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.