Как эволюция формирует геометрию жизни: Ученые решают давнюю биологическую загадку

Почему сердце мыши бьется примерно столько же раз за свою жизнь, сколько и сердце слона, хотя мышь живет около года, а слон видит 70 зим? Почему мелкие растения и животные созревают быстрее крупных? Почему природа выбрала такие радикально разные формы, как свободная красота цветущего дерева и устрашающая симметрия тигра?

Междисциплинарная команда исследователей из Университета Мэриленда и Университета Падуи предлагает ответ, основанный на знаменитой математической формуле — законе Клейбера. В статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, команда предлагает переосмысление этой формулы, видя в ней математическое выражение эволюционного факта.

Закон Клейбера: факт без объяснения

Закон Клейбера — один из немногих широко признанных принципов в биологии: метаболизм пропорционален массе в степени 3/4. Эта формула, сформулированная швейцарским биологом Максом Клейбером в 1930-х годах, описывает, как с увеличением размера живых существ их метаболизм и продолжительность жизни возрастают по предсказуемым законам. Однако простое и убедительное объяснение, почему этот закон работает, долгое время отсутствовало.

Параллельная эволюция геометрии

Исследователи предполагают, что формы растений и животных эволюционировали в ответ на одни и те же математические и физические принципы для максимальной энергоэффективности.

• Растения (например, дерево) имеют более простую задачу: преобразовывать солнечный свет в энергию и распределять ее внутри практически неподвижного тела. Для эффективности они эволюционировали в разветвленную форму с большой поверхностью (листьями). Площадь поверхности дерева и объем пространства, который оно занимает, почти одинаковы, а скорость потока питательных веществ постоянна независимо от размера. Расчеты команды показали, что связь между массой разных видов деревьев и их метаболизмом соответствует закону Клейбера.
• Животные (например, тигр) сталкиваются с проблемой удаления избыточного тепла, образующегося при метаболизме. Площадь поверхности их тела пропорционально меньше массы, поэтому одной поверхностной теплоотдачи недостаточно.

Недостающее звено в уравнении

Если бы важна была только площадь поверхности, метаболизм животного увеличивался бы пропорционально массе в степени 2/3. Но закон Клейбера говорит о степени 3/4. Команда утверждает, что был упущен ключевой переменный фактор: скорость, с которой питательные вещества разносятся по телу, а тепло отводится. Ученые рассчитали скорость, с которой сердца животных перекачивают кровь, и обнаружили, что скорость кровотока пропорциональна массе в степени 1/12. Животным необходимо регулировать поток питательных веществ и тепла при изменении массы для поддержания максимальной энергоэффективности. Для этого им нужен насос — сердце, в отличие от деревьев.

Элегантное решение

Включив эту переменную (скорость потока) в свои уравнения, исследователи получили полное объяснение закона Клейбера. Этот результат демонстрирует конвергентную эволюцию: две очень разные линии (растения и животные) пришли к одному и тому же решению (энергоэффективной геометрии), движимые фундаментальными законами физики и математики.