Se pensi a "svelare i misteri dell'universo", probabilmente pensi alla fisica:astronomi che scrutano attraverso i telescopi galassie lontane o sperimentatori che rompono le particelle in mille pezzi al Large Hadron Collider.

Quando i biologi cercano di svelare i profondi misteri della vita, anche noi tendiamo a cercare la fisica. Ma la nostra nuova ricerca, pubblicata su Science, mostra che la fisica potrebbe non avere sempre le risposte alle domande di biologia.

Per secoli gli scienziati si sono chiesti perché, chilo per chilo, i grandi animali bruciano meno energia e richiedono meno cibo di quelli piccoli. Perché un piccolo toporagno ha bisogno di consumare fino a tre volte il suo peso corporeo nel cibo ogni giorno, mentre un'enorme balena può cavarsela con una dieta quotidiana di appena il 5-30% del suo peso corporeo in krill?

Sebbene i precedenti sforzi per spiegare questa relazione si siano basati sulla fisica e sulla geometria, riteniamo che la vera risposta sia evolutiva. Questa relazione è ciò che massimizza la capacità di un animale di produrre prole.

Quanto i vincoli fisici modellano la vita?

La prima spiegazione per la relazione sproporzionata tra metabolismo e dimensioni è stata proposta quasi 200 anni fa.

Nel 1837, gli scienziati francesi Pierre Sarrus e Jean-François Rameaux sostenevano che il metabolismo energetico dovrebbe adattarsi alla superficie, piuttosto che alla massa corporea o al volume. Questo perché il metabolismo produce calore e la quantità di calore che un animale può dissipare dipende dalla sua superficie.

Nei 185 anni trascorsi dalla presentazione di Sarrus e Rameaux, sono state proposte numerose spiegazioni alternative per il ridimensionamento osservato del metabolismo.

Probabilmente il più famoso di questi è stato pubblicato dai ricercatori statunitensi Geoff West, Jim Brown e Brian Enquist nel 1997. Hanno proposto un modello che descrive il trasporto fisico di materiali essenziali attraverso reti di tubi ramificati, come il sistema circolatorio.

Hanno affermato che il loro modello offre "una base teorica e meccanicistica per comprendere il ruolo centrale delle dimensioni corporee in tutti gli aspetti della biologia".

Questi due modelli sono filosoficamente simili. Come numerosi altri approcci proposti nel secolo scorso, cercano di spiegare i modelli biologici invocando vincoli fisici e geometrici.

L'evoluzione trova un modo

Gli organismi viventi non possono sfidare le leggi della fisica. Eppure l'evoluzione ha dimostrato di essere straordinariamente efficace nel trovare modi per superare i vincoli fisici e geometrici.

Nella nostra nuova ricerca, abbiamo deciso di vedere cosa sarebbe successo alla relazione tra tasso metabolico e dimensione se avessimo ignorato vincoli fisici e geometrici come questi.

Quindi abbiamo sviluppato un modello matematico di come gli animali usano l'energia nel corso della loro vita. Nel nostro modello, gli animali dedicano energia alla crescita all'inizio della loro vita e poi nell'età adulta dedicano quantità crescenti di energia alla riproduzione.

Abbiamo utilizzato il modello per determinare quali caratteristiche degli animali determinano la maggior quantità di riproduzione nel corso della loro vita, dopo tutto, da un punto di vista evolutivo, la riproduzione è il gioco principale.

Abbiamo scoperto che gli animali che si prevede abbiano più successo nella riproduzione sono quelli che mostrano esattamente il tipo di sproporzionato ridimensionamento del metabolismo con le dimensioni che vediamo nella vita reale!

Questa scoperta suggerisce che il ridimensionamento metabolico sproporzionato non è una conseguenza inevitabile di vincoli fisici o geometrici. Invece, la selezione naturale produce questo ridimensionamento perché è vantaggioso per la riproduzione a vita.

Il deserto inesplorato

Nelle famose parole del biologo evoluzionista russo-americano Theodosius Dobzhansky, "nulla ha senso in biologia se non alla luce dell'evoluzione".

La nostra scoperta che un ridimensionamento sproporzionato del metabolismo può verificarsi anche senza vincoli fisici suggerisce che abbiamo cercato spiegazioni nel posto sbagliato.

I vincoli fisici possono essere i principali motori dei modelli biologici meno spesso di quanto si pensasse. Le possibilità a disposizione dell'evoluzione sono più ampie di quanto apprezziamo.

Perché storicamente siamo stati così disposti a invocare vincoli fisici per spiegare la biologia? Forse perché siamo più a nostro agio nel rifugio sicuro di spiegazioni fisiche apparentemente universali che nel deserto biologico relativamente inesplorato delle spiegazioni evoluzionistiche.