Trong nhiều thế kỷ, các nhà khoa học đã đặt câu hỏi tại sao, tính theo ki-lô-gam, động vật lớn đốt ít năng lượng hơn và đòi hỏi ít thức ăn hơn động vật nhỏ. Tại sao một con chuột chù nhỏ bé lại cần tiêu thụ lượng thức ăn gấp 3 lần trọng lượng cơ thể của nó trong khi một con cá voi khổng lồ có thể kiếm được khẩu phần ăn hàng ngày chỉ bằng 5-30% trọng lượng cơ thể ở loài nhuyễn thể?
Trong khi những nỗ lực trước đây để giải thích mối quan hệ này đã dựa vào vật lý và hình học, các nhà khoa học tin rằng câu trả lời thực sự là tiến hóa. Mối quan hệ này là thứ tối đa hóa khả năng sinh ra con cái của một con vật.
Những ràng buộc vật chất định hình cuộc sống đến mức nào?
Lời giải thích sớm nhất cho mối quan hệ không cân đối giữa sự trao đổi chất và kích thước đã được đề xuất cách đây gần 200 năm.
Năm 1837, các nhà sinh vật học người Pháp Pierre Sarrus và Jean-François Rameaux lập luận rằng sự chuyển hóa năng lượng nên quy mô theo diện tích bề mặt, thay vì khối lượng hoặc thể tích cơ thể. Điều này là do sự trao đổi chất tạo ra nhiệt và lượng nhiệt mà động vật có thể tản ra phụ thuộc vào diện tích bề mặt của nó.
Trong 185 năm kể từ khi Sarrus và Rameaux trình bày, nhiều lời giải thích thay thế cho sự mở rộng quy mô quan sát được của quá trình trao đổi chất đã được đề xuất.
Các nhà nghiên cứu Mỹ Geoff West, Jim Brown và Brian Enquist xuất bản năm 1997 đã đề xuất một mô hình mô tả sự vận chuyển vật chất của các vật chất thiết yếu thông qua mạng lưới các ống phân nhánh, như hệ thống tuần hoàn.
Họ lập luận rằng mô hình của họ cung cấp "một cơ sở lý thuyết, cơ học để hiểu vai trò trung tâm của kích thước cơ thể trong mọi khía cạnh của sinh học."
Hai mô hình này giống nhau về mặt triết học. Giống như nhiều cách tiếp cận khác được đưa ra trong thế kỷ qua, họ cố gắng giải thích các mô hình sinh học bằng cách viện dẫn các ràng buộc vật lý và hình học.
Tiến hóa chính là câu trả lời
Các sinh vật sống không thể bất chấp các quy luật vật lý. Tuy nhiên, sự tiến hóa đã được chứng minh là rất giỏi trong việc tìm ra cách khắc phục những hạn chế về vật lý và hình học.
Trong nghiên cứu mới của mình, các nhà sinh vật học quyết định xem điều gì đã xảy ra với mối quan hệ giữa tỷ lệ trao đổi chất và kích thước nếu bỏ qua những ràng buộc vật lý và hình học như thế này.
Vì vậy, họ đã phát triển một mô hình toán học về cách động vật sử dụng năng lượng trong vòng đời của chúng. Trong mô hình đó, động vật cống hiến năng lượng cho sự phát triển sớm trong cuộc đời của chúng và sau đó khi trưởng thành sẽ cống hiến một lượng năng lượng ngày càng tăng cho quá trình sinh sản.
Các nhà sinh vật học đã sử dụng mô hình để xác định những đặc điểm nào của động vật dẫn đến số lượng sinh sản lớn nhất trong vòng đời của chúng. Họ nhận thấy rằng những động vật được dự đoán là sinh sản thành công nhất là những loài thể hiện chính xác kiểu trao đổi chất không cân xứng với kích thước mà chúng ta thấy trong đời thực!
Phát hiện này cho thấy tỷ lệ trao đổi chất không cân xứng không phải là hệ quả tất yếu của các hạn chế về vật lý hoặc hình học. Thay vào đó, chọn lọc tự nhiên tạo ra tỷ lệ này vì nó thuận lợi cho việc sinh sản suốt đời.
Nhà sinh vật học người Mỹ Theodosius Dobzhansky từng nói: “Không gì có thể giải thích sinh học ngoại trừ đặt nó dưới ánh sáng của thuyết tiến hóa“.
Quy mô trao đổi chất không cân xứng có thể phát sinh ngay cả khi không có các ràng buộc vật lý cho thấy các nhà khoa học đã tìm sai chỗ để giải thích. Những hạn chế về thể chất có thể là động lực chính của các mô hình sinh học ít thường xuyên hơn người ta nghĩ. Những khả năng có sẵn cho sự tiến hóa rộng hơn chúng ta đánh giá cao.
Tại sao trong lịch sử, chúng ta luôn sẵn sàng viện dẫn những ràng buộc vật lý để giải thích sinh học? Có lẽ vì chúng ta cảm thấy thoải mái hơn khi ở trong nơi ẩn náu an toàn của những giải thích vật lý dường như phổ quát hơn là trong vùng hoang dã sinh học tương đối chưa được khám phá của những giải thích về tiến hóa.