Кіріспе
Клейбер заңы – 1930 жылдардың басында биология саласындағы жұмыстары үшін Макс Клейбердің есімімен аталады. Бұл заңға сәйкес, көптеген жануарларда жануардың метаболизмінің жылдамдығы жануардың массасының 3/4 дәрежесімен байланысты. Жақында Клейбер заңы өсімдіктерге де қатысты екені көрсетілді, бұл Клейбердің байқауының жалпылама сипаты бар екенін көрсетеді. Шартты түрде: егер B – жануардың метаболизмінің жылдамдығы, ал M – жануардың массасы болса, онда Клейбер заңы былай тұжырымдалады: Демек, бірдей уақыт ішінде массасы 100 есе артық болатын мысық, тышқанға қарағанда шамамен 32 есе ғана көп энергия жұмсайды. Клейбер заңындағы дәреже көрсеткішінің нақты мәні әлі анықталған жоқ, өйткені қазіргі таңда заңды толық түсіндіретін бір теориялық негіз жоқ.
Kleiber's law, named after Max Kleiber for his biology work in the early 1930s, is the observation that, for the vast majority of animals, an animal's metabolic rate scales to the 3/4 power of the animal's mass. More recently, Kleiber's law has also been shown to apply in plants, suggesting that Kleiber's observation is much more general. Symbolically: if B is the animal's metabolic rate, and M is the animal's mass, then Kleiber's law states that Thus, over the same time span, a cat having a mass 100 times that of a mouse will consume only about 32 times the energy the mouse uses. The exact value of the exponent in Kleiber's law is unclear, in part because the law currently lacks a single theoretical explanation that is entirely satisfactory.
Заңға ұсынылатын түсіндірмелер
Клейбер заңы, көптеген басқа да биологиялық аллометриялық заңдар сияқты, биологиядағы қан айналымы жүйелерінің физикасы және/немесе геометриясының салдары болып табылады. Макс Клейбер бұл заңды алғаш рет жеке түрлердің тыныс алуына қатысты көптеген тәуелсіз зерттеулерді талдағанда ашты. Ол өлшемдері әртүрлі жануарлардың негізгі метаболизмі олардың дене бетінің ауданына пропорционал екенін көрсетеді. Мұндай беттік заңдар қарапайым геометриялық ережелерден туындайды. Организмдердің мөлшері артқан сайын, олардың көлемі (демек, массасы) дене бетінің ауданынан әлдеқайда жылдам өседі. 2/3 масштабтауға қатысты түсіндірмелер метаболизм жылдамдығының қызып кетуді болдырмау үшін өзгеріп отыратынын болжайды. Дене беті арқылы жылу пассивті түрде жоғалады, ал метаболизм арқылы бүкіл массасында жылу өндіріледі, сондықтан метаболизм жылдамдығы шаршы-куб заңына қарсы тұру үшін сәйкес ауысуы керек. Көптеген физиологиялық процестер, мысалы, жылу жоғалту және қоректік заттардың сіңірілуі организмнің дене бетінің ауданына байланысты деп есептелгендіктен, метаболизм жылдамдығы дене массасының 2/3 дәрежесімен өседі деп болжанды. Рубнер (1883) бұл заңды алғаш рет иттердегі нақты тыныс алу сынақтары арқылы көрсетті.
Клейбердің үлесі
Макс Клайбер бұл тұжырымды 1930 жылдардың басында сынап көрді. Әртүрлі жануарлардың метаболизм деңгейлерін жан-жақты зерттеу нәтижесінде, ол 3/4 дәрежелі масштабтаудың 2/3 дәрежелі масштабтаудан тәжірибелік деректерге жақсы сай келетінін анықтады.
Экспансор
Вест, Браун және Энквист (бұдан әрі WBE) биологиядағы көптеген аллометриялық масштабтау заңдарының пайда болуына қатысты жалпы теория ұсынды. WBE теориясына сәйкес, 3/4 масштабтау организмдегі қоректік заттардың таралуы мен тасымалдану тиімділігінен туындайды. Көптеген организмдерде метаболизм, тармақталған түтікшелер (мысалы, өсімдіктердің тамыр жүйесі, жәндіктердің трахеясы немесе адамның қан айналымы жүйесі) бар қан айналымы жүйесімен қамтамасыз етіледі. WBE былай тұжырымдайды: (1) метаболизм осы қан айналымы жүйесіндегі қоректік заттар ағынына (немесе, эквивалентті түрде, жалпы сұйық ағынына) пропорционалды түрде масштабталуы керек, және (2) тасымалдау кезінде жұмсалатын энергияны азайту үшін қоректік заттарды тасымалдауға жұмсалатын сұйықтық көлемі (яғни қан көлемі) дене массасының белгілі бір үлесін құрайды. Олар одан әрі осы екі тұжырымның салдарын ең кішкентай қан айналымы түтікшелері (капиллярлар, альвеолалар және т.