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← Origins of Life: Astrobiology & General Theories for Life - Energy

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Showing Revision 89 created 09/27/2019 by Miriam Delgado.

  1. Hoy voy hablarles
    sobre la energía en la biología.
  2. Por "en biología" me refiero
    a toda la biología,
  3. desde la evolución, la ecología,
    la fisiología hasta la biología celular.
  4. Y la razón por la que quiero hablarles
    de un sector tan amplio de la biología
  5. se debe a que usamos energía
    para cualquier cosa que hacemos
  6. y porque dedicamos mucho tiempo
    y tenemos muchas funciones,
  7. únicamente, para generar
    y obtener la energía.
  8. Por estas razones, hay formas infinitas
  9. a través de las cuales pudiéramos
    hablar sobre energía
  10. y describírselas de incontables maneras,
  11. pero una de las más divertidas para mí
  12. y una de las artes de la ciencia, para mí,
    es determinar cómo esbozar las cajas
  13. que vamos a usar.
  14. Y para hacer eso, casi siempre hay
    que formular una pregunta
  15. o concebir un objetivo que cumplir.
  16. Las dos cosas de las cuales voy hablar
    en esta charla son: una relacionada
  17. con la evolución, ¿cómo pensar
    en la energía en términos evolutivos
  18. y que se necesita para la evolución?
  19. Y la otra está más relacionada
    con la fisiología y la ecología
  20. y que, de hecho, se refiere a cómo obtener
    y cómo generar la energía.
  21. Desde la perspectiva evolutiva,
    lo que más nos interesa
  22. es la "aptitud" que es la cantidad
    de descendencia o individuos
  23. que podemos dejar
    en la próxima generación.
  24. Para que esto suceda,
    primero, tenemos que crecer
  25. y mantenernos para reproducirnos
  26. así que unas de las cajas principales
    para la evolución
  27. son el desarrollo y el crecimiento.
  28. En esta diapositiva muestro
    a una planta que crece desde
  29. el primer estadio hasta el último
    y, para ello, tiene que generar
  30. muchas más células,
    tiene que formar nuevos tipos de células
  31. y nuevos tipos de estructuras,
    lo cual consume muchísima energía
  32. y es un proceso
    que demanda muchísima energía.
  33. Lo mismo pasa
    con los animales y su crecimiento.
  34. Esta es una foto de dos pájaros
    llamando a sus padres
  35. para que los alimenten;
    ellos necesitan muchísimo alimento
  36. para crecer y madurar para reproducirse.
  37. La siguiente caja sobre energía
    a la cual me referiré
  38. es el mantenimiento, el cual es un tipo
    menos obvio y menos visible
  39. porque no se ve cuando las células cambian
    o cuando las estructuras cambian
  40. o cuando se están multiplicando.
    Solo se ve que las cosas siguen estando
  41. allí de la misma forma,
    pero se consume mucha energía
  42. al reemplazar células que mueren
    o proveer a las células con energía
  43. para mantenerse vivas.
  44. Como ejemplo extremo
    tenemos que, si se examinan estas secoyas,
  45. ellas necesitan una enorme cantidad
    de energía para bombear agua,
  46. constantemente, hacia las hojas
    que están en lo más alto
  47. y que esta tiene que recorrer
    una gran distancia.
  48. Estos árboles deben formar estructuras
    para que el agua llegue de forma sostenida
  49. hasta las hojas de arriba,
    de manera que usan mucha energía
  50. para bombearla de forma constante
    hacia lo más alto de los árboles.
  51. Lo mismo pasa para mantener
    todas las estructuras del cuerpo
  52. y aquí también hay
    otros ejemplos extremos.
  53. Si pensamos en un pavo real
    que genera toda una exhibición de plumas,
  54. necesitará mucha energía
    para producirlas y mantenerlas
  55. porque las va a utilizar
    para atraer a la pareja,
  56. las cuales necesita para reproducirse
    porque es importante para la evolución.
  57. Como un breve aparte, antes de llegar
    a la reproducción desde el mantenimiento;
  58. para mí, una de las cosas acerca
    de nosotros como humanos
  59. es que, biológicamente,
    y de forma individual,
  60. consumimos aproximadamente
    la misma cantidad de energía por tiempo
  61. que la que consume una bombilla.
