Warum einer Maus Herzschlag über die gleiche Anzahl von Zeiten in seinem Leben wie ein Elefant ist , auch wenn die Maus lebt etwa ein Jahr , während ein Elefant sieht 70 Winter kommen und gehen ? Warum kleine Pflanzen und Tiere reifen schneller als große ? Warum hat die Natur so gewählt, radikal unterschiedliche Formen wie die losen Gliedmaßen Schönheit eines blühenden Baum und der Angst Symmetrie eines Tigers ?
Diese Fragen sind Naturwissenschaftler seit der Antike verwirrt. Jetzt ein interdisziplinäres Team von Forschern an der University of Maryland und der Universität Padua in Italien schlagen eine nachdenklich stimmende Antwort auf der Grundlage einer bekannten mathematischen Formel , die als wahre Generationen angenommen wurde , aber nie vollständig verstanden. In einem Papier in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht in der Woche vom 17. Februar 2014 , bietet das Team ein Überdenken der Formel wie Kleiber Gesetz bekannt . Wenn man diese Formel als mathematischer Ausdruck eines evolutionären Tatsächlich schlägt das Team , dass Pflanzen und Tiere sehr unterschiedliche Formen entwickelt parallel , als ideale Möglichkeiten, um das Problem, wie man Energie effizienter zu nutzen lösen.
Wenn Sie Biologie in der Schule oder Hochschule studiert , sind Chancen Sie gespeichert Kleiber Gesetz: Stoffwechsel gleich Masse an die Dreiviertel- Macht. Diese Formel , einer der wenigen weit verbreiteten Lehrsätze in der Biologie, zeigt, dass Lebewesen größer werden , ihren Stoffwechsel und ihre Lebenserwartung erhöhen zu vorhersehbaren Preisen. Nach der Schweizer Biologe Max Kleiber , der es in den 1930er Jahren formuliert Benannt passt das Gesetz Beobachtungen über alles, von der Energieaufnahme der Tiere um die Zahl der jungen tragen sie . Es wird benutzt, um die richtige Dosierung beim Menschen einer Medizin an Mäusen getestet , unter vielen anderen Dingen zu berechnen.
Aber warum Kleiber Gesetz oder Wirklichkeit? Generationen von Wissenschaftlern haben erfolglos nach einer einfachen, überzeugende Erklärung gejagt. In diesem neuen Papier , schlagen die Forscher, dass die Formen der Pflanzen und Tieren als Reaktion auf den gleichen mathematischen und physikalischen Grundlagen entwickelt. Beim Durcharbeiten der Logik Kleiber mathematische Formel zugrunde liegt, und getrennt Anwendung auf die Geometrie von Pflanzen und Tieren , konnte das Team um Jahrzehnte im Wert von realen Beobachtungen zu erklären .
" Pflanzliche und tierische Geometrien haben mehr oder weniger parallel entwickelt ", sagte UMD Botaniker Todd Cooke. " Die ersten Pflanzen und Tiere hatten einfache und ganz anderen Körper, sondern die natürliche Selektion auf den beiden Gruppen handelte , so dass die Geometrien der modernen Bäume und Tiere sind , bemerkenswert und zeigt gleichwertige Energieeffizienz . Sie sind beide gleichermaßen fit . Und das ist es, was Kleiber Gesetz zeigt uns . "
Bild zweier Organismen : ein Baum und ein Tiger . Entwicklungsgeschichtlich hat der Baum die leichtere Aufgabe : wandeln das Sonnenlicht , um Energie und verschieben Sie sie in einem Körper, der mehr oder weniger kann bleiben . Seine Blätter - Um diese Aufgabe so effizient wie möglich zu machen, hat der Baum eine Verzweigung Form mit vielen Oberflächen entwickelt.
