[論文レビュー] Allometric scaling of heat and water exchanges in the mammals' lung

Benjamin Sobac, Cyril Karamaoun+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2019

Physiological and biochemical adaptations参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、粘膜温度ダイナミクスを支配する普遍的な無次元数 𝒢 によって駆動されるように、いかなるサイズの哺乳類でも、約6–7% の代謝熱が肺を通じて放出されることを示す解析的モデルを提示している。このモデルは、肺の熱および水分拡散容量が酸素消費量と密接にスケーリングすることを示しており、種間にわたる体温調節のための肺の進化的な最適化を示唆している。

ABSTRACT

Mammals have a high metabolism that produces heat proportionally to the power 3/4 of their mass at rest. Any excess of heat has to be dissipated in the surrounding environment to prevent overheating. Most of that dissipation occurs through the skin, but the efficiency of that mechanism decreases with the animal's mass. The role of the other mechanisms for dissipating heat is then raised, more particularly the one linked to the lung that forms a much larger surface area than the skin. The dissipation occurring in the lung is however often neglected, even though there exists no real knowledge of its dynamics, hidden by the complexity of the organ's geometry and of the physics of the exchanges. Here we show, based on an original and analytical model of the exchanges in the lung, that all mammals, independently of their mass, dissipate through their lung the same proportion of the heat they produced, about 6-7 %. We found that the heat dissipation in mammals' lung is driven by a number, universal among mammals, that arises from the dynamics of the temperature of the bronchial mucosa. We propose a scenario to explain how evolution might have tuned the lung for heat exchanges. Furthermore, our analysis allows to define the pulmonary heat and water diffusive capacities. We show in the human case that these capacities follow closely the oxygen consumption. Our work lays the foundations for more detailed analysis of the heat exchanges occurring in the lung. Future studies should focus on refining our understanding of the universal number identified. In an ecological framework, our analysis paves the way to a better understanding of the mammals' strategies for thermoregulation and of the effect of warming environments on mammals' metabolism.

研究の動機と目的

• 哺乳類の肺が熱をどれほど放出するかを定量化すること、特にその広大な表面積を踏まえて。
• 肺における熱交換が、哺乳類種にわたって代謝的スケーリング則に従うかどうかを調査すること。
• 気道粘膜における熱および水分交換ダイナミクスを支配する普遍的パラメータを同定すること。
• 特に大型哺乳類において、肺に起因する体温調節の進化的意義を評価すること。
• 肺の熱および水分拡散容量を扱いやすい解析的モデルとして構築・検証すること。

提案手法

• 保存則および拡散の法則に基づいて気管支樹における熱および水分交換の解析的モデルを構築した。
• 粘膜温度ダイナミクスから得られる無次元数 𝒢 を導出し、気道における熱の入力と損失のバランスを表した。
• モデルを用いて、肺の熱拡散容量 D′L,P および水分拡散容量 D′L,W を 𝒢 と換気量の関数として計算した。
• 安静時および最大運動時のヒト生理データ（Haverkamp et al., 2005）を用いてモデルを検証した。
• 全般的なスケーリング則を用いて、哺乳類全体における肺交換容量を体重および代謝量と関連づけた。
• モデル出力を酸素消費量に結びつけて、体温調節における機能的結合度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 さまざまな体重の哺乳類において、代謝熱のどの程度が肺を通じて放出されるか？
• RQ2 哺乳類呼吸器路における熱および水分交換を支配する普遍的生理的パラメータは存在するか？
• RQ3 肺の熱および水分拡散容量は、代謝量および体重とどのようにスケーリングするか？
• RQ4 大型哺乳類において皮膚による熱放出が低下するに伴い、肺に起因する熱放出がそれらをどの程度補っているか？
• RQ5 特に最大代謝率に達する運動時において、肺の体温調節的役割はどのように適応するか？

主な発見

• いかなる体重の哺乳類でも、総代謝熱の約6–7% が肺を通じて放出される。
• 粘膜温度ダイナミクスから導かれた普遍的な無次元数 𝒢 が、すべての哺乳類種における熱および水分交換を支配する。
• 肺の熱拡散容量 D′L,P は酸素消費量と密接にスケーリングしており、代謝要求に応じた機能的連携が示唆される。
• ヒトの最大運動時、D′L,P は約10倍に増加し、代謝熱生産の上昇と一致する。
• D′L,P / VO₂ の比は、運動強度にかかわらずほぼ一定であるため、肺による熱放出が代謝負荷に追従していることが示された。
• モデルは、皮膚による熱放出効率が低下する大型哺乳類において、肺の体温調節的役割がますます重要になることを予測している。