Кіріспе

Аллометрия – дене мөлшерінің пішінге, анатомияға, физиологияға және мінез-құлыққа қатынасын зерттейтін ғылым. Аллометрияны алғаш рет 1892 жылы Отто Снелл, 1917 жылы Д’Арси Томпсон «Өсу және пішін» еңбегінде, ал 1932 жылы Джулиан Хаксли сипаттаған.

Аллометриялық масштабтау

Аллометриялық масштабтау – изометриядан кез келген ауытқу. Галилейдің «Екі жаңа ғылым туралы диалогтарында» талқыланған классикалық мысал – сүтқоректілердің қаңқасы. Дене мөлшері артқан сайын қаңқа құрылымы дене мөлшеріне қатысты күштірек және берік болады. Аллометрия көбінесе дене массасына немесе дене ұзындығына (бас-дене ұзындығы, жалпы ұзындығы және т.б.) негізделген масштабтау көрсеткіші ретінде беріледі. Толық аллометриялық масштабталған организмде көлемге негізделген барлық қасиеттер дене массасына пропорционалды түрде өзгереді, ал беткі ауданына негізделген қасиеттер массамен 2/3 дәрежеде, ал ұзындығына негізделген қасиеттер массамен 1/3 дәрежеде өзгереді. Статистикалық талдаулар нәтижесінде, мысалы, көлемге негізделген қасиеттің массаға 0,9 дәрежеде сәйкес келетіні анықталса, онда бұл «теріс аллометрия» деп аталады, себебі мәндер изометрия бойынша күтілгеннен кіші. Керісінше, егер беткі ауданына негізделген қасиет массаға 0,8 дәрежеде сәйкес келсе, онда мәндер изометрия бойынша күтілгеннен жоғары болады және организм «оң аллометрияны» көрсетеді. Оң аллометрияның бір мысалы – монитор ящерицаларының (Varanidae тұқымдасы) түрлерінде, оларда денесі үлкен түрлерде аяқтары салыстырмалы түрде ұзын болады. Бұл кейбір балықтарға да қатысты, мысалы, мысқал балығының салмағы ұзындығының шамамен 3,325 дәрежесімен өседі. Мысқал балығының ұзындығы 33%-ға артса, салмағы екі еседен астам артады.

