El bajo costo (energético) de ser primate

Muchos mamíferos llevan una vida muy acelerada. Los conejos son un ejemplo típico: maduran sexualmente en más o menos seis meses y se reproducen unas cuatro veces al año. Tras una gestación de un mes, cada camada produce entre cinco y ocho gazapos que pronto empiezan a corretear por todas partes, con una esperanza de vida de siete a ocho años, cuando mucho.

mandril

Mandril. Foto de Steve Wilson (Flickr Creative Commons).

En contraste, la generalidad de los primates llevamos una vida mucho más pausada. Tardamos años en madurar sexualmente, la gestación de nuestros críos dura varios meses y pocas veces producimos más de uno o dos por embarazo. Nuestra esperanza de vida se mide en decenios, y el envejecimiento, por lo común, llega poco a poco. Como dicen en Italia, piano piano va lontano.

Pero eso no es todo. Ahora resulta que, desde el punto de vista del consumo diario de energía, los primates salimos alrededor de 50 % más baratos que otros mamíferos placentados de tamaño equivalente, es decir, gastamos solamente la mitad de las calorías por día. Así lo indica un estudio dado a conocer el pasado 13 de enero en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Los autores consideran que los resultados de su estudio dan sustento a la idea de que la longevidad de los humanos y otros primates, así como nuestro ritmo reproductivo más pausado y nuestro envejecimiento menos rápido, probablemente se expliquen por un metabolismo más lento.

A mitad de precio

El doctor Herman Pontzer, profesor de antropología del Hunters College de Nueva York, y un grupo de investigadores de varias universidades de los Estados Unidos y Europa examinaron 17 especies de primates en zoológicos, en santuarios y en condiciones naturales. Para nuestra especie incluyeron tanto a personas occidentales comunes y corrientes como a una comunidad de cazadores y recolectores, la comunidad africana Hadza. Por medio de una técnica que permite medir con gran precisión la producción diaria de dióxido de carbono, determinaron el número de kilocalorías quemadas por cada primate en un lapso de diez días.

“Los humanos, los chimpancés, los mandriles y otros primates gastamos solamente la mitad de las calorías que serían de esperarse para un mamífero de la misma talla”, explica Pontzer. “Para ponerlo en perspectiva: un ser humano, aun si lleva una vida físicamente muy activa, tendría que correr un maratón diario para acercarse al gasto promedio diario de energía de un mamífero de su tamaño”. Los chimpancés estudiados tendrían que añadir unos 48 kilómetros a sus recorridos diarios —más de diez veces lo que viaja en promedio un chimpancé silvestre por día— para gastar tantas calorías como otros mamíferos de talla equivalente.

Bleskina en Singapur

Sólo los atletas de alto rendimiento en períodos de entrenamiento o competición gastan tantas calorías por día como los mamíferos no primates de talla equivalente. En la foto, Ekaterina Bleskina, de Rusia, celebra su victoria en la carrera femenil de 100 metros con vallas en los Juegos Olímpicos Juveniles de 2010, celebrados en Singapur. Foto oficial obtenida vía Flickr Creative Commons.

¿Qué ocurre en el caso de los atletas de alto rendimiento? “En períodos de entrenamiento y competición intensos, el gasto diario de energía de un atleta es superior al de quien no lo es. Pero aun el extremo gasto energético diario de un atleta humano no es la gran cosa si lo comparamos con el de otros mamíferos”, me respondió Pontzer cuando se lo pregunté por correo electrónico. “Por ejemplo, los atletas de alto rendimiento en entrenamiento gastan entre 4,700 y 6,000 kilocalorías por día. Parece muchísimo, pero una gacela saltarina de 43 kg quema 5,800 kcal por día durante su vida cotidiana normal. Así que, aun en los casos más extremos, los humanos apenas nos acercamos a los niveles normales de gasto energético cotidiano de la generalidad de los mamíferos placentados”, subrayó.