"Der Baum der Oberfläche und das Volumen des Raumes einnimmt nahezu gleich sind ", sagte der Physiker Jayanth Banavarr , Dekan des College of UMD Informatik , Mathematik und Naturwissenschaften . " Nährstoffe des Baumes fließt mit einer konstanten Geschwindigkeit , unabhängig von ihrer Größe . "
Mit diesen Variablen , die Mannschaft berechnet das Verhältnis zwischen der Masse der verschiedenen Baumarten und ihren Stoffwechsel , und festgestellt, dass die Beziehung entsprach Kleiber Gesetz .
Um die Masse zu ernähren, muss ein Tier Kraftstoff. Brennen , dass Kraftstoff erzeugt Wärme. Das Tier hat einen Weg finden, der überschüssige Körperwärme loszuwerden . Der offensichtliche Weg ist Oberflächenkühlung . Aber weil Fläche des Tigers ist proportional kleiner als die Masse , die Oberfläche ist nicht bis zur Aufgabe . Verbergen der Kreatur würde sich glühend heiß , und sein Fell könnte sich entzünden .
So wie die Tiere bekommen in der Größe größer , muss ihren Stoffwechsel langsamer als die Lautstärke zu erhöhen, oder sie würden nicht in der Lage, der überschüssige Wärme loszuwerden. Wenn die Fläche die einzige Sache, die von Bedeutung wäre ein Tier Stoffwechsel seine Größe zugenommen, mit der Rate von seiner Masse an die zwei Drittel Leistung . Aber Kleiber Gesetz , das von vielen Gruppen von Beobachtungen gestützt , so die tatsächliche Rate ist Masse auf die drei Viertel Macht.
Offensichtlich gibt es eine fehlende Faktor , und Wissenschaftler haben über die Daten in einem Versuch , um herauszufinden, was es ist, brütete . Einige haben vorgeschlagen, dass der fehlende Teil der Gleichung , um mit dem Raum, der durch die inneren Organe besetzt machen . Andere haben auf der fraktalen oder Verzweigungen, Form, üblich, Äste und Blutgefäße der Tiere ist konzentriert, aber in neuen Annahmen über das Volumen der in diesen fraktale Netze enthaltenen Flüssigkeiten aufgenommen.
Die UMD und Universität Padua Forscher argumentieren, eine entscheidende Variable wurde übersehen : die Geschwindigkeit, mit der Nährstoffe im ganzen Körper der Tiere durchgeführt und Wärme abgeführt wird . So sind die Teammitglieder berechnet die Geschwindigkeit, mit der Tiere Herzen pumpen Blut und festgestellt, dass die Geschwindigkeit des Blutflusses gleich der Tiere war "Masse auf die ein Zwölftel Macht.
" Die Information war schon immer da , aber seine Bedeutung übersehen worden sind ", sagte Andrea Hydrologe Rinaldo der italienischen Universität Padua und der Schweiz Eidgenössischen Technischen Hochschule . " Tiere brauchen , um den Fluss von Nährstoffen und Wärme als ihre Massenänderungen , um die größtmögliche Energieeffizienz zu halten einstellen Deshalb Tiere brauchen eine Pumpe - . Ein Herz - . Und Bäumen nicht"
Anschließen , dass die Informationen in ihre Gleichung , die Forscher fanden sie eine vollständige Erklärung für Kleiber Gesetz erreicht hatte .
" Eine elegante Antwort manchmal die richtige ist , und es gibt eine Eleganz , dies in dem Sinne, dass es sehr einfache geometrische Argumente verwendet ", sagte Physiker Amos Maritan von der Universität Padua . "Es ist nicht für alle spezialisierten Strukturen erfordern . Es hat sehr wenige Voraussetzungen . Sie haben diese beiden Linien , Pflanzen und Tiere , die sehr unterschiedlich sind, und sie zu dem gleichen Ergebnis kommen . Das ist eine so genannte konvergente Evolution , und die atemberaubende Ergebnis ist, dass sie , die ist von der zugrundeliegenden Physik und der zugrunde liegenden Mathematik getrieben . "