[論文レビュー] Interspecific allometric scaling of unicellular organisms as an evolutionary process of food chain creation

Yuri K. Shestopaloff|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2016

Physiological and biochemical adaptations参考文献 28被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、食物連鎖内での成功した繁殖を求める必要性によって駆動される進化的適応によって、単細胞生物における種間代謝スケーリングが生じると提唱する。5種の単細胞生物の成長モデルを用い、成長の終了時における代謝スケーリング指数は0.757、開始時では0.853を導出し、実験データとよく一致する。これにより、繁殖適応度が種間の代謝スケーリングを形作ることを示している。

ABSTRACT

Metabolism of living organisms is a foundation of life. The metabolic rate (energy production per unit time) increases slower than organisms' mass. When this phenomenon is considered across different species, it is called interspecific allometric scaling, whose causes are unknown. We argue that the cause of interspecific allometric scaling is the total effect of physiological and adaptation mechanisms inherent to organisms composing a food chain. Together, the workings of these mechanisms are united by a primary goal of any living creature - its successful reproduction. This primary necessity of each organism and of the entire food chain is that common denominator, to which all organisms adjust their metabolic rates. In this article, we consider unicellular organisms, while the second paper studies multicellular organisms and the entire concept in more detail. Here, using the proposed concepts and experimentally verified growth models of five different unicellular organisms, we obtain close to experimental findings values of allometric exponents of 0.757 for the end of growth and 0.853 for the beginning of growth. These results comply with experimental observations and prove our theory that the requirement of successful reproduction within the food chain is an important factor shaping interspecific allometric scaling.

研究の動機と目的

• 単細胞生物における種間代謝スケーリングの起源を説明すること。
• 食物連鎖のダイナミクスと関連する進化的圧力から代謝スケーリングがどのように生じるかを調査すること。
• 繁殖成功が食物連鎖内の種間で代謝率を統一するかを検証すること。
• 5種の単細胞生物の実験的に検証済みの成長モデルを用いて理論的予測を検証すること。

提案手法

• 代謝スケーリングが、繁殖成功に向かって整合化された生理的・適応的メカニズムに起因すると提唱する。
• 5種の単細胞生物に実験的に検証済みの成長モデルを適用し、サイズ範囲にわたる代謝スケーリングをシミュレートする。
• 成長段階の異なる時期における代謝率と生物体質量の相関を分析することで、代謝スケーリング指数を導出する。
• 食物連鎖に属するすべての生物が繁殖適応度を最適化するために代謝を調整する統一的枠組みを用いる。
• エネルギー生産、成長ダイナミクス、進化的適応を結びつける理論的モデルを採用する。
• 成長の開始時と終了時のスケーリング指数を分析することで、代謝の動的変化を捉える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既知の生理的制約を超えて、単細胞生物における種間代謝スケーリングを駆動するのは何か？
• RQ2 成功した繁殖の必要性が、食物連鎖内の種間で代謝スケーリングをどのように形作るか？
• RQ3 成長モデルから導かれた理論的代謝スケーリング指数が、実験的観察と一致するか？
• RQ4 生理的および適応的メカニズムは、種間で一貫した代謝スケーリングを生成するために果たす役割は何か？
• RQ5 単細胞生物の成長の異なる段階において、代謝スケーリング指数はどのように変化するか？

主な発見

• 成長の終了時における代謝スケーリング指数は0.757であり、代謝において広く観察される3/4乗則に非常に近い。
• 成長の開始時における代謝スケーリング指数は0.853であり、初期発達段階でより急激な代謝スケーリングを示している。
• 導出された指数は、5種の異なる単細胞生物において実験データと一貫している。
• モデルは、繁殖適応度が種間代謝スケーリングを統一的に形作る要因であることを示している。
• 結果は、食物連鎖のダイナミクスと繁殖のための進化的圧力が、代謝スケーリングの主要因であるという仮説を支持している。
• 理論は、物理的制約に起因するのではなく、進化的適応に基づく代謝スケーリングの起源を機械的メカニズムで説明している。