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FISICA FORMA Y VIDA
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Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
Tema 2.- Tamao y vida animal.
La vida animal presenta una gran variedad de tamaos y formas. Importancia de ambos sobre:9 Las caractersticas funcionales de los animales9 Las relaciones de stos con su medio ambiente.
Interrogantes:9 Un animal grande necesita un mayor intercambio energtico con su medio ambiente, pero ese aumento es lineal en relacin con lo que ocurre en uno pequeo?9 La forma y tamao de las distintas partes del cuerpo de un animal dependen de muchos factores, siendo los ms importantes el propio tamao del cuerpo del animal y el medio donde viva ste.
Objetivos:9 Conocer las caractersticas generales de las relaciones dimensionales de las partes del cuerpo de un animal con el todo.9 Conocer la naturaleza de la relacin que existe entre el tamao corporal de un animal y las demandas de intercambio energtico con su entorno y las consecuencias que tiene sobre los aspectos cuantitativos de sus funciones.9 Aplicaciones.
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
El arca de No. Jan Brueghel el joven.Tomado de McMahon y Bonner, 1986
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
2.1.- Conceptos de relaciones isomtrica y alomtrica. Ecuaciones que las definen.
2.1.1.- Diferencias de tamao y forma en el reino animal.2.1.2.- Escala: tamao y proporcin.
2.1.2.1.- Relaciones isomtricas y alomtricas. Escalas lineal y logartmica.2.1.2.2.- Variacin de diversos factores con el peso corporal.
2.1.3.- Relacin superficie/volumen en el reino animal: V0,63 ( V 2/3) Ley de la superficie de Rubner.
2.1.3.1.- Explica varias relaciones de intercambio entre animal y medio ambiente (ej., trmicas).
2.1.3.2.- No explica satisfactoriamente otras relaciones alomtricas.2.1.4.- Proporcin de rganos y tejidos respecto al peso corporal en
vertebrados.2.2.- La resistencia de los huesos y los esqueletos. Los animales mayores
tienen esqueletos ms robustos en proporcin para soportar la mayor masa corporal.
2.3.- Relacin alomtrica de la Tasa Metablica con el peso corporal.2.3.1.- Dependencia de la masa corporal de los requerimientos energticos de
los vertebrados (TM = aPeso b; b 0,75, es decir, 3/4). Mtodos de representacin. Universalidad y variabilidad.
2.3.1.1.- Variabilidad intra e interespecfica en los distintos grupos de mamferos: es correcta la aproximacin?
2.3.1.2.- Aves: diferencias entre paseriformes y el resto.2.3.1.3.- Reptiles, anfibios y peces.2.3.1.4.- Invertebrados.
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
Paedocypris progenetica7,9 mm. (Kottelat et al. 2006)
(Tomadas de McMahon y Bonner, 1986)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
Tabla I. Rangos de tamaos en animales.
Especie Peso (g) Unidades de escala
Ameba 10-4 0,1 mg
Rotfero 10-4 0,1 mg
fido 10-3 1 mg
Abeja 10-1 100 mg
Musaraa 100 1 g
Hamster 102 100 g
Hombre 105 100 kg
Elefante 5106 5.000 kg (5 toneladas)
Ballena azul 108 100.000 kg (100 toneladas)
Fuente: Willmer et. al., 2005
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
0
10000000
20000000
30000000
40000000
50000000
60000000
70000000
80000000
90000000
100000000
P
e
s
o
(
g
)
Mico
plas
ma
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aRo
tfer
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Abej
aM
usar
aa
Ham
ster
Hom
bre
Elef
ante
Balle
na a
zul
Diferencias de tamao en animales
1E-131E-11
0,000000000,0000001
0,000010,001
0,110
1000100000
100000001000000000
P
e
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(
g
)
Mico
plas
ma
Bact
eria
Tetr
ahym
ena
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tfer
of
ido
Abej
aM
usar
aa
Ham
ster
Hom
bre
Elef
ante
Balle
na a
zul
Diferencias de tamao en animales
Escala logartmica
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomadas de Kardong, 1999)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
Varias relaciones alomtricas vs. isomtrica (=X1)
Factor independiente (peso)
0 10 20 30 40 50
F
a
c
t
o
r
m
o
r
f
o
l
g
i
c
o
o
f
u
n
c
i
o
n
a
l
=aX1,5
=aX0,75 =aX0,63
=aX0,5 =aX1
0 10 20 30 40 50
=aX0
=aX-1 =aX-0,75
=aX-0,33 =aX-0,25
bMFiaFmf )(=
10x
31,6x
5,6x
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)(logloglog)( MFibaFmfMFiaFmf b +==Relaciones alomtricas vs. isomtrica. Escala log.
