El tamaño de un organismo pone muchas limitaciones en su forma, su fisiología y también en el comportamiento. Una rata puede caer desde una cierta altura y no le pasa nada, pero un animal mayor ciertamente va a tener un traumatismo.

Si nos achicáramos hasta el tamaño de una laucha o menos, tendríamos mucho temor de caernos al agua. Pero del tamaño que somos, si nos salimos de una piscina, sólo una fina capa de agua cubriría nuestra superficie, lo que no tiene significancia para el peso de nuestro cuerpo. Pero no así una mosca, que quedaría con agua adherida a su superficie en cantidad mayor que el mismo peso de su cuerpo.

El tamaño también tiene implicaciones en la forma en que un organismo obtiene su energía y como crece. Todos los organismos necesitan nutrientes y gases, lo mismo que necesitan eliminar sub productos y coordinar su propia actividad. Un pequeño organismo unicelular puede captar el oxígeno por simple difusión desde el agua que lo rodea e incorporarlos a su interior. No necesita de estructuras respiratorias.

Para un organismo más grande, la simple difusión no es suficiente. Los peces por ejemplo, para captar oxígeno, han tenido que aumentar su superficie de absorción desarrollando filamentos en sus agallas. Los pulmones de los reptiles, los pájaros y los mamíferos son como verdaderas esponjas, ofreciendo una enorme superficie a través de los cuales pueden difundir los gases. La mayor parte de los animales complejos han desarrollado sistemas circulatorios, que entre otras cosas los utilizan para captar oxigeno a través de la superficie respiratoria y llevarla a su tejidos y para expulsar de ellos el CO₂ en la dirección opuesta.

Todos estos ejemplos son consecuencias biológicas de las relaciones geométricas entre la altura, su área de superficie y el volumen.

Consideremos un cubo de madera de un centímetro de altura. Este va a tener un área de superficie de 6 cm² y un volumen de 1 cm³. Al juntar 27 de estos cubos, se va a lograr uno más grande, con una altura de 3 cm, una superficie de 54 cm² y un volumen de 27 cm³. Es decir, el aumento de su altura en tres veces aumenta su superficie en nueve veces, mientras que el volumen y masa aumenta 27 veces. En el caso del cubo de madera pequeño, va a estar rodeado por una superficie de 6 cm² y va a tener una relación de volumen a superficie de 1:6. En el caso del cubo grande, cada cubo de 1 centímetro de madera, tiene un promedio de sólo 2 cm² de superficie expuesta y una relación de volumen a superficie de 1:2. Es decir, los cubos más pequeños tienen una mayor superficie relativa. Lo mismo es cierto para cualquier objeto de la misma forma, pero de diferente tamaño.

Inevitablemente, los organismos pequeños tienden a tener una mayor superficie para su volumen, si se comparan con los organismos de mayor tamaño. Esto es muy importante, ya que muchos procesos dependen del área de superficie del cuerpo, mientras otros procesos dependen del volumen del cuerpo. Si volvemos a nuestro ejemplo, podemos entender coma estas relaciones aperan. Para una laucha que se caiga, la resistencia del aire es proporcional a su área de superficie, que es relativamente grande para su masa. Es así como en el animal pequeño, la resistencia del aire disminuye la velocidad de la caída y muchas veces los saltos que da llegan a ser parte normal de su sistema de locomoción a escape.

En el caso de un animal gigante, la fuerza de los huesos de sus piernas es proporcional a su área de sección.

Supongamos que nuestro gigante tenga una altura tres veces superior a la del humano. El área de sección de sus huesos de las piernas, va a ser nueve veces la nuestra, pero aquí se enfrenta un problema, ya que la masa del gigante va a ser 27 veces mayor que la nuestra. La moraleja de esta historia es que los grandes animales terrestres necesariamente tienen que tener huesos más gruesos, como es el caso del elefante en relación con la laucha.