Жүйенің аллометриямен масштабталуын анықтау

Изометрия немесе аллометрия бар-жоғын анықтау үшін, деректерді салыстыруға арналған айнымалылар арасындағы күтілетін қатынасты анықтау қажет. Бұл, деректер жиынтығындағы масштабтау қатынасының күтілетін қатынастан ауытқуын анықтау үшін маңызды (мысалы, изометрияға сәйкес келетіндері). Күтілетін еңісті анықтау үшін, өлшемдік талдау сияқты құралдарды қолдану өте пайдалы. Бұл "күтілетін" еңіс, белгілі болғандай, аллометрияны анықтау үшін маңызды, себебі масштабтау айнымалылары басқа нәрселермен салыстыру болып табылады. Мысалы, ұзындығына қатысты 5 еңіспен массаның масштабталуы 3-ке тең болса, онда масса өте жылдам өседі. Hill 1950 ұсынған және Wilson 2000 түсіндірген геометриялық ұқсастық моделіне сәйкес, әртүрлі өлшемдегі бақалар бірдей қашықтыққа секіруі керек, бірақ шындығында үлкен бақалар ұзағырақ секіреді. Ғылымда жиналған деректер әдетте түзу сызыққа сәйкес келмейді, сондықтан деректерді түрлендіру пайдалы. Сондай-ақ, деректерде не салыстырылып жатыр екенін есте ұстау маңызды. Бас ұзындығы мен енін салыстыру, бас ұзындығы мен дене ұзындығын салыстырудан өзгеше нәтижелер береді. Яғни, әртүрлі сипаттамалар әртүрлі масштабталуы мүмкін. Масштабтау деректері сияқты деректерді талдаудың әдеттегі тәсілі – логарифмдік түрлендіруді қолдану. Аллометрияны зерттеу үшін логарифмдік түрлендіруді қолданудың екі себебі бар: биологиялық және статистикалық себептер. Лог-лог түрлендіру сандарды геометриялық доменге орналастырады, сондықтан пропорционалдық ауытқулар масштаб пен өлшем бірліктеріне тәуелсіз тұрақты түрде көрсетіледі. Биологияда бұл орынды, өйткені көптеген биологиялық құбылыстар (мысалы, өсу, көбею, метаболизм, сезіну) негізінен көбейтілімді болып табылады. Статистикалық тұрғыдан алғанда, екі осьті де логарифмдерді пайдаланып түрлендіру және содан кейін сызықтық регрессия жасау пайдалы. Бұл деректерді қалыпқа келтіреді және сызықтың еңісін пайдаланып трендтерді талдауды жеңілдетеді. Деректерді талдау алдында, талдаумен салыстыру үшін сызықтың күтілетін еңісін анықтау маңызды. Деректер логарифмдік түрлендірілгеннен және сызықтық регрессия жасалғаннан кейін, салыстырулар үшін 95% сенімділік интервалымен ең кіші квадраттардың регрессиясын немесе азайтылған негізгі ось талдауын қолдануға болады. Кейде екі талдаудың нәтижелері әртүрлі болуы мүмкін, бірақ көбінесе олар бірдей болады. Егер күтілетін еңіс сенімділік интервалынан тыс болса, аллометрия бар. Егер осы ойша ұйымның массасы 5 еңісімен масштабталса, бұл статистикалық маңызды мән болса, онда бұл ұйымның массасы күтілетін мәнге қарағанда өте жылдам өседі. Ол оң аллометриямен масштабталады. Егер күтілетін еңіс 3 болса, ал шындығында белгілі бір организмнің массасы 1-ге масштабталса (егер бұл еңіс статистикалық маңызды болса), онда ол теріс аллометриялық болады.

Мысалдар

Жануардың массасы мен сипаттамалық ұзындығы арасындағы қатынастың күтілетін еңістігін табу үшін (суретті қараңыз), массаның бірліктері (M) y осьінен x осьінің бірліктеріне, Ұзындыққа (L) бөлінеді. L3 / L-дің екі логарифмдік графигіндегі күтілетін еңіс 3-ке тең. Бұл тура сызықтың еңісі. Тағы бір мысал: Күш бұлшық еттің көлденең қимасының ауданына (CSA) тәуелді, ол L2-ге тең. Егер күшті ұзындықпен салыстырсақ, күтілетін еңіс 2 болады. Бұл талдауды қуаттық регрессия арқылы да жүзеге асыруға болады. Деректер арасындағы байланысты графикке түсіріңіз. Оны қуаттық қисыққа сәйкестендіріңіз (статистикалық бағдарламаға байланысты, мұны бірнеше тәсілмен жасауға болады), және ол мынадай формадағы теңдеуді береді: y=Zxn, мұнда n – сан. Бұл "сан" дерек нүктелері арасындағы қатынасты көрсетеді. Осы талдау түрінің кемшілігі – ол статистикалық талдау жүргізуді біршама қиындатады.

Аллометриялық бұлшық еттің сипаттамасы

Жануарлардың бұлшық еттерінің қасиеттері жануарлардың әртүрлі өлшемдерінде ұқсас, бірақ бұлшық еттердің мөлшері мен пішіні оларға табиғи ортаның салған шектеулеріне байланысты өзгеріп, әртүрлі болуы мүмкін. Бұлшықет тіні өзінің жиырылу қасиеттерін сақтайды және жануардың мөлшеріне қарамастан өзгермейді. Бұлшықеттердегі физиологиялық масштабтау бұлшықет талшықтарының санына және олардың ішкі жылдамдығына әсер етеді, соның нәтижесінде әрбір жануардың қозғалысының максималды қуаты мен тиімділігі анықталады. Бұлшықеттерді жұмылдыру жылдамдығы жануардың салмағының куб түбіріне кері пропорционалды түрде өзгереді (мысалы, торғайдың қанат бұлшықеттерінің ішкі жиілігін аққудың жиілігімен салыстырыңыз). Максималды көбею жылдамдығы сияқты экологиялық айнымалыларға байланысты түрлер арасындағы аллометриялық қатынастарды динамикалық энергия бюджеті теориясы және экологияның метаболизмі теориясы тұрғысынан түсіндіруге әрекеттер жасалған. Дегенмен, бұл идеялар толыққанды сәттілікке қол жеткізбеді.

