Если вы думаете о «разгадывании тайн Вселенной», вы, вероятно, думаете о физике: об астрономах, наблюдающих в телескопы за далекими галактиками, или об экспериментаторах, разбивающих частицы вдребезги на Большом адронном коллайдере.
Когда биологи пытаются разгадать глубокие тайны жизни, мы тоже склонны обращаться к физике. Но новое исследование, опубликованное в журнале Science, показывает, что у физики не всегда есть ответы на вопросы биологии.
На протяжении веков ученые задавались вопросом, почему, килограмм за килограммом, крупные животные сжигают меньше энергии и требуют меньше пищи, чем мелкие. Почему крошечной землеройке необходимо съедать в день столько пищи, сколько весит в три раза больше ее собственного веса, в то время как огромный усатый кит может обходиться ежедневным рационом, состоящим всего из 5-30% веса его тела в виде криля?
В то время как предыдущие попытки объяснить эту взаимосвязь опирались на физику и геометрию, мы считаем, что реальный ответ — эволюционный. Эти отношения максимизируют способность животного производить потомство.
Самое раннее объяснение непропорциональной связи между метаболизмом и размером было предложено почти 200 лет назад.
В 1837 году французские ученые Пьер Саррус и Жан-Франсуа Рамо утверждали, что энергетический обмен должен зависеть от площади поверхности, а не от массы или объема тела. Это связано с тем, что метаболизм производит тепло, а количество тепла, которое может рассеять животное, зависит от площади его поверхности.
За 185 лет, прошедших после презентации Сарруса и Рамо, было предложено множество альтернативных объяснений наблюдаемого масштабирования метаболизма.
Возможно, самая известная из них была опубликована американскими исследователями Джеффом Уэстом, Джимом Брауном и Брайаном Энквистом в 1997 году. Они предложили модель, описывающую физический транспорт основных материалов через сети ответвляющихся трубок, таких как кровеносная система.
Они утверждали, что их модель предлагает «теоретическую механистическую основу для понимания центральной роли размера тела во всех аспектах биологии».
Эти две модели философски схожи. Как и многие другие подходы, выдвинутые за последнее столетие, они пытаются объяснить биологические закономерности, используя физические и геометрические ограничения.
Живые организмы не могут игнорировать законы физики. Тем не менее, эволюция доказала свою способность находить способы преодоления физических и геометрических ограничений.
В нашем новом исследовании мы решили посмотреть, что произойдет с взаимосвязью между скоростью метаболизма и размером, если мы проигнорируем подобные физические и геометрические ограничения.
Поэтому мы разработали математическую модель того, как животные используют энергию на протяжении всей своей жизни. В нашей модели животные тратят энергию на рост в начале своей жизни, а затем, во взрослом возрасте, тратят все больше энергии на размножение.
Мы использовали модель, чтобы определить, какие характеристики животных приводят к наибольшему размножению в течение их жизни — ведь с эволюционной точки зрения размножение — это главная игра.
Мы обнаружили, что животные, которые, по прогнозам, будут наиболее успешными в размножении, демонстрируют именно такое непропорциональное масштабирование метаболизма с размером, которое мы наблюдаем в реальной жизни!
Это открытие предполагает, что непропорциональное метаболическое масштабирование не является неизбежным следствием физических или геометрических ограничений. Вместо этого естественный отбор производит это масштабирование, потому что это выгодно для воспроизводства на протяжении всей жизни.
По знаменитым словам русско-американского биолога-эволюциониста Феодосия Добжанского, «ничто не имеет смысла в биологии, кроме как в свете эволюции».
Наше открытие, что непропорциональное масштабирование метаболизма может возникать даже без физических ограничений, предполагает, что мы искали объяснения не в том месте.
Физические ограничения могут быть основными движущими силами биологических паттернов реже, чем считалось. Возможности, доступные для эволюции, шире, чем мы думаем.
Почему исторически мы так охотно прибегали к физическим ограничениям для объяснения биологии? Возможно, потому, что мы чувствуем себя более комфортно в безопасном убежище кажущихся универсальными физических объяснений, чем в относительно неисследованной биологической пустыне эволюционных объяснений.
