[논문 리뷰] Interspecific allometric scaling of unicellular organisms as an evolutionary process of food chain creation

Yuri K. Shestopaloff|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 29.

Physiological and biochemical adaptations참고 문헌 28인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다세포 생물의 이종 간 비례 스케일링이 식량망 내에서 성공적인 생식을 달성하고자 하는 필요성에 의해 유도된 진화적 적응에서 비롯된다고 제안한다. 다섯 종의 단세포 생물에 대한 성장 모델을 사용하여, 성장의 끝에서 0.757, 성장의 시작에서 0.853의 비례 승수를 유도하였으며, 이는 실험 데이터와 매우 유사하다. 이는 생식 적합도가 다양한 종 간 대사 스케일링을 결정짓는다고 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다세포 생물에서 이종 간 비례 스케일링의 기원을 설명하는 것.
• 식량망의 역학과 관련된 진화적 압력에서 대사 스케일링이 어떻게 유도되는지 조사하는 것.
• 생식 성공률이 식량망 내 종 간 대사율을 통합할 수 있는지 테스트하는 것.
• 다섯 종의 단세포 생물에 대한 실험적으로 검증된 성장 모델을 사용하여 이론적 예측을 검증하는 것.

제안 방법

• 대사 스케일링이 생식 성공을 향한 생리적 및 적응적 메커니즘의 일치에서 비롯된다고 제안한다.
• 다섯 종의 단세포 생물을 대상으로 실험적으로 검증된 성장 모델을 적용하여 크기 범위에 걸친 대사 스케일링을 시뮬레이션한다.
• 다른 성장 단계에서 생물체 질량에 대한 대사율의 상대적 분석을 통해 비례 승수를 유도한다.
• 식량망 내 모든 생물이 생식 적합도를 최적화하도록 대사를 조절하는 통합 프레임워크를 사용한다.
• 에너지 생산, 성장 역학, 진화적 적응을 연결하는 이론적 모델을 활용한다.
• 성장의 시작과 끝에서의 비율 승수를 분석하여 동적인 대사 전환을 포착한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기타 알려진 생리적 제약 이외에 무엇이 다세포 생물의 이종 간 비례 스케일링을 이끄는가?
• RQ2 성공적인 생식을 위한 필요성이 식량망 내 다양한 종 간 대사 스케일링을 어떻게 형성하는가?
• RQ3 성장 모델에서 유도된 이론적 비례 승수가 실험 관측과 일치하는가?
• RQ4 생리적 및 적응적 메커니즘이 다양한 종 간 일관된 대사 스케일링을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 단세포 생물의 성장 단계에 따라 대사 스케일링 승수가 어떻게 변하는가?

주요 결과

• 성장의 끝에서의 비례 승수는 0.757이며, 대사에서 널리 관찰되는 3/4 승수 법칙과 매우 유사하다.
• 성장의 시작에서의 비례 승수는 0.853이며, 초기 발달 단계에서 더 급격한 대사 스케일링을 나타낸다.
• 유도된 승수는 다섯 종의 단세포 생물에 걸쳐 실험 데이터와 일치한다.
• 모델은 생식 성공률이 이종 간 대사 스케일링을 통합하는 요소로 작용함을 보여준다.
• 결과는 식량망의 역학과 생식을 향한 진화적 압력이 비례 스케일링의 주요 추진력임을 지지한다.
• 이론은 순수하게 물리적 제약가 아니라 진화적 적응에 뿌리를 두고 있는 비례 스케일링 기원에 대한 기계적 설명을 제공한다.