Введение

Закон степенной зависимости, связывающий скорость метаболизма животного с его массой. Закон Клейбера, названный в честь Макса Клейбера за его работы в области биологии в начале 1930-х годов, заключается в том, что для подавляющего большинства животных скорость метаболизма пропорциональна массе животного в степени 3/4. В последнее время было показано, что закон Клейбера применим и к растениям, что позволяет предположить, что наблюдение Клейбера имеет гораздо более широкое применение. Символически: если B – скорость метаболизма животного, а M – масса животного, то закон Клейбера утверждает, что Таким образом, за один и тот же период времени кошка, масса которой в 100 раз больше массы мыши, будет потреблять примерно в 32 раза больше энергии, чем мышь. Точное значение показателя степени в законе Клейбера остаётся неясным, отчасти из-за отсутствия единого, полностью удовлетворительного теоретического объяснения этого закона.

Предлагаемые разъяснения закона

Закон Клайбера, как и многие другие биологические аллометрические законы, является следствием физики и/или геометрии систем кровообращения в биологии. Макс Клейбер впервые обнаружил этот закон, анализируя большое количество независимых исследований дыхания у разных видов. Закон утверждает, что основной обмен веществ у животных, различающихся по размеру, почти пропорционален площади их поверхности тела. Эта логика, основанная на законе поверхности, возникла из простых геометрических соображений. По мере увеличения размеров организмов их объем (и, следовательно, масса) увеличивается гораздо быстрее, чем площадь поверхности. Объяснения масштабирования со степенью 2/3 обычно исходят из предположения, что скорость метаболизма масштабируется для предотвращения перегрева. Поскольку тела пассивно теряют тепло через поверхность, но производят тепло метаболически во всем объеме, скорость метаболизма должна масштабироваться таким образом, чтобы компенсировать закон квадрата и куба. Поскольку многие физиологические процессы, такие как потеря тепла и усвоение питательных веществ, считались зависящими от площади поверхности организма, предполагалось, что скорость метаболизма будет масштабироваться как 2/3 степень массы тела. Рубнер (1883) впервые продемонстрировал этот закон в точных экспериментах по измерению дыхания на собаках.

Вклад Клайбера

Макс Клайбер оспорил это представление в начале 1930-х годов. Проведя обширные исследования скорости метаболизма у различных животных, он обнаружил, что зависимость в степени 3/4 лучше соответствовала эмпирическим данным, чем зависимость в степени 2/3.

Показатель

Уэст, Браун и Энквист (далее WBE) предложили общую теорию происхождения многих законов аллометрического масштабирования в биологии. Согласно теории WBE, масштабирование 3/4 возникает из-за эффективности распределения и транспорта питательных веществ по всему организму. В большинстве организмов обмен веществ поддерживается системой кровообращения, включающей разветвленные трубки (т. е. сосудистые системы растений, трахеи насекомых или сердечно-сосудистую систему человека). WBE утверждают, что (1) метаболизм должен масштабироваться пропорционально потоку питательных веществ (или, эквивалентно, общему потоку жидкости) в этой кровеносной системе и (2) для минимизации энергии, рассеиваемой при транспортировке, объем жидкости, используемой для транспортировки питательных веществ (т.е. объем крови), является фиксированной долей массы тела. Затем они анализируют последствия этих двух утверждений на уровне самых маленьких кровеносных трубок (капилляров, альвеол и т. д.). Экспериментально, объем, содержащийся в этих самых маленьких трубках, является постоянным в широком диапазоне масс. Поскольку поток жидкости через трубку определяется ее объемом, общий поток жидкости пропорционален общему количеству самых маленьких трубок. Таким образом, если B обозначает базовую скорость метаболизма, Q – общий поток жидкости, а N – количество минимальных трубок, то кровеносные системы не растут, просто пропорционально увеличиваясь в размере; они становятся более глубоко вложенными. Глубина вложенности зависит от показателей самоподобия размеров трубки, а эффекты этой глубины зависят от того, сколько «дочерних» трубок производит каждое разветвление. Связь этих значений с макроскопическими величинами зависит (очень слабо) от точной модели трубок. WBE показывают, что если трубки хорошо аппроксимируются жесткими цилиндрами, то, чтобы предотвратить «закупорку» жидкости в маленьких цилиндрах, общий объем жидкости V удовлетворяет) Поскольку объем крови является фиксированной долей массы тела, в результате логарифмические графики зависимости скорости метаболизма от массы тела, по-видимому, «искривляются» вверх и лучше соответствуют квадратичным моделям. Во всех случаях локальные подгонки демонстрируют показатели в диапазоне. Однако можно сохранить аналогичную теорию, ослабив предположение WBE о сети транспортировки питательных веществ, которая одновременно является фрактальной и циркуляционной. Другие сети менее эффективны, поскольку они демонстрируют более низкий показатель масштабирования, но скорость метаболизма, определяемая транспортом питательных веществ, всегда будет демонстрировать масштабирование между 2/3 и 3/4. (WBE утверждали, что фрактальные циркуляционные сети обязательно будут эволюционировать, чтобы минимизировать энергию, используемую для транспорта, но другие исследователи утверждают, что их вывод содержит тонкие ошибки.) Если более высокие скорости метаболизма эволюционно предпочтительны, то организмы с низкой массой предпочтут организовать свои сети для масштабирования как 2/3, но организмы с большой массой предпочтут организовать свои сети как 3/4, что приводит к наблюдаемой кривизне.

