Als je denkt aan 'het ontrafelen van de mysteries van het universum', denk je waarschijnlijk aan natuurkunde:astronomen die door telescopen naar verre sterrenstelsels turen, of onderzoekers die deeltjes aan gruzelementen slaan bij de Large Hadron Collider.

Wanneer biologen diepe mysteries van het leven proberen te ontrafelen, hebben ook wij de neiging om naar de natuurkunde te grijpen. Maar ons nieuwe onderzoek, gepubliceerd in Science, laat zien dat de natuurkunde niet altijd de antwoorden heeft op vragen over biologie.

Eeuwenlang vragen wetenschappers zich af waarom grote dieren kilo voor kilo minder energie verbruiken en minder voedsel nodig hebben dan kleine. Waarom moet een kleine spitsmuis elke dag wel drie keer zijn lichaamsgewicht aan voedsel consumeren, terwijl een enorme baleinwalvis kan rondkomen met een dagelijkse voeding van slechts 5-30% van zijn lichaamsgewicht aan krill?

Hoewel eerdere pogingen om deze relatie te verklaren gebaseerd waren op fysica en geometrie, geloven we dat het echte antwoord evolutionair is. Deze relatie maximaliseert het vermogen van een dier om nakomelingen te produceren.

Hoeveel bepalen fysieke beperkingen het leven?

De vroegste verklaring voor de onevenredige relatie tussen metabolisme en grootte werd bijna 200 jaar geleden voorgesteld.

In 1837 voerden de Franse wetenschappers Pierre Sarrus en Jean-François Rameaux aan dat het energiemetabolisme moet schalen met het oppervlak in plaats van met de lichaamsmassa of het volume. Dit komt omdat het metabolisme warmte produceert en de hoeveelheid warmte die een dier kan afvoeren, hangt af van zijn oppervlakte.

In de 185 jaar sinds de presentatie van Sarrus en Rameaux zijn er talloze alternatieve verklaringen voor de waargenomen schaalvergroting van het metabolisme voorgesteld.

De bekendste hiervan is waarschijnlijk in 1997 gepubliceerd door de Amerikaanse onderzoekers Geoff West, Jim Brown en Brian Enquist. Ze stelden een model voor dat het fysieke transport van essentiële materialen door netwerken van vertakte buizen, zoals de bloedsomloop, beschrijft.

Ze voerden aan dat hun model "een theoretische, mechanistische basis biedt om de centrale rol van lichaamsgrootte in alle aspecten van de biologie te begrijpen."

Deze twee modellen zijn filosofisch vergelijkbaar. Net als tal van andere benaderingen die de afgelopen eeuw naar voren zijn gebracht, proberen ze biologische patronen te verklaren door fysieke en geometrische beperkingen op te roepen.

Evolutie vindt een manier

Levende organismen kunnen de wetten van de fysica niet tarten. Toch is evolutie opmerkelijk goed gebleken in het vinden van manieren om fysieke en geometrische beperkingen te overwinnen.

In ons nieuwe onderzoek besloten we te kijken wat er gebeurde met de relatie tussen stofwisseling en grootte als we fysieke en geometrische beperkingen zoals deze negeerden.

Dus ontwikkelden we een wiskundig model van hoe dieren hun leven lang energie gebruiken. In ons model besteden dieren al vroeg in hun leven energie aan groei en vervolgens op volwassen leeftijd steeds meer energie aan voortplanting.

We hebben het model gebruikt om te bepalen welke kenmerken van dieren leiden tot de grootste hoeveelheid reproductie gedurende hun leven - per slot van rekening is reproductie vanuit evolutionair oogpunt het belangrijkste spel.

We ontdekten dat de dieren waarvan wordt voorspeld dat ze het meest succesvol zullen zijn in het reproduceren, die dieren zijn die precies het soort onevenredige schaalvergroting van het metabolisme vertonen met de grootte die we in het echte leven zien!

Deze bevinding suggereert dat onevenredige metabolische schaling geen onvermijdelijk gevolg is van fysieke of geometrische beperkingen. In plaats daarvan produceert natuurlijke selectie deze schaal omdat dit voordelig is voor levenslange reproductie.

De onontgonnen wildernis

In de beroemde woorden van de Russisch-Amerikaanse evolutiebioloog Theodosius Dobzhansky:"niets is logisch in de biologie behalve in het licht van evolutie."

Onze bevinding dat onevenredige schaalvergroting van het metabolisme kan optreden, zelfs zonder fysieke beperkingen, suggereert dat we op de verkeerde plaats naar verklaringen hebben gezocht.

Fysieke beperkingen zijn misschien minder vaak de belangrijkste drijfveren van biologische patronen dan werd gedacht. De mogelijkheden voor evolutie zijn breder dan we beseffen.

Waarom zijn we historisch zo bereid geweest om fysieke beperkingen op te roepen om biologie te verklaren? Misschien omdat we ons meer op ons gemak voelen in de veilige toevlucht van schijnbaar universele fysieke verklaringen dan in de relatief onontgonnen biologische wildernis van evolutionaire verklaringen.