Цивилизация
Закон Клайбера (метаболический закон 3/4) — биохимическое правило, связывающее скорость основного обмена (минимальное количество энергии, необходимое организму для обеспечения нормальной жизнедеятельности в состоянии относительного психического и физического покоя) и массу организма. Закон был сформулирован швейцарским ученым Максом Клайбером в начале 1930-х годов.
На основе наблюдений Клайбер вывел формулу, говорящую, что для подавляющего большинства живых организмов скорость основного обмена пропорциональна массе их организма в степени 3/4.
Таким образом, если масса одного животного больше массы другого в 100 раз, то скорость основного обмена у него будет выше примерно в 31,6 раза.
Закон Клайбера объясняет, почему, например, у мыши и слона сердце бьется примерно одинаковое количество раз за жизнь, только при этом слон живет около 70 лет, а мышь — один год, а животные и растения маленького размера достигают зрелости раньше, чем крупные организмы. Благодаря закону можно рассчитать дозу лекарства, необходимую человеку, после тестирования препарата на грызунах. Однако до сих пор не было ясно: почему закон Клайбера работает? Живые организмы имеют самую разнообразную форму тела, массу, площадь поверхности...
Как может формула Клайбера отражать метаболический процесс всех животных и растений?
Группа ученых из США, Швейцарии и Италии под руководством Джайанта Банавара и Тодда Кука (Мэрилендский университет в Колледж-Парке) сумела объяснить закон Клайбера. С полным отчетом о работе исследователей можно ознакомиться в журнале PNAS.
В качестве объектов для сравнения исследователи взяли растение (дерево) и животное (тигра). Среди схожих черт ученые выделили наличие клеток, отвечающих за метаболизм, механизм транспортировки энергии, а также наличие внешних покровов, обменивающихся энергией с окружающей средой.
Принципиальные отличия в строении организмов растений и животных заключаются в следующем: дерево неподвижно, его масса распределяется неравномерно (большая часть сосредоточена в корнях, стволе и ветвях), площадь поверхности и занимаемое деревом пространство примерно равны. Задача дерева заключается в том, чтобы преобразовывать солнечный свет в энергию, и вне зависимости от размера растения питательные вещества в нем перемещаются с постоянной скоростью. Посчитав отношение между массами разных видов растений и скоростью их метаболизма, ученые подтвердили: они соответствуют закону Клайбера.
Что касается тигра, то он подвижен, масса его тела распределена равномерно. Тигр получает пищу извне, при переработке которой организм выделяет тепло. Животному необходимо избавляться от излишнего тепла, однако простого охлаждения через поверхность тела будет недостаточно: в отличие от растения площадь поверхности тела животного значительно меньше, чем занимаемое им пространство.
Если бы площадь тела была единственным фактором, который влияет на охлаждение организма, то в случае с животными степень пропорциональности скорости обмена к массе была бы не 3/4, а 2/3.
Очевидно, что для того, чтобы закон Клайбера был справедлив как для животных, так и для растений, необходимо найти еще один недостающий значимый фактор. Ранее исследователями предлагались такие варианты, как площадь поверхности внутренних органов или степень разветвленности кровеносных сосудов. Группа Джайанта Банавара и Тодда Кука выяснила: недостающим звеном является скорость перемещения питательных веществ в организме (у животных сформировались кровеносная система и сердце, перекачивающее кровь со скоростью, необходимой для нормального функционирования организма).
Ученые посчитали эту скорость и установили, что она равняется массе тела в степени 1/12. Получив эти данные, исследователи поняли, что сумели полностью объяснить закон Клайбера. Амос Маритан, итальянский ученый, принимавший участие в исследовании, комментирует: «Иногда элегантный ответ оказывается верным. Растения и животные имеют разное происхождение, однако они приходят к одному и тому же результату благодаря конвергентной эволюции».