    Pero si añadimos otras cosas:
  62. la cantidad de energía
    que usamos para los carros
  63. o las computadoras o la bombilla
    o calentar nuestros hogares,
  64. en Estados Unidos, cada individuo consume,
    más o menos, la misma cantidad de energía
  65. que consume una ballena Azul.
    De manera que somos grandes consumidores
  66. de energía desde el punto de vista
    de nuestra huella biológica.
  67. La última caja evolutiva de la energía
  68. sobre la cual les hablaré
    es la reproducción
  69. que es donde la evolución
    apunta la mayoría de las veces.
  70. Y que puede ser algo así
    como las naranjas de un árbol
  71. que nos provoca comerlas
    porque son tan bellas y tan sabrosas
  72. y saben bien y al deambular por ahí,
  73. dispersamos las semillas y ayudamos
    a que estos árboles crezcan
  74. en otros lugares
    y a que aumenten en número.
  75. También, un embrión
    que crece dentro de su madre
  76. que consume una enorme cantidad
    de energía en el tiempo
  77. para producir lo necesario
    para la reproducción.
  78. De manera que el crecimiento,
    el mantenimiento y la reproducción,
  79. a los cuales me refiero como cajas
    para la evolución
  80. es donde se necesita energía.
  81. Ahora voy a cambiar de herramientas
    y voy hablar sobre lo que se necesita
  82. para la fisiología y la ecología,
    las cuales tienen que ver más
  83. con cómo obtener y cómo generar la energía
  84. y donde la evolución
    todavía juega un papel importante;
  85. porque se necesitan
    esas cosas para sobrevivir,
  86. pero no es tan explícita
    si se hace de esta forma.
  87. Desde el punto de vista
    de la obtención de la energía,
  88. tenemos a esta impresionante foto
    de un búho persiguiendo a un ratón
  89. para alimentarse y es un ejemplo
    de obtención de recursos alimenticios
  90. a través de lo que llamamos
    la captura activa.
  91. También está el pastoreo
    de las vacas o la emboscada
  92. que usan las serpientes y las arañas
    al esperar que las presas se acerquen.
  93. Las plantas también hacen algo similar,
  94. desde el punto de vista
    de la obtención de la energía,
  95. tienden emboscadas, construyen estructuras
    y esperan a que la presa se acerque.
  96. Como vemos aquí, este árbol tiene
    un vasto sistema de ramificación
  97. y al tener todas las hojas,
    y estar presentes en todas las ramas,
  98. las usa para captar la luz del ambiente.
    Capta la mayor cantidad de luz posible
  99. con esta pequeña área de su copa.
  100. Ese tipo de sistema de ramificación
    se refleja dentro del suelo
  101. como sistema radical que es
    para obtener el agua, los nutrientes
  102. del suelo y se extiende para tomar
    la mayor cantidad posible de recursos.
  103. Una vez que se obtienen los recursos,
  104. estos deben procesarse
    para obtener energía
  105. y, en los animales,
    el primer paso para obtenerla
  106. es el sistema digestivo,
  107. lo cual incluye pasar
    por al estómago y cosas así,
  108. pero la parte que quiero destacar
    es que, en nuestros intestinos,
  109. existen esos sistemas microbianos
  110. que ahora muchos los llaman el microbioma
    o el microbioma intestinal
  111. y que están para procesar energía.
    Es nuestro propio micromundo,
  112. un ecosistema dentro de nuestro cuerpo.
  113. Fundamentalmente, de acuerdo
    a cómo procesan la energía
  114. y de acuerdo a las necesidades
    de energía, se verá afectado
  115. el tipo de bacterias y la diversidad
    de bacterias presentes.
  116. y cuando este no funciona,
    nuestro sistema digestivo se ve afectado.
  117. Después de procesar la energía
    y obtenerla de una forma más utilizable
  118. para ser asimilada, todavía hay
    que llevarla al resto de nuestros cuerpos:
  119. a la punta de los dedos,
    a la de los de los pies o a nuestra cabeza
  120. a través de un sistema
    de ramificación interno, muy parecido
  121. al sistema de ramificación externo
    de los árboles y el sistema radical
  122. dentro del suelo;
    que es el sistema cardiovascular
  123. con el corazón que bombea sangre
    hacia nuestras extremidades,
  124. hacia nuestra cabeza.
