Allomeetrilise skaleerimise uurija

Avasta, miks elevandi süda lööb aeglasemalt kui hiire oma: uuri, kuidas ainevahetus, eluiga ja muud tunnused skaleeruvad kehamassiga astmeseaduse Y = Y0 · M^a kaudu — karihiirtest sinivaalani.

Näidisarvutus — Allomeetrilise skaleerimise uurija

Suurus (Y)	Ainevahetuskiirus
eksponent	0.75

Need on väärtused, mida kalkulaator lehe avamisel näitab. Muuda ülal mõnda sisendit, et need ümber arvutada.

Interaktiivse simulatsiooni laadimine...

Sajand vaidlust ühe kümnendkoha üle, mis on väärt kahekordset vahet 🖖

Tööriistas on mõlemad astmenäitajad eelseadistatud, et saaksid neid lähenemisi vahetult kõrvutada. Pindala skaleerumine kasutab väärtust α = 0,67. See kehtib juhul, kui ainevahetuse kiiruse määrab keha võime naha kaudu soojust loovutada. Kleiberi seadus kasutab aga väärtust α = 0,75, mis on liikide peal reaalselt mõõdetud tulemus. Kui vaatleme 10 000-kordset massivahemikku, prognoosib 0,67 ainevahetuse kiirusele 479-kordset kasvu ja 0,75 ennustab 1000-kordset tõusu. Algandmed on samad, kuid tulemuste vahe on 2,09-kordne. Just selle lahknevuse tõttu vaieldigi astmenäitaja üle suurema osa kahekümnendast sajandist. See pole pelk ümardamise detail. See on kahekordistumine.

Miks astmeseadusest saab sirge 🖖

See tööriist kannab kehamassi mõne tunnuse, näiteks ainevahetuse kiiruse vastu log-log telgedele. Iga astmeseadus Y = Y₀ · M^α muutub seal sirgeks, mille tõus ongi astendaja α. Just seepärast kallutabki liuguri lohistamine sobitatud sirget — sa loed bioloogilise skaleerumisastendaja otse graafikult. Vali α = 3/4 ja andmed karihiirest sinivaalani asetuvad ühele sirgele, mis ulatub üle mitme suurusjärgu.

Iga imetaja südamelöökide eelarve 🖖

Südame löögisagedus kahaneb kui M^(−1/4), samal ajal kui eluiga kasvab kui M^(1/4), nii et nende korrutis — südamelöökide arv kogu elu jooksul — sõltub suurusest vaevu. Nii karihiir kui ka sinivaal kulutavad kumbki umbes 1,5 × 10⁹ lööki enne surma. Inimene on silmatorkav erand: nüüdisaegne meditsiin ja turvalisus venitavad meid umbes 2,9 × 10⁹-ni, ligi kaks korda üle imetajate normi.

Ülesanne täielikult lahendatud

4 000 kg elevant ja 25 g hiir ilma toiduta 5 sammu
Arvuta, kui palju kauem suudab elevant ilma toiduta läbi saada kui hiir. See on Kleiber (BMR) parameetriga α = 0,75, kasutades paari, mida tööriist juba võrdleb: 4 000 kg raskust elevanti ja 25 g raskust hiirt.
1. Astmeseadusel puudub oma skaala, mistõttu sõltub väljundite suhe üksnes sisendite suhtest ega olene kunagi mõõtühikutest. Kogu võrdlus taandub seega ühele ainukesele arvule.
  
  $\frac{Y _{2}}{Y _{1}} = (\frac{M _{2}}{M _{1}})^{α}, \frac{M _{E}}{M _{m}} = \frac{4000}{0.025} = 160000$
2. 160 000 on 20 neljandas astmes, seega on astendaja kolm neljandikku neljas juur, millele järgneb kuupi võtmine: 20, seejärel 8 000. Vastus on täpne ja seda ei saadud kalkulaatoriga.
  
  $160000 = 2 0^{4} ⟹ 16000 0^{0.75} = (2 0^{4})^{3/4} = 2 0^{3} = 8000$
3. Kleiberi seadus kirjeldab looma tervikuna; see, mida selle üks gramm põletab, on see suurus jagatuna massiga. Astendajast ühe lahutamine muudab kolm neljandikku miinus üheks neljandikuks ja elevandi gramm töötab kakskümmend korda aeglasemalt kui hiire oma.
  
  $\frac{B}{M} \propto M^{3/4 - 1} = M^{- 1/4}, \frac{8000}{160 000} = \frac{1}{20}$
4. Nüüd andkem mõlemale loomale kütusepaak. Kui salvestatud energia moodustab kindla osa kehamassist, skaleerub see esimese astmega, samal ajal kui põlemiskiirus skaleerub kolme neljandikuga – seega kannab erinevust jagatis ehk see, kui kaua paak kestab.
  
  $E = f M ⟹ τ = \frac{E}{B} \propto \frac{M}{M ^{3/4}} = M^{1/4}, 16000 0^{1/4} = 20$
5. Ühe neljandiku aste muudab kõik, mida puudutab, väga laugeks, mistõttu on vastupidavus võrdluses kõige aeglasemalt muutuv suurus. Selle kahekordistamiseks on vaja kuusteist korda suuremat looma ning 60 kg ja 90 kg kaaluva inimese vahel annab see juurde 11%.
  
  $\frac{τ _{2}}{τ _{1}} = 2 ⟺ \frac{M _{2}}{M _{1}} = 2^{4} = 16; (\frac{90}{60})^{1/4} = 1.11, (\frac{100 000}{0.025})^{1/4} = 2000 = 44.7$
Vastus

Tööriist kuvab α = 0,75 ning selle paari puhul masside suhteks 160 000 ja metabolismi suhteks 8 000. Arv, mida tööriist ei kuva, on see, mille need kaks omavahel moodustavad: 160 000 ÷ 8 000 = 20, mis on ühtlasi massisuhte neljas juur. See ainus 20 on üheaegselt nii elevandi eelis paastumisajas kui ka hiire puudus toitumissageduses – sama neljanda astme juur, loetuna vastassuundades. Kuna astendaja on nii väike, on efekt liigi sees märkamatu ja klassi lõikes silmatorkav: 11% kahe täiskasvanu vahel ning 44,7× üle hiire ja sinivaala vahemiku, mida graafik kujutab. Mitte miski siin ei nõudnud bioloogiast rohkem kui ühte astendajat ja eeldust, et kütus on kindel osa massist.

$B \propto M^{3/4} ⟹ \frac{B}{M} \propto M^{- 1/4}, τ \propto M^{1/4}$

Allikad (4)

The 3/4 exponent, as originally measured: Max Kleiber, "Body size and metabolism." Hilgardia 6, 315–353, 1932.
The fractal-network argument for 3/4 — the explanation this tool deliberately does not assert as settled: G. B. West, J. H. Brown & B. J. Enquist, "A General Model for the Origin of Allometric Scaling Laws in Biology." Science 276, 122–126, 1997.
The case for 2/3 instead, which is why the exponent is still argued over: C. R. White & R. S. Seymour, "Mammalian basal metabolic rate is proportional to body mass^2/3." PNAS 100, 4046–4049, 2003.
A direct re-examination of the evidence for either value: P. S. Dodds, D. H. Rothman & J. S. Weitz, "Re-examination of the '3/4-law' of Metabolism." Journal of Theoretical Biology 209, 9–27, 2001.

42Mathi meeskond · Kontrollitud avaldatud allikate põhjal. Parandused on teretulnud.