Algunos organismos son capaces de locomoción rodante. Sin embargo, las ruedas y hélices verdaderas —a pesar de su ubicuidad y utilidad en los vehículos hechos por humanos— no han llegado a ser desarrolladas en los procesos evolutivos para el desplazamiento de los seres vivos. La única excepción se da en ciertos microorganismos, en los que se han desarrollado flagelos que giran sobre su eje longitudinal y actúan como un sacacorchos. Las criaturas con ruedas, en definitiva, solo se encuentran en la ficción especulativa.

Dada la ubicuidad de la rueda en la tecnología humana, y la existencia de análogos biológicos de muchas otras tecnologías (como las alas y las lentes), la falta de ruedas en el mundo natural parecería exigir una explicación, y, según los biólogos, el fenómeno se explica ampliamente por dos factores principales. En primer lugar, hay varios obstáculos de desarrollo y evolutivos para la aparición de una rueda por selección natural, abordando la pregunta «¿Por qué la vida no puede evolucionar ruedas?». En segundo lugar, las ruedas a menudo están en desventaja competitiva en comparación con otros medios de desplazamiento (como caminar, correr o deslizarse) en entornos naturales, abordando la pregunta «Si las ruedas pudieran evolucionar, ¿por qué podrían ser raras de todos modos?». Esta desventaja específica del entorno también explica por qué los humanos abandonaron la rueda en ciertas regiones al menos una vez en la historia.

Casos conocidos de rotación en biología Rodadura derecha|miniaturadeimagen|upright=1.2|alt=El pangolín Manis temminckii en una postura defensiva, en la que puede rodar|El pangolín Manis temminckii en una postura defensiva, en la que puede rodar

Algunos organismos usan la rodadura como medio de locomoción. Estos ejemplos no constituyen el uso de una rueda, ya que el organismo se hace girar como un todo, en lugar de emplear partes separadas que giran independientemente.

Varias especies de organismos alargados forman sus cuerpos en un bucle con el fin de rodar, incluyendo ciertas orugas, larvas de escarabajos tigre, miriápodos, gambas mantis, y ciertas salamandras. Otras especies adoptan posturas más esféricas, principalmente para la defensa, que pueden permitir la rodadura; este comportamiento se ha observado en pangolines, erizos, armadillos, lagartos armadillo, isópodos, arañas de ruedas, y trilobites fosilizados. Estas especies pueden rodar pasivamente (bajo la influencia de la gravedad o el viento) o activamente, por lo general mediante la alteración de su forma para generar una fuerza de propulsión.

Los estepicursores son las partes aéreas de ciertas plantas, que se separan de la raíz y ruedan con el viento para dispersar sus semillas.

Los escarabajos peloteros forman esferas con excrementos de animales, a los que hacen rodar con sus cuerpos. A pesar de que es la bola del estiércol la que rueda en lugar del propio escarabajo, los escarabajos se enfrentan a muchas de las mismas dificultades mecánicas con las que lidian los organismos de rodadura.

Los queratinocitos, un tipo de célula de la piel, migran con un movimiento de balanceo durante el proceso de cicatrización de heridas.

Los rotíferos, aunque su nombre en latín significa "portador de rueda", no tienen una estructura de rotación, sino más bien un anillo de cilios que golpean rítmicamente, utilizado para la alimentación y la propulsión.

Rotación libre Macroscópica

Entre los animales, existe un único ejemplo conocido de una estructura aparentemente de giro libre, aunque no es propulsivo: el estilo cristalino de ciertos bivalvos y gastrópodos. El estilo consiste en una varilla transparente de glicoproteínas que está formada continuamente en un saco forrado con cilios, y se extiende hacia el estómago. Los cilios hacen girar la varilla, de manera que se enrolla en hebras de mucosidad. A medida que la varilla se disuelve lentamente en el estómago, libera enzimas digestivas. Las estimaciones de la velocidad de rotación del estilo in vivo varían significativamente, y no está claro si el estilo se hace girar continua o intermitentemente.

Molecular Hay dos ejemplos conocidos de estructuras giratorias a escala molecular utilizados por las células vivas. La ATP sintasa es una enzima utilizada en el proceso de almacenamiento y transferencia de energía, en particular en la fotosíntesis y la fosforilación oxidativa. Tiene cierta similitud con los motores flagelares, que se discuten a continuación. Se supone que la evolución de la ATP sintasa es un caso de evolución en mosaico, por el que dos subunidades, cada una con sus propias funciones, se han asociado y conseguido una nueva funcionalidad.

miniaturadeimagen|izquierda|upright=1.3|alt=Diagrama de un flagelo bacteriano|El flagelo bacteriano, un verdadero ejemplo de estructura biológica que gira libremente El único ejemplo conocido de una "rueda" biológica, un sistema capaz de proporcionar un par motor propulsivo continuo sobre un elemento fijo al cuerpo, es el flagelo, una cola como un sacacorchos utilizado por procariotas unicelulares para la propulsión.:396 El flagelo bacteriano es el ejemplo más conocido. Alrededor de la mitad de todas las bacterias conocidas tienen al menos un flagelo, lo que indica que la rotación puede ser de hecho la forma más común de locomoción en los sistemas vivos, aunque su uso se restringe al entorno microscópico.