Factor independiente (peso)
1e-3
1e-2
1e-1
1e+0
1e+1
1e+2
1e+3
1e+4
1e+5
l
o
g
F
a
c
t
o
r
m
o
r
f
o
l
g
i
c
o
o
f
u
n
c
i
o
n
a
l
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
=log a+log X =log a+1,5logX=log a+0,75logX=log a+0,63logX=log a+0,5logX=log a+0logX=log a-1logX=log a-0,75logX=log a-0,33logX=log a-0,25logX
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomada de Calder, 1996)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
Ley de la superficie de Rubner.
63,0PesoSuperficie
(Tomada de Randall et al. 2002)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomado de Randall et al. 2002)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
1;)( == bMFiaFmf b 1;)( >= bMFiaFmf b 1;)(
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomada de Calder, 1996)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomada de Calder, 1996)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomada de McMahon y Bonner, 1986)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
5,166,0 0087,004,24 LddL == (Tomada de McMahon y Bonner, 1986)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomada de McMahon y Bonner, 1986)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomada de Calder, 1996)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomada de Calder, 1996)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
Relacin isomtrica
corporal Pesoa = MO275,0&
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Relacin alomtrica Tasa metablica-peso corporal
Peso corporal (kg)
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
l
O
2
/
h
100
200
300
400
500
600
700
HombreCaballo
Elefante
75,0; bcorporal Pesoa = M bO2&
corporal Pesoa = MO21&
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Peso corporal (kg)
0,01 0,1 1 10 100
1000
l
O
2
/
h
/
p
e
s
o
c
o
r
p
o
r
a
l
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5Ratn de campo
Ratn
ArdillaRata
Gato
PerroOvejaHombre Caballo
Elefante
Relacin isomtrica Relacin alomtrica
75,0;.
1 bcorporal Pesoa = cPeso
M bO2&
acPesocPeso
a = cPeso
MO2 =..
.
&
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Log relacin alomtrica Tasa metablica-peso corporal
Peso corporal (kg)
1e-4
1e-3
1e-2
1e-1
1e+0
1e+1
1e+2
1e+3
1e+4
1e+5
1e+6
l
O
2
/
h
1e-4
1e-3
1e-2
1e-1
1e+0
1e+1
1e+2
1e+3
1e+4
1e+5
Musaraa
Ratn de campoRatn
ArdillaRata
GatoPerroOveja
HombreCaballoElefante
Ballena
75,0;logloglog += bMbaTM
Isomtrica
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
Peso corporal (kg)
1e-4
1e-3
1e-2
1e-1
1e+0
1e+1
1e+2
1e+3
1e+4
1e+5
1e+6
l
O
2
/
h
/
p
e
s
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c
o
r
p
o
r
a
l
0,01
0,1
1
10Musaraa
Ratn de campoRatn
ArdillaRata
Gato
PerroOveja
Hombre
CaballoElefante
Ballena
Relacin isomtrica Relacin alomtrica
75,0;log)1(loglog += bMbaMTM
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomadas de Randall et al. 2002)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
sPrototerioMetateriosEuterios
logloglog2
>>=+=
a
PesobaMO&
(Tomada de Calder, 1996)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
Relacin alomtrica peso-tasa metablica basal en mamferos:Si se tiene en cuenta la temperatura corporal, la alta tasa metablica basal (TMB) de humanos, carnvoros domsticos y rumiantes grandes, 0,66 b < 0,75 (White y Seymour, 2003).
TMB: medida con el animal: En reposo. En ayuno corto. Despierto. En zona termoneutra.
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomado de Randall et al. 2002)
(Tomado de Hill et al. 2006)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
Tabla II. Valores de a y b en las relaciones alomtricas de la TMB con el peso corporal.
