[論文レビュー] The role of blood circulatory system in thermal regulation of animals explained by entropy production analysis

Michael Zakharov, Michael G. Sadovsky|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2013

Thermoregulation and physiological responses参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、非平衡熱力学的モデルを用いて恒温動物の体温調節を提示し、エントロピー生成解析を通じて血流が安定したコア体温の維持を可能にする仕組みを説明する。線形相関が皮膚温度と環境温度の間に生じる理由はエントロピー収支に起因し、血流は第二法則に従う受動的だが効率的な熱輸送メカニズムとして機能することが示される。

ABSTRACT

A novel model of thermal regulation of homoeothermic animals has been implemented. The model is based on a non-equilibrium thermodynamic approach which introduces entropy balance and the rate of entropy generation as a formulation of The Second Law. The model explains linear correlation between an animals skin and environment temperatures using the first principles and demonstrates the role of blood circulation in the thermoregulation of homoeothermic animals.

研究の動機と目的

• 非平衡熱力学に基づき、恒温動物の体温調節を熱的に整合性のあるモデルとして構築すること。
• 第一原理を用いて皮膚温度と環境温度の間の観察された線形相関を説明すること。
• 血流の機能的役割を、エントロピー生成の最小化の結果として位置づけ、熱放出における役割を明確にすること。
• ニュートンの冷却法則を超えて、能動的体温調節を非平衡定常状態プロセスとしてモデル化すること。
• 睡眠、冬眠、トローパー状態などの極端な生理的状態を統一的熱力学枠組み内でモデル化する基盤を確立すること。

提案手法

• 動物の体を「コアとシェル」のモデルで表現し、コアを不可逆的代謝熱生成源として扱う。
• エントロピー収支方程式とエントロピー生成率を第二法則の定式化として用い、熱移動を記述する。
• 皮膚（シェル）を通じる熱放出を、温度勾配によって駆動される受動的で定常状態のプロセスとしてモデル化する。
• コアを、一定の熱生成率 $ H_{\text{exc}} $ を持つ、大規模で均一で閉じた系とし、非平衡定常状態にあると仮定する。
• シェル温度 $ T_s $ を直接制御するのではなく、第二法則に従って決定されるとみなすことで、熱移動の局所的最適化を可能にする。
• コア温度 $ T_c $ と熱フラックス $ J_c $ の局所的制御を導入し、皮膚温度が一様である必要がない空間的に不均一な調節を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 恒温動物における皮膚温度と環境温度の間の線形相関は、第一原理からどのように説明できるか？
• RQ2 環境の変動にかかわらず安定したコア体温を維持するために、血流が果たす熱力学的役割は何か？
• RQ3 なぜニュートンの冷却法則は、生体における能動的体温調節をモデル化するのに不適切なのか？
• RQ4 エントロピー生成率は、恒温動物における熱放出の効率性と安定性をどのように規定するか？
• RQ5 本モデルは、異なる熱力学的状態に分岐することで、睡眠、冬眠、トローパー状態を同じ熱力学形式で記述可能か？

主な発見

• 本モデルは、非平衡定常状態におけるエントロピー生成の最小化の結果として、皮膚温度と環境温度の間の線形関係を説明する。
• 血流は、皮膚温度の能動的制御を必要とせず、第二法則に従って自然に生じる最適で受動的な熱輸送メカニズムであることが示される。
• コア温度 $ T_c $ と熱フラックス $ J_c $ は局所的に最適化可能であり、一方シェルは環境条件とエントロピー収支に従って定常状態の温度 $ T_s $ をとる。
• 本モデルは、恒温動物における過剰な熱生成が、エントロピー生成によって支配される熱的に効率的な非平衡プロセスによって管理されることを示している。
• 本アプローチは、ニュートン的冷却を超えた理論的基盤を提供し、生体系が熱的平衡を能動的に抵抗することを示している。
• 本フレームワークは、同じ熱力学形式内で異なる代謝状態に切り替えることで、日周期リズムやトローパー状態をモデル化可能である。