vamos a usar.
Y para hacer eso, casi siempre hay que formular una pregunta
o concebir un objetivo que cumplir.
Las dos cosas de las cuales voy hablar en esta charla son: una relacionada
con la evolución, ¿cómo pensar en la energía en términos evolutivos
y que se necesita para la evolución?
Y la otra está más relacionada con la fisiología y la ecología
y que, de hecho, se refiere a cómo obtener y cómo generar la energía.
Desde la perspectiva evolutiva, lo que más nos interesa
es la "aptitud" que es la cantidad de descendencia o individuos
que podemos dejar en la próxima generación.
Para que esto suceda, primero, tenemos que crecer
y mantenernos para reproducirnos
así que unas de las cajas principales para la evolución
son el desarrollo y el crecimiento.
En esta diapositiva muestro a una planta que crece desde
el primer estadio hasta el último y, para ello, tiene que generar
muchas más células, tiene que formar nuevos tipos de células
y nuevos tipos de estructuras, lo cual consume muchísima energía
y es un proceso que demanda muchísima energía.
Lo mismo pasa con los animales y su crecimiento.
Esta es una foto de dos pájaros llamando a sus padres
para que los alimenten; ellos necesitan muchísimo alimento
para crecer y madurar para reproducirse.
La siguiente caja sobre energía a la cual me referiré
es el mantenimiento, el cual es un tipo menos obvio y menos visible
porque no se ve cuando las células cambian o cuando las estructuras cambian
o cuando se están multiplicando. Solo se ve que las cosas siguen estando
allí de la misma forma, pero se consume mucha energía
al reemplazar células que mueren o proveer a las células con energía
para mantenerse vivas.
Como ejemplo extremo tenemos que, si se examinan estas secoyas,
ellas necesitan una enorme cantidad de energía para bombear agua,
constantemente, hacia las hojas que están en lo más alto
y que esta tiene que recorrer una gran distancia.
Estos árboles deben formar estructuras para que el agua llegue de forma sostenida
hasta las hojas de arriba, de manera que usan mucha energía
para bombearla de forma constante hacia lo más alto de los árboles.
Lo mismo pasa para mantener todas las estructuras del cuerpo
y aquí también hay otros ejemplos extremos.
Si pensamos en un pavo real que genera toda una exhibición de plumas,
necesitará mucha energía para producirlas y mantenerlas
porque las va a utilizar para atraer a la pareja,
las cuales necesita para reproducirse porque es importante para la evolución.
Como un breve aparte, antes de llegar a la reproducción desde el mantenimiento;
para mí, una de las cosas acerca de nosotros como humanos
es que, biológicamente, y de forma individual,
consumimos aproximadamente la misma cantidad de energía por tiempo
que la que consume una bombilla. Pero si añadimos otras cosas:
la cantidad de energía que usamos para los carros
o las computadoras o la bombilla o calentar nuestros hogares,
en Estados Unidos, cada individuo consume, más o menos, la misma cantidad de energía
que consume una ballena Azul. De manera que somos grandes consumidores
de energía desde el punto de vista de nuestra huella biológica.
La última caja evolutiva de la energía
sobre la cual les hablaré es la reproducción
que es donde la evolución apunta la mayoría de las veces.
Y que puede ser algo así como las naranjas de un árbol
que nos provoca comerlas porque son tan bellas y tan sabrosas
y saben bien y al deambular por ahí,
dispersamos las semillas y ayudamos a que estos árboles crezcan
en otros lugares y a que aumenten en número.
También, un embrión que crece dentro de su madre
que consume una enorme cantidad de energía en el tiempo
para producir lo necesario para la reproducción.
De manera que el crecimiento, el mantenimiento y la reproducción,
a los cuales me refiero como cajas para la evolución
es donde se necesita energía.
Ahora voy a cambiar de herramientas y voy hablar sobre lo que se necesita
para la fisiología y la ecología, las cuales tienen que ver más
con cómo obtener y cómo generar la energía
y donde la evolución todavía juega un papel importante;
porque se necesitan esas cosas para sobrevivir,
pero no es tan explícita si se hace de esta forma.
Desde el punto de vista de la obtención de la energía,
tenemos a esta impresionante foto de un búho persiguiendo a un ratón
para alimentarse y es un ejemplo de obtención de recursos alimenticios
a través de lo que llamamos la captura activa.
