La geometría de los seres vivos busca la eficiencia energética

¿Por qué el corazón de un ratón late más o menos el mismo número de veces en toda su vida que el de un elefante, a pesar de que el primero vive un año y el segundo hasta 70? ¿Por qué son tan distintos los árboles de los tigres?

A principio de los años 30 del siglo XX, el biólogo suizo Max Kleiber‎ estableció una ley (la ley de Kleiber) que explicaba en parte la cuestión de por qué el tamaño influencia la forma y funcionamiento de los animales y del resto de seres vivos.

La ley versa sobre la relación entre el ritmo metabólico de los seres vivos y sus masas. Dice que la tasa en que un organismo produce energía para vivir a partir de las calorías consumidas (tasa metabólica) es proporcional a la masa de su cuerpo elevada a la potencia ¾.

Según esta ley, las formas biológicas seguirían por tanto una “pauta” para utilizar la energía de manera eficiente. Dicha pauta explicaría las diferencias entre el “funcionamiento” de los corazones del ratón y el elefante, pero también otras muchas diferencias en las formas y geometrías de las especies animales y vegetales.

El árbol y el tigre

Pero, aunque aceptada durante generaciones, la ley de Kleiber no ha sido nunca completamente comprendida. Para entender por qué, consideremos un árbol y un tigre.

En términos evolutivos, el árbol “solo” tiene que convertir la luz solar en energía, dentro de una estructura más o menos estable. Para hacer esta tarea de la manera más eficiente posible, cuenta con muchas superficies, las de sus hojas; una superficie general que es casi la misma que su volumen; y un flujo de nutrientes por su interior que circula a una velocidad constante, independientemente de su tamaño.

Si se tienen en consideración estas variables, y se calcula la relación entre la masa de las diferentes especies de árboles y sus metabolismos, el cálculo sí se ajusta a la ley de Kleiber.

Sin embargo, en el caso del tigre, la cosa no parece tan sencilla. Para nutrir su masa, este animal necesita combustible. La quema de ese combustible, además de generar la energía necesaria, produce un exceso de calor corporal, del que el tigre debe deshacerse para no quemarse. ¿Cómo encaja esta circunstancia en dicha ley?

Una nueva variable: la velocidad

Científicos de la Universidad de Maryland (EEUU) y la Universidad de Padua (en Italia) han descubierto un factor que parece completar y explicar completamente la ley de Klieber para este caso.

Se trata de una variable crucial que hasta ahora había sido pasada por alto, según explican los propios investigadores en un comunicado de la Universidad de Maryland: la velocidad a la cual los nutrientes son transportados por todo el cuerpo de los animales, calentándolo.

Los científicos calcularon la velocidad a la que el corazón de los animales bombea sangre y descubrieron que la velocidad del flujo sanguíneo es igual a la masa de los animales elevada a la duodécima potencia.

“Los animales necesitan ajustar el flujo de nutrientes y calor a medida que sus masas cambian, para mantener la mayor eficiencia energética posible”, señalan. “Por eso, los animales necesitan una bomba –el corazón- y los árboles no”.

Añadiendo esta información a la ecuación, los investigadores descubrieron que habían logrado una explicación completa de la ley de Kleiber: “Una respuesta elegante es a veces la correcta. Esta respuesta es elegante porque usa argumentos geométricos muy simples”, afirma el físico Amos Maritan, también de la Universidad de Padua.

“No hace referencia a ninguna estructura especializada. Presenta muy pocas condiciones previas. Se tienen dos linajes, plantas y animales, que son muy diferentes y han llegado a la misma conclusión. Es lo que se denomina evolución convergente, y el resultado sorprendente es que esto ha sido propiciado por física y matemáticas subyacentes”.

Otro de los autores del estudio, el botánico de la Universidad de Maryland, Todd Cooke, explica que de esta forma: “Las geometrías de plantas y animales han evolucionado más o menos en paralelo. Los seres vivos primigenios tenían cuerpos simples y bastante distintos, pero la selección natural ha actuado en los dos grupos de tal manera que las formas de árboles y animales modernos cuenten, sorprendentemente, con una eficiencia energética equivalente”.