Muchas de las diferentes vías de la evolución de las especies animales, estuvieron limitadas par su tamaño. Así por ejemplo, los grandes dinosaurios estuvieron en el límite en su tamaño, ya que como cuadrúpedos no era posible su locomoción sobre la Tierra. En la misma forma, el poder volar se hace muy dificultoso para los animales que sobrepasen un peso de 12 kilos. Por este mismo argumento, se piensa que los gigantescos dinosaurios voladores, no podían agitar sus alas para mantenerse y sólo podían deslizarse como planeadores aprovechando las corrientes de aire caliente. Por eso se piensa que es muy probable que durante el período Cretaceous, la atmósfera de la Tierra fuera más densa, lo que podría explicar que pudieran volar esas criaturas cuyas alas extendidas median 12 metros (Quetzaloatlus).

Claro que el agua es aún más densa (alrededor de los organismos), y en teoría para los animales acuáticos no habría un limite gravitacional. Sí tendría que adaptarse para su desplazamiento en el agua, para lo cual deben ajustar los movimientos de su cola para poderse desplazar eficientemente. Mientras más pequeño es el pez, más rápido tiene que moverse su cola. Lo mismo debe aplicarse para un pez mecánico robótico, como los que han fabricado para filmar las películas. La energía que necesitan las células es producida por organelos especializados en el interior de cada célula y que se llaman mitocondrias (por ello se las llama ""las centrales eléctricas de la célula""). La velocidad de contracción de las fibras musculares está asociada con el número de mitocondrias que posee la célula muscular. Es así como las células musculares de la cola de un pez pequeño tiene más mitocondrias que las células musculares de la cola de un gran pez, lo que sugiere que aquí hay también una adaptación impuesta por el tamaño total del pez.

Una consecuencia curiosa de estos simples principios, es que los animales construidos bajo el mismo diseño, independientes de su tamaño, pueden saltar a la misma altura máxima. Esto porque el poder de los músculos es proporcional a la masa de cada uno, permitiendo, en teoría, que el salto máximo de un elefante desplace su centro de gravedad a la misma altura que se logra con el salto de una laucha (fig. 1). En general los animales más pequeños pueden saltar varias veces su propia altura, mientras que los animales mayores pueden saltar sólo una fracción de su altura. A este respecto, el ser humano está en la mitad de la escala. Los mejores saltadores de altura, pueden elevar su centro de gravedad 1 metro, elevándose hasta 2.4 metros.

El tamaño máximo de un insecto parece estar limitado por su tipo de respiración, que se basa en la difusión del oxígeno dentro de los finos túbulos de la traquea que entra a su cuerpo a través de agujeros externos (spiracles). Cuando la distancia del túbulo que debe recorrer el oxígeno excede poco más de medio centímetro, la entrada de oxígeno al tejido ya se dificulta. Por esto los insectos tienen que ser más delgados que 1 .5 centímetros en cualquier parte de su cuerpo, lo cual en definitiva limita su tamaño.


El frío y el calor: elementos vitales

Los animales vertebrados han solucionado este problema desarrollando una compleja superficie de agallas o pulmones, junto a un sofisticado transporte sanguíneo. Así por ejemplo, el pulmón humano tiene 350 millones de pequeños bolsillos o alvéolos, lo que en total significa un área de absorción de 90 metros cuadrados (una mitad de cancha de tenis). Es a través de esta superficie que pasa el oxígeno a la sangre, donde se une a la hemoglobina, desplazando el C0₂, con la que cambia el color de la hemoglobina de azul a roja. Esta tiene que ser bombeada alrededor del organismo para mantener su actividad normal, a un ritmo tal que es determinado por el tamaño, como también por la temperatura del cuerpo.

También necesitan transportarse los nutrientes que necesita el organismo, como además eliminar los productos de deshecho. De nuevo, para un organismo unicelular, basta la simple difusión, pero en los animales mayores necesitan desarrollar también un sistema de absorción y excreción. En los mamíferos, el intestino delgado ha sido diseñado de modo tal, que sea posible una rápida absorción de nutrientes. Su superficie interna tiene una serie de vellosidades, con 10 que logra aumentar en tres veces el área de superficie. A su vez, estas vellosidades tienen otras pequeñas hendiduras o criptas, llamadas microvellosidades que protruyen 1 milímetro dentro del lumen intestinal, con lo que aumenta la superficie efectiva en 10 veces más. A su vez las células de estas microvellosidades tienen un ribete estriado, cada una de un micrón de longitud y 0.1 micrón de diámetro, con lo cual aumenta de nuevo la superficie en 20 veces más. Tomando en cuenta toda esta arquitectura, la superficie total disponible para la absorción de alimentos en un hombre adulto, alcanza a la enorme cantidad de 250 metros cuadrados.