En la base del flagelo bacteriano, donde entra en la membrana celular, una proteína motora actúa como un motor rotativo. El motor es alimentado por la fuerza motriz de protones, es decir, por el flujo de protones (iones de hidrógeno) a través de la membrana celular bacteriana debido a un gradiente de concentración establecido por el metabolismo de la célula. (En las especies del género Vibrio, hay dos tipos de flagelos, lateral y polar, y algunos son impulsados por una bomba de iones de sodio en lugar de una bomba de protones.) Los flagelos son bastante eficientes, permitiendo que las bacterias se mueven a velocidades de hasta a 60 longitudes de células por segundo. El motor giratorio en la base del flagelo es similar en estructura a la ATP sintasa. Las bacterias Spirillum tienen cuerpos helicoidales con flagelos en cada extremo, que giran alrededor del eje central de su cuerpo mientras que se mueven a través del agua.

Archaea, un grupo de procariotas separado de las bacterias, también dispone de flagelos que son accionados por las proteínas de motor rotativo, que son estructuralmente y evolutivamente distintos de los flagelos bacterianos. Mientras que los flagelos bacterianos evolucionaron desde el sistema de secreción de tipo III de las bacterias, los de las arqueas parecen haber evolucionado de los pili de tipo IV.

Algunas células eucariotas, tales como el protista Euglena y el esperma animal, también tienen flagelos. Sin embargo, los flagelos eucariotas no giran en la base; más bien, se doblan de tal manera que la punta de los flagelos azota en círculo. El flagelo eucariota, también llamado cilio o undulipodio, es estructuralmente y evolutivamente distinto del flagelo procariota.

Barreras biológicas a los organismos de ruedas Limitaciones evolutivas miniaturadeimagen|upright=1.3|alt=Bosquejo de un paisaje de la aptitud|Bosquejo de un paisaje adaptativo. Las flechas indican el flujo preferente de una población en el paisaje, y los puntos A, B, y C son los óptimos locales. Los cambios potencialmente beneficiosos que requieran un descenso a un valle de aptitud (tales como el movimiento del punto A al punto B) son negados a las poblaciones que evolucionan por selección natural. Los procesos de la evolución, tales como se entienden en la actualidad, pueden ayudar a explicar por qué la locomoción de ruedas no ha evolucionado en los organismos multicelulares: en pocas palabras, una estructura o sistema complejo no evolucionará si su forma incompleta no proporciona ningún beneficio para el organismo.

De acuerdo con la síntesis evolutiva moderna, las adaptaciones se producen de forma gradual a través de la selección natural, por lo que los grandes cambios genéticos suelen extenderse dentro de las poblaciones solo si no disminuyen la aptitud de los individuos. Aunque los cambios neutros (los que no proporcionan ningún beneficio) se pueden propagar a través de la deriva genética, y los cambios perjudiciales pueden propagarse en algunas circunstancias,:728-729 los grandes cambios que requieren varios pasos solo se producirán si las etapas intermedias aumentan la aptitud. Richard Dawkins describe el asunto: "The wheel may be one of those cases where the engineering solution can be seen in plain view, yet be unattainable in evolution because it lies [on] the other side of a deep valley, cutting unbridgeably across the massif of Mount Improbable." ("La rueda puede ser uno de esos casos en los que la solución de ingeniería se puede ver a simple vista, sin embargo, es inalcanzable en la evolución porque yace al otro lado de un valle profundo, cortando infranqueablemente a través de la sierra del Monte Improbable.") En tal paisaje adaptativo, las ruedas pueden considerarse un "pico" muy favorable, pero el valle alrededor de ese pico puede ser demasiado profundo o amplio por el acervo génico para migrar a través de la deriva genética o la selección natural. Stephen Jay Gould señala que la adaptación biológica se limita a trabajar con componentes disponibles, comentando que ""wheels work well, but animals are debarred from building them by structural constraints inherited as an evolutionary legacy" ("las ruedas funcionan bien, pero los animales están privados de la construcción de ellas por las limitaciones estructurales heredadas como un legado evolutivo."):48

Por lo tanto, la selección natural explica por qué las ruedas son una solución poco probable para el problema de la locomoción – una rueda parcialmente evolucionada, con uno o más de sus componentes clave faltantes, probablemente no impartiría una ventaja para un organismo. La excepción a esto es el flagelo, el único ejemplo conocido en la biología de un sistema de propulsión que gira libremente; en la evolución de los flagelos, los componentes individuales fueron reclutados de estructuras antiguas, en las que realizaban tareas no relacionadas con la propulsión. El cuerpo basal, que es ahora el motor rotativo, por ejemplo, podría haber evolucionado a partir de una estructura utilizada por la bacteria para inyectar toxinas en otras células. Este reclutamiento de estructuras previamente evolucionadas para servir a nuevas funciones se llama exaptación.

El biólogo molecular Robin Holliday ha escrito que la ausencia de ruedas biológicas argumenta en contra del creacionismo y el diseño inteligente de la diversidad de la vida, debido a que al tratarse de un creador inteligente – libre de las limitaciones impuestas por la evolución – se esperaría que desplegara ruedas dondequiera que fueran de utilidad.

Restricciones del desarrollo y anatómicos

Mediante procesos de fabricación humanos, los sistemas de ruedas de complejidad variable han demostrado ser bastante simples de construir, y los problemas de transmisión de energía y de fricción han demostrado ser tratables. No está claro, sin embargo, si los muy diferentes procesos del desarrollo embrionario se adapten a – o incluso sean capaces de – producir una rueda funcional, por las razones descritas a continuación.