Esta es una pregunta interesante jugando con el concepto de energía en física y biología. El caso es bastante confuso aquí, porque “sostener una masa” nos recuerda a la física mecánica, mientras que en realidad la energía utilizada por los músculos es (bio) química. La respuesta real nuevamente requiere detalles de la biología molecular, conectados a la física estadística.
Fundamentalmente, la pregunta parece bastante sencilla: no cuesta energía sostener una masa. La energía se gasta cuando la masa se acelera. Este es un hecho básico en física y fácil de demostrar. La mayoría de las cosas a tu alrededor, incluido el piso, contienen varias cosas sin gastar energía en este momento. Recuerde que la energía se conserva: cada vez que cambia la energía de un objeto, otro debe experimentar el cambio energético inverso.
Sin embargo, la situación es diferente cuando se habla de cuerpos humanos: los músculos consumen energía incluso cuando no se están moviendo. Todas las células vivas lo hacen, de hecho. Esto no se debe a que las leyes de la física de alguna manera no se apliquen a los cuerpos humanos; es porque la vista a nivel macro de “retener la masa” no se corresponde con lo que está sucediendo a nivel molecular.
La contracción muscular es el resultado de la acción colectiva de muchas fibras de proteína que gastan energía para entrar en un estado contraído. Si bien mantenerlos en ese estado no cuesta energía, de acuerdo con la termodinámica descrita anteriormente, estas proteínas individuales actúan estocásticamente y pueden regresar a su estado fundamental no contraído, liberando la energía correspondiente en forma de calor. Luego necesitan contraer nuevamente para mantener el mismo estado muscular total, que nuevamente requiere energía. Por lo tanto, la energía requerida para mantener todo el músculo en el estado contraído depende de la frecuencia con la que las piezas individuales vuelven al estado no contraído. Además, los músculos requieren iones de calcio para contraerse, que son producidos por una cascada electroquímica que se origina en el cerebro. Esta señal y la disponibilidad de calcio no son constantes y hacen que las células del músculo entero se contraigan.
Tenga en cuenta que “gastar energía” en bioquímica es diferente de la energía mecánica utilizada en la frase “la energía solo se gasta cuando la masa se acelera”. En bioquímica, gastar energía significa mover una o más sustancias químicas a un estado más energético. No tiene nada que ver con la aceleración de la masa, sino con la estabilidad energética de una determinada configuración de átomos. Debido a la conservación de la energía, otra molécula debe ser llevada simultáneamente a un estado menos energético. Las células usan la molécula ATP (trifosfato de adenosina) para este propósito; a menudo se llama el transportador de energía biomolecular. El estado menos energético se llama ADP (difosfato de adenosina) y una molécula de fosfato separada. El ADP + P luego se convierte de nuevo en ATP en otra parte de la célula, lo que finalmente lleva a la metabolización principalmente de azúcares y grasas. Dato curioso: ¡la A de adenosina es en realidad la misma molécula que se usa como uno de los cuatro bloques de construcción en el ADN!
Ahora, para finalmente regresar a la pregunta real. Me temo que la respuesta no es tan simple. En ausencia de ATP que genere nuevas contracciones, las proteínas de la fibra muscular estarían en un estado relajado o contraído según una distribución de Boltzmann:
¿Cómo se repara una raíz aórtica dilatada?
¿Es cierto que el metabolismo de Neandertal es diferente del nuestro? Si es así, ¿de qué manera?
[matemáticas] P_ \ nu \ propto exp (-E_ \ nu / kT) [/ math]
donde [math] P_ \ nu [/ math] es la probabilidad de estar en estado [math] \ nu [/ math], [math] E_ \ nu [/ math] es la energía de ese estado, [math] T [ / math] es la temperatura (en Kelvin, por supuesto), y [math] k [/ math] es la constante de Boltzmann. En otras palabras, la fracción de proteínas en el estado activo es [math] \ exp {(- \ Delta E / kT)} [/ math], donde [math] \ Delta E [/ math] es la diferencia entre las energías . Comparando el [matemático] \ Delta E [/ math] en el caso de los pesos más ligeros y pesados, obtenemos una proporción de
[math] E_ {ratio} = \ exp (E_ {light} / kT) / \ exp (E_ {heavy} / kT) [/ math]
Este es un buen indicador de la cantidad de contracciones extra impulsadas por ATP que se necesitan para poner el sistema en un estado casi completamente contraído, y por lo tanto de la relación de energía requerida para mantener el levantamiento del peso. Lamentablemente, no sé exactamente qué mecanismos contribuyen a las energías [matemáticas] E_ {luz} [/ matemáticas] y [matemáticas] E_ {pesado} [/ matemáticas] al levantar la masa ligera o pesada. En cualquier caso, no espero que la energía que se gasta al levantar un peso sea proporcional a su masa, pero exponencial tampoco es realista.
Este cálculo supone que las proteínas actúan como partículas elementales y el cambio entre estados no tiene una energía de activación. Tampoco toma en cuenta la entrada no constante que los músculos obtienen del cerebro, que posiblemente podría contribuir significativamente. Toda esta respuesta se basa en mi propia intuición y antecedentes, no en experimentos directos de publicaciones de colegas revisores.