Модифицированные термодинамические модели

В альтернативной модели отмечается, что скорость метаболизма служит не только для выработки тепла. Скорость метаболизма, направленная исключительно на полезную работу, должна масштабироваться в первой степени (линейно), в то время как скорость метаболизма, способствующая генерации тепла, должна быть ограничена площадью поверхности и масштабироваться в степени 2/3. Базальный уровень метаболизма, таким образом, является выпуклой комбинацией этих двух эффектов: если доля полезной работы равна f, то базальный уровень метаболизма должен масштабироваться как , где k и – константы пропорциональности. В частности, описывает отношение площади поверхности организмов и приблизительно равно ; типичные значения для f составляют 15–20%. Теоретический максимум для f составляет 21%, поскольку эффективность окисления глюкозы равна лишь 42%, а половина полученного таким образом АТФ тратится впустую. WBE, напротив, утверждают, что животные вполне могут оптимизировать минимальные энергетические затраты на транспорт в состоянии покоя, не отказываясь от возможности менее эффективного функционирования в другое время. Другие исследователи также отмечали, что критика закона Козловского и Конаржевского обычно фокусируется на конкретных структурных деталях циркуляторных сетей WBE, однако последние не являются принципиальными для модели.

Экспериментальная поддержка

Анализ дисперсии для различных физических переменных показывает, что, хотя большая часть изменчивости в базовой скорости метаболизма определяется массой тела, дополнительные переменные со значительным влиянием включают температуру тела и таксономический порядок. В работе Броди 1932 года было рассчитано, что зависимость масштабируется примерно как 0,73. Анализ полевых показателей метаболизма млекопитающих, проведенный в 2004 году, показал, что они, по-видимому, масштабируются с показателем 0,749. Уровень таксономической организации, на котором следует изучать аллометрию метаболизма массы тела, является предметом дискуссий. Тем не менее, ряд анализов свидетельствуют о том, что, хотя показатели соотношения Клайбера между размером тела и метаболизмом могут варьироваться на внутривидовом уровне, статистически внутривидовые показатели как у растений, так и у животных, как правило, сосредоточены вокруг значения 3/4.

В других королевствах

Анализ 1999 года показал, что производство биомассы в растении масштабируется как 3/4 степень от массы растения в процессе его роста, однако в статье 2001 года, включавшей различные типы одноклеточных фотосинтезирующих организмов, были выявлены показатели масштабирования в диапазоне от 0,75 до 1,00. В статье 2006 года, опубликованной в журнале Nature, утверждалось, что показатель степени для массы близок к 1 для проростков растений, но различия между видами, отделами и условиями роста нивелируют любые эффекты, подобные "закону Клейбера".