    Y existe una escala más fina,
  125. los capilares, o un lecho capilar,
  126. que es donde ocurre la transferencia
    de oxígeno y nutrientes.
  127. Una vez distribuida
    la energía a cada célula
  128. que necesita seguir produciendo
    energía y vivir,
  129. la principal forma
    de generación de energía,
  130. por lo menos en animales,
    es a través de la mitocondria.
  131. Cada mitocondria es como un motor
    que toma el oxígeno y genera energía.
  132. La mitocondria es en realidad
    una bacteria primitiva
  133. que tenemos los humanos.
    Desde hace mucho tiempo,
  134. fue incorporada a la célula
    para generar energía;
  135. de modo que es una forma muy primitiva
    de generar energía
  136. y de aquí surge la pregunta
    de si es realmente primitiva
  137. porque en realidad
    es muy competente y muy eficiente.
  138. Yo diría que sí
    porque si su uso es generalizado,
  139. se diría que debe ser muy bueno
    o, de alguna manera,
  140. se reinventaría la rueda.
  141. Pero lo que es interesante es
    que si se compara
  142. con algo como los paneles solares
  143. y comparan las gramíneas y los árboles
    que están en el fondo
  144. con los paneles solares
    que están en primer plano,
  145. las gramíneas y los árboles hacen
    la fotosíntesis para generar energía,
  146. la cual tiene una eficacia de un 3 %
    y los paneles solares alrededor de un 30 %
  147. de eficacia, 10 veces mejor
    y me causó una especie de impacto
  148. la primera vez que supe
    que podían desempeñarse mucho mejor.
  149. Tal vez, esto sugiere que la naturaleza
    puede evolucionar y desempeñarse mejor.
  150. Pero lo que tenemos que entender aquí
    es que los paneles solares
  151. utilizan muchos elementos
    que no son de fácil acceso
  152. para los organismos biológicos.
    Se usa el dinero para buscar información
  153. o para construirlo de la forma correcta.
  154. De manera
    que, cuando hablamos de ser eficiente
  155. o de evolución, siempre es
    bajo condiciones restrictivas.
  156. Yo argüiría que la naturaleza se maneja
    muy bien bajo restricciones,
  157. nosotros tenemos al alcance
    cosas que ella no ha podido obtener.
  158. Al examinar esta pregunta sobre eficiencia
    desde una perspectiva distinta,
  159. y recordemos, otra vez,
    a las redes tanto para árboles
  160. como para el sistema cardiovascular
    dentro de nuestros cuerpos,
  161. vemos que hay múltiples formas
    de crear estas redes.
  162. Estas redes tienen que abarcar espacio
    para llevar la sangre o el agua
  163. a cualquier lugar donde
    se necesite, pero es necesario
  164. que lo haga eficientemente porque si no,
    gastaremos muchísima energía
  165. solo para bombear sangre por ahí,
    perdiendo energía llevando fluido por ahí.
  166. Si piensan en todas las formas
    en las que se pudiera erigir una red,
  167. podemos revisar las teorías y los datos
    para ver cuál es la más óptima
  168. y resulta que la naturaleza ha hecho
    un excelente trabajo, optimizando
  169. las redes para que sean eficientes.
  170. Una consecuencia de esto
  171. es que, si se observan
    las tasas metabólicas
  172. aquí en el eje Y,
    versus la masa en el eje X,
  173. se observa un claro patrón sistemático
  174. donde a mayor tamaño,
    mayor es la energía que se usa,
  175. lo cual no es sorprendente.
  176. Lo que sí es sorprendente
    aquí es que no es lineal.
  177. Pensemos en un elefante,
    que es 10.000 veces más grande
  178. que un ratón, que solo consume alrededor
    de mil veces más energía, lo que significa
  179. que un elefante usa
    10 veces menos energía por célula
  180. que la célula de un ratón.
  181. Viéndolo así, se gana eficiencia
    si se es más grande.
