Una Teoría de Todo en ecología

Las palabras de Tom Stoppard ponen de manifiesto, con cierta dosis de teatralidad, la emoción que embarga a los investigadores que se ven envueltos en una revolución científica, cuando las nuevas evidencias van poniendo patas arriba todo el conocimiento acumulado hasta entonces, al tiempo que emerge una visión radicalmente distinta de la anterior. Algo de eso fue lo que ocurrió a principios del siglo XX con la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica, o algunas décadas más tarde con la ciencia del caos. Son los cambios de paradigma que con tanta lucidez describió hace ya algún tiempo el filósofo de la ciencia Thomas S. Kuhn (1922-1996) en su célebre obra La estructura de las revoluciones científicas.

En los últimos años el mundo de la ecología parece conmocionado por uno de esos terremotos de consecuencias impredecibles. “Nunca me he sentido tan excitado en toda mi vida –declaraba recientemente el ecólogo Stephen Hubbell, de la Universidad de Georgia–. La ecología está ahora como la mecánica cuántica en los años treinta. Nos encontramos inmersos en el mayor proceso de reestructuración y síntesis.” De la misma opinión es James F. Gillooly, de la Universidad de Nuevo México en Alburquerque, cuando exclama: “Estamos haciendo avances en una amplia gama de cuestiones casi semanalmente. Estamos teniendo una terrible cantidad de diversión.” Por su parte, el también ecólogo David Robinson, de la Universidad de Aberdeen, apunta: “Si la teoría es correcta, es una de las más importantes en biología desde hace mucho tiempo. Podría proporcionar una base funcional común para toda la biodiversidad.”
¿A qué obedecen tan inusuales arrebatos entre individuos por lo común bastante comedidos? Los responsables de este despliegue de entusiasmo son los ecólogos Brian Enquist, de la Universidad de Arizona en Tucson, y James Brown, de la Universidad de Nuevo México en Alburquerque, junto con el físico Geoffrey West, de Los Álamos National Laboratory, también en Nuevo México. Juntos acaban de desarrollar una nueva teoría que no sólo da respuesta a un antiguo enigma biológico, sino que puede suponer la mayor revolución en ecología desde los recientes orígenes de esta ciencia.

El misterio de la cuarta
potencia
Pero empecemos por el principio. A lo largo del siglo XIX, conforme se fueron perfeccionando los instrumentos de medida, los biólogos se dieron cuenta de que muchos aspectos de la biología de los organismos se podían mantener constantes dentro de ciertos parámetros, o al menos que estaban sometidos a patrones muy regulares. Aspectos como los mil millones de veces que late el corazón de cada mamífero durante su vida o la disminución del número de especies al ir del ecuador a los polos. Era evidente que muchas de estas relaciones dependían del tamaño de los organismos, ya fuera su longevidad, mayor al aumentar la masa corporal, o la tasa de reproducción, menor en las especies más grandes. Este tipo de evidencias llevó al fisiólogo Max Kleiber, de la Universidad de California, a medir la tasa metabólica de varios animales en los años treinta del siglo pasado y obtuvo una sencilla relación matemática según la cual dicha tasa metabólica era proporcional a la masa corporal elevada a la potencia 3/4. Es decir, I=i0M3/4 donde I es la tasa metabólica individual, M es la masa e i0 es la constante de proporcionalidad. Se trata de una relación muy general, en la medida en que se cumple desde las bacterias hasta las ballenas azules, a lo largo de más de veinte órdenes de magnitud. Y, sin embargo, había un elemento desconcertante en este resultado. Como quiera que los organismos somos tridimensionales, en principio se podría esperar que las leyes de escala fueran múltiplos de la tercera potencia en lugar de la cuarta. Más exactamente, lo razonable era suponer que la tasa metabólica se pudiese escalar a la potencia 2/3 de la masa corporal, puesto que el calor metabólico generado en el cuerpo tridimensional se disipa a través de la superficie del cuerpo bidimensional. Los hechos, sin embargo, se mostraban tozudos y al medir nuevos parámetros, ya fuese la densidad de población de los árboles o la tasa de crecimiento de las plantas, volvía a emerger la misteriosa potencia de 3/4 de la masa del individuo. ¿Por qué –se preguntaba Kleiber contrariado– el escalamiento se produce a la escala 3/4 en lugar de a la escala 2/3? Habrían de pasar nada menos que sesenta años para tener el primer atisbo de respuesta.

La solución está
en los fractales
A mediados de los noventa, Enquist y Brown buscaban el factor que pudiera explicar la emergencia de la cuarta potencia. Sospechaban que la clave residía en la trama interna de transporte de nutrientes, formada por la red sanguínea en los vertebrados, la red traqueal en los insectos o la red del xilema en las plantas. Poco después tuvieron la feliz idea de asociarse con West, un físico teórico, y el trabajo conjunto de los tres ha permitido alumbrar una teoría revolucionaria.