б.) деңгейінде талдайды. Эксперименттік мәліметтер бойынша, осы ең кішкентай түтікшелердегі көлем массаның кең диапазонында тұрақты болып қалады. Түтікше арқылы сұйық ағыны оның көлемімен анықталатындықтан, жалпы сұйық ағыны ең кішкентай түтікшелердің жалпы санына пропорционалды. Осылайша, егер B базалық метаболизм жылдамдығын, Q жалпы сұйық ағынын, ал N ең кішкентай түтікшелердің санын білдірсе, қан айналымы жүйелері жай ғана пропорционалды түрде үлкейіп өспейді; олар тереңдеп ұяланады. Ұялану тереңдігі түтікшелердің өлшемдерінің өзіне ұқсас көрсеткіштеріне байланысты, ал осы тереңдіктің әсері әрбір тармақталудан қанша "бала" түтікшелер пайда болатынына байланысты. Бұл мәндерді макроскопиялық шамалармен байланыстыру түтікшелердің нақты моделіне (шамалы дәрежеде) байланысты. WBE көрсеткендей, егер түтікшелер қатты цилиндрлермен жақсы жуықталған болса, онда сұйық кішкентай цилиндрлерде "біте қалуына" жол бермес үшін, жалпы сұйық көлемі V белгілі бір шартты қанағаттандыруы керек. Қан көлемі дене массасының тұрақты үлесі болғандықтан, нәтижесінде, метаболизм жылдамдығы мен дене массасының логарифмдік-логарифмдік графиктері жоғары қарай иіліп, квадраттық модельдерге жақсы сәйкес келеді. Барлық жағдайларда, жергілікті сәйкестіктер көрсеткіштері белгілі бір диапазонда орналасады. Бірақ, WBE-нің фракталды және қан айналымындағы қоректік заттарды тасымалдау желісіне қатысты болжамын жеңілдету арқылы ұқсас теорияны сақтап қалуға болады. Әр түрлі желілер тиімділігі төмен, себебі олар төменгі масштабтау көрсеткіштерін көрсетеді, бірақ қоректік заттар тасымалымен анықталатын метаболизм жылдамдығы әрқашан 2/3 және 3/4 аралығында масштабталады. (WBE фракталды қан айналымы желілерінің тасымалдауға жұмсалатын энергияны азайту үшін қажетті түрде дамитынын айтты, бірақ басқа зерттеушілер олардың шығарылымында елеусіз қателер бар екенін мәлімдейді.) Егер жоғары метаболизм жылдамдықтары эволюциялық артықшылыққа ие болса, онда аз массалы организмдер өз желілерін 2/3 мөлшерінде орналастыруға бейімділік танытады, ал үлкен массалы организмдер өз желілерін 3/4 мөлшерінде орналастыруға бейімділік танытады, бұл байқалатын қисықтықты тудырады.
Өзгертілген термодинамикалық модельдер
Балама модельде метаболизм тек жылу өндіру үшін ғана қызмет ететінін көрсетпейді. Тек пайдалы жұмысқа үлес қосатын метаболизм жылдамдығы 1 дәрежесімен (сызықтық түрде) өзгеруі керек, ал жылу өндіруге үлес қосатын метаболизм жылдамдығы бет ауданымен шектеліп, 2/3 дәрежесімен өзгеруі керек. Базалық метаболизм жылдамдығы осы екі фактордың дөңгелек комбинациясы болып табылады: егер пайдалы жұмыстың үлесі f болса, онда базалық метаболизм жылдамдығы k және пропорционалдық константалары бар жерде масштабталуы керек. Әсіресе организмдердің беткі ауданының қатынасын сипаттайды және шамамен тең; f үшін әдеттегі мәндер 15-20% құрайды. f-тің теориялық ең жоғары мәні 21% құрайды, себебі глюкозаның тотығу тиімділігі тек 42% ғана, ал өндірілген АТФ-тың жартысы ысырапқа кетеді. WBE керісінше, жануарлар тыныш күйдегі ең төмен энергия шығынына жету үшін бейімделуі мүмкін, бірақ басқа уақытта тиімділігі төмен жұмыс істеу мүмкіндігінен бас тартпайды. Басқа зерттеушілер де Козловский мен Конаржевскийдің заңға қатысты сын-пікірлері WBE қан айналым желілерінің нақты құрылымдық ерекшеліктеріне бағытталғанын, бірақ соңғылары модель үшін маңызды емес екенін атап өтті.
Эксперименттік қолдау
Физикалық айнымалыларға жасалған дисперсиялық талдаулар базалық метаболизмнің көп бөлігі массамен анықталатынын, бірақ дене температурасы және таксономиялық тәртіп сияқты қосымша айнымалылар да маңызды әсер ететінін көрсетеді. 1932 жылы Броди жасаған еңбек масштабталудың шамамен 0,73-ке тең екенін есептеді. 2004 жылы сүтқоректілердің далалық метаболизм деңгейлерін талдау олардың 0,749 көрсеткішімен масштабталатынын көрсетті. Дене массасының метаболиттік аллометриясын қай таксономиялық деңгейде зерттеу керек деген мәселе талқыланды. Дегенмен, бірнеше талдаулар Клейбердің дене мөлшері мен метаболизм арасындағы қатынасының көрсеткіштері түр ішінде өзгеруі мүмкін екенін, бірақ статистикалық тұрғыдан қарағанда, өсімдіктер мен жануарлардағы түр ішіндегі көрсеткіштер 3/4-ке жуықтап жинақталуға бейім.
Басқа патшалықтарда
1999 жылғы талдау көрсеткендей, белгілі бір өсімдіктегі биомасса өндірісі өсімдіктің өсу кезеңінде оның массасының 3/4 дәрежесімен өседі. Алайда, 2001 жылғы мақалада түрлі фотосинтез жасайтын бір жасушалы организмдерді зерттеу нәтижесінде масштабтау көрсеткіштері 0,75 мен 1,00 аралығында екені анықталды. 2006 жылы Nature журналында жарияланған зерттемеде өсімдік көшеттерінің масса көрсеткіші 1-ге жақын екені, бірақ түрлер, топтар және өсу жағдайлары арасындағы айырмашылықтар «Клайбер заңы» сияқты эффекттерді жоятыны туралы мәлімделді.