El ritmo que las sustancias químicas y los gases pueden difundir hacia el citoplasma de una célula, limitan el tamaño máximo de la misma, que expresado en términos de una esfera, no puede sobrepasar los 50 micrones de diámetro. Como una excepción, las células nerviosas, pueden llegar a medir hasta medio metro, pero tienen que ser muy delgadas, con lo que aumentan también la superficie (axones). Hay algunos organismos unicelulares gigantes, coma la ""acetabularia marina"", que puede crecer hasta una dimensión de 1 centímetro, pero para ella ha tenido que adaptarse a una estructura externa irregular que le permite incrementar su superficie. Si un organismo es más grande, necesariamente debe ser multicelular. Al agruparse las células, permite a ellas especializarse en funciones específicas y llegar a constituir así "órganos".

La evolución hacia la vida multicelular y la especialización de ellas en órganos, ha debido ocurrir porque muchas de las reacciones bioquímicas necesarias, son más eficientes cuando se realizan en condiciones especializadas. Así por ejemplo, los procesos de digestión de los alimentos, en muchos animales, son más efectivos en un ambiente ácido, pero este sería muy perjudicial, por ejemplo para las células nerviosas o los huesos. Los organismos unicelulares, tienen que hacer lo que puedan para separar los procesos de digestión, locomoción y reproducción, dentro de una sola célula. Pero los animales más grandes ya necesariamente han tenido que separar estas reacciones bioquímicas ubicándolas en sitios diferentes, como una forma de mejorar la eficiencia en el uso de la energía y los nutrientes.

Pero en los grandes animales, cuando estas diversas funciones llegan a separarse en órganos diferentes, se hace indispensable que estos tengan una adecuada comunicación entre sí, para que el todo constituya un organismo coordinado. Los dos métodos principales de comunicación interna usados por los animales son las hormonas (sistema endocrino) y el sistema nervioso. Las hormonas circulan en la sangre y en general alcanzan a todo el organismo. En los mamíferos los impulsos nerviosos pueden viajar a una velocidad de 100 metros por segundo.

Las reacciones químicas que tienen lugar en los organismos animales, generalmente generan calor. Pero al mismo tiempo, la velocidad en que ocurren esas reacciones químicas se afecta con la temperatura, de modo que un aumento de 1°C de ellas incrementan la velocidad de reacción en un 14%. Por otra parte, una caída de la temperatura, disminuye la velocidad de las mismas reacciones.

La mayor parte de la química del carbón, de la cual depende la vida, alcanza su máxima eficiencia alrededor de 38°C. A temperaturas más bajas, las reacciones se desarrollan más lentamente y por lo tanto son menos eficientes. En estas condiciones, la mayor parte de la energía que se libera, tiende a gastarse como calor. A temperaturas más altas, muchas de las enzimas comienzan a desintegrarse. Para que las reacciones ocurran, algunos animales han tenido que adaptarse a temperaturas inusuales. Pero, como consecuencia, ellos no son los más eficientes en el uso de la energía. Algunos ejemplos de estos animales lo constituye el krill, que está en los mares Antárticos, que han adaptado sus enzimas a temperaturas del hielo, o bacterias que se han adaptado a vivir en el agua hirviendo que nace de las surgencias del fondo del mar, y para ello han tenido que desarrollar enzimas que soporten estas temperaturas.

Pero aquellos animales que se esfuerzan en mantener su temperatura interna a 38°C, han tenido que desarrollar sistemas de control de su temperatura. Para ello han elaborado una fisiología y bioquímica destinada a mejorar la eficiencia del uso de su energía, con lo cual hacen posible la velocidad de su proceso metabólico, generando calor. Para ella han tenido que cambiar la forma de su cuerpo y su comportamiento, de modo que les sea posible controlar su temperatura.

