BASAL METABOLISM: VAD DET ÄR, HUR DET BERÄKNAS OCH RELEVANTA DATA - BIOLOGI - 2025

Den basala metabolismen kan definieras som den uppsättning av kemiska reaktioner i kroppen, genom vilka ett djur tillbringar den minsta mängd energi som behövs för att upprätthålla vitala processer. Detta belopp representerar typiskt 50% eller mer av ett djurs totala energibudget.

Basal metabolism kvantifieras med standardiserade mått på energiförbrukningen per tidsenhet. De vanligaste är standardmetabolisk hastighet (TMS) och basal metabolic rate (BMR).

Källa: pixabay.com

TMS mäts i kallblodiga djur, som de flesta fiskar, blötdjur, paddor och reptiler. TMB mäts i varmblodiga djur, såsom fåglar och däggdjur.

Mätenheter för metabolism

TMS och BMR uttrycks vanligen som O ₂ förbrukning (ml) , kalorier (cal), kilokalorier (kcal), joule (J), kilojoule (kJ) eller watt (W).

En kalori definieras som den mängd värme som krävs för att höja temperaturen på 1 g vatten med 1 ° C. En kalori motsvarar 4 186 joule. Joule är det grundläggande måttet (SI, International System) för energi. Wattet, som är lika med 1 joule per sekund, är det grundläggande måttet (SI) för energiöverföring och transformationshastigheter.

Villkor för mätning av basisk metabolism

För att säkerställa att värdena erhållna genom olika studier är jämförbara kräver mätningen av TMS och BMR att försöksdjuren är i vila och fastande. När det gäller TMB måste dessa djur också vara i sin termoneutrala zon.

Ett djur betraktas i vila om det befinner sig i den inaktiva fasen av dess normala dagliga cykel, utan spontana rörelser och utan fysisk eller psykologisk stress.

Ett djur anses fasta om det inte smälter mat på ett sätt som genererar värme.

Ett djur anses vara i sin termoneutrala zon om det under experimenten hålls inom det temperaturområde inom vilket dess kroppsvärmeproduktion förblir oförändrad.

Respirometriska metoder för att mäta tms och tmb

- Respirometri för volym eller konstant tryck. Djuret förvaras i en förseglad behållare. De tryckförändringar på grund av konsumtion av O ₂ av djuret mäts vid konstant temperatur med hjälp av en manometer. CO _{2 som} produceras av djuret elimineras kemiskt med användning av KOH eller ascarit.

Om en Warburg-respirometer används mäts tryckförändringen genom att behålla volymen på behållaren konstant. Om en Gilson-respirometer används mäts volymförändringen genom att hålla trycket konstant.

- Gasanalys. För närvarande finns det en stor variation av laboratorieinstrument som möjliggör direkt kvantifiering av O ₂ och CO ₂ koncentrationer . Detta instrument är mycket exakt och tillåter automatiserade bestämningar.

Kalorimetriska metoder för att mäta tms och tmb

- Bombkalorimetri. Energiförbrukningen uppskattas genom att jämföra värmen som produceras genom förbränning av ett prov av obearbetat livsmedel med värmen som produceras genom förbränning av ett motsvarande prov med smälta rester (avföring och urin) av det matet.

- Direkt kalorimetri. Den består av att direkt mäta värmen som produceras av provets förbränningsflamma.

- Indirekt kalorimetri. Den mäter värmeproduktionen genom att jämföra O ₂ konsumtion och CO ₂ produktion . Det är baserat på Hess lag om konstant summa värme, som säger att vid en kemisk reaktion frigörs en mängd värme beroende på typen av reaktanter och produkter.

- Gradientkalorimetri. Om ett värmeflöde Q passerar genom ett material med tjocklek G, område A och värmeledningsförmåga C, är resultatet en temperaturgradient som ökar med G och minskar med A och C. Detta gör det möjligt att beräkna energiutgifter.

- Differentialkalorimetri. Den mäter värmeflödet mellan en kammare som innehåller försöksdjuret och en intilliggande obebodd kammare. De två kamrarna är termiskt isolerade med undantag för ytan som förbinder dem, genom vilken de byter värme.

Basal metabolism och kroppsstorlek

TMS och BMR varierar oproportionerligt med storleken på djuren. Detta förhållande är känt som ämnesomsättning. Konceptet kan lätt förstås genom att jämföra två växtätande däggdjur av mycket olika storlekar, såsom kanin och elefanten.

Om vi ​​kvantifierar lövverket de äter under en vecka, skulle vi finna att kaninen äter mycket mindre än elefanten. Emellertid skulle massan av det löv som ätits av den första vara mycket större än sin egen kroppsmassa, medan i fallet med den andra skulle det vara tvärtom.

Denna skillnad indikerar att energibehovet för båda arter är proportionellt mot deras storlek. Studien av hundratals djurarter visar att denna speciella observation är en del av ett allmänt mönster av metabolisk upptrappning kvantifierbar i termer av TMS och BMR.