De acuerdo con estos autores, la evolución ha favorecido la aparición de redes de distribución de recursos que maximizan el área a través de la cual se distribuyen tales recursos y minimizan el tiempo y la energía que requiere el proceso. Además, el tamaño terminal de la red es siempre el mismo, lo que implica que, independientemente del tamaño del individuo, las dimensiones de los capilares se mantienen constantes. Las redes que responden a estos criterios tienen geometría fractal, es decir, que su dimensión no es un número entero, sino fraccionario, y el mismo motivo se puede repetir a distintas escalas de tamaño. Precisamente es en el carácter fractal donde reside la clave del invento, dado que un organismo tridimensional con una red que maximiza la superficie bidimensional para distribuir nutrientes crea una entidad de geometría tetradimensional. En abril de 1997, Enquist, Brown y West demostraron que podían derivar la potencia 3/4 de Kleiber mediante una ley que enlazaba la masa corporal con la tasa metabólica. Esta teoría se conoce hoy en día con el nombre de “metabolismo ecológico”.

Tan notable resultado pronto atrajo la atención de un número creciente de ecólogos que se pronunciaron a favor o en contra de la teoría. Posteriormente se sumó al grupo James F. Gillooly, quien añadió al modelo anterior el efecto de la temperatura. Al fin y al cabo, las reacciones metabólicas son muy dependientes de la temperatura, hasta el punto de que un incremento de 5ºC en la temperatura corporal supone un aumento del 150% en la tasa metabólica. De esta forma concibieron una ecuación que combina el término de masa elevada a la potencia 3/4 con el factor de Boltzmann, que recoge la probabilidad de que dos moléculas choquen entre sí para que reaccionen, la cual aumenta con la temperatura. “Cuando se tiene en cuenta el tamaño y la temperatura –dice Gillooly– las tasas metabólicas de un tiburón, una planta de tomates y un árbol son muy similares.” Con tales correcciones la fórmula anterior toma esta nueva forma: I=i0M3/4e-E/kT donde I es nuevamente la tasa metabólica individual, M la masa, T la temperatura en grados Kelvin y el resto son valores que corresponden a constantes. Esta elegante ecuación no sólo tiene un notable ajuste con los datos experimentales, sino que está sirviendo de punto de partida a todo un nuevo cuerpo de doctrina que aparentemente permite interpretar cualquier tipo de patrón partiendo de supuestos muy simples. ¿Cómo se explica, por ejemplo, el incremento de la biodiversidad cuando se va de los polos al ecuador? Sencillamente porque a mayor tasa metabólica mayor es la tasa de mutación y, como predice la ecuación, la tasa metabólica es más importante en los organismos poiquilotermos (o de “sangre fría”, incapaces de autorregular su calor corporal) que están expuestos a mayores temperaturas ambientales.

Voces discrepantes
Sin embargo, no todo el mundo comparte este optimismo. Un grupo de físicos del Massachusetts Institute of Technology cuestiona la existencia de la ley de 3/4 para masa y tasa metabólica. Peter Dodds y sus colegas han revisado los datos originales de Kleiber y concluyen que el exponente es estadísticamente indistinguible de 2/3, de forma que los datos ajustarían igual de bien al hacer que la tasa metabólica sea proporcional a la masa elevada a una u otra potencia. Brown discrepa de esta opinión: “La tasa metabólica –afirma– no es difícil de medir. Y dondequiera que tengamos un número razonable de medidas, todas ellas se agrupan en torno a 3/4.”
Otros biólogos, por su parte, critican los intentos de generalizar a través de la teoría fractal. Henry Horn, botánico de la Universidad de Princeton en New Jersey, afirma lo siguiente en relación con los enunciados del metabolismo ecológico: “Conforme se conoce con mayor detalle la fisiología involucrada, menos plausibles resultan estas explicaciones.” En opinión de West, sin embargo, es un error pretender que la teoría dé cuenta de las diferencias entre cada animal o planta individual, puesto que se ha desarrollado para describir leyes que sean ciertas para un organismo promedio. En un punto intermedio entre ambas posturas se sitúa el botánico Karl Niklas, de la Universidad de Cornell en Ithaca (Nueva York): “He pasado de ser un ateo a un agnóstico –asegura–. Si la teoría funciona tiene el potencial de explicar virtualmente todo lo relacionado con el tamaño de los organismos.”
Ajeno a las críticas, el grupo de Brown sigue explorando la senda que desbrozaron hace unos años. Su próximo reto consiste en estudiar organismos coloniales o sociales desde la óptica de la ecología metabólica, de tal forma que la unidad terminal está formada por hormigas o personas en lugar de por capilares. De esta forma confían en examinar los problemas ambientales desde una nueva óptica. Al mismo tiempo, científicos de diversos campos se afanan en aplicar la teoría en todas direcciones, como el grupo italo-norteamericano que ha determinado que el crecimiento de tumores cancerígenos puede ser descrito por la fórmula anterior. Como dice Brown: “Somos conscientes de haber descubierto la punta de un iceberg, pero no de cuán grande es, ni a dónde nos puede conducir.”
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