En los grandes animales, su movilidad llega a ser muy significativa en la regulación de su temperatura. Los pequeños por ejemplo, como la pequeña ameba, tiene que buscar un ambiente de temperatura adecuada. La lagartija, busca el sol de la mañana, y una sombra de las rocas que están más calientes para la noche. Algunos científicos creen que los dinosaurios utilizaron esta técnica con velas. Las evidencias sugieren que las velas de los dinosaurios, como el Dimetrodon, eran muy ricas en vases sanguiíneos y eran usadas para calentar la sangre del animal, levantándolas durante el crepúsculo, cuando los rayos solares estaban cercanos al horizonte. Al medio día, cuando el sol estaba sobre su cabeza, las exponían a la brisa.

A su vez el tamaño tenía un rol muy especial en la velocidad del uso de la energía por el animal, por mecanismos que todavía son poco claros, a pesar de los muchos estudios.

Los primeros trabajos metabólicos estuvieron enfocados hacia los mamíferos y se encontró que en animales en reposo, la cantidad de oxígeno consumido, o el calor generado, se relacionaba con la masa del animal. Pero en los animales mayores que usan más energía, estos valores no fueron simples múltiplos de la masa corporal. Por ejemplo, un hombre promedio pesa lo mismo que 5.000 lauchas. Pero el consumo de oxígeno de 5.000 lauchas en reposo es 17 veces superior que el del hombre en reposo.

Se cambio el concepto a lo que se llamó "Metabolismo Basal", comprobando que el "turnover" de la energía del animal en reposo era proporcional a los 3/4 de la masa corporal. Por cada cuadruplicación de la masa se produce sólo un incremento de tres veces del consumo de oxígeno. Al principio, cuando sólo habían sido testeados unos pocos animales, los biólogos llegaron a concluir que el Metabolismo Basal debía estar determinado por el ritmo de pérdida de calor a través del área de superficie del cuerpo, que de acuerdo al ejemplo del cubo de madera, debería variar entre 2/3 del poder de la masa, acercándose a los 3/4 de error experimental. Pero cuando más adelante se fueron acumulando mayores datos, el exponente permanecía porfiadamente en 3/4. Luego se observó también que el ritmo de la respiración y el ritmo cardiaco, estaban atados a la misma relación.

Más difícil aún de explicar por los principios de la pérdida de calor, fue el descubrimiento de un exponente similar entre los animales multicelulares ""poikilotérmicos"", como los peces, los anfibios y los reptiles (poikilotérmicos es un término usado para los animales que popularmente se conocen como de sangre fría), lo que significa que viven a varias temperatura. En cambio los animales Homoiotérmicos, como los pájaros y los mamíferos, mantienen una temperatura relativamente fija).

Entre los animales unicelulares, hay una relación similar entre el Metabolismo Basal y la masa. Sin embargo, cuando se toma la influencia del tamaño en cada unos de estos tres ""grupos metabólicos"", resulta que los animales unicelulares tienen el más bajo Metabolismo Basal, seguidos por los poikilotérmicos, siendo los más altos los mamíferos y los pájaros. En los estudios de cada uno de estos tres grupos, se ha podido comprobar que el tamaño del organismo permite una sorprendente predicción del Metabolismo Basal (fig. 3), tanto entre especies, como entre los jóvenes y los viejos de la misma especie. Finalmente, cada gramo del cuerpo de un animal joven tiene un ritmo metabólico mayor que el gramo de un animal más viejo de la misma especie.

Determinando en humanos la captación de oxígeno y la producción de calor, se ha podido saber que el Metabolismo Basal de un humano de 75 kilos es de alrededor de 340 kilojoules por hora (k.J/h). Esto da un ritmo por kilo de masa corporal de 4.5k.J/h. Comparando este valor con el de un lactante de tres kilos, que tiene un ritmo metabólico de 29 k.J/h, este último tendría un ritmo metabólico por kilo de 9.6 k.J/h.

El Metabolismo Basal puede variar algo de día a día. Los pocos estudios que se han realizado, sugieren que el promedio del ritmo metabólico de los animales activos, es dos a tres veces superior al metabolismo en condiciones basales. Durante períodos cortos de máximo ejercicio, el Metabolismo Basal sube hasta 15 veces, según se ha demostrado en hombres levantadores de peso.

