Ученые объяснили одну из загадок биологии: почему чем крупнее животное, тем медленнее его метаболизм

Разрешена загадка биологии: почему, чем больше животное, тем медленнее у него обмен веществ

Ученые Университета Монаша, Австралия построили математическую модель, которая объясняет одно из самых загадочных явлений биологии — аллометрический парадокс: чем больше размеры животного, тем медленнее его метаболизм. Это выглядит крайне странно, поскольку обмен веществ в клетках у небольших животных и самых крупных — очень похож. Ученые показали, что скорость метаболизма, масса и количество потомков — взаимосвязанные параметры, и эволюция настраивает их одновременно.

Не всегда законы биологии можно свести к физике

Увеличение размера животного во время развития или эволюции обычно сопровождается снижением потребления энергии: если сравнить грамм веса на грамм пищи, то крупные животные сжигают меньше энергии и требуют меньше пищи, чем мелкие. Например, мелким млекопитающим, таким как землеройки, может потребоваться съедать за сутки в три раза больше пищи, чем они весят сами, а усатые киты съедают всего 5–30% своего веса.

Ученые в 1930-ые годы предложили эмпирический закон, который связывает массу тела и скорость метаболизма животного. Он получил название закон Клайбера.

Если Q — скорость метаболизма, M — масса тела, то Q = 70 M^0.75

То есть по мере роста массы, скорость метаболизма растет все медленнее. Это эмпирическое правило подтверждается наблюдениями за конкретными видами.

Дело не только в физике

Ученые из университета Монаша, постарались объяснить откуда возникает закон Клайбера. Ученые не стали сводить все только к массе или только к энергии. Напротив, они взяли три параметра данного вида — масса, скорость метаболизма (фактически энергетический обмен со средой) и количество потомков — и рассмотрели взаимозависимость всех трех параметров.

Примерно, так происходит при естественном отборе, когда неожиданные отклонения по массе или по скорости метаболизма или по количеству потомков в одних случаях становятся эволюционным преимуществом, а в других приводят к гибели.

Модель показала, что действительно нельзя свести все к одному физическому параметру (массе или энергии), а вот биологическая настройка, которую и осуществляет естественный отбор — работает хорошо. И именно отбор настраивает закон Клайбера.

Ведущий автор работы профессор Крейг Уайт говорит: «Мы считаем, что физические ограничения не так сильно влияют на биологию, которую мы наблюдаем, и эволюция имеет более широкий спектр вариантов, чем считалось ранее».

Эволюция не может нарушать физические законы, но может их использовать на удивление изобретательно.