También está el pastoreo de las vacas o la emboscada
que usan las serpientes y las arañas al esperar que las presas se acerquen.
Las plantas también hacen algo similar,
desde el punto de vista de la obtención de la energía,
tienden emboscadas, construyen estructuras y esperan a que la presa se acerque.
Como vemos aquí, este árbol tiene un vasto sistema de ramificación
y al tener todas las hojas, y estar presentes en todas las ramas,
las usa para captar la luz del ambiente. Capta la mayor cantidad de luz posible
con esta pequeña área de su copa.
Ese tipo de sistema de ramificación se refleja dentro del suelo
como sistema radical que es para obtener el agua, los nutrientes
del suelo y se extiende para tomar la mayor cantidad posible de recursos.
Una vez que se obtienen los recursos,
estos deben procesarse para obtener energía
y, en los animales, el primer paso para obtenerla
es el sistema digestivo,
lo cual incluye pasar por al estómago y cosas así,
pero la parte que quiero destacar es que, en nuestros intestinos,
existen esos sistemas microbianos
que ahora muchos los llaman el microbioma o el microbioma intestinal
y que están para procesar energía. Es nuestro propio micromundo,
un ecosistema dentro de nuestro cuerpo.
Fundamentalmente, de acuerdo a cómo procesan la energía
y de acuerdo a las necesidades de energía, se verá afectado
el tipo de bacterias y la diversidad de bacterias presentes.
y cuando este no funciona, nuestro sistema digestivo se ve afectado.
Después de procesar la energía y obtenerla de una forma más utilizable
para ser asimilada, todavía hay que llevarla al resto de nuestros cuerpos:
a la punta de los dedos, a la de los de los pies o a nuestra cabeza
a través de un sistema de ramificación interno, muy parecido
al sistema de ramificación externo de los árboles y el sistema radical
dentro del suelo; que es el sistema cardiovascular
con el corazón que bombea sangre hacia nuestras extremidades,
hacia nuestra cabeza. Y existe una escala más fina,
los capilares, o un lecho capilar,
que es donde ocurre la transferencia de oxígeno y nutrientes.
Una vez distribuida la energía a cada célula
que necesita seguir produciendo energía y vivir,
la principal forma de generación de energía,
por lo menos en animales, es a través de la mitocondria.
Cada mitocondria es como un motor que toma el oxígeno y genera energía.
La mitocondria es en realidad una bacteria primitiva
que tenemos los humanos. Desde hace mucho tiempo,
fue incorporada a la célula para generar energía;
de modo que es una forma muy primitiva de generar energía
y de aquí surge la pregunta de si es realmente primitiva
porque en realidad es muy competente y muy eficiente.
Yo diría que sí porque si su uso es generalizado,
se diría que debe ser muy bueno o, de alguna manera,
se reinventaría la rueda.
Pero lo que es interesante es que si se compara
con algo como los paneles solares
y comparan las gramíneas y los árboles que están en el fondo
con los paneles solares que están en primer plano,
las gramíneas y los árboles hacen la fotosíntesis para generar energía,
la cual tiene una eficacia de un 3 % y los paneles solares alrededor de un 30 %
de eficacia, 10 veces mejor y me causó una especie de impacto
la primera vez que supe que podían desempeñarse mucho mejor.
Tal vez, esto sugiere que la naturaleza puede evolucionar y desempeñarse mejor.
Pero lo que tenemos que entender aquí es que los paneles solares
utilizan muchos elementos que no son de fácil acceso
para los organismos biológicos. Se usa el dinero para buscar información
o para construirlo de la forma correcta.
De manera que, cuando hablamos de ser eficiente
o de evolución, siempre es bajo condiciones restrictivas.
Yo argüiría que la naturaleza se maneja muy bien bajo restricciones,
nosotros tenemos al alcance cosas que ella no ha podido obtener.
Al examinar esta pregunta sobre eficiencia desde una perspectiva distinta,
y recordemos, otra vez, a las redes tanto para árboles
como para el sistema cardiovascular dentro de nuestros cuerpos,
vemos que hay múltiples formas de crear estas redes.
Estas redes tienen que abarcar espacio para llevar la sangre o el agua
a cualquier lugar donde se necesite, pero es necesario
que lo haga eficientemente porque si no, gastaremos muchísima energía
solo para bombear sangre por ahí, perdiendo energía llevando fluido por ahí.
