Энергетические бюджеты объясняют эволюцию размеров тела

Новая модель распределения энергии у животных проливает свет на их жизнедеятельность и объясняет тенденцию к увеличению размеров тела в эволюции. Исследование, опубликованное в PNAS, показывает, что энергетические бюджеты определяются ключевым механизмом: вариацией ресурсов — мерой того, насколько рассредоточена или сконцентрирована пища и вода.

"Каждое живое существо сталкивается с этим, от одноклеточных форм жизни до млекопитающих или динозавров", — говорит соавтор Джастин Якил (Калифорнийский университет в Мерседе). Животные должны решать, как распределять энергию: на рост массы, размножение или другие цели.

Модель "очков здоровья"

В модели жизненный путь животного описывается ключевыми переменными: количество запасенной энергии, метаболизм, стоимость размножения и объем энергии, передаваемой потомству. "Животное описывается только своим энергетическим состоянием — как в видеоигре с очками здоровья", — поясняет ведущий автор Уттам Бхат (Калифорнийский университет в Мерседе). Подъемы и спады этого "бюджета" на протяжении жизни формируют индивидуальную историю.

Пространственное распределение ресурсов

В отличие от прежних моделей, где ресурсы поступали как по трубопроводу, новая модель учитывает их пространственное измерение. Ресурсы могут быть распределены равномерно (как на травянистых равнинах) или сконцентрированы в кластеры (как плодовые кусты). Колебания в доступности ресурсов, например, увеличение расстояния между кустами, оказывают огромное влияние.

"Если у вас много неопределенности, вам нужно иметь много буферов в теле", — говорит Бхат. Обычно это означает увеличение размеров тела — у крупных тел больше места для хранения энергии.

Связь с правилом Копа

Правило Копа предполагает, что размер животных в эволюционной линии обычно увеличивается. Ископаемая летопись подтверждает это для большинства млекопитающих: десятки миллионов лет назад предки слонов и синих китов были крошечными, размером с мышь.

Новая модель показывает: чем более рассредоточена и фрагментирована пища, тем нестабильнее популяция, причем мелкие животные страдают больше и с большей вероятностью вымирают.

Пример с распространением степей

От 20 до 5 миллионов лет назад по всему миру распространились степи. Для млекопитающих, которые адаптировались, увеличившись в размерах для питания травой, пища стала повсеместной. Мелкие животные не смогли воспользоваться этим новым ресурсом, и их шансы найти пищу снизились. Если подставить эти переменные в модель авторов, получится то, что показывает палеонтологическая летопись: эволюционное давление в сторону увеличения размеров травоядных — от грызунов до бизонов.

"Довольно забавно, что мы выстраиваем цепочку от индивидуального риска организма до долгосрочных эволюционных трендов", — отмечает соавтор Крис Кемпес (Институт Санта-Фе). Междисциплинарная работа, начатая в этом институте, объединила опыт авторов в физике, биологии и статистике.