  182. Para estar seguros
    de que están poniendo atención
  183. a los ejes, aquí están
    en escala logarítmica,
  184. de modo que una línea curva
    se convierte en una recta
  185. y sería el exponente
    de una ecuación matemática
  186. el que pasaría a ser la pendiente.
  187. Este patrón no solo se cumple
    para esta enorme cantidad de tamaños
  188. de mamíferos y animales en general,
  189. sino que también se cumple
    para las plantas.
  190. El flujo del xilema es una medida
    de la tasa metabólica en las plantas.
  191. Al graficar este flujo
    versus el tamaño de la planta;
  192. otra vez, se ve una línea recta
    a través de una enorme gama
  193. de tamaños de plantas
    y, otra vez, un exponente
  194. o una pendiente cercana a 3/4; o sea,
    que aparece el mismo patrón otra vez.
  195. Además del tamaño, hay
    otro gran efector, la temperatura,
  196. que, después del tamaño
    del cuerpo, es el otro gran efector
  197. del uso de la energía
    a través de los individuos.
  198. Si observamos estas cantidades,
    vemos que, a mayor temperatura,
  199. pensemos en una rana
    o una tortuga o una planta,
  200. a mayor temperatura,
    más rápido es el consume energía,
  201. lo cual aumenta a tasas exponenciales
    cada vez más rápidas hasta un punto
  202. donde las temperaturas son tan extremas
    que todo comienza a descomponerse
  203. y todo empieza a morirse.
    Pero hasta ese punto o próximo a él,
  204. a mayor temperatura, la energía
    se consume con mayor rapidez.
  205. Y como vimos al principio de esta charla,
  206. todos consumimos energía
    para todo lo que hacemos.
  207. El conocimiento de cómo la masa
    y la temperatura afectan
  208. la tasa metabólica, o la potencia
    que producimos, nos explica todo tipo
  209. de cosas distintas en biología.
    Por ejemplo, si observamos
  210. el ritmo cardíaco de los mamíferos,
  211. y analizarlo en términos
    de elefante versus ratón,
  212. vemos que el ritmo cardiaco de un elefante
    es 10 veces más lento que el de un ratón.
  213. De modo que, cada vez que el corazón
    de un elefante tiene una pulsación,
  214. el de un ratón tendrá 10 veces
    más pulsaciones.
  215. Si examinamos en términos ecológicos
  216. la corrección
    de la temperatura versus el tamaño
  217. e, incluso, lo que produce
    cada individuo en el sistema,
  218. observaremos que hay
    un claro patrón bien ajustado,
  219. el cual se cumple
    para una inmensa variedad de taxones
  220. que incluye: plantas,
    mamíferos, insectos, peces
  221. y cualquiera cosa que podamos imaginar.
  222. Finalmente, tenemos un ejemplo ecológico,
    el cual afecta la cantidad de individuos
  223. o la densidad; es decir, la cantidad
    de individuos que hay en un área
  224. donde a mayor tamaño
    o a mayor temperatura,
  225. mayor será la energía que necesiten
    y menor será la cantidad de individuos
  226. que habrá de forma sistemática
    y este patrón regular se observa
  227. en animales, que son los puntos rojos,
    y en las plantas, que son los verdes.
  228. Lo interesante es que en los animales
    es más baja que en las plantas
  229. y eso se debe a la eficiencia
    de la transformación de la energía,
  230. donde las plantas tienen
    que transformar la luz solar en energía
  231. y, básicamente, todos
    los animales obtienen la energía,
  232. directa o indirectamente, de las plantas;
    por lo tanto, ellos obtienen el 10 %
  233. de la energía de las plantas
    que usan para crecer en número.
  234. Por ello, su cantidad es menor,
    pues la eficiencia baja muchísimo
  235. cuando la energía va de planta a animales.
    Estos fueron los principales temas
  236. que quería clarificar hoy;
    y quiero terminar dándoles
  237. estas referencias.
  238. Hay múltiples formas
    de tratar estos temas.
  239. Hay mucho que leer,
    así que traté de darles las referencias
  240. que engloban mejor estos temas;
    de manera que si están interesados
  241. en alguno, pueden partir de aquí
    para investigar mucho más
  242. y encontrar lo que quieran.