[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究提出一个解析模型，表明无论体型大小，所有哺乳动物均通过肺部耗散约6–7%的代谢热量，其驱动力为控制黏膜温度动态的普适无量纲数 𝒢。该模型揭示，肺部的热量与水分扩散能力与氧气消耗量密切相关，表明肺部在不同物种中已进化为热调节的协调器官。

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.

研究动机与目标

• 量化哺乳动物肺部在热量耗散中的作用，尤其是考虑到其巨大的表面积。
• 研究肺部热量交换是否在不同哺乳动物物种中遵循异速生长规律。
• 识别控制支气管黏膜热量与水分交换动态的普适参数。
• 评估基于肺部的热调节在大型哺乳动物中的进化意义。
• 开发并验证一个适用于肺部热量与水分扩散能力的可操作解析模型。

提出的方法

• 基于守恒定律与扩散原理，建立支气管树中热量与水分交换的解析模型。
• 从黏膜温度动态推导出一个无量纲数 𝒢，代表气道中热量输入与散失之间的平衡。
• 利用该模型计算肺部热量扩散能力（D′L,P）与水分扩散能力（D′L,W），作为 𝒢 与通气率的函数。
• 使用 Haverkamp 等人（2005年）提供的静息与最大运动状态下的生理数据对模型进行验证。
• 应用异速生长规律，将肺部交换能力与哺乳动物的体质量和代谢率关联起来。
• 将模型输出与氧气消耗速率关联，以评估热调节中的功能耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在体型各异的哺乳动物中，有多少比例的代谢热量通过肺部耗散？
• RQ2 是否存在一个普适的生理参数，控制哺乳动物呼吸系统中的热量与水分交换？
• RQ3 肺部热量与水分扩散能力如何随代谢率与体质量变化而缩放？
• RQ4 在大型哺乳动物中，由于皮肤散热效率下降，基于肺部的热量耗散在多大程度上起到补偿作用？
• RQ5 在运动期间，尤其是最大代谢率下，肺部的热调节作用如何适应？

主要发现

• 无论体质量如何，所有哺乳动物均耗散约6–7%的总代谢热量通过肺部。
• 一个源自黏膜温度动态的普适无量纲数 𝒢，控制着所有哺乳动物物种中的热量与水分交换。
• 肺部热量扩散能力 D′L,P 与氧气消耗速率密切相关，表明其与代谢需求的功能协调。
• 在人类最大运动状态下，D′L,P 增加约10倍，与代谢热量产生量的上升相匹配。
• D′L,P / VO₂ 比值在不同运动强度下几乎保持恒定，表明肺部热量耗散与代谢负荷保持同步。
• 该模型预测，由于皮肤散热效率下降，肺部的热调节作用在大型哺乳动物中变得日益重要。