Sự vắng mặt của cấu trúc bánh xe trong thiên nhiên thường được cho là do những ràng buộc về mặt sinh học: chọn lọc tự nhiên hạn chế các con đường tiến hóa có thể có cho các loài,[38] và các quá trình mà các sinh vật đa bào thực hiện sinh trưởng cũng như phát triển có lẽ đã không cho phép việc tạo ra một bánh xe có thể hoạt động được.[39]

Cản trở về mặt tiến hóa

Minh họa của một cảnh quan độ thích nghi (fitness landscape), cho thấy dòng chuyển dịch di truyền của quần thể có xu hướng tiến đến một đỉnh cực thuận địa phương. Những thay đổi có thể có lợi (tức đi về phía đỉnh) nhưng phải rơi xuống "thung lũng" độ thích nghi sẽ không được giữ lại bởi chọn lọc tự nhiên.

Các quá trình tiến hóa có thể giúp giải thích tại sao việc di chuyển bằng bánh xe đã không tiến hóa ở các sinh vật đa bào: nói một cách đơn giản, một cấu trúc hoặc hệ thống phức tạp sẽ không tiến hóa nếu dạng không hoàn chỉnh của nó không mang lại lợi thế gì cho sinh vật.[38]

Sự thích nghi được tạo ra dần dần thông qua chọn lọc tự nhiên, vì vậy những thay đổi lớn về mặt di truyền thường chỉ lan tỏa trong quần thể nếu chúng không làm giảm độ thích nghi của các cá thể.[38] Mặc dù những thay đổi trung tính (những thay đổi không mang lại lợi ích hay tác hại gì) có thể lan rộng nhờ phiêu bạt di truyền,[40] và những thay đổi bất lợi có thể tăng độ phổ biển trong một số trường hợp,[41]:728–729, những thay đổi lớn đòi hỏi nhiều bước sẽ chỉ xảy ra nếu các giai đoạn trung gian khiến độ thích nghi tăng lên. Richard Dawkins mô tả vấn đề: "Bánh xe có thể là một trong những trường hợp mà giải pháp kỹ thuật có thể được nhìn thấy một cách đơn giản, nhưng lại không thể đạt được trong quá trình tiến hóa bởi vì nó nằm ở phía bên kia của một thung lũng sâu, một vách thẳm không thể vượt qua được chạy cắt ngang qua khối núi Bất khả thi."[38] Với cảnh quan độ thích nghi như vậy, bánh xe có thể nằm trên "đỉnh rất thuận lợi", nhưng thung lũng xung quanh đỉnh đó có thể quá sâu hoặc rộng để nguồn gen di chuyển qua do phiêu bạt di truyền hoặc chọn lọc tự nhiên. Stephen Jay Gould lưu ý rằng sự thích nghi sinh học chỉ có thể làm việc với các thành phần có sẵn, nhận xét rằng "bánh xe có thể hoạt động tốt, nhưng động vật không thể tạo nên chúng bởi những ràng buộc cấu trúc đã được truyền lại như là một di vật của tiến hóa".[39]:48

Do đó, chọn lọc tự nhiên giải thích tại sao bánh xe không phải là một giải pháp không khả thi cho vấn đề di chuyển: một bánh xe mới tiến hóa một phần, thiếu một hoặc nhiều thành phần quan trọng, có thể sẽ không mang lại lợi thế thích nghi gì cho sinh vật. Ngoại lệ duy nhất mà ta biết đến là roi ở các vi sinh vật, ví dụ duy nhất về một hệ thống quay tự do tạo ra lực đẩy; trong quá trình tiến hóa của roi, các thành phần riêng lẻ được tuyển chọn từ các cấu trúc cũ hơn, vốn thực hiện những nhiệm vụ không liên quan gì đến tạo ra lực đẩy. Ví dụ, bộ phận thể gốc hiện là động cơ quay, có thể đã tiến hóa từ một cấu trúc được vi khuẩn sử dụng để tiêm chất độc vào các tế bào khác. [42][43][44] Việc tuyển dụng các cấu trúc đã phát triển trước đây để phục vụ các chức năng mới được gọi là exaptation (thích nghi khuếch tán, cựu thích nghi).[45]

Nhà sinh vật học phân tử Robin Holliday đã viết rằng việc không có bánh xe trong thiên nhiên là một luận cứ chống lại những lời giải thích theo hướng thần tạo hoặc thiết kế thông minh cho sự đa dạng của sinh giới, bởi vì một thực thể sáng tạo thông minh - không gặp phải những giới hạn do quá trình tiến hóa đặt ra - sẽ tạo nên bánh xe ở bất cứ nơi nào chúng có thể sử dụng.[46]

Cản trở về mặt cấu trúc và phát triển

Trong các quy trình sản xuất của con người, các hệ thống bánh xe với độ phức tạp khác nhau có thể được tạo ra bằng một cách khá đơn giản, và các vấn đề về truyền lực và ma sát đã được chứng minh là có thể xử lý được. Tuy nhiên, ta không rõ rằng các quá trình phát triển phôi, rất khác biệt so với quy trình sản xuất trên, có phù hợp với — hoặc thậm chí có khả năng — tạo ra một bánh xe hoạt động hay không, vì những lý do được mô tả dưới đây.[lower-alpha 1][25][38][39][47]