Asimismo, la medición del gasto energético total diario entre poblaciones en cautiverio y las que viven en condiciones naturales no indica que las primeras gasten menos calorías, al menos en las muestras estudiadas. Esto sugiere que la actividad física tiene menos efecto en el consumo energético diario de lo que se creía antes. En vez de bajos niveles de actividad física, la magnitud de la diferencia entre el gasto energético diario de los primates y el de otros mamíferos placentados “sugiere una reducción sistémica en el metabolismo celular”, dice el estudio. La observación abarca a los dos grupos humanos que se estudiaron.

Tamaño económico

Por supuesto, aparte de los primates, hay otros mamíferos placentados de notable longevidad, como los elefantes. Le pregunté a Pontzer qué ocurre en ese caso. “Hay una relación bien conocida entre el gasto energético y el tamaño del cuerpo, la ley de Kleiber”, respondió el investigador. “El gasto energético diario aumenta con la masa 0.75. Dado que el exponente, 0.75, es menor que 1.0, esta relación nos dice que el gasto energético diario por gramo de tejido es menor en animales más grandes. Esta relación entre masa corporal y gasto de energía se ve tanto en primates como en mamíferos no primates, pero en el caso de los primates la relación se ha ido por debajo de la relación que se ve en la generalidad de los mamíferos”.

Elephant

Elefante africano. Foto de Valerie (ucumari) (Flickr Creative Commons).

“Un ritmo más lento de consumo de energía por gramo de masa corporal quiere decir también que cada célula del animal más grande quema menos energía que la célula del animal pequeño”, añadió Pontzer. “Esto es parte de las razones por las que los animales grandes viven más tiempo que los pequeños. De modo semejante, la extrema reducción del gasto energético que se observa entre los primates explica el drástico aumento de la duración de su vida”.

Tal indica el estudio que vengo comentando. “El ritmo al que los organismos crecen, se reproducen y envejecen debe reflejar a fin de cuentas su gasto energético fisiológico; el desarrollo de tejido nuevo (sea propio o de la progenie) y el mantenimiento y reparación del organismo, todo requiere de una inversión metabólica”, se lee en el artículo. “Los ritmos metabólicos marcadamente bajos de los primates explican sus ritmos característicamente lentos de crecimiento, reproducción y envejecimiento”.

Referencia:
Pontzer, H., et al. (2014). Primate energy expenditure and life history. Proceedings of the National Academy of Sciences. http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1316940111

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Física en la cocina

“La cocina es un laboratorio y cocinar es una ciencia experimental”, dice Peter Barham en un ameno artículo publicado en la revista Flavour el pasado enero. “Cuando cocinamos, por lo general seguimos una receta (sea escrita o memorizada); escogemos, cuantificamos y procesamos los ingredientes, y luego servimos la comida a nuestros amigos, parientes o invitados. Un buen cocinero (o científico) registrará en una bitácora exactamente qué hizo, a fin de poder repetir el experimento (la receta) cuando se necesite.”

Barham añade que, mientras comemos, tomamos nota de qué tan bueno quedó el platillo, qué le agrada más a los comensales y qué se puede mejorar. “De hecho, analizamos los resultados del experimento. El buen cocinero científico tomará nota de estas conversaciones y las usará para extraer conclusiones preliminares de cómo mejorar la receta. Tras someterla a prueba unas veces más, podemos empezar a derivar un modelo que explique nuestros resultados y permita entender cómo y por qué con pequeños cambios a la receta se producen platillos de calidades diferentes”.

Cocina Kate Hiscock

La cocina puede ser un laboratorio científico. Foto de Kate Hiscock (Flickr Creative Commons).

Pero Barham no sólo se propone convencernos de que es posible aplicar el método científico en la cocina, sino de que en la cocina se puede aprender física y que investigar la ciencia de la cocina es algo que realmente vale la pena. Honradamente, a mí no se necesita convencerme de que cuanto ocurre en la cocina es objeto digno de estudio científico, si bien yo vengo haciéndolo más bien desde el punto de vista de la química (más específicamente, la bioquímica), mientras que Barham lo aborda desde el punto de vista de la física.

