[논문 리뷰] Allometric scaling of heat and water exchanges in the mammals' lung

Benjamin Sobac, Cyril Karamaoun외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 26.

Physiological and biochemical adaptations참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 모든 포유류가 크기와 관계없이 대략 6–7%의 대사 열을 폐를 통해 방출하며, 점막 온도 역학을 지배하는 보편적인 무차원 수 𝒢에 의해 이끌린다는 분석 모델을 제시한다. 모델은 폐의 열 및 수증기 확산 용량이 산소 소비량과 밀접하게 비례함을 시사하여, 다양한 종에서 열조절 기능에 맞추어 진화한 폐 기능을 밝혀낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 포유류의 폐가 열을 방출하는 데 차지하는 비중을 정량화하는 것, 특히 그 큰 표면적을 감안할 때.
• 포유류 종 간에 폐 내 열교환이 체계적 비례 법칙을 따르는지 조사하는 것.
• 기도 점막 내 열 및 수증기 교환 역학을 지배하는 보편적 매개변수를 규명하는 것.
• 특히 큰 포유류에서 폐 기반 열조절의 진화적 의의를 평가하는 것.
• 폐의 열 및 수증기 확산 용량을 위한 실용적인 분석 모델을 개발하고 검증하는 것.

제안 방법

• 보존 법칙과 확산 원리를 기반으로 기도수계 내 열 및 수증기 교환에 대한 분석 모델을 수립하였다.
• 점막 온도 역학에서 유도된 무차원 수 𝒢를 도출하였으며, 이는 기도 내 열 입력과 손실 간의 균형을 나타낸다.
• 모델을 사용하여 폐의 열 확산 용량(D′L,P)과 수증기 확산 용량(D′L,W)을 𝒢와 통기량의 함수로 계산하였다.
• 휴식 및 최대 운동 시 인간 생리학 데이터(Haverkamp 등, 2005)를 사용하여 모델을 검증하였다.
• 모든 종에서 체중과 대사율에 따라 폐 교환 용량을 연결하기 위해 체계적 비례 법칙을 적용하였다.
• 모델 출력 결과를 산소 소비율과 연결하여 열조절 기능의 상호연결성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 체중을 가진 포유류에서 대사 열의 몇 퍼센트가 폐를 통해 방출되는가?
• RQ2 포유류 호흡기 내 열 및 수증기 교환을 지배하는 보편적인 생리학적 매개변수는 존재하는가?
• RQ3 폐의 열 및 수증기 확산 용량은 대사율과 체중과 어떻게 비례하는가?
• RQ4 큰 포유류에서 피부 기반 열 방출이 감소함에 따라 폐 기반 열 방출이 얼마나 보상하는가?
• RQ5 특히 최대 대사율에 도달할 때 폐의 열조절 역할은 어떻게 적응하는가?

주요 결과

• 모든 포유류는 체중과 관계없이 약 6–7%의 총 대사 열을 폐를 통해 방출한다.
• 점막 온도 역학에서 유도된 보편적인 무차원 수 𝒢는 모든 포유류 종에서 열 및 수증기 교환을 지배한다.
• 폐의 열 확산 용량 D′L,P는 산소 소비율과 밀접하게 비례함을 보여, 대사 요구에 대한 기능적 조율을 시사한다.
• 인간의 최대 운동 시 D′L,P는 약 10배 증가하며, 이는 대사 열 생산 증가와 일치한다.
• 운동 강도에 관계없이 D′L,P / VO₂ 비율은 거의 일정하게 유지되며, 이는 폐의 열 방출이 대사 부하와 함께 따라감을 나타낸다.
• 모델은 큰 포유류에서 피부 기반 열 방출 효율이 감소함에 따라 폐의 열조절 기능이 점점 더 중요해질 것임을 예측한다.