Investigadors de la Universitat descobreixen per què el metabolisme basal dels éssers vius varia amb la seua massa

Un equip pluridisciplinar d'investigadors de la Universitat de València, la Universitat Politècnica de Madrid i la Queen Mary University of London ha aconseguit resoldre un puzle que desconcertava els biòlegs des de fa més d'un segle: com i per què el metabolisme basal d'un organisme varia amb la seua massa. El metabolisme basal és l'energia mínima que consumeix un organisme per a mantenir-se viu. El treball apareix publicat en el digital Scientific Reports, el open acces de Nature.

Un humà adult en repòs absolut i a temperatura ambient de 20º C consumeix aproximadament una caloria per quilo i hora. No obstant açò, un elefant gasta en aqueix mateix temps mitjana caloria per quilo de massa i un ratolí ni més ni menys que 70 calories per quilo. Quina és la causa d'aquesta diferència?

Un dels primers a adonar-se del fenomen va ser el fisiòleg alemany Max Rubner en estudiar en 1883 el metabolisme basal de gossos amb diferent grandària. Rubner va proposar que la causa del fenomen era la calor que es perdia per la pell. Com la superfície de la pell varia amb el quadrat de la grandària de l'animal, mentre que el seu volum varia amb el cub, açò implicaria que el metabolisme basal B varia proporcionalment a la massa elevada a 2/3, M2/3. No obstant açò, en 1932, les mesures que el seu homònim Max Kleiber, biòleg suís, va realitzar en mamífers sobre un rang de masses major, incloent bous i rates, semblaven indicar que el metabolisme en realitat variava conforme M3/4, relació que coneixem avui dia com la llei de Kleiber.

La cerca d'una explicació per a aquest exponent va obrir un intens debat durant dècades, que va semblar concloure en 1997 amb el model fractal del físic Geoffrey West i col·laboradors. Aquest model justificava l'exponent per la forma fractal de les xarxes de distribució de recursos en els organismes, com el sistema circulatori o el respiratori. Mesurar la taxa basal en organismes és una tasca experimental delicada i treballosa. Conforme es van incrementar les mesures metabòliques en més animals, el model fractal va començar a mostrar més i més discrepàncies. Així, en alguns grups animals com a ocells xicotets o insectes, l'exponent 3/4 no encaixa. I fins i tot en mamífers, per als quals es va concebre la llei de Kleiber, les dades mostren una divergència notable respecte de la llei teòrica.

Ara els autors d'un article recentment publicat a Scientific Reports, Fernando J. Ballesteros i Vicent J. Martínez (Observatori Astronòmic de la Universitat de València-Parc Científic), Bartolo Luque (E.T.S.I. Aeronàutics, de la Universidad Politécnica de Madrid), Lucas Lacasa (School of Mathematical Sciences, Queen Mary University of London), Enric Valor (Dep. Termodinàmica de la Universitat de València) i Andrés Moya (Institut de Biologia Integrativa i de Sistemes-UV/CSIC, al Parc Científic), han trobat la peça que completa el puzle, a partir d'un model teòric de l'Astrofísica. "Durant l'escriptura del llibre 'Fractals i caos', en el qual parlem sobre la llei de Kleiber, vam caure en el compte que el model fractal de West i col·laboradors no encaixava. L'explicació tèrmica semblava més natural, però calia tenir en compte la part energètica que no es dissipa com a calor", comenta Fernando Ballesteros. "Vicent i jo vam introduir açò en el model tèrmic i vam veure que les dades encaixaven perfectament amb la nostra teoria. Andrés es va adonar de seguida que el nostre model era un trade off, un intercanvi evolutiu, i junts ho perfeccionàrem. Enric va donar solidesa al model tèrmic després del trade off, i Bartolo i Lucas van estendre el treball a altres éssers vius a més dels mamífers, confirmant el seu poder predictiu", conclou.

Els científics proposen com a solució un compromís entre la dissipació calòrica passiva i la despesa energètica mínima de manteniment cel·lular. No tota l'energia que consumeix un organisme es transforma en calor, part és utilitzada per a la divisió cel·lular, per a sintetitzar proteïnes..., és a dir, per a fer funcionar i mantenir l'organisme. Si tota l'energia consumida es transformés en calor, en efecte el consum respondria a un exponent 2/3, però llavors no parlaríem d'un organisme sinó d'una estufa. D'altra banda, si tota l'energia es consumira eficientment, el consum seria directament proporcional al nombre de cèl·lules, és a dir a la massa M, però part es perd inevitablement com a calor. Els organismes reals mantenen un compromís entre aquests dos extrems. La suma ponderada d'ambdues components, una proporcional a la massa M i una altra a M2/3; és a dir, B = aM + bM2/3, explica la curvatura en el metabolisme basal de les dades de mamífers i les diferents relacions oposades en grups animals diferents, però també les diferències metabòliques entre animals desèrtics i polars, o fins i tot el metabolisme de les plantes.

On the thermodynamic origin of metabolic scaling. Fernando J. Ballesteros, Vicent J. Martínez, Bartolo Luque, Lucas Lacasa, Enric Valor & Andrés Moya

Scientific Reports, 17-30960 (2018)

https://www.nature.com/articles/s41598-018-19853-6