Como dice Barham, una de las operaciones más básicas que se efectúan en la cocina es calentar los alimentos para modificar su textura, color y características químicas. Al seguir una receta, ¿cómo podemos estar seguros de que la temperatura en nuestra cocina es la misma que usó otro cocinero? Sin termómetros de precisión, la única manera es “recurrir a un cambio de fase que ocurra a cierta temperatura fija”, de lo cual el ejemplo más sencillo es el punto de ebullición del agua.

Así, ejemplifica Barham, un procedimiento común es cocinar verduras metiéndolas en agua hirviendo por determinado lapso. Esto nos ofrece la posibilidad de reproducir en cualquier lugar del mundo el mismo paso que han seguido otros cocineros… bueno, hasta cierto punto. “A los niños les enseñamos que el agua hierve a 100 °C, pero sólo mucho después los que pasan a niveles superiores de educación empiezan a aprender que el punto de ebullición del agua no es fijo, sino de hecho bastante variable”, pues depende de factores como la altura respecto al nivel del mar o la presencia de sales en el agua.

De ahí, Barham pasa a las papas hervidas, la cocción de un bistec y la confección de helados, ejemplos que le sirven para ilustrar su planteamiento de que la física puede ayudar a cocinar mejor y, a su vez, la cocina merece la atención de los físicos y los estudiantes de física. A su juicio, “el aspecto más importante de usar la cocina como laboratorio experimental es que ofrece un camino para animar a personas de todas las edades a ocuparse de la ciencia de una manera accesible”. Su propuesta de que al menos parte de las clases de ciencias a nivel de secundaria o bachillerato se den en la cocina de la escuela me parece muy digna de ponerse en práctica.

Referencia: Barham, P. Physics in the kitchen. Flavour 2013, 2:5

In memoriam Lynn Margulis (1938-2011)

Lynn Margulis. Foto: Javier Pedreira (Wikimedia Commons).

Hace un año, el 22 de noviembre de 2011, murió Lynn Margulis. Confieso que no me percaté de su fallecimiento sino varias semanas después, pasados ya los revueltos días del fin de cursos y las fiestas decembrinas. Es una pérdida lamentable, porque Margulis fue uno de los grandes espíritus científicos del último siglo.

Sus contribuciones a la biología están presentes hoy día hasta en los libros de texto escolares; pero no fue fácil que llegaran ahí. Cuando Margulis propuso, a fines de la década de 1960, la revolucionaria idea de que el cloroplasto y la mitocondria —respectivamente, el organelo que le permite a las células vegetales realizar la fotosíntesis y el que le permite a las células animales oxidar moléculas orgánicas— son descendientes de meras bacterias que se incorporaron por simbiosis a otras células primitivas, el rechazo fue casi universal. Quince veces, una revista científica tras otra se negaron a publicar su artículo. Margulis persistió y al fin lo publicó, en 1967, en el Journal of Theoretical Biology (firmado Lynn Sagan, pues la autora estaba casada entonces con el astrónomo Carl Sagan). Margulis luego le dio forma a su hipótesis en un libro hoy famoso: Origin of the Eukariotic Cells (1970). En los años siguientes, montones de estudios vinieron a confirmar la idea. Que las células animales y vegetales se originaron por simbiosis ya no es materia de controversia, constataría al fin la propia Margulis unos treinta años después.

En Acquiring Genomes, Margulis y Sagan citan un llamativo ejemplo de adquisición de recursos genéticos de un organismo por otro: las babosas marinas Elysia chlorotica, animales que adquieren la capacidad de fotosíntesis de las algas Vaucheria litorea que ingieren. Los plastidios de las algas son secuestrados en el epitelio digestivo del molusco, donde siguen fotosintetizando. Pero los cloroplastos sólo contienen ADN para codificar cerca del 10% de las proteínas necesarias para seguir funcionando. En 2008, Mary E. Rumpho y colaboradores resolvieron el misterio cuando probaron que un gen de fotosíntesis oxigénica, psbO, se expresa en el molusco y que su fuente es Vaucheria litorea, pues su secuencia es idéntica en los genomas respectivos del animal y el alga. Más aún, la babosa conserva el gen en sus células sexuales y lo pasa a su descendencia. Foto: PNAS.