Till exempel är den genomsnittliga BMR (2200 J / h) för 100 g däggdjur inte tio gånger, utan endast 5,5 gånger, större än den genomsnittliga BMR (400 J / h) för 10 g däggdjur. På liknande sätt är den genomsnittliga däggdjurs BMR på 400 g (4940 J / h) inte fyra gånger, utan endast 2,7 gånger, större än den genomsnittliga däggdjurs BMR på 100 g.

Allometrisk ekvation av metabolisk skalning

Förhållandet TMS (eller TMB), representerat av T, och kroppsmassan, representerad av M, av ett djur kan beskrivas med den klassiska ekvationen för biologisk allometri, T = a × ^Mb , där a och b är konstanter.

Passningen till denna ekvation förklarar matematiskt varför TMS och BMR inte varierar proportionellt med djuren. Genom att använda logaritmer på båda sidor kan ekvationen uttryckas på följande sätt

log (T) = log (a) + b × log (M),

log (a) och b kan uppskattas genom linjär regressionsanalys mellan experimentella värden för log (T) och log (M) för flera arter i en djurgrupp. Den konstanta loggen (a) är avstängningspunkten för regressionslinjen på den vertikala axeln. För sin del är b, som är linjens lutning, den allometriska konstanten.

Det har visat sig att den genomsnittliga allometriska konstanten för många djurgrupper tenderar att vara nära 0,7. När det gäller logg (a), desto högre dess värden, desto högre är metabolismhastigheterna för djurgruppen som analyseras.

Basal metabolism, cirkulation och andning

Avsaknaden av proportionalitet TMS och BMR med avseende på storlek orsakar att små djur har högre O ₂ behov per gram kroppsmassa än stora djur. Exempelvis är energiförbrukningsgraden för ett gram valvävnad mycket lägre än för ett gram homolog musvävnad.

Stora och små däggdjur har hjärtan och lungor av liknande storlek i förhållande till deras kroppsmassa. Av detta skäl måste sammandragningshastigheterna i det sistnämnda hjärtat och lungorna vara mycket högre än de förra för att bära tillräckligt med O ₂ till vävnaderna.

Till exempel är antalet hjärtslag per minut 40 i en elefant, 70 i en vuxen människa och 580 i en mus. På samma sätt andas människor cirka 12 gånger och möss cirka 100 gånger per minut.

Inom samma art observeras dessa mönster också mellan individer av olika storlekar. Till exempel, hos vuxna människor är hjärnan ansvarig för cirka 20% av den totala metaboliska utgiften, medan hos barn i åldern 4 till 5 år når dessa utgifter 50%.

Basal metabolism och livslängd

Hos däggdjur är hjärn- och kroppsstorlekar och basmetabolism relaterade till livslängden genom ekvationen

L = 5,5 × C ^0,54 × M ^-0,34 × T ^-0,42 ,

Där L är livslängd i månader, är C hjärnmassa i gram, M är kroppsmassa i gram och T är BMR i kalorier per gram per timme.

Exponenten för C indikerar att däggdjurens livslängd har en positiv associering med hjärnstorleken. Exponenten för M indikerar att livslängden har en negativ associering med kroppsmassa. Exponenten för T indikerar att livslängden har en negativ koppling till metabolismens hastighet.

Detta förhållande, även om det finns olika exponenter, är också tillämpligt på fåglar. De tenderar dock att leva längre än däggdjur med liknande kroppsmassa.

Medicinskt intresse

Kvinnors BMR kan fördubblas under graviditeten. Detta beror på ökningen av syreförbrukningen som orsakas av tillväxten av fostret och livmoderstrukturerna och av den större utvecklingen av mödrarcirkulationen och njurfunktionen.

Diagnosen av hypertyreos kan bekräftas genom ökad syreförbrukning, det vill säga en hög BMR. I cirka 80% av fallen med överaktiv sköldkörtel är BMR minst 15% högre än normalt. Emellertid kan en hög BMR också orsakas av andra sjukdomar.

referenser

1. Guyton, AC, Hall, JE 2001. Avhandling om medicinsk fysiologi. McGraw-Hill Interamericana, Mexiko.
2. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M. 2012. Djurfysiologi. Sinauer Associates, Sunderland.
3. Lighton, JRB 2008. Mätning av metabolism - en manual för forskare. Oxford University Press, Oxford.
4. Lof, M., Olausson, H., Bostrom, K., Janerot-Sjöberg, B., Sohlstrom, A., Forsum, E. 2005. Förändringar i basal metabolisk hastighet under graviditet i förhållande till förändringar i kroppsvikt och sammansättning, hjärtproduktion, insulinliknande tillväxtfaktor I, och sköldkörtelhormoner och i förhållande till fostertillväxt. American Journal of Clinical Nutrition, 81, 678–85.
5. Randall, D., Burggren, W., French, K. 1998. Djurfysiologi - mekanismer och anpassningar. McGraw-Hill Interamericana, Madrid.
6. Solomon, SJ, Kurzer, MS, Calloway, DH 1982. Menstruationscykel och basisk metabolism hos kvinnor. American Journal of Clinical Nutrition, 36, 611–616.
7. Willmer, P., Stone, G., Johnston, I. 2005. Djurens miljöfysiologi. Blackwell, Oxford.