Ученые создали компьютерную модель, которая может помочь решить долгосрочную тайну: как физиологические факторы, такие как интенсивность обмена веществ и продолжительность жизни связаны с размером тела. Модель, описанная в сегодняшней проблеме Науки, *, предполагает, что ветвящийся образец системы циркуляции может быть ведущим фактором в развитии обширного множества форм и размеров в живущем мире.От микроорганизмов до китов организмы охватывают по крайней мере 21 энергию 10 в размере. Но отношение между поднимает, и физиология оставила биологов озадаченными.
Интенсивность обмена веществ, например, варьируется по пропорции к 3/4 энергии массы организма – чем больше существо, тем медленнее ее метаболизм – и подобные отношения был найден для переменных, таких как продолжительность жизни, возраст в сексуальном созревании, и продолжительность беременности (1/4, 3/4, и-1/4 энергии массы). Общий фактор 1/4 энергии казался бы странным: энергии 1/3 были бы намного более логичными, если бы интенсивность обмена веществ отразила только трехмерные ограничения размера тела.Полный решимости решить эту проблему, экологов Джеймса Брауна и Брайана Энкуиста из университета Нью-Мексико, Альбукерке и физика Джеффри Веста Лос-Аламоса Национальная Лаборатория проанализировала организмы с точки зрения геометрии и физики сети линейных труб, транспортирующих питательные вещества и отходы через орган.
Ключевое понимание прибыло, когда бригада поняла, что такая сеть могла лучше всего быть описана как заполняющее пространство, fractallike ветвящаяся система. Рекурсивная геометрия, введенная впервые физиком Бенуа Мандельбротом, использовалась для моделирования многих на вид сложных естественных структур, от снежинок до ветвящихся образцов потоков, путем повторного применения простой математической формулы. «Исследователи ранее были склонны сосредотачиваться на отдельных частях транспортных систем, таких как главные суда или капиллярные кровати, и не сосредоточились на целой сети», говорит Браун.Используя этот подход, бригада развила общую модель для дизайна распределительных сетей, включающего и рекурсивную геометрию и гидродинамику.
Исследователи полагают, что их модель включает большинство фундаментальных особенностей реальной сети. Одной вещью, которую это предсказывает, является градус перехода в системе циркуляции: кит – 107 более тяжелый, чем мышь, но модель предполагает, что киту нужно только на 70% больше отделений в его системе циркуляции для поставки его органа.
И к восхищению бригады модель предсказывает загадочное 1/4-power вычисление. «Они действительно придумали что-то довольно неожиданное», говорит эколог Уильям Колдер из Аризонского университета. «Это более сильно, чем какая-либо модель, пришедшая прежде».* К полному тексту Отчета и подробной сопровождающей Новостной статьи Исследования могут получить доступ подписчики на Науку Онлайн.