Trở ngại giải phẫu lớn nhất đối với các sinh vật đa bào có bánh xe là mặt giao nhau (giao diện, interface) giữa các thành phần tĩnh và quay của bánh xe. Trong cả trường hợp quay bị động hoặc quay chủ động, bánh xe (và có thể cả trục) phải có khả năng quay tự do so với phần còn lại của bộ máy hoặc sinh vật.[lower-alpha 2] Không giống như các khớp động vật, vốn có giới hạn trong phạm vi chuyển động, bánh xe phải có thể xoay liên tục qua một góc tùy ý mà không cần phải "vặn trở lại". Vì vậy, một bánh xe không thể được gắn vĩnh viễn vào trục tĩnh (axle) hoặc trục động (shaft) mà trên đó nó quay (hoặc, nếu trục và bánh xe được cố định với nhau, bộ phận này không thể được gắn cố định vào phần còn lại của máy hoặc sinh vật).[39]:44 Có một số trở ngại về mặt chức năng được gây ra bởi yêu cầu này, mặc dù chúng có thể vượt qua ở một mức độ nào đó.

Các cơ xương (ở đây là hai cơ nổi bật ở tay) được gắn ở cả hai phía vào xương.

Dẫn truyền lực đến bánh xe

Ở trường hợp bánh xe chủ động, một mô-men xoắn cần được đặt vào kết cấu này để tạo ra lực di chuyển. Trong công nghệ của con người, mô-men xoắn này thường được cung cấp bởi một động cơ, trong đó có nhiều loại, bao gồm động cơ điện, động cơ đốt trong, động cơ tuabin, khí nén và thủy lực. (Mô-men xoắn cũng có thể được cung cấp bởi sức người, như trong trường hợp của xe đạp.) Ở động vật, chuyển động thường đạt được bằng cách sử dụng các cơ xương, với năng lượng được lấy từ quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng từ thức ăn.[2]:406 Bởi vì các cơ này được gắn vào cả hai thành phần được chuyển động tương đối với nhau, chúng không có khả năng trực tiếp dẫn động một bánh xe. Ngoài ra, động vật lớn không thể tạo ra gia tốc cao, vì quán tính tăng nhanh theo kích thước cơ thể.[47]

Ma sát

Giảm ma sát là một điều rất quan trọng để hạn chế việc mài mòn trên các bộ phận cơ học và ngăn ngừa sinh nhiệt quá nhiều.[49]:1 Khi tốc độ tương đối của các bộ phận tăng lên, cùng với sự gia tăng của lực tiếp xúc giữa các bộ phận này, việc giảm ma sát sẽ càng đóng vai trò quan trọng.[49]:2–3 Nhiều loại ổ trục và/hoặc chất bôi trơn khác nhau có thể được sử dụng để giảm ma sát ở mặt giao nhau giữa hai thành phần.[50] Trong các khớp sinh học, chẳng hạn như khớp gối của con người, ma sát được giảm bớt nhờ thành phần là sụn có hệ số ma sát rất thấp hoặc dịch bao hoạt, một chất lỏng có độ nhớt rất thấp và đóng vai trò như chất bôi trơn.[51] Gerhard Scholtz của Đại học Humboldt Berlin khẳng định rằng: chất bôi trơn hoặc vật liệu tế bào chết được tiết ra tương tự có thể cho phép bánh xe sinh học quay tự do.[5]

Vận chuyển chất dinh dưỡng và chất thải

Một vấn đề tiềm ẩn khác nảy sinh ở phần tiếp xúc giữa bánh xe và trục xe (hoặc giữa trục và thân) là khả năng hạn chế của sinh vật trong việc vận chuyển chất qua mặt giao nhau này. Nếu các mô tạo thành bánh xe là mô sống, chúng sẽ cần được cung cấp oxy và chất dinh dưỡng cũng như loại bỏ chất thải để duy trì sự trao đổi chất. Một hệ thống tuần hoàn động vật điển hình, bao gồm các mạch máu, sẽ không thể cung cấp sự vận chuyển qua mặt giao nhau như vậy.[38][2]:405 Trong trường hợp không có mạch máu, oxy, chất dinh dưỡng và các chất thải sẽ di chuyển bị động qua giao diện bằng cách khuếch tán, một quá trình bị hạn chế rất nhiều bởi áp suất riêng phần và diện tích bề mặt sẵn có, như đã được chỉ ra bởi định luật khuếch tán của Fick.[39]:48 Đối với động vật đa bào lớn, vận chuyển chất chỉ bằng khuếch tán sẽ là không đủ.[25] Một biện pháp thay thế là, bánh xe có thể được cấu tạo từ các thành phần không sống được tiết ra, chẳng hạn như keratin (còn được gọi là chất sừng, tồn tại điển hình ở tóc và móng tay).[5][25]