Teoría sobre cómo afecta la temperatura a los seres vivos podría predecir brotes epidémicos e inclusive combatir el cambio climático

Todos los procesos biológicos dependen de la temperatura: desde las moléculas hasta los ecosistemas, incluidos los sistemas urbanos. Sin embargo, hasta ahora no existía un modelo general basado en principios primarios de la física y la química: simple en términos matemáticos pero general. Es decir, aplicable a todos los procesos de los sistemas vivos…

En un artículo publicado el 18 de julio en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), el investigador José Ignacio Arroyo, ex-estudiante del programa de Doctorado en Ciencias Biológicas mención Ecología, y actualmente becario postdoctoral del Santa Fe Institute en Estados Unidos, presenta un documento interdisciplinario sobre cómo afecta la temperatura a los seres vivos en todas las escalas, el cual podría predecir brotes epidémicos e inclusive combatir el cambio climático.

El documento es el primer capítulo de la tesis de Ignacio Arroyo, dirigida por el Dr. Pablo Marquet, y co-dirigida por la Dra. Beatriz Diez, ambos profesores de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Pontificia Universidad Católica de Chile.

El estudio es fundamental porque en los sistemas vivos, todos los procesos dependen de la temperatura de la misma forma. Y a pesar de la abundante evidencia empírica, hasta ahora no existía una teoría que explicara esta ley universal. “En este estudio derivamos una teoría que permite predecir esas respuestas y anticiparse a eventos”, nos explica José Ignacio Arroyo.

Por su parte, el Dr. Pablo Marquet asegura que, esta teoría permite dar nuevas luces en diversos procesos, desde la síntesis de productos o la mutación de virus, hasta el impacto del cambio climático. “Creemos que es un trabajo fundacional para explicar dinámicas desde la escala cuántica a la clásica, integrando procesos y teorías de la química, la física y la biología”.

La temperatura

La temperatura afecta las tasas de funcionamiento de las enzimas que asisten las reacciones químicas en todos los sistemas vivos. Por tanto, dado que los sistemas vivos son redes enzimáticas-químicas, todos los procesos, desde el nivel molecular hasta el ecosistémico, son afectados por la temperatura.

“Desde hace décadas se conoce bien el patrón de respuesta de las tasas biológicas (tal como la tasa de crecimiento de bacterias), que se caracteriza por una primera fase de crecimiento exponencial, seguido después de un punto de inflexión por un decaimiento abrupto”, enfatiza Ignacio.

“Hasta ahora, el modelo más usado para describir estas respuestas es el Modelo de Arrhenius, que solo da cuenta de la primera parte. Además, hay otros modelos que describen la curva completa, pero todos son modelos más complejos de varios parámetros”, agrega el investigador.

Sin embargo, no existía una teoría que explicara este patrón a partir de los principios más fundamentales de la física, y que a la vez fuese simple y aplicable a todos los procesos de los sistemas vivos. “Este último aspecto fue demostrado colapsando datos de respuesta a temperatura para un centenar de variables de distintas cantidades biológicas, taxa, y ambientes”, precisa José Ignacio.  

Es más: uno de los problemas que debieron enfrentar, es que en la ecuación original había un elemento, llamado la “constante de Planck”, que es importante al describir fenómenos  que ocurren a nivel cuántico, a escalas espaciales pequeñas, como sistemas atómicos y subatómicos. “Pero nosotros trabajamos con organismos”, agrega el profesor.

Durante ese proceso, se sumaron los investigadores Christopher P. Kempes y Geoffrey B. West, del Instituto de Santa Fe. “Ellos nos permitieron entender mejor la teoría cuántica que hay detrás del desarrollo original, y cómo pasar de una escala a otra”, detalla Arroyo y el profesor Marquet.

La teoría

Durante el proceso de trabajo, el equipo desarrolló una teoría que describe los dos tipos generales de respuesta a la temperatura: la respuesta concava (como la forma de la boca de una cara triste) o convexa (cara feliz).

“Algunas respuestas como la mortalidad de individuos de una especie tienen un patrón convexo, mientras que otras como la riqueza de especies tienen una respuesta concava. Nuestro trabajo provee una teoría general que puede ser usada para predecir los cambios en cualquier cantidad biológica que responda a la temperatura, pero para hacer esa predicción, es primero necesario estimar los parámetros”, responde José Ignacio.

Supongamos que si la temperatura aumenta 2°C para el año 2050 (como lo ha estimado el informe elaborado por el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático tras la Cumbre del Clima de París), podríamos usar este modelo para predecir cómo y cuánto va a cambiar una cantidad dada en respuesta a ese incremento.

“Es importante entender que, si bien, 2°C no parece mucho dado que la respuesta es exponencial-potencial, un pequeño cambio en temperatura puede significar un gran cambio en alguna respuesta biológica, tal como mortalidad, tasas de extinción, o algún otro proceso ecosistémico”, precisa.

Trabajo interdisciplinario

Tanto el profesor Marquet como la profesora Díez fueron tutores fundamentales para el desarrollo de esta tesis. “Escogí al profesor Pablo Marquet como director de tesis porque estaba interesado en aprender biología teórica. Pero también quería aplicarla al estudio de los genomas y metagenomas microbianos y fue por eso que también escogí a la profesora Díez, quien trabaja en esa área, particularmente en ambientes extremos”, recuerda.

Frecuentemente, los estudios de metagenomas microbianos son comparativos, y excepto por unas pocas excepciones, hay trabajos que usan teoría ecológica para explicar los patrones que se observan en estos sistemas.

En el capítulo 2 de la tesis de José Ignacio Arroyo, se hizo un prototipo donde usaron este modelo general de respuesta a temperatura para explicar distintas funciones ecosistémicas microbianas y que pueden ser cuantificadas usando metagenómica, tales como la desnitrificación responden a la temperatura.

“Fue una gran experiencia hacer una investigación interdisciplinaria que combinó matemáticas, física, y distintas áreas de la biología. En lo personal puedo decir que tuve un gran apoyo, en distintos aspectos, por parte de los profesores Marquet y Díez”, finaliza esta entrevista Ignacio Arroyo.

El resultado de todo este trabajo es una tesis para medir el impacto de la temperatura en fenómenos biológicos, de manera muy amplia, que fue publicada en la destacada revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), en su vol. 119 nº 29. (Ver artículo “A general theory for temperature dependence in biology”)

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