Importancia de la escala en el tiempo y el espacio

Discursos sobre dos nuevas ciencias, obra trascendental de Galileo Galilei, hizo a Einstein proclamar que "Galileo es el padre de la física moderna; de hecho, de la ciencia moderna".

Una de sus conclusiones más importantes se relaciona con la resistencia de los materiales. Consideremos el caso de una columna que aumente su tamaño conservando las proporciones. Como la masa crecerá paralelamente al volumen, que lo hará por igual en sus tres dimensiones, a doble tamaño lineal corresponderá un peso 2x2x2 = 8 veces mayor, mientras que su sección resistente, que lo hará con el cuadrado de la dimensión, habrá crecido 2x2 = 4 veces. El resultado será que el esfuerzo en esa sección será doble. Y será triple para triple longitud, porque 3x3x3 / 3x3 = 3. El tamaño, por consiguiente, no puede aumentar indefinidamente si conservamos las proporciones. Para no sobrepasar la resistencia del material se hará necesario reforzar la anchura.

 

Esta ley cuadrático-cúbica, que describe la relación entre volumen y área de un cuerpo a medida que aumenta o disminuye su forma o figura, fue descrita por primera vez en 1638 por Galileo en su libro. Puede expresarse así:

Cuando una forma crece en tamaño, su volumen crece más rápido que su superficie. Cuando se aplica al mundo real, este principio tiene muchas implicaciones que son importantes en campos que van desde la ingeniería mecánica a la biomecánica. Esto ayuda a explicar gran variedad de fenómenos, por ejemplo por qué a grandes mamíferos como los elefantes les cuesta más enfriarse, que a los más pequeños, como los ratones, y por qué hay límites fundamentales para el tamaño de los castillos de arena.

En efecto, un ratón del tamaño de un elefante habría de tener patas de elefante, y un elefante pequeñito como un ratón no tendría por qué mantener las sólidas columnas de sus patas.

Igual que al aumentar la escala predominan los factores relacionados con el volumen, al disminuirla adquieren mayor importancia los que tienen que ver con la superficie, como la tensión superficial. No hay burbujas gigantescas, y poco duran las de esos enjabonadores callejeros; y para las moscas una mojadura supone un problema mayor que para los mamíferos. Por algo los animales grandes necesitan un endoesqueleto, que sería superfluo para los artrópodos, cuyo exoesqueleto no es viable para tamaños mayores.

Tan interesantes cuestiones sobre escala y estructura se analizan con detalle en Sobre el crecimiento y la forma, el libro ya clásico de D'Arcy Thompson.

De muchas formas influye el tamaño en los procesos, tanto naturales como inventados por el hombre. Una de ellas tiene que ver con los límites de la velocidad de la computación que impone la velocidad máxima de transmisión de señales: la de la luz.

Los microprocesadores tienen un reloj interno que marca el ritmo de la computación. Ningún paso puede realizarse en un tiempo inferior al señalado por él. Pero ese ritmo depende a su vez de la velocidad con la que puede transmitirse, como lo explica Beamspot:

Todos los elementos que tienen que trabajar a gran velocidad y acoplados entre sí, como por ejemplo la CPU con la memoria, o con buses de comunicación de alta velocidad (o sea, video y red de comunicaciones) se encuentran con que a 1 GHz el reloj apenas se desplaza 15 cm en un cable. 10 cm en un circuito impreso. Si subimos a 2 GHz, bajamos esta distancia a la mitad: 5 cm en un circuito.

Eso implica que no podemos poner la CPU y la memoria donde nos dé la gana. Es más, todas las señales que van de uno a otro componente tienen que tener una longitud similar, y generalmente estipulada con un máximo y un mínimo.

Así que aquí también el tamaño importa. Y lo que ocurre en una computadora también limita, con el tamaño, la velocidad de transmisión de la corriente nerviosa en los animales. Se me ocurre que lo difícil de cazar una mosca tiene que ver con el reducido tamaño de su cerebro: para ella el movimiento de nuestra mano es lento: ve el mundo con una cámara mucho más rápida que la nuestra. Para la mosca nuestra vida transcurre a cámara lenta.

La escala y las leyes físicas que dominan preferentemente cada escenario según su tamaño condicionan la organización de los seres vivos. El biólogo evolucionista Faustino Cordón postula la existencia de seres vivos de tres niveles de integración (un nivel constituido por las proteínas globulares, un nivel constituido por las células y un nivel constituido por los animales) de modo que cada ser vivo de un nivel resulta de la acción conjunta de los seres vivos de nivel inferior que integran su soma. Y en cada uno de estos niveles las leyes que regulan su estructura y sus procesos dependen del tamaño de los agregados.

Uno de los niveles más básicos de estructura vital organizada es el de los virus. Su escala es precisamente la de esas proteínas, con las que interactúa.

Desde el punto de vista de la evolución de otras especies, los virus son un medio importante de transferencia horizontal de genes, la cual incrementa la diversidad genética e impulsa la evolución biológica. Debido a ello los virus, junto con los otros agentes virales (viroides y virus satélite), han sido descritos como "mobilomas" o "vectores génicos", puesto que, además de replicarse en huéspedes celulares, también transportan genes de un organismo a otro mediante la transducción del material genético.

La interdependencia entre la mínima escala vírica y la de los grandes ecosistemas, y en particular la del gigantesco ecosistema artificial creado por el hombre ha sido muy bien estudiada por Rob Wallace en su importante libro Grandes granjas, grandes gripes. Un dato impresionante sobre las escalas temporales y su brutal choque nos lo da el tiempo de evolución del genoma en los animales y los virus. Mientras en millones de años el genoma humano muta un 1% de su contenido, el de un virus lo hace en pocos días. Además, las recombinaciones, facilitadas por la coexistencia de varios virus en un mismo huésped, provocan la aparición de nuevos patógenos. Por eso hay que repetir continuamente las vacunaciones para acomodarlas a sucesivas variantes.

Al mismo tiempo, redirigimos la evolución de los virus, porque al neutralizar algunas variantes estamos promocionando otras. Puede decirse que "los estamos educando". ¡Y aprenden muy rápidamente!

Pero sobre la importancia de preservar los ecosistemas naturales de lenta evolución, alterados por otros que manipulamos (y empobrecemos) en tiempo récord, seguiremos hablando.