Naturalmente, el descubrimiento incidiría en nuestra comprensión de la evolución de las especies biológicas. Ya en 1910, Constantin Mereschkowsky había propuesto un concepto de la evolución biológica que se conoció como teoría simbiogenética. El mecanismo primario de la evolución sería la simbiosis. Margulis se apoyó en esta idea, en sus propios descubrimientos y en los de otros investigadores para producir una renovada teoría de la evolución biológica, que expuso en libros como What is Life (1995), Symbiotic Planet (1998) y Acquiring Genomes (2002), el primero y el último escritos con su hijo Dorion Sagan. Argumenta en ellos —cito sus propias palabras, tomadas de Acquiring Genomes— que “la fuente principal de variación hereditaria no es la mutación aleatoria, sino que la variación importante trasmitida, que conduce a la novedad evolutiva, procede de la adquisición de genomas”.

“Aun cuando las mutaciones aleatorias hayan influido el curso de la evolución, su influencia fue ante todo por medio de pérdida, alteración y refinamiento. Una mutación otorga resistencia a la malaria pero también convierte eritrocitos sanos en los deficientes transportadores de oxígeno de la anemia de células falciformes. Otra mutación convierte a un espléndido recién nacido en un paciente de fibrosis quística o en una víctima de la diabetes juvenil. Una mutación hace que a la mosca de la fruta, ese volátil de ojos rojos, no le salgan las alas. Sin embargo, nunca una mutación ha hecho surgir una ala, un fruto, un tallo leñoso o una garra”, explica.

La evolución tiene una ruta principal muy diferente a la de las mutaciones aleatorias. “Conjuntos enteros de genes, e incluso organismos completos con su propio genoma, son asimilados e incorporados por otros”, sostiene Margulis. “El proceso conocido como simbiogénesis es el camino principal para la adquisición de genomas”.

Lean sus libros. Quizá quieran empezar por What is Life, el primero que yo leí y me fascinó. O empiecen por Symbiotic Planet, lleno de deliciosos detalles autobiográficos. Todos son buena ciencia, bien expuesta; y creo que a estas alturas todos están ya traducidos al español. Les darán mucho que pensar.

Más de endotermia y evolución

En una nota anterior me referí a los trabajos del doctor Arturo Casadevall y otros investigadores sobre las capacidades endotérmicas y homeotérmicas de los mamíferos. Estas capacidades, que representan una importante defensa en contra de un gran número de hongos patógenos, probablemente le dieron a los mamíferos una enorme ventaja para sobrevivir en la transición al Terciario. Hace poco tuve ocasión de dirigirle a Casadevall varias preguntas que él me respondió amablemente.

—Doctor Casadevall, ¿ha considerado usted el caso de las aves? De hecho, la mayoría de las aves presentan temperaturas corporales más altas que las de los mamíferos.

Albatros real del Norte. Foto de XLerate.

—Las aves también son sumamente resistentes a los hongos, probablemente por las mismas razones que los mamíferos. Ello incluye una combinación de endotermia y la capacidad de inmunidad adaptativa.

—¿La endotermia de las aves pudiera tener orígenes semejantes a la de los mamíferos?

—La endotermia de las aves quizá tenga raíces diferentes que la de los mamíferos, pues fue seleccionada por el intenso ritmo metabólico propio del vuelo, en tanto que las presiones de selección originales que condujeron a la endotermia de los mamíferos se desconocen.

—Hay mamíferos que no mantienen siempre una temperatura corporal elevada, digamos, los osos que hibernan varias semanas en invierno, cuando la escasez de alimentos los obliga a bajar su ritmo metabólico. ¿Se vuelven más susceptibles a las micosis en ese lapso?

—Dada la experiencia de los murciélagos que se vuelven susceptibles a los hongos durante la hipotermia de la hibernación, no me sorprendería que lo mismo les ocurriera a los osos y a otros mamíferos que duermen durante el invierno.

