[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出，单细胞生物的种间异速生长源于自然选择压力，其驱动力是食物链中成功繁殖的需求。通过五种单细胞生物的生长模型，推导出生长末期的异速生长指数为0.757，初期为0.853，与实验数据高度吻合，从而证明了繁殖适合度在跨物种代谢异速生长中的决定性作用。

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.

研究动机与目标

• 解释单细胞生物种间异速生长的起源。
• 研究代谢异速生长如何从与食物链动态相关的进化压力中产生。
• 检验繁殖成功是否能统一食物链中不同物种的代谢率。
• 利用五种单细胞生物的实验验证生长模型，验证理论预测。

提出的方法

• 提出代谢异速生长源于与繁殖成功相一致的生理与适应性机制。
• 应用五种单细胞生物的实验验证生长模型，模拟不同体型范围内的代谢异速生长。
• 通过分析不同生长阶段下代谢率与生物体质量的关系，推导异速生长指数。
• 采用统一框架，使食物链中所有生物通过调节代谢以优化繁殖适合度。
• 采用理论模型，将能量产生、生长动力学与进化适应联系起来。
• 分析生长初期与末期的异速生长指数，以捕捉代谢动态转变过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在已知生理限制之外，是什么驱动了单细胞生物的种间异速生长？
• RQ2 成功繁殖的需求如何塑造食物链中不同物种的代谢异速生长？
• RQ3 基于生长模型推导出的理论异速生长指数能否与实验观测结果匹配？
• RQ4 生理与适应性机制在跨物种产生一致代谢异速生长中起什么作用？
• RQ5 单细胞生物在不同生长阶段的代谢异速生长指数如何变化？

主要发现

• 生长末期的异速生长指数为0.757，与广泛观测到的代谢3/4次幂定律高度一致。
• 生长初期的异速生长指数为0.853，表明早期发育阶段代谢异速生长更陡峭。
• 推导出的指数在五种不同单细胞生物中均与实验数据一致。
• 模型表明，繁殖成功是统一塑造种间代谢异速生长的关键因素。
• 结果支持食物链动态与繁殖适应性压力是异速生长关键驱动力的假设。
• 该理论为异速生长的起源提供了机制性解释，其根源在于进化适应，而非纯粹的物理约束。