Om du tänker på att "reda upp universums mysterier", tänker du förmodligen på fysiken:astronomer som tittar genom teleskop på avlägsna galaxer, eller experimenterande som slår sönder partiklar i småbitar vid Large Hadron Collider.

När biologer försöker reda ut livets djupa mysterier tenderar vi också att söka efter fysiken. Men vår nya forskning, publicerad i Science, visar att fysik kanske inte alltid har svaren på frågor om biologi.

I århundraden har forskare frågat varför, kilo för kilo, stora djur förbränner mindre energi och kräver mindre mat än små. Varför behöver en liten muskaka konsumera så mycket som tre gånger sin kroppsvikt i mat varje dag, medan en enorm bardval kan klara sig på en daglig diet på bara 5-30 % av sin kroppsvikt i krill?

Medan tidigare försök att förklara detta förhållande har förlitat sig på fysik och geometri, tror vi att det verkliga svaret är evolutionärt. Detta förhållande är det som maximerar ett djurs förmåga att producera avkomma.

Hur mycket formar fysiska begränsningar livet?

Den tidigaste förklaringen till det oproportionerliga förhållandet mellan metabolism och storlek föreslogs för nästan 200 år sedan.

År 1837 hävdade de franska forskarna Pierre Sarrus och Jean-François Rameaux att energimetabolismen borde skala med yta snarare än kroppsmassa eller volym. Detta beror på att ämnesomsättningen producerar värme, och mängden värme ett djur kan avleda beror på dess yta.

Under de 185 år som gått sedan Sarrus och Rameaux presenterade, har många alternativa förklaringar för den observerade skalningen av metabolism föreslagits.

Förmodligen den mest kända av dessa publicerades av de amerikanska forskarna Geoff West, Jim Brown och Brian Enquist 1997. De föreslog en modell som beskriver den fysiska transporten av väsentliga material genom nätverk av förgrenade rör, som cirkulationssystemet.

De hävdade att deras modell erbjuder "en teoretisk, mekanistisk grund för att förstå kroppsstorlekens centrala roll i alla aspekter av biologi."

Dessa två modeller är filosofiskt lika. Liksom många andra tillvägagångssätt som lagts fram under det senaste århundradet, försöker de förklara biologiska mönster genom att åberopa fysiska och geometriska begränsningar.

Evolutionen hittar ett sätt

Levande organismer kan inte trotsa fysikens lagar. Ändå har evolutionen visat sig vara anmärkningsvärt bra på att hitta sätt att övervinna fysiska och geometriska begränsningar.

I vår nya forskning bestämde vi oss för att se vad som hände med sambandet mellan metabolisk hastighet och storlek om vi ignorerade fysiska och geometriska begränsningar som dessa.

Så vi utvecklade en matematisk modell för hur djur använder energi under sin livstid. I vår modell ägnar djur energi åt tillväxt tidigt i livet och sedan i vuxen ålder ägnar de allt större mängder energi åt reproduktion.

Vi använde modellen för att fastställa vilka egenskaper hos djur som resulterar i den största mängden reproduktion under deras livstid – trots allt är reproduktion ur en evolutionär synvinkel huvudspelet.

Vi fann att de djur som förutspås vara mest framgångsrika vid reproduktion är de som uppvisar exakt den typ av oproportionerlig skalning av ämnesomsättning med storlek som vi ser i verkligheten!

Detta fynd tyder på att oproportionerlig metabolisk skalning inte är en oundviklig konsekvens av fysiska eller geometriska begränsningar. Istället producerar naturligt urval denna skalning eftersom det är fördelaktigt för livstidsreproduktion.

Den outforskade vildmarken

Med de berömda orden av den rysk-amerikanske evolutionsbiologen Theodosius Dobzhansky, "ingenting är vettigt i biologi förutom i ljuset av evolutionen."

Vår upptäckt att oproportionerlig skalning av metabolism kan uppstå även utan fysiska begränsningar tyder på att vi har letat på fel ställe efter förklaringar.

Fysiska begränsningar kan vara de huvudsakliga drivkrafterna för biologiska mönster mer sällan än man har trott. De möjligheter som finns för evolution är bredare än vi uppskattar.

Varför har vi historiskt sett varit så villiga att åberopa fysiska begränsningar för att förklara biologi? Kanske för att vi är mer bekväma i den trygga tillflyktsort för till synes universella fysiska förklaringar än i den relativt outforskade biologiska vildmarken av evolutionära förklaringar.