—¿Hay indicios de eso?

—Hasta donde yo sé, no hay información sobre estos animales y puede que resulte difícil de conseguir. La única razón por la que se le prestó atención a los murciélagos fue la gran cantidad de defunciones que se observaron en las cuevas. Si algunos osos mueren durante el invierno, no estoy seguro de que alguien perciba alguna pauta.

Le agradezco al doctor Casadevall su tiempo y sus comentarios. Quien se interese en el trabajo de este científico y sus colegas puede visitar su sitio oficial picando este enlace.

Doce años de divulgar la ciencia

Aunque el sistema de numeración decimal es hoy en día el más empleado en todo el mundo, en nuestra cultura sobreviven docenas de vestigios del sistema duodecimal, uno de los varios sistemas de numeración que ha usado la humanidad.

Doce años divulgando la ciencia

No sólo los huevos y las rosas se venden por docenas y el año tiene doce meses, sino que el sistema de medidas que aún predomina en los Estados Unidas y su industria incluye el pie, dividido en doce pulgadas, así como la libra troy (usada en joyería), que se divide en doce onzas.

Una docena de años es pues un buen hito en un esfuerzo continuo, como el que realiza la Universidad Nacional Nacional Autónoma de México a través de su revista mensual ¿Cómo ves?, que este diciembre de 2010 cumple su duodécimo aniversario.

El número 145 de la revista trae entre otras cosas buenas un artículo sobre doce científicos que han hecho historia en México, que les recomiendo, y uno sobre gastronomía molecular, que les recomiendo todavía más.

¡Enhorabuena!

Más sobre parasitismo y manipulación

Como lo mencioné en mi nota anterior sobre este mismo asunto, todavía no se entienden bien los mecanismos de que se valen los parásitos para modificar el comportamiento de sus huéspedes. Puede ser, comentaba, que el parásito secrete sustancias neuroactivas que provoquen cambios en el comportamiento del huésped, o bien que la presencia del parásito influya en la bioquímica del propio huésped o la altere, provocando así la modificación del comportamiento.

No es fácil distinguir entre estas dos posibilidades, expone Robert Paulin en su presentación panorámica que mencioné en mi nota anterior. Aun en los casos en que se han identificado secreciones del parásito que tienen efectos neurológicos, no está lo bastante claro si las sustancias se secretaron con fines de manipulación o con otros propósitos, digamos supresión inmunológica.

Micrografía electrónica de un gusano adulto del género Schistosoma.

Por ejemplo, el tremátodo Schistosoma mansoni (causante de la esquistosomiasis, que afecta a alrededor de 200 millones de personas en todo el mundo) secreta péptidos opioides en el organismo de su huésped, con lo cual afecta las funciones tanto inmunológicas como neurológicas de éste. Los investigadores consideran que la función original de estas secreciones pudo haber sido solamente la supresión inmunológica y no tener nada que ver con la manipulación directa del comportamiento del huésped.

Un buen número de estudios revela que ciertos parásitos alteran directa o indirectamente las concentraciones de hormonas o neurotransmisores del huésped. Por ejemplo, las larvas de muchos gusanos parásitos pueden de alguna manera inducir cambios en las concentraciones o la actividad de la serotonina, la dopamina u otros neurotransmisores en el cerebro de su huésped intermedio. (Recordemos que por huésped intermedio se entiende aquél en el cual el parásito pasa por alguna fase de su desarrollo pero sin alcanzar la madurez sexual; el huésped definitivo es aquél en el que el parásito se reproduce sexualmente.)

Pero en los casos en que se ha encontrado que después de la infección se alteran las concentraciones de sustancias capaces de generar cambios de comportamiento, sea por sí mismas o a través de una cadena de acontecimientos bioquímicos, dichas sustancias, como subraya Paulin, o las pudo haber producido el parásito o bien la presencia de éste pudo haber provocado que las sintetizara el huésped.

