Hvorfor er større dyr mere energieffektive? Et nyt svar på et århundreder gammelt biologisk puslespil

Hvis du tænker på at "optrevle universets mysterier", tænker du sikkert på fysik:astronomer, der kigger gennem teleskoper på fjerne galakser, eller eksperimenter, der slår partikler i stykker ved Large Hadron Collider.

Når biologer forsøger at opklare livets dybe mysterier, har vi også en tendens til at række ud efter fysik. Men vores nye forskning, offentliggjort i Science, viser, at fysik måske ikke altid har svarene på spørgsmål om biologi.

I århundreder har videnskabsmænd spurgt, hvorfor, kilo for kilo, store dyr forbrænder mindre energi og kræver mindre mad end små. Hvorfor skal en lille spidsmus at indtage så meget som tre gange sin kropsvægt i mad hver dag, mens en enorm bardehval kan klare sig på en daglig kost på kun 5-30 % af sin kropsvægt i krill?

Mens tidligere bestræbelser på at forklare dette forhold har været afhængige af fysik og geometri, mener vi, at det virkelige svar er evolutionært. Dette forhold er det, der maksimerer et dyrs evne til at producere afkom.

Hvor meget former fysiske begrænsninger livet?

Den tidligste forklaring på det uforholdsmæssige forhold mellem stofskifte og størrelse blev foreslået for næsten 200 år siden.

I 1837 argumenterede franske videnskabsmænd Pierre Sarrus og Jean-François Rameaux for, at energimetabolisme burde skalere med overfladeareal snarere end kropsmasse eller volumen. Dette skyldes, at stofskiftet producerer varme, og mængden af ​​varme, et dyr kan sprede, afhænger af dets overfladeareal.

I de 185 år siden Sarrus og Rameaux' præsentation er der blevet foreslået adskillige alternative forklaringer på den observerede skalering af stofskiftet.

Nok den mest berømte af disse blev udgivet af amerikanske forskere Geoff West, Jim Brown og Brian Enquist i 1997. De foreslog en model, der beskriver den fysiske transport af essentielle materialer gennem netværk af forgrenede rør, såsom kredsløbssystemet.

De hævdede, at deres model tilbyder "et teoretisk, mekanistisk grundlag for at forstå kropsstørrelsens centrale rolle i alle aspekter af biologi."

Disse to modeller er filosofisk ens. Ligesom adskillige andre tilgange fremsat i det sidste århundrede, forsøger de at forklare biologiske mønstre ved at påberåbe sig fysiske og geometriske begrænsninger.

Evolution finder en vej

Levende organismer kan ikke trodse fysikkens love. Alligevel har evolutionen vist sig at være bemærkelsesværdig god til at finde måder at overvinde fysiske og geometriske begrænsninger på.

I vores nye forskning besluttede vi at se, hvad der skete med forholdet mellem stofskiftehastighed og størrelse, hvis vi ignorerede fysiske og geometriske begrænsninger som disse.

Så vi udviklede en matematisk model for, hvordan dyr bruger energi i løbet af deres levetid. I vores model afsætter dyr energi til vækst tidligt i deres liv og derefter i voksenalderen afsætter stigende mængder energi til reproduktion.

Vi brugte modellen til at bestemme, hvilke egenskaber ved dyr der resulterer i den største mængde reproduktion i løbet af deres levetid – trods alt er reproduktion fra et evolutionært synspunkt hovedspillet.

Vi fandt ud af, at de dyr, der forudsiges at være mest succesrige til at reproducere, er dem, der udviser præcis den slags uforholdsmæssig skalering af stofskifte med størrelse, som vi ser i det virkelige liv!

Dette fund tyder på, at uforholdsmæssig metabolisk skalering ikke er en uundgåelig konsekvens af fysiske eller geometriske begrænsninger. I stedet frembringer naturlig selektion denne skalering, fordi den er fordelagtig for livslang reproduktion.

Det uudforskede vildnis

Med de berømte ord fra den russisk-amerikanske evolutionsbiolog Theodosius Dobzhansky, "intet giver mening i biologi undtagen i lyset af evolution."

Vores konstatering af, at uforholdsmæssig skalering af stofskiftet kan opstå selv uden fysiske begrænsninger, tyder på, at vi har ledt det forkerte sted efter forklaringer.

Fysiske begrænsninger kan være de vigtigste drivkræfter bag biologiske mønstre sjældnere end man har troet. De muligheder, der er til rådighed for evolution, er bredere, end vi sætter pris på.

Hvorfor har vi historisk set været så villige til at påberåbe os fysiske begrænsninger for at forklare biologi? Måske fordi vi er mere komfortable i det sikre tilflugtssted for tilsyneladende universelle fysiske forklaringer end i evolutionære forklaringers relativt uudforskede biologiske vildnis.