Un nuevo modelo predice cómo afectará la temperatura a la vida desde la escala cuántica hasta la clásica

Cada proceso biológico depende críticamente de la temperatura. Esto es cierto para lo muy pequeño, lo muy grande y todas las escalas intermedias, desde moléculas hasta ecosistemas y en todos los entornos.

Ha faltado una teoría general que describa cómo la vida depende de la temperatura, hasta ahora. En un artículo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences, investigadores dirigidos por José Ignacio Arroyo, becario postdoctoral en el Instituto Santa Fe, presentan un marco simple que predice con precisión cómo la temperatura afecta a los organismos, en todas las escalas.

«Es muy fundamental», dice el profesor externo de SFI Pablo Marquet, ecologista de la Pontificia Universidad Católica de Chile, en Santiago. Marquet, PhD Arroyo. Asesor de tesis, también trabajó en el modelo. Puede aplicar esto a casi todos los procesos que se ven afectados por la temperatura. Esperamos que sea una contribución sobresaliente”.

Marquet señala que tal teoría podría ayudar a los investigadores a hacer predicciones precisas en una variedad de áreas, incluidas las respuestas biológicas al cambio climático, la propagación de enfermedades infecciosas y la producción de alimentos.

Marquet dice que los intentos anteriores de generalizar los efectos de la temperatura a la biología carecían de los efectos del «panorama general» integrados en el nuevo paradigma. Los biólogos y ecólogos a menudo usan la ecuación de Arrhenius, por ejemplo, para describir cómo la temperatura afecta las velocidades de las reacciones químicas. Este enfoque aborda con éxito cómo la temperatura afecta algunos procesos biológicos, pero no puede explicar completamente muchos otros procesos, incluido el metabolismo y la tasa de crecimiento.

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Arroyo se propuso inicialmente desarrollar un modelo matemático general para predecir el comportamiento de cualquier variable en biología. Pero pronto se dio cuenta de que la temperatura era una especie de predictor general y podía guiar el desarrollo de un nuevo modelo. Comenzó con una teoría en química que describía la cinética de las enzimas, pero con algunas adiciones y suposiciones, amplió el modelo del nivel molecular cuántico a las escalas macroscópicas más grandes.

Es importante destacar que el modelo combina tres elementos de los que carecían los intentos anteriores. Primero, como su contraparte química, se deriva de primeros principios. En segundo lugar, el núcleo del modelo es una ecuación simple con solo unos pocos parámetros. (La mayoría de los modelos actuales requieren una gran cantidad de suposiciones y criterios). Tercero, «son universales en el sentido de que pueden explicar los patrones y comportamientos de cualquier microorganismo o cualquier taxón en cualquier entorno», dice. Las respuestas de temperatura a diferentes procesos, taxones y escalas colapsan en la misma forma funcional general.

«Creo que nuestra capacidad para regular sistemáticamente la respuesta de la temperatura tiene el potencial de revelar nuevas uniformidades en los procesos biológicos para resolver una variedad de controversias», dijo el profesor de SFI Chris Kemps, quien, junto con el profesor de SFI Jeffrey West, ayudó al equipo en Cerrar la brecha escalas clásicas.

El artículo de PNAS describe las predicciones del nuevo modelo que están en línea con las observaciones experimentales de diversos fenómenos, incluida la tasa metabólica del insecto, la germinación relativa de la alfalfa, la tasa de crecimiento bacteriano y la mortalidad de Drosophila.

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Arroyo dice que el grupo planea en futuras publicaciones derivar nuevas predicciones de este modelo, varias de las cuales están planeadas para la primera publicación. «El papel se estaba haciendo demasiado grande», dice.

Referencia:

  1. José Ignacio Arroyo, Beatrice Diez, Christopher B. Kemps, Jeffrey B. West, Pablo A. Marquet. Teoría general de la dependencia de la temperatura en biología. Actas de la Academia Nacional de Ciencias, 2022; 119 (30) DOI: 10.1073/pnas.2119872119
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