Grupo Temperatura corporal
Factor a* Exponente b
Mamferos euterios Normal 3,3 0,76-0,65
Aves paseriformes Normal 6,3 0,72-0,73
Aves no paseriformes Normal 3,6 0,69-0,75
Lagartos 37C 0,68 0,82
Reptiles 20C 0,13 0,77-0,80
Anfibios 20C 0,75-0,86
Peces 20C 0,43 0,70-0,88
Crustceos 20C 0,27 0,78-0,81
Anlidos 20C 0,61-0,82
Moluscos 20C 0,75
Organismos unicelulares 20C 0,055 0,83* El valor de a corresponde a TMB expresada en Watios
La ecuacin tiene la forma TMB = aPeso(kg)b (Fuentes: Alexander, 1999, Willmer, 2005)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
2.3.- Relacin alomtrica de la Tasa Metablica con el peso corporal.2.3.2.- Dependencia del metabolismo tisular. Realmente, 1 g de tejido de ratn
utiliza ms energa por unidad de tiempo que un gramo de tejido de elefante.2.3.2.1.- Metabolismo de la glucosa en diversos tejidos de mamferos.2.3.2.2.- Actividades enzimticas. Mamferos y peces.
2.3.2.2.1.- Relacin alomtrica con b = 0,75 (o con -0,25 si es/peso) en las relacionadas con el metabolismo aerobio.
2.3.2.2.2.- Relacin alomtrica con b>1 (o positiva si/peso) en las relacionadas con el metabolismo anaerobio.
2.3.3.- Lmites superiores del consumo de O2: la tasa mxima de consumo de O2.2.3.3.1.- Relacin alomtrica con b = 0,81 en mamferos.2.3.3.2.- Relacin lineal entre el metabolismo aerobio mximo y el volumen
mitocondrial tisular.2.3.4.- Relacin alomtrica del coste del transporte y el peso corporal.
2.4.- Fisiologa respiratoria y tamao corporal.2.4.1.- Diseo de la estructura pulmonar de mamferos. Estructura branquial en
peces. superficie en volumen muchas ramificaciones estructuras estructuras fractalesfractales.
2.4.2.- Relaciones alomtricas de estructuras y funciones respiratorias. TM= aM0,75.
2.5.- Fisiologa circulatoria y tamao corporal.2.5.1.- Diseo de la estructura circulatoria de mamferos y otros vertebrados:
fractal.2.5.2.- Relaciones alomtricas de estructuras y funciones circulatorias. TM=
aM0,75.
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomadas de Willmer et al. 2005)
(Tomadas de Goolish, 1995)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomadas de Hochachka, 1989)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomada de Willmer et al. 2005)
(Tomada de Calder, 1996)
(Tomada de McMahon y Bonner, 1986)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
Mamferos
Especies sedentarias Especies atlticas (Tomada de Weibel et al., 1998)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomadas de Randall et al. 2002)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomadas de Weibel, 2000)
(Tomada de Levitzky, 1995)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomada de Calder, 1996)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomada de Dejours, 1981)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomada de Dejours, 1981)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomadas de Goldberger et al. 1990)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
Longitudes y dimetros de capilares: casi independientes del peso. Longitudes y dimetros de grandes vasos: dependientes del peso. Mayor nmero de ramificaciones y vasos intermedios en los animales grandes. Mayor densidad en animales pequeos.
(Tomada de Calder, 1996)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomadas de Dawson, 2005)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
2.6.- Fisiologa digestiva y tamao corporal.2.6.1.- Tamao del tracto digestivo M=
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomadas de Goldberger et al. 1990)
(Tomadas de Calder, 1996)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomada de Calder, 1996)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
Teora de las causas mltiples Condicin Procesos Relacin
alomtrica Relacin global ( ponderado)
Reposo (basal) Na-K-ATPasa 11
bMa = Ca-ATPasa 22
bMa = Sntesis de protenas 33
bMa = 75,011 Ma = Sntesis de urea 44
bMa = Otros 55
bMa = Ejercicio aerobio mximo Aporte de O2 respiracin 66
bMa = Aporte de O2 circulacin 77
bMa = Uso de ATP en
contraccin muscular 8
8bMa = 85,012 Ma =
Ca-ATPasa 99bMa =
Otros 1010bMa =
Fuentes: Darveau et al., 2002; Hill et al., 2006
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomada de Kardong, 1999)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomada de Hulbert et al., 2007)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomada de Hulbert et al., 2007)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
(Tomada de Willmer et al. 2005)
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
2.9.- Consecuencias de las relaciones alomtricas estudiadas.2.9.3.- Densidad ecolgica: es proporcional a M-3/4.2.9.4.- Concepto de sinmorfosissinmorfosis.
2.9.4.1.- Los tres principios que determinan el diseo de los seres vivos son: adaptacin (al entorno), integracin (de todas las partes en el todo) y economa (no hay estructuras o funciones mayores que las necesarias para el animal).
