Эволюция: закон Клайбера

Благодаря работе, основанной на законе Клайбера (метаболический закон ¾) и применению его к отдельно взятым растениям и животным, исследователи смогли показать, что все живое является отображением эффективного распределения энергии.

Почему сердце мыши в течение жизни бьется примерно такое же количество раз, как и у слона, хотя мышь живет считанные годы, а продолжительность жизни слона достигает 70 лет? Почему небольшие растения вырастают быстрее, чем крупные? Как природе удалось одновременно создать такие радикально различные формы жизни как цветущее дерево и скалящийся тигр?

Эти вопросы занимали умы ученых с древнейших времен. Но сегодня междисциплинарная группа исследователей из США, Швейцарии и Италии под руководством Джайнта Банавара (Jayanth Banavar) и Тодда Кукка (Todd Cooke) предлагают свой ответ, основанный на знаменитой математической формуле, известной как закон Клайбера.

Рассматривая эту формулу как математическое выражение всей эволюции, исследовательская группа предполагает, что «растения и животные самых разных видов развивались параллельно, как идеальные пути решения проблемы эффективного потребления энергии».

Но почему закон Клайбера справедлив? Ведь строение организмов животных и растений очень сильно отличаются друг от друга.

Представьте себе два организма: дерево и тигра. В эволюционном смысле у дерева очень простая задача – преобразовывать солнечный свет в энергию, которая будет потребляться организмом. Чтобы эта задача выполнялась эффективно, дерево стало разветвленным и обзавелось потребляющими солнечный свет поверхностями – листьями.

Джайнта Банавара (Jayanth Banavar)физик, CMNS

Площадь поверхности дерева и объем пространства, которое оно занимает – это почти одно и то же. Питательные вещества циркулируют в нем примерно с постоянной скоростью, независимо от его размеров.

Учитывая эти переменные, команда исследователей рассчитала соотношение между массой различных видов деревьев и скоростью их метаболизма, обнаружив, что их расчеты соответствуют закону Клайбера.

Теперь посмотрим на тигра: чтобы поддерживать жизнь, животному необходимо потреблять пищу извне. Но при ее потреблении выделяется тепло. Значит тигру необходимо найти способ для избавления от избыточного тепла – самым очевидным способом является естественное охлаждение поверхности тела. Но поскольку площадь поверхности тигра пропорционально меньше, чем его масса, поверхности его тела не справиться с этой задачей. Соответственно животное должно было бы перегреваться.

Но мы знаем, что поскольку животные больше по размеру, их метаболизм должен расти медленнее, чем их объем. Однако площадь поверхности тела организма, через которую он обменивается теплом с окружающей средой – лишь один из факторов, влияющих на соблюдение закона Клайбера. Соответственно необходимо найти еще одну особенность, позволяющую соблюсти закон Клайбера – и исследовательская группа Банавара установила ее: в процессе эволюции животные приобрели кровеносную систему и сердце, которое перекачивает кровь именно с той скоростью, которая необходима для нормального функционирования организма.

Амос Маритан (Amos Maritan)физик, Падуанский университет

Иногда верным оказывается довольно элегантный ответ, у которого было мало предпосылок. У нас есть два направления – растения и животные, которые очень разные, но в своем развитии они приходят к одному и тому же результату, благодаря конвергентной эволюции. И это потрясающе потому, что этот результат базируется на основах физики и математики.