Việc động vật có kích thước cơ thể càng to lớn càng tiêu thụ ít năng lượng tương đối so với động vật nhỏ là một câu hỏi hóc búa với giới sinh học.
Nếu hình dung về những công việc dạng "làm sáng tỏ những bí ẩn của vũ trụ", hẳn mọi người sẽ nghĩ ngay đến các vấn đề vật lý xa xôi: các nhà thiên văn quan sát qua kính viễn vọng các thiên hà tít tắp, hoặc các nhà thí nghiệm "nghịch" với các hạt cơ bản trong máy gia tốc hạt.
Khi các nhà sinh vật học cố gắng làm sáng tỏ những bí ẩn sâu xa của vũ trụ, họ cũng có xu hướng tiếp cận bằng vật lý học nhằm lý giải. Nhưng theo một nghiên cứu mới được công bố trên chuyên trang Science, đôi khi vật lý - môn học của thế giới vật chất - cũng "bó tay" với vài vấn đề sinh học.
Trong nhiều thế kỷ, các nhà khoa học đã đặt câu hỏi tại sao, một cách tương đối, động vật lớn lại 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 no đủ hàng ngày chỉ bằng 5-30% trọng lượng cơ thể, với thức ăn chủ yếu là loài nhuyễn thể?
Xét một cách tương đối, con chuột tí hon "phàm ăn" hơn cả cá voi khổng lồ.
Mặc dù những nỗ lực trước đây để giải thích "nghịch lý" này đã dựa vào vật lý và hình học, các nhà sinh học tin rằng câu trả lời thực sự nằm ở tiến hóa. Chìa khóa là việc tối ưu hóa khả năng có con của các sinh vật.
Câu hỏi đau đầu, vật lý cũng gặp khó
Nỗ lực giải thích đầu tiên cho hiện tượng "chuột ăn lắm, cá voi ăn ít" hay nói đúng hơn là mối quan hệ bất tương xứng giữa kích thước cơ thể với nhu cầu chuyển hóa, diễn ra cách đây gần 200 năm.
Vào năm 1827, 2 nhà khoa học Pháp Pierre Sarrus và Jean-François Rameaux lập luận rằng mức chuyển hóa năng lượng nên tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt cơ thể thay vì khối lượng hay thể tích. Vấn đề ở chỗ, chuyển hóa tạo ra nhiệt lượng, và lượng nhiệt mà một con vật có thể phân tán ra môi trường lại phụ thuộc vào diện tích bề mặt cơ thể của nó.
Trong 185 năm kể từ khi Sarrus và Rameaux đưa ra lời giải, nhiều nỗ lực khác đã được đề xuất.
Voi châu Phi còn ăn khiêm tốn hơn, với mức tiêu thụ 4-7% khối lượng cơ thể/ngày.
Được cho là nổi tiếng nhất trong số này là nghiên cứu của Mỹ do Geoff West, Jim Brown và Brian Enquist xuất bản vào năm 1997. Họ đề xuất một mô hình mô tả sự vận chuyển của các vật chất thiết yếu thông qua mạng lưới các ống phân nhánh, mô phỏng hệ thống tuần hoàn.
Họ cho 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".
2 lời giải trên giống nhau về mặt học thuật. Giống như nhiều cách tiếp cận khác được đưa ra trong thế kỷ qua, họ cố gắng lý giải các mô hình sinh học bằng cách viện dẫn các ràng buộc vật lý và hình học.
Vấn đề nằm ở tiến hóa
Các sinh vật sống không thể tồn tại 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 học tại Đại học Monash quyết định xem điều gì sẽ xảy ra với mối quan hệ giữa tỷ lệ trao đổi chất và kích thước nếu bỏ qua các ràng buộc vật lý và hình học.
Họ phát triển một mô hình toán học chỉ ra rằng động vật sẽ dành phần lớn năng lượng trong giai đoạn đầu đời để phát triển và khi đã trưởng thành, phần lớn năng lượng sẽ dành cho việc duy trì nòi giống.
Họ cố gắng xác định xem nhân tố nào trong đời sống động vật chi phối khả năng sinh sản trong cuộc đời chúng, và phát hiện ra là càng các động vật to lớn nhưng tiết kiệm năng lượng giống ví dụ về cá voi ở trên, lại càng thành công trong việc sinh con đẻ cái.
Nói cách khác, chính chọn lọc tự nhiên đã làm việc của nó và khiến điều khó hiểu về mặt vật lý trên. Nhà sinh vật học người Mỹ Theodosius Dobzhansky từng có câu nói nổi tiếng: "Chẳng gì giải thích được sinh học trừ việc đặt nó dưới ánh sáng của thuyết tiến hóa".
Nói tóm lại, đôi khi sinh học và sự sống kỳ diệu đến mức tạo ra những điều tưởng như là "phép màu" trong thế giới vật chất.