Зерттеу әдістері

Аллометрия кең ауқымдағы түрлерде қозғалыс принциптерінің үлгілерін зерттеу үшін пайдаланылған. Мұндай зерттеулер жануарлардың қозғалысын, соның ішінде әртүрлі жүріс түрлерінің қандай факторларды оңтайландыруға тырысатынын жақсырақ түсіну мақсатында жүргізілді. Бұл жүйелерді аллометриялық тұрғыдан зерттеу серіппелі механизмдердің неліктен осылай кең таралғандығын түсінуге көмектесті. 2001 жылы Ху мен Хейтон базалық метаболизмнің қарқыны дене массасының 2/3 немесе 3/4 дәрежесіне сәйкес келе ме екенін талқылады. 3/4 көрсеткіші негізінен метаболизм немесе метаболизм және экскреция арқылы шығарылатын заттар үшін, ал 2/3 көрсеткіші негізінен бүйрек арқылы шығарылатын дәрілер үшін қолданылуы мүмкін. Жоғарыда аталған жұмыстарға негізделген дәрілік дозаларды аллометриялық түрде онлайн есептеуге арналған құрал қолжетімді. АҚШ-тың Азық-түлік және дәрі-дәрмек басқармасы (FDA) 2005 жылы жануарлардың деректерінен дәрілік препараттардың клиникалық сынақтарында қолданылатын ең жоғары ұсынылатын бастапқы дозаны анықтау үшін қабылданатын шешімдер мен есептеулерді көрсететін нұсқаулық жариялады.

Сұйықтық қозғалысында аллометриялық масштабтау

Организмнің массасы мен тығыздығы оның сұйықтық арқылы қозғалуына зор әсер етеді. Мысалы, кішкентай организм флагеллумдарды пайдаланып, өмір сүретін сұйықтықта тиімді қозғала алады, ал көк кит, дәл сол ортадағы бактериямен салыстырғанда, сұйықтықтың тұтқырлығына қатысты әлдеқайда ауыр әрі тығыз болады. Сұйықтың организмнің сыртқы беткейімен өзара әрекеттесуі қозғалыс үшін маңызды. Жылдам жүзуге бейім организмдер үшін кедергі немесе қарсылық оның өнімділігін анықтайды. Бұл кедергіні екі түрлі ағын түрінде көруге болады: ламинарлық ағын, онда организмнен өткеннен кейін сұйықтық көбінесе бұзылмайды, және турбуленттік ағын, онда сұйықтық организмнің айналасында шашырап, организмнің инерциясы немесе жылдамдығынан энергияны жұтатын айланулар құрайды. Организмнің өлшемі де сұйықтық арқылы қозғалуға әсер етеді, себебі организмді жылжытуға және инерция арқылы жылдамдықты сақтауға энергия қажет. Дене салмағының бір грамына шаққандағы оттегінің жұмсалу мөлшері дене салмағының артуымен үнемі төмендейді.

Аллометриялық инженерия

Аллометриялық инженерия — топтар ішінде немесе топтар арасындағы аллометриялық байланыстарды өзгерту әдісі.

Қаланың ерекшеліктері

Қалалар мен тірі организмдер арасындағы бірқатар аналогтық ұғымдар мен механизмдерді қарастырып, Bettencourt және авторлар тобы қаланың байқалатын қасиеттері мен оның мөлшері арасындағы масштабталу қатынастарын көрсетті. ЖІӨ, «супершығармашылық» жұмыс орындары, өнертапқыштардың саны, қылмыс, аурудың таралуы – бәрі қала халқының санымен байланысты.