Есть ли связь между частотой сердечных сокращений и продолжительностью жизни животного?

Интересно, что существует обратная отрицательная корреляция между частотой сердечных сокращений и продолжительностью жизни, а это означает, что чем выше частота сердечных сокращений, тем короче ваша продолжительность жизни. См. этот рисунок (из статьи 2, цитируемой ниже):

Когда авторы построили график приблизительного общего количества сердечных сокращений в зависимости от продолжительности жизни, общее количество сердечных сокращений находилось в довольно узком коридоре:

Таким образом, кажется, что, по крайней мере, у сердец млекопитающих есть максимальное количество ударов, которое они могут сделать. На очевидный вопрос, что вызывает это явление, ответа нет. Поскольку метаболизм мелких животных (по сравнению с их весом) выше, а также из-за этого у них выше потребление кислорода, предполагается, что это вызывает больше активных форм кислорода и связанное с этим повреждение, которое впоследствии приводит к более ранней смерти.

См. ссылки для более подробной информации:

• ЧСС в покое и ожидаемая продолжительность жизни.
• Частота сердечных сокращений, продолжительность жизни и риск смертности
• Окислительное повреждение ДНК: связь со скоростью метаболизма и продолжительностью жизни видов

Связь есть: они отрицательно коррелированы. У короткоживущих животных сердцебиение чаще, а у долгоживущих – медленнее. Однако это становится более поразительным: они не просто отрицательно коррелированы, они примерно обратно пропорциональны . У мыши и слона около 1,5 миллиардов сердечных сокращений, прежде чем они умрут.

Как ни поэтична эта связь, вероятно, она не является причинно-следственной. Дело не в том, что у вас есть определенное количество сердечных сокращений, и когда вы израсходуете свое последнее, ваше сердце умрет от истощения. Это было бы глупо.

Поучительно рассматривать инвариантность как результат того, как частота сердечных сокращений и продолжительность жизни аллометрически масштабируются с размером тела ($mass=W$).$^1$Более крупные животные, как правило, имеют более медленную частоту сердечных сокращений, а также живут дольше; оба отношения представлены в виде степенных функций , показатели которых кратны$1/4$.

• Частота сердцебиения ($R$) шкалы с отрицательным четвертным показателем степени:$R \propto W^{-1/4}$
• Срок жизни ($E$) шкалы с положительным четвертным показателем степени:$E \propto W^{1/4}$

«Общее количество ударов сердца за всю жизнь» — это всего лишь произведение частоты сердечных сокращений и продолжительности жизни. Таким образом, он должен масштабироваться как

$R \cdot E \propto W^{-1/4} \cdot W^{1/4}$

$R \cdot E \propto W^{-1/4+1/4}$

$R \cdot E \propto W^0$

$R \cdot E \propto 1$

То есть: если$R$а также$E$масштабируются таким образом - что они примерно и делают в пределах многих таксонов - тогда их произведение$R \cdot E$, общее количество ударов сердца за всю жизнь, будет примерно постоянным.

Вопрос в том, почему они масштабируются таким образом; и, помимо этого, почему показатели степени в аллометрии скорости и времени так повсеместно кратны$1/4$.