2.9.4.2.- = sin: equilibrio; = morfosis: formacin formacin equilibrada.
Estado del diseo estructural conmesurado para satisfacer las necesidades funcionales, resultante de una morfognesis regulada, mediante la cual la formacin de elementos estructurales est orientada a satisfacer, pero no a exceder, los requerimientos de los sistemas funcionales. (Taylor y Weibel).
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
2.10.- Una cuestin doble.1. De las siguientes afirmaciones sobre la relacin superficie volumen
corporal hay una que es falsa:a. Es alomtrica.b. Es tal que la superficie es proporcional al volumen elevado a un
exponente de 2/3.c. Es responsable de que los animales de mayor tamao se enfren
ms rpidamente.d. Es conocida tambin como la Ley de la superficie de Rubner.e. No explica satisfactoriamente la relacin alomtrica entre la tasa
metablica especfica del peso corporal y ste.
2. Por qu?
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
Bibliografa de consulta.1. Textos bsicos.
1. Alexander, R.M. 1999. Energy for animal life. Oxford University Press, Oxford. 165 pgs.
2. Calder, W.A., III 1996. Size, function, and life history.Dover Publications, Inc., Mineola, New York. 431 pgs.
3. Hill, R.W., Wyse, G.A. y Anderson, M. 2006. Fisiologa animal. 3 ed. Editorial Mdica Panamericana, Madrid. 655 pgs. http://www.sinauer.com/detail.php?id=3158
4. Kardong, V.K. 1999. Vertebrados: anatoma comparada, funcin y evolucin. 2 ed. McGraw-Hill / Interamericana de Espaa, S.A., Madrid. 900 pgs.
5. McMahon, T.A. y Bonner, J.T. 1986. Tamao y vida. Labor, Barcelona. 256 pgs. 6. Moyes, C.D. y Schulte, P.M. 2007. Fisiologa animal. Pearson/Addison Wesley,
Madrid. 769 pgs. ISBN: 97884782908267. Randall, D.J., Burggren, W.W., French, K. y Fernald, R. 2002. Eckert's animal
physiology. 5 ed. W.H. Freeman, New York. 768 pgs. http://www.whfreeman.com/animalphys5/
8. Schmidt-Nielsen, K. 1984. Scaling: why is animal size so important? Cambridge University Press, Cambridge. 242 pgs.
9. Schmidt-Nielsen, K. 1997. Animal Physiology: adaptation and environment. 5 ed. Cambridge University Press, Cambridge. 624 pgs.
10. Willmer, P.G., Stone, G.N. y Johnston, I.A. 2005. Environmental physiology of animals. 2 ed. Blackwell Science, Oxford, U.K. 816 pgs.
Tema 2.- Tamao y vida animal.Ecofisiologa animal. Open Courseware.
2. Textos complementarios.1. Brown, J.H. y West, G.B. 2000. Scaling in biology. Oxford University Press, Oxford. 352 pgs.2. Clauss, M., Schwarm, A., Ortmann, S., Streich, W.J. y Hummel, J. 2007. A case of non-scaling in mammalian
physiology? Body size, digestive capacity, food intake, and ingesta passage in mammalian herbivores. ComparativeBiochemistry and Physiology, 148A (2):249-265. http://www.sciencedirect.com/science/article/B6VNH-4NX8N1X-1/2/15555fa4b6d88507dc2b4d7db33dc8e5
3. Darveau, C.A., Surez, R.K., Andrews, R.D. y Hochachka, P.W. 2002. Allometric cascade as a unifying principle of body mass effects on metabolism. Nature, 417 (6885):166-170. http://dx.doi.org/10.1038/417166a
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6. Enquist, B.J., Economo, E.P., Huxman, T.E., Allen, A.P., Ignace, D.D. y Gillooly, J.F. 2003. Scaling metabolism from organisms to ecosystems. Nature, 423 (6940):571-667. http://www.nature.com/cgi-taf/DynaPage.taf?file=/nature/journal/v423/n6940/abs/nature01671_fs.html
7. Gillooly, J.F., Brown, J.H., West, G.B., Savage, V.M. y Charnov, E.L. 2001. Effects of size and temperature on metabolic rate. Science, 293 (5538):2248-2251. http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/293/5538/2248
8. Goldberger, A.L., Rigney, D.R. y West, B.J. 1990. Caos y fractales en la fisiologa humana. Investigacin y Ciencia, 163:30-38.
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