Si vous pensez à « percer les mystères de l'univers », vous pensez probablement à la physique :des astronomes scrutant à travers des télescopes des galaxies lointaines, ou des expérimentateurs brisant des particules en miettes au Large Hadron Collider.

Lorsque les biologistes tentent de percer les mystères profonds de la vie, nous avons nous aussi tendance à rechercher la physique. Mais notre nouvelle recherche, publiée dans Science, montre que la physique n'a pas toujours les réponses aux questions de biologie.

Depuis des siècles, les scientifiques se demandent pourquoi, kilo pour kilo, les gros animaux brûlent moins d'énergie et nécessitent moins de nourriture que les petits. Pourquoi une minuscule musaraigne doit-elle consommer jusqu'à trois fois son poids corporel en nourriture chaque jour, alors qu'une énorme baleine à fanons peut se débrouiller avec une alimentation quotidienne de seulement 5 à 30 % de son poids corporel en krill ?

Alors que les efforts précédents pour expliquer cette relation reposaient sur la physique et la géométrie, nous pensons que la vraie réponse est évolutive. Cette relation est ce qui maximise la capacité d'un animal à produire une progéniture.

Dans quelle mesure les contraintes physiques façonnent-elles la vie ?

La première explication de la relation disproportionnée entre le métabolisme et la taille a été proposée il y a près de 200 ans.

En 1837, les scientifiques français Pierre Sarrus et Jean-François Rameaux ont soutenu que le métabolisme énergétique devrait s'adapter à la surface plutôt qu'à la masse ou au volume corporel. En effet, le métabolisme produit de la chaleur et la quantité de chaleur qu'un animal peut dissiper dépend de sa surface.

Au cours des 185 années écoulées depuis la présentation de Sarrus et Rameaux, de nombreuses explications alternatives à l'échelle observée du métabolisme ont été proposées.

Le plus célèbre d'entre eux a sans doute été publié par les chercheurs américains Geoff West, Jim Brown et Brian Enquist en 1997. Ils ont proposé un modèle décrivant le transport physique des matériaux essentiels à travers des réseaux de tubes ramifiés, comme le système circulatoire.

Ils ont fait valoir que leur modèle offre "une base théorique et mécaniste pour comprendre le rôle central de la taille corporelle dans tous les aspects de la biologie".

Ces deux modèles sont philosophiquement similaires. Comme de nombreuses autres approches proposées au cours du siècle dernier, elles tentent d'expliquer les schémas biologiques en invoquant des contraintes physiques et géométriques.

L'évolution trouve un moyen

Les organismes vivants ne peuvent défier les lois de la physique. Pourtant, l'évolution s'est avérée remarquablement efficace pour trouver des moyens de surmonter les contraintes physiques et géométriques.

Dans notre nouvelle recherche, nous avons décidé de voir ce qu'il advenait de la relation entre le taux métabolique et la taille si nous ignorions des contraintes physiques et géométriques comme celles-ci.

Nous avons donc développé un modèle mathématique de la façon dont les animaux utilisent l'énergie au cours de leur vie. Dans notre modèle, les animaux consacrent de l'énergie à la croissance au début de leur vie, puis à l'âge adulte, consacrent des quantités croissantes d'énergie à la reproduction.

Nous avons utilisé le modèle pour déterminer quelles caractéristiques des animaux entraînent la plus grande quantité de reproduction au cours de leur vie. Après tout, d'un point de vue évolutif, la reproduction est le jeu principal.

Nous avons constaté que les animaux dont on prévoit qu'ils réussiront le mieux à se reproduire sont ceux qui présentent précisément le type d'échelle disproportionnée du métabolisme avec la taille que nous voyons dans la vraie vie !

Cette découverte suggère qu'une mise à l'échelle métabolique disproportionnée n'est pas une conséquence inévitable de contraintes physiques ou géométriques. Au lieu de cela, la sélection naturelle produit cette mise à l'échelle car elle est avantageuse pour la reproduction à vie.

La nature sauvage inexplorée

Selon les mots célèbres du biologiste évolutionniste russo-américain Theodosius Dobzhansky, "rien n'a de sens en biologie sauf à la lumière de l'évolution".

Notre découverte selon laquelle une mise à l'échelle disproportionnée du métabolisme peut survenir même sans contraintes physiques suggère que nous avons cherché des explications au mauvais endroit.

Les contraintes physiques peuvent être les principaux moteurs des schémas biologiques moins souvent qu'on ne le pensait. Les possibilités d'évolution sont plus larges que nous ne l'imaginons.

Pourquoi avons-nous toujours été si disposés à invoquer des contraintes physiques pour expliquer la biologie ? Peut-être parce que nous sommes plus à l'aise dans le refuge sûr d'explications physiques apparemment universelles que dans le désert biologique relativement inexploré des explications évolutionnaires.