• Увеличивается ли продолжительность жизни с$M^{1/4}$потому что (по какой-то причине) частота сердечных сокращений зависит от$M^{-1/4}$; и твое сердце умирает от истощения после миллиарда ударов? ( Назовем это гипотезой сердцебиения . )
• Масштабируется ли частота сердечных сокращений с$M^{-1/4}$потому что (по какой-то причине) продолжительность жизни увеличивается с$M^{1/4}$; а у жемчужных ворот, если бухгалтерская книга говорит, что ваше сердце билось 1,5 миллиарда раз перед смертью, вы получаете бесплатную футболку; а сердце футболки любит, но еще и экономное, бьется так быстро, как надо, но не быстрее? ( Назовем это гипотезой футболки ; на мой взгляд, она немногим глупее гипотезы сердцебиения. )
• Увеличивается ли продолжительность жизни с$M^{1/4}$потому что (по какой-то причине) что-то еще , например удельная скорость метаболизма, также масштабируется с$M^{-1/4}$; и что что - то оказывает разрушительное и укорачивающее действие на жизнь? ( Это была когда-то популярная теория уровня жизни .$^2$)
• Увеличивается ли продолжительность жизни с$M^{1/4}$потому что более длительная жизнь вызывает отбор на больший размер тела таким образом, что вы получаете соответствующее масштабирование? ( Животные-долгожители могут позволить себе стать половозрелыми позже; более позднее созревание означает, что у них есть больше времени для роста, и они станут крупнее, когда наконец созреют .$M^{1/4}$аллометрия продолжительности жизни, если вы сочетаете ее с определенными предположениями о росте и плодовитости, вы моделируете отбор как происходящий в стационарной популяции и т. д. Иногда это называют моделью Чарнова .$^3$)
• Масштабируется ли частота сердечных сокращений с$M^{-1/4}$потому что скорость метаболизма зависит от массы тела? Масштабируется ли массоспецифичная скорость метаболизма с$M^{-1/4}$потому что частота сердечных сокращений делает? ( Не знаю, это звучит правдоподобно? Метаболизм клетки подпитывается веществами, доставляемыми к ней током крови, поэтому имеет смысл, чтобы они были пропорциональны, верно? )
• Масштабируется ли массоспецифичная скорость метаболизма с$M^{-1/4}$потому что именно так оптимальные масштабы для эффективной доставки ресурсов через фрактально разветвленные сети, такие как кровоток? ( Доказательство для меня слишком математическое. Эта идея является нынешним господствующим объяснением того, почему биологические времена и темпы повсеместно масштабируются с показателями, кратными$1/4$, вместо напр.$1/3$как и следовало ожидать, если бы это было связано только с отношением площади поверхности к объему. Это называется моделью Веста, Брауна и Энквиста .$^{1,4,5}$)

Вкратце : существует поразительная отрицательная корреляция — в частности, обратная пропорция — между частотой сердечных сокращений и продолжительностью жизни. Но нет особой причины считать это причинно-следственным, и оба они поразительно коррелируют с миллионом других вещей. Во многом это связано с тем, как вещи масштабируются с размером тела. Такое масштабирование называется аллометрией ; аллометрии часто являются степенными функциями; для биологических скоростей и времен показатели этих степенных функций часто кратны$1/4$(в отличие от напр.$1/3$или же$1$). Эта вездесущность в четверти степени в биологии раньше была загадочной, но теперь она получила объяснение (по крайней мере, для масштабирования скорости метаболизма, которое интуитивно может частично объяснить другие скорости) с помощью модели Уэста , Брауна и Энквиста . является результатом оптимально эффективной доставки ресурсов в фрактально разветвленных транспортных сетях.$^1$

Гипотеза Heartbeat глупа; предположительно, приблизительная инвариантность «1,5 миллиарда ударов сердца за всю жизнь» исходит из$M^{-1/4}$а также$M^{1/4}$масштабирование частоты сердечных сокращений и продолжительности жизни, происходящее по какой-то другой причине. Я не знаю, но я предполагаю, что фрактально разветвленный кровоток объясняет аллометрию сердечного ритма. Аллометрия продолжительности жизни более загадочна. Когда-то считалось, что это следует непосредственно из аллометрии удельной массы метаболизма ( теория скорости жизни ), но эта теория пережила тяжелые времена.$^2$Были даны и другие возможные объяснения, в частности модель Чарнова, которая предполагает, что низкий уровень смертности приводит к отбору на более поздний возраст зрелости, что дает животным больше времени для роста.$^3$

1. Уэст, ГБ « Происхождение универсальных законов масштабирования в биологии ». Физика А , 1999.
2. Аустад, С.Н. « Кошки, крысы и летучие мыши: сравнительная биология старения в 21 веке ». Интегративная и сравнительная биология , 2010.
3. Чарнов Е.Л. " Эволюция изменчивости истории жизни самок млекопитающих ". Труды Национальной академии наук , 1991.
4. Уэст, ГБ, Браун, Дж. Х. и Энквист, Б. Дж. « Общая модель происхождения аллометрических законов масштабирования в биологии ». Наука , 1997.
5. Докинз, Р. и Вонг, Ю. «Сказка о цветной капусте» в «Рассказе предков» , 2004 г.