Si piensan en todas las formas en las que se pudiera erigir una red,
podemos revisar las teorías y los datos para ver cuál es la más óptima
y resulta que la naturaleza ha hecho un excelente trabajo, optimizando
las redes para que sean eficientes.
Una consecuencia de esto
es que, si se observan las tasas metabólicas
aquí en el eje Y, versus la masa en el eje X,
se observa un claro patrón sistemático
donde a mayor tamaño, mayor es la energía que se usa,
lo cual no es sorprendente.
Lo que sí es sorprendente aquí es que no es lineal.
Pensemos en un elefante, que es 10.000 veces más grande
que un ratón, que solo consume alrededor de mil veces más energía, lo que significa
que un elefante usa 10 veces menos energía por célula
que la célula de un ratón.
Viéndolo así, se gana eficiencia si se es más grande.
Para estar seguros de que están poniendo atención
a los ejes, aquí están en escala logarítmica,
de modo que una línea curva se convierte en una recta
y sería el exponente de una ecuación matemática
el que pasaría a ser la pendiente.
Este patrón no solo se cumple para esta enorme cantidad de tamaños
de mamíferos y animales en general,
sino que también se cumple para las plantas.
El flujo del xilema es una medida de la tasa metabólica en las plantas.
Al graficar este flujo versus el tamaño de la planta;
otra vez, se ve una línea recta a través de una enorme gama
de tamaños de plantas y, otra vez, un exponente
o una pendiente cercana a 3/4; o sea, que aparece el mismo patrón otra vez.
Además del tamaño, hay otro gran efector, la temperatura,
que, después del tamaño del cuerpo, es el otro gran efector
del uso de la energía a través de los individuos.
Si observamos estas cantidades, vemos que, a mayor temperatura,
pensemos en una rana o una tortuga o una planta,
a mayor temperatura, más rápido es el consume energía,
lo cual aumenta a tasas exponenciales cada vez más rápidas hasta un punto
donde las temperaturas son tan extremas que todo comienza a descomponerse
y todo empieza a morirse. Pero hasta ese punto o próximo a él,
a mayor temperatura, la energía se consume con mayor rapidez.
Y como vimos al principio de esta charla,
todos consumimos energía para todo lo que hacemos.
El conocimiento de cómo la masa y la temperatura afectan
la tasa metabólica, o la potencia que producimos, nos explica todo tipo
de cosas distintas en biología. Por ejemplo, si observamos
el ritmo cardíaco de los mamíferos,
y analizarlo en términos de elefante versus ratón,
vemos que el ritmo cardiaco de un elefante es 10 veces más lento que el de un ratón.
De modo que, cada vez que el corazón de un elefante tiene una pulsación,
el de un ratón tendrá 10 veces más pulsaciones.
Si examinamos en términos ecológicos
la corrección de la temperatura versus el tamaño
e, incluso, lo que produce cada individuo en el sistema,
observaremos que hay un claro patrón bien ajustado,
el cual se cumple para una inmensa variedad de taxones
que incluye: plantas, mamíferos, insectos, peces
y cualquiera cosa que podamos imaginar.
Finalmente, tenemos un ejemplo ecológico, el cual afecta la cantidad de individuos
o la densidad; es decir, la cantidad de individuos que hay en un área
donde a mayor tamaño o a mayor temperatura,
mayor será la energía que necesiten y menor será la cantidad de individuos
que habrá de forma sistemática y este patrón regular se observa
en animales, que son los puntos rojos, y en las plantas, que son los verdes.
Lo interesante es que en los animales es más baja que en las plantas
y eso se debe a la eficiencia de la transformación de la energía,
donde las plantas tienen que transformar la luz solar en energía
y, básicamente, todos los animales obtienen la energía,
directa o indirectamente, de las plantas; por lo tanto, ellos obtienen el 10 %
de la energía de las plantas que usan para crecer en número.
Por ello, su cantidad es menor, pues la eficiencia baja muchísimo
cuando la energía va de planta a animales. Estos fueron los principales temas
que quería clarificar hoy; y quiero terminar dándoles
estas referencias.
Hay múltiples formas de tratar estos temas.
Hay mucho que leer, así que traté de darles las referencias
que engloban mejor estos temas; de manera que si están interesados
en alguno, pueden partir de aquí para investigar mucho más
y encontrar lo que quieran.