Μια επιστημονική ομάδα ερευνητών του Universitat de València, του Universidad Politécnica de Madridy και του Πανεπιστημίου της Queen Mary του Λονδίνου προσέφερε νέα στοιχεία για ένα παζλ που έχει μπερδέψει τους βιολόγους για πάνω από έναν αιώνα: πως ο βασικός μεταβολισμός των οργανισμών ποικίλλει ανάλογα με τον μάζα.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Scientific Reports.
Ο βασικός μεταβολισμός είναι η ενέργεια που ένας οργανισμός καταναλώνει για να μείνει ζωντανός. Μετριέται από τη θερμότητα που εκπέμπει ένα σώμα – η θερμότητα θεωρείται πως είναι μια χαμένη ενέργεια διότι διοχετεύεται στο περιβάλλον.
Ένας ενήλικας άνθρωπος σε απόλυτη ανάπαυση και σε θερμοκρασία δωματίου 20 βαθμών Κελσίου καταναλώνει περίπου μία θερμίδα ανά κιλό την ώρα. Ωστόσο, ένας ελέφαντας καίει μισή θερμίδα ανά κιλό μάζας στο ίδιο χρονικό διάστημα. Και ένα ποντίκι καίει την εκπληκτική ποσότητα των 70 θερμίδων ανά κιλό. Ποια είναι η αιτία αυτής της διαφοράς;
Από τους πρώτους επιστήμονες που συνειδητοποίησαν αυτό το φαινόμενο ήταν ο Γερμανός φυσιολόγος Max Rubner, που μελέτησε το βασικό μεταβολισμό σκύλων διαφορετικού μεγέθους το 1883. Ο Rubner θεώρησε ότι αυτό που προκαλεί το φαινόμενο ήταν η θερμότητα που χάνεται μέσω του δέρματος. Η επιφάνεια του δέρματος ποικίλλει ανάλογα με το μέγεθος του ζώου.
Ωστόσο, το 1932, οι μετρήσεις που πραγματοποίησε ο ελβετικός βιολόγος Max Kleiber για θηλαστικά μεγαλύτερης μάζας, συμπεριλαμβανομένων των βοοειδών και των αρουραίων, έδειξαν ότι ο μεταβολισμός ήταν ανάλογος με τη μάζα του ζώου υψωμένη στη δύναμη 3/4, ένας αριθμός που σήμερα γνωρίζουμε ως νόμο του Kleiber.
Αν ο βασικός μεταβολισμός συμβολιστεί με B και η μάζα με Μ, τότε ο νόμο του Kleiber είναι: B = βM3/4, όπου το β είναι μια σταθερά. Σύμφωνα με το νόμο του Kleiber, ένα ζώο με μάζα σώματος 150 γραμμάρια έχει βασικό μεταβολικό ρυθμό που είναι περίπου 7,6 φορές μεγαλύτερος από αυτόν ενός ζώου με μάζα σώματος 10 γραμμάρια.
Μία από τις πολλές εξηγήσεις για το νόμο του Kleiber είναι ότι τα μικρά ζώα αναπνέουν περισσότερο ανά μονάδα σωματικής μάζας από τα μεγαλύτερα ζώα επειδή ένα μεγαλύτερο ποσοστό της μάζας τους αποτελείται από μεταβολικά ενεργούς ιστούς που έχουν υψηλότερο κόστος συντήρησης σε αντίθεση με τους αποθηκευτικούς ιστούς (π.χ. τον λιπώδη ιστό) που καταναλώνουν συγκριτικά χαμηλότερους πόρους. Άλλες πλευρές του νόμου του Kleiber περιστρέφονται γύρω από τη σχέση μεταξύ της επιφάνειας του οργανισμού.
Η αναζήτηση εξήγησης του αριθμού 3/4 πυροδότησε μια έντονη συζήτηση για δεκαετίες που φαινόταν να τελειώσει το 1997 με το μοντέλο των φυσικών Geoffrey West, James Brown, και Brian Enquist. Αυτό το μοντέλο που αναφέρεται ως θεωρία WBE (από τα αρχικά των ονομάτων των τριών επιστημόνων) προσπάθησε να εξηγήσει τον εκθέτη στο νόμο του Kleiber. Καθώς όμως ο αριθμός των μεταβολικών μετρήσεων αυξήθηκε με μετρήσεις σε περισσότερα ζώα, το μοντέλο άρχισε να δείχνει όλο και περισσότερες ασυνέπειες, μέχρι που σε μερικές ομάδες ζώων, όπως στα μικρά πουλιά ή τα έντομα, ο εκθέτης 3/4 δεν ταιριάζει. Ακόμη και για τα θηλαστικά, για τα οποία ο νόμος του Kleiber σχεδιάστηκε, τα δεδομένα δείχνουν αξιοσημείωτη απόκλιση σε σχέση με τη θεωρία πίσω από το νόμο.
Η νέα εξίσωση
Τώρα η νέα μελέτη προτείνει για την εξήγηση των διαφορών την απλή ιδέα ότι η ενέργεια που καταναλώνει ένας οργανισμός δεν μετασχηματίζεται τελικά ολόκληρη σε θερμότητα. Οι ερευνητές κατάληξαν σε μια νέα εξίσωση για το βασικό μεταβολισμό που είναι:
B = aM + bM2/3
H εξίσωση αυτή μπορεί να εξηγήσει τις μεταβολικές διαφορές των διαφόρων ζώων και φυτών. Ένα μέρος της ενέργειας χρησιμοποιείται π.χ. για την κυτταρική διαίρεση και ένα άλλο για τη σύνθεση πρωτεϊνών. Εάν όλη η ενέργεια μετατρεπόταν σε θερμότητα, η κατανάλωση θα ήταν στην πραγματικότητα ίση με τη μάζα υψωμένη στη δύναμη 2/3 αλλά θα μιλούσαμε για μια θερμάστρα και όχι για έναν οργανισμό. Από την άλλη πλευρά, αν η όλη ενέργεια καταναλωνόταν αποτελεσματικά, θα ήταν ανάλογη με τον αριθμό των κυττάρων, δηλαδή τη μάζα ενός οργανισμού, όμως ένα μέρος της είναι αναπόφευκτα χαμένη ως θερμότητα. Οι οργανισμοί εξισορροπούν αυτά τα δύο άκρα.
Να σημειωθεί ότι έχει παρατηρηθεί μια σχέση μεταξύ του βασικού μεταβολισμού και προσδόκιμου ζωής μεταξύ των διαφόρων ζώων. Η φύση έχει «διευκολύνει» τα μεγαλύτερα πλάσματα ώστε να μη φθείρονται γρήγορα. Ένα παράδειγμα είναι τα κύτταρα ενός ελέφαντα και ενός ποντικιού. Τόσο τα κύτταρα του ελέφαντα όσο και του ποντικιού φθείρονται μετά από 1,5 δισεκατομμύρια παλμούς, αλλά ο ρυθμός των παλμών των κυττάρων του ελέφαντα είναι πολύ πιο αργός και έτσι έχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.
