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动物生长的数学模型表明,生命是由生物学而非物理定义的 精选

已有 4950 次阅读 2022-8-21 16:41 |个人分类:新观察|系统分类:科普集锦

动物生长的数学模型表明,生命是由生物学而非物理定义的

诸平

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Juvenile lobster cockroaches Nauphoeta cinerea. Lobster cockroaches weigh around 5 mg when they hatch, and increase in mass by two orders of magnitude to 0.5 g as they grow to adult size. Credit: Monash University

据澳大利亚莫纳什大学(Monash University2022819日报道,莫纳什大学的科学家们挑战了传统观点,即生物模式是由物理约束(physical constraints)来解释的。

2022819日发表在《科学》(Science)杂志上的一项研究中,研究人员提出了他们的动物生长数学模型,该模型描述了随着年龄的增长和体型的增大,动物如何将能量用于生长和繁殖。动物生长的数学模型表明,生命是由生物学定义的,而不是由物理学定义的(Mathematical model of animal growth shows life is defined by biology, not physics)。详见Craig R. WhiteLesley A. Alton, Candice L. Bywater, Emily J. LombardiDustin J. Marshall. Metabolic scaling is the product of life-history optimization. Science, 18 Aug 2022, 377 (6608): 834-839. DOI: 10.1126/science.abm7649. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm7649

蒙纳士大学生物科学学院和几何生物学中心(Monash University School of Biological Sciences, and the Center for Geometric Biology)的首席研究作者克雷格·怀特教授(Professor Craig White)说:“尽管生物有机体无法打破物理定律,但进化已经证明自己非常善于发现漏洞。”

生物学中一个无法解释的问题涉及能量代谢(energy metabolism)与体型之间的非比例(异速生长)关系{ non-proportional (allometric) relationship}

克雷格·怀特教授说:“发现动物的新陈代谢可以在不援引物理限制的情况下得到解释,这意味着在寻找这种普遍模式发生的原因时,我们一直在错误的地方寻找答案。”

他说:“我们认为,物理限制并不像以前想象的那样影响我们观察到的生物学,进化有着比以前想象的更广泛的选择。”

在发育或进化过程中,体型的增加通常伴随着能量需求(energy requirements)的不成比例的增加,因此,当按克比较时,大型动物(large animals)比小型动物消耗更少的能量和需要更少的食物。

例如,像鼩(shrews)这样的小型哺乳动物(small mammals)每天可能需要消耗三倍于其体重的食物,而最大的须鲸(baleen whales)每天仅消耗其体重的5%~30%的磷虾(krill)。

克雷格·怀特教授说:“我们的研究反驳了传统观点(conventional wisdom),即生物模式(如异速生长比例)是由于物理限制而产生的。”

他说:“我们设计了一个动物生长的数学模型,该模型描述了随着年龄和体型的增长,动物如何将能量分配从生长转移到繁殖,并表明当新陈代谢与体型不成比例时,终生繁殖是最大化的。”

“自19世纪初以来,提出的许多模型都使用了物理或几何约束来解释这种模式,但我们的模型却没有。简单地说,经典理论认为,动物拥有它们所拥有的新陈代谢是因为它们必须拥有,而我们发现它们拥有它们所拥有的新陈代谢是因为这是最好的。”

克雷格·怀特教授说,这项研究表明,异速生长比例不一定是物理或几何限制的结果。相反,自然选择(而非物理)支持异速生长比例。

本研究得到了澳大利亚研究理事会的资助(Australian Research Council: DP180103925; DP220103553)。

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道

Size may not matter when estimating community energy use

Optimized strategies for life

Metabolic theory posits that physical constraints on energy uptake and allocation drive biological processes. This theory predicts broad ecological patterns such as the observed allometric scaling relationship between animals’ metabolic rate and body size. White et al. developed a new theory showing that such patterns can also be explained by evolution acting concurrently on organisms’ metabolism, growth, and reproduction. Using data from over 10,000 species from 12 animal phyla, they found support for the prediction that species’ lifetime reproduction is optimized, with growth and reproduction both increasing with metabolic level. This work proposes a bridge between metabolic and life history theory, two basic ways of understanding ecological patterns. —BEL

Abstract

Organisms use energy to grow and reproduce, so the processes of energy metabolism and biological production should be tightly bound. On the basis of this tenet, we developed and tested a new theory that predicts the relationships among three fundamental aspects of life: metabolic rate, growth, and reproduction. We show that the optimization of these processes yields the observed allometries of metazoan life, particularly metabolic scaling. We conclude that metabolism, growth, and reproduction are inextricably linked; that together they determine fitness; and, in contrast to longstanding dogma, that no single component drives another. Our model predicts that anthropogenic change will cause animals to evolve decreased scaling exponents of metabolism, increased growth rates, and reduced lifetime reproductive outputs, with worrying consequences for the replenishment of future populations.



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