Hay muchísimo que investigar. La alteración de las concentraciones de serotonina en un huésped, por ejemplo, es muy probablemente apenas un segmento de una larga cascada bioquímica, una mera pista para tratar de averiguar exactamente cómo inducen los parásitos los cambios de comportamiento de sus huéspedes. Hay que considerar, asimismo, que la modificación del comportamiento del huésped es una estrategia biológica muy extendida en la naturaleza y que reviste muchas modalidades. Se ha observado en hongos, bacterias, protozoos, nematodos, insectos y veinte etcéteras. Los cambios de comportamiento del huésped son de lo más variado, desde pequeños aumentos o disminuciones del tiempo qué éste dedica a una actividad dada hasta conductas suicidas verdaderamente espectaculares.

También hay que considerar que la manipulación del huésped no tiene que ser a fuerza neurológica. Un parásito sencillamente modifica la osmolalidad y la concentración iónica de la hemolinfa de su huésped, con lo que éste se ve compelido a acudir a beber agua más a menudo, que es lo que el parásito necesita para sus propios fines biológicos.

A quienes deseen profundizar en este tema les recomiendo buscar los trabajos de Robert Poulin, Frédéric Thomas, Martin Kavaliers, Douglas Colwell y Elena Choleris, entre otros. Entre los trabajos de Paulin me parecen muy útiles Evolutionary Ecology of Parasites y su ya mencionado artículo panorámico.

Asimismo, la profesora Janice Moore, de la Universidad Estatal de Colorado, escribió hace unos años un ameno y detallado libro, Parasites and the Behavior of Animals, que deja ver cuán extendido es el fenómeno de la manipulación del huésped por parte del parásito.

La imagen que ilustra este artículo es obra de David Williams, de la Illinois State University. Fue cedida al dominio público. La obtuve de Wikimedia Commons.

Qué es un modelo científico

En todas las ramas de la ciencia, incluida desde luego la física, empleamos modelos para representar nuestras ideas de cómo funciona una parte determinada del universo.

Por supuesto, un modelo es solamente una aproximación; ningún modelo, por detallado que sea, puede abarcar la totalidad de un fenómeno. Además, conforme progresa nuestro conocimiento de los fenómenos, también refinamos nuestros modelos. A veces nos vemos obligados a desechar nuestros modelos, cuando nos damos cuenta que no corresponden a toda la evidencia conocida.

La representación puede ser conceptual (por ejemplo, una ecuación) o puede ser material (por ejemplo, una maqueta o un mapa). Hay modelos fijos, como los que acabo de mencionar, y hay otros que intentan representar hasta cierto punto, en forma activa, la dinámica de los fenómenos que representan.

El siguiente enlace te llevará a una presentación de Power Point sobre los modelos en la ciencia, con referencia específica al modelo cinético de la materia.

Modelo científico (haz clic en este ENLACE)

Hydrodynamica cover

Portada de Hydrodynamica, obra de Daniel Bernoulli. (Wikimedia Commons.)

Dependiendo de la configuración de tu navegador, lo podrás abrir directamente o bajar en tu equipo. Una vez que lo abras, para pasar las diapositivas usa las flechitas de tu teclado.

Como verás en la presentación, desde la Antigüedad se han propuesto varios modelos para explicar cómo está constituida la materia.

El matemático suizo Daniel Bernoulli fue el primero en proponer la idea de que los gases están formados de partículas en movimiento incesante y al azar.

Explicó que las moléculas del gas están muy alejadas entre sí por lo que no ejercen fuerzas entre ellas, salvo cuando chocan. Cuando esto ocurre, además, no hay pérdida de energía cinética. Son colisiones elásticas. De ahí nació, a la larga y con algunas fuertes peleas, la teoría cinética de las partículas que se usa actualmente. Pero es mejor que veas la presentación de diapositivas, donde hago una exposición más detallada.

Si después de ver la presentación de diapositivas todavía tienes preguntas, escríbelas como comentario aquí mismo y procuraré responderlas. Si te sirve esta nota, compártela en tus redes; a otros también les puede servir.