Cualquiera que sean las relaciones de los diversos factores involucrados, se relacionan con el ritmo metabólico de 3/4 de poder del tamaño del cuerpo, y es significativo que las cifras no están muy lejanas de la relación de 2/3 de la superficie. Si el ritmo de funcionamiento metabólico es más que 3/4, los animales más grandes que sobrepasaran el óptimo de masa, ciertamente se sobrecalentarían, mientras que los mamíferos pequeños serían más susceptibles al frío de lo que son ahora. Si el ritmo de funcionamiento metabólico fuera más bajo que 2/3, sucedería lo opuesto.


El tamaño en el embrión

En el hombre, el desarrollo del huevo (óvulo), una vez fertilizado, es una buena demostración de la necesidad de sofisticación progresiva, en la medida que un organismo aumenta en tamaño.

Al comenzar como una sola célula en las trompas uterinas, los nutrientes necesarios los intercambia con el líquido que lo rodea. Pero ya al tercer día después de la fertilización, el embrión ya consiste en una masa sólida de 16 células y su área de superficie ya es demasiado pequeña para su volumen. En estas condiciones ya no le es suficiente la simple difusión y debe comenzar a organizarse para lograr un mejor aprovisionamiento de materias primas que necesita para crecer y sobrevivir.

A esta altura, el embrión se anida dentro de las paredes del útero y comienza a desarrollar un sistema de abastecimiento y distribución adecuado. Al final de la segunda semana del desarrollo, el embrión comienza a construir su placenta primitiva. Se trata de un órgano que invade el tejido materno, con el objeto de mejorar el intercambio. Una Semana más tarde, una miniatura de corazón, comienza a hacer circular sangre a través de vasos rudimentarios. Al hacer esto, el feto está efectivamente desarrollando un método de aumento de su área de superficie. El área de superficie efectiva ya no se restringe solamente a la superficie externa de la célula, sino también a la superficie de todos y cada uno de los vasos sanguíneos.

El embrión crece en la seguridad del "saco amniótico", que es una bolsa llena de líquido que contiene al feto, con lo cual limita los efectos que la gravedad ejerce sobre sus delicados huesos y órganos. En los próximos ocho meses continúa desarrollándose la placenta, exponiendo una gran área de superficie de vasos con sangre fetal frente a la sangre materna. En la medida que los órganos y tejidos fetales van creciendo, son invadidos por capilares en que circula la sangre fetal, de modo que se llega a que ninguna célula esté más lejos que 50 micrones de un capilar. Ya cuando llegue ala edad adulta, va a tener 10 mil millones de capilares, con una superficie total de 600 metros cuadrados. Esto significa que cada célula humana llega a tener una área de superficie igual que una célula libre, por ejemplo una ameba.

La mayor complicación que tiene que enfrentar un feto de mamífero es que al nacer pierde la placenta que ha usado tanto para obtener oxígeno y nutrientes como para eliminar los subproductos. Por eso durante su vida en el útero tiene que prepararse para esta segunda etapa de vida externa. Para ello desarrolla los pulmones, para poder lograr el intercambio de gases, y desarrolla también los intestinos para absorber los alimentos, y finalmente desarrolla los riñones para eliminar los deshechos. En el momento de nacer, tiene que además hacer un cambio súbito en la circulación para enviar un mayor flujo de sangre a los pulmones e intestinos.

De nuevo, el aumento de tamaño no afecta a la difusión, pero ya comienza a necesitar un sistema de control y comunicación interna. Esta se inicia a través de la sangre que llega tan cerca a todas las células, y que utiliza no sólo para el transporte de gases y nutrientes, sino también para distribuir mensajes. Estos mensajes vienen en forma de hormonas. Así por ejemplo, cuando el azúcar se eleva, se libera insulina de las células del páncreas, lo que hace que esta reduzca su nivel. En el feto la insulina aparece como una de las hormonas claves que regula el crecimiento y es por eso que el páncreas ya está establecido alrededor de la séptima semana de desarrollo.

Con todo, las hormonas tienen limitaciones. Ellas no pueden llevar los mensajes más rápido que la sangre y no pueden desarrollar acciones exclusivas en órganos específicos, ya que ellas con la sangre son bombeadas a todo el cuerpo. Aquí es donde entra a jugar el sistema nervioso como elemento comunicador que trasmite con velocidad y acuciosidad los mensajes. El desarrollo de este sistema comienza a las pocas semanas de iniciada la concepción.


historia de la vida y ecología energía y evolución

Los animales difieren de las plantas en la forma que usan la energía y como la transportan. Las plantas más complejas, se hacen progresivamente menos móviles. Al mismo tiempo las plantas usan la energía principalmente en producir materias orgánicas. Por el contrario, en los animales más complejos, la mayor parte de la energía se gasta en el trabajo, el calor, y menos en la producción de materia orgánica. Ello incluye el crecimiento y la reproducción. Esta divergencia ha llevado a que plantas y animales sean mutuamente dependientes.

Las plantas más complejas, especialmente las que florecen, descansan en animales para fraccionar la materia orgánica y transportar elementos reproductivos y frutos. Así por ejemplo, las abejas y muchos otros insectos, mientras consumen néctar, transportan el polen entre las flores de las plantas para su fertilización. Los pájaros consumen muchos frutos, transportan las semillas y depositan sus fecas, que a su vez se convierten en fertilizantes.

Los mamíferos y los pájaros, que son relativamente recientes dentro de la historia de la evolución, han seguido un camino muy divergente al del reino vegetal. En proporción al consumo total de energía, los mamíferos y los pájaros tienden a dedicar una menor proporción de su metabolismo al crecimiento físico y una mayor al trabajo y al calor. Con todo, por su mayor metabolismo comparado con los animales poikilotérmicos (asociado a su mayor temperatura promedio del cuerpo), los mamíferos y los pájaros de un determinado tamaño crecen tanto o más rápido que muchos animales poikilotérmicos. De este modo la rata crece mas rápido que la carpa, pero por cada gramo que aumenta en su peso, requiere de más alimento.

Los primates, incluyendo al hombre, independientes de su tamaño, son los mamíferos que crecen más lentamente a pesar de tener un ritmo metabólico propio de mamífero. Los primates dedican una muy baja proporción de su energía para crecimiento físico y en cambio una gran cantidad al trabajo y al calor.

Además, las especies más grandes de los tres mayores grupos metabólicos tienden a tener un tiempo de madurez más prolongado. Esto hace que los animales de mayor tamaño tengan más dificultades para mantener en equilibrio su población, especialmente después de cualquier catástrofe, como podría ser una erupción volcánica, una inundación o un incendio. En general, se supone que la selección natural (el mayor éxito reproductivo de los animales adaptados a su ambiente), en condiciones de exigencia, como escasez de alimentos, sequías u otros, favorece a los animales de menor tamaño. Por otra parte, los de mayor tamaño necesitan para sobrevivir un medio ambiente más estable.

¿Pero exigiendo un medio ambiente más estable a los animales grandes, tienen algunas ventajas?. Pareciera que sí. Desde luego los de mayor tamaño tienen menos riesgos de ser comidos por otros animales y al mejorar la regulación de su temperatura, pueden también vivir en climas fríos o templados. Pero también hay otros factores que están en juego. Los animales mayores tienden a tener un promedio de vida más largo y también cerebros más grandes. Tal vez por ella tienen mejores posibilidades de aprender y recordar comportamientos complejos, ya sea en la búsqueda y aprovisionamiento de alimentos o en el proceso del cuidado de las crías.

Los seres humanos no pueden escapar tampoco a las restricciones biológicas impuestas por su tamaño. Con todo, con la capacidad de fabricar herramientas y usar tecnologías que pasan de una generación a otra, pueden producir sus propios alimentos, como también puede crearse un ambiente más cálido e incluso construir refugios. Todo ello significa ventajas que no poseen otros grandes animales, como los monos que alcanzan una densidad poblacional escasa y tienen que vivir sólo en los bosques tropicales, en un ambiente cálido y donde los aumentos son abundantes.



Pete Moore

Ashtead, Inglaterra.
Artículo traducido del New Scientist 18 de Marzo de l995.