¿Hasta qué tamaño puede llegar una bacteria? Vida y tamaño 3
Dentro, fuera, dentro, fuera.
Estar vivo significa hacer cosas. Justo ahora, nuestras células están quemando
moléculas de glucosa con oxígeno para disponer de energía que nos mantenga vivos otro precioso
instante. Para que el oxígeno llegue a las células
tenemos que respirar. La respiración es la respuesta a un problema muy difícil:
llevar los recursos que las células necesitan para sobrevivir desde el exterior al interior.
Cada ser vivo ha de resolver este problema y las soluciones son increíblemente distintas
según uno de los reguladores de la vida más importantes,
el tamaño. Como ya hemos analizado en otros videos, con
diferentes escalas, las leyes físicas del universo tienen consecuencias distintas para
sus habitantes. Los detalles más sencillos, como la temperatura,
la microgravedad o la tensión superficial pueden no importar o ser un peligro mortal
en función del tamaño. Los seres vivos necesitan un montón de materiales
distintos para seguir vivos. Y de alguna manera deben transportarlos del
exterior al interior. Para los primeros entes que estaban justo
en el borde de la vida era complicadísimo porque hacer cualquier cosa en nuestro universo
exige energía. Y los primeros seres vivos del planeta no
tenían la plétora de herramientas y técnicas que hay hoy en día después de miles de millones
de años de evolución. Por eso, al principio del todo, era necesario
encontrar un buen método para llevar lo bueno adentro y lo malo afuera sin usar energía.
Afortunadamente las primeras formas de vida eran muy pequeñas.
Y por eso eran capaces de usar un transporte gratuito que se basa en una ley física, la
denominada difusión. La difusión es la regla según la cual las
moléculas, especialmente en líquidos y gases, se mueven constantemente en todas direcciones.
Y, como se mueven y chocan con sus iguales, y con otras moléculas, tienden a difundirse.
Por ejemplo, al sumergir un terrón de azúcar en agua, se obtiene mucho azúcar en un lado
y nada en el otro. A medida que se disuelven, las moléculas
de azúcar se golpean aleatoriamente con las de agua y con otras de azúcar.
Poco a poco las moléculas de azúcar se dispersan y forman varias fases de distintas concentraciones.
Estos movimientos al azar no dejan de producirse hasta que llega el punto en el que el azúcar
queda disuelto uniformemente en el agua. Lo mejor de la difusión es que la vida puede
utilizarla gratis, no precisa energía. Y a la vida le gusta lo gratis. Por eso toda
la vida terrestre utiliza la difusión. Observemos al ser vivo más pequeño de la
Tierra, la bacteria. Y fijémonos en su superficie. Las membranas celulares permiten la difusión
de determinadas moléculas. Esta bacteria en concreto consume oxígeno
para vivir y en el interior crea dióxido de carbono como desecho.
Así que dentro no hay mucho oxígeno sino mucho dióxido de carbono. Gracias a la difusión,
ambas moléculas terminarán por distribuirse uniformemente. Así, el dióxido de carbono
se difundirá afuera y el oxígeno exterior se repondrá adentro constantemente.
Pero este tipo de "respiración" solo funciona para el mundo diminuto.
Las bacterias, las amebas, nuestras células y poquísimos animales muy pequeños.
Por ejemplo, la tráquea de los insectos es una fina red de túneles con un gradiente
de presión donde el aire se difunde muy despacio y se intercambian gases con las células.
Pero incluso los insectos parecen ser capaces de contraer la tráquea y al menos algunos
tienen órganos respiratorios especializados, como los espiráculos o los sacos de aire.
En determinadas escalas, la difusión es demasiado lenta para mantener vivas las células.
El problema fundamental es que el intercambio con el entorno solo se produce en la superficie
y la difusión apenas puede ocuparse de una determinada cantidad de interior.
Los seres vivos diminutos solo tienen una pizca de interior o volumen y mucho exterior
o área superficial. Si quisiéramos crear una bacteria del tamaño
de una ballena azul y dispusiéramos de una cómoda máquina agrandadora, ¿qué pasaría?
Pues que la ley del cuadrado-cubo lo complicaría todo.
En pocas palabras, significa que si aumentas algo diez veces, su exterior, o superficie,
se multiplica por 100 mientras que el interior o volumen lo hace por 1000.
Si comparamos la bacteria pseudomonas aeroginosa con una ballena azul, observamos que la bacteria
tiene 10 millones más de superficie respecto del volumen que la ballena.
La bacteria tiene mucho exterior, y la ballena mucho interior.
Si creáramos una bacteria del tamaño de una ballena, ahora contaría con demasiado
interior cuya mayoría estaría muy lejos de la superficie.
El oxígeno que necesitaría la bacteria nunca alcanzaría el interior antes de agotarse.
La bacteria gigante simplemente moriría. En cualquier caso, ser mayor tiene muchas
ventajas: desde dificultar que le coman a uno, a ser
más fácil comer a otros. Pero el tamaño de la célula está limitado
por la distancia a la que pueden difundirse eficazmente el oxígeno y los nutrientes para
suministrar suficientes recursos al interior. Por eso, para superar el problema, la vida
creó las estructuras multicelulares: seres compuestos de muchas células, no solo una.
Porque la difusión funciona mejor si se dispone de muchas unidades pequeñas en lugar de una
sola mucho mayor. Con el tiempo, los compañeros celulares comenzaron
a compartir tareas y especializarse. Algunas células se concentraron en sentir el entorno,
otras en digerir, otras en el movimiento. Pero seguía sin ser bastante. El problema
de la difusión y la superficie y la producción de energía persistía y limitaba el tamaño
que podían tener estas primeras formas multicelulares. Así que, para aumentar el tamaño, la vida
resolvió el problema de la difusión con orificios, cuevas y túneles, y doblándose,
de modo que la difusión se produjera fácilmente en cada célula.
Pensemos en nosotros. Lo que consideramos exterior, la piel tiene una superficie de
unos dos metros cuadrados. Pero el área superficial de los pulmones
es de unos 70 metros cuadrados. No son como globos, sino más bien como esponjas,
llenas de muchísimos globos muy apretados y rodeados de vasos sanguíneos.
Cuando respiramos, todos estos pequeños globos se llenan de aire fresco. A su alrededor,
llega bombeada sangre saturada de CO2. Entonces se produce la mágica difusión.
El oxígeno se difunde a la sangre, donde lo toman los glóbulos rojos.
Y el CO2 se difunde fuera de la sangre, a los pulmones, donde se puede exhalar al exterior.
A continuación, la sangre llena de oxígeno va hasta los rincones más remotos y recoge
los residuos de CO2. La difusión tiene un alcance aproximado de
un milímetro, de modo que todas las células están como mucho a un milímetro de un vaso
sanguíneo. Por eso los animales medianos como nosotros
necesitamos muchísimos vasos sanguíneos para llegar a todas las células.
El cuerpo dispone de unos 100 000 kilómetros de capilares, los vasos sanguíneos más diminutos,
con una superficie de unos 1000 metros cuadrados. Esto mismo se cumple en cualquier lugar donde
se desee intercambiar algo con el exterior. El cuerpo necesita superficies para absorber
los nutrientes de la comida, por eso la de los intestinos equivale a media pista de bádminton,
unos 40 metros cuadrados. Cuanto mayor es el tamaño, más superficies
ocultas se necesitan. Fijémonos en un árbol. Su forma de mantenerse
vivo es elaborar azúcar a partir de aire y luz solar.
Por eso necesita toda la superficie posible. Un naranjo con dos mil hojas, tiene una superficie
foliar de 200 metros cuadrados. Pero la superficie en el interior de las hojas,
donde se produce la difusión, es de unos 6000 metros cuadrados.
Lo mismo pasa con las raíces, donde el agua se difunde desde la tierra a los innumerables
pelitos que maximizan el área superficial. Las raíces de un metro cuadrado de hierba
totalizan unos 350 metros cuadrados de superficie. Al contemplar la asombrosa diversidad de vida
en el planeta, nos parece que todo es bastante diferente. Y así es.
Pero hay algunos principios básicos que son iguales para todos y que apenas han variado
en miles de millones de años. Ya nos fijemos en lo diminuto o en lo inmenso,
la basura sale y el combustible entra. Los animales grandes solo necesitan